輪機工程

輪機工程是指蒸汽機、汽輪機、柴油機和燃氣輪機，自 19 世紀初以來，幾千年來，它們越來越多地以風帆取代船舶所使用的風力推進系統。 船舶發動機的選擇標準是：

• 效率：xxx臺蒸汽機的效率不到 1%，幾乎無法與帆船競爭。
• 功率密度（千瓦/千克）：燃氣輪機重量輕且價格低廉，但由于效率較低，所以比柴油發動機消耗更多。
• 燃料成本：蒸汽輪機使用任何可以加熱水的東西，包括工業廢料
• 可用性：Flettner 轉子就像帆一樣，只有在有風時才能工作，在沒有風時就會失效。
• 范圍：核動力破冰船在季節期間不需要中斷航行來加油。

1819 年，薩凡納號從紐約橫渡大西洋到達利物浦，部分靠帆，部分靠發動機。 薩凡納號的這次航行證明了推進發動機對遠洋船舶的有用性——船舶的機器時代開始了，盡管 1900 年后仍在建造大型深水帆船。 槳輪最初用于驅動機器驅動的船只，但這并沒有在波濤洶涌的北大西洋證明自己。 從 1860 年開始，螺旋槳盛行。 輪機工程在其存在的短時間內引起了造船和航運的根本變化。 船舶的建造、速度和經濟性都受到它的影響。 雖然今天沒有機械的商業或海軍船只幾乎是不可想象的，但在東南亞的個別地區，你仍然可以找到沒有輪機工程的個別商業使用的帆船，并且正在繼續研究將帆作為船舶的輔助驅動裝置，正如 Harburg 目前的發展公司 SkySails 或 Enercon 展會。

將近 200 年之后，使用原動機推動船舶的最初想法才產生了可行的解決方案，并被用于推動遠洋船只薩凡納號。 接下來的 180 年主要用于改進機器的操作安全性、經濟性和操作性。 在最初的 100 年直到 1910 年左右，許多不同類型和形式的活塞式蒸汽機幾乎完全統治了該領域。 xxx臺帶有擺動汽缸的機器被制造出來，后來是帶有單一蒸汽膨脹的十字頭機器，然后是多重蒸汽膨脹機（三重或四重膨脹機）。

在德國人建造的xxx艘汽船 Die Weser 上，該工廠的輸出功率為 14 馬力，單位煤耗約為 8.5 千克/馬力，對應的熱效率約為 1%，功率重量比約為1000 公斤/馬力。 在 1900 年至 1910 年期間——即xxx臺船用蒸汽機制造后大約 100 年——活塞式蒸汽機作為遠洋船舶的推進發動機達到了頂峰。

大型快艇的發動機輸出功率約為 2 × 20,000 馬力。 這些機器的煤耗僅為 0.75 千克/WPSh，對應的熱效率為 13%。每臺手表將 50 臺加煤機和微調機拉入鍋爐房。 每個司爐每班燃燒近 30 英擔煤。 修整工把煤運進來，并負責清除爐渣。 這可能是活塞式蒸汽機的巔峰時期，但直到 1950 年代，蒸汽機海船的推進系統仍在建造中。

鍋爐開發最初進展非常緩慢。 最初常見的箱式鍋爐僅允許高達 2 巴的蒸汽壓力。 更高的蒸汽壓力只能用于橢圓形和后來的圓柱形鍋爐的開發。 說到圓筒鍋爐，簡單而堅固的蘇格蘭鍋爐非常受歡迎，幾十年來一直被稱為“船用鍋爐”。 鍋爐最初只用煤加熱，1897 年在俄羅斯海軍艦艇上首次使用燃油。 燃料的使用不僅基于經濟和技術方面。 國家自給自足也發揮了作用，盡管煤炭通常更便宜，但司爐通常不夠。

具有顯著更高蒸汽壓力和溫度的敏感水管鍋爐雖然在各種場合被安裝在船上，尤其是海軍艦艇上，但最初并不能自給自足。 這類鍋爐的突破主要來自燃油燃燒和汽輪機的安裝。 一個特別的Benson 鍋爐在船舶鍋爐建造方面的要求和有趣的發展是最先在 HAPAG 的 Uckermark 上使用的，其驅動功率為 6000 馬力。 鍋爐內的壓力超過 225 巴，渦輪機前的壓力為 70 巴，溫度為 460 °C，這就是所謂的超高壓鍋爐，其效率比同類船用鍋爐高 17%。

在商船運輸中，尤其是在使用快速輪船和海軍艦艇的跨大西洋航行中，需要更高的船速。 對于船舶，功率需求隨速度的 3 次方增加。 帶有活塞式蒸汽機的高速蒸汽機的驅動力在世紀之交達到了技術極限，因為只有安裝多個蒸汽活塞式發動機才能實現更高的性能。 單個輸出功率為 15,000-17,000 馬力，安裝了兩臺或四臺蒸汽機，鍋爐、機器和煤炭需要大量空間和重量。 這些巨型機器的震動很難控制； 1900 年贏得藍絲帶獎的快船德國號被國際旅行界稱為“雞尾酒調酒器”。 對在小空間內實現更高性能和減輕重量的需求導致了蒸汽輪機的開發和使用。 汽輪機是渦輪機； 在渦輪機中，蒸汽流過葉輪并以類似于水輪機的方式驅動它 - 與活塞發動機相反，在活塞發動機中，活塞表面上的蒸汽壓力產生一種力，該力通過振蕩轉換為旋轉機械能，通過連桿和曲柄銷引起活塞運動和發動機振動。 1883 年，de Laval 建造了xxx臺運行中的汽輪機。 僅僅一年后，Parson 展示了一種設計不同的汽輪機。

渦輪機需要高圓周速度，即高速，以便可以實現良好的效率水平。 然而，對于螺旋槳驅動，尋求低速以實現高水平的效率。 在世紀之交，還沒有高效的減速器，因此這里需要做出妥協。 xxx個渦輪機系統沒有齒輪設計。 建于 1912 年（火神工廠，漢堡）的漢堡-美國航線的特快蒸汽輪 Imperator 配備了四個渦輪機，每個渦輪機都直接連接到螺旋槳軸。 在 175 rpm 的速度下，總功率為 60,000 WPS。 需要 46 臺設計用于 17 巴鍋爐壓力的水管鍋爐來產生蒸汽。 由于渦輪機僅適用于一個旋轉方向，因此需要另一個渦輪機，即反向渦輪機來進行反向行駛。 由于后退推進系統僅在港口短時間運行，因此后退渦輪機是簡單、低效的渦輪機（主要是兩級柯蒂斯輪），只能產生大約 40% 的前進功率。

因為一開始沒有變速箱，所以還造了渦輪電驅動，可以電動倒車倒車。 另一種可能性是安裝 F?ttinger 變壓器。 只有強大的船用齒輪和高壓鍋爐的發展才導致渦輪驅動的突破。 這些系統的設計具有極高的性能，它們的功率重量比低于蒸汽機或相應數量的柴油機，并且需要的空間更小。 在第二次世界大戰之前，它們是大型、快速的貨船和客船的理想推進系統，從 1950 年開始還用于大型油輪和超級油輪，從 1967 年開始用于大型、快速的集裝箱船。

渦輪系統雖然不能達到柴油機的高效率，但非常可靠，維護間隔長，維修成本低。 較高的燃料消耗并不重要，因為鍋爐的燃料是非常便宜的重質燃料油。 隨著 1973 年的石油危機，重質船用油的價格在短時間內大幅上漲，系統變得不經濟。 為了節省燃料成本而降低功率行駛在渦輪系統中意義不大，因為渦輪系統的效率會隨著功率降低而急劇下降。 柴油發動機提供了一種替代方案；與此同時，它的性能得到了顯著提高，并且通過附加技術設備，它還能夠燃燒廉價的重質燃料油。