船舶動力系統(tǒng)發(fā)展史

1、船舶動力系統(tǒng)發(fā)展史工業(yè)與市場世界船舶動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與競爭格局曹惠芬由船舶主機(jī)（ 柴油機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等） 、傳動系統(tǒng)（ 軸系、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、離合器等） 和推進(jìn)器（ 螺旋槳、全向推進(jìn)器、側(cè)向推進(jìn)器等） 組成的船舶動力系統(tǒng)，是船舶上最主要和最重要的設(shè)備，平均來說，其價(jià)值約占全船設(shè)備總成本的35%，約占總船價(jià)的20%。加之，其具有軍民通用性和船陸通用性，世界主要造船國家都高度重視并優(yōu)先發(fā)展船舶動力系統(tǒng)。本文試對世界船舶動力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢和產(chǎn)業(yè)競爭格局做一概括分析，以期對我國船舶動力系統(tǒng)發(fā)展提供參考。劉貴浙目前，蒸汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)主要是在 LNG船和核動力軍船上應(yīng)用。在現(xiàn)有 LNG船 隊(duì)

2、中蒸汽輪機(jī)推進(jìn)裝置仍占主導(dǎo)地位，艘數(shù)占比達(dá) 83%艙容占比達(dá)76% LNG 使用蒸汽輪機(jī)推進(jìn)有其液化特殊的原因：在LNG船上，氣裝在隔熱艙中運(yùn)輸，仍不可避免地有部分液化氣蒸發(fā)，而將這部分天然氣重新液化的費(fèi)用很安全的方式是高，因此，較經(jīng)濟(jì)、用作鍋爐燃料，由鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽推進(jìn)汽輪機(jī)。值得注意的是，由于蒸氣輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)自身的不足和其他類型推進(jìn)系統(tǒng)的競爭，在近年完工交付的LNG船中已出現(xiàn)了新型雙燃料柴-電推進(jìn)裝置和低速柴油機(jī)作動力，特別是在 LNG船手持訂 單中，采用蒸汽輪機(jī)作動力的LNG船艘數(shù)占比僅為29%艙容占比僅為25%;而采用 低速柴油機(jī)作動力裝置的LNG船艘數(shù)占比為17%容積占比為24%

3、采用雙燃料柴- 電推進(jìn)裝置的LNG船艘數(shù)占比達(dá)到54%容積占比達(dá)到50%預(yù)計(jì)未來蒸氣輪機(jī)推 進(jìn)系3輪機(jī)、柴油機(jī)所取代。目前，世界上各類船舶的動力系統(tǒng)主要有以下四種推進(jìn)方式 : 1. 蒸汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)取代往復(fù)式蒸汽機(jī)，又被柴油機(jī)所取代，目前主要在LNG船和核動力軍船上應(yīng)用蒸汽輪機(jī)，又稱汽輪機(jī)、蒸汽透平發(fā)動機(jī)或蒸汽渦輪發(fā)動機(jī)，是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動力機(jī)械。由于其熱效率和功率重量比比往復(fù)式蒸汽機(jī)有很大改進(jìn)，發(fā)明后逐漸在軍船和商船上取代了往復(fù)式蒸汽機(jī)。20 世紀(jì)上半葉橫跨大西洋往返于歐洲和北美的高速定期班輪多是采用蒸汽輪機(jī)作動力。20 世紀(jì) 60 年代后，蒸汽輪機(jī)又逐漸被熱效率更高的柴油

4、機(jī)所取代。蒸汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，主要由蒸汽輪機(jī)、主鍋爐、凝汽器、齒輪減速器、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱、軸系、螺旋槳等設(shè)備組成，其特點(diǎn)是單機(jī)功率大，工作可靠，振動和噪聲小，維修費(fèi)用低，可燃用廉價(jià)劣質(zhì)燃料，但是，其熱效率較柴油機(jī)裝置低，且設(shè)備 多。一、技術(shù)發(fā)展趨勢船舶在經(jīng)歷了漫長的以人力、風(fēng)力作為航行動力的階段后，直到200 年前才進(jìn)入以機(jī)械能作為航行動力的階段。船舶的機(jī)械推進(jìn)隨著蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)、柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)明及實(shí)船應(yīng)用，先后出現(xiàn)了由多種原動機(jī)做動力的推進(jìn)方式。蒸汽機(jī)在 19 世紀(jì)初至20 世紀(jì)初是世界航運(yùn)船舶最重要的原動機(jī)，之后，逐漸被蒸汽2010(6?船舶物資與市場工業(yè)與市場統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅饾u變小

5、。作為蒸汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的主要設(shè)備鍋爐的技術(shù)發(fā)展趨勢是: 在保證安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，減輕設(shè)備的質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)性; 在不斷增加蒸汽產(chǎn)量的同時(shí)，因此，鍋提高蒸汽的壓力和溫度。爐的型式日益改進(jìn)，近年來強(qiáng)制循環(huán)鍋爐和蒸汽燃?xì)饴?lián)合裝置中的增壓鍋爐已得到應(yīng)用。蒸汽輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢是: 不斷增強(qiáng)可靠性、機(jī)動性，提高操縱性，簡化設(shè)備。全 2. 柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)面取代往復(fù)式蒸汽機(jī)和蒸汽輪機(jī)，成為最主要的船舶動力，目前在各型船舶上應(yīng)用活塞往復(fù)式柴油機(jī)，是熱效率最高的一種熱機(jī)，具有啟動迅速、部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)性能好、安全可靠、功率范圍大、效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，而且柴油具有能量密度高、成本低、安全性好和便攜性等優(yōu)點(diǎn)。船舶

6、主機(jī)和船舶電站多采用柴油機(jī)。自上世紀(jì)60 年代起，柴油機(jī)全面取代往復(fù)式蒸汽機(jī)和蒸汽輪機(jī)，成為最主要的船舶動力。根據(jù)二沖程柴油機(jī)和四沖程柴油機(jī)做主機(jī)不同，柴油機(jī)動力系統(tǒng)又分為柴油機(jī)直接驅(qū)動和柴油機(jī)齒輪傳動。柴油機(jī)直接驅(qū)動就是由二沖程柴油機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳的推進(jìn)方式，它主要由低速柴油機(jī)、軸系和螺旋槳組成，主要應(yīng)用在大中型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶上。柴油機(jī)齒輪傳動就是由四沖程柴油機(jī)經(jīng)過齒輪箱降速，再驅(qū)動軸系和螺旋槳的推進(jìn)形式，它主要由中速柴油機(jī)（ 單機(jī)驅(qū)動或多機(jī)驅(qū)動） 、齒輪箱、軸系和螺旋槳（ 可調(diào)距螺旋槳） 組成，主要應(yīng)用在中小型貨船、客船、滾裝船、豪華游船、海洋工程輔助船和軍船上。目前以柴油機(jī)為動力的船舶占世

7、界商船隊(duì)的95%以上，其中，柴油機(jī)直接驅(qū)動占55%，柴柴油機(jī)齒輪傳動占39%。此外，油機(jī)還是船舶燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要設(shè)備。作為柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的主要設(shè)備，低速柴油機(jī)和中速柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢是單機(jī)、單缸功率越來越大; 不斷降低排放和煙度，提高環(huán)保性能; 優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高主機(jī)經(jīng)濟(jì)性; 用智能型主機(jī)替代傳統(tǒng)型主機(jī)，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益等。 3. 燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)上世紀(jì)50 年代開始在商船上作主機(jī)，但從未得到大規(guī)模應(yīng)用，目前主要在軍船上使用燃?xì)廨啓C(jī)，又稱燃?xì)馔钙桨l(fā)動機(jī)或燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，與蒸汽輪機(jī)、水輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)同屬于透平機(jī)械，其優(yōu)點(diǎn)是單位重量和尺寸小、單機(jī)功率大、機(jī)動性能高、低缺點(diǎn)是

8、經(jīng)濟(jì)性差、進(jìn)排NOx#放，氣管道大、機(jī)艙布置困難、低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)性能差。上世紀(jì)50 年代燃?xì)廨啓C(jī)開始在商船上應(yīng)用，但從未得到大規(guī)模應(yīng)用。燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系齒輪箱、軸系統(tǒng)，主要由燃?xì)廨啓C(jī)、和螺旋槳等組成。目前，燃?xì)廨啓C(jī)主要在軍船上使用，且艦用燃?xì)廨啓C(jī)系列已發(fā)展完善并定型，（20000Hp）左右或以上14700kW的大功率艦用燃?xì)廨啓C(jī)已發(fā)展成熟。隨著燃?xì)廨啓C(jī)使用范圍的擴(kuò)大，使用方式由一軸一機(jī)擴(kuò)展到一軸多機(jī)，包括蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合裝置、柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合裝置、柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)交替使用裝置、燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合使用裝置或交替使用裝置等。按不同的使用方式，用同一種燃?xì)廨啓C(jī)組合的功率范圍基本可以覆蓋從快艇

9、到輕型航母等各類大中型水面艦艇。部分豪華游輪也配有燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)組成的混合動力系統(tǒng)。在一些海洋工程船舶或平臺、軍船和商船上也有以燃?xì)廨啓C(jī)作為發(fā)電機(jī)組的原動機(jī)。作為燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的主要設(shè)備，燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢是: 對現(xiàn)有機(jī)型進(jìn)行技術(shù)改造，降低排放和信號特征，不斷改善其可靠性和可用性; 在簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上，發(fā)展回?zé)峄蛑欣浠責(zé)岽萌細(xì)廨啓C(jī)，從而提高單機(jī)的功率和效率。上世 4. 電力推進(jìn)系統(tǒng)紀(jì) 90 年代開始在船舶領(lǐng)域應(yīng)用，目前除在軍船上應(yīng)用外，還在小型商船上應(yīng)用船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，一般指采用電動機(jī)械驅(qū)動螺旋槳來推進(jìn)船舶運(yùn)動的系統(tǒng)。它主要由原動發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)、電動機(jī)、推機(jī)、進(jìn)器（ 螺旋槳

10、 ） 以及控制調(diào)節(jié)設(shè)備等組成。其中，原動機(jī)可以采用柴2010（6?船舶物資與市場4工業(yè)與市場蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，目油機(jī)、前絕大多數(shù)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)采用中速或高速柴油機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)也有一定應(yīng)用。根據(jù)原動機(jī)不同，電力推進(jìn)系統(tǒng)分為柴油機(jī)電力推進(jìn)和燃?xì)廨啓C(jī)電力推進(jìn)等;根據(jù)主回路電力不同，電力推進(jìn)系統(tǒng)分為直流電力推進(jìn)、交流電力推進(jìn)和交直流電力推進(jìn)等; 根據(jù)電機(jī)的布置不同，電力推進(jìn)系統(tǒng)還分為機(jī)艙式和吊艙式。電力推進(jìn)系統(tǒng)具有操縱性強(qiáng)、安全、布置方便、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、舒適等優(yōu)點(diǎn)。上世紀(jì)90 年代，電力推進(jìn)系統(tǒng)開始在船舶領(lǐng)域應(yīng)用，除在軍船領(lǐng)域應(yīng)用外，還在豪華游船、渡船、海洋工程船舶（ 平臺） 等商船領(lǐng)域應(yīng)用。目前采

11、用電力推進(jìn)的船舶比例還較小，且多為小型船舶，原動機(jī)主要是柴油機(jī)，但是，其應(yīng)用前景十分廣闊。隨著雙燃料發(fā)動機(jī)的成熟與應(yīng)用，電力推進(jìn)系統(tǒng)在 LNG船上的應(yīng)用取得重大進(jìn) 展。西門ABB子、阿爾斯通等大公司已形成電力推進(jìn)系統(tǒng)的系列成套裝置，并向 大功率船舶動力系統(tǒng)應(yīng)用滲透。推進(jìn)系統(tǒng)的制造已基本轉(zhuǎn)移至日、中三國。韓、韓、1. 船用柴油主機(jī)日、中三國的產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量韓國是船用柴油機(jī)制的約85%，造大國，現(xiàn)代重工集團(tuán)世界市場占有率在1/3 以上根據(jù) 2009 年世界造船完工量1.17 億載重噸估算，當(dāng)年船用柴油主機(jī)的市場規(guī)模在5000 萬馬力左右，其中，低速柴油機(jī)的市場規(guī)模在4250 萬馬力左右（ 占 ）

12、 ，中速柴油主機(jī)的市場規(guī)模85%在750萬馬力左右。低速機(jī)市場（80%MAI®牌機(jī)型占最大比例左右 ） ，中速主機(jī)市場瓦錫蘭品牌機(jī)型占較大比例（ 接近40%）。世界船用柴油主機(jī)制造集中日、中三國，目前三國船用在韓、柴油主機(jī)產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的比例約在85%，其中船用低速機(jī)產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的90%。韓國是世界船用柴油機(jī)制造大國，按馬力計(jì)產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的近50%，現(xiàn)代重工是世界最大的船用柴油機(jī)生產(chǎn)商，世界市場占有率在1/3 以上。斗山發(fā)動機(jī)、STX集團(tuán)、三井造船都是居世界前列的船用柴油機(jī)企業(yè)。值得關(guān)注的是，韓、日、中2004 年2008年，三國都大幅擴(kuò)大了船用柴油主機(jī)產(chǎn)能（ 特別是低速

13、機(jī)） ，導(dǎo)致自2010 年起全球低速機(jī)產(chǎn)能出現(xiàn)嚴(yán)重過剩，但是，相對于本國造船產(chǎn)量而言，韓、日、中三國造機(jī)能力過剩的程度不同，韓國最大，中國最小。2.LNG船用汽輪機(jī)及鍋爐目前只有少數(shù)幾家公司制造船用汽輪機(jī)及為其配套的大型鍋爐，主要制造商是三菱重工、川現(xiàn)代重工、三井造船及法崎重工、國的企業(yè)由于上世紀(jì)70年代建造的VLCQ多數(shù)采用汽輪機(jī)作主機(jī)，當(dāng)時(shí)世界上有許多船用汽輪機(jī)制造商和為其配套的鍋爐制造商。石油危機(jī)后，VLCC全部改用低速柴油機(jī)做主機(jī)，船用汽輪機(jī)的需求急劇減少。目前，世界上只有少數(shù)幾家公司制造船用汽輪機(jī)及為其配套的大型鍋爐，制造 LNG船用蒸汽輪機(jī)的企業(yè)主要是三菱重工、川崎重工和現(xiàn)代重工，

14、其中，川崎重工生產(chǎn)的汽輪機(jī)三菱重工生約90%向國外出口，產(chǎn)的汽輪機(jī)大部分供本企業(yè)和本國銷售，現(xiàn)代重工購買三菱重工技術(shù)生產(chǎn)汽輪機(jī)的歷史短、能力較小，只是為本公司建造的LNG船供貨。目前世界上生產(chǎn)為汽輪機(jī)配套的主鍋爐的企業(yè)主要有三菱重工、川崎重工、三井造船及法國的企業(yè)，其中，三菱重工的生產(chǎn)供應(yīng)能力較大。3.船用電力推進(jìn)裝置一AB眸團(tuán)是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)明者和領(lǐng)先者，科孚德機(jī)電西門子集團(tuán)、肖特爾公司、公司、羅?羅公司等在該領(lǐng)域也分別占有一席之地1987年AB吆司發(fā)明了吊力&式推進(jìn)系統(tǒng) Azipod , 1990年該產(chǎn)品首次實(shí)船應(yīng)用，經(jīng)過10 余年二、產(chǎn)業(yè)競爭格局目前，船舶動力系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)

15、計(jì)，仍然是歐洲、美國、日本等國家或地區(qū)居領(lǐng)先和壟斷地位，并且，蒸汽輪機(jī)及鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、電力推進(jìn)裝置的制造也分別由這些國家的企業(yè)掌控。但是，占船舶動力系統(tǒng)最大比例的柴油機(jī)2010(6?船舶物資與市場5工業(yè)與市場發(fā)展， Azipod 吊艙系統(tǒng)發(fā)展為緊湊型Azipod 吊艙 Azipod 吊艙、和相對反轉(zhuǎn)式Azipod 吊艙三個(gè)系列，功率范圍覆蓋0.5 兆瓦32兆瓦，市場占有率接近70%，并已在10 多種船型上使用。此外，法國科孚德機(jī)電公司、德國西門英國羅？羅子集團(tuán)和肖特爾公司、公司、美國 SAM公司、芬蘭瓦錫蘭公司、日本川崎公司等在船舶電力推進(jìn)裝置市場也分別占有一席之地?？奇诘聶C(jī)電公司除為軍船提

16、供電推系統(tǒng)外，占豪華游船柴油機(jī)電力推進(jìn)和LNG船雙燃料電力推進(jìn)市場60%的份額，并為海洋工程船舶提供電力推進(jìn)裝置，截至2008 年底，該公司已累計(jì)為315 艘船舶提供了電力推進(jìn)系統(tǒng)，總功率達(dá)3900兆瓦，其最新推出的產(chǎn)品是配備了 PW邨MV700歐頻器的電推系統(tǒng)。西門子集團(tuán)的主要電力推進(jìn)產(chǎn)品有SishipPAX、 SishipCargo 以及 Si,shipDriveLV 。其中，SishipPAX 系統(tǒng)使用西門子的中壓推進(jìn)系統(tǒng)，適用于游船和客船;Siship,Cargo 為混合式供電和推進(jìn)系統(tǒng)，既可使用重油和柴油，還可使用船舶在運(yùn)輸過程中揮發(fā)的天然氣，適用于液化天然氣船;SishipDriv

17、eLV 為低壓柴電推進(jìn)，適用于海洋工程船以及其它特種船。羅?羅公司的電推產(chǎn)品為采用卡瑪瓦HS型螺旋槳的Mermaid吊艙推進(jìn)系統(tǒng)，功率覆蓋 5兆瓦25兆瓦。SA必司的電推產(chǎn)品為6中國自主設(shè)計(jì)并制造的深海海洋科學(xué)綜合考察船將采用ABB先進(jìn)的Azipod吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，大幅提高船舶燃油效率，顯著降低廢氣排放。與肖特爾公司共同開發(fā)的Dol,功率覆蓋5 兆 phin 吊艙式系統(tǒng)，瓦 11 兆瓦。GE4.艦船用燃?xì)廨啓C(jī)一公司、羅？羅公司和烏克蘭曙光機(jī)器設(shè)計(jì)科研生產(chǎn)聯(lián)合體是世界三大艦用燃?xì)廨啓C(jī)研制公司，阿爾斯通公司、川崎重工、石川島播磨重工等也研制艦用燃?xì)廨啓C(jī)GE公司是世界艦用燃?xì)廨啓C(jī)最主要的制造商，其艦用燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)和制造水平處于世界領(lǐng)先地位，研制的艦用燃?xì)廨啓C(jī)包括LM系列的LM-50R LM-150R LM-1600、LM-250R LM-2500+K LM-2500+G4F口 LM-6000等，其中以 LM-2500應(yīng)用最為廣泛。羅?羅公司是世界著名的艦用燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)商之一，該公司由航空發(fā)動機(jī)整機(jī)派生的“海神”燃?xì)廨啓C(jī)、“太因”燃?xì)廨啓C(jī)、“奧林普斯”燃?xì)廨啓C(jī)、“斯貝”燃?xì)廨啓C(jī)、M