给船装上动力教学课件

给船装上动力第一章船舶动力的意义与发展船舶动力的作用克服水阻力实现控制航行演变历程船舶航行时必须持续克服水的阻力，动力动力系统不仅使船舶前进，还能通过调节系统提供足够的推进力使船体前进没有功率和方向，实现对航速、航向的精确控有效的动力，船只将无法实现稳定航行，制，确保船舶能够安全、高效地到达目的更无法抵抗潮流和风浪的影响地船舶动力发展简史远古时代蒸汽时代最早的船只依靠人力划桨前进，如古希腊的三列桨船19世纪初，蒸汽机应用于船舶，摆脱了对风力的依能搭载上百名桨手，以协调的划桨动作驱动船只这赖，实现了稳定的动力输出，显著提高了航行效率和种方式速度有限，且需要大量人力可靠性1234帆船时代现代动力风帆的应用开创了航海新纪元，船只可以利用风力航行更远距离15-18世纪是帆船的黄金时代，大型帆船横跨海洋，促进了全球贸易和文化交流动力革命，航海新纪元从人力划桨的古代三列桨船到现代化的动力推进系统，船舶动力的变革不仅代表着科技的进步，更象征着人类不断挑战自然、开拓海洋疆界的坚定决心第二章船舶动力系统组成三大核心部分动力装置将能源转化为机械能的核心设备能源来源•柴油发动机最常见的船用动力•燃气轮机高速船舶的首选为船舶提供原始动力的能源，包括•电动机现代电力推进系统核心•传统燃料柴油、重油、天然气•风帆利用风能的传统装置•可再生能源风能、太阳能推进器•电能电池组、燃料电池将动力装置产生的机械能转化为推进力能源的选择直接影响船舶的航程、环保性能和运营成本•螺旋桨最常见的推进装置•水射流推进器高速艇常用•舵桨一体化装置操控性能优异•桨叶风帆船舶的辅助推进能源类型详解化石燃料新兴动力•柴油中小型船舶常用燃料，热值高•锂电池储能密度高，适用于短途航行•重油大型商船首选，成本低但污染较大•氢燃料电池零排放，但储存技术有待突破•液化天然气LNG清洁能源，减少碳排放•生物燃料可再生，兼容现有发动机化石燃料仍是当前船舶的主要能源，但面临环保压力新兴能源代表未来发展方向，但目前仍面临技术和成本挑战可再生能源混合动力•风能现代帆船和辅助帆技术•柴电混合结合柴油机和电动机优势•太阳能辅助电力来源，适用于小型船舶•风电混合风帆辅助电力推进•波浪能新兴技术，利用海浪运动发电•多能源集成综合利用多种能源环保零排放，但受自然条件限制，稳定性较差动力装置示例柴油发动机现代风帆系统电力推进系统目前船舶最主流的动力装置，具有可靠性高、功传统风帆技术的现代化应用，采用先进材料和自率范围广、燃油经济性好的特点大型船舶通常动控制系统，能够更高效地捕捉风能许多大型采用低速二冲程柴油机，中小型船舶则使用中高商船开始安装辅助风帆系统，可节省10%-30%速四冲程柴油机现代船用柴油机热效率可达的燃料消耗，代表了回归可再生能源的趋势50%以上推进器类型固定螺距螺旋桨可变螺距螺旋桨水射流推进器结构简单，维护成本低，适用于工作状态相可调节叶片角度，适应不同航行状态，提高利用高速水流反作用力推动船舶，无外露部对稳定的船舶整体效率件，安全性高•叶片形状和角度固定不变•能在不同航速下保持较高效率•适合浅水和高速航行•效率在设计工况下效率高，非设计工•可实现快速倒车，提高操控性•操控灵活，可实现快速转向况效率下降•应用大型商船、客轮、远洋船舶•应用高速客轮、巡逻艇、水上摩托•应用小型船舶、渔船、内河船舶舵桨装置对转螺旋桨超空泡螺旋桨集推进和转向于一体，省去传统舵，提高操两个反向旋转的螺旋桨，抵消旋转力矩，提高速航行时叶片产生空泡，减小阻力，提高控性高效率效率•360°全向转动能力•效率比传统螺旋桨高5%-15%•适用于高速船舶•低速操控性能优异•降低噪音和振动•效率可在高速下提升30%以上•应用拖船、破冰船、动力定位船舶•应用潜艇、高性能军舰、豪华游艇推进器动力的直接传递者推进器是船舶动力系统的最后一环，也是最关键的部分它将发动机产生的机械能转化为推动船舶前进的推力，直接决定了船舶的航行性能每种推进器都有其独特的工作原理和适用条件在实际应用中，工程师需要根据船舶的用途、航行区域、速度要求等因素选择最合适的推进器类型，并进行精细的设计和调整，以获得最佳的推进效率和航行性能第三章帆船动力原理帆船动力来源帆船的动力主要来自两种机制直接推力当风直接吹向帆面时，风的动能转化为对帆的压力，产生推动船体前进的力量这种情况主要发生在顺风航行时，效果直观但并非最高效的航行方式升力原理当风从侧面吹过帆面时，帆的弧形形状使风在两侧形成压力差，产生类似飞机机翼的升力效应这种升力垂直于帆面，分解后产生前进推力，使帆船能够实现斜风甚至逆风航行风力作用示意图伯努利效应简介伯努利原理风吹过帆面伯努利原理是流体力学中的基本原理，阐述了流体的速度与压力之间的关系当风从侧面吹向弧形帆面时，帆的背风面需要经过更长的距离，导致风速加快在同一流体中，流速越快的区域，压力越低；流速越慢的区域，压力越形成压力差高这一原理是帆船能够利用侧风甚至逆风航行的物理基础根据伯努利原理，背风面风速快，产生低压区；迎风面风速慢，形成高压区产生合力压力差在帆面上产生垂直于帆面的力，可分解为前进推力和侧向力船体前进逆风航行原理迎角控制之字形航线帆船逆风航行的关键在于找到帆面与风向之间的最佳迎角，通常在30°-45°之间这个角度能够在帆面上产生最大的升力，从而获得最佳的前进推力分量由于帆船不能直接迎风航行，因此采用交替改变航向的方式，形成之字形航线这种航行方式称为抢风航行或打横帆，通过反复变换航向逐渐接近上风处的目标风的艺术，逆风而行逆风航行被称为帆船运动中的最高艺术，它完美展示了人类如何利用自然法则，将看似不利的条件转化为前进的动力这一技术不仅体现在航海领域，也成为人生哲学的隐喻面对逆境，通过智慧和技巧，仍能不断前行，最终到达目的地第四章螺旋桨推进原理螺旋桨工作原理螺旋桨的工作原理可以从两个方面理解螺旋推进理论螺旋桨类似于旋转的螺丝，每转动一周，理论上会前进一个螺距的距离叶片旋转时推动水流向后移动，根据牛顿第三定律（作用力与反作用力），水流反过来推动船只向前移动叶片升力理论从流体动力学角度看，螺旋桨叶片实际上是旋转的翼型，工作时在叶片两侧产生压力差，形成类似飞机机翼的升力，推动水流后移，产生推进力这解释了为何现代螺旋桨叶片截面都采用翼型设计螺旋桨参数直径螺距展向比D P螺旋桨叶片从一端到另一端的最大距离，是最螺旋桨旋转一周时理论上前进的距离叶片展向长度与弦长的比值，影响效率基本的参数•影响船速和发动机负荷•较高展向比减少尖端损失•直径越大，每转推力越大•螺距比P/D通常为

0.8-

1.2•但增加叶片应力•但增加水阻和摩擦损失•可变螺距桨可实时调节•现代设计通常为

0.5-

0.7•受船体吃水和舵距限制叶片数转速效率RPM常见的有2-7叶片，不同应用选择不同每分钟旋转的圈数，影响推力和效率输出推进功率与输入轴功率之比•叶片少效率高但振动大•转速过高引起空泡现象•开阔水域效率可达65%-70%•叶片多振动小但效率略低•低速大直径桨效率通常更高•受船体影响后效率降至55%左右•商船通常用4叶片，军舰常用7叶片•典型商船约80-120RPM•通过优化设计可提升效率固定与可变螺距螺旋桨固定螺距螺旋桨可变螺距螺旋桨优点•可根据负载实时调整螺距•在不同航速下保持高效率•快速倒车，操控性好•发动机负载平稳，寿命长缺点•结构复杂，成本高•维护难度大，故障率较高•轮毂阻力略大应用动力的核心，螺旋桨螺旋桨是船舶动力系统的核心组件，承担着将发动机产生的旋转动力转化为推进力的重要任务一个设计精良的螺旋桨，可以显著提高船舶的推进效率，降低燃料消耗，减少振动和噪音现代螺旋桨设计已经发展为一门精密的科学，融合了流体力学、材料科学和计算机模拟技术设计师需要考虑船体形状、发动机特性、航速要求等多种因素，通过精确计算和模拟分析，确定最佳的螺旋桨参数第五章动力传递与效率动力传递链条发动机输出功率BHP发动机内部产生的功率，通常以制动马力Brake Horsepower表示这是动力链的起点，代表燃料燃烧后转化的机械能•决定因素燃料热值、发动机热效率•典型效率柴油机约40%-50%轴系传递功率SHP通过传动轴传递给螺旋桨的功率，也称轴马力Shaft Horsepower发动机功率经过减速齿轮后传递到轴系，存在机械损失•损失来源齿轮摩擦、轴承阻力•传递效率约98%-99%螺旋桨输入功率DHP传递到螺旋桨的实际功率，也称为螺旋桨马力Delivered Horsepower•损失来源轴系摩擦、密封装置•传递效率约99%螺旋桨推力功率THP螺旋桨产生的有效推力功率Thrust Horsepower，是螺旋桨将旋转动力转化为推进力的结果•损失来源叶片摩擦、旋转能量损失•螺旋桨效率约60%-70%有效功率EHP最终用于克服船体阻力的有效功率Effective Horsepower，是真正推动船舶前进的功率•损失来源船体与螺旋桨相互作用•传递效率约85%-90%功率损失与效率主要损失来源发动机热损失燃料能量约50%-60%以热量形式损失排气损失10%-20%能量随排气散失螺旋桨损失叶片摩擦、旋转水流约15%提高效率的方法热能损排气损机械损螺旋桨船体相有效推废热回收系统利用排气和冷却水热量发电失失失损失互作用进功率损失优化螺旋桨设计减少空泡和尖端损失船舶动力系统能量分配图船型优化减小水阻，提高艏柱效率•使用节流导管和尾鳍，提高水流效率从燃料到推进，能量的旅程船舶动力系统是一个复杂的能量转换链条，从燃料中储存的化学能，经过多次转换和传递，最终变为推动船体前进的动能这个过程虽然不可避免地存在损失，但通过精心设计和优化，可以最大限度地提高能量利用效率现代船舶设计者不断探索创新技术，如高效柴油机、先进螺旋桨设计、减阻船型和能量回收系统，努力提高每一环节的效率这些技术进步不仅降低了运营成本，也减少了环境污染，为航运业的可持续发展做出贡献第六章船舶操纵与动力控制动力与舵的配合螺旋桨转速控制中央控制系统调节螺旋桨的转速是控制船速的主要方式现代船舶通常采用电子调速系统，能够精确控制发动机输出，现代船舶的驾驶台集成了发动机控制、舵机操作和导实现平稳加速和减速对于可变螺距螺旋桨，还可以航系统，使船长能够协调控制船舶的动力和方向自通过调整叶片角度来控制推力动化系统能根据航线规划自动调整螺旋桨转速和舵舵系统角，提高航行效率和安全性舵是控制船舶航向的主要装置，通过改变水流方向产生侧向力，使船体转向舵的效果与船速和舵角有关，船速越高，舵效越好现代船舶采用电液舵机，提供强大而精确的舵角控制动力定位系统侧推器系统高端船舶配备动力定位DP系统，能自动协调主推进器、舵和侧推器的工作，使船舶保持在固定位置或沿为提高低速操纵性能，现代船舶常在船首和船尾安装预定轨迹航行，即使在风、浪、流的干扰下也能精确侧推器这些装置产生横向推力，协助船舶在港口等控制位置狭窄水域进行横移和旋转操作，大大提高了船舶在复杂环境下的操控能力环境因素影响风的影响水深影响风作用于船体上部结构，产生风压力，影响船舶航向和航速水深对船舶阻力和操控性有显著影响•顺风增加船速，但可能影响舵效•浅水效应阻力增加，船首下沉•逆风减小船速，增加油耗•岸壁效应靠近岸壁时船首偏离•侧风产生漂移，需要调整航向•通道效应狭窄水道中船速异常增加应对策略适当增加动力，调整舵角抵消风压力应对策略浅水区域减速航行，保持安全距离水流影响波浪影响水流直接作用于船体水下部分，影响实际航速和操控性波浪导致船体运动，影响舒适性和安全性•顺流增加对水航速•迎浪船首颠簸，速度降低•逆流减小对地航速，增加油耗•顺浪可能导致船舶摇摆不稳•侧流造成漂移，影响航向保持•横浪引起横摇，甚至倾覆风险应对策略航前研究水文资料，合理规划航线应对策略调整航向和航速，必要时使用减摇装置实际案例分享远洋集装箱货轮动力系统大型帆船逆风航行实录主要参数•MAN BW12K98ME-C型低速二冲程柴油机•最大输出功率68,640kW•直径

8.5米的固定螺距螺旋桨•设计航速25节技术特点•电子控制燃油喷射系统，提高燃油效率•废热回收系统，产生额外电力•低速大直径螺旋桨，推进效率高动力赋能航海未来技术进步推动航运发展从古代的划桨船到现代的高效动力船，船舶推进技术的发展见证了人类智慧的不断进步每一次技术革新都为航海事业带来新的可能，拓展了海洋利用的广度和深度绿色航运的新时代面对环保要求和资源限制，船舶动力系统正向更高效、更清洁的方向发展风能辅助推进、LNG动力、氢燃料电池和电力推进等新技术，将引领航运业进入绿色可持续的新时代探索与创新。