國外艦船蒸汽動力技術(shù)發(fā)展的啟示

黎南，張欣

1海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連1160022海軍91278部隊55分隊，遼寧大連116031

國外艦船蒸汽動力技術(shù)發(fā)展的啟示

黎南1，張欣2

1海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連116002
2海軍91278部隊55分隊，遼寧大連116031

近40年來，各國陸續(xù)入役的大型驅(qū)護艦多數(shù)已經(jīng)棄用蒸汽輪機，轉(zhuǎn)用燃氣輪機或柴油機作為艦船主動力。但在大型航空母艦和核潛艇上，蒸汽動力至今仍是唯一可用的無可替代的動力裝置。介紹蒸汽動力的系統(tǒng)組成、技術(shù)特點、各國應(yīng)用狀況及發(fā)展趨勢，并為我國艦船蒸汽動力技術(shù)的發(fā)展提出一些個人建議。包括：積極借鑒國外的成功經(jīng)驗；重視艦船蒸汽動力技術(shù)的研究和人才培養(yǎng)；適當(dāng)考慮選用合適的蒸汽動力方案，扶持行業(yè)的健康發(fā)展；盡快構(gòu)建完善我國各種艦船動力的標(biāo)準(zhǔn)化、成熟機組系列，按常用功率等級配齊，供艦船設(shè)計時按需選配。

蒸汽動力裝置；技術(shù)現(xiàn)狀；技術(shù)特點；發(fā)展趨勢；綜述

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20160531.1104.032.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：黎南，張欣.國外艦船蒸汽動力技術(shù)發(fā)展的啟示［J］.中國艦船研究，2016，11（3）：89-96.

LI Nan，ZHANG Xin.The revelation from the development of foreign marine steam turbine power plants［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（3）：89-96.

0　引　言

艦船蒸汽動力技術(shù)發(fā)展至今已有100多年的歷史，雖然在經(jīng)濟性和便利性方面不及后續(xù)發(fā)展起來的柴油機和燃氣輪機動力技術(shù)，但作為艦船三大動力技術(shù)之一，該動力技術(shù)在大型航空母艦、核潛艇、液化天然氣（LNG）船上的主導(dǎo)地位仍然非常牢固。

其實，若單就機組熱效率和綜合效費比而言，蒸汽動力技術(shù)并不落后，關(guān)鍵看在哪里應(yīng)用。在陸地大型電站機組中，超超臨界蒸汽動力機組簡單循環(huán)的熱效率接近55%，領(lǐng)先于同一條件下的燃氣動力機組（平均為45%）和低速柴油機組（平均為48%），憑借效率和可靠性這些優(yōu)勢，蒸汽動力機組在陸地大型電站中占據(jù)了絕對優(yōu)勢。由于艦船上空間條件有限，艦船蒸汽動力機組熱效率和適裝性始終難以有較大改觀，才不得不逐漸讓出艦船動力的主導(dǎo)地位［1］。

即便如此，蒸汽動力技術(shù)也并非沒有存在的價值和意義，在燃氣動力技術(shù)尚未成熟、柴油動力選型困難的軍用大型艦船領(lǐng)域，蒸汽動力還是能夠憑借其穩(wěn)定可靠、單機功率大、維修保障便利、全壽命周期使用成本低的優(yōu)勢得以繼續(xù)存在，既可以滿足部分特殊艦船的動力需要，又可以為大型水面艦船和核動力艦艇蒸汽動力技術(shù)的成熟應(yīng)用提供經(jīng)驗并鞏固技術(shù)基礎(chǔ)［2］。

本文將通過全面介紹蒸汽動力裝置的系統(tǒng)組成、技術(shù)特點、世界各海軍強國的應(yīng)用狀況以及我國技術(shù)發(fā)展的實際情況，呼吁國內(nèi)各方應(yīng)重新認識并重視艦船蒸汽動力技術(shù)的研究和人才的培養(yǎng)，而不是簡單地以滿足工程需要而進行設(shè)備研制。從世界各國動力技術(shù)發(fā)展的趨勢看，未來20年內(nèi)，大型水面艦船和核動力艦艇還是離不開蒸汽動力，而只有扎實的基礎(chǔ)理論研究和深厚的工程實踐經(jīng)驗才能做好我國的蒸汽動力裝置。日本、美國均通過持續(xù)研發(fā)和裝備各功率等級的機組來不斷提高和完善蒸汽動力應(yīng)用技術(shù)，最終形成系列的機組供裝備選用，這方面的成功經(jīng)驗非常值得我們借鑒。只有不斷地研發(fā)、使用和改進，才能保證該技術(shù)得以順利發(fā)展，切實滿足我國艦船研制的需要。

1　蒸汽動力裝置系統(tǒng)組成及技術(shù)特點

1.1系統(tǒng)組成

蒸汽輪機本體結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由汽缸、噴嘴、轉(zhuǎn)子、動葉、靜葉、隔板、汽封、軸承、冷凝器等部（套）件組成，而艦船蒸汽動力裝置系統(tǒng)組成則比較復(fù)雜，從大系統(tǒng)組成來說，其一般劃分為主鍋爐裝置、主汽輪齒輪機組、輔助系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和軸系5大部分［3］。

1.2主要設(shè)備技術(shù)類別及特點

蒸汽動力自進入蒸汽輪機時代起，發(fā)展至今已有130余年?？偟恼f來，其技術(shù)發(fā)展較為緩慢，在最為直觀的技術(shù)指標(biāo)上，如單位功率燃油消耗率、單位功率重量比、裝置體積等方面，雖然通過改進鍋爐結(jié)構(gòu)形式、煙道流向、傳熱方式、汽輪機通流結(jié)構(gòu)及機組配置等方式獲得了較大的提高，但實際上并沒有質(zhì)的提高和突破。蒸汽動力裝置主要由主鍋爐、汽輪機和減速器組成，因此，其技術(shù)類別也主要圍繞這3個設(shè)備進行劃分。

1.2.1主鍋爐

1）爐膛結(jié)構(gòu)形狀。

第二次世界大戰(zhàn)（以下簡稱“二戰(zhàn)”）以前，英、美兩國蒸汽動力主鍋爐的爐膛形狀為雙爐膛單煙道的M型鍋爐，后來發(fā)現(xiàn)這種形狀的鍋爐存在體積和重量大、效率低、運行復(fù)雜等缺點，二戰(zhàn)后遂改為重量輕、體積小、裝置傳熱效率高以及運行管理簡單、適于自動控制的單爐膛單煙道D型鍋爐。此外，美海軍還曾將強制循環(huán)鍋爐裝在DL-2 和DL-3兩型驅(qū)逐領(lǐng)艦上試用，但試用效果并不好，因此，美海軍遂棄用強制循環(huán)鍋爐。據(jù)國外資料反映，在艦船上，增壓鍋爐、強制循環(huán)鍋爐均不宜采用，故除前蘇聯(lián)外，各國早已放棄這方面的研制工作［2］。

前蘇聯(lián)在20世紀(jì)40年代建造的07型驅(qū)逐艦上曾采用過三筒雙煙道鍋爐，而50年代建造的56型驅(qū)逐艦則采用了單煙道單爐膛D形鍋爐。D型單煙道鍋爐和三筒雙煙道鍋爐相比優(yōu)越，重量輕，尺寸小，熱效率高，飽和蒸汽干度由原來的93%～95%提高了到98.5%。

2）過熱器結(jié)構(gòu)形式。

艦船鍋爐的蒸汽過熱器主要有立式和臥式2種。英、美、德、日、法等國多采用臥式過熱器，過熱器和鍋筒之間采用U型環(huán)管和M型盤管進行連接。上世紀(jì)60年代改進成了II型管連接，便于維修。英國艦用鍋爐曾大量采用過“梅勒斯科”式蒸汽過熱器，這種過熱器管子與汽水聯(lián)箱采用可拆式連接，過熱器可單獨卸出。前蘇聯(lián)的艦用鍋爐在護衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦上采用立式過熱器較多，大都布置在煙道的對流區(qū)。

3）過熱器蒸汽溫度。

前蘇聯(lián)艦用鍋爐過熱器的蒸汽溫度隨工況變化而變化。而英、美等國則大都將過熱器置于近爐膛處，呈半輻射式，因而過熱器蒸汽溫度波動比較小，有的過熱器蒸汽溫度在主機由全工況變?yōu)榈凸r時其溫度變化也僅為30℃左右。英國還常常采用擋板進行過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)。有的鍋爐采用二次過熱器，這樣可使低工況下的過熱器蒸汽溫度與全工況時保持一致，從而改善機組在低工況下的工作效率。

4）風(fēng)機應(yīng)用狀況。

英、美、日、法等國的艦用鍋爐均采用普通的汽輪風(fēng)機，未使用增壓風(fēng)機；而前蘇聯(lián)在“現(xiàn)代”級驅(qū)逐艦和“庫茲涅佐夫”級航空母艦的КВГ型系列鍋爐上選用了增壓風(fēng)機，在鍋爐體積小、重量輕的情況下，鍋爐產(chǎn)汽量依然明顯加大，但該裝置因采用汽輪機和煙氣渦輪進行增壓，控制難度較大，故裝置的安全風(fēng)險也很大［4］。

1.2.2主汽輪機

評判艦船蒸汽動力裝置性能優(yōu)劣的主要依據(jù)是其單位功率耗油率和單位功率重量比這2個關(guān)鍵指標(biāo)。而艦船用汽輪機分為沖動式和反動式2種，二戰(zhàn)以后，各國多選用純沖動或帶部分反動度的沖動式汽輪機作為艦船主動力。各國的沖動式汽輪機工作原理雖然基本相同，但機組內(nèi)部級組布置或者功率調(diào)節(jié)方式若不相同，則其耗油率和功率重量比就可能存在較大差異［3］。

蒸汽動力技術(shù)發(fā)展百余年來，各國在艦船汽輪機的技術(shù)發(fā)展上做了較大努力，也開發(fā)出了幾類不同形式的汽輪機，技術(shù)水平上各有特點，歸納起來主要有4種類型，即內(nèi)旁通汽輪機、外旁通汽輪機、帶巡航汽輪機的汽輪機組及串—并聯(lián)汽輪機。

1）內(nèi)旁通汽輪機。

內(nèi)旁通汽輪機是將低速級設(shè)置在調(diào)節(jié)級之后、全速級組之前，全速時蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)級后繞過低速級進入全速級，低速時則依次流過調(diào)節(jié)級、低速級至全速級。

前蘇聯(lián)設(shè)計的艦用汽輪機多采用內(nèi)旁通，我國051型艦上研仿前蘇聯(lián)的TB-8機組（36 000 hp）就是內(nèi)旁通的。美國海軍的42 500 hp機組也是內(nèi)旁通的。內(nèi)旁通機組結(jié)構(gòu)最為簡單，一根轉(zhuǎn)子上集成了調(diào)節(jié)級、低速級和全速級的所有動葉，該結(jié)構(gòu)尺寸和重量均較小。由于機組無論低速還是全速都需從調(diào)節(jié)級前進汽，調(diào)節(jié)級焓降較大，級數(shù)很少，效率很低，因此，其汽缸可按較低參數(shù)設(shè)計，但經(jīng)濟性很差。內(nèi)旁通機組的控制閥門較少，各工況下均需從調(diào)節(jié)級進汽，汽缸溫度變化較小，因此，機組操縱便利，機動性好。

2）外旁通汽輪機。

外旁通汽輪機是將低速級設(shè)置在全速級組（包括調(diào)節(jié)級）之前，低速時蒸汽經(jīng)低速級再到全速級工作，全速時蒸汽直接從全速級之前進入而不經(jīng)過低速級。

外旁通和內(nèi)旁通機組的結(jié)構(gòu)形式基本一致，只不過外旁通機組的調(diào)節(jié)級安裝在全速級前，在低工況運行時，該機組無需從經(jīng)濟性較差的調(diào)節(jié)級前進汽，因而經(jīng)濟性比內(nèi)旁通機組好。全速時，由于還需從調(diào)節(jié)級前進汽，因而經(jīng)濟性與內(nèi)旁通差不多。其控制閥門比較集中，操縱便利。機組從低工況升到高工況時，進汽從低速級轉(zhuǎn)到全速級，汽缸溫度變化較大，機組機動性變差。英國、瑞典、法國的少數(shù)機組用過這種外旁通結(jié)構(gòu)形式。

3）帶巡航汽輪機的汽輪機組。

帶巡航汽輪機的汽輪機組是將外旁通的低速級組裝在專門的汽缸中，成為巡航汽輪機，而全速級則成為高壓汽輪機。

這種機組包括以下5種主要機型：

（1）巡航汽輪機帶背壓工作，直接與高壓汽輪機連接；

（2）巡航汽輪機帶背壓工作，通過減速器與高壓汽輪機連接；

（3）全速時巡航汽輪機排汽通冷凝器，直接與高壓汽輪機連接；

（4）全速時巡航汽輪機排汽通冷凝器，通過減速器與高壓汽輪機連接；

（5）巡航汽輪機通過離合器與高壓汽輪機連接，低速時接上，全速時脫開。

這種機組從技術(shù)原理上看，其高壓汽輪機與巡航汽輪機直接或通過減速器連接的形式與外旁通機組基本一致，但結(jié)構(gòu)尺寸更大，經(jīng)濟性差別不大。巡航汽輪機通過離合器與高壓汽輪機連接的形式，由于高、低工況下，巡航汽輪機和高壓汽輪機均可以單獨工作，空轉(zhuǎn)損失減小，因而這種結(jié)構(gòu)形式的經(jīng)濟性較好。由于該機組變工況時需要通過閥門進行機組排汽轉(zhuǎn)換，特別是帶離合器連接機組的轉(zhuǎn)換更為復(fù)雜。由于機組變工況下的進汽位置變化較大，汽缸溫度隨之有較大變化，因此，該機組機動性較差，特別是帶離合器和低速級排汽通冷凝器的機組機動性更差。英國的個別機組和日本海軍的多數(shù)機組采用過這種技術(shù)。美國海軍也曾用過這種機組，但多采用離合器自動或手動連接巡航和高壓汽輪機的方式。

4）串—并聯(lián)汽輪機。

串—并聯(lián)汽輪機是使蒸汽在低速時依次經(jīng)過低速級和全速級，即“串聯(lián)”工作，全速時同時進入低速級與全速級，工作后一起排入低壓汽輪機，即“并聯(lián)”工作。

這種機組是帶巡航功能汽輪機發(fā)展的結(jié)果。從技術(shù)原理上看，這種機組的高、中壓汽輪機在各工況下均投入運行，因此，在設(shè)計的全速與低速工況下，其經(jīng)濟性不如帶離合器與減速器連接的巡航汽輪機機組。但在離開設(shè)計點的中間工況，由于該機組沒有空轉(zhuǎn)損失，故其經(jīng)濟性比其他各種機組都要好，且性能變化平緩。變工況時，該機組各汽輪機的進、排汽閥門需要進行轉(zhuǎn)換，其操縱性相當(dāng)復(fù)雜。由于該機組各汽缸在各工況下都有蒸汽通過，且進汽端均位于低速級和全速級的連接部，汽缸溫度變化小，因此，該機組機動性很強［5］。

1.2.3減速器

艦船動力裝置所采用的減速器減速比都比較大，主要分為常規(guī)齒輪減速器和行星齒輪減速器2種。

1）常規(guī)二級齒輪減速器。

自減速器發(fā)明以來，這種二級齒輪嚙合結(jié)構(gòu)形式一直沒有太大的變化。高低汽輪機輸出軸分別連接到高低壓一級小齒輪上，經(jīng)二級齒輪嚙合減速后，由二級大齒輪輸出軸輸出。

2）行星齒輪減速器。

上世紀(jì)70年代以來，行星齒輪傳動裝置開始大量投入使用。它既可單獨進行減速傳動，也可作為第1級或第2級減速來配合常規(guī)齒輪減速裝置進行傳動，其在滿足大傳動比的同時還能大幅縮小減速傳動裝置的尺寸［6］。

2　技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1技術(shù)水平

以上所討論的各類艦用汽輪機組，大多是上世紀(jì)50～60年代設(shè)計的產(chǎn)品，只有個別是70年代的。這是因為上世紀(jì)60年代以后，隨著燃氣動力技術(shù)的成熟和應(yīng)用，英國和美國這兩大蒸汽動力技術(shù)強國開始全面轉(zhuǎn)向燃氣動力的研究和應(yīng)用。美國尚保留了航空母艦和核潛艇用的蒸汽動力，英國基本上除核潛艇外全部棄用。前蘇聯(lián)在部分艦船、航空母艦和核動力艦艇上依然采用蒸汽動力。因此，上世紀(jì)70年代后船用汽輪機的技術(shù)發(fā)展很有限，僅有日本等少數(shù)國家還在發(fā)展（表1），多數(shù)用在LNG船上，技術(shù)水平也是首屈一指。日本在產(chǎn)量上躍居船用蒸汽動力裝置的世界第一，占世界總產(chǎn)量的90%左右［7］。

表1　世界各型典型艦船汽輪機性能一覽Tab.1　Technical performance of typical marine steam turbines

1）外形尺寸。

現(xiàn)代的蒸汽動力裝置外形普遍較為緊湊，世界各國的裝置尺寸大小差不多，但普遍比燃氣輪機大很多，比同樣功率的中高速柴油機也略大。同樣功率的動力裝置中，燃氣動力機組重量最小，低速柴油機機組重量最重，蒸汽動力次之。由于燃氣動力需要布置較大尺寸的進、排氣管路和輔助設(shè)備，因此，其所需的空間尺寸與蒸汽動力相當(dāng)，均比低速柴油機的要小。

2）裝置組成。

目前，各國的蒸汽動力裝置基本上采用2臺鍋爐配1臺汽輪齒輪機組、1根軸系和相應(yīng)輔機作為1個動力單元；驅(qū)護艦采用2個動力單元，雙軸雙槳；航空母艦一般采用4個動力單元，四軸四槳。

3）主鍋爐。

當(dāng)前，多數(shù)國家主鍋爐采用D型鍋爐，配大型燃燒器，個別國家采用增壓鍋爐，以此提高鍋爐產(chǎn)汽量。主蒸汽壓力多為6.0 MPa左右，個別為8.45 MPa以上；過熱蒸汽溫度多為510℃左右。根據(jù)熱力學(xué)理論，主蒸汽參數(shù)越高，機組效率越高，但設(shè)備和管路系統(tǒng)的材料性能要求也高。

4）主汽輪齒輪機組。

目前，世界各國的汽輪齒輪機組技術(shù)水平相差不大，只是在功率等級和加工精度、噪音等級、外形尺寸上存在差別。

20世紀(jì)70年代以前，美國艦船汽輪機多在海軍應(yīng)用，主要是35 000，42 500和70 000 hp這3型標(biāo)準(zhǔn)機組。另外，在核潛艇上還有6 000～26 000 hp的機組。英國的汽輪機組應(yīng)用也較多，功率為15 000～30 000 hp。法國和德國也有少量機組。前蘇聯(lián)則相繼開發(fā)了10 000，36 000，45 000，50 000和70 000 hp等功率等級的機組，分別應(yīng)用于驅(qū)護艦、巡洋艦和航空母艦等水面艦船上。日本開發(fā)應(yīng)用過的汽輪機組最多最全，基本覆蓋了所有的功率等級，軍船功率從15 000～37 500 hp，民船則從8 000～60 000 hp，其生產(chǎn)汽輪機的企業(yè)包括三菱、日立、東芝、川崎、石川島播磨等，產(chǎn)量占全世界一半以上。20世紀(jì)70年代以后，隨著燃氣輪機技術(shù)的成熟和推廣，美國、英國、法國、德國等國家逐步退出艦船汽輪機市場，世界船用汽輪機市場基本被日本占領(lǐng)，部分機組由日本授權(quán)韓國生產(chǎn)，此時的日本可以稱得上是世界艦船汽輪機最強國［8］。

5）經(jīng)濟性。

對軍用艦船而言，動力裝置的經(jīng)濟性雖不如民船那般重要，但也是很受關(guān)注的一個性能指標(biāo)。蒸汽動力裝置之所以被擠出民用市場，最關(guān)鍵的一個因素就是經(jīng)濟性比柴油動力和燃氣動力差，盡管性能穩(wěn)定可靠，但仍被無情淘汰。在軍用艦船領(lǐng)域，雖然機動性、操縱性和穩(wěn)定性最為倚重，但各國在提高動力裝置經(jīng)濟性方面也是不遺余力。在蒸汽動力方面，世界各國機組當(dāng)前的經(jīng)濟性水平差異較大?？傮w而言，美國機組水平最高，其耗油率為380 g/（kW·h）左右（當(dāng)前與之功率等級相當(dāng)?shù)南冗M船用低速柴油機的耗油率為170 g/（kW·h），相應(yīng)等級的先進艦用燃氣輪機耗油率為200 g/（kW·h））。美海軍艦用蒸汽動力裝置的3型標(biāo)準(zhǔn)機組經(jīng)濟性水平相當(dāng)高，航空母艦用的70 000 hp機組蒸汽動力裝置耗油率為380 g/（kW·h），“孔茨”級驅(qū)逐艦用的42 500 hp機組耗油率為382 g/（kW·h），“舍曼”級驅(qū)逐艦的35 000 hp機組耗油率為370 g/（kW·h）。其他機組的耗油率，如“李希”級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦為406 g/（kW·h），“米歇爾”級驅(qū)逐艦為426 g/（kW·h）。英國于二戰(zhàn)后開發(fā)的 Y-100，YEAD-1和Daring-Ⅲ機組，其經(jīng)濟性也達到了相當(dāng)高的水平。其中，YEAD-1機組的耗油率在400 g/（kW·h）左右。日本開發(fā)的10多型機組多采用巡航機和串—并聯(lián)技術(shù)，經(jīng)濟性普遍較好，其中以“天津風(fēng)”級驅(qū)逐艦配置的機組經(jīng)濟性最好，達到了408 g/（kW·h）。前蘇聯(lián)的機組由于多采用內(nèi)、外旁通技術(shù)，因此經(jīng)濟性較差。TB-12機組采用了增壓鍋爐，經(jīng)濟性有較大提高，其耗油率雖比TB-8下降了25%，但也僅達到445 g/（kW·h），與其他國家的先進機組相比差距依然較大［9］。

6）功率重量比。

機組的功率重量比指的是機組單位重量下所對應(yīng)的機組功率。機組功率越大，重量越輕，功率重量比越大，性能越好。一般而言，功率重量比與用戶的需求有關(guān)，投入的成本越高，功率重量比往往就大。功率重量比的單位以hp/kg來表示，前蘇聯(lián)的TB-12機組功率重量比達到0.11 hp/kg左右，技術(shù)水平很高，日本的“天津風(fēng)”機組、英國的Daring-Ⅲ和YEAD-1機組以及美國的“孔茨”級機組的功率重量比基本相當(dāng)，在0.1 hp/kg左右，其他機組多在0.05～0.07 hp/kg之間。

7）自控系統(tǒng)。

操作及管理復(fù)雜是蒸汽動力裝置的一大缺陷，該裝置對操作人員的業(yè)務(wù)技能要求非常高，其自動控制系統(tǒng)的設(shè)計及穩(wěn)定使用難度很大。隨著自動控制技術(shù)水平的不斷提高，目前，世界各國艦船蒸汽動力裝置的自控系統(tǒng)已較為完善和可靠，基本可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和無人機艙，這使得艦船蒸汽動力裝置的操作使用變得越來越便利［4］。

2.2蒸汽動力在世界各國海軍的應(yīng)用狀況

1）美國海軍。

二戰(zhàn)期間，美國成功研發(fā)和推廣使用了沖動式汽輪機，技術(shù)水平迅速超越了英國。二戰(zhàn)以后，美國海軍陸續(xù)開發(fā)了3型適于導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、巡洋艦和航空母艦的標(biāo)準(zhǔn)蒸汽動力裝置，即護衛(wèi)艦級（30 000～35 000 hp）、驅(qū)逐艦和巡洋艦級（42 500 hp）、航空母艦級（62 500～70 000 hp）的機組。這3型機組經(jīng)濟性好、機動性強、功率重量比大，成熟可靠，便于操縱使用，廣泛應(yīng)用于當(dāng)時的“舍曼”級、“孔茨”級、“李?！奔墝?dǎo)彈驅(qū)逐艦和“弗萊斯特”級、“小鷹”級等航空母艦上。同一時期，在其他大型水面艦船上，蒸汽動力的應(yīng)用也非常廣泛。例如：“黃蜂”、“塔拉瓦”、“硫磺島”、“藍嶺”等級別的兩棲攻擊艦分別采用雙機雙軸和單機單軸的蒸汽動力裝置；“奧斯汀”級兩棲船塢運輸艦、“安克雷奇”級船塢登陸艦、“黃石”級物資運輸艦、“舍里巴齊”和“基里韋厄”級彈藥運輸艦、“戰(zhàn)神”級干貨補給艦、“拉薩爾”級兩棲指揮艦、“錫馬龍”級油船、“薩克拉門托”級快速支援艦、“維奇托”級油水補給艦也分別按照作戰(zhàn)使用要求配置了相應(yīng)的蒸汽動力裝置。這些艦船均有一個共同的特點，即排水量大、速度快、續(xù)航力大、可靠性高、啟動和變工況慢等。同時，還陸續(xù)開發(fā)了核潛艇用的蒸汽動力裝置，功率涵蓋3 300，7 500，12 000，17 500和30 000 hp。20世紀(jì)70年代后，隨著本國研發(fā)的艦船燃氣動力裝置技術(shù)日益成熟，目前航空母艦以下的大型水面艦船，如驅(qū)護艦、兩棲攻擊艦、船塢登陸艦、大型快速支援艦和綜合補給艦等，其主動力裝置基本上由燃氣或柴油動力取代了蒸汽動力，只有航空母艦和核潛艇還保留蒸汽動力。

2）俄羅斯海軍。

二戰(zhàn)以后，俄羅斯海軍在艦船蒸汽動力技術(shù)的發(fā)展上也付出了很大努力，先后開發(fā)了TB-9 （10 000 hp），TB-8（36 000 hp），TB-12（45 000 hp），TB-4（70 000 hp）和GTZA-674（50 000 hp）等多型汽輪機組。目前，俄羅斯新入役的水面主戰(zhàn)艦船主動力多采用燃氣或柴油動力，只有早期服役的“現(xiàn)代”級驅(qū)逐艦和“庫茲涅佐夫”號航空母艦以及核潛艇還采用蒸汽動力。按照俄羅斯目前的動力技術(shù)規(guī)劃，下一代驅(qū)逐艦將全部采用燃氣動力裝置，新一代航空母艦將選用核動力裝置。

3）英國皇家海軍。

作為最早開發(fā)應(yīng)用艦船蒸汽動力技術(shù)的國家，隨著其艦船燃氣動力技術(shù)日益成熟，除核潛艇外，蒸汽動力已完全棄用。英國目前的大型驅(qū)護艦主動力均已選用燃氣動力，但驅(qū)動技術(shù)各異，有的采用COGAG或CODOG技術(shù)，如早期的輕型航空母艦和驅(qū)護艦，有的則采用綜合電力推進技術(shù)，如新一代的驅(qū)護艦和航空母艦［10］。

4）日本海軍。

日本海軍二戰(zhàn)前后的大型驅(qū)護艦船均采用蒸汽動力裝置，當(dāng)時日本陸續(xù)研發(fā)了10多型蒸汽動力裝置，功率覆蓋范圍非常廣，技術(shù)水平相當(dāng)高。其船用蒸汽動力技術(shù)發(fā)展也很迅猛，憑借技術(shù)和價格優(yōu)勢，其機組產(chǎn)量曾經(jīng)占據(jù)全世界的半壁江山。20世紀(jì)80年代后，隨著艦船燃氣動力技術(shù)的成熟和推廣，日本海軍陸續(xù)從英國和美國引進了艦船燃氣輪機裝置，并逐步在新造驅(qū)護艦船中替代本土產(chǎn)的蒸汽動力。目前，日本20世紀(jì)80年代中期以后入役的大型驅(qū)護艦船均已全部采用燃氣或柴油動力，蒸汽動力基本上已經(jīng)被棄用。

5）法國海軍。

法國海軍在20世紀(jì)70年代中期前建造的航空母艦和驅(qū)逐艦均選用蒸汽動力裝置，之后的驅(qū)護艦船開始更換為柴油或燃氣動力，“戴高樂”號航空母艦則選用核動力，其新一代的PA2航空母艦選用了燃氣動力。這樣，法國的蒸汽動力除核潛艇和“戴高樂”號航空母艦外基本上也已遭棄用。

2.3技術(shù)發(fā)展趨勢

根據(jù)世界艦船推進動力技術(shù)發(fā)展的需求，艦船蒸汽動力技術(shù)將著重在以下幾個方面進行改進提高。

1）尺寸、重量進一步減小。

隨著新技術(shù)的應(yīng)用，部分設(shè)備體積變小，使蒸汽動力裝置所占空間大大縮小，甚至比相同功率等級的柴油機還小，已經(jīng)接近燃氣動力機組的占地空間。如部分汽輪機組由于采用了行星齒輪減速器、新型材料轉(zhuǎn)子、冷凝器和緊湊型鍋爐裝置，使得機組的輪廓尺寸和重量大大減小。如川崎公司的UA500型機組，50 000 hp的機組僅有370 t重，大大輕于同等功率的柴油機組。

2）耗油率進一步降低。

蒸汽動力裝置的耗油率高，是其被其他動力裝置擠出航運市場的一個關(guān)鍵因素，因此，各汽輪機企業(yè)紛紛想方設(shè)法進一步降低蒸汽動力裝置的耗油率。近些年來，正在通過改進噴油霧化效果、提高鍋爐汽水管系傳熱效果、加大排氣回?zé)崂玫燃夹g(shù)來提高鍋爐熱效率，采用再熱循環(huán)和抽汽加熱等技術(shù)來提高汽輪機組熱效率等辦法來進一步降低機組的耗油率［3］。

3）操縱性和機動性進一步改善。

由于蒸汽動力裝置非機帶的輔助設(shè)備很多，系統(tǒng)投入自動運行時的監(jiān)控管理難度大；從冷態(tài)啟動到全負荷運行狀態(tài)需要時間較長，變工況運行時不僅管理復(fù)雜，過渡時間也較長。機組運行管理難度較大也是制約其推廣應(yīng)用的一個重要因素。因此，提高自動化控制及操作管理水平是該機組技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。隨著工業(yè)過程控制技術(shù)的迅速發(fā)展，艦船蒸汽動力機組早已可以實現(xiàn)無人機艙和遠程操控管理，其未來的發(fā)展目標(biāo)就是要與柴、燃機組一樣易于操作和管理，可以大大降低對操作管理人員的技術(shù)要求和工作強度［9］。

3　對國內(nèi)蒸汽動力技術(shù)發(fā)展的啟示

本文對艦船蒸汽動力的系統(tǒng)組成、技術(shù)特點、發(fā)展趨勢和各國應(yīng)用狀況等進行了充分論述，其目的就是為了讓廣大業(yè)內(nèi)人員真實、全面了解蒸汽動力的技術(shù)和應(yīng)用狀況，以便為艦船按實際需要提出合理、可行的主動力配置方案，切實滿足艦船的任務(wù)使命要求。

隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)艦船武器系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，對艦攻擊導(dǎo)彈射程越來越遠，速度越來越快，這使得艦船航速及其機動性在現(xiàn)代海戰(zhàn)中的作用和影響相對弱化。各國在研制新型艦船時更關(guān)注警戒探測、指揮控制、對敵攻擊、武器防御及電子對抗能力，而不是裝什么動力或者能跑多高航速。

我國艦船動力發(fā)展很不完善。蒸汽動力起步早，技術(shù)相對成熟，但型號少，功率相對較小，缺乏大功率機組技術(shù)儲備。燃氣動力起步晚，技術(shù)基礎(chǔ)相對薄弱，能采用的型號極少，已投產(chǎn)機組性能還不夠穩(wěn)定。柴油動力技術(shù)基礎(chǔ)相對最好，投產(chǎn)型號最多，使用經(jīng)驗最為成熟，但批產(chǎn)的中速機性能相對落后，機組功率相對較低，難以滿足中、大型艦船的推進需要。因此，針對這一短期內(nèi)還難以改變的現(xiàn)狀，在艦船選取動力系統(tǒng)時，我們還不能像美、英、日等國一樣按需優(yōu)選動力裝置，只能根據(jù)現(xiàn)有實際機型進行全面衡量和選擇。首先，要依據(jù)作戰(zhàn)需要排出動力裝置各性能的重要順序，從保證艦船完成作戰(zhàn)任務(wù)這個角度來看，水面艦船動力系統(tǒng)最重要的性能應(yīng)該是適裝性（占地空間小、重量輕、使用便捷）、穩(wěn)定性和推進性能，其次是振動、噪聲等戰(zhàn)術(shù)性能，最后才考慮功率重量比、經(jīng)濟性、操控性等技術(shù)性能［8］。

3.1總結(jié)

1）世界海軍強國，包括美、俄、英、法、日，目前均有研制和生產(chǎn)高性能蒸汽動力裝置的能力，水平依然高于我國，他們可以隨時得到所需要的蒸汽動力裝置。

2）經(jīng)過綜合評定，在推進性能得到保證的情況下，水面艦船（如驅(qū)護艦艇、各種中小型快艇）動力應(yīng)首選柴油動力，其次是燃氣動力，世界各國海軍的動力選型也基本如此。因為這兩種動力占地空間小、使用便利，可為武器系統(tǒng)騰出更多的空間，有利于艦船作戰(zhàn)性能的提高。航空母艦這種大型水面艦船需要的推進功率很大，燃氣和柴油動力由于單機功率相對較低，需要較多機組才能滿足其推進需要，這使得它們原有的適裝性優(yōu)勢會大大降低。所以，航空母艦動力多數(shù)選用核動力或蒸汽動力，個別技術(shù)基礎(chǔ)較好的國家，如英、法兩國，其新型航空母艦則采用以燃氣輪機為原動機的綜合電力推進裝置［10］。

3）由于對航速和作戰(zhàn)空間要求不高，世界各國輔助艦船普遍選用柴油動力，就連燃氣動力技術(shù)水平最高的美國、英國也不例外。不僅因為其適裝性好，而且穩(wěn)定可靠、便于使用維護、經(jīng)濟性好、壽命周期長等優(yōu)勢也無可比擬［11］。

4）對航速要求較高的大型輔助艦船，如美國為航空母艦編隊配備的“薩克拉門托”級快速支援艦，排水量達51 000 t，航速高達25 kn以上，由于選用了蒸汽動力，在航率很高，而且能夠始終保持較高的航速，海上支援效果很好，令其航空母艦編隊非常滿意。美國的“藍嶺”級兩棲指揮艦和“塔拉瓦”級兩棲攻擊艦等高速大型艦船也選用蒸汽動力，作戰(zhàn)效果令人滿意。新一代的“供應(yīng)”級支援艦和“美國”級兩棲攻擊艦則換成了燃氣動力，動力依然強勁，使用效果也不錯，但采購和使用成本較高，一般國家承受不起。從目前航運市場上LNG運輸船的動力系統(tǒng)選型上看，雖然受到低速柴油機和雙燃料發(fā)動機、燃氣輪機的強力挑戰(zhàn)，但蒸汽動力目前仍然占據(jù)LNG船動力系統(tǒng)類型的最大份額，這說明盡管其熱效率相對最低，但初期投資少、燃料費低、維護保障便利等優(yōu)點，使其在全壽命周期內(nèi)的綜合成本與其他動力相比依然保持了一定的優(yōu)勢［3］。

5）我國艦船蒸汽動力無論是在技術(shù)水平還是在產(chǎn)品功率系列方面，都與日本、俄羅斯、美國、英國等海軍強國有不小的差距，尤其是成熟、頂用的大功率機組更是薄弱環(huán)節(jié)。研發(fā)基礎(chǔ)不牢靠使得短期內(nèi)很難隨時得到適宜的蒸汽動力機組。

3.2啟示

1）近幾年來，通過自行研發(fā)新產(chǎn)品，我國艦船蒸汽動力技術(shù)有了一定的進步，但與世界強國相比，差距依然十分明顯，甚至還趕不上美國和日本上世紀(jì)五六十年代的水平。與當(dāng)今美國和日本的先進機組相比，經(jīng)濟性相差較大，功率重量比差距更大。這是因為在艦船蒸汽動力技術(shù)盛行的年代，日本、美國、英國均曾開展大量的蒸汽動力型號研制（日本上世紀(jì)60年代前后就開展了15個型號機組的研制，目前還有十幾個型號在生產(chǎn)），打下了無比堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，并利用這些技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗相繼研制出了性能卓越的柴油機和燃氣輪機，可供其現(xiàn)今的艦船任意選用。

建議有關(guān)部門認真反思我們前期存在的不足，積極借鑒國外的成功經(jīng)驗，扎扎實實開展好我國在艦船動力研制方面的工作，力爭能為我國各型艦船研制出令人滿意的動力裝置。

2）由于國內(nèi)各方對艦船蒸汽動力這一技術(shù)的忽視，目前國內(nèi)各有關(guān)大專院校均已裁撤這一學(xué)科專業(yè)，使得艦船蒸汽動力這一專業(yè)基本上后繼無人。即使中、大型水面艦船目前不會再選用蒸汽動力，但未來幾十年內(nèi)，大型母艦或核動力艦艇還離不開蒸汽動力，而蒸汽動力技術(shù)非常復(fù)雜，合格人員的培養(yǎng)十分不易，若失去各高等院校培養(yǎng)這一主要渠道，本已薄弱的技術(shù)基礎(chǔ)更是難以鞏固，對今后繼續(xù)發(fā)展這一技術(shù)極為不利。

建議有關(guān)部門認真研究考慮如何構(gòu)建艦船蒸汽動力技術(shù)人才的培養(yǎng)渠道。

3）目前國內(nèi)艦船燃氣和柴油動力無論在性能和應(yīng)用范圍上均存在一定的不足。例如，在南海海域，當(dāng)海面空氣溫度較高時，燃氣輪機的輸出功率會出現(xiàn)較大幅度的下降，必然會限制其正常使用。因此，在燃氣和柴油動力方案很難滿足要求的情況下，也可以適當(dāng)考慮選用合適的蒸汽動力方案，既可解決困難，也有利于扶持這一行業(yè)的健康發(fā)展。

4）借鑒美國的艦船動力工作經(jīng)驗，盡快構(gòu)建完善我國各種艦船動力的標(biāo)準(zhǔn)化、成熟機組系列，包括柴、燃和蒸汽機組，按常用功率等級配齊，供艦船設(shè)計時按需選配。

［1］史麟觀.對艦船推進系統(tǒng)發(fā)展回顧與展望的若干認識［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2002，24（3）：45-49，56. SHI Linguan.A review and forecasting of the ship's pro?pelling system development［J］.Ship Science and Technology，2002，24（3）：45-49，56.

［2］李赫.對艦船動力裝置發(fā)展的一些個人看法［J］.海工科技，1981（1）：48-53.

［3］劉成洋，閻昌琪，王建軍.船舶汽輪機優(yōu)化設(shè)計［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46（增刊1）：421-425.

LIU Chengyang，YAN Changqi，WANG Jianjun.Opti? mal design of marine steam turbine［J］.Atomic Energy Science and Technology，2012，46（Supp 1）：421-425.

［4］ 李赫.艦船蒸汽動力裝置的技術(shù)進展［J］.應(yīng)用科技，1983（3）：21-28.

［5］ 張俊邁，周永泉.汽輪機艦船的發(fā)展與發(fā)展我國艦船汽輪機問題［J］.海工科技，1980（2）：1-12.

［6］ 裘大成，張信平.艦船傳動裝置與適于航空母艦的傳動新形式［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，1990（4）：35-41.

［7］聞雪友.艦船燃氣和蒸汽動力裝置的發(fā)展與展望［J］.船舶工程，1999（4）：31-34. WEN Xueyou.State of the art of naval gas and steam power plants［J］.Ship Engineering，1999（4）：31-34.

［8］吳窮，王建豐，王沖，等.LNG運輸船的主動力裝置［J］.熱能動力工程，2009，24（1）：7-11.

WU Qiong，WANG Jianfeng，WANG Chong，et al. Main propulsion plants for LNG（Liquefied Natural Gas）tankers［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2009，24（1）：7-11.

［9］ NICHOLAS D G，HODGKIN A F.蒸汽推進裝置過時了嗎？［J］.張俊邁，譯.海工科技，1980（2）：80-85.

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

DU Jianwei，TANG Jianhua，LI Nan.Study on the de?velopment status and trend of foreign marine power plant technology［J］.Ship Science and Technology，2010，32（8）：13-19.

［11］ 安士杰，陳國鈞，常漢寶.水面艦艇主動力裝置發(fā)展展望［J］.武漢造船，2000（2）：11-13.

AN Shijie，CHEN Guojun，CHANG Hanbao.The de?velopment trend of the warship main power plant［J］. Wuhan Shipbuilding，2000（2）：11-13.

The revelation from the development of foreign marine steam turbine power plants

LI Nan1，ZHANG Xin2
1 Military Representative Office in Dalian District，Naval Armament Department of PLAN，Dalian 116002，China
2 The 91278thUnit of PLAN，Dalian 116031，China

During the last 4 decades，the steam turbine power plant has been gradually substituted with the gas turbine or diesel engine power plant along with the development of warships such as destroyers and frig?ates in many countries.Even so，the important role of the steam turbine power plant cannot be denied yet，particularly in big aircraft carriers，or in nuclear-powered submarines，where the marine steam turbine pow?er plant is still an irreplaceable marine power.In recent years，the marine power in China is beginning to enter a new stage of development，where the gas or diesel engine has gained a dominant position in war?ships，and，as a result，not only the investment on traditional steam engines has been cut down，but the re?volved colleges and universities have reduce the number of relevant subjects and courses as well.This would inevitably induce difficulties into the development and application of the steam turbine technology in the warship field.In this paper，the technical characteristics，application status，and development trend of marine steam turbine power plants in the relevant countries are introduced step by step，while the goal is to call attention onto the significance of the marine steam turbine power once again.Certain advice concerned about the development of the technology in the marine steam turbine power plant is presented in order to serve as references for future domestic development.

steam turbine power plant；state of the art；technical characteristics；development trend；overview

U664.11

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.03.016

2015-06-13網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-5-31 11:04

黎南（通信作者），男，1969年生，博士，高級工程師。研究方向：輪機工程。

E-mail：linan341@163.net

張欣，男，1967年生，高級工程師。研究方向：輪機工程