主题：船舶的动力 -- 杰瑞

船舶的动力——古代篇

自舟、筏起，人力和风力便成了船的动力。旧石器晚期，考古发现了篙和桨，使篙受篙长限制，只能作业于浅水航道；划桨是间歇工作，行程一半在水面以上，效率低。西汉时期，出现了橹。橹就是一杠杆，在船体上设支点，摇橹处至支点为力臂，入水处至支点为重臂。橹在水里的工作截面为三角形，摇橹时橹叶的运动相当于螺旋桨桨叶相对水的运动。橹的发明精巧实用，它比桨的先进之处在于：

1．连续击水，提高推进效率

利用橹叶的两侧斜面，来回摇橹可实现连续击水，免去了桨单向击水而造成的空行程。推力均衡，效率提高。

2．推进力可调

调节橹叶击水的角度，产生类似调距桨的效果。

3．兼作舵的功能

利用来回击水时不同的橹叶相对角，可产生侧向推力，调节船舶的运动方向，从而在更高级的操船技术基础上实现了船舶推进机具的一体化。

4．人力"并车"推进

橹适合于多人合力操作。

尽管橹的功能强大，但远洋航行只靠人力显然是不行的，航海船队的主要动力来自风帆。

帆的使用最早见于古埃及，尽管西方使用风帆很早，但发展缓慢，其使用的帆均为软帆，只能在顺风中使用，不利于逆向风和侧向风的利用，因而西方大型帆船搭载了众多的桨手。中国的帆迟到汉代才出现，但中国使用的风帆厚而硬，称为蓬，属硬帆，其特点是可利用侧向风力航行。但侧向风在产生推力的同时也产生横向力，使船的航向改变，不利于远航。东汉时期，有了舵，舵的使用可调整由于横向力引起的航行偏差。因而，帆和舵的综合使用才使船舶真正具备了远航动力。风是最干净的能源之一，对风能的利用至今还在继续，但作为船舶动力，则主要依赖于近代动力机械的发展。

船舶的动力——近代篇

十八世纪八十年代，瓦特发明蒸汽机，欧洲开始了工业革命，蒸汽机作为原动机在工业领域获得了广泛的应用。但在船舶上，因技术和安全原因，直到1807年才建成以往复式蒸汽机为动力的钢质海轮"克莱蒙特"号。当时的蒸汽机功率小，效率低（1%左右），但迅速显示出其强大的生命力。

1883年，瑞典工程师拉伐尔发明了工业用蒸汽轮机，汽轮机变往复式工作为回转工作，运转平稳，单机功率大，特别是二十世纪初，大功率减速齿轮箱出现后，这两项技术的结合给船舶动力技术发展以强大的推动力。二战期间，大中型舰船最主要的推进机械是汽轮机。目前还在使用汽轮机装置的有驱逐舰、航空母舰、两栖攻击舰等。近代汽轮机通过提高进汽温度压力，明显地提高了装置功率和效率。采用再热和回热循环，可改进蒸汽装置的热力性能，但是系统复杂，舰船中应用较少。

舰船核动力装置的二回路无例外地使用蒸汽轮机装置。舰船核动力装置主要利用可控核反应过程中产生的热能，于1945年12月由美国海军科研部门开始研究，1954年完成船用MK-1压水堆建造，以高浓缩铀235为燃料，1955年1月世界首艘核潜艇开始使用核动力航行。由于核动力装置的特殊性，其应用范围主要局限于军事领域，也有少数破冰船和商船使用了核动力。当代核动力技术的发展集中于紧凑型和小型化，在相同的重量尺度下，输出功率成倍增长，同时利用自循环使运行噪声大幅度降低。

蒸汽机和蒸汽轮机都需要外部提供热源。1893年往复式内燃机正式登记专利，内燃机不需要外置热源，结构紧凑，热效率高。1905年第一艘内燃机船完成远航，此后，内燃机在民船和中小型军船中得到了最广泛的应用。根据最近的统计，全世界两千吨以上的船舶中，80%以上以柴油机为动力。依靠增压技术和燃油喷射技术的不断发展，柴油机的经济性始终居热机之首位，强载度也随着增压度的提高同步增长。高压共轨燃油系统的出现使柴油机从低速到全速都能保持良好的雾化质量。气阀电液控制更使柴油机摆脱了传统的凸轮控制方式，完成的真正意义上的智能化。当代船用低速柴油机的热效率（不计余热利用）已达50%以上，但是由于柴油机往复工作特点，其振动、噪声、重量、尺度都比较大，这也是这个机械工业史上的经典之作并没有引领现代船舶动力潮流的主要原因，往复再次向回转轮回。

船舶的动力——当代篇

在航空喷气发动机机技术发展的推动下，1947年第一艘以燃气轮机为动力的舰船试航成功。燃气轮机也属于内燃机，不需外置热源，结构简单，同时具有单机功率大，重量轻，振动噪声小等优点，适合于用作大中型舰船主机。近年来，依托材料科学和设计技术的进步，通过提高燃气参数和元器件流通特性，使经济性已有了很大的提高，当代简单循环燃气轮机，热效率达到了36%，采用间冷回热装置后，效率可达45%以上，已接近柴油机的热效率，但重量尺度上的优势也有所下降。燃气轮机在大中型舰船上的使用有上升趋势，同时因其氮氧化合物排放量低，振动小，故在某些要求较高的民船上也有使用。

当代船舶动力技术的发展不仅体现在发动机自身技术的进步上，还表现在动力装置技术的发展上。为满足船舶对动力装置最大使用功率和最佳经济性两类不同的要求，发展了多种形式的联合动力装置，有同机并车装置（CODAD，COGAG），柴燃交替（CODOG），柴燃联合（CODAG），柴燃电联合（CODLAG），燃蒸联合（COGAS）等装置，上述联合装置大都用在军船上，大型邮船（如玛丽皇后二世号）等特殊要求民船也采用了这类装置。实现联合动力装置的关键之一是传动技术的发展，除了大功率齿轮传动技术外，还需要有离合、位移补偿等技术的支撑，采用行星齿轮传动可使传动装置重量尺度显著减小，不过多个行星轮之间的功率均衡又是问题一个，被这些复杂系统烦透了的工程师们一直在想如何彻底摆脱这些难题，多年贼心不死之后，他们终于看到了未来的希望。

船舶的动力——未来篇

船用动力技术最新的发展是燃料电池的应用。燃料电池利用氢氧结合释放电子，使燃料不经过燃烧直接获得电能，因而效率高（60%以上），噪声低（测不到），无污染（反应生成物是水），是未来理想的动力电力源。德国已率先在潜艇中使用了燃料电池，正在逐步完善推广中。燃料电池所用的氢和氧的储存是其关键技术，德国海军潜艇把液态氧置于耐压壳体之外，整个系统有严密的安全保护设施，目前这类装置因安全和经济上的原因还只能用于军船领域。

船舶动力装置的最新发展是电力推进技术的应用。电力推进并不是新技术，由于传统电机的重量尺度很大，限制了电力推进技术的应用。当前电力推进技术迅速发展是使用需求和相关技术进步相结合的结果。

相关技术主要指：

1。双绕组集成化电机，其先进性和紧凑性已被大家所肯定，并在电力推进装置中得到应用。

2。永磁电机利用永磁材料产生的磁场替代原先的励磁方式，使电机重量尺寸可减少约三分之一。

3。采用高温超导电机可使电机功率密度成倍提高，在大功率情况下优势更为明显。美国海军与超导公司签约研制的５MW、２３０r/min高温超导电机其重量尺度只为普通电机的四分之一。

4。电力系统结构，断路器，储能器等技术的发展也是电力推进得到推广的重要技术支撑。其中超导储能系统（ＳＭＥＳ）储能密度大，释放能量快，能很好满足未来舰船对电能的需求。

使用需求在来自：

1。动力装置在舰船上实现优化布置

使舰船上的有限的空间得到最佳利用，有利于原动机的输出功率利用，有利于提高推进效率。

2。未来武器大量用电

对军船而言则更能适应未来武器系统对电能的特殊需要等。

由于上述优点，电力推进在民船中的应用也越来越多。电力推进有机械电力混合推进、综合电力推进和综合全电力系统三大类，民船一般使用第一类。现在的许多民船（成品油轮、破冰船）采用了辅助电力推进装置，当船舶正常航行时，主机在用于推进的同时可通过PTO装置输出电力，当需要提高推进装置功率时（如破冰），辅机电力可通过PTI装置输入电能，提高主机推进力。当主机发生故障时，也可由辅机电力供连接于推进轴上的电机作推进，提高了船舶的安全性。

船舶的动力装置在可预见的将来，将是上述燃料电池技术和电力推进技术的结合，实现电力与动力的结合，形成全船综合电力系统，据报道，西方正在实施的先进舰船动力科研项目中，即以此为目标。

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