中大型水面艦船推進(jìn)系統(tǒng)研究分析

張博杰，胡 鍇

中大型水面艦船推進(jìn)系統(tǒng)研究分析

張博杰，胡 鍇

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

隨著海軍對(duì)船舶動(dòng)力/電力平臺(tái)要求的不斷提高，艦船混合動(dòng)力系統(tǒng)以其高燃油經(jīng)濟(jì)性、高續(xù)航能力等優(yōu)勢(shì)而越來越受到各方關(guān)注。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外艦船發(fā)展?fàn)顩r，針對(duì)中大型水面艦船推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析，闡述混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展空間。

護(hù)衛(wèi)艦 混合動(dòng)力

0 引言

水面戰(zhàn)斗艦艇在水面艦船中角色多變、任務(wù)多樣，是現(xiàn)代海戰(zhàn)中最可能直接參戰(zhàn)的艦船，同時(shí)伴隨著武器裝備的發(fā)展，驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦作戰(zhàn)需求的提高，水面戰(zhàn)斗艦艇噸位也在不斷增加，中大型水面戰(zhàn)斗艦艇深受各國(guó)海軍重視。艦船動(dòng)力系統(tǒng)是水面戰(zhàn)斗艦艇的主要系統(tǒng)之一，其使命任務(wù)是提供艦船所需的推進(jìn)動(dòng)力。動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)性能對(duì)艦船總體性能有重大影響，能直接影響艦船能否順利完成其使命任務(wù)。

隨著海軍對(duì)船舶動(dòng)力/電力平臺(tái)要求的不斷提高，以及化石能源的逐漸減少和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，柴電混合推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)正日益受到更多關(guān)注[1]。它通過傳動(dòng)耦合裝置，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)單獨(dú)推進(jìn)、電機(jī)單獨(dú)推進(jìn)或混合推進(jìn)等工作模式，滿足艦船不同工況對(duì)動(dòng)力裝置的不同需求，在中大型水面戰(zhàn)斗艦艇中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 國(guó)內(nèi)外中大型水面戰(zhàn)斗艦船推進(jìn)系統(tǒng)現(xiàn)狀

在目前的世界海軍中大型水面戰(zhàn)斗艦艇隊(duì)伍中，世界各國(guó)在進(jìn)行艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)選型時(shí)，大多與本國(guó)的政策、工業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)水平以及經(jīng)濟(jì)實(shí)力等相結(jié)合，存在諸多的樣式及變化[2]。

法國(guó)“拉斐特”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦，標(biāo)準(zhǔn)排水量為3353噸，滿載排水量為3810噸，采用全柴動(dòng)力傳動(dòng)裝置（CODAD）。采用4臺(tái)SEMT-皮爾斯蒂克12 PA6 V 280 STC柴油機(jī)，輸出功率為15.52 MW驅(qū)動(dòng)2個(gè)5葉調(diào)距螺旋槳?！袄程亍奔?jí)護(hù)衛(wèi)艦最高航速可達(dá)到25節(jié)，其續(xù)航力在12節(jié)時(shí)可達(dá)9000海里，在15節(jié)時(shí)可達(dá)7000海里。

俄羅斯“格里戈洛維奇”級(jí)11356M型護(hù)衛(wèi)艦，標(biāo)準(zhǔn)排水量為3620噸，滿載排水量為4035噸，采用全燃聯(lián)合動(dòng)力傳動(dòng)裝置（COGAG）。采用2臺(tái)Zorya DN-59燃?xì)廨啓C(jī)，輸出功率為34.2 MW，2臺(tái)Zorya UGT 6000燃?xì)廨啓C(jī)，輸出功率12.4 MW。11356M型護(hù)衛(wèi)艦最高航速可達(dá)到32節(jié)，其續(xù)航力在14節(jié)時(shí)可達(dá)4850海里。

俄羅斯“戈?duì)柺部品颉奔?jí)22350型護(hù)衛(wèi)艦，標(biāo)準(zhǔn)排水量為4550噸，采用柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力傳動(dòng)裝置（CODAG）。采用2臺(tái)M90FR燃?xì)廨啓C(jī)，輸出功率為20.5 MW，2臺(tái)10D49柴油機(jī)，輸出功率3.9 MW。22350型護(hù)衛(wèi)艦最高航速可達(dá)到29節(jié)，其續(xù)航力在14節(jié)時(shí)可達(dá)4000海里。22350型護(hù)衛(wèi)艦的出口型號(hào)——22356型護(hù)衛(wèi)艦，其柴電混合動(dòng)力裝置能確保最大航速達(dá)到29.5節(jié)，經(jīng)濟(jì)航速時(shí)續(xù)航能力4500海里。

挪威“弗里德約夫·南森”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦，標(biāo)準(zhǔn)排水量為4100噸，滿載排水量為5375噸，采用柴燃聯(lián)合動(dòng)力傳動(dòng)裝置（CODAG）。采用1臺(tái)GE LM2500燃?xì)廨啓C(jī)，輸出功率為19.2 MW，2臺(tái)Bazan Bravo 12V柴油機(jī)，輸出功率9 MW。艏部配置伸縮式側(cè)向電動(dòng)推進(jìn)器，功率1 MW?！袄程亍奔?jí)護(hù)衛(wèi)艦最高航速可達(dá)到26節(jié)，其續(xù)航力在16節(jié)時(shí)可達(dá)4500海里。

英國(guó)公爵級(jí)26型護(hù)衛(wèi)艦正在全面替代全球首次采用柴電燃聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODLAG）的23型護(hù)衛(wèi)艦，以期獲得更好的應(yīng)用性能。26型護(hù)衛(wèi)艦滿載排水量5400噸，采用柴電燃交替動(dòng)力裝置（CODLOG）。采用1臺(tái)羅爾斯羅伊斯公司生產(chǎn)的MT30燃?xì)廨啓C(jī)，輸出功率為35 MW，4臺(tái)MTU 20V 400 M35 B柴油發(fā)電機(jī)組，輸出功率12.2 MW，2臺(tái)通用電氣公司推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出功率6.4 MW。26型護(hù)衛(wèi)艦最高航速可達(dá)到28節(jié)，其續(xù)航力在15節(jié)時(shí)可達(dá)7000海里。

從以上信息不難看出，當(dāng)今世界中大型水面戰(zhàn)斗艦艇推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)仍舊以柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)為為原動(dòng)機(jī)機(jī)械推進(jìn)為主體，但始終在不斷的調(diào)整和轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)由單一機(jī)械動(dòng)力到混合機(jī)械動(dòng)力再到機(jī)械電力混合動(dòng)力的發(fā)展變化，以適應(yīng)海軍技術(shù)戰(zhàn)術(shù)的發(fā)展和作戰(zhàn)方式的變化。

2 柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)論述

傳統(tǒng)的以柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，無論是柴油機(jī)還是燃?xì)廨啓C(jī)，在性能（尤其是低工況性能）、經(jīng)濟(jì)性和功率等方面都存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)地選擇全柴或全燃動(dòng)力，甚至柴燃混合動(dòng)力，都難以完全滿足艦船不同工況對(duì)動(dòng)力裝置的不同需求。而且隨著電力推進(jìn)技術(shù)的成熟，針對(duì)水面戰(zhàn)斗艦艇的噸位及對(duì)機(jī)動(dòng)性不同的要求，越來越多地采用電力推進(jìn)和機(jī)械推進(jìn)混合動(dòng)力系統(tǒng)。

柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)，是一種混合利用柴油電力推進(jìn)和柴油機(jī)直接機(jī)械推進(jìn)的艦船推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)。顧名思義，柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)包含電力推進(jìn)和機(jī)械推進(jìn)兩種推進(jìn)模式，由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)單獨(dú)或共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳。同時(shí)，系統(tǒng)通過柴油機(jī)組發(fā)電，為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和日用用電負(fù)載供電。

柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)綜合了電力推進(jìn)和機(jī)械推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，可通過合理的動(dòng)力配置利用最少的燃油完成推進(jìn)任務(wù)。在中低速時(shí)采用柴油機(jī)組發(fā)電驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)的推進(jìn)方式，系統(tǒng)控制靈活，振動(dòng)噪聲水平低，船舶電網(wǎng)的容量與全電力推進(jìn)系統(tǒng)相比得到降低；在中高速時(shí)采用柴油機(jī)與推進(jìn)電動(dòng)機(jī)聯(lián)合推進(jìn)，以獲得更高的航速。

根據(jù)水面戰(zhàn)斗艦艇的運(yùn)行動(dòng)力需求，水面戰(zhàn)斗艦艇必然至少存在船舶巡航推進(jìn)工況和全速航行推進(jìn)工況兩種。為滿足航速要求，艦船設(shè)計(jì)時(shí)常被設(shè)計(jì)成具有27節(jié)以上最大航速，但實(shí)際使用時(shí)大多數(shù)時(shí)間是以低速航行，這必然帶來燃油的巨大消耗。柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)可通過合理的動(dòng)力配置，利用最少的燃油完成推進(jìn)任務(wù)。這不僅僅是減少了燃油費(fèi)用，而且還限制了燃油艙，進(jìn)而減少維持推進(jìn)所需的艦船體積，有效節(jié)省艦船成本，同時(shí)可為武備系統(tǒng)騰出更多的空間。

而且隨著未來海軍武器裝備（如高功率偵測(cè)系統(tǒng)、激光武器、電磁武器等）發(fā)展，軍方對(duì)船舶動(dòng)力/電力平臺(tái)提出了更高的要求。這必然要求艦船動(dòng)力系統(tǒng)具有更高的可靠性，更大的電力供應(yīng)，戰(zhàn)損情況下更易維修等。但就目前而言，傳統(tǒng)的由柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)等為主體的機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)顯然無法勝任，在艦船動(dòng)力系統(tǒng)中引入電力推進(jìn)模式會(huì)是必然的選擇。當(dāng)柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)工作在電力推進(jìn)模式時(shí)，這是一種由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)變頻器把滿足要求電流送到推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)螺旋槳的推進(jìn)方式。發(fā)電機(jī)除了向推進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供電力外，還可向艦船的作戰(zhàn)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、生活居住需求以及其他任務(wù)需求提供電力。電力驅(qū)動(dòng)的好處是，發(fā)電機(jī)可以配置在艦船的任何位置，只需要通過傳輸線纜與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電力連接就行。這種靈活性可為提高艦船生存能力提供更自由的選擇，有效提高艦船生存能力。此外，推進(jìn)軸由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，要比機(jī)械齒輪驅(qū)動(dòng)安靜得多，可使艦船具有良好的聲學(xué)特征。

此外，柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)中包含的電力推進(jìn)和機(jī)械推進(jìn)的控制策略存在差異。機(jī)械推進(jìn)艦船一般選用簡(jiǎn)單的功率開環(huán)控制，由艦船檔位直接控制原動(dòng)機(jī)的油門開度。確定各個(gè)檔位與油門開度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而達(dá)到期望的航行速度。選用這種控制方式，主要是因?yàn)樵瓌?dòng)機(jī)的油門不宜頻繁調(diào)整，以免降低設(shè)備的使用壽命。而電力推進(jìn)系統(tǒng)，由于電機(jī)控制靈活，可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船航行速度的精確控制。根據(jù)艦船設(shè)計(jì)需要，可以靈活選擇功率控制或轉(zhuǎn)速控制方式。

3 結(jié)束語

綜合而言，柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)具有提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)費(fèi)用、適應(yīng)多種航行工況、減少排放污染、提高續(xù)航能力、提高作戰(zhàn)能力等諸多優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代中大型水面戰(zhàn)斗艦艇中具有廣大的應(yīng)用空間，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，同時(shí)具備很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 張益敏, 陳俐, 朱劍昀. 混合動(dòng)力船舶動(dòng)力裝置及能量管理研究綜述[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2018, 40(3): 1-7.

[2] 徐青編著. 國(guó)外現(xiàn)代驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2017.

Research and Analysis on Propulsion System of the Medium and Large Surface Vessels

Zhang Bojie, Hu Kai

(China Ship Development and Design Centre, Wuhan 430064)

U664.14

A

1003-4862（2019）05-0028-02

2018-12-14

張博杰（1992-），男，助理工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。Email: bjzhang92@126.com。