船舶動力裝置

船舶動力裝置是為保證船舶正常營運而設置的動力設備，是為船舶提供各種能量和使用這些能量，以保證船舶正常航行，人員正常生活，完成各種作業。船舶動力裝置是各種能量的產生、傳遞、消耗的全部機械、設備，它是船舶的一個重要組成部分。船舶動力裝置包括三個主要部分：主動力裝置、輔助動力裝置、其他輔機和設備。

主動力裝置，又稱推進裝置，是為船舶提供推進動力，保證船舶以一定速度巡航的各種機械設備，包括主機及其附屬設備，是全船的心臟。主動力裝置包括主機、傳動設備、軸系、推進器等。當啓動主機，即可驅動傳動設備和軸系，使推進器工作。當推進器，通常是螺旋槳，在水中旋轉時就能使船舶前進或後退。

主動力裝置以主機類型命名，主要有蒸汽機、汽輪機、柴油機、燃氣輪機和核動力裝置等五類。現代運輸船舶的主機以柴油機為主，在數量上佔絕對優勢。蒸汽機曾經在船舶發展史上起過重要作用，但已經幾乎全被淘汰。汽輪機在大功率船上長期佔有優勢，但也日益為柴油機所取代。燃氣輪機和核動力裝置僅為少數船舶所試用，尚未得到推廣。

為滿足軍用艦艇的需要，將蒸汽、柴油、燃氣三種動力聯合加以採用，作為船舶的推進裝置成為聯合動力裝置。聯合動力裝置的型式有蒸燃聯合、柴燃聯合、燃燃聯合等。這幾種聯合動力裝置在商船上應用極少。此外還有一種聯合動力裝置型式——電力推進裝置。這種裝置是船舶柴油機驅動發電機將電力產生並提供給船舶電站。

以反應堆代替普通燃料來產生蒸汽的汽輪機裝置。反應堆中核裂變產生的大能量，被不斷循環的冷卻水吸收，後者又通過蒸汽發生器將熱量傳給第二個迴路中的水，使之變為蒸汽後到汽輪機中作功。

核動力裝置主要用於大型軍艦和潛艇。1959年美國在客貨船“薩凡那”號上試用功率20000馬力核動力裝置成功；1960年蘇聯在破冰船“列寧”號上採用核動力裝置，功率44000馬力。此後，聯邦德國和日本也分別建造了核動力商船。這些船在試航一段時間後，出於法律和民意上的原因停駛。人們擔心放射性物質污染航道、港口和城市環境，因此很多港口拒絕核動力船進港。對核燃料使用後的核廢料也還缺乏妥善處理辦法。這些民用核動力船都已改裝為常規動力裝置船。

輔助動力裝置是用於提供除推進裝置以外的各種能量，供船舶航行、作業和生活需要的裝置，包括為全船提供電力、照明和其他動力的裝置，如發電機組、副鍋爐等。

發電機組是船上最重要的輔助動力裝置。蒸汽機船上的發電機組由蒸汽機驅動（有時用小型汽輪機驅動），但容量較小，以供照明電源為主。在汽輪機船上，發電機組由汽輪機驅動，為全船電氣設備提供電源。這種汽輪發電機組大部已係列化，容量從500千瓦到2500千瓦不等,可以自由選擇。在柴油機船上，有2～3台發電機組，由單獨設置的中速或高速柴油機驅動。容量據全船電動機械設備的數量確定，普遍採用400伏三相交流電，頻率有50赫茲和60赫茲兩種。副鍋爐在蒸汽機船和汽輪機船上是供停泊時使用，在柴油機船上供平時取暖和加熱用。柴油機船上的副鍋爐的燃料可以是燃油，也可以利用柴油機排出的廢氣所產生的蒸汽。除發電機組和副鍋爐外，由於現代船上液壓機械設備的驅動需要，還設有液壓動力裝置，其主要部件為液壓油泵，可以用電動機或單獨的柴油機驅動 ^[1]  。

隨着運輸船舶性能上的不斷完善，船上的輔機和設備也日趨複雜，最基本的有：

船舶甲板機械，有舵機、錨機、起貨機等輔助機械。這些機械在蒸汽機船上用蒸汽作為動力，在柴油機船上先是採用電動，現多數已改用液壓驅動。

各種管路系統，有為全船供應海水和淡水的供水系統；為調節船舶壓載用的壓載水系統；為排除艙底積水用的艙底水排出系統；為全船提供壓縮空氣用的壓縮空氣系統；為滅火用的消防系統等等。這些系統所採用的設備如泵和壓縮機等絕大部分是電動的，並能自動控制。

機艙自動化設備，用於保證實現動力裝置遠距離操縱與集中控制，以改善工作條件，提高工作效率。機艙自動化設備包括有自動控制與調節系統，自動操縱系統，集中監測系統。

全船系統，用於保證船舶生命力和安全，為船員和旅客生活服務的取暖、空調、通風、冷藏等系統。這些系統一般都自動調節和控制。

1807年，美國工程師R.富爾頓首次在“克萊蒙脱”號明輪船上用蒸汽機作為推進動力獲得成功。當時採用的是一台20馬力的單缸搖臂式往復蒸汽機，獲得每小時5英里的航速。經過不斷改進，到19世紀末，蒸汽機發展成為多級膨脹的立式裝置，用以驅動螺旋槳，成為當時典型的船舶動力裝置。同時高效、高壓的水管鍋爐也逐漸取代了早期圓筒式蘇格蘭煙管鍋爐。20世紀初，航行於大西洋上的巨型豪華客船，都以往復式蒸汽機為動力，單機功率達20000馬力。蒸汽機動力裝置的發展達到了頂峯。

蒸汽機動力裝置的優點是結構簡單，造價低廉，管理使用方便，製造工藝要求不高；缺點是熱效率低，本身重量大，特別是大功率蒸汽機的活塞、連桿等運動部件運轉慣性很大，很難平衡，且低壓缸尺寸過大，不能獲得有效的真空度。因此，自從汽輪機動力裝置和柴油機動力裝置在船上試用成功以後，蒸汽機動力裝置即逐漸被淘汰。第二次世界大戰期間，美國為應付戰時緊急需要而建造的“自由輪”，是最後一批使用蒸汽機動力裝置的遠洋運輸船舶。中國還有少數沿海和內河船舶使用往復式多膨脹蒸汽機動力裝置。

1896年，英國人C.帕森成功地將他發明的汽輪機作為推進動力機應用於一艘快艇上，試航速度達每小時34.5海里。此後汽輪機廣泛用於大功率船上。早期用汽輪機直接驅動螺旋槳，不經過減速。為了使螺旋槳能在理想的轉速下工作，後來在汽輪機動力裝置上加裝了減速齒輪，使汽輪機和螺旋槳都能以各自的最佳速度運轉。到1916年，幾乎所有的船用汽輪機都採用了減速裝置，減速比由初期的1:20提高到1:80以上。採用減速裝置以後，汽輪機可以更高的速度運轉，效率大為提高，機體尺寸相應縮小，整個裝置更加緊湊，重量也大大減輕，螺旋槳工作效率也大大提高，使汽輪機成為理想的大功率船用動力裝置。至今某些大型客船、超級油船和高速集裝箱船等仍採用汽輪機動力裝置。

汽輪機的優點是單機功率大，使用可靠，運轉平穩，無振動和噪聲，檢修工作量小，鍋爐可燃用劣質油。但汽輪機油耗比柴油機高，即使採用再熱循環的汽輪機裝置，每馬力小時的油耗仍達180～190克，比低速柴油機高40%左右。柴油機由於單機功率、燃燒劣質油的能力和可靠性的提高，逐漸取代了汽輪機。

20世紀初，柴油機開始用於運輸船舶。第一艘遠洋柴油機船是1912年丹麥建造的“錫蘭迪亞”號，主機為兩台四衝程八缸柴油機，共1250馬力，每分鐘140轉，直接驅動兩個螺旋槳。1914年柴油機船佔全世界船舶總噸位0.5%，到1940年上升為20%以上。

柴油機動力裝置的最大優點是熱效率高，燃料消耗明顯地低於蒸汽機動力裝置。長期以來，柴油機動力裝置有一系列改進，主要有：①20世紀20年代出現以機械噴油取代用壓縮空氣噴油的方法；②同一時期試製成廢氣渦輪增壓器，提高了柴油機的功率和性能；③20世紀30年代開始燃燒重質柴油，降低了燃料費用。早期柴油機的功率不大。第一次世界大戰時期用於商船的最大柴油機功率僅4000馬力，第二次世界大戰前，單機功率達到20000馬力。現代低速柴油機單機功率已達50000馬力以上。

現代船用柴油機大部分為低速機，轉速約每分鐘100轉，可直接驅動螺旋槳。20世紀80年代初，出現了長衝程和超長衝程的低速機，每分鐘轉速降到70轉以下，使螺旋槳發揮最佳效率。但低速機外形尺寸和重量大。第二次世界大戰後出現的大功率的中速機如今被逐漸應用於船上。它將氣缸排列成V字形，採用減速齒輪，既大大減輕了機身重量，又有利於提高螺旋槳效率。中速機由於機身短小，可以減少機艙的面積和高度，因此特別適用於尾機艙船和機艙位於甲板下的滾裝船和載駁船等。

經過不斷的改進，柴油機動力裝置日臻完善，它的燃料消耗量最低，能使用廉價的渣油，可靠性較高，檢修期間隔長達30000小時以上，熱效率接近50%，因此成為目前應用最廣的船舶動力裝置。

燃氣輪機動力裝置在20世紀50年代開始用於船舶。主要用於軍用艦艇。燃氣輪機同柴油機和汽輪機比較，單機功率大、體積小、重量輕、加速性能好，能隨時起動並很快發出最大功率。燃氣輪機在高温、高壓下工作，對燃油質量要求很高，熱效率也比柴油機低得多，因此在民用運輸船舶上應用不多。僅在某些氣墊船上用於驅動空氣螺旋槳。