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轮机室发动机

轮船指用机械发动机推动的只,多用钢铁制造。旧时轮船是以蒸汽推动外部明轮轮桨的蒸汽船,现代轮船多用涡轮发动机,而内燃机和核动力也成为轮船新的动力来源。。

2016年为止,全世界的商船超过49,000艘,其载重吨位将近18亿吨,其中有28%是油轮、43%是散货船、13%是货柜船[1]。海军也会利用大型船只进行海战或是运输和支援陆上的部队英语sealift。2016年为止,在全世界104个海军当中,北朝鲜朝鲜人民军海军有最多水面船只(967)、接着是中华人民共和国中国人民解放军海军(714)、美国海军(415)、伊朗海军(398)及俄罗斯海军(352)。前五十大的海军平均军舰数量为88艘[2]

历史

轮船一般有狭义和广义两种用法,轮船的推进有两种方式,一种是原始的以人力踩踏木轮推进,一种是以螺旋浆推进。狭义的轮船是指用汽轮机推进的船只,即蒸汽船。1807年,美国人罗伯特·富尔顿建造了世界上第一艘蒸汽机动力的轮船。在这里,轮成为以连续运动代替间歇运动的机械。[3]

近代轮船发展史上,第一艘成功的有蒸汽机动力的蒸汽船于1776年在法国下水。1807年,美国发明家和工程师罗伯特·富尔顿是第一个成功的将蒸汽轮船投入商业使用的人。1865年,中国第一艘蒸汽轮船黄鹄号投入使用[4]

种类

因为船是依照相同的航行结构原理所设计的,其分类会依其功能来分类(这也是Paulet和Presles建议的分类法)[5]。以下是一些船只设计师大致认同的分类[来源请求]

有驱动动力的拖网渔船英语fishing trawler围网渔船英语Seine fishing延绳渔船拖钓船英语Trolling (fishing)工厂船
电缆船英语Cable layer
拖船挖泥船英语dredger打捞船、引水船英语Pilot boat
浮动旱坞、起重机船载驳船英语Lighter aboard ship
  • 干货船:流动货轮、散货船、货物运输船、集装箱船、驳船,Ro-Ro船、冷藏货船,木材运输船,畜牧和轻型车辆船
  • 液货船:油船、液化气货船、化学物质货船。
  • 客船
定期船、邮轮和特殊贸易客船(STP ships)
海峡渡轮、沿海渡轮和海港渡轮

结构

在任何大小及用途的船只中,都有一些类似的元素。船都会有船体,也都会有推进系统,早期轮船的推进系统是蒸汽机,现代轮船多用涡轮发动机,有些也用内燃机或是核反应堆。大部分的船只也都有驾驶系统。轮船也会有隔间,货舱,上层建筑,以及锚和绞车之类的设备,不过不一定每艘船都有。

船体

船体需要承受海上恶劣的环境,图中的是在恶劣天气下的冷藏船英语reefer ship

船要浮在水中,其重量需要比船体等体积的水要轻[6]。船只可能只有一个船体(单体船,monohull),也有可能有二个船体(双体船、catamaran)甚至三个船体(三体船英语trimaran、trimaran)。超过三个船体的船很少见,不过有实验曾经用到五个船体。多船体的船,各船体一般会彼此平行,而且会用刚性臂连接。

船体可分为许多部分,船首是船体最前面的部分,许多船会有球状船首龙骨是船体的最下方,从船的最前面延伸到最后面。船体的最后面称为船尾,许多船后方有平坦的区域,称为方艉英语transom (nautical)。常见的船体附件有推进用的螺旋桨,控制方向的,避免船只横摇的稳定器英语Stabilizer (ship)。其他船体的特点和船只用途有关,例如渔具及声纳

船体会考虑许多流体静力学流体动力学的要求,最重要的流体静力学要求是可以支撑整艘船的重量,在载重不均匀分布时也可以维持稳定。流体动力学的限制包括可以承受波浪的震动、气候的影响以及搁浅的影响等。

较早期的船(或是游乐船)可能会用木制的船体。现今的船多半使用钢为船体材料,快速船只可能会使用铝,帆船及游乐船常用复合材料,有些船是混凝土船英语Concrete ship,以混凝土为船体材料。

推进系统

轮船的引擎室

船的推进系统英语propulsion systems可以分为三类:人力、航行或是机械推进。轮船一般是指机械推进的船只。

机械推进系统一般会包括马达或是引擎等动力源,动力源会带动螺旋桨,也有些会带动叶轮波浪推进鳍英语Wave power ship。最早期的动力源是蒸汽机,后来就改用两冲程循环四冲程循环的柴油引擎、舷外马达,较快的船会使用燃气涡轮发动机军舰破冰船会使用核反应器英语Nuclear marine propulsion,目前也尝试用在商船上,例如NS Savannah英语NS Savannah

最传统的螺旋桨有固定螺距和可控螺距螺旋桨,后来也有一些变化,例如反向旋转和喷嘴式推进器。大部分的船只只有一个推进器,不过有些大型船只会到四个推进器,加上横向推进器英语bow thruster,以便在港内航行。推进器是透过推进轴和主引擎连接,若是中速或是高速的引擎,会加上减速箱。有些现代的轮船有柴电动力系统,船上有发电机产生电力,再用电力带动马达及推进器。

转向系统

渡轮的舵和螺旋桨

若船舶的两侧都有推进系统,例如一些外轮船[7],就不需要转向系统。不过大部分用单一推进器驱动的船,就需要有转向系统。最常见的转向系统是,是在船尾水下的平面。在船要转向时,会转动舵,以产生侧向力。舵可以透过舵操纵杆英语tiller、手轮或是电子油压系统来驱动。自动驾驶系统会结合机械的舵以及导航系统。有时会用导管螺旋桨英语Ducted propeller来转向。

有些推进系统本身都有可转向的特性,例如舷外马达英语outboard motor船首推进器英语bow thruster以及Z-Drive船英语Z-drive

货舱、舱室及上层建筑

大型船只会有多个甲板和舱室。渔船和货船通常具有一个至多个货舱。大型的轮船会有轮机室、厨房英语galley (kitchen)及许多的工程舱。船上会有储存油料、机油及淡水的油槽及水槽。压载舱可以调整船的俯仰,并且调整其稳定性。

上层建筑(船艛建筑)是在甲板上方的结构。在现代的货船上,上层建筑一般是在船的后方。在客船和军舰上,上层建筑会延伸到船的前面。

设备

船舶上的设备会受到许多因素的影响,例如时代、设计、航行区域以及用途。以下是一些常用到的设备:

  • 桅杆可以安放天线、导航灯、雷达应答器、雾信号灯,以及法规上要求的类似设备。
  • 锚具英语Ground tackle设备包括锚泊绞车、锚机以及锚。船在浅水中系泊英语mooring (watercraft)时会用到锚,一般会用绳索或是链条和船连接。较大型的船只会用锚链筒英语hawsepipe来操作链条。
  • 货物设备包括有起重机吊臂,可以用来装货以及卸货。
  • 安全设备包括有救生艇、救生筏(Life raft)及救生衣,是在紧急情形时使用。

设计考量

流体静力学

船浮在水面的水位,会使船舶排开的水重量等于船舶的重量,因此船舶的重量会等于水的浮力。当船吃水的深度变深时,船的重量不变,但其船体排开的水会因此变多,因此浮力会增加。若船的载重平均分配,船的浮力也会沿着船长及船宽英语Beam (nautical)均匀分布。船舶的稳定性会考虑其水力静力英语Initial stability,以及在移动、横摇及浮仰时,以及受到风和浪影响时的船稳定性英语Ship stability。船若有稳定性问题,可能会造成异常的横摇及浮仰,甚至会造成倾覆和下沉[来源请求]

流体动力学

德国战列舰Schlesien的鸟瞰图,其中有39°的开尔文船波,是船舶通过水中的特征
船舶沿着三个轴的运动: 1. 升沈,2. 摇摆,3. 纵移,4. 回转, 5. 俯仰,6. 侧摇

船在水中的前进会受到水阻力的影响。阻力会分为几个成分,主要的是水在船体的阻力以及造波抵抗力英语wave making resistance。为了降低阻力,提升船的速度,需要减少船的浸水面积,使用可以产生较小振幅波浪的浸没式船体。因此,高速的船往往会有较斜的船身,其船舶附体也会较少及较小。若定期维护船体或用生物附着涂料,去除船体上附着的海洋生物及藻类,也可以减少水的阻力。球状船首等先进设计也可以减少波浪阻力。

有个观察造波阻力的简单方式,是看船体和开尔文船波之间的关系,若船的速度比浪的传播速度慢,浪会快速的在船边消散。若船头产生浪的速度比消散的速度要快,其振幅会增加。因为水无法以够快的速度离开船体,船体需要越过或穿过船首波浪,因此随着速度的上升,其阻力会依指数函数上升。

船体速度英语hull speed的公式如下:

若考虑米制单位,速度如下:

其中L为在水中的长度,单位是英尺或米,而船体速度的单位是(每小时1海里)。

若船的速度超过船体速度的0.94倍,船会越过大部分的bow wave英语bow wave,船体只被二个浪的浪尖所支持,在水中会略为沈降。若船的速度超过船体速度的1.34倍,浪的波长其实比船身还长,并且船尾不再受到尾流的支撑,因此船尾会往上,船头会上升,船体会越过船本身产生的船首波,阻力会开始快速上升。有可能以超过船体速度1.34倍的的速度来驱动排水型船只,但其成本可能会过高。大部分的船只都会在船体速度以下的速度行进。

若是有足够资金的大型项目,可以用船体测试池来测试船体阻力,或是透过计算流体力学的工具来计算。

船也会受到波涛涌浪的影响,也会受到天气的影响。这些造成的船只运动会影‵响船上的设备及乘客,最好可以加以控制。侧摇的运动可以透过压载舱或是稳定器英语Stabilizer (ship)来控制。俯仰很难控制,而且若是船首浸入海浪中(称为拍底,Pounding),会格外的危险。有时为了使剧烈的侧摇或俯仰可以停止,船只需要改变速度或是航向。

透过21世纪的科学研究证实[8][9],若考虑分叉点记忆英语bifurcation memory的影响,有时船舶的稳定性会快速下降。有影响的有有机动能力强的船舶,飞机和受控水下航行器,这些在特定应用下的稳态时会设计为不稳定。在设计船只以及在临界条件控制时,需要列入考虑。

参考资料

  1. ^ Hoffmann, Jan; Asariotis, Regina; Benamara, Hassiba; Premti, Anila; Valentine, Vincent; Yousse, Frida, Review of Maritime Transport 2016 (PDF), United Nations: 104, 2016 [2017-09-15], ISBN 978-92-1-112904-5, ISSN 0566-7682, (原始内容 (PDF)存档于2019-02-09)
  2. ^ Editors. Total Navy Ship Strength by Country. globalfirepower.com. 2016 [2017-02-26]. (原始内容存档于2018-01-25).
  3. ^ De Rebus Bellicis (anon.), chapter XVII, text edited by Robert Ireland, in: BAR International Series 63, part 2, p. 34
  4. ^ 无锡人设计了“亚洲第一巨舰”定远号.
  5. ^ Paulet, Dominique; Presles, Dominique. Architecture navale, connaissance et pratique. Paris: Éditions de la Villette. 1999. ISBN 2-903539-46-4 (法语).
  6. ^ Boats – Why do they float?. Environmental Involvement for Young People. [15 November 2012].
  7. ^ 几乎所有单引擎的外轮船,外轮没有加上离合器,是永久性的耦合,因此无法用来转向。只有一些有分离引擎的船才可以转向。不过英国皇家海军为了要有较好的操控性,自1970年代起开始使用带桨的柴油电动港口拖船
  8. ^ Feigin, M I. Проявление эффектов бифуркационной памяти в поведении динамической системы [Manifestation of the bifurcation memory effect in behaviour of dynamic system]. Soros Educational Journal (journal). 2001, 7 (3): 121–27. (原始内容存档于November 30, 2007) (俄语).
  9. ^ Feigin, M; Kagan, M. Emergencies as a manifestation of effect of bifurcation memory in controlled unstable systems. International Journal of Bifurcation and Chaos (journal). 2004, 14 (7): 2439–47. ISSN 0218-1274. doi:10.1142/S0218127404010746.
  • 现代汉语实用词典编委会. 現代漢語實用詞典. 南方出版社. 1996. ISBN 7-80609-126-2.
  • 现代汉语词典审定委员会. 現代漢語詞典(第5版). 商务印书馆. 2005. ISBN 7-100-04385-9.

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