可调桨及其市场研究报告

可调螺距螺旋桨研究报告

2011.8.1

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中国可调螺距螺旋桨产品概述............................................................................. 4 1.1 螺旋桨 .......................................................................................................... 4

1.1.1 螺旋桨古代发展................................................................................ 4 1.1.2 螺旋桨近代发展................................................................................ 4 1.1.3 螺旋桨理论发展................................................................................ 6 1.2 可调桨 .......................................................................................................... 7

1.2.1 可调桨定义........................................................................................ 7 1.2.2 可调桨工作原理................................................................................ 7 1.2.3 可调桨性能及应用特点.................................................................... 9 1.2.4 可调桨分类...................................................................................... 10 1.3 船舶动力装置分类 .................................................................................... 10

1.3.1 燃气轮机推进.................................................................................. 10 1.3.2 螺旋桨推进...................................................................................... 12 1.3.3 吊舱推进.......................................................................................... 13 1.3.4 喷水推进.......................................................................................... 13 1.3.5 电力推进.......................................................................................... 16 1.3.6 表面桨推进...................................................................................... 17 1.3.7 AIP推进 ........................................................................................... 18 1.4 推进系统 .................................................................................................... 18

1.4.1 介绍.................................................................................................. 18 1.4.2 工作原理.......................................................................................... 19 1.4.3 系统效率.......................................................................................... 20 1.4.4 环境要求.......................................................................................... 20 1.4.5 现状.................................................................................................. 20 1.4.6 革新传动部件.................................................................................. 23 1.4.7 安全与可靠性.................................................................................. 26 国内外主要可调螺距螺旋桨企业及竞争格局................................................... 27 2.1 国内外研究现状 ........................................................................................ 27 2.2 国外企业 .................................................................................................... 28 2.3 重点企业——镇江中船瓦锡兰螺旋桨有限公司 ..................................... 29

2.3.1 企业介绍.......................................................................................... 29 2.3.2 企业经营业绩.................................................................................. 29 2.3.3 企业市场份额.................................................................................. 29 2.3.4 企业未来发展策略.......................................................................... 29

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2.4 重点企业——杭州前进齿轮箱集团股份有限公司 ................................ 30

2.4.1 企业介绍.......................................................................................... 30 2.4.2 企业经营业绩.................................................................................. 30 2.4.3 企业市场份额.................................................................................. 30 2.4.4 企业未来发展策略.......................................................................... 31 2.5 重点企业——镇江同舟螺旋桨公司 ........................................................ 31

2.5.1 企业介绍.......................................................................................... 31 2.5.2 企业经营业绩.................................................................................. 31 2.5.3 企业市场份额.................................................................................. 31 2.6 重点企业——苏州船用动力系统股份有限公司 .................................... 32

2.6.1 企业介绍.......................................................................................... 32 2.6.2 企业经营业绩.................................................................................. 33 2.7 重点企业——苏州肖特尔推进器有限公司 ............................................ 34

2.7.1 企业介绍.......................................................................................... 34

3 中国可调螺距螺旋桨未来发展预测及投资前景分析....................................... 35

3.1 国家对船舶配套行业及可调桨螺旋桨行业的政策 ................................ 35 3.2 未来船舶配套行业及可调桨螺旋桨行业发展趋势预测与分析 ............ 35 3.3 未来可调螺距螺旋桨行业技术开发方向预测分析 ................................ 36 4 自动控制系统....................................................................................................... 39

4.1 自动控制系统的定义 ................................................................................ 39 4.2 自动控制系统的分类 ................................................................................ 39

4.2.1 按系统的结构形式分类.................................................................. 39 4.2.2 按给定值的变化形式分类.............................................................. 40 4.2.3 按系统的特性（数学模型）分类.................................................. 40 4.2.4 按系统信号流的形式分类.............................................................. 41 4.2.5 按系统变量的多少分类.................................................................. 41

5 船用主机遥控系统的应用现状........................................................................... 41

5.1 国外应用现状 ............................................................................................ 41 5.2 国内应用现状 ............................................................................................ 42 5.3 船舶主机遥控的发展趋势 ........................................................................ 42 6 几种有关船用推进系统的控制系统方式........................................................... 43

6.1 以太网控制在调距桨控制系统中的应用 ................................................ 43 6.2 WP72XF 3／4电气遥控系统 .................................................................... 43 6.3 调距桨控制器设计(模糊控制) .................................................................. 46 6.4 可调螺距螺旋桨自适应模糊控制系统 .................................................... 47 6.5 可调桨网络控制系统 ................................................................................ 49 7关于PLC的详细介绍 ............................................................................................... 50

7.1可编程序控制器(PLC)概述 ........................................................................... 50 7.2可编程序控制器(PLC)的特点 ....................................................................... 51 7.3可编程序控制器(PLC)在船舶自动化领域的作用和地位 ........................... 52 8仿真软件简介 .......................................................................................................... 53

8.1国外仿真软件 ............................................................................................... 53 8.2国内仿真软件 ............................................................................................... 54 8.3仿真软件的发展阶段 ................................................................................... 54

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8.3.1仿真程序阶段 .................................................................................... 54 8.3.2第一代仿真语言阶段 ........................................................................ 54 8.3.3第二代仿真语言阶段 ........................................................................ 54 8.3.4第三代仿真语言阶段 ........................................................................ 55

9仿真软件的分类 ...................................................................................................... 55

9.1连续系统仿真语言 ....................................................................................... 55

9.1.1仿真程序S35...................................................................................... 55 9.1.2仿真语言CSSL .................................................................................... 55 9.1.3仿真语言ACSL ................................................................................... 56 9.1.4，YFSIM一体化仿真软件 .................................................................. 56 9.1.5MATLAB/simulink仿真软件 ................................................................ 56 9.1.6其它仿真软件 .................................................................................... 56

10仿真软件的现在 .................................................................................................... 57

10.1仿真软件在航空、航天领域中发挥得淋漓尽致 ..................................... 57 10.2仿真软件在兵器、船舶领域的应用继续深化 ......................................... 58 10.3仿真软件在电子、电力领域的应用如火如荼 ......................................... 58 10.4仿真软件未来的发展特点 ......................................................................... 59 11几种常用编程软件、语言介绍 ............................................................................ 59

11.1 VC++6．0 ..................................................................................................... 59 11.2 Matlab .......................................................................................................... 59 11.3 Saber ............................................................................................................ 60 11.4 ADAMS ......................................................................................................... 60 11.5 Solidworks .................................................................................................... 62 11.6 3D/MAX简介 ............................................................................................... 62 12几种船舶推进装置中的仿真设计 ........................................................................ 63

12.1调距桨船舶推进装置及其控制系统的仿真之VC++ ................................ 63 12.2 可调桨推进系统仿真之MATLAB、SIMULINK ........................................... 63 12.3虚拟样机技术的推进器运动仿真思路 ..................................................... 64 12.4全方向推进器模型之MECHANISM／Pro .................................................. 65 12.5 PID之线性与非线性对比 ........................................................................... 65 13调距桨控制系统仿真平台设计 ............................................................................ 66

13.1仿真平台设计目标 ............................................................................. 66 13.2仿真平台设计功能 ............................................................................. 66 13.3调距桨控制系统仿真 ......................................................................... 67

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1 中国可调螺距螺旋桨产品概述

1.1螺旋桨

1.1.1 螺旋桨古代发展

1.古代的车轮，即欧洲所谓“桨轮”，配合蒸汽机，将原来桨轮的一列直叶板斜装于一个转毂上。构成了螺旋桨的雏型。

2．古代的风车，随风转动可以输出扭矩，反之，在水中，输入扭矩转动风车，水中风车就有可能推动船运动。 3.在当时，已经使用了好几个世纪的阿基米德螺旋泵，它能在水平或垂直方向提水，螺旋式结构能打水这一事实，作为推进器是重要的启迪。伟大的英国科学家虎克在1683年成功地采用了风力测速计的原理来计量水流量，于此同时，他提出了新的推进器——推进船舶，为船舶推进器作出了重大贡献。

1.1.2 螺旋桨近代发展

1752年，瑞士物理学家白努利第一次提出了螺旋桨比在它以前存在的各种推进器优越的报告，他设计了具有双导程螺旋的推进器，安装在船尾舵的前方。 1764年，瑞士数学家欧拉研究了能代替帆的其它推进器，如桨轮（明轮）。喷水，也包括了螺旋桨。

潜水器和潜艇在水面下活动，传统的桨、帆无法应用，笨重庞大的明轮也难适应。于是第一个手动螺旋桨，不是用在船上，而是作为潜水器的推进工具。 蒸汽机问世，为船舶推进器提供了新的良好动力，推进器顺应蒸汽机的发展，成为船舶推进的最新课题。

第一个实验动力驱动螺旋桨的是美国人斯蒂芬，他在1804年建造了一艘7．6米长的小船，用蒸汽机直接驱动，在哈得逊河上做第一次实验航行，实验中发现发动机不行，于是换上瓦特蒸汽机，实验航速是4节，最高航速曾达到8节。 斯蒂芬螺旋桨有4个风车式桨叶，它锻制而成，和普通风车比较它增加了叶片的径向宽度，为在实验中能选择螺距与转速的较好配合，桨叶做成螺距可以调节的结构。在哈得逊河上两个星期的试验航行中，螺旋桨改变了几个螺距值，但是实验的结果都不理想，性能远不及明轮。这次实验使他明白，在蒸汽机这样低速的条件下，明轮的优越性得到了充分发挥，它的推进效率高于螺旋桨是必然的结论。

阿基米德螺旋的引入，最早见于1803年，1829年有英国的阿基米德螺旋桨的专利。并在此基础上于1840- 1841年建造了一些民用的螺旋桨。1843年，英国海军在“雷特勒”号舰上，第一次以螺旋桨代替明轮，随后由斯密士设计了20艘螺旋桨舰，参加了对俄战争，斯密士成为著名人物。

1843年，美国海军建造了第一艘螺旋桨船“浦林西登”号，它是由舰长爱列松设计，在爱列松的积极推广下，美国相续建造了41艘民用螺旋桨船，最大的排水量达2000吨。

尽管英、美等国取得了一些成功，但是螺旋桨用作船舶推进还有很多问题，如在木壳船上可怕的振动，在水线下的螺旋桨轴轴承磨损，桨轴密封，推力轴承等。

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随着技术的进步，螺旋桨的上述缺陷，一个一个地克服，以及蒸汽机转速的提高，愈来愈多螺旋桨在船上取代明轮。到1858年，“大东方”号装有当时世界上最大的螺旋桨，它的直径有7．3米，重量达36吨，转速每分种50转，当时，推进器标准不再具有权威性，由于螺旋桨的推进效率接近明轮，而且它却具有许多明轮无法竞争的优点，明轮逐步在海船上消失。 在科学技术发展过程中，许多机械装置的性能在人们还不太清楚的时候，就已经广泛使用了。但是人们在不完全理解它的物理规律和没有完整的理论分析以前，这些装置很难达到它的最佳性能。螺旋桨也不例外，直到1860年，虽然它在海船上已经成为一枝独秀，但是它的成就全都是依靠多年积累的经验。螺旋桨的进步，只依靠专家们的直观推理，已经不能满足船舶技术的发展需要，它有待科学家对其流体动力特性做出完整的解释，这就促使螺旋桨理论的发展。 在船舶技术发展过程中，它比任何一个专业领域都做得多，从经验方法过渡到数字化设计，再进而应用计算机技术进行螺旋桨最佳化的设什。一个好的螺旋桨其设计是非常重要的，模型试验也起着主要的作用。 船用螺旋桨的诞生

1836年，英国的“阿基米德号”使用了螺旋推进器，那是一个木制的长长的像螺丝钉的螺杆 。开始试验时，它以每小时4海里的航速航行。突然，水中的障碍物碰断了螺杆，只剩了一小截。正当造船工程师史密斯急得不知所措时，这船却意外地加快了速度，达到每小时13海里。这事启发了造船工程师们，他们把长螺杆变成短螺杆，又把短螺杆变成叶片状，螺旋桨就这样诞生了。 1845年，英国制成了世界上第一艘螺旋桨船 “大不列颠号”，但是,当时的人们对螺旋桨和螺旋桨船存在疑虑螺旋桨没有等到广泛应用， 螺旋桨船还不多。 螺旋桨轮船和明轮船的比赛

为了证明螺旋桨的优越性, 英国海军组织了一场有趣比赛：把动力相当的“响尾蛇号”螺旋桨轮船和“爱里克托号”明轮进行了竞赛。两艘船的船尾用粗缆绳系起来，让它们各朝相反的方向驶去。“响尾蛇号”的螺旋桨飞快地旋转，“爱里克托号”的明轮猛烈地向后拨水。先是互不相让，但过了一会儿，“响尾蛇号”就把“爱里克托号”拖走了。这场比赛证明了螺旋桨的优越性。从此，螺旋桨轮船就取代了明轮。

由于我国自19世纪中叶沦为半殖民地，很少有贡献。解放后，我国造船事业得到新发展，对螺旋桨技术也进行了大量设计、研究工作，为各类舰船配上了大量自己设计制造的螺旋桨。最值得骄做的是“关刀桨”的问世，它是我国在螺旋桨技术发展中的一大创造。那是在60年代，广州文冲船厂有一位师傅，名叫周挺，他根据自己几十年制做螺旋桨的经验，把螺旋桨的桨叶轮廓做成三国演义中关公的82斤重大刀的式样，他形象地叫它“关刀桨”。 “关刀桨”曾在一些船上试验航行，提高了船的航速，更奇的是螺旋的振动却大大地减弱了。在当时的长江2000马力拖轮和华字登陆艇上使用，都取得了良好的效果，这一成就，吸引了许多造船界人士。1973年，在上海首先做了“关刀桨”敞水试验研究，同时还提供了设计图谱。有趣的是，在世界著名造船国家今天开发的“大侧斜”螺旋桨，最新舰用大侧斜螺旋桨，直径6．3米，轴功率35660千瓦，舰航速达32．节；最新在客渡船上采用的大侧斜螺旋桨，该桨直径5．1米，轴功率15640干瓦，船航速为23．2节。最新化学品船上采用的大侧斜螺旋桨，该桨直径6．2米，轴功率10400千瓦，船航速16．7节。它们和“关刀桨”非常相似，其重要特征是振动，噪声小，这也是“关刀桨”所具有的特点。常州

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中海船舶螺旋桨公司造出我国民企最大船用螺旋桨，可以提供最好的“关刀桨”。

1.1.3 螺旋桨理论发展

第一阶段:19世纪中叶 动量理论

Rankine和R.E.Froude提出了动量理论 ， 并将其作为评估船用螺旋桨的分析手段 ， 该理论也被认为是理想推进器理论。动量理论的重要意义在于解释了推进器产生推力的原因。 叶元体理论

在W.Froude的叶元体理论中：推进器被认为由几个单独的桨叶构成 ， 同时这些桨叶又分成从导边至随边的连续的带。通过分析每一叶元体所受的力 ， 以计算整个推进器的推力和转矩。 第二阶段：20世纪20年代至80年代

动量理论和叶元体理论这二个理论尽管发展得很好 ， 但是它们没有很好地考虑桨叶数目的影响和为叶元体选择合适的升力和阻力值。 升力线模型

1927年，Prandtl等建立了机翼的升力线理论

1929年，Goldstein发表了螺旋桨涡流理论，提出最优环量分布理论。1952年，Lerbs提出了螺旋桨升力线理论。 第三阶段： 20世纪 80 年代至今 边界元法

边界元法的核心是格林函数。由于边界元法考虑的是叶表面而非平均的拱度面 ， 因而可考虑到非线性厚度耦合的影响。同时 ， 在螺旋桨导边和叶梢处 ， 边界元法比涡格法具有更好的预测性。 考虑粘性流的计算流体动力学法

上述方法均假定流体是无粘性的，姑应用势流理论进行处理。世纪流体是粘性的，因此，基于粘性的RANS的计算流体动力学法被用于螺旋桨性能的预报。近年来，先进的商用RANSE程序可较为准确的预测螺旋桨敞水性能和压力分布。 近代船用螺旋桨设计

现代船用螺旋桨设计的关键问题是吸收最小的能量、提供最大的效率、减少船体震动和避免产生不利的空泡。因此，其设计是一个迭代过程。 一般而言 ， 可采用以下四个设计步骤 ：

第一步为螺旋桨初步设计。基于螺旋桨系列试验资料 ， 如荷兰的 Ｂ 系列或日本的 ＭＡＵ 系列 ， 按最高效率进行螺旋桨主要参数如直径、叶数、盘面比和螺距比的选取。

第二步为螺旋桨详细设计。基于初步设计的结果， 通常采用升力线、升力面模型进行设计以决定叶剖面的具体几何形状 ， 如弦长、拱度、厚度分布和螺距分布等。近年来 ， 面元法也被用于详细设计。

第三步为螺旋桨的分析与计算。基于详细的几何形状 ， 采用升力面模型或边界元法或计算流体动力学法来评价空泡性能、螺旋桨强度、轴承力和脉动压力等。如果分析计算中发现一些令人不满意的结果 ， 螺旋桨应重新回到第二步设计 ， 然后再次分析与计算。

第四步为螺旋桨最终设计。螺旋桨设计的结果由螺旋桨模型试验 ， 如敞水试验、自航试验和空泡试验等验证并作最终修改设计。

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随着试验设施的改进，现代化的大型空泡水筒 ， 如美国的 ＬＣＣ、法国的ＧＴＨ、韩国的 ＳＣＡＴ、中国的 ＬＣＴ 和 德 国 的 ＨＹＫＡＴ被广泛用于空泡试验。许多船用螺旋桨的制造企业 ， 如德国的 ＭＭＧ、英国的 Ｓｔｏｎｅ、荷兰的 Ｌｉｐｓ 和日本的 ＫＡＭＯＭＥ 等都有自己的设计和分析软件。

1.2可调桨

1.2.1 可调桨定义

可调螺距螺旋桨即是桨叶螺旋面与桨毂可作相对转动的一种螺旋桨。它借助一套转叶机转动桨叶(曲柄连杆式、曲柄滑块式、曲柄销槽式)以达到改变螺旋桨螺距 H 的目的。对于桨径 D 一定的螺旋桨，则等于换了一个新的螺距比 H/D，其性能也就发生了变化。

1.2.2 可调桨工作原理

可调桨螺距调节机构，如图 2 所示。它主要是由工作液压缸内的工作活塞，在正/侧转油压作用下水平移动时，拉动桨叶上的偏心轴销作转动而工作的。可调桨其桨叶如图 3 所示。图中，叶片轴的中心线为 H-H 线，叶根部除中心轴（A）外，还有偏心销轴（B）。其二轴的偏心距为 R，油缸工作活塞在正车/倒车压力油作用下，作左右水平移动时，通过带动偏心轴（B）而使桨叶片作正向转动或倒向转动，从而实现桨叶的正螺距转动或倒螺距转动。可调桨内部结构，如图 4 所示。在可调桨的整个调节过程中，仅仅使螺距角转动（正转或倒转）一定的角度是较容易实现的；关键是当桨叶转过一定角度后，在这个角度要实现锁定，保持螺距角稳定不变，且当螺距角稍有偏差，即能自动纠偏才，是比较难以实现的。这就需要由一套有反锁随动的控制系统进行偏差调节来保证的。

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图 1 可调浆结构图

图2 可调浆的浆叶

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图 3 可调浆内部结构图

1.2.3 可调桨性能及应用特点

与一般的定距桨相比，调距桨具有十分显著的特点，它的优缺点如下： 优点：

（1）对航行条件适应性强：在航行条件改变的情况下，可以通过调节螺旋桨的螺距比 H/D，就可使主机保持发出最大功率的能力，因此船舶可获得较高的航速并获得较大的推力。

（2）动力装置的经济性好：相较于定距桨唯一的效率线，调距桨有一条最佳 n—H/D 匹配曲线，可以兼顾螺旋桨效率和主机燃油消耗率，获得较好的经济性。 （3）提高了船舶的机动性；除了靠改变主机转速调节船舶航速，还可以借助于螺旋桨叶片角度的改变,实现正车、倒车、停车以及航速变化，并且换向时间短、反向推力大、可实现船舶的无级调速。

（4）有利于驱动辅助负载：主机以恒定的转速运转，对使用轴带发电机或使用轴带设备的船舶非常有利。

（5）延长了发动机寿命：由于调距桨的变螺距功能,减少了主机起、停及改变转速的次数，以此减少了运动部件的磨损和受热部件的热疲劳损坏,大大延长主机的寿命,减少主机的维修时间和 维修费用。

（6）便于实现遥控：遥控系统功能强大、操作方便，驾驶员可以在驾驶台直接操纵控制手柄进行调距桨螺距的调节。 缺点：

（1）调距桨及轴系由于要安装螺距调节机构及遥控系统，因此构造复杂，造价

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比定距桨高；

（2）由于桨毂中的转叶机构零件尤其是运动部件多，可靠性不及定距桨；

（3）在相同情况下，调距毂部结构较定距桨复杂，使得其毂径比（d/D）较大，在相同的设计工况时，其效率要比定距桨低 1%～3%。

1.2.4 可调桨分类

1.3船舶动力装置分类

1.3.1 燃气轮机推进

走马灯是燃气轮机的雏形。它靠蜡烛在空气燃烧后产生的上 升热气推动顶部风车及其转轴上的纸人马一起旋转。现代燃气轮机发动机主要 由压气机、燃烧室和透平三大部件组成。当它正常工作时，工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功的转化的热力循环。

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燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机。其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作工，推动动力叶片高速旋转，乏气排入大气中或再加利用。 舰船燃气轮机动力装置是指以燃气轮机为主机的全燃化动力装置。它自五十年代末期起，尤其是六十年代中期以来，已得到了极其广泛的应用。功率总数日益增长，装舰使用范围日益扩大，已由快艇发展到了护卫舰、导弹驱逐舰、巡洋舰和直升机航空母舰等。

竞争激烈的船用燃气轮机在世界范围内，船用燃气轮机装置的市场一直主要由GE和罗·罗这两大公司所统治，但是目前则受到了来自各方的挑战。 如MFT-8燃气轮机 TF40系列燃气轮机 Solar燃气轮机

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1.3.2 螺旋桨推进

螺旋桨推进是现代船舶的主要推进工具,现在大多数船舶是用螺旋桨来推进的。

按照桨叶多少，螺旋桨有2、3或4个桨叶,甚至更多。一般桨叶越多吸收功率越大 按照构造不同，螺旋桨分为定距和变距螺旋桨两大类。 定距螺旋桨，螺距是固定不变的。 变距螺旋桨，通过螺旋桨变距机构调节螺距。

图表 1串列螺旋桨 图表 2槽道螺旋桨

图表 3对转螺旋桨 图表 4导管螺旋桨

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1.3.3 吊舱推进

目前，在船舶电力推进系统中，应用最为广泛的推进器是吊舱式推进器。吊舱式电力推进装置的结构是将电机放在一个吊舱内，定距螺旋桨直接连接在电机轴上，可360度旋转，在任何方向上产生推力，不需要舵和侧推器。集推进和操舵装置于一体，能够增加船舶设计、建造和使用的灵活性整个吊舱位于船体外侧浸泡在海水中直接向外散热，从而整个推进器不需要额外冷却。这种设计有利于减轻船体自身重量、节省空间，并且能够降低噪声和振动，使得机动性能更加良好，同时，还为推进器的制造、维护和检修提供了方便

1.3.4 喷水推进

喷水推进器由水泵、吸水管道、喷水管道等部件所组成,利用水泵作动力，将水从船底孔吸入，经舷部管子，依靠船尾的水泵喷出高压高速水流的反作用力来推进船舶，并通过调向阀门的阀轴转动改变出水方向来实现对船舶的操纵（前进、转向和倒退）乌贼素有”海中火箭”之称．它在逃跑或追捕食物时, 最快速度可达每秒１５ 米, 连奥林匹克运动会上的百米短跑冠军也望尘莫及人们根据乌贼喷水推进方式，设计了喷水推进器。

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喷水推进装置的基本结构

包含有吸水装置、输水装置和喷水装置。吸水口开设在舰船的首部，吸水口防护罩罩住吸水口的开口部分，联接在舰船的壳体上，吸水口开关的进水端联接吸水口的收口端，其出水端与输水装置中的输水管的前端相联，增压泵的出水端与增压输水管的前端相联。

输水装置中的增压泵可为一个或多个，视舰船的长度、大小和增压的实际需要配置，若为多个，则从第一级到最后一级依次串联（一个增压泵为一级增压，多个增压泵极为多级增压）。

喷水装置位于舰船的尾部，含有喷水机、调向阀门、正向喷头及开关、逆向喷头及开关。喷水机的进水端与增压输水管的出水端相联，其出水端与调向阀门的进水相联，调向阀门的两个出水端分别与正向喷头开关的进水端相联。正向喷头的出水端伸出舰船尾部正面壳体，逆向喷头的出水端伸出舰船尾部侧面壳体 喷水推进的优点 ：

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(1) 在限制直径情况下，喷水推进的效率可以比普通浆为高．这是因为，泵的叶轮可承受比普通桨高的负荷。

(2) 可在空泡很低的情况下正常工作．因为泵有较高的抗汽蚀性能。 (3) 振动小。因为泵的叶轮似在导管中工作，流动均匀，激振力小。

(4) 倒车和回转时主机转向不变，倒车回转较灵活，倒车施力较普通浆为大． (5) 喷水推进系统采用后，减少了船体上的附件，如尾轴和轴架等，有利于减少阻力高速艇尤其如此。

(6) 由于喷水装置能在多工况下较好地发挥主机功率，因此在多工况船舶上采用也比较有利。 喷水推进的缺点 :

(1) 在吃水不限制的情况下，与普通桨相比，喷水推进效率较低，故一般在常规船上不采用。

(2) 喷水推进系统结构工艺上较复杂 ( 特别是导流片和倒车装置 ) ，建造成本高，检修也较困难。

(3) 喷水管道内因水的重量作用使船舶排水量增加．

(4) 在卵石多的浅水航道中采用时，泵的叶轮易被打坏． 喷水推进的应用

喷水推进较适用于内河拖轮、浅水自航船 ( 如客船、交通 ) 、高速船舶 ( 包括滑行艇、侧壁式气垫船、水翼船等 ) ，以及要求低噪音的专用船舶上

喷水推进装置的著名供应商 新西兰 Hamilton 公司 瑞典 Kamewa 公司 荷兰 Lips Jet 公司 日本 Kawasuki 公司 其他公司

–英国 Ultra Dynamics 公司

–美国， Kodiak 公司、 American Jet 公 司和 American Turbine 公司 –中国上海的 708 所 喷水推进的前景 近年来，随着各国对喷水推进技术研究的不断深入，一些新型喷水推进器及装置也相继出现，如通气式喷水推进器，轴流诱导轮喷水推进器，新型舷外式喷水推

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方案，每艘船应根据船型及其计划运输服务范围选择最佳推进系统方案。目前在民船航运中使用如下推进装置。

二冲程柴油机推进系统烧重油的低速二冲程柴油机直接驱动定距螺旋桨配置是当今民船上最通用的推进装置形式。选择螺旋桨转速具有特别重要的意义，因为随着螺旋桨转速的降低推进效率大为提高。因此，为大型高速船舶特别研制了特低转速（60-80 rpm）的二冲程柴油机。这些所谓的长冲程柴油机，冲程与缸径比为3-4，有效效率可达50%，因而燃油初级能量的直接利用率最高。此外，部分废气能量还可使用在废热锅炉内生产热水或饱和蒸汽或加热热油系统。回收的废热在船上可以用于预热目的。在安装大功率发动机的船上，将废热锅炉生产的过热蒸汽送到涡轮发电机，提供船上所需要的电能，这样也许是经济的，但要对取代柴油发电机所节省的燃料费用与增设废热锅炉和涡轮发电装置所花的较高的基本建设投资进行对比。现代二冲程船用柴油机的结构型式一般为

气缸直列式、转速约为60-200 rpm，单缸功率400-5500kW、使用恒压涡轮增压的柴油机。由于增大了冲程/缸径比，气缸换气效率得到改善，所以直流扫气被证明是最优越的换气系统。二冲程和四冲程船用柴油机的进一步发展则致力于降低生产和维护费用、降低燃油消耗、减少废气污染和缩减机舱尺寸。定距螺旋桨推进受空化作用，螺旋桨尺寸和其在尾流中的位置受到限制。所以在推进系统中的桨越来越多的设计形式是桨叶侧斜式定距螺旋桨。与传统的定 距桨相比，侧斜式定距桨具有同样好的推进特性、较好的空化性能，而在船体上形成的压力波动较小。在船舶整个寿命期间，从起动（海上试验条件）到特别不利条件下作业，螺旋桨特性变化范围可能很宽。全速航行时只有在发动机具有适当功率贮备时才有可能，现在选用的发动机，大多数在海上航行试验时，留有10-15%的功率贮备。

四冲程柴油机推进系统 现代四冲程中速或高速柴油机推进系统相对转速较高，分别为300-1000 rpm或1000-2200 rpm。为了使螺旋桨在最佳转速下工作，需要配有减速齿轮箱。在柴油机和齿轮箱之间必须安装高弹性的弹性联轴节以防止对齿轮箱的冲击。使用齿轮箱传动有可能使螺旋桨采用多台发动机驱动。过去就有很多船舶的推进装置装备双发动机，有时甚至配备三台或四台发动机。多发动机动力装置不仅可以提高主机的冗余度，而且具有可以采用紧凑型机械系统的优点。采用恒压或脉冲涡轮增压系统的四冲程柴油机，通过气缸盖的进排气阀进行换气。所以四冲程中速柴油机适用燃烧重油。恒压涡轮增压系统由于在较高负载范围内气流能量损失较少，设计有可能较为简单，因而生产费用较低。脉冲增压在部分负载和加速性能方面有其优点。用作船舶主机的四冲程柴油机的结构型式为9-20气缸、直列式或V型布置、单缸输出功率最高达2000kW。目前的四冲程柴油机功率范围有可能全面覆盖对其作为主机所要求的功率范围，既可采用单机驱动也可采用多机驱动。尽管它们的特种燃油和维护费用稍高于二冲程机，但它们在重量和高度方面则有显著的优势。四冲程机还特别适合于废热回收，因为它们的排气温度（330-380℃）大大高于二冲程机的排气温度（250-280℃）。因此人们正努力尽可能扩大其废热回收。四冲程柴油机推进系统在大多数情况下选择可调螺距螺旋桨。可调螺距螺旋桨由于其叶片可以通过使用液压缸改变其位置，从而改进船舶机动性，即使在极端工作条件下例如在拖船上或在渔船上，也能保持最佳的总推进效率。配备轴带发电机的推进装置能在宽阔的负载范围内以恒速工作。可变螺距螺旋桨降低了主机的费用（无倒车装置），但其缺点是价格较贵（生产费用和维护费用高），且与定距桨相比推进效率稍低。小型或中型四冲程

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机通常选用的方案是将柴油机通过换向装置与定距桨相连。在主机工作期间利用两个离合器和一根中间轴可以改变螺旋桨的旋转方向。

蒸汽轮机推进系统 在造船中使用蒸汽轮机推进装置因经济原因仍然受到限制（燃油消耗率高）。除了仍在营运的燃重油和燃煤蒸汽船外，运输液化天然气的LNG液货船是目前唯一的专门用蒸汽轮机推进的船型。这里有其特殊的原因，在LNG液货船上，液化气以-162℃的温度下装在隔热舱中运输。尽管高效隔热，但仍然不可避免每天有 0.1-2.5%液化气蒸发。蒸发的天然气可用作双燃料主锅炉的燃料，生产主涡轮机用的蒸汽，提供几乎全部需要的推进功率。重燃油则用作辅助燃料和船舶的压载货物。在港口可以用不污染环境的方法使用蒸发的天然气，在主锅炉内燃烧天然气。辅助作业不需要的过多蒸汽，可在单独的海水冷却的常压冷凝器中冷凝。用柴油机装置要做到这一点是不可能的。按港口地方排放规则的要求，在船上必须安装昂贵的附加燃烧装置或再液化装置处理蒸发的气体。另一点是目前还没有经充分验证的双燃料柴-燃发动机可以用在LNG液货船上。船东也必须从安全方面考虑，因此选择了经验证可靠的、无需再热或高压预热器的简单设计的蒸汽轮机装置。为这类价格昂贵的船舶选择推进系统，最重要的准则是最高的实用性。对LNG船而言燃油消耗已是不重要的经济因素。所示的是LNG船上典型的蒸汽轮机推进装置。它是由转速分别为7000 rpm和4000 rpm的高压涡轮机和低压涡轮机以及带分功率输出轴的二级减速齿轮箱组成的双壳机。定距桨的转速是120rpm。过热器出口的蒸汽状态是62 bar/510℃。倒车涡轮由两级Curtis 级组成，位于低压涡轮机的排汽区。当倒车速度达到正车速度的50%时，倒车涡轮能产生相当于80%正车转矩。船用汽轮机能保持全倒车速度（70%正车速度）至少30分钟而无任何发热问题。

燃气轮机推进系统 燃气轮机推进系统由于其重量/功率比小（mGT/Pe = 0.2-0.9 kg/kW)，特别适用于浅吃水流线型快速船推进系统。因此，这种推进系统越来越多地使用在快速渡船和客船上。军船装备燃气轮机推进系统已有数十年历史，常与柴油机组合以改善燃气轮机在部分负荷时的性能。在航空用发动机和从工业涡轮机发展而来的重载燃气轮机之间有些区别。航空用发动机由于结构体积小、重量轻，易于安装。在过去数年里燃气轮机系统的实际效率一直在稳步提高。固定式组合热电站用燃气蒸汽轮机（GuD）系统的研制成功对提高燃气轮机的效率作出了贡献。（GuD装置目前几乎占世界电站新装机容量的一半，且装机量继续上升。）适合于船舶推进用的开式循环燃气轮机的效率已经大大得到提高，这一方面是由于添加了热交换器，用排气来预热压缩机和燃烧室之间的空气，另一方面是由于对低压和高压压缩机之间的空气进行冷却之故。这些新开发的ICR燃气轮机，在部分负载时的性能与高速柴油机相类似，且以其低NOx排放量而著名。研制顺序燃烧的环形燃烧室也有助于提高效率，特别有助于降低废气排放量。增加涡轮机进口温度对其热动力性能有利，但此温度受到叶片的机械强度和热负荷能力以及高温腐蚀危险的限制。尽管如此，采用叶片内冷的新方法有可能进一步提高燃气轮机的进口温度。为避免高温腐蚀，应使用钒含量低的燃料（汽油或煤油，以及在重载机情况下使用特别制备的重油）。这样一来燃料费较高，但在废气排放方面有其优势。燃气轮机装置与柴油机装置相比，其效率和性能较多地依赖于外界空气温度，因此在设计燃气轮机装置时必须考虑预期的外界空气温度分布及由此引起的功率减少。燃气轮机还对进口空气的纯度有严格要求，因此空气通道和烟道必须要大，而且要使用另一个结构体积相对较小的发动机。在船上，燃气轮机主要作为联合装置工作。在双体船上有时使用一大一小燃气轮机组合。

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在快速单体船上使用柴油机与燃气轮机组合，即CODAG装置（柴-燃联合装置），在额定负荷下柴油机和燃气轮机一起工作。这时的船舶通常采用喷水推进装置。 高速船（> 25 节）使用喷水推进的优越性主要因为它在高速下相对转动效率高。另一个积极因素是它的机动特性好。它不需要舵、螺旋桨轴和倒车齿轮箱，因为用喷水器在两个方向都可能产生全速推力。与常规螺旋桨相比，喷水推进器无噪声、无振动。

柴-燃-电联合推进装置 客船上的动力装置不仅用作推进装置，而且还必须为船上客舱服务提供所需要的可观的电力和热力，与此同时还应使旅客受到尽可能少的噪声、振动和排气烟雾的影响。由于快速运输旅客不再如此重要，这种船的营运方式发生了变化。速度变化很大，而且取决于具体的航行计划。为满足这些要求，客船往往装柴-电推进装置。电力驱动电动机易于调节，不用齿轮箱装置，直接操纵螺旋桨。驱动电动机和客舱经营所需要的电力，通常由适当规格的柴油发电机供应。由于与驱动电动机不需要机械联接，只要电气联接，因此发电装置可以安装在船上任何地方，例如在螺旋桨轴上方，这样可使机舱紧凑。为获得良好的机动性，通常在船头或船尾安装侧推器。热能通常从组合式辅助废热锅炉获取。大约自1995年以来，一种新的推进系统吊舱式电力推进（POD）一直在运行中积累经验。在此系统中，交流驱动电动机挂在船尾下的吊舱内，由一台变频器供电和控制。吊舱带动螺旋桨，可旋转整个360°，因而可在任何需要的方向产生推力，不需要舵和侧推器，而机动性有所增加。由于驱动电动机位于船体之外，因而也不需要轴和轴架，这意味着在船尾有额外的空间。螺旋桨还能布置得顺应水流，从而获得较高的推进效率，由于减少了附体的阻力，推进效率轻而易举地提高了10%。由于吊舱浸在海水中直接向外散热，故驱动电动机不需要冷却。POD推进正在建造成双装置或单装置。可以安装涡轮发电机代替柴油发电机发电。数艘正在建造的旅游船安装的是燃气-蒸汽轮机联合装置（COGES）。为冗余度的原因，像通常在固定式GuD装置一样，COGES推进装置由两台燃气轮机组成，每台带一台废气锅炉生产过热蒸汽送到蒸汽轮机。需要的电力则由三台涡轮发电机生产。供暖和热水由蒸汽轮机提供。COGES推进系统与柴-电装置相比，最显著的优点是涡轮机运转较平稳、重量较轻和空间要求较小。在起动或机动期间当出现明显的负荷大幅度变化时（例如：倒车和停车机动时），燃气轮机能较快地达到运转性能也是其一大优点。因使用昂贵燃料而使运行费用增高这一缺点，可以因减小机舱尺寸（意味着客舱增多）和大大降低废气排放量而得到补偿。燃气轮机－蒸汽轮机装置相对较高的热效率与装置的尺寸有关。在现代燃气轮机－蒸汽轮机联合动力装置的热效率可达58%，在高性能船舶上，其热效率可达45-50%。如今COGES推进装置独特的优势主要体现在客船和渡船上。

1.4.6 革新传动部件

发动机装置产生的机械能，通过齿轮箱（在需要之处）、联轴节和轴传递到螺旋桨，而由螺旋桨产生的推动船舶前进的推力，则通过推力轴承和底座传送到船体结构。这些传递动力和推力所必需的机械部件的工作特性，不仅对推进装置在连续工作期间的静态性能，而且也对动态性能（例如：扭振和纵向振动）和非静态工况（例如：倒车和停车机动）也是很重要的。正因为如此，这些部件的制造厂商正在进行的研究和开发工作，主要集中在针对船舶营运的特殊要求，进一步优化传动系统。

齿轮箱 采用齿轮箱装置意味着可以根据效率、尺寸和重量选择发动机和推

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进器的最佳速度。当今，由于蒸汽轮机和燃气轮机推进系统以及中速和高速四冲程柴油机的转速高，几乎都采用紧凑的齿轮装置。由于所用的速度组合存在着很大差异，因而船用齿轮的设计差别很大。随着推进功率的增加，对船用齿轮箱的要求也在增加。除了要求疲劳强度高以外，还要求噪声低和重量轻。 在蒸汽轮机装置中，齿轮箱允许双壳机，其高压涡轮机和低压涡轮机设计时各有其最佳速度。由于涡轮装置要求齿轮箱有高的传动比，所以需要两级或三级传动齿轮箱。最合适的是两级联式减速齿轮箱，在高压侧和低压侧分别设置动力传递路线，在要求更高的动力传递时，采用二级联式齿轮箱串联布置或功率分轴式二级减速齿轮最为合适。通过使用弹性扭力轴保证负荷分配均匀。当在高压侧因涡轮转速高或螺旋桨转速特低（例如：油船上60-80rpm）时，就要配置三级减速齿轮箱，还要采用行星齿轮作为第一级减速。 由于所有各类船舶要求的推进概念大不相同，为柴油机动力装置已开发了很多型号的齿轮箱。齿轮箱每级的减速比可能达到8:1左右，所以不同转速、不同功率的四冲程柴油机均可采用单级齿轮箱。然而由于空间限制及在特殊情况下，则选择两级同轴齿轮箱或行星齿轮箱。多机装置一般具有两台有时三台偶尔四台柴油机，要求特殊结构的齿轮箱。在这些齿轮箱中，首要考虑的是输入轴与输出轴布置，结构要尽可能的紧凑、外形符合船舶轮廓（图6）。

四冲程柴油机-定距桨推进传动装置要求安装倒车减速齿轮箱，在运行期间通过两套组合式离合器和一根中间轴，螺旋桨可以反向转动（图13）。倒车齿轮箱主要配备的功率范围在5MW以内。在特种船（如渔船）上使用增压式柴油机，使倒车和停车机动用齿轮箱装置所需的部件得到进一步发展。例如，为优化齿轮箱液压传动而研制的新型先导阀，已使切换和倒车工况能适应高增压柴油机的性能曲线，并改善了其适应性，这就意味着在柴油机和齿轮箱不过载条件下缩短了船舶停车距离和时间。借助于模拟程序能模拟倒车和停车机动工况，确定各个部件上的最终尖峰负荷，并按高可靠性要求来设计这些部件。

某些船舶由于其所从事的商务性质，有时需要在特别低的速度下航行。为这些船已研制出回旋系统齿轮箱。这里，离合器的液压控制可以调整离合器使之能经常以高差速工作。通过耦合压力，螺旋桨速度能调节到大大低于发动机的最低转速，并通过电子性能监控器进行控制。

在采用柴油机装置－齿轮箱－变螺距螺旋桨动力装置中，有一种日益增长的趋势，即系统方案开发。其目的是提供一种推进装置，其各部件（如：齿轮箱、轴、可变螺距螺旋桨）的运转状态同步，并且能与共同的供应和操作系统（如：油料系统、控制系统、监视系统）相联接。这样可减少辅助系统的配置数量，也可改善推进系统的工作性能。

对于船用齿轮箱，常常要求配备高速分功率输出装置（PTO）（图14），用来驱动发电机、泵或其它工作机械。这种做法经济上特别合算。因为主机和辅机不一样，它燃烧重油，如果发电机作为发动机工作，额外的驱动动力可以通过分功率输入装置（PT1）传递给螺旋桨轴。当主机不能工作且通过联轴节与螺旋桨轴分开时，输入的功率也能用于回旋作业或返航的动力。空轴齿轮箱是一种非常特殊的结构型式，它是为直接驱动螺旋桨的二冲程柴油机研制的。使用这种齿轮箱，主机也可以驱动轴带发电机。

尺寸和功率更大的快速渡船的推进系统也有了变化。现在越来越多的快速渡船采用高速柴油机或燃气轮机驱动的喷水推进装置。这些推进系统对齿轮箱有特殊的要求。这些要求主要是：传递功率大、偏差尽可能小、减速比在5:1和2:1

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之间、重量/功率比小、尺寸小，以及设置分功率输出/输入装置。 为这些非常规船舶已经专门研制了新型齿轮箱，铝合金制成的外壳、贵重材料做成的传动部件以及优化的齿轮啮合结构。

引进新型材料和改变结构要求，也促进了新的FEM评定法的发展，这种方法允许拓扑确定齿型校正和外壳变形。用这种方法也能确定来自齿啮合时接触的动力。通过对整个系统的动态方面的评定，人们能够获得那些与装置寿命周期有关的部件尺寸。这将进一步提高船用齿轮箱使用性和可靠性。

联轴器 在船舶工程中联轴器要完成多种任务。在推进装置中它的主要目的是传递功率和扭矩，抵消径向、轴向和角度误差，补偿旋转动量的振荡，影响推进系统的固有频率，连机和脱机，在起动和倒车时调节推进功率，以及提供防过载保护。在船舶工程中使用着很多不同型式的联轴器，各自完成一种或数种任务。如图15所示，联轴器和离合器之间各有不同的特征。

刚性联轴节用作不同轴段之间的连接部件（如：凸缘联轴节、套筒联轴节）或直接将低速柴油机与轴相连（凸缘联轴节）。挠性联轴节是船舶推进系统中最广泛使用的联轴节。

涡轮装置由于机器转速高，使用金属联轴节（齿形联轴节，钢质片式联轴节），它能补偿涡轮机因热膨胀而出现的轴向偏差。它还可以平衡掉涡轮和齿轮箱轴承之间的高度差，如采用倾斜联接套筒的曲线齿联轴器。此时应注意齿轮箱轴承与涡轮输出轴之间的距离，确定联接套筒的长度。图16所示船用蒸汽轮机中曲线齿联轴节，此使用的套筒长度为600mm。齿形联轴节充油，但其减振效果差。 柴油机装置最好采用橡胶联轴节或簧片联轴器（图17），这主要是因为这些联轴节具有很好的轴向、径向和角度偏移的校正能力和相当好的阻尼特性。涉及系统动态性能方面，弹性联轴节的一个至关重要的特征是其抗扭刚度。其抗扭性能在相当宽的范围内变化，这一性能取决于橡胶元件或弹簧装置的性能。因此在早期规划阶段应考虑整个推进系统的固有扭转频率，使传动系统在工作期间不会出现任何与发动机和螺旋桨的激振频率发生共振的现象。 为了解决空载时齿轮噪声问题，已经为推进装置研制成功一新型抗扭弹性联轴节，抗扭力矩可达5 kNm左右。这种联轴器在其工作范围内具有两个不同的刚性区，在联轴节低载期间用低刚性的第一级，此时传动系统的第一个固有频率大大低于发动机的工作转速，因而能避免在此范围内因共振引起齿轮噪声。随着负载增加，另一个具渐进特性的橡胶元件发生作用，将抗扭刚性增加到额定负载所要求的值。

用硅胶制成的弹性元件也能获得类似的特性。在联轴节内因此可能允许有较高的工作温度，这一点对推进装置是非常重要的。 双锥体离合器或多片离合器也适合用作联轴器，但在推进装置工作期间不能调节。气动的双锥体离合器（图18）可以配备附加的橡胶元件，用作弹性联轴节。 液压操作的多片离合器由于其结构紧凑特别适合集成于齿轮箱内。其可传递扭矩相对较高，但这取决于离合器中钢盘盘片或粉末冶金盘的大小、数量和磨擦系数，以及液压设备的工作压力。

液压联轴器在某些特殊要求的船上（如破冰船、拖船）也得到应用，它被用作离合器，在工作期间也可调节。这种离合器的优点是无磨损传递力矩、无负载起动和加速、减振性能和限制力矩峰值。它的一个很大缺点是系统产生损耗，即使在稳定负载条件下也有损耗，这种损耗不得不以热能形式由冷却油带走。在某些船上，在齿轮的PTO轴和轴带发电机之间装液压联轴节。液压联轴节也曾经

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