艦用燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的前景展望

伍賽特

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，上海 200438）

艦船動(dòng)力裝置是保證艦船航行能力、機(jī)動(dòng)性和安全的關(guān)鍵要素[1-3]。作為艦船核心設(shè)備，艦船動(dòng)力裝置的發(fā)展一直受到各國(guó)海軍的高度重視。近些年，性能優(yōu)越的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置與其他動(dòng)力裝置組合成聯(lián)合動(dòng)力裝置，在科研與生產(chǎn)領(lǐng)域不斷取得了良好成績(jī)。

1 艦用燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置是20世紀(jì)50年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的。目前，燃?xì)廨啓C(jī)是大中型水面艦艇的主動(dòng)力裝置，已有數(shù)十個(gè)國(guó)家海軍艦船使用燃?xì)廨啓C(jī)，其中美、英和俄國(guó)使用數(shù)量最多，世界主要海軍國(guó)家艦用燃?xì)廨啓C(jī)研制生產(chǎn)已經(jīng)形成完善體系，大功率艦用燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，在各類(lèi)艦艇上發(fā)揮著重要作用。燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置具有單位功率重量尺寸小、機(jī)組功率較大以及機(jī)動(dòng)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置也存在一些缺點(diǎn)：第一，主機(jī)不可反轉(zhuǎn)，必須為其專(zhuān)門(mén)設(shè)置倒車(chē)機(jī)構(gòu)或使用調(diào)距槳；第二，葉片材料所使用的合金鋼昂貴，可靠性差，壽命短；第三，由于燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)空氣流量很大，因此進(jìn)、排氣管道尺寸大，艙內(nèi)布置相對(duì)困難，甲板上較大管道通過(guò)切口會(huì)影響船體強(qiáng)度；第四，燃料消耗率相比柴油機(jī)更高；第五，由于排氣溫度高，需要建立復(fù)雜的余熱利用系統(tǒng)[4-5]。

2 艦用燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)要求

艦用燃?xì)廨啓C(jī)總體技術(shù)要求可分為以下幾部分內(nèi)容。

首先，要具備抗鹽霧、抗海水腐蝕、抗風(fēng)暴等能力。燃?xì)廨啓C(jī)的葉片需能承受因鹽霧引起的腐蝕，并防止海水從進(jìn)氣道進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)。同時(shí)在艦艇顛簸、橫搖和縱傾狀態(tài)下、燃?xì)廨啓C(jī)能正常運(yùn)行。并且在水下爆炸和空中爆炸沖擊波作用下，燃?xì)廨啓C(jī)仍能正常運(yùn)行。

其次，要具備抗浸水、降噪聲、紅外抑制以及倒車(chē)功能。當(dāng)艦艇遭到破壞出現(xiàn)機(jī)艙進(jìn)水時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)要能保持運(yùn)行。另外艦用燃?xì)廨啓C(jī)要具備降低機(jī)艙內(nèi)的噪聲、經(jīng)機(jī)組進(jìn)氣道和排氣道向外輻射噪聲的能力。同時(shí)，為防止紅外導(dǎo)彈襲擊，艦用燃?xì)廨啓C(jī)要具備將大氣煙氣溫度降至200℃以下的能力，動(dòng)力裝置必須能倒車(chē)，采用燃?xì)廨啓C(jī)作為主機(jī)的艦船主要靠變距槳來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可采用配備有倒車(chē)齒輪的齒輪箱來(lái)實(shí)現(xiàn)。

最后，燃?xì)廨啓C(jī)尤其是其部分負(fù)荷下油耗率應(yīng)該控制在較低水平；輸出轉(zhuǎn)速能在寬廣范圍內(nèi)變化，并在任何工況下機(jī)組能夠保持運(yùn)行平穩(wěn)、且振動(dòng)小、不喘振，負(fù)荷能快速變化來(lái)滿(mǎn)足艦船航行需求；為了實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)操縱方便，可采用集散控制系統(tǒng)（DCS），并設(shè)有三級(jí)控制，即艦橋控制臺(tái)，集中控制室，機(jī)旁就地操縱臺(tái)三級(jí)。正常情況下由艦橋控制臺(tái)操縱運(yùn)行，而機(jī)組的起動(dòng)、停機(jī)和改變運(yùn)行方式由集中控制室操縱，當(dāng)艦橋控制臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)由集中控制室操縱；就地操縱臺(tái)為緊急備用，在上述兩級(jí)控制發(fā)生故障時(shí)啟用。

綜合來(lái)看，艦船使用條件對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)有著較高的使用要求，需在滿(mǎn)足這些條件下來(lái)研制和生產(chǎn)艦用燃?xì)廨啓C(jī)，從而使艦船達(dá)到良好的戰(zhàn)術(shù)性能。

3 艦用燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展

燃?xì)廨啓C(jī)用于艦艇最突出的優(yōu)點(diǎn)就是質(zhì)量輕，比同功率高速柴油機(jī)輕得多；其次是單位體積功率大，在同樣空間內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)可提供更大功率，使艦艇達(dá)到更高航速；還有就是燃?xì)廨啓C(jī)具備起動(dòng)快、振動(dòng)小、運(yùn)行平穩(wěn)、可燃用多種液體燃料、維護(hù)保養(yǎng)方便、可靠性高、操作簡(jiǎn)單和便于遠(yuǎn)距離操縱等有點(diǎn)，用作艦艇動(dòng)力設(shè)備非常合適。

上個(gè)世紀(jì)60年代，西方許多國(guó)家開(kāi)始對(duì)艦用推進(jìn)動(dòng)力燃?xì)廨啓C(jī)化展開(kāi)研究：1962年，前蘇聯(lián)“卡辛”級(jí)驅(qū)逐艦下水，該艦排水量5200t，最大航速64.8km/h，用4臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)雙槳推進(jìn)，總功率71600kW，這是世界上首次應(yīng)用燃?xì)廨啓C(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力的大型水面艦船。由此前蘇聯(lián)率先走上了艦用動(dòng)力燃?xì)廨啓C(jī)化道路；1968年英國(guó)確定了艦用動(dòng)力全燃化方針，研制了Olympus TM系列等艦用燃?xì)廨啓C(jī)并用于軍艦中；1975年美國(guó)LM2500燃?xì)廨啓C(jī)的問(wèn)世，標(biāo)志著其正式進(jìn)入全燃化時(shí)代；1980年后，日本也走上了艦用動(dòng)力全燃化道路。

我國(guó)在動(dòng)力燃?xì)廨啓C(jī)研究初期，艦用燃?xì)廨啓C(jī)研制途徑有航機(jī)改型輕型機(jī)組、按重型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)艦用機(jī)組和專(zhuān)為船用研制輕型機(jī)組三種。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，按重型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)組由于質(zhì)量和尺寸均較大，且零部件厚重不能滿(mǎn)足負(fù)荷快速變化的要求而被淘汰；由航機(jī)經(jīng)艦用化改型的機(jī)組由于質(zhì)量輕、尺寸緊湊、能快速加載和減載，機(jī)組效率高等優(yōu)勢(shì)，被證明是艦用燃?xì)廨啓C(jī)最合適的發(fā)展途徑。

4 艦用燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置前景展望

4.1 其他單一艦用動(dòng)力裝置

4.1.1 艦用柴油機(jī)

船舶柴油機(jī)因熱效率高、功率范圍大、機(jī)動(dòng)性好、尺寸小、重量輕以及可直接反轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，在海軍中小型水面艦船和常規(guī)潛艇推進(jìn)系統(tǒng)中占有重要地位[6-7]。柴油機(jī)動(dòng)力裝置相比燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，耗油率較低，有較高的經(jīng)濟(jì)性；第二，操作簡(jiǎn)單，啟動(dòng)方便，正倒車(chē)迅速。與此同時(shí)，柴油機(jī)動(dòng)力裝置還具備以下缺點(diǎn)：第一，工作中噪聲、振動(dòng)比較大，降低了艦船隱蔽性；第二，中、高速柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件磨損比較嚴(yán)重；第三，柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)穩(wěn)定性差，影響艦船低速航行性能；第四，柴油機(jī)過(guò)載能力較差，在超過(guò)負(fù)荷10%時(shí)，僅能運(yùn)行1h。

4.1.2 艦用汽輪機(jī)

汽輪機(jī)動(dòng)力裝置由高溫高壓蒸汽作為工質(zhì)推動(dòng)汽輪機(jī)葉輪，使艦船獲得推進(jìn)的動(dòng)力[8]。汽輪機(jī)動(dòng)力裝置相比燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，單機(jī)功率大；第二，可以使用煤以及劣質(zhì)燃料油等成本低廉燃料。汽輪機(jī)動(dòng)力裝置同樣也具備以下幾個(gè)缺點(diǎn)：第一，裝置的尺寸、總重量大；第二，燃油消耗較大，在相同燃料儲(chǔ)備下續(xù)航力低；第三，機(jī)動(dòng)性能差，啟動(dòng)、暖機(jī)、轉(zhuǎn)換工況消耗時(shí)間較長(zhǎng)[9-10]。

4.2 聯(lián)合動(dòng)力裝置

聯(lián)合動(dòng)力裝置中目前應(yīng)用最多的是CODOG、COGOG和COGAG三種。由于燃?xì)廨啓C(jī)效率提高很快，已高于汽輪機(jī)，故COSAG已不再應(yīng)用，CODAG由于并車(chē)裝置復(fù)雜，且并車(chē)后加力功率增加不多，航速提高有限，故應(yīng)用較少。

此外，還有COGAS裝置。余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)在艦船上的應(yīng)用，能有效地降低燃油消耗。但由于余熱鍋爐尺寸較大，又需凝汽設(shè)備，系統(tǒng)較復(fù)雜，整個(gè)裝置所需空間較大，后來(lái)停止發(fā)展，改為發(fā)展間冷回?zé)崤炗萌細(xì)廨啓C(jī)。

4.3 艦用燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置前景展望

目前，艦用燃?xì)廨啓C(jī)已廣泛應(yīng)用于大型水面艦船中，如巡洋艦、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦以及輕型航空母艦等，并且正在取代汽輪機(jī)的原有地位。燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力裝置，相比于柴油機(jī)及汽輪機(jī)等動(dòng)力裝置，既有其優(yōu)勢(shì)亦有其劣勢(shì)。相比于柴油機(jī)在動(dòng)力性能方面優(yōu)勢(shì)顯著，而相比于汽輪機(jī)又有著機(jī)動(dòng)性及效率方面的長(zhǎng)處。

考慮到燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置在部分負(fù)荷工況下效率較低的問(wèn)題，為有效解決戰(zhàn)時(shí)對(duì)動(dòng)力性的高要求及巡航工況下對(duì)經(jīng)濟(jì)性的高要求兩大矛盾，因此不同于普通民用商船，大中型水面艦艇通常會(huì)優(yōu)先采用燃?xì)廨啓C(jī)作為加力機(jī)組聯(lián)合動(dòng)力裝置，而不采用單一機(jī)型動(dòng)力裝置。

總體而言，燃?xì)廨啓C(jī)目前已被確認(rèn)為綜合性最優(yōu)越的艦用動(dòng)力裝置，在排水量數(shù)千噸的軍艦中，燃?xì)廨啓C(jī)將具有良好的發(fā)展趨勢(shì)，并保持現(xiàn)有在艦用動(dòng)力裝置中的優(yōu)勢(shì)地位。在民用船舶領(lǐng)域，由于燃料經(jīng)濟(jì)性，燃?xì)廨啓C(jī)不及柴油機(jī)，特別是大型遠(yuǎn)洋商船應(yīng)用燃用重油低速柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性，還處于試用階段[11]。近年來(lái)，以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力的噴水推進(jìn)高速船已逐漸投運(yùn)，并具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，成為一個(gè)新的發(fā)展亮點(diǎn)。

5 艦用燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

艦用燃?xì)廨啓C(jī)主要通過(guò)改進(jìn)熱力循環(huán)、提高壓比、燃?xì)獬鯗睾筒考实却胧?，提高功率與熱效率。未來(lái)采用復(fù)雜循環(huán)艦用燃?xì)廨啓C(jī)，其熱效率有望進(jìn)一步提高。另外，艦用燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性與可維護(hù)性也是非常重要的指標(biāo)，能夠提升艦用燃?xì)廨啓C(jī)燃燒效率與可靠性，進(jìn)而降低總費(fèi)用，提升艦船作戰(zhàn)有效性。

以航空燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)機(jī)型，不斷研制不同類(lèi)型、不同功率艦用機(jī)型，保證了其可靠性、先進(jìn)性以及周期短、風(fēng)險(xiǎn)低和成本低等特點(diǎn)。由于研制和生產(chǎn)新機(jī)型難度較高，要以成熟機(jī)型為基礎(chǔ)不斷升級(jí)改進(jìn)，提高汽輪機(jī)性能，在是燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品系列化發(fā)展的另一條有效途徑。

6 結(jié)論

大中型水面艦船動(dòng)力裝置燃?xì)廨啓C(jī)化趨勢(shì)日益明顯。艦用燃?xì)廨啓C(jī)將繼續(xù)奉行“航空派生”為主政策，在航空燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，不斷向系列化、譜系化方向發(fā)展。為滿(mǎn)足巡航工況高經(jīng)濟(jì)性要求及戰(zhàn)時(shí)工況高動(dòng)力性要求，要優(yōu)先采用燃?xì)廨啓C(jī)作為加力機(jī)組聯(lián)合動(dòng)力裝置。艦用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展，將本著提高功率、降低油耗與排放以及提升緊湊性、可靠性與可維性的目標(biāo)不斷發(fā)展。