对于超级游艇的先进的推进装置（系列）
Simon Brealey, Mechanical Engineer, BMT Nigel Gee Ltd
James Roy, Yacht Design Director, BMT Nigel Gee Ltd
Franz Hoppe, General Manager, RENK AG
概要
本文考察了先进推进装置的好处对于大型超级游艇的具体要求，其特别的注重利用柴油电力和柴油机械推进的混合动力系统。
混合动力系统的技术特征是以柴油机械系统和柴油电力系统进行比较。对于一艘110米的基本游艇的一项预测燃料消耗量的研究已经被开展对于每一个推进系统的若干个负载曲线。这个研究表明混合系统在一个典型操作概况下拥有节能10％的年度燃料使用的潜力。燃料节省的优点被考虑是抵抗混合系统的额外高投资，这说明混合动力将是一个长期的投资。
每个系统在游艇布局上的影响被讨论了，同时允许增加豪华内部空间的能力通过细致的最优化所需的技术空间已经被展示对于混合动力系统。
虽然结论表明，该混合动力系统将提供的技术优势，并允许改进的布局，但对于给定的游艇最佳推进系统的选择将取决于游艇设计和预期的操作简档的个体特征。
1.介绍
船舶推进系统的不断发展，并逐步提高，以满足不断增长的行业的需求：更高的效率，降低燃料成本，并改进包装。运用新技术已在国防，货运，海上和客船的许多应用程序所热衷。
这些进步的范围已经被推广到新燃料，能源储存和替代动力布局，它们都被调查，并推向市场。
在这样的背景下本文写出来去分析一些合适并且在考虑到现代大型超级游艇的具体要求后可以使用的动力系统选择。本文考察了由柴油电力混合动力系统组成的推进装置的好处。虽然人们认识到，其他“先进”的推进系统也是基于成熟和可靠的技术，并且可以提供显而易见的好处的选择，同时这些推进系统是可得到的混合动力系统。
2.历史背景
用于海洋工程应用的混合动力推进本身不是一个新的想法和各种系统的设计和使用。随着海军舰艇混合动力与德国猎雷类332在20世纪80年代被介绍，当时一台2兆瓦高速柴油机与一台用于低噪声巡航速度的75千瓦的电动马达相结合，两者都通过周转齿轮传递它们的功率。随着英国海军护卫舰推进系统设置了一条路径在混合动力推进技术之中，同时23型公爵级护卫舰配备了为了巡逻和巡航的每轴线1,5 兆瓦电动机与为了加速冲刺的11兆瓦燃气轮机相结合。最近的一个例子是荷兰海军的荷兰类巡逻艇在2011年服役，其推进系统包括一台5.5兆瓦柴油机和一台在CODELOD（合并的柴油电动或柴油）上每轴线400千瓦的电动机[1]。
在商业造船中，混合动力推进有着丰富的历史发展。1977年的大型巡航渡轮Finnjet号在20世纪90年代初被重新设置引擎，其由大型28兆瓦的燃气涡轮机和每轴线5兆瓦电机并联。在这种特殊情况下，该推进系统不仅提供低速模式，而且还操作作为CODELAG（柴-电，气）去提供一个33节的最大持续航速（这是一个3万吨排水量的容器）。该系统精选了一个100吨的减速齿轮箱，其在电动机侧的3个阶段被描绘在图1中。直到2006年退役，多年来无缝和没有问题的运行证明了安装的可靠性。
3.推进系统说明
因为技术有所改善，近些年来电动推进已经变得越来越受欢迎。例如酒店载荷和推进功率现在可以用现代的电子化管理非常有效地处理。电动马达相比上代也变得更加紧凑同时具有更高的可靠性和更高的效率。可得到和使用小型高扭矩永磁电机也扩大了应用范围。
电动马达可以布置在混合配置，与柴油发动机一起，或作为独立的推进器。在图2中所示的三种配置代表最常见的考虑在大型超级游艇上使用。
直接驱动的柴油发动机机械驱动器提供了标准技术（仍是最常见的），这是因为可得到的柴油发动机的尺寸有一个非常宽的范围。没有复杂的减速齿轮这些系统是简单可靠，但是必须妥协去接受有关于在低功率范围内的噪声性能和效率，特别在机动和游荡操作下柴油发动机的空转功率需要低于10%，这由螺旋桨叶片间距的调整来达到（甚至如果CPP安装了）。
另外纯电动推进系统的好处来自于电动机的转矩转速行为，其中全扭矩可在几乎整个速度范围内达到。在图2中所示的描绘的设计是一个高速电机组合成一减速齿轮的传动轴线，这种布置的好处的更多细节在图6中给出。由电动马达运转的噪音和振动特性的性质都非常好，而且可以通过专门设计的弹性支承有待进一步提高。今天可用的电动马达包括先进的机械性能和绝缘材料具有耐高温，低维护成本的同时提供良好的可靠性。
混合动力系统的本质是柴油电力和柴油机械系统两者的好处的结合。这导致混合系统具有能力运行为在低速作为一个唯一的电力推进系统或在较高速度下作为柴油机械。巡航速度的电动马达可以操作作为轴发生器（作为PTO系统即），在不运行任何发电机的情况下，这是可能进行操作的。在这种模式下，可以通过调整组合子曲线使发动机工作在在它们的最优化工作效率下去适应发动机的性能。为了提供最大可能的最高速度给游艇，电动马达可与主发动机（即作为PTI系统）一起操作。这或者允许额外的最高速度或许使主引擎小型化。EPM/主发动机功率的比率将变化在10-50％，同时操作的各种模式的可利用转速范围将取决于酒店载荷和发电装机容量。所有这些因素都需要仔细考虑在游艇构思混合动力系统的结构时可能的操作概况。
图3显示了一个典型游艇的功率要求。比较在100％的MCR的分时对最高速度的要求是有益的，而且可以看出，100％MCR用得很少。原动机，如柴油发动机或电动马达，需要通过的整个范围内良好的效率去覆盖速度。这可能是难以实现单个原动机的原因。
如在图4所示的例子中混合CODELAD系统操作，使得电动马达将包括速度高达8节，这点真实地假定为柴油发动机的空转电力。在8-15 KTS速度下，主引擎将与在PTO模式的电动机一起使用。上述15kts电机也将作为一个额外的驱动程序在最高速度节下提供一个在整个速度范围内的高效率。
与混合动力采用的减速齿轮通常相当简单根据荷兰海军荷兰类OPV的类型，如图5。这主要包括与柴油发动机转矩传递相关的主齿轮组，和电机侧的附加小齿轮级。两个输入都配备了多碟离合器和套筒型轴轴承。通常的推进器推力轴承在内部设置为输出轴。用双螺旋齿轮和刚性基础的噪声是在商业水平可接受的限度内，同时这个噪声可以通过使用粘弹性支座被进一步降低去满足游艇的要求。
4 .先进的电驱动模块（RENK AED）
柴油电力推进的一个特殊优点是打包推进以适合特定安排和实现低噪音和振动的能力。在游艇应用中，这个优点通常被在轴高速旋转下的直接驱动电动机的尺寸和重量所损害。为了克服这些缺点，以及用于低噪声操作中，一个驱动模块最近被RANK开发的，该驱动模块的原理在图6中被给出。
它具有一台高速电动机位于木筏上并带有减速器齿轮，整个筏模块靠住一个专门校准柔软的弹性支持系统连接在船舶基础上。这个所谓的高级电气传动（RENK AED）被连接至轴线通过内部安排精密的联轴器实现更大的位移，与此同时，模块和轴线之间得到极端的噪声抑制。除了安装在木筏上的减速齿轮是非常好地对噪声进行了优化，在采用了直接驱动马达后获得了40％的重量节省。
5.大型游艇推进系统需要
大型现代化超级游艇推进系统的特殊需要相对于其他船舶来说是独一无二的。
最大容积的豪华客房的交付是更加多数游艇设计的关键驱动因素。除了传统的豪宅区，大型连接的分隔舱，海滩俱乐部，折叠门，直升机平台也将被需要。船员和员工人数很可能是考虑来宾人数来决定，同时他们的住所一般会被设计为一个高标准的房间，同时允许有超出法定最低要求的足够空间。
所有这些方面在概念化、设计和工程进程的过程中在空间和体积上产生问题。造型上尖端的现代游艇的影响往往会驱使一个小型匀称上层建筑，这样的上层建筑进一步地提高了利用可用船体体积的重要性。
很显然，为了交付最有可能的游艇，其技术空间必须最小化从而去提供旅客和机组人员体积与技术空间体积的最佳比例。不只是单独减少技术空间可以提供好处，实现游艇上技术空间更加灵活的分配也取得了显著的好处。通过采取尝试对游艇上的技术空间“黄金地段”进行重新分配的方法能够释放游艇周围的空间，这些空间提供的功能直接有益于来宾/游艇拥有者。
应当注意的是，最小化或重新分配技术空间不能以使的船只无法使用为代价来实现。这个考虑在实现技术空间和豪华区域之间的正确平衡从而实现“最有可能”的游艇时起重要作用。
文中引用的“黄金地段”可以被定义为超过船侧水线从而可以提供任一窗口或外壳门的船内空间。改变这些区域的相当小体积的使用目的，可以提供一种戏剧性益处对于游艇的一般布置。
技术空间的类型典型地“侵入”到这些地区是：
空调的房间。
机舱通风和排气套管。
上层机舱。
暖通空调房间的大小和分布是超出了本文范围的独立主题。
通风和排气机室的大小通过利用直接在机房内的源头冷却的方法可以得到有效的减小。然而这可以被进一步的减小通过最小化尺寸和原动机的数量同时仔细考虑排气系统的类型和布置。
在典型的游艇布置上，上部机房占下层甲板体积约25％。这个空间还包括一个的水线以上的显著船舷。这两个区域的减小在考虑一个相投和的推进安排后可以提供显著收益给黄金可用的豪华居住区。
另一个关键需求是游艇上整个住宿区的低噪声和低振动的要求，这需要仔细考虑和设计从螺旋桨，主要推动者和进入船体结构与出轴的细节整个推进线路。
一艘游艇通常规定有高机动性的特点，而且通常希望能在在狭小的码头自主运行并有良好的抓地性能的锚。越来越大的游艇也将被预期有名义动力定位（DP）的能力以致于在区域中执行位置保持用传统锚固定不可能或该系统可用于维持特定的朝向同时使用锚。这种机动性一般是通过隧道型艏侧推和船尾推进器来提供。
所需的推进器的大小和类型取决于推进系统的选择和特定的DP能力将会有很多变化。然而在一个典型的使用固定螺距螺旋桨直接机械驱动游艇上，推进器的大小将对总发电量的大小起主导作用是很有可能的。因此很有可能一艘游艇将具有3或4台发电机组以满足峰值机动载荷条件，同时只需1或2台发电机组去满足正常操作条件需要。
虽然对于游艇的一个典型工作曲线的定义是非常主观的，但是很显然，显著时间是在港口和停泊中度过。因此，任何推进系统中最重要的一个方面应该是，游艇不动的时候与高效的酒店负载生成相结合并有效地运转的能力。这是相关的当发电机的大小是为了设有电力推进的船舶时，因为为推进优化设计系统有可能，当游艇在港口或长时间依赖一个特定的发电机而这样可能导致在很短的检修时期情况下，这也将使发电机在非常低的发动机负荷下运转。
6.操作概况
相比于许多已经提到的海洋应用，游艇的运行概况将显著变化取决于业主的喜好，并在一定程度上取决于船员的背景和经验。这种变化在操作条件下，当加上典型游艇拥有者的隐私，使得综合数据记录仪的工作概况的收集变得非常困难。
为了研究本文提出的推进系统的相对优点，一个典型的基于广泛假设的操作概况已经生成。概况的开发是基于从船员、设备制造商、业主代表那里收集的轶事证据和开源材料，并在图7中示出。
这个概况设想常年运行在一个典型的游艇环境中，同时在夏季和冬季目的地之间过境也即地中海和加勒比海。客人入住被认为是客人相对频繁的使用率，其反映舒适的巡航和延长停在锚地/港口。这个概况表明的是33％的推进使用率和67％的使用率停靠在港口或锚上。
在概况中认为利用全速推进将是一个相对不频繁发生情况。正常的新游艇规范将只依靠一个单一数字最高航速和巡航速度来交付，这是一个很有趣的考虑。这样就驱使推进系统设计中原动机的选择去匹配实现唯一的最高速度而不是考虑在整个工作概况中的优化。
7.基础船舶
为了去分析各种推进系统的好处，一个基础船舶如图8被使用了。这个基础船舶是一艘110米长，小总吨的游艇，其由Oceanco和BMT奈杰尔·吉（造型设计由麦弗逊游艇）开发。
该设计采用了一个相对较窄横梁与适中的上层建筑相结合去提供一个约为3300吨的总吨位。由于高效的船体设计，整体供电量约为4兆瓦可提供19kts的最高速度。
通过基础船舶的发展，直接驱动，柴油电动和混合动力驱动推进系统已经被开发出来。
如在先前的图3中所看到的，分配不同的推进模式给每个速度范围，然后分析对应的特定燃料消耗率（SFC）值和原动机的效率。这随后允许年燃料使用率的估计取决于推进结构。
8.操作概况的燃油消耗率的分析
对于大多数大型游艇（包括基础游艇），主发动机和发电机组两者都是由适合自己的紧凑尺寸，良好的噪音，振动特性好选出的高速柴油机。一般，高速柴油机的燃料消耗率（SFC）将按照图9中所示的特性。也就是说当载荷高于其MCR的60-75％时，发动机将更加有效地工作。SFC和负载之间的确切关系将取决于一系列因素，包括特定的发动机制造商和模式，在发动机转速/功率曲线上所给出的的操作位置和顺序涡轮交换区。在柴油 - 机械结构的情况下，在游艇低速度运行时需要发动机在低负荷条件下运行，而这反过来将导致高燃料消耗率。
柴油机-电动系统将能够把发电机组发到网上，以匹配所需要的推进力的大小，并确保发电机在高负荷条件下运行。此外，此发动机的操作可以被优化为了恒定的速度，从而使燃料消耗率得到改善。一般来说，这将导致柴油电动装置产生一个跨越整个船舶速度范围内的稳定的低燃料消耗。lt;
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