绪论
船舶动力装置的组成
组成：
主推进装置：推动船舶航行的装置，主机、传动设备、推进轴系、推进器
辅助装置：产生其他能量的装置，船舶电站、辅助锅炉装置、液压泵站、压缩空气系统
（以上两项合称船舶动力系统）
全船系统：保证船舶生命力和安全，消防、用水、救生、安全
甲板机械：保证船舶航向、停泊、装卸货物：锚泊、操舵、起重机械设备
机舱自动化系统：机舱内机械设备遥控及自动化
要求：
满足预定功能和性能、可靠性、经济性、减小或消除对人类健康危害和生态环境污染破坏、机动性、质量尺寸、续航能力
常见船舶动力系统的类型及特点
a) 掌握各类型动力系统的工作原理、组成
蒸汽轮机：
锅炉产生蒸汽→推动蒸汽透平做功→齿轮减速机组→螺旋桨/发电机
组成：蒸汽锅炉、蒸汽轮机、凝汽器……
锅炉、蒸汽过热器、空气预热器、高压汽轮机、低压汽轮机、主冷凝器、凝水泵、给水预热器、给水泵、减速齿轮、螺旋桨、循环水泵
燃气轮机：
燃料在燃烧室内燃烧→燃气推动燃气透平做功→多级减速齿轮机组→螺旋桨/发电机
组成：压气机、燃烧室、燃气轮机
柴油机：
核动力装置：
b) 掌握各类型动力系统的最重要特点。如，柴油机动力装置经济性好，燃气轮机动力装置机动性好
蒸汽轮机：
优点：单机功率大；劳损部件少、工作可靠、寿命长；运转平稳可靠、振动噪声小；可使用劣质燃料；滑油消耗率低；
缺点：热效率较低，燃油消耗率高，热经济型低；设备多，整个装置重量尺寸大；机动性差，启动时间长；
燃气轮机：
优点：机组质量尺寸指标小；机动性好；运动平稳；滑油、冷却水消耗量低；
缺点：工作可靠性差，寿命短；价格昂贵；舱内布置困难，进排气管道尺寸大；甲板存在大管道通过切口，影响船体强度；
柴油机：
优点：经济性较高，油耗低，中、低速机可烧劣质燃料；机动性良好，操作简单，倒车方便；中高速机组质量轻，辅助设备少；
缺点：单机功率较低；振动噪声大；中高速机寿命较低；低速时稳定性较差，影响低速航行；过载能力差；
核动力装置：
优点：消耗极少燃料可以释放出巨大的能量；能发出极大功率；不需要消耗空气获得热能；
缺点：重量尺寸较大、屏蔽系统质量大、操纵管理检查复杂；价格昂贵
联合动力装置：
缺点：不同的燃料、备件储备较复杂；共同使用主减速器，结构复杂；机组不同类型，布置难度增加；
电力推进：
优点：操纵性能好；舱室布置灵活，舱室空间利用率高；振动噪声小；低速经济性好；操纵性和机动性好；对外界负荷适应性好；减少温室气体和气体污染排放物；
缺点：成本高；中间损耗大；设备对环境要求高；对操作人员要求高
特种动力装置（喷水推进）：
优点：推进效率高；抗空泡能力强；操纵性、动力定位性能优异；工作平稳、噪声低；适应变工况能力强；吃水浅、保护性能好；日常维护和保养较为简易
船舶动力系统的评价指标
技术指标（总指标）：
功率指标：
表示船舶做功能力
指示功率$\Rightarrow$有效功率$\Rightarrow$轴功率$\Rightarrow$螺旋桨收到功率$\Rightarrow$螺旋桨推进功率$\Rightarrow$阻力功率（船舶有效功率）
相对功率 = 主机功率/排水量 (kW/t)
质量指标
装置单位功率质量：质量/功率
装置相对质量：质量（kg）/排水量（t）
尺寸指标
机舱（面积或体积）饱和度：功率/面积或体积
机舱饱和度高，设备安放紧凑集中，管理维修的工作条件相对差
经济指标：反映动力装置的热能转换率
动力装置燃料消耗率
$$g_e=\frac{G}{P_T} (kg/kW·h)$$
𝐺：动力装置每小时燃料消耗量，包括主机、辅机、辅助锅炉等全部热能设备的燃料消耗量（kg/h）
$P_T$：螺旋桨推力功率(kW)
动力装置有效热效率
$$\eta_e=\frac{3600P_T}{G·H_u}$$
$H_u$：燃料低发热值，约为4.18 kJ/kg
以上均为设计工况下的燃料和热经济性
每海里燃油消耗量
$$g_m=\frac{G}{v_s}$$
$v_s$为船舶航速，$g_m$是综合性指标，，既考虑了动力装置本身的性能，也考虑了船舶航行性能；
综合来说，航速较低可节约燃油，存在经济航速，可用经济航速降低货运成本；
最大盈利航速还需要考虑船的折旧费，客货周转量、运输成本及利润等因素；
最大盈利航速≠经济航速
性能指标：机动性、动力配合性能、可靠性、自动化程度、噪声振动控制性……
排放环境指标：温室气体(GHG)排放，主要控制二氧化碳
- EEDI：船舶能效设计指数。是衡量船舶能效水平的一种方法，单位为（g/t·nmile），单位运力的二氧化碳排量
新型船舶主机与选型
柴油机分类、基本结构
分类：
- 按工作循环分：四冲程柴油机；二冲程柴油机
- 按转速分：低速机：<300 r/min；中速机：300~1000 r/min；高速机：>1000 r/min；活塞平均速度：冲程*转速/30
- 按结构特点分类：筒形活塞柴油机；十字头活塞柴油机
- 按照气缸数目：单缸机；多缸机
- 按照气缸排列方式分类 ：直列，船用柴油机多为此；V形，有较高的单 机功率和较小的比重量，中、高速机
- 按是否能倒转：可倒转（大型低速机）；不可倒转
十字头活塞、筒型活塞的优缺点、用途
筒型活塞：
活塞裙部起向导作用，在侧推力的作用下，活塞与缸套磨损较大；
结构简单，紧凑，轻便；
用于中高速柴油机
十字头活塞：
活塞与缸套间无侧推力，侧推力由十字头滑块和导板承受，活塞和缸套磨损较小，不易擦伤和老死；
柴油机高度和重量大，结构复杂；需在汽缸下部设置横隔板，以免气缸内的脏油，烟灰，燃气等漏入曲轴箱，污损曲轴箱底部的滑油
用于船用大型低速柴油机
活塞-连杆。上下止点、行程、几何压缩比
压缩室容积$V_c$：上止点容积
气缸工作容积$V_h$：上下止点之间的容积
气缸最大容积$V_a$：下止点容积
总排量：所有气缸的工作容积
（几何/理论）压缩比：气缸最大容积$V_a$/压缩室容积$V_c$ = 1 + $\frac{V_h}{V_c}$
压缩比在柴油机一般为12-22，过大or过小，柴油机的经济性均下降（汽油机8-12，点火）
非增压较大，增压较小
中高速机较大，低速机较小
运转中的实际压缩比，取决于进排气正时，≠几何压缩比
四冲程、二冲程基本工作原理。配气正时、重叠角、喷油提前角
进气重叠角：进气提前角 + 排气延后角
有利于提高换气质量，降低热负荷
排气快终了时，废气流具有惯性，且惯性流在燃烧室内产生低压，帮助抽吸新鲜空气进入气缸，不会引起废气倒灌
进气阀开启过早：废气将通过进气阀冲入进气管，产生废气倒灌
进气阀关闭过晚：活塞上行使部分新鲜空气向外排出，降低压缩压力
排气阀打开过早：使有效功损失增大
排气阀关闭太迟：使废气重新吸入
四冲程机凸轮轴与曲轴转速比1：2，二冲程机凸轮轴与曲轴转速比为 1：1
二冲程换气形式
排气口略高于扫气口
排气口开，扫气口开，扫气口关，排气口关
约上止点前6°开始喷油，上止点后36°燃烧结束，排、扫气口开闭时刻分别为上下止点前后40°和30°左右
直流扫气（中心对称图）：
排气干净，换气质量好，不易混气；适用于超长行程机；缸套、活塞受热均匀，不易变形和产生裂缝；
有排气阀、结构复杂；
横流扫气：
结构简单，管理方便；
先关扫气口后关排气口，形成过后排气，损失部分新鲜空气；扫气有死角，易新、废气混合；两侧气缸受热不均，易产生变形；
回流扫气：
结构简单，扫、排气口位于同侧，便于增压器管理布置；
路程长，换气差，新废气易混；
四冲程、二冲程对比
船用低速柴油机均为二冲程机，中速和高速柴油机均为四冲程机
二冲程机换气时间短，换气质量差，效率低于四冲程机
二冲程机热负荷高，活塞、气缸盖、气缸、气阀温度高
多缸机发火间隔角计算
为保证柴油机运行的均匀性，各缸工作冲程应均匀分布在一个工作循环中。即各缸发火顺序间隔角$\theta$为：
$$\theta=720°/i$$（四冲程）
$$\theta=360°/i$$（二冲程）；其中i为缸数
缸数越多，做功间隔角越小，同时参与做功的气缸数越多，发动机运转越平稳
尽量避免相邻两个缸连续发火，以减轻相邻两缸之间的主轴承的负荷。 为此，最好在柴油机首、尾两端轮流发火
增压的目的、增压的方式
压缩空气提高空气密度，提高冲入气缸的空气量；
废气涡轮增压柴油机；机械传动增压柴油机；
废气涡轮增压中的涡轮工作原理（见燃气轮机的turbine）、废气涡轮增压中的压气机原理（见燃气轮的压气机）
涡轮：废气带动叶轮转动，工质热能→机械能
压气机：压缩空气，机械能→压力能
空气量增加+喷油量增加=功率增加
船用主机和发电机原动柴油机全部采用废气涡轮增压
柴油机性能指标
分类：
- 指示指标：以工质对活塞作功为计算基准的指标Indicated
- 有效指标：以曲轴输出功为计算基准的指标Brake/Effective
平均指示压力(Indicated Mean Effective Pressure, IMEP)：
单位气缸工作容积所作的循环指示功；可以认为是一个假想不变的压力pmi作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作功
$p_𝑖$高表明单位气缸工作容积做功能力大，工作循环完善，气缸强化程度高；既定柴油机𝑝𝑖主要由循环供油量或负荷大小决定，还受换气质量，燃油雾化质量影响。（过量空气系数过高时，油气浓度过低，𝑝𝑖降低）
一般而言，增压＞非增压；四冲程＞二冲程；直流扫气＞弯流扫气
多缸柴油机中，$𝑝_{𝑚𝑖}$是衡量各缸负荷均匀性的唯一可靠的参数
指示功率$𝑃_i$：单位时间，柴油机某个缸内工质推动活塞所做的功(kW)
平均有效压力（BMEP）,𝑝𝑚𝑒或𝑝e，$𝑝_{𝑚𝑒} = 𝜂𝑚⋅𝑝{𝑚i}$，机械效率$𝜂_m=\frac{P_e}{P_i}$
有效功率$P_e=\frac{扭矩×转速}{9550}$
经济性指标：柴油机有效热效率$\eta$；燃油消耗率$𝑔_e$；润滑油消耗率
柴油机操纵系统
柴油机操纵系统，是用来控制柴油机起动装置、调速装置、换向装置的整体机构。
起动装置
- 多缸机压缩空气起动，由空气分配器（或控制器）按照气缸发火顺序， 依次在膨胀行程之初压缩空气进入气缸；
- 船用二冲程机、四冲程机压缩空气起动正时
- 保证曲轴任何位置都能压缩空气起动的最少气缸数；
换向装置
- 用于可倒转柴油机，执行机构调整各正时
- 双凸轮换向：轴向移动凸轮轴
- 单凸轮换向：凸轮轴转过换向差动角
调速装置
在转速范围内自动调节到转速范围内。
发电机柴油机，发电机柴油机和发电机是不稳定系统，必须采用调速器
船舶主机，主机和螺旋桨是稳定系统，如对航速没有要求，可只装限速器。
现代船舶，对航速有稳定要求，用全制式调速器
极限调速器：最高转速不超过规定值
定速调速器：用于发电柴油机
双制式调速器：维持最低转速，限制最高转速
全制式调速器：柴油机的全部运转范围内，均能自动调节供油量，以保持任一设定转速不变
柴油机特性
船舶柴油机的工况：
- 发电机工况：转速n不变
- 主机工况（螺旋桨工况）：柴油机扭矩=螺旋桨阻力矩，功率正比于转速的三次方
速度特性：建立测量工况后（全负荷、超负荷、部分负荷），油门固定不动，不断增加负载使柴油机转速变化，测量出的一组特性。部分负荷速度特性运行时燃油消耗率较大，经济性较差。低速时气缸与活塞间漏气和散热损失明显，喷油泵的柱塞运动速度低，泄漏量大，每循环供油量较高速时小，故转矩小；高速时换气恶化，燃烧不良，摩擦损失大， 转矩降低
限制特性：使用时的最大功率边界线，测量出的一组特性。由等扭矩限制线+等排气温度限制线（或等过量空气系数限制线）组成 转速下降初期：扭矩为主要限制；转速下降后期：排温为主要限制
推进特性：为了方便柴油机直接带动螺旋桨而测量的特性。由于负载（螺旋桨）特性的约束𝑃𝑒′ =(𝑛′/𝑛𝑒)3⋅𝑃𝑒，测量时以额定工况点为参考，调整负载大小+输出扭矩，建立各个稳定测量工况点，测量得到的一组特性
负荷特性：为方便柴油机作为发电机原动机而测量的特性。由于负载（发电机）要求转速保持恒定，测量时维持柴油机输出转速不变，调整负载大小+输出扭矩，在各个测量点稳定后，测量得到的一组特性
船舶燃气轮机
压气机
燃烧室
透平
推进系统的动力配合性能
船机桨
机桨系统：扭矩平衡方程；桨船系统：力平衡方程；两个方程间依靠能量守恒、进速系数关联
推进型式：
直接传动推进装置、间接传动推进装置、可调距螺旋桨推进装置、电力传动推进装置、喷水推进装置
推进系统的主要特性
推力正比转速平方；扭矩正比转速平方；功率正比转速三次方；航速正比转速（阻力正比航速平方）
螺距比对螺旋桨特性改变，进速系数对螺旋桨特性的改变
螺距比越大，特性曲线越陡，等转速下力矩越大，等力矩下转速越小
船舶推进轴系和传动设备
摩擦离合器
盘式、圆锥式、圆柱式
传扭能力：锥>盘>柱（考虑离心力）
多片式摩擦离合器：径向尺寸大大减小，接合力减小，片数越多，离合器传递扭矩能力越大，且重量尺寸增加不多
减速齿轮箱
垂直异中心传动：占机舱面积小，宜单轴尾机舱；主机重心高，影响船舶稳性，箱壳影响双层低结构；
水平异中心传动：主机重心低，对中部机舱、双机双桨动力装置布置方便，两主机间距离易保证，水平占机舱面积大；单机单桨船不利于机舱对称布置；
同心布置：发动机重心降低，发动机和螺旋桨同轴；高度减小，齿轮强度增加，可传递更大扭矩，适合单机单桨布置
弹性联轴器
调整轴系自振频率；降低扭振应力；降低主机波动力矩对齿轮啮合的冲击；减少轴系对中误差、船体变形对轴系和齿轮箱运转的不良影响
调距桨
特性：在任何工况下均能吸收主机的全功率；用不同的转速和螺距比相配合，可得到所需要的船舶航速；在保持螺旋桨转速不变的情况下，改变螺距比，船舶可从正车最大航速到倒车最大航速；
优点：在任何工况下均能吸收主机的全功率；航行工况变化较大的船舶采用调距桨，可提高螺旋桨的平均功率；部分负荷下，经济性好；主机可使用不可反转的发动机；船舶具有良好的机动性和操纵性；延长发动机寿命；可不变转速适应工况和航速变化，为主机轴带辅机创造条件；
船舶电力推进系统与船舶电站
船舶动力系统的生态与环境保护要求
习题
船舶辅助锅炉产生的蒸汽用于：某些动力机械；油水的加热；暖气和厨房
所选锅炉的蒸发量：（110%~120%）*（全船用蒸总量）
一般正常航行时，废气锅炉产生的蒸汽应：足够全船所需
船舶电站容量等于：船舶实际用电量最大的运行工况的电力符合+适当裕度
船舶电站的航行工况是指：船舶全速满载航行的电气设备运行工况
船舶有效功率是指船舶航行时克服水、风对船体阻力所消耗的功率，船体阻力取决于：船舶线型，船舶尺度，船舶吃水，船速，海况，航道
某柴油机压缩比13，燃烧室容积V，则气缸工作容积是：12V
某直列四冲程柴油机的配气相位如下：排气阀提前开启角A，排气阀滞后关闭角B，进气阀提前开启角C，进气阀滞后关闭角D，则该柴油机的气阀重叠角是：C+B
某四冲程柴油机进气提前角56°，进气滞后角45°则进气过程的曲柄转角是：56+180+45=281°
某非电控船用二冲程柴油机，测量出某时刻驱动排气阀凸轮轴转速为120r/min时，可以知道，该状态下柴油机完成一个工作循环所需时间为0.5s
提高柴油机功率的措施有：增加气缸直径，增大活塞行程，采用二冲程，提高进气压力
一台可倒转的六缸二冲程柴油机顺车时的发火顺序是1-5-3-6-2-4，可以推测，该柴油机倒车时的发火顺序应为：1-4-2-6-3-5-1
某六缸二冲程可倒转柴油机的发火顺序为1-5-3-6-2-4，采用压缩空气起动，起动正时为上止点前5度~上止点后100度。柴油机停车后，第4缸2位于上止点后3度位置。用压缩空气换向起动时，处于压缩空气进气的缸有4、1
船舶柴油机转速不变，功率随时变化的工况，被称为：发电机工况
柴油机的功率随转速按照三次方关系而变化的工况，称为：螺旋桨工况
固定柴油机喷油量调节机构，通过改变柴油机负荷来改变其转速，这样测量得到的是：速度特性
直接带动螺旋桨的柴油机，其运转特性是：推进特性
柴油机起动时，起动空气应在（膨胀行程）进去气缸
柴油机负荷、转速、循环供油量间的关系为：转速不变，负荷增加，循环供油量增加
柴油机调速器的主要目的是，当外界负荷变化时，通过改变（循环供油量）来维持或限制柴油机规定转速
根据船舶主机的工作特点，我国规定主机必须装设（极限）调速器
某船舶双燃料发动机的标定转速记作nb，标定功率记作Pb。航行中主机输出转速为30%nb时，相应的输出功率约为：2.7%Pb
柴油机按照速度特性工作时，功率正比于转速的 1 次方 （速度特性油门固定，每循环喷油量不变，平均有效压力、扭矩不变）
通常，机械式二冲程直流扫气式可倒转柴油机换向时，不需要动作的是：气缸注油器凸轮（排气凸轮、空气分配器凸轮、喷油泵凸轮需要）
柴油机的转速在（从标定转速下降后期）范围内，排气温度将受到等排气温度曲线的限制
测量柴油机的速度特性时，通过改变（外负荷）使柴油机输出转速发生变化
在中、大型民用船上，主柴油机分为低速机和大功率中速机二类，大功率中速机之所以是低速机的竞争者，主要是因为：
体积小重量轻、燃用劣质油；可采用多机通过减速器驱动一个螺旋桨；合理选用减速比可以提高螺旋桨推进效率
现今船舶动力装置向电力推进系统发展的速度很快，主要在：显著地增加船体内可利用空间；可以使船型优化；提高船舶的机动性、可靠性和电站的可利用率方面比柴油机动力装置有更大的优势。
直接传动的推进装置，最突出的优点是：低速机油耗低，螺旋桨效率高
主机和螺旋桨间是直接传动，没有减速装置，有（传动轴系）
间接传动的推进装置的主要优点是：轴系布置自由
间接传动多应用于（中速）柴油机
为了提高船舶的机动性，可采用（除了单机单桨外的其它任何形式）的措施
船舶污底时，对推进装置的影响是：螺旋桨进速系数减小；螺旋桨扭矩系数增大；螺旋桨推进特性曲线变陡；螺旋桨扭矩系数变大
船舶稳定航行时：船速与转速成正比
某船标定功率为10000kW，标定转速100rpm；当转速下降为91rpm时，相应功率为10000×(91/100)^3 = 7536 kW（不保留小数点）
某船航速为20kn，船舶阻力为100kN，船舶有效阻力功率约为（1000×20×1.852×10^3/3600 = 10280）kW
某船舶推进装置采用四机并车推进单支螺旋桨，其中一台主机出现故障时，船舶航速可保持原设计航速的（87）%
解：螺旋桨获得最大扭矩变为$\frac{3}{4}$；转速变为$\sqrt{\frac{3}{4}}$，功率变为$(\frac{3}{4})^\frac{3}{2}$
船舶航行阻力不变时有航速正比于转速，航速变为$\sqrt{\frac{3}{4}}=0.866$
某船舶推进装置采用四机并车推进单支螺旋桨，当船舶航速降至50%以下时，以使用（1）台主机为宜
解：航速为50%，转速为50%，扭矩为25%，一台主机
和新船相比较，船舶污底时，如主机油门固定不变，则：主机转速下降，船舶航速下降，螺旋桨推力增加
解：船舶污底，阻力增加，进速系数下降
船舶空载航行时，对推进装置配合点的影响是：螺旋桨推进特性曲线变平坦；船舶吃水减小，船舶阻力减小；为了使主机转速不变，需减小主机油门
在大风浪中航行的船舶发生飞车现象，正确的是：
船舶纵向摇摆，螺旋桨有可能露出水面
柴油机扭矩超过螺旋桨的阻转矩
为避免飞车，应该适当增加船舶后部的压载水量
主机应设置限速器或全制调速器
为避免飞车，可适当调低调速器的飞车设定转速
船舶推进装置的性能是由（主机性能；传动设备性能；螺旋桨性能；船体性能）决定
船速由螺旋桨的尺寸和转速来保证，选择主机功率与转速必须适应螺旋桨的需要。最佳螺旋桨转速的选择是以（降低船舶造价；船舶燃油费用最低）为根据