造船與海洋工程概說-CH5阻力與推進
船舶航行時受到那些阻力?
•船舶動力裝置(推進系統)就是要克服這些阻力向前推進!
•推進裝置是由主機、傳動設備、軸系及推進器組成，它是動力裝置的主體。由於船舶的用途、航區及推進性能的不同，使主機的類型與數目、傳動方式、推進器的類型有所不同，可以組成多種型式的推進裝置，以適應因各種類型船舶的需要。
船的推進器有哪些?
- 槳(人力)
- 風力(帆)
- 明輪(蒸汽動力)
- 螺槳
- 噴水推進
- Voith Schneider propeller(VSP)
- POD(莢艙式、吊艙式)推進器
整組推進系統又包含哪些元件?
簡單來說，包括推進的動力來源、傳動裝置(把動力傳送給推進器)、控制系統以及推進器等四大部份。
船舶推進裝置的發動機(動力來源)與傳動設備的組合，可分為五類：
- 柴油機推進裝置： 低速柴油機直接傳動式；中、高速柴油機齒輪減速器式；中、高速柴油機電傳動式。
- 汽輪機推進裝置： 汽輪機齒輪減速器式；汽輪機電傳動式。
- 燃氣輪機推進裝置：燃氣輪機齒輪減速器式； 燃氣輪機電傳動式。
- 聯合式推進裝置： 柴油機燃氣輪機齒輪減速器式；燃氣輪機汽輪機齒輪減速器式。
- 核能動力推進器裝置：汽輪機齒輪減速器式；汽輪機電傳動式。
柴油機動力裝置常根據主機功率傳遞方式的不同，分為
- 直接傳動螺旋槳
- 通過離合器－減速齒輪機組驅動槳的間接傳動和通過發電機
- 電動機－驅動槳的電力傳動
- 不採用槳的噴水推進裝置等幾種型式。
蒸汽輪機動力裝置(Steam Turbine)
- 蒸汽輪機以鍋爐產生的蒸汽為工質，通過齒輪箱減速機組傳遞功率到螺旋槳，也有採用蒸汽輪機發電，使用電力推進方式。
- 蒸汽輪機主要用在大型水面艦艇，美國戰後發展的幾型常規動力航母，從「弗萊斯徹」級到「小鷹」級，均採用蒸汽動力，而蘇聯的航母也同樣採用蒸汽動力。
- 蒸汽雖然具有系統複雜、配置自動化系統較難、占用的艙容大、施工周期長、維護工作量多以及經濟性較差等缺陷，但是其單機功率大、技術成熟、壽命長、安全可靠、對燃料要求低的優點，十分符合航母這種大噸位水面艦艇，通常所說的核動力推進裝置最終還是轉化為蒸汽輪機。
燃氣輪機動力裝置(gas turbine)
•燃氣輪機通過多級減速齒輪機組傳遞功率給槳以推進船舶，這是近年來發展很快的較新的裝置，它能滿足近代艦艇對動力裝置提出高速、高機動和極低的單位質量之戰術技術要求。艦用燃氣輪機裝置由高、低壓壓氣機，商、低壓燃氣輪機、燃燒室、中間冷卻器和過熱器等組成。
•同蒸汽輪機相比，燃氣輪機擁有許多優勢：首先，燃氣輪機具有功率密度極大的優點，同等體積的燃氣輪機是柴油機的1/3到1/5，是蒸汽輪機體積的1/5到1/10。其次，同蒸汽輪機和柴油機相比，燃氣輪機的啟動速度更快。由於轉子非常輕巧，燃氣輪機在啟動機的幫助下能夠在1～2分鐘內達到最高轉速，而這一點對於軍艦的啟動和加速性能具有至關重要的作用，所以燃氣輪機也多用於大型水面艦艇。
•燃氣輪機目前也極少在商船上應用，但韓國現代重工宣布，與通用航空和海洋聯合（GE）開發的全球首艘燃汽輪機動力174000立方米LNG船獲得英國勞氏船級社原則批准（AIP）。
•這艘符合IMO Tier III要求的LNG運輸船配備了GE公司基於汽輪機技術的組合汽輪機電力與蒸汽系統(COGES 2.0)，無需額外設備用於處理廢氣排放，這台汽輪機驅動的發動機比傳統的發動機重量輕60%，運營成本和維護成本也隨之降低，其持續性、低震動、低噪音也經過了7000萬小時的海上平台、岸基電廠和高速渡船的測試證明。
聯合動力裝置
目前有三種聯合動力裝置
蒸汽輪機＋加速燃氣輪機聯合（COSOG 或COSAG ）
- Combined steam or gas
- Combined steam and gas (COSAG)
柴油機＋加速燃氣輪機聯合（ CODOG或CODAG ）
- Combined diesel or gas (CODOG)
- Combined diesel and gas (CODAG)
燃氣輪機裝置＋加速燃氣輪機聯合（ COGAG ）
- Combined gas turbine and gas turbine
蒸汽輪機＋加速燃氣輪機聯合(COSAG)：
此種裝置由於蒸汽輪機裝置的一系列優點，與燃氣裝置聯合後，能適用於功率較大的輕型艦艇，蒸汽裝置保證80%全速以下航行所需的功率（即全功率約50% 左右），以使經濟及質量尺寸指標為最有利。
柴油機＋加速燃氣輪機聯合(CODAG)：
這類裝置中，柴油機作巡航機，與燃氣輪機兩者都通過離合器與主減速器相聯，採用倒順離合器或調距槳進行倒車。
全工況燃氣輪機裝置＋加速燃氣輪機聯合(COGAG)：
這種裝置中，巡航燃氣輪機裝置可以採用複式線路（帶中間冷卻器及回熱）工作的開式燃氣輪機或按閉式循環工作的燃氣輪機。
前者具有蒸－燃聯合裝置的大部分優點，燃料消施和質量尺寸都可減小，後者在巡航時能保證較高的熱效率，部分負荷時性能良好。
傳動方式
在推進裝置型式中，由於船舶用途、航區、推進性能的不同所採用的傳動方式也不一樣，一般可分為
- 直接傳動
- 間接傳動
- 特殊傳動
- 可調槳
- 電推
- Z型
- 噴水推進器等。
一、直接傳動推進裝置
直接傳動是主機直接通過軸系把功率傳遞給螺旋槳，在主機軸系之間無其它傳動設備，為此，螺旋槳與主機有相同的轉速與轉向。由於螺旋槳在轉速較低時有較高的效率。因此，大型直接傳動的推進裝置一般都採用低速柴油機。
二、間接傳動推進裝置
大直徑螺旋槳在低速時能有效地提高推進效率，為了減少空泡，提高螺旋槳的推進效率，以中高速柴油機為主機的推進裝置，必須配置齒輪減速機組，把傳動軸轉速降低到螺旋槳的最佳轉速，以提高推進效率。
推進裝置採用了齒輪減速機組傳動後，不僅可以單機單槳，而且還可以多機（雙機、三機、四機）併俥驅動一個螺旋槳，這樣便提高了推進裝置的功率使用範圍，從而簡化機型，提高船舶運行的安全性和機動性。
三、可調槳傳動推進裝置
船舶在任何工況下均能吸收主機的全功率，只要外界條件不變，配合一定的螺距比P／D，即能使主機始終運轉在額定功率下。用不同的轉速和螺距比相配合，可得到所需要的推力，進而得到所需要的航速。主機為柴油機時，調距槳能在柴油機上限曲線，最大轉速線和最低穩定轉速範圍的區域內任何一點上工作。工作範圍很大，在該區域內任意搭配轉速和螺距比都能得到給定的航速。
保持螺旋槳轉速不變，改變螺距進而改變推力和扭矩，可使船舶具有不同的航速。當槳葉放在零螺距位置時，調距槳推力為零， 主機仍然以一定的轉速運轉，而船舶在原地不動；槳葉轉到負螺距位置時，可使主機轉向不變而實現倒航。
四、電力推進裝置
電力傳動是主機驅動主發電機發電，然後併網，再由電網供電給電動機驅動螺旋槳的一種傳動方式。
五、Z型傳動推進裝置
Z型傳動裝置又稱懸掛式螺旋槳裝置，其結構原理圖如圖。螺旋槳可繞垂直軸座360°迴轉。主要應用於小型船舶，如港勤船。其優點是操縱性好；可以不設舵、尾柱和尾軸管等結構；不需要單獨的減速齒輪裝置、不需要主機換向機構、延長柴油機使用壽命；修理槳，不需進塢等。
六、噴水推進裝置
是利用推進泵噴出水流的反作用力來推動船舶前進，並通過操舵倒航設備分配和改變噴流方向來實現船舶操縱。有兩種：外懸式噴水推進裝置和內藏式噴水推進裝置。噴水推進較適用於內河拖輪、淺水自航船(如客船、交通)、高速船舶(包括滑行艇、側壁式氣墊船、水翼船等)，以及要求低噪音的專用船舶上。
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造船工程與海洋工程是傳統又現代的產業，在台灣已發展超過100年。台灣是個海洋國家，也是個海運大國，近年來又發展離岸風力發電產業，船舶便成重中之重！希望這些文章可以引起大家的關注與重視。
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本文係由國泰世華銀行邀稿。
證券服務係由國泰世華銀行辦理共同行銷證券經紀開戶業務，定期定額(股)服務由國泰綜合證券提供。
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