舰艇动力装置

舰艇动力装置是舰艇上用于提供推进动力和提供能源的机械、设备和系统的总称，包括主动力装置和辅助动力装置两部分。舰艇动力技术是为提高舰艇动力装置的性能所开发和应用的技术的总和。
[国外概况] 一、舰艇动力装置的分类和发展历程
　　舰艇动力装置是舰艇上用于提供推进动力和提供能源的机械、设备和系统的总称。不同类型的主机、不同形式的动力传动方式和推进器的组合产生了不同的动力装置。由于核心部件是主机，因此一般根据主机的类型将动力装置划分为蒸汽轮机、燃气轮机、柴油机和核动力四种基本类型。
　　1、蒸汽轮机
　　蒸汽轮机动力装置以蒸汽轮机作为推进主机，由锅炉产生的高温、高压蒸汽推动蒸汽轮机作功，蒸汽轮机所获机械功再通过减速齿轮箱等传给螺旋桨，从而完成推进使命。其最主要的特点是在常规动力中，它的单机功率最大，且寿命长、可*性高，并可使用劣质燃料。经过近百年的发展，蒸汽轮机动力装置技术已经相当成熟，目前主要用于大中型水面舰。蒸汽轮机动力装置的缺点是：装置复杂、附属设备多、初建费用高、热效率低、耗油率高、经济性差、起动速度慢、机动性较差等。
　　2、燃气轮机
　　燃气轮机动力装置的工作原理是将燃气轮机的压力机送出的压缩空气在燃烧室中与燃油混合燃烧，生成高温、高压燃气，该燃气对动力涡轮作功，动力涡轮通过减速齿轮箱等传动设备驱动螺旋桨。它具有机动性好、全负荷时燃油消耗低、结构紧凑、重量轻、辅机及系统简单、操纵方便、维修性好等优点，已日益广泛地应用于大中型水面舰艇。
燃气轮机按使用方式可分为全工况燃气轮机、巡航燃气轮机和加速燃气轮机。后者用于舰艇联合动力装置。当前世界各国海军使用的舰用燃气轮机中有三种型号发动机用得最多，其性能也最令人注目，它们是美国的LM2500型、俄罗斯的ГТД15000型和英国的"斯贝"SMIC型。
　　燃气轮机动力装置的主要缺点有低负荷时燃料消耗率高、进排气装置尺寸大、需配置复杂的倒车齿轮系统或变螺距螺旋桨、造价高等。
　　3、柴油机动力装置
　　柴油机动力装置的工作原理是：进入柴油机汽缸内的新鲜空气被活塞压缩到燃油能自行燃烧的温度时，用高压油泵将燃油喷射成雾状颗粒与压缩空气混合，并自行着火。燃烧后产生的高温、高压燃气在汽缸内膨胀作功，推动活塞运动，通过曲柄连杆机构将机械功从曲轴输出，带动螺旋桨工作。1897年，德国研制成功柴油机，经过近百年的发展，柴油机目前已成为一种成熟的、热效率最高的大型热动力机械，成为目前中、小型军用舰艇广泛应用的推进动力。与其他类型动力装置比较，柴油机具有热效率高，燃油消耗率低，启动快，加速性能好，可正反转运行；空气消耗量少；抗冲击性好，独立性强，能采用低弹性材料；结构紧凑，易于实现远距离操纵和自动控制等优点。其缺点是单机功率较小，振动和噪声较大等。
　　4、核动力装置
　　以核反应堆为能源的动力装置称为核动力装置。其工作原理是：核反应堆中原子核裂变所产生的热能通过一回路中的冷却剂带走，在蒸汽发生器中将该热能传递给二回路中的水，所产生的高温、高压蒸汽驱动蒸汽轮机，经减速后带动螺旋桨航行。美国海军从1948年开始研究发展潜艇核动力装置，在50年代发展了S2W、S3W、S4W、S5W四个压水堆堆型和S2G钠冷堆堆型，60年代发展了S5WA、S5W－Ⅱ、S4G、S5G四个堆型，70年代发展了S6G、S8G堆型，80年代发展了S6W等堆型，形成了SW和SG系列。从90年代到21世纪初，美国海军主要采用S8G和S6W型反应堆，这两种型号的核动力装置都具有功率大、反应堆寿命长、自然循环能力高、安静性好、自动化程度高等特点。在正在建造的"弗吉尼亚"级攻击型核潜艇中使用了最新的S9G型反应堆。
　　英国60年代初期在引进美国S5W型核动力装置的基础上开始研制自己的潜艇核动力装置。80年代，英国开始研制第二代潜艇核动力装置PWR－2型。其堆芯寿命达10年，安全性和可*性有所改进，提高了自动化程度。
　　法国于60年代初研制出PAT型分散布置压水堆装置，功率约81600马力，70年代研制出CAP型一体化反应堆装置，功率为65300马力。80年代又发展K15型高功率一体化压水堆核动力装置，输出功率达41000马力，堆芯寿命达到25年。
　　二、当代舰艇动力装置高新技术和发展趋势
　　当代舰艇动力装置的高新技术是多方面、多层次的。其主要方面包括：
　　1、舰艇联合动力装置
　　联合动力装置是指由两种不同类型和型号的主机、传动装置、轴系和推进器等构成的，能发挥每型主机的特性和优点，满足舰艇在不同航行工况下对动力装置的需求的动力装置，目前已广泛应用于大、中、小型水面舰艇。
　　舰用联合动力装置主要有以下几种类型：
（1）柴-燃联合动力装置。这种动力装置以柴油机为巡航基本动力，燃气轮机为加速或高速航行时的动力。
　　柴-燃联合动力装置中用的较多的是CODOG型柴-燃交替推进方式。由柴油机进行巡航时的低速航行；由燃气轮机单独驱动做高速航行。柴油机和燃气轮机驱动的转换由自动同步离合器实施，这使CODOG在装置结构、控制和运行方面得以简化，提高了系统可*性。柴油机功率是按巡航速度需要而选定的，故能更加突出舰艇巡航工况下低油耗的优点，以获得更大的续航力；燃气轮机则按全速航行状态选用，使其接近额定工况运行，这样既能满足舰艇高速航行时的功率需求，又能保持较低的油耗而获得经济效益。
　　柴-燃联合动力装置的另一种推进方式是CODAG型。通常采用三机两轴式配置方式，即一台燃气轮机，两台柴油机驱动双螺旋桨。巡航采用柴油机，较高航速采用燃气轮机，全航速则由燃气轮机和柴油机联合并车工作。这种配置方式避免了燃气轮机和柴油机单独驱动各自的螺旋桨的拖桨损失，但是存在着并车齿轮箱和控制系统复杂、两种主机同时工作的功率匹配和调速同步等问题。
　　柴-燃联合动力装置还有一种演变形式是CODEAG型。即柴电燃联合动力装置。这种动力装置采用双轴推进。在低速时，使用柴油发电机组向同轴直流推进电机供电；在高速时，使用燃气轮机驱动螺旋桨，直流推进电机也投入工作。
（2）燃-燃联合动力装置
　　这种动力装置根据巡航主机和加速主机功率的大小，又分为燃-燃交替使用动力装置（COGOG）和燃-燃联合使用动力装置（COGAG）。
　　在COGOG中，加速机组的功率远大于巡航机组的功率；在COGAG中，巡航燃气轮机的功率也比较大，在高速时联合使用可提高舰艇的最高航速。
（3）柴--柴联合动力装置。
　　随着柴油机技术的发展，轻型高速高增压大功率柴油机已可满足护卫舰及小型驱逐舰的需要。这种全柴联合推进方式一般由2或3台同一型号柴油机通过并车组成一根推进轴。
　　2、不依赖空气动力装置（AIP）系统
　　目前国外发展的AIP主要有热气机、闭式循环柴油机、燃料电池、闭式循环汽轮机等。在潜艇上加装一个重200~300吨的装有AIP系统的舱段，可使潜艇水下潜航时间达到10~20天，在经济航速一次潜航距离增加1000多海里（是原来的4~5倍），暴露概率下降30~40%。但由于增加了潜艇的排水量和长度，将使潜艇的最大航速下降3%。
　　热气机的优点是技术相对成熟，已正式装备瑞典海军潜艇，优点是振动噪声小、在燃烧压力对应的海水深度内可自由排气。缺点是加工要求高、制造难度大、价格高、单机功率小、对负荷的响应速度慢、对燃油和管理水平要求高。
　　闭式循环柴油机是世界上研究国家最多的AIP系统。基本原理是将柴油机工作时废气中的二氧化碳和水提取出来，排出艇外，在废气中加入适当的氧气，通过闭式循环系统重新回到柴油机进气口。优点是通用性强、技术成熟、制造难度小；操作管理方便；单机功率大；水下排气与潜深无关；能水上、水下通用；可*性好、价格低等。缺点是运行的信号特征大。对闭式循环柴油机研制比较成功的是德国、英国和荷兰。
　　燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的装置。其优点是热效率高、散热少、无运转部件、信号特征少、维修和控制方便、过载能力强、配置灵活、自由度大、不污染环境。它代表了AIP系统的研究方向，也是最有发展希望的AIP系统。目前研制成功的燃料电池是碱性燃料电池（AFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC），发展水平最高的是德国。德国212级潜艇将采用固体聚合物燃料电池做辅助动力，功率300千瓦。首艇将于2003年服役。水下续航力比不采用AIP的相应潜艇提高4倍以上，暴露率下降35％。
　　法国开发的自主式水下动力系统（MESMA）是一闭式循环汽轮机系统，在出口巴基斯坦的"阿戈斯塔"90B潜艇上将安装一组200千瓦的MESMA系统。
　　德国、荷兰和英国开发了闭式循环柴油机（CCD）系统。
　　3、柴油机
　　柴油机是使用最广泛的舰船动力装置。不仅在常规潜艇、快艇、两栖舰和辅助舰船中有重要的作用，而且在驱逐舰、护卫舰上也有应用。近期用于大功率舰用柴油机的新技术包括：相继增压技术、增压系统调控技术、停缸技术、电喷技术、微机监控技术、减振和抗冲击技术、控制排放指标的技术等。
　　4、燃气轮机
　　中冷回热式（ICR）燃气轮机是当今舰船燃气轮机研制领域的热点。第二代高压比燃气轮机采用ICR技术，不但能显著改善设计工况下的经济性和明显增大功率，而且能极大地降低低工况下的耗油率。如果再采用变几何动力涡轮，将能进一步降低部分负荷下的耗油率。据研制情况表明，ICR燃气轮机的性能将优于多数舰用柴油机，从而可构成高效率、大功率并具有良好的部分负载性能的全工况燃气轮机机组，使得没必要设置巡航机组，可大大简化战舰动力装置的布置，有利于后勤保障。如美、英联合研制的WR－21燃气轮机的主要目标是使其燃油消耗量比现用燃气轮机减少27％，经1200小时试验表明已取得大于21％的结果。
　　5、继续发展核动力装置
　　国外海军的核动力装置发展重点为：
（1）提高核安全可*性。据统计，世界各国核潜艇已发生各类严重事故136起，其中沉没事故13起。核舰艇的安全问题，特别是反应堆的安全问题不容忽视。目前国外海军的研究重点在于：提高反应堆的固有安全性、提高压水堆的自然循环能力、应用非能动安全系统，使核动力装置在各种事故情况下，不需人为操作，能自动保证反应堆的安全、提高反应堆的自动控制能力。
（2）增长堆芯寿命。寿命的延长可减少核燃料的更换次数，提高核潜艇的在航率，降低全寿命费用，减少对环境的污染等。长寿命堆芯的关键是设计长寿命燃料元件，研制耐腐蚀、耐辐照材料。
（3）提高自然循环能力。现代舰艇反应堆装置不断提高自然循环能力，利用冷却剂在一回路中的温升而造成的密度差作为动力进行循环，而不是使用循环泵作动力进行强制循环。
　　6、综合全电力推进（IFEP）系统
　　自80年代以来，美国海军一直积极发展舰艇综合全电力推进系统，主要集中发展海军舰艇推进、电力和控制系统。
　　美国在21世纪海军发展规划中，明确提出综合全电力推进系统的研究工作主要集中在发电(如WR-21中冷回热燃气轮机、燃料电池等)、电力储存(如蓄电池、电感能量储存、电容能量储存)和推进技术(如永磁电机)等方面。
　　综合全电力推进系统的发展分三个阶段：小比例预研、全尺寸样机预研和全尺寸工程研制。前两个阶段已接近完成。第一阶段中制成了3兆瓦（MW）、300转/分的轴向磁通永磁电机，第二阶段中制造了9.2MW、150转/分的全尺寸永磁电机样机。该样机由两个半功率模块组成，共用机壳、轴和轴承，采用钕-铁-硼稀土永磁材料，代替传统的线绕电枢，同时还采用横向磁通技术，电机小而轻。1998财政年度开始全尺寸工程研制。
　　同机械推进方式相比，综合全电力推进系统在经济性、提高战斗力、增强生命力等方面具有优势：
（1）经济性好。IFEP系统油耗小，据美国近期报道，驱逐舰采用全电力推进，在30年工作寿命期间将比机械推进节省16%以上的燃料费。IFEP节油的原因在于：
　　a)低速航行时，电力推进可用较少的发动机提供相同的净功率。
　　b)电力推进舰艇在低速航行时，能够使原动机在高功率工作点运行，而机械推进舰艇在低速航行时，原动机效率下降，耗油量增大。
　　c) IFEP系统减去了舰艇的辅助装置和战斗系统所需的单独发电机组。
　　d）在双体船、三体船等非常规船型上使用时，IFEP系统易于实现自动化、可减少人员配置，降低培训费、布置的灵活性可使舰船结构优化，减少舰船的排水量、改善了舰船的可生产性，降低了生产费用。舰艇航行时，只让所需的最小数量的原动机运行，减少了原动机总运行时间，可节省维护费用。
（2）提高了舰艇的战斗力
　　a)由于减少了原动机数量，去除了许多机械传动系统，可腾出有效空间以装载更多武器。
　　b)能为未来的激光、电磁武器提供足够的电力。
　　c)改善了操纵性.螺旋桨由电机控制，能在全速范围内实现无级调速，对指令的响应快、而机械系统具有一个最小的轴速，其响应受联轴节的较长的响应时间的制约。
　　d)增加了续航力。由于降低了耗油量，同样的燃油可提供更大的续航力。
　　e)不管是柴油机，还是燃气轮机，都不容易实现正、反两个方向运转的操作，为解决此问题，现代舰艇多采用可调距螺旋桨，但这种方式需耗费大量的燃料。而电力推进的反向问题可通过使用电力电子设备转换所用电源的极性或相位来方便地实现。可提高舰艇的操纵灵活性。
　　f）系统布置灵活，可降低排水量。由于突破了将发动机、推进器、传动轴系布置在一条直线上的传统设计模式，用电缆完全取代机械连接，原动机可以布置在任何地方，使全舰系统和设备布置更加灵活，从而降低舰艇排水量。
（3）增强了生命力。
　　a)降低了噪声、提高了隐蔽性。由于原动机可以布置在水线以上，从而可以降低水下辐射噪声，而且由于取消了齿轮箱，也大大降低了振动噪声。与机械推进相比，在宽频带可降低15~20分贝，在窄频带降低更多。
　　b）操作人员可选择最合适的发动机组合形式，确保发动机以最佳效率工作，避免了发动机的低负载运行。
　　c)IFEP系统由其左右舷双重总线向负载供电，具有很强的抗故障能力。推进系统也有备用线路，不易完全损坏。
　　IFEP系统的设计是当代先进的电力电子技术、交流调速技术、电机制造技术、永磁材料技术、计算机控制技术、先进燃气轮机技术等的综合运用，技术含量高，其关键技术有：
（1）大功率、高功率密度的永磁电机技术，包括电动机和发电机技术。
（2）大功率电力电子器件技术。目前各国主要是在不断提高绝缘栅双极晶体管的功率等级，以减小转换器的体积、重量。
（3）先进的燃气轮机技术。英美已联合发展了中冷回热燃气轮机WR-21，并进行了小功率高速燃气轮机发电机组的研究。
（4）区域配电系统及监控系统。
[影响] 舰艇动力技术的发展，特别是综合全电力推进技术的发展，将大大提高水面舰艇的生存能力和作战效果。
[技术难点] 综合电力推进存在的主要问题是动力装置过重和过于庞大、燃料电池尚有许多技术问题未能解决、柴油机的涡轮增压系统、燃油喷射系统发动机控制技术有待改进和提高、核动力装置的安全不容忽视等