介绍几种船舶动力推进装置及其性能评价方法

贺江鸥

【摘 要】为了让读者更好地了解船舶动力推进装置的发展现状，本文介绍了几种船舶动力推进装置的工作原理。针对船舶动力装置的工作特点，提出了对不同类型推进装置性能好坏的评价方法，可为船舶动力推进装置的选择和设计提供参考。

【关键词】船舶；动力推进装置；技术特点；评价方法

中图分类号： U664.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0038-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.016

Introduction of several propulsion power plants for ships and their performance evaluation methods

HE Jiang-ou

（Middle School Attached to Huazhong University of Science and Technology， Hubei Wuhan 430074， China）

【Abstract】In order to give readers a better understanding of the development status of propulsion power plant for ships， the working principle of several kinds of propulsion power plants was introduced. Aiming at their working characteristics， the performance evaluation methods for different kinds of propulsion power plants were presented， which can provide reference for the selection and design of a marine propulsion power plant.

【Key words】Ships； Propulsion power plant； Technical feature； Evaluation methods

0 引言

在江河海洋中穿梭著各种类型的船舶，有航空母舰、潜艇、驱逐舰等军用船舶，也有货船、客船等民用船舶。按船舶在水中航行的位置可分为水面船舶和水下船舶。船舶之所以能在水里航行是由于船舶上装有动力推进装置。不同的船舶动力推进装置有着不同的特点。

1 几种常见的船舶动力推进装置

1.1 螺旋桨推进装置

目前使用最为普遍的是螺旋桨推进装置。该装置自19世纪60年代开始应用。螺旋桨通常装在船的尾部，螺旋桨与船的尾轴的连接部分成为桨毂，桨叶就固定在桨毂上。船用螺旋桨桨叶的数目通常为3叶、4叶或5叶，一些军用船舶可达6～7叶，各叶片间所夹角度相等[1]。桨叶靠近船舶的一面称为叶面（压力面），另一面称为叶背（吸力面）。该装置的工作原理是：原动机输出的动力通过传动轴驱动桨叶做旋转运动，桨叶的转动可提升流体的动能，进而获得船舶运动所需的推力。

该装置的主要特点有：

（1）螺旋桨在高速运转时容易产生空泡，会降低螺旋桨的推进效率，并产生较大的振动和噪声；由于推进效率低，不适用于高速运动的船舶；

（2）需要较长的传动轴系，对轴系与外部密封的可靠性要求较高；

（3）结构简单，价格便宜。

1.2 喷水动力推进装置

喷水推进装置最早是在1661年由英国人图古德和海斯发明，经过300多年的演变，技术逐渐成熟[1]。目前，喷水动力推进装置大多采用轴流泵或混流泵产生低压大流量的流体[2-3]，如图1所示。该装置的工作原理是：利用轴流泵或混流泵实现机械能与动能的转换并提升流体的动能，推进器出口和进口流体动量的增加形成使船舶运动所需要的推力。

该装置的主要特点是：

（1）抗空泡性能好，适应于高速运动的船舶；

（2）低速航行时操纵性能好，可实现矢量推进；但是，在航速较低时，其推进效率比传统螺旋桨低；

（3）体积和重量大，价格较高。

1.3 电磁推进装置

电磁推进装置是利用通电导体在磁场中的运动的物理学原理而产生的一种推进技术，其基本原理是将电磁能转换为海水的动能，进而对船舶产生一定的推力。

在该装置中，导电性能好的海水作为通电导体，由电池提供一定的电流。当带电海水位于垂直于液面的磁场中时，依据左手定则，海水将因受到磁场力的作用而运动，船舶运动的方向与海水运动的方向相反。当改变电场或磁场的方向时，海水和船舶运动的方向都会发生改变。图2所示为电磁推进船的工作原理图。

电磁推进装置早期采用的电导线圈由于产生的磁场弱，产生的推力有限，限制了该技术的运用。随着超导技术的发展，超导磁感应线圈可产生更强的磁场，使得电磁推进装置产生的推力能够推动较大型的船舶[4]。

该装置的主要特点是：

（1）该装置没有传统的螺旋桨中的高速运动部件，振动小、噪声低。

（2）抗污染性能好。该推进装置受海洋环境中泥沙、水生植物及其它污染物的影响很小，可靠性高。

（3）受磁场强度的制约，所产生的最大推力有限；推进器的能量利用率不高。

（4）只适用于在海水等导电性强的流体中航行。

1.4 高压喷水动力推进装置

高压喷水动力推进装置是华中科技大学提出的一种全新的推进方式，以高压水泵为动力源，利用流体的压力能和动能两种能量转换为航行器的推力。其基本原理图如图3所示。

该装置的工作原理是：高压水泵在电机的驱动下直接从海洋吸水，泵将低压海水加压后通过喷嘴高速射出，形成推力，推动航行器在水中前进。这与轴流泵喷水推进的动力装置的工作原理截然不同。在实际中，可以通过调节水压泵的转速，调节推力的大小及航行速度；通过改变喷嘴或舵的方向，可以实现航行器的转向或上浮、下潜等运动方向的控制。目前该技术还在进一步研发和完善之中。

该装置的主要特点是：

（1）适用于高速运动的船舶。

（2）调速性能好、机动性强。

（3）结构紧凑、体积小、效率高。

（4）对高压水泵的要求较高。

2 不同类型船舶动力推進装置的性能比较方法

对某一船舶而言，推力越大，船在水中航行的速度也越高，而与此同时，船舶行进的阻力也越大。当船舶动力推进装置产生的最大推力与所有阻力达到平衡时，船舶的速度即为能达到的最高速度。因此，船舶运行的速度不仅与推力大小有关，也与影响船舶阻力的因素有关。这些阻力因素包括：船舶外形结构、水线高低、水流速度和方向、风浪等[5]。其中大部分因素与动力推进装置无关。

对于大多数机电设备而言，采用设备的总效率（即输出功率与输入功率之比）来反映其能量利用率的高低。对动力推进装置而言，其输出功率的物理量纲应当为推力与速度的乘积。由于速度受很多外部因素的影响，因此，传统采用的比较效率高低的方法对动力推进装置不能适用。而工程应用中确实又需要对不同类型的动力推进装置的性能进行比较，以便于在设计船舶动力装置时进行优选和匹配。

由于不同类型的船舶动力推进装置工作原理有很大差异，作者认为可以采用以下两个指标进行比较：

（1）推功比

推功比是一个与速度完全无关的物理量。其物理意义是单位输入功率所产生的推力大小，单位为牛/瓦，即η=F/Pi（1）

式中：F为动力推进装置输出的推力，Pi为装置的输入功率。

在满足船舶所需推力的条件下，推功比能够反映出动力推进装置消耗单位功率所能产生的推力的大小，也即能量利用率，因而可作为评判不同类型船舶动力推进装置性能好坏的重要依据。

（2）推重比

推重比是航空航天领域中经常应用的概念，用来评价火箭或飞机发动机的性能。当某种船舶对动力推进装置的体积重量要求很高时，也可借用这一概念。这里，推重比的含义是动力推进装置单位重量所产生推力的大小，是一个无量纲的系数，即η=F/G（2）

式中：G为装置的自身的重量。

推重比的概念更侧重于对动力推进装置体积重量的制约，可以单独或与推功比一起作为动力推进装置的评价指标。

3 结论

本文介绍了几种常见的船舶动力推进装置，这些动力推进装置各有其优缺点。随着科学技术的发展和研究工作的深入，一些新的动力推进装置也会逐步完善并投入到工程应用。虽然每种动力推进装置的工作原理各不相同，但是都是基本物理规律的应用。为了比较不同原理动力推进装置性能的优劣，本文认为不能沿用普通机电设备中效率的评价模式，采用推功比或（和）推重比的指标，能够更好地评价不同类型动力推进装置性能的高低。

【参考文献】

[1]吴家鸣.船舶与海洋工程导论[M].广州：华南理工大学出版社，2013.

[2]汤方平.喷水推进轴流泵设计及紊流数值分析[D].上海：上海交通大学，2006.

[3]王艳丽.轴流泵运行特性的研究[D].北京：中国农业大学，2005.

[4]吕玲.超导电磁推进船的开发研究[J].国外科技，1990，（6）：26-28.

[5]刘红.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社，2009.