世界艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展回顧與展望

時(shí)志剛，劉嘯波

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司，北京 100097;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100192)

世界艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展回顧與展望

時(shí)志剛1，劉嘯波2

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司，北京 100097;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100192)

闡述了柴油機(jī)在艦船動(dòng)力裝備中的重要地位，總結(jié)了世界艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展情況，并對(duì)未來艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望，提出了國(guó)內(nèi)艦船柴油機(jī)技術(shù)“十二五”發(fā)展重點(diǎn)。

艦船動(dòng)力;艦船柴油機(jī)

0 引言

艦船動(dòng)力裝置作為艦船的心臟，其技術(shù)發(fā)展水平直接反應(yīng)了海軍艦船發(fā)展水平。從世界各國(guó)艦船發(fā)展情況看，柴油機(jī)因具有功率覆蓋范圍寬、效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在中小型艦船動(dòng)力裝置中占主導(dǎo)地位。據(jù)有關(guān)資料顯示，在國(guó)外艦船中，排水量在500 t以下的高速艇，常用柴油機(jī)做主推進(jìn)動(dòng)力;500～4 000 t之間的艦船，柴油機(jī)作為主動(dòng)力有著極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力;而4 000 t以上的大型艦船，柴油機(jī)—燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合推進(jìn)動(dòng)力裝置也占有重要地位。近年來，隨著計(jì)算機(jī)、電子、信息等技術(shù)的快速發(fā)展，艦船柴油機(jī)技術(shù)也迎來新的發(fā)展方向。

1 世界柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展回顧

1.1 世界主要艦船柴油機(jī)公司及產(chǎn)品

世界艦船柴油機(jī)主要以大功率高速柴油機(jī)為主，隨著艦船向大型化發(fā)展，越來越多的大功率中速柴油機(jī)被選作艦船主機(jī)。目前，國(guó)外生產(chǎn)艦船柴油機(jī)的公司主要有 MTU、SEMT、MAN、瓦錫蘭、卡特彼勒、道依茨(Deutz)和新瀉動(dòng)力(Niigata)等。

當(dāng)前，國(guó)外艦船柴油機(jī)均為四沖程機(jī)，缸徑160～280 mm，轉(zhuǎn)速1 000～2 100 r/min，單缸功率140～450 kW，單機(jī)功率最高達(dá)9 000 kW。表1列出了國(guó)外幾種典型機(jī)型的主要技術(shù)參數(shù)表，其中強(qiáng)化指標(biāo)最高達(dá)到38 MPa·m/s，高速機(jī)MTU大修期9 000～24 000 h，中速機(jī)MAN28/33D大修期32 000 h。

表1 國(guó)外幾種典型艦船柴油機(jī)機(jī)型的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of several types of foreign typical warship diesels

1.2 世界艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程

自20世紀(jì)80年代以來，世界柴油機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，現(xiàn)代柴油機(jī)已達(dá)到很高的技術(shù)水平，艦船用柴油機(jī)具有熱效率高、全工況范圍內(nèi)油耗低、功率和轉(zhuǎn)速范圍廣、有較低的功率體積比和功率質(zhì)量比、空氣耗量少、排溫較低等優(yōu)點(diǎn)，中速機(jī)與高速機(jī)技術(shù)趨向基本相同。世界艦船柴油機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)和特點(diǎn)發(fā)展情況如表2所示，總結(jié)起來表現(xiàn)為4個(gè)“提高”和1個(gè)“縮短”。

1)功率密度不斷提高

柴油機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)是反映功率密度的重要指標(biāo)。隨著柴油機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，柴油機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)已邁上3個(gè)臺(tái)階:20世紀(jì)80年代中期由20提高到24，90年代中期提高至28，21世紀(jì)初提高到32。

表2 國(guó)外艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程Tab.2 History of the development of foreign warship diesel engines

2)可靠性不斷提高

耐久性和可靠性是衡量艦用柴油機(jī)實(shí)際效用的綜合性指標(biāo)。世界主要柴油機(jī)公司采取各種技術(shù)措施，來提高柴油機(jī)的使用壽命和可靠性。到21世紀(jì)初，主要柴油機(jī)產(chǎn)品大修期較90年代中期延長(zhǎng)了1倍。

3)智能化水平不斷提高

隨著電子、信息技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)技術(shù)也逐步朝著智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。相繼增壓技術(shù)、電控高壓燃油噴射技術(shù)、電子調(diào)速器等的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)供油、啟動(dòng)等的全電子控制，有利于實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)全工況高效運(yùn)行，降低柴油機(jī)全壽命周期費(fèi)用。

4)模塊化程度不斷提高

正如世界船用配套設(shè)備朝著“系統(tǒng)集成”、“模塊化”等概念方向發(fā)展，世界艦船柴油機(jī)在總體優(yōu)化的基礎(chǔ)上，普遍采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，將整機(jī)劃分為動(dòng)力、冷卻、潤(rùn)滑、維修保養(yǎng)、功率輸出等模塊，整機(jī)零部件數(shù)量減少40%左右，便于組織生產(chǎn)、維修服務(wù)和系列開發(fā)。

5)研制周期大幅縮短

隨著先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)和設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用，尤其是虛擬設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷成熟，在積累了大量設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，世界先進(jìn)柴油機(jī)企業(yè)的產(chǎn)品研制周期大幅縮短，整機(jī)開發(fā)時(shí)間由原來的10年左右，縮短至3～4年。

2 世界艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展展望

隨著世界海軍對(duì)艦船機(jī)動(dòng)性、續(xù)航力、高可靠性、高隱蔽性、低排放等性能要求的不斷提高，艦船柴油機(jī)技術(shù)將會(huì)朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展:

1)功率密度進(jìn)一步提高，適應(yīng)性和集成水平不斷增強(qiáng)

隨著艦船噸位和航速的提高，柴油機(jī)單機(jī)功率正朝著9 000～10 000 kW發(fā)展。為此，艦用柴油機(jī)汽缸直徑將會(huì)有所增大，強(qiáng)化指標(biāo)將達(dá)到40 MPa·m/s，最大燃燒壓力將達(dá)28 MPa。同時(shí)，除整機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)大幅提高外，其在各種工況下的適應(yīng)性也要進(jìn)一步提高。柴油機(jī)總體結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步簡(jiǎn)化，模塊化程度進(jìn)一步提高，并朝著集成化方向發(fā)展。隨著全電力推進(jìn)發(fā)電模塊的需求，預(yù)計(jì)未來15～20年，國(guó)外艦船柴油機(jī)的總體集成技術(shù)會(huì)有新的突破，柴油機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)將邁上新的臺(tái)階。同時(shí)，國(guó)外有關(guān)柴油機(jī)公司預(yù)測(cè)未來柴油機(jī)的技術(shù)指標(biāo)將進(jìn)一步提高，如圖1所示。

圖1 國(guó)外有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)柴油機(jī)技術(shù)指標(biāo)發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 Foreign agencies'prediction on the development of technical parameters of diesel engines

2)虛擬技術(shù)將在柴油機(jī)開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使虛擬技術(shù)逐漸被用于艦船柴油機(jī)的研發(fā)。隨著虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，其將被用于柴油機(jī)設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)和維修的全過程。應(yīng)用預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)、電子樣機(jī)、模擬試驗(yàn)及虛擬制造等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行柴油機(jī)設(shè)計(jì)、研究和試驗(yàn)，將大大縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，對(duì)柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

3)智能型柴油機(jī)將大量裝艦

2001年，世界首臺(tái)智能機(jī)RT－flex58機(jī)開發(fā)成功，標(biāo)志著柴油機(jī)將步入全電子控制時(shí)代。與傳統(tǒng)機(jī)械式柴油機(jī)相比，智能機(jī)具備效率高、自動(dòng)化水平高等諸多優(yōu)點(diǎn)，其在海軍艦船的應(yīng)用推廣將只是時(shí)間問題。

4)可靠性和戰(zhàn)術(shù)性能將進(jìn)一步提高

艦船柴油機(jī)動(dòng)力裝置的可靠性和戰(zhàn)術(shù)性能對(duì)艦船動(dòng)力裝置至關(guān)重要，這也是艦船柴油機(jī)今后技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。通過柴油機(jī)部件及系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)、高增壓技術(shù)的應(yīng)用、全電子控制技術(shù)、隱身技術(shù)和低排放技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，艦用柴油機(jī)的平均無故障時(shí)間和大修期將進(jìn)一步延長(zhǎng)，啟動(dòng)、加速、減振降噪等戰(zhàn)術(shù)性能也將進(jìn)一步提高。

3 結(jié)語(yǔ)

從國(guó)外艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程及表現(xiàn)出的趨勢(shì)來看，“十二五”期間我國(guó)艦船柴油機(jī)行業(yè)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展“大功率，高可靠性、智能化以及虛擬設(shè)計(jì)制造”技術(shù)，為我國(guó)海軍提供優(yōu)良的柴油機(jī)動(dòng)力裝備。

［1］陳新傳，陳華清，安衛(wèi).國(guó)外艦用柴油機(jī)的發(fā)展及啟示［J］.柴油機(jī)，2003，(6):6 －9.

CHEN Xin-zhuan，CHEN Hua-qing，AN Wei.Progression of oversea marine diesel engines and its enlightenment［J］.Diesel Engine，2003，(6):6 －9.

［2］吳金源，唐小亞.國(guó)外艦船柴油機(jī)技術(shù)展望［J］.柴油機(jī)，2005，(2):1 －3，23.

WU Jin-yuan，TANG Xiao-ya.Prospect for foreign vessel diesel engine technology［J］.Diesel Engine，2005，(2):1－3，23.

［3］杜劍維，湯建華，李南.國(guó)外艦船動(dòng)力裝置技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32(8):13 －19.

DU Jian-wei，TANG Jian-hua，LI Nan.Study on the development status and trend of foreign marine power plant technology［J］.Ship Science and Technology，2010，32(8):13－19.

［4］Diesel engines for naval applications［N］.www.pielstick.com/navy/products.Htm.

［5］MTU Series 8000 Background Information［EB/OL］.www.mtu-online.com/en/press/pressrepo/press，1355.

［6］HTS-THE FutureofNavyMotors［EB/OL］.www.defensetech.org.

Retrospect and expectation of the world warship diesel engine development

SHI Zhi-gang1，LIU Xiao-bo2
(1.China Shipbuilding Industry Corporation，Beijing 100097，China;2.The 714 Research Institute of CSIC，Beijing 100192，China)

The article illustrates the importance of the position of diesel engines in marine propulsion，summaries the development of the world warship diesel engine as well as the prospect of the development trend，and gives the key points of the Twelfth-Five Year Plan in the field of the development of domestic diesel engines.

warship propulsion;warship diesel engine

U664.121

A

1672－7649(2012)03－0137－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.032

2011－12－08

時(shí)志剛(1968－)，男，研究員，主要從事艦船動(dòng)力管理。