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1、休闲渔船环保型动力休闲渔船环保型动力装置设计装置设计摘要1第一章前言11.1研究目的和意义11.2国内外研究现状1第二章燃料电池技术简介22.1燃料电池简介22.2燃料电池优越性22.3燃料电池在船舶应用的动向32.4燃料电池的发展前景4第三章电机与螺旋桨选型设计63.1电机选型63.2机桨匹配设计8第四章轴系设计104.1轴系的任务与设计要求104.2轴系的布置设计104.3尾轴密封设计104.4尾轴的计算114.5联轴器选型设计13第五章结论与建议1415第一章前言1.1研究目的和意义“绿色”的概念是20世纪90年代中期出现的。其核心内容是保护人体健康和人类赖以生存 的环境，促进经济可持续
2、发展。绿色船舶是综合考虑环境影响和资源效率。在保证船舶的技术性 能和经济性能的基础上，从设计到建造采用各种技术手段和方法，将船舶对环境的不良影响减少 到最低限度，使资源效率达到最高。国际海事组织制定的MARPOL附则W严格限制船舶气体排放，氮氧化物(NOx)、硫氧化物 (SOx)、有机悬浮化合物(VOC)和颗粒物质是主要控制对象。随后，欧盟和美国进一步加强了对船 舶排放的控制，主要针对海岸附近，包括内陆河流和港口的排放。预计，不久的将来，二氧化碳 (CO2 )也将作为限制船舶排放物质。这些要求超过了普通柴油机甚至包括燃气涡轮机的技术能 力。为满足规则所要求的排放要求，柴油机需要增加设备和技术，
3、例如清洗技术、催化反应器等。 但是某一项技术只是针对某一种污染物，若要同时降低多种不同的污染物，就要安装多种系统， 技术复杂，成本高。燃料电池排放污染很少甚至可以说几乎没有，作为减少局部和区域排放的方 法，引起广泛关注。新加坡是一个淡水资源紧缺的国家，其国内的日常生活用水大多取自湖泊，因此其国内的湖 泊禁止柴油机船捕鱼作业，以防止污染水域。本文旨在动力装置设计中突破环保与经济利益不能 兼得的矛盾，寻找实效、节能、环保的平衡点，将三者有机地结合在一起，设计出集技术性能、 经济性能和环保效应为一体的绿色船舶动力装置。1.2国内外研究现状燃料电池是一种近乎零排放的动力源，它不经历热机卡诺循环过程而直
4、接把燃料的化学能转 变成电能，再通过电机来驱动车辆或船舶，其能量转换效率相当高，所以燃料电池动力装置在环 保与节能两方面的优势均极其突出。上个世纪90年代中期以来，加拿大Ballard公司、德国Sidmens公司及HDW造船公司开始 研究燃料电池在船舶上的应用。1997年8月，德国Sidmens公司已将300kW、重8t的PEMFC 电池用于2003年服役的德国海军新型212级潜水艇上。1997年,意大利DeNore公司为ANSALDO 公司开发了功率为45kW、9个电堆的船用PEMFC动力装置。1999年8月27日英国防务系 统日刊报道，美国能源研究公司与巴赞钢铁公司进行合作，开发舰用碳酸基
5、燃料电池能源装置， 并已与美国海军签订了研制这种船用直接式燃料电池装置的合同。该系统可使直接式燃料电池装 置使用船用柴油作燃料，并确保装置具有高效率和长寿命。所研制的燃料电池系统采用内部重整 制氢技术，通用汽车公司已研制出用于燃料电池驱动装置的车载燃料重整器，该重整制氢技术对 船用燃料也同样适用，被认为是一种新型的水面舰船发电装置，具有广阔的军用和民用市场。第二章燃料电池技术简介2.1燃料电池简介燃料电池，是一种不经过燃烧，直接以电化学反应方式，将燃料的化学能转变为电能的发电 装置。其工作原理是，从外部不断输入氧化剂和还原剂，使电池连续工作，产物主要是能量、水 和CO2等无害气体。依其工作温度
6、，可分为低温、中温和高温等三种。依其使用电解质的不同， 可分为固体氧化物燃料电池(SOFC, Sc lid Oxide Fuel Cell)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)、再生氢氧燃料电池(RFC, Reversible Fuel Cell)、质子交换膜燃料电池 (PEMFC， Proton Exchange Membrane FuelCel1)、碱性燃料电池(AFC, Alkaline Fuel Cel1)和磷酸 型燃料电池(PAFC，Phosphoric Acid Fuel Cel1)等六类。质子交换膜燃料电池(PEMFC)在低温快
7、速启动、比功率能量转换效率等方面的优越性能使其 成为运载工具的首选电源，其应用技术在国民经济及国防建设中潜在着巨大的作用，是近几年来 研究最广泛、技术发展最为迅速的燃料电池。由于电解质采用高分子膜，具有构造简单、启动快、 常温工作的优势，最适宜为汽车等交通工具提供无污染的动力。加拿大Ballard公司在1994年研 制出可载75人的PEMFC型电动客车，连续行驶里程超过400公里。冰岛已经计划将所有的捕鱼 船改装上氢燃料电池发动机，作为环境保护计划的一部分。冰岛的计划就是，利用其廉价的地热 能资源和水电资源来生产氢气，然后为捕鱼船提供动力，以减少污染物的排放。固体电解质型燃料电池(SOFC )
8、被列为第三代燃料电池，它是使用高温下成为氧离子导体的陶 瓷(氧化锫系等)为电解质，因此不会出现电解质的蒸发和析出，也没有电解液引起的材料腐蚀和 电极析出等问题。SOFC用氧化钇稳定氧化锫(YSZ)那样的陶瓷给氧离子通电的电解质和由多孔质给电子通电 的燃料和空气极构成。空气中的氧在空气极/电解质界面被氧化，在空气燃料之间氧的分差作用 下，在电解质中向燃烧极侧移动，在燃料电解质界面和燃料中的氢或一氧化碳反应，生成水蒸汽 或二氧化碳，放出电子。电子通过外部回路，再次返回空气极，此时产生电能。2.2燃料电池优越性与传统内燃机相比，燃料电池优点很多。(1) 咼效率高效率是节能的保证。燃料电池不是通过燃料
9、燃烧发电，因此它的理论效率并不受卡诺循环 (热力学第二定律)的限制。燃料电池的转换效率(从燃料输入到电能输出)，一般可达到4O50%； 如果系统与发电热机同步联合使用，系统效率可达60-70%4。由于燃油耗费所占船舶运营成本 比例非常大，所以燃料电池用于船舶推进系统，将会大大降低燃料费用，从而大大降低船舶运营 成本。传统柴油机低负荷时工作效率很低，而燃料电池的效率，很大程度上取决于电池单元的特 性，与电池组的大小无关。所以，可以通过载荷分配(例如30100%的电力输出)，来保持燃料 电池系统的效率。这使得燃料电池适用于载荷经常变动的船舶，例如渡轮或海上供给船。(2) 低排放质子交换膜燃料电池(
10、PEMFC),在燃料提取器中去除了大部分有害成分，因此电池排放可忽 略不计。固体氧化物燃料电池(SOFC)，燃料经提取后，氮氧化物的排放比传统热机小得多，而且 CO：排放也比传统热能机器小。因此，这类燃料电池可用于拖轮、海运船舶、渡轮和海上供给 船等沿岸航行、频繁进出港口等对气体排放要求高的船舶。(3) 低噪音燃料电池本身没有运动部件，只有辅助部件或设备例如泵、风扇、增压机等发出声音。这样 燃料电池组甚至可置于乘客或船员舱室附近。这个特性对于噪音要求严格的船舶如勘探船和客船 相当重要。(4) 布置灵活，优化船舶电力布置，优化货舱空间布置和结构燃料电池以组件形式制造，为适应载荷要求，可随意改变燃
11、料电池组的大小。这使燃料电池 布置灵活，船舶电力布置和货舱空间及结构得以优化。(5) 多样化的燃料选择燃料电池可使用多种燃料，例如纯氢气、天然气、甲烷、石脑油、液态碳氢燃料、煤气等， 甚至生物油。燃料电池使用多种燃料的特点，可减少对于传统热机使用的昂贵燃油的依赖。低温 燃料电池(如PEMFC)需使用纯氢气，但提取困难；而高温燃料电池(如SOFC)对燃料要求不高， 可直接使用天然气，或除去H2S后的石油气(混合气)。(6) 操作和维修成本低燃料电池几乎没有运动部件，不需要滑油，操作方便，可无人控制，工作维护费用要比柴油 机少得多。此外，燃料电池作为推进动力源，必然采用电力推进，就必然兼具电力推进
12、的优势， 例如船舶操纵性能、船舶结构和空问布置等等。2.3燃料电池在船舶应用的动向世界第一艘燃料电池潜艇于2003年4月在德国基尔港下水，到2004年春服役后，它就是“世 界范围内最先进的常规动力潜艇”它采用混合动力系统，即燃料电池动力系统和柴一电动力系 统混合使用。该系统的燃料电池由9组PEMFC燃料电池构成，配有14吨液氧贮存柜和1.7吨气 态氢贮存柜。它的燃料电池尺寸小，无腐蚀，功率密度大，使用寿命长。每组燃料电池的输出功 率为34千瓦，9组总功率306千瓦。它的燃料电池动力系统相对向海水辐射的热能很少，因此它 的红外特征很小。由于它基本不向艇外排放废物，尾流特征也很小，能超安静运行，其
13、声信号特 征比柴一电推进装置低。传统的柴一电动力潜艇在水下潜航23天就会耗尽电池能量，必须浮 上水面给蓄电池充电，而燃料电池潜水艇可在水下自行充电，可在水下连续潜行3周。它的柴一 电动力系统中有MTU公司的一台16V396型废气增压高速柴油机，功率3.12兆瓦。系统中的蓄 电池组能满足潜艇高低速航行及全艇电网供电要求。日本研制的世界第一艘采用氢氧燃料电池动力的深海科学考察巡航器已经试航。过去几年里，国外各种燃料电池的研制和应用，汽车行业首当其冲，船舶制造业紧跟其后， 已研制出第三代PEMFC动力潜水艇，已形成了将综合电力推进系统应用于船舶的趋势。美国军 队研究燃料电池在船舶应用有很多年了：正在
14、观察使用燃料电池作为辅助动力装置和主要推进装置后备力量的战船的运作状况；早在2000年，就决定继续发展燃料电池能源公司进行的MC燃料电池用于海运；已经投资海运工业，对两种燃料电池船舶应用进行研究：熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和 质子交换膜燃料电池（PEMFC）5。德国、希腊、意大利和韩国的军队，纷纷将研究焦点聚集在燃料电池在潜艇的应用上。这些现象有多种解释，其中经济因素占主要部分。美国海军的爱德华机构提供的预算表明， 燃料电池因效率高、柴油燃料消耗低，每年要节约燃料40万美元。还有一个原因是，船用燃料 电池由很多分离的单元组成，在遭遇袭击的时候，每一个单元都能产生足够的电量。燃料电池有 望在
15、LNG（液化天然气）船上广泛应用，因为燃料电池可使用天然气作为燃料，而LNG（液化天然 气）船不需要另设燃料舱并具备储存加压天然气的所有必要条件。很多比较新的邮轮设计，推进和 电力供应都使用了燃料电池机组。有些业内人士认为，燃料电池在豪华邮轮上的应用，只是一个 时问问题。科学勘探船经常要去地球上环境比较脆弱的地区，为了减少船舶对生态的影响，使用 燃料电池技术将极有益处。瓦锡兰公司和HDW公司的市场调查也表明： 燃料电池系统适用于港口作业船舶，因为清洁的港口对环境保护和公众形象来说相当重 要； 渡轮也是一个相当合适的应用对象，因为渡轮能在甲板下面为燃料电池组提供足够的空 间； 那些对噪音和振动要
16、求比较高的船舶，例如邮轮和勘探船，也适合使用燃料电池。目前我国的燃料电池研发课题主要集中在电动汽车方面，当燃料电池普及到轿车时，燃料电 池船用化的时间也就到了。届时，船舶电源的的选择将发生两个变化：（1）替代铅酸蓄电池。尤其 是在高速船上，选用燃料电池用作主机的起动电源、应急电源及无线电的专用电源;（2 ）替代船舶 辅机。船舶电站将不再选用辅机带动发电机，船舶辅机舱将变得非常清洁而且很安静，这将是船 舶电站的一次实质性的变革。总之，经济性和对环境的影响是发展一项新技术的首要问题。燃料电池的环保性和高效率将 使燃料电池技术迅速发展。2.4燃料电池的发展前景燃料电池的潜在市场是巨大的，因为它能够提供清洁高效的能量。燃料电池技术的适用性和 灵活性（根据不
