船舶动力系统设计及性能优化

査富祥 刘立军

摘要：船舶动力系统被称为船的“心脏”， 在为船舶提供动力的同时，还关系到船舶的运行稳定性、安全性、节能、经济等因素。因此，需要一个可靠的船舶动力系统以保障船舶正常安全运行。与此同时，为实现可持续发展的目标，提高船舶的经济效益，使不同类型船舶在排水量限制下，保证其输出功率的同时，提高效率降低能耗，提高船舶载重量与续航能力就显得十分重要。本文通过对各种形式的动力系统的比较，以分析如何对该系统进行优。

关键词：船舶动力系统；稳定；安全；优化

引言

由船舶主机（柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机等）、传动系统（轴系、齿轮箱、联轴节、离合器等）和推进器（螺旋桨、全向推进器、侧向推进器等）组成的船舶动力系统，好比船舶的心脏，此套设备约占全船设备总成本的1/3，全船造价的1/4左右。而船舶动力系统的性能直接关系到船舶的安全稳定和运输效率的高低，因此船舶动力系统的研究成为船舶行业技术研究的重中之重。

1.背景

船舶是世界主要的交通运输工具之一，船舶工业在工业生产中同样占有重要地位，而船舶动力系统被称为船舶的"心脏"，在不同类型船舶的排水量限制下，在保证其输出功率的同时，提高动力系统的效率、降低能耗、提高船舶载重量与续航能力就显得十分重要。随着全球的能源、资源急剧消耗，有效、合理地利用自然资源是保证经济可持续发展的基本出发点，因此船舶节能也十分重要。目前船舶燃料价格上涨、直接造成了船舶运营成本的增加，因此提升船舶的经济性尤为重要。

与此同时，国际海事组织以及各国政府对船舶尾气排放导致的空气环境污染问题越来越重视，并且出台了一些相关法律法规来限制尾气的排放。因此对船舶动力系统的性能方面的优化设计显得迫在眉睫。

2.动力系统设计理论

2.1船舶动力系统概述

船舶动力系统是保证船舶正常航行、作业、停泊以及船员、旅客正常工作和生活所必需的机械设备综合体，作为船舶的重要组成部分，船舶动力系统设计是一项包含多个学科的复杂的系统工程，具有以下特点：系统设计模块化、系统设计参数化、系统设计规范化、用户需求的多样化和个性化、设计过程复杂。产品配置设计的理论和方法应用于船舶动力系统的设计，根据不同的用户功能和个性化需求，选择和组合不同性能的组件进行配置，可以实现对用户多样化、个性化需求的快速响应，提髙设计效率，提升产品质量，提高企业的竞争力。

2.2 动力系统的发展

船舶在经历了漫长的以人力、风力作为航行动力的阶段后，直到200年前才进入以机械能作为航行动力的阶段。船舶的机械推进随着蒸汽机、蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机的发明及实船应用，先后出现了由多种原动机做动力的推进方式。蒸汽机在19世纪初至20世纪初是世界航运船舶最重要的原动机，之后，逐渐被蒸汽轮机、柴油机所取代。目前，世界上各类船舶的动力系统推进方式如表1所示：

2.3 船舶动力系统设计流程

作为船舶的核心组成，船舶动力系统的设计是船舶设计的一项重要内容，其设计水平决定了船舶的整体技术性能。船舶动力系统是由众多机电设备组成的一个复杂动力工程系统，各设备相互影响、相互制约、共同作用，为船舶提供能量支持。因此，船舶动力系统的设计，特别是新船型的设计研发过程是一项非常复杂的系统工程，需要采用系统的、优化的设计方法。船舶动力系统设计流程如下：

步骤1确立设计目标。设计目标决定了设计产品的质量，船舶动力系统的设计目标可以设定为可靠性、经济性、机动性等方面的要求。

步骤2明确用户需求。用户需求是用户对于船舶任务、性质、动力装置等方面的要求，包括船型、船舶任务性质、航速、航区、续航力、动力装置类型等内容。通常用户需求以设计任务书的形式提交设计单位。

步骤3确立约束条件。船舶动力系统设计过程中的约束条件包括船舶约束、政策法规约束等。船舶约束主要为航速、航区、船舶尺寸等的约束；政策法规约束主要为船舶入级与建造规范、防污染公约及其他政策、法令、法规等的约束。

步骤4确定设计方案。根据用户需求及相关约束条件，确定船舶动力系统设计方案，包括船舶动力系统传动形式、主机选型、轴系设计、电气站配置、管系设计与机舱布置等内容。

步骤5选择最优方案。在满足用户需求和约束条件的前提下，从船舶动力系统总体技术、经济、性能指标出发，对各个方案进行比较、权衡，最终定最优方案。

步骤6分析评价方案。在满足系统总体技术指标的前提下，对系统方案进行评估，如不能满足要求，则进入步骤4进行方案修改，直至满足要求为止。

步骤7输出设计结果。

2.4 船舶动力装置设计要求

船舶动力装置是由许多用途不同的机械设备和系统组成的整体，它们之间有密切联系并相互影响，构成一个复杂的工程系统。这个工程系统的设计称为总体设计，总体设计的任务是根据设计任务规定的要求，制定一个切实可行，效果良好，且能依据其制造的工程设计，可大致分为三个阶段，即：方案设计、技术设计、施工设计。

船舶动力系统的设计是一个反复迭代，不断优化的过程。在船舶动力系统的设计过程中，一般会有多个满足用户需求和相关技术要求的方案可供选择，设计的任务就是在满足总体技术指标的前提下，对各项约束条件进行研究，从多方面进行比较、权衡、优化，得到最优的船舶动力系统设计方案。

2.5船舶动力装置的性能评判指标

2.5.1船舶动力系统性能指标一般可分为三类：

（1）技术指标。代表动力装置的总指标，包括功率指标、质量指标和尺寸指标。

（2）经济指标。代表燃料在动力装置中的热能转换率，包括燃料消耗率，每海里航程燃料消耗量及装置热效率、运行和维护经济性等。

（3）性能指标。代表装置在接受命令，执行任务中的服从性、坚固性、对外界条件和工作人员的依赖性，包括机动性、可靠性、制动性、自动化程度以及震动控制性能等指标。

为对动力装置性能进行综合评判，而影响动力装置性能的因素很多，故需对个因素指标分级，如表2所示为动力装置的层次结构模型，直观的表示出了各层次指标对动力装置的性能影响。

在各种标准规范中，涉及动力装置性能的因素多达200多个，不可能全部作为评估因素，因此在选定层次结构模型的时，应使模型在较全面合理地反映动力装置总体性能的同时，力求简单。

从表2不难看出，动力系统的经济指标占据特别大的比重，因此动力系统的经济性直接关乎其性能评价。

2.5.2推进系统的经济性分析比较主要考虑初投资、燃油消耗、维护保养、滑油消耗、总运作费用、可靠性、推进装置富裕度及实际使用经验等几个方面。

（1）初投资

表中为柴油机动力系统与汽轮机动力系统初投资的相对百分比。可以看出，低速柴油机的初投资明显低于蒸汽透平。

低速柴油机燃油耗量明显低于蒸汽透平。对于LNG船来说，环境温度会随着船只航行至不同区域而改变，因此取平均蒸发量为0.084%。而蒸发量的减少意味着需燃油消耗量的增加，尤其是对长距离的航程来说。因此与汽轮机动力系统相比，柴油机明显具有高效率的优点，这使得现今LNG船采用柴油机推进系统的方案更具有合理性。

（3）维护保养

尽管汽轮机的维护保养人员所具备的技术要就较高要，但汽轮机工作可靠、易损件少，因此它的维护保养费用在这一项中大大低于柴油机。

（4）滑油耗量和其他

表中反映了不同推进装置中的滑油每年的费用以及诸如锅炉水的添加剂等额外的费用。在这方面蒸汽透平远远低于柴油机。

（5）运作总成本

总的运作费用包括燃油、维护保养、滑油以及其他。最终结果显示，柴油机动力系统最为经济。

（6）总寿命期基本成本

为了全面的对汽轮机与柴油机经济型进行比较，初投资费用和运作费用的净值总数应加入到船的总寿命成本中。计算中，己假设整个25年寿命里2%的年通货膨胀率和5%的年利率。

动力系统经济性分析可以看出，在初投资及燃油消耗方面，柴油机动力系统经济性明显优于蒸汽动力系统。而在维护保养、滑油耗量及其他方面，蒸汽动力系统则优于柴油机动力系统。总体来看，柴油机动力系统具有更强的经济性。因此在中小型船舶中采用柴油机动力系统可以有效减少造船成本与能耗，从而提高船舶运行经济性。

总而言之，船舶动力系统结构比较复杂，涉及的设备种类也比较多，在进行组合的时候，必然存在着很多的选择，因此，在进行动力系统配置设计的时候，一定要加强对不同组合方案的比较与评价，综合考虑用户实际需求与系统配置标准，选择最佳的配置方案，有效实现动力系统的优化配置。同时，在科学技术快速发展的形势下，一定要加强新技术、新设备的运用，采用一些优化方法，实现船舶动力系统配置的全面优化，促进船舶设计的进一步发展。

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