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2混合动力推进系统的概念
常规的柴油机推进装置通常具有总的安装功率来满足最高功率要求的操作模式。 这适用于常规长时间运输的货船。
当船舶进入需要明显减少推进动力的模式时，柴油发动机必须在低负荷下运行。柴油机在大约85%的负载下以最低比燃料消耗运行。总的来说，混合动力推进系统在部分负载下提供动力。柴油机更好的性能可以抵消由于部件数量的增加引起的额外损失
在一定负荷（约50％）以下，由于不完全燃烧而引起的积碳也成了问题。 这导致环境问题和发动机的可维护性
混合动力推进装置将柴油机械系统的特征与柴油发电厂的特征相结合。 在其最基本的形式中，配置包括连接到齿轮箱的柴油发动机，该齿轮箱驱动螺旋桨。 连接到齿轮箱的还有电机（EM），有发电和电动两种模式。 这提供了功率输出（PTO）模式或功率输入（PTI）模式的可能性。
使用柴油机或电动机（或者两者都用）组成的推进系统就是混合动力推进系统
简单来说，混合动力推进系统具有减轻环境污染和减少成本的潜力，对船舶来说有大的吸引力。
2.1 操作模式：
发电机和电动机两种模式给了我们混合动力系统几种可能的操作模式。
2.11动力输出：
在正常的动力输出模式下，主发动机通过齿轮箱驱动螺旋桨。发电机连接在齿轮箱上，为船舶辅机提供电力，见图2.1在这种操作下，主机是唯一的原动机，其运行效率高。
在主发动机在使用HFO（船用重油）的情况下，用于发电的燃料成本将通常低于使用MDO（船用柴油）或MGO（船用轻柴油）的辅助发动机。 因为主机在运行，所以当船舶以巡航速度运输时，应使用该模式。
图2.1：PTO模式中的能量流
2.12提高功率输入：
在增加功率模式下，电机处于PTI（电动机模式）模式，并通过齿轮箱将额外的功率输送到螺旋桨。 它驱动螺旋桨与柴油发动机并行，因此额外的功率传递到螺旋桨。 该功率由柴油发电机以电力的形式提供，参见图2.2。其优点以电的形式的功率可以容易地通过电缆在整个船舶上传输。 一些船只需要在总航行路程中的一部分使用大功率。 与其安装更大的发动机，不如用PTI模式，可以提供额外的功率。 这需要更多或更大的辅机。
图2.2：PTI模式中的能量流
2.13降低功率输入/功率回收
当主机不运行时，离合器可以将其与齿轮箱断开。推进动力仍然可以由电动机提供，其使用由柴油发电机（图2.3）传递的电力。这可以有两个应用模式。一种是常以低速航行的船舶。在低负荷下，柴油发动机效率变差，结垢开始成为问题。PTI电机靠大量柴油发电机提供的电力运行。总的来说，柴油发电机能产生更多的电力。所以，相比于传统的柴油机械装置，PTI模式需要更大或更多的辅机。
另一个应用模式是备用的推进装置，当主发动机因任何原因失效时，船舶仍然能够使用电动机以较慢的速度航行。 船级社已制定关于最低速度，距离和可用功率的规定
国际海事组织颁布了新的“国际海上人命安全公约”条例，于2009年生效，涉及客船上的安全。对于确定的上伤亡情况，设定了安全疏散乘客的要求。其中之一是一个备用的推进系统或功率回收功能。这确保了在一场大火损毁后，船舶能以一定速度返回港口。目前对速度，距离或可用功率没有要求。也没有明确要求船舶能在大浪的情况下能够返回港口。该规则适用于2010年7月1日后建造的客船，长度超过120米或有三个或更多垂直防火区。
图2.3：PTH中的能量流
这三种操作模式之间的任何组合都是可能的。当然，所有这些构造在两个或甚至更多轴上应用也是可能的。双轴混合配置可以具有额外的操作模式。无论任何原因，左舷的主机坏了，右舷的主机依然能驱动右舷螺旋桨和带动PTO模式。该电力然后可被传递到左侧电动机以驱动螺旋桨。在两侧之间的这种所谓的交叉连接或电轴具有重要的优点，即不需要使用辅助发动机，仍然可以驱动两侧以保持机动性。
电动机也可以直接联接到传动轴上。 这意味着电机必须以与螺旋桨相同的相对低的速度运行。 为了保持相同的功率输出，由电动机产生的扭矩必须高得多。因为电动机的扭矩与电流相关，所以电流将增加。 为了承受这些较高的电流，与高速/低转矩电动机相比，电动机需要更多的极数，因此需要更大的结构。 这种电动机的成本也将更高，因为电机的购买成本在很大程度上取决于绕组中使用的铜的量。对于四冲程柴油机来说，一般不使用螺旋桨轴上的电动机
2.2 有益的潜力
事实上，当船舶出现一下的一种情况时，混合动力推进概念则引人注目：
bull;所需的电力和推进动力发生巨大变化时，通常需要大量低推进功率
bull;推进和电负载的最大功率不会同时发生变化
bull;最大电功率是由辅机决定的，一个完整的柴油电力系统将是一个可行的解决方案。
2.21 示例船类型
本段中给出了可适用上述特征的船舶类型的一些例子。
客船：
轮船或RoPax（上下滚动和乘客之间的组合）船舶在固定的时间表上运行有时需要功率提升以便及时到达港口。这些船舶通常需要备用推进或PTH功能，也可以满足“安全返回港口”法规。在这些船上可以安装具有所有操作模式的配置
游轮通常在晚上航行，在白天放在港口。随着与港口之间的距离变化，所要求的船速也变化。 PTI功能可以提供准时达到港口所需的额外速度。 PTO可能提供相对较高的办公负载。然而，由于他们的尺寸较大，通常有一个完整的柴油发电厂，省略了PTO的需要。
海洋工程船：
具有许多变化负载的船只，用于推进和提供电力，受益于混合系统的灵活性。例如锚定 处理拖船支撑船（AHTS）具有许多不同的操作模式。在运输过程中，这些船只可以使用PTO功能。在良好的天气下，动态定位（DP）所需的推进功率低，因此PTI可以用作单个推进马达。在恶劣的天气，柴油发动机可以启动更多的动力。此外，有时船舶需要在拖曳时增加其系柱拉力。这种情况可能不会经常发生，但所需的电源应该可用。代替安装较大的发动机，PTI助力器可以提供额外的扭矩。如果这样的船舶将在结冰条件下操作，则PTI马达可以提供用于推进的额外扭矩。由于DP要求和将推进马达安装在甲板上的方便，这些船通常具有全柴油电力推进系统。
化学品船：
常规的货船通常配备有带轴电机的PTO。 从定义来看，这不是一个真正的混合动力概念。 含有危险货物的化学品船，或不能停留在液货舱内太长时间的货物，可在主推
进失效的情况下配备PTH功能。
海军船只
海上巡逻船（OPV）通常以低巡逻速度航行。在这种情况下，可以通过电动机提供动力。当船舶需要响应呼叫时，需要高速操作。在这种情况下，主发动机可以用电动机作为增压器提供推进动力。
护卫舰可能有更多波动的电力需求，并以更长的时间以稳定的巡航速度航行。这些船只可能受益于PTO以及PTI增强和PTI慢航行。
当然，许多其他船舶类型可以受益于混合动力推进概念，只要它们的操作简档对于所有操作模式具有高效率的灵活系统。
2.2.2排放：
虽然与其他原动机相比，柴油发动机是最有效的，但使用重质燃料油对废气排放具有更大的影响。近年来，全球关于废气排放的法规变得更加严格。这不仅需要对柴油机作为单一部件更加仔细的审核，而且还要考虑整个发电厂的设计。混合动力推进可以积极的方式影响排放。
在内燃机的燃烧期间，烃燃料中的碳与氧反应以形成二氧化碳（）。它不是直接对生命造成伤害，但它是最常见的温室气体。它被认为对全球气候变化有很大的影响。 排放完全取决于燃烧的燃料的量和类型。具有较少燃料消耗的更有效的推进装置将直接减少的排放。
是硫氧化物的统称，通常是和并且易形成酸雨。与一样，直接依赖于燃料燃烧，也取决于燃烧类型。因此，更有效的系统将减少的排放。然而，当使用主发动机驱动PTO时存在微小的缺点。 当主机使用HFO时，比辅机使用MOD或者气体燃料更便。，但是HFO含有更多的硫，因此排气中的硫排放将增加
一氧化氮（NO）和二氧化氮（）和较少量的被称为。在高温下，空气中的氮与存在的氧反应。在燃烧过程中形成NO，并随后在发动机外部转化为。 易形成酸雨和造成臭氧损耗。 排放部分地取决于燃料。假设燃料中包含的任何氮将转化为NO[Klein Woud＆Stapersma，2008]。然而，燃料中的氮的量相当低。因此，形成更依赖于燃烧过程，例如温度和的含量（空气过剩率）。此外，的形成需要一定量的时间。 的形成随着发动机转速的增加而降低。混合动力推进概念通过将功率从低速主机转移到高速辅机中来影响的形成。在PTO模式中刚好相反。
碳烟和颗粒物质（PM）由燃料不完全燃烧后形成的碳颗粒组成。 当发动机在部分负载下运行时，这些污染物更易形成。混合动力系统旨让柴油机在其最佳范围内操作，使得部分负荷运行不会在较长时间段内发生。 这将对PM的排放产生积极的影响。
总结混合动力推进的所有好处：
bull;由于发动机在其燃料消耗的最佳范围内运行，可以提高设备的总效率。这在可变化的操作模式下更是如此。
bull;混合动力推进系统在操作模式选择方面具有很高的灵活性。此外，容易实现复杂的推进。
bull;由于效率更高，因此燃料消耗更少，与和等燃料相关的排放量可以减少。因为发动机通常不在部分负载下运行，PM排放较少。然而，由主发动机驱动的PTO模式可能增加和排放。
bull;根据特定的操作类型，辅机或主机每年运行时间较少。此外，在更高的负载下操作，这又有助于更少的维护需求。
bull;当发动机以固定的较高的速度运行时，降低了噪音和振动。这对于客船尤为重要。
为了更好的利用混合动力推进系统的潜力，需仔细注意设计中的参数匹配。
bull;2.3一般设计方法
在图2.4中，显示了设计工作流程的概述。 步骤将在本段和第3章中解释。
图2.4：混合推进动力概念设计流程
船的类型对推进装置的布局有影响。例如，可能对客船或冰船有不同的船级要求。诸如机动性的定性要求可能需要特定的推进，例如方位推进器。这种基本数据是设计推进装置的第一步。
当基本数据已知时，速度要求是所需安装功率的第一个指标。在设计船舶装置之前，除了推进功率之外，，还必须知道辅助设备的功率需求。步骤2和3将分别在第2.3.1和2.3.2段中更详细地解释。它们一起形成船舶的操作体系。
概念设计（步骤4），连同柴油机选择（步骤5）和电机选择（步骤6）将是本论文的主要部分。
当确定推进装置的一般体系时，应确定其他几个方面。这些例如是配电板布局（频率选择，电压选择）的细节，短路电流的计算和谐波失真的量。
当这些方面也被确定时，可以执行所有辅助设备和船舶发动机室中的安装的详细工程（步骤7）。可用的柴油发动机和电动机可能对概念设计设置限制。此外，详细工程中的计算可能影响某个概念的可能性。因此，这些最后的步骤更多是一个迭代过程。
2.3.1推进力阻力
船舶的推进装置必须克服船舶的阻力。 通常，这包括摩擦阻力，剩余电阻（例如波阻和涡流）以及较小程度的空气阻力。 根据船体形状和速度，摩擦阻力的影响通常对于缓慢的船舶是最大的。 对于较快的船舶，即具有高弗劳德数的船舶，波浪阻力变得更有影响力。 对于相对低的速度，总阻力与船速的平方成正比。 因为功率是速度和阻力的乘积，所以船舶所需的功率是
其中PE是船舶的有效牵引力，其是以某一速度牵引船舶通过水所需的功率。 对于
更高的速度，曲线可能更陡，是的4次方或的5次方。 在图2.5中给出了定性船舶阻力曲线。该功率当然不等于所安装的推进功率。 有许多损失可以转化为效率。 推进效率定义为从有效牵引功率到传递到螺旋桨轴的功率的比率：
推进装置必须提供这种传递的功率。 这意味着本论文的开发设计中不包括推进效率的影响。 附录A中简要说明了对相关损失的安装功率的要求。
概念设计通常遵循，这使得船舶工程师需要确定安装制动功率：
其中是传输效率。 它包含轴效率和齿轮箱效率。 轴损耗是由轴承和艉管中的摩擦以及由齿轮箱中的齿之间的摩擦引起的损耗引起的
[2.5]中的是流过齿轮箱的组合制动功率，即来自连接的主发动机的功率以及来自电机的功率。
在图2.5中，给出了定性功率 - 速度曲线，其中可以看到混合系统中的操作模式之间的区别。在正常（1）操作中，柴油发动机正在运转并且驱动螺旋桨和PTO模式。如果船舶需要提升功率以达到比柴油机可能产生的更高的速度，则电动机用作增压功能（2）。在慢速（3）时，所需的推进功率显着降低，并且使用较小的电动机的操作就足够了。这些操作模式对应于图2.1，图2.2和图2.3
图2.5： 速度-功率曲线与操作模式
2.3.2辅助电源
为了完成船舶的功率需求，还应确定所需的辅助功率。通常，所需的辅助功率是电形式。
辅助功率取决于船舶具有的各种操作条件。每种船型对辅助动力有不同的要求。例如，游轮具有大的酒店负载，例如空调单元和锚需要电力来操作绞车。通常作为第一估计，大功率负载被明确提出;对于其他正常负载，仅估计固定功率需求。对于辅助功率需求的完整概述，通常执行电负载分析，因为大多数辅助功率是电功率。在本分析中，所有用电设备都列出了其估计的电力需求和同时因子。此因子指示设备是连续使用还是间歇使用。然后，当操作负载时描述各种操作条件。这些组合给某些处于操作中的负载概
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