伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引言

第二次世界大戰(zhàn)后，艦船工業(yè)得到了長足發(fā)展，艦船質(zhì)量和制造效率日益提高，建造周期也得以大幅縮短。隨著艦載武器、電子設(shè)備、造船材料和工藝的迅速發(fā)展，艦船工業(yè)自動化程度日益提高，艦船的發(fā)展邁入現(xiàn)代化階段[1-3]。

燃?xì)廨啓C作為艦船動力裝置被廣泛采用，并出現(xiàn)了采用核動力的航空母艦和大型水面艦船[1-3]。航空母艦以噴氣式飛機作為主要艦載機類型[4]，大、中型艦船開始普遍搭載直升機或垂直/短距起落飛機。導(dǎo)彈逐漸成為艦船的主要武器，并廣泛開始采用垂直發(fā)射系統(tǒng)。艦炮向全自動化發(fā)展，激光制導(dǎo)和近炸引信的炮彈開始使用。艦船隱身技術(shù)和新型合成裝甲材料開始得到應(yīng)用，模塊化造船工藝日趨完善，艦員的居住條件得到改善[5]。

隨著戰(zhàn)列艦失去戰(zhàn)場主導(dǎo)作用，逐步退出歷史舞臺，航空母艦、巡洋艦、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦等大型水面艦船日漸受到世界各國的重視，為此，針對艦船動力裝置的研究也有著其深遠(yuǎn)的意義。

1 艦用蒸汽動力裝置

1.1 艦用蒸汽動力裝置概述

早在19世紀(jì)，蒸汽動力裝置就已在各類艦船上得以應(yīng)用。而目前，航空母艦和核潛艇的戰(zhàn)略意義同樣與日俱增，所以長期以來針對蒸汽動力裝置的關(guān)注度居高不下。多年來，蒸汽動力裝置已得以充分完善，并有著較高的技術(shù)成熟度。

1.2 艦用蒸汽動力裝置的技術(shù)特點

蒸汽動力裝置的輸出功率源于設(shè)計過程中的許多因素，但主要取決于蒸汽流量和蒸汽狀態(tài)等參數(shù)。多年來，為提高蒸汽動力裝置的效率并減小整機重量與尺寸，已對其進行了諸多技術(shù)優(yōu)化。

隨著蒸汽壓力等參數(shù)的不斷提高，由于汽輪機葉片尺寸較小，所以在某一點機組內(nèi)部效率開始下降。為實現(xiàn)更高的輸出功率，需使汽輪機葉片在可接受范圍內(nèi)仍保持一定的徑向尺寸以適應(yīng)更高壓力，為此，可根據(jù)系統(tǒng)動力性要求對蒸汽狀態(tài)參數(shù)進行調(diào)節(jié)。由于較高的原始蒸汽溫度會減少末級汽輪機的水分，因此，增加汽輪機進口溫度有助于改善汽輪機效率。由于蒸汽會引起腐蝕，因此需對汽輪機進口處的蒸汽設(shè)定一個最低溫度值。一旦蒸汽溫度低于該數(shù)值，整機效率降低，磨損現(xiàn)象會進一步增加。

通常可將汽輪機葉片類型分成沖動式和反動式兩類。實際上，汽輪機葉片并不會制成純沖動式葉型或純反動式葉型，因為從葉根到葉梢通常為自然過渡，在葉梢附近反動度會有所增加，以此承受更高的負(fù)荷。但為方便起見，依然將汽輪機葉片簡單分為沖動式葉型或反動式葉型。一般而言，汽輪機靠近進氣端的高壓級主要采用沖動式葉型，而靠近排氣端的低壓級則采用反動式葉型。

汽輪機的扭矩-轉(zhuǎn)速特性與采用自由渦輪的燃?xì)廨啓C的特性相類似，減小航速時扭矩會有所增加。在艦船航行期間，考慮到機組所承受的熱應(yīng)力等情況，在將蒸汽通入冷態(tài)汽輪機時需謹(jǐn)慎為之，以適應(yīng)設(shè)備溫度狀態(tài)的變化過程。當(dāng)完成做功的乏汽離開汽輪機末級時應(yīng)對其進行冷凝處理，以便通過泵將其送回鍋爐，以此可使蒸汽在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)循環(huán)流動。

汽輪機的能量轉(zhuǎn)換效率一定程度上取決于葉片的類型、蒸汽的流動速度及葉片的切向速度等因素。不同類型的葉片具有不同的效率，為在有限空間內(nèi)要求達(dá)到足夠高的效率，汽輪機的轉(zhuǎn)速通常為每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)，但與螺旋槳的運行特性并不匹配，從而會在汽輪機與螺旋槳之間設(shè)置減速齒輪箱等裝置[6]。

同時，汽輪機、齒輪箱和冷凝器應(yīng)合理地進行布置，使其在長度、寬度和高度方向所占空間最小。冷凝器通常懸掛在汽輪機的下方，該三類設(shè)備能被安裝在同一個共用基座上。

由于汽輪機無法直接實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，因此艦船通常會配備倒車汽輪機，可通過倒車汽輪機以實現(xiàn)艦船的倒航。倒車汽輪機可與正車汽輪機安裝在同一根軸上，可根據(jù)航行需求使蒸汽分別通向正車汽輪機或倒車汽輪機，其中未投入使用的汽輪機直接進行空轉(zhuǎn)，為此并不會產(chǎn)生過大的鼓風(fēng)損失。倒車汽輪機功率通常約為正車汽輪機功率的30%，僅需采用級數(shù)較少的機型就可實現(xiàn)。因此與正車汽輪機相比，倒車汽輪機的重量及尺寸更為輕小。除了使艦船實現(xiàn)倒航之外，倒車汽輪機在在艦船運行期間可為螺旋槳軸提供制動力矩，以縮短全艦的制動過程。

2 艦用燃?xì)廨啓C動力裝置

2.1 艦用燃?xì)廨啓C動力裝置概述

艦用燃?xì)廨啓C通常由三類主要部件所組成，分別為燃?xì)獍l(fā)生器、動力渦輪和箱裝體。燃?xì)獍l(fā)生器可通過燃燒過程以產(chǎn)生熾熱的高溫燃?xì)猓渫ǔＳ蓧簹鈾C、燃燒室和壓氣機渦輪組成。大多數(shù)艦用燃?xì)廨啓C都是以航空發(fā)動機為基礎(chǔ)而實現(xiàn)改型的，因而其燃?xì)獍l(fā)生器基本上與航空發(fā)動機相同，但會在部件材料及燃燒過程等方面進行相應(yīng)調(diào)整[7-8]。

當(dāng)要求進一步提高整機功率時，可向燃燒室內(nèi)噴入更多燃油。隨著燃?xì)饬鳒囟?、壓力等參?shù)的持續(xù)提高，動力渦輪可輸出更高的軸功率。同時，對如壓氣機轉(zhuǎn)速及渦輪進口溫度等各種參數(shù)也需進行監(jiān)測，以確保其不會超過限值要求，燃油與空氣的質(zhì)量混合比也應(yīng)維持在可接受范圍內(nèi)。同時，燃?xì)廨啓C有著較好的加速性能，可在數(shù)秒內(nèi)迅速加速至最大功率。

2.2 艦用燃?xì)廨啓C的技術(shù)特點

考慮到燃?xì)廨啓C的技術(shù)特點，在艦船設(shè)計過程中通常會分別選用巡航機組和加速機組，以便使不同機組分別在其各自的最佳效率點附近運行。但由于以巡航工況運行的艦船未必能與同行艦隊中其他艦船的航速匹配良好，以此往往會造成所有的艦船都以最慢的巡航速度航行，或者航速較慢的艦船以加速機組運行而顯著降低了經(jīng)濟性。因此，通常希望艦用燃?xì)廨啓C在全部功率范圍內(nèi)的燃油消耗率曲線較為平坦。為此，如使用燃?xì)廨啓C作為單一類型的動力裝置時，更青睞于采用復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C。

如上文所述，采用自由渦輪的燃?xì)廨啓C的特性是在低功率時扭矩會有所增加。這是由于壓氣機轉(zhuǎn)速同自由渦輪的轉(zhuǎn)速無關(guān)。在不同的螺旋槳轉(zhuǎn)速工況下，將燃?xì)饽芰哭D(zhuǎn)換成為軸功率的效率取決于自由渦輪的特性，這種效率通常會隨螺旋槳軸轉(zhuǎn)速的減緩而下降。為此在設(shè)計推進系統(tǒng)時，必須要考慮到該特性，從而保證各個部件的扭矩轉(zhuǎn)速特性匹配良好。如果將動力渦輪與燃?xì)獍l(fā)生器通過轉(zhuǎn)軸連接在一起，以此當(dāng)動力渦輪轉(zhuǎn)速降低時，壓氣機轉(zhuǎn)速也會同時降低，從而會具有如下特性：當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)速降低時，輸出的扭矩也相應(yīng)減小，為此該特性并不適用于艦船航行工況。

燃?xì)廨啓C具有優(yōu)異的加速性能。該加速性能與渦輪葉片短時間所能承受的最高溫度、壓氣機流場畸變的可能性等因素密切相關(guān)。對許多配裝有雙螺旋槳的艦船而言，在一定的航速范圍內(nèi)，最經(jīng)濟的方式是只使用一臺燃?xì)廨啓C驅(qū)動一臺螺旋槳，而另一臺螺旋槳則處于拖曳狀態(tài)。在緊急情況出現(xiàn)時，僅需較短時間就可起動另一臺燃?xì)廨啓C，并使其投入正常運行。

迅速起動幾臺處于待機狀態(tài)的燃?xì)廨啓C可在短時間內(nèi)提升全艦的動力性能。該類運行形式可為不同的艦船運行模式提供了更高的靈活性，同時也可使部分燃?xì)廨啓C組以巡航工況運行，從而具有更佳的燃油經(jīng)濟性。

長期以來，基于艦用燃?xì)廨啓C的研發(fā)工作正在不斷開展中，機組技術(shù)水平也得以不斷提升。因此在輸出功率、壽命、效率等方面，最新的燃?xì)廨啓C的技術(shù)性能會顯著優(yōu)于早期的同類機型。

在艦船的設(shè)計過程中，部分情況下會以采用復(fù)雜循環(huán)的燃?xì)廨啓C替代巡航燃?xì)廨啓C+加速燃?xì)廨啓C的聯(lián)合動力裝置方案。這是由于采用復(fù)雜循環(huán)的燃?xì)廨啓C有著良好的燃油經(jīng)濟性，以此減少了艦船上所需動力裝置的數(shù)量，從而可有效補償相應(yīng)增加的重量、空間和成本等因素。

將簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C與復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C相比可知，在一定的輸出功率下，復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C具有更高的比功率和更低的排氣溫度。在該情況下，可有效降低所需的空氣流量，并可相應(yīng)減小進、排氣道的尺寸。同時，降低的排氣溫度也使紅外信號有所減小，以此可簡化紅外抑制措施，進一步節(jié)省了重量和空間。

簡單循環(huán)艦用燃?xì)廨啓C通常由航空發(fā)動機改型而來，如果能將簡單循環(huán)艦用燃?xì)廨啓C進行技術(shù)調(diào)整，并將其進一步改型為復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C，一定程度可減少開發(fā)成本。但是，如果需開發(fā)某臺全新的復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C，必然會面臨著較高的開發(fā)成本。利用簡單循環(huán)艦用燃?xì)廨啓C研制出復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C的技術(shù)可行性，隨著基礎(chǔ)機型的不同而存在一定差異。

由簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C通過改型而研制出復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C，通常需對若干部件進行調(diào)整，同時新開發(fā)出的復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C往往也面臨著性能下降的風(fēng)險。因此，考慮到開發(fā)成本、可靠性、整機性能等因素，大部分艦船依然會選用以燃?xì)廨啓C為加速機組的聯(lián)合動力裝置，該部分內(nèi)容會在下文中進行詳盡闡述。

3 艦用柴油機動力裝置

3.1 艦用柴油機動力裝置概述

從20 世紀(jì)初開始，柴油機就與以蒸汽機及汽輪機為代表的蒸汽動力裝置展開了技術(shù)競爭。目前，蒸汽機已退出歷史舞臺，而繼承了其熱力循環(huán)的汽輪機依然有著廣泛應(yīng)用。就經(jīng)濟性而言，柴油機的效率高于汽輪機，但所需的燃料的品質(zhì)要求也相應(yīng)更高。

近年來，在工農(nóng)業(yè)建設(shè)、經(jīng)濟發(fā)展及民用運輸領(lǐng)域，各類柴油機長期保有統(tǒng)治地位。盡管對燃料品質(zhì)要求較高，但柴油機的較高熱效率可有效彌補該方面對總運行成本的影響。在艦船設(shè)計過程中，應(yīng)對柴油機進行合理選型，像抗沖擊性、尺寸、可靠性等參數(shù)均為影響全艦設(shè)計的重要因素。

柴油機應(yīng)用廣泛，在民用商船中占據(jù)主流地位。而在軍用艦船領(lǐng)域，各類柴油機通常被廣泛用作發(fā)電機組的動力來源，同時在許多小型艦船上也被用作推進主機。目前，許多護衛(wèi)艦、潛艇和其他小型艦艇均以柴油機作為主要動力裝置。

根據(jù)艦船航行工況需求，如需提升柴油機整機功率，可向氣缸內(nèi)噴射更多燃油。但對配備有渦輪增壓器的柴油機而言，考慮到增壓器的氣動響應(yīng)過程，其功率提升過程會存在明顯的遲滯現(xiàn)象，以此會使空燃比在短時間內(nèi)相對較低。為了避免出現(xiàn)超過柴油機負(fù)荷限制的嚴(yán)重問題，對負(fù)荷改變期間內(nèi)噴入的燃油量必須加以嚴(yán)格控制。在艦船處于具有高機動性要求的作戰(zhàn)工況下，短期內(nèi)的超負(fù)荷運行往往也是在所難免的。

3.2 艦用柴油機動力裝置的技術(shù)特點

3.2.1 艦用柴油機的振動、噪聲與抗沖擊性

大量的旋轉(zhuǎn)運動部件和往復(fù)運動部件，使得柴油機成為振動量級最大的艦載設(shè)備。用于艦船的緊湊型高速柴油機，通常有著較多的氣缸數(shù)量，通常可多達(dá)20缸。由于氣缸數(shù)量較多且曲軸轉(zhuǎn)速較高，高速柴油機所產(chǎn)生的噪聲大部分均分布于高頻段內(nèi)。由于高頻噪聲的衰減比低頻噪聲更快，采用彈性支座和隔聲罩等相關(guān)措施可有效改善噪聲在海上的傳遞過程。

用于工業(yè)領(lǐng)域的柴油機的技術(shù)性能與艦用柴油機存在明顯差異，其在承受外界較強沖擊載荷作用下，某些部件可能會出現(xiàn)位移、脫落或斷裂等現(xiàn)象，但該類情況同樣也與柴油機在艦船上的布設(shè)位置密切相關(guān)。

因此，一臺工業(yè)用柴油機如需用作艦載設(shè)備時，應(yīng)對該機型進行局部設(shè)計優(yōu)化。為了避免柴油機和發(fā)電機在受到?jīng)_擊載荷后出現(xiàn)不對中的問題，某些設(shè)計方案所采用的辦法是將發(fā)電機直接安裝在柴油機的端部。

3.2.2 艦用柴油機的可維護性

結(jié)構(gòu)緊湊的高速柴油機有多個氣缸，但過多的氣缸數(shù)會明顯增加維修工作量。然而與尺寸較大的低速柴油機的零部件相比，高速柴油機零部件的尺寸和重量適中，因而針對高速柴油機的維護工作更易于完成。針對艦用柴油機主要的大修工作通常在陸地上進行，但一般性維護通常是在艦船上進行的。同時，在艦用柴油機的周圍必須留有可供維護人員進行操作的出入路徑和空間位置，以便維護工作的開展。

3.2.3 艦用柴油機的機型選擇

如果僅以柴油機作為動力裝置，則以最高航速為30 kn 的大型艦船為例，其所需的功率必須由低速柴油機或多臺中速柴油機來提供。與燃?xì)廨啓C相比，中速柴油機與更大的低速柴油機在功率/重量比和功率/尺寸比等參數(shù)上均處于劣勢，一定程度上限制了其在大型艦船領(lǐng)域的使用。

就功率/重量比和功率/尺寸比這兩類參數(shù)而言，高速柴油機與燃?xì)廨啓C更為接近。因此對最大功率要求較低的小型艦船及長期以巡航工況航行的中型艦船而言，高速柴油機仍有著一定技術(shù)競爭力，以此可用作推進系統(tǒng)的一部分。

為了提升柴油機的結(jié)構(gòu)緊湊性，可使用多級渦輪增壓器。但對于艦用柴油機而言，其功率密度仍需進一步提升，但以此會相應(yīng)降低整機燃油經(jīng)濟性。

上述問題同樣說明了柴油機在軍用艦船和民用商船的應(yīng)用需求間存在顯著差異，致使其分別走上了獨立的技術(shù)發(fā)展路線，并降低了不同機型之間的零件通用性。

3.3 艦用柴油機與艦用燃?xì)廨啓C的使用特性差異對比

(1)柴油機的轉(zhuǎn)速通常明顯低于燃?xì)廨啓C，如需在艦船上用柴油機替換燃?xì)廨啓C時，需對傳動系統(tǒng)進行技術(shù)調(diào)整，也可對主齒輪箱等部件進行重新設(shè)計；

(2)如果柴油機用作于護衛(wèi)艦或其他中小型艦船的動力裝置，其相比同功率條件下的燃?xì)廨啓C會更重且尺寸更大。由于柴油機的燃油消耗率低于燃?xì)廨啓C，因此艦船推進系統(tǒng)的總重量是否會增加，一定程度還取決于艦船的燃油儲備；

(3)考慮到維護空間需求，艦用柴油機對機艙空間的要求更高。天花板和艙壁的間距往往需進行改動，某些通行區(qū)域也會因此受到限制；

(4)基于柴油機而采用的維修方案和相應(yīng)的維護工作量與燃?xì)廨啓C也有所不同。所有這些因素均要按照實際情況進行綜合考量；

(5)與燃?xì)廨啓C相比，柴油機消耗的空氣流量更少，且排氣溫度也更低，同時其輸出功率也明顯更低，上述因素使得柴油機紅外信號源明顯弱于燃?xì)廨啓C，一定程度上可提升全艦隱蔽性。

4 艦船聯(lián)合動力裝置及其技術(shù)特點研究

4.1 艦船聯(lián)合動力裝置概述

艦船在作戰(zhàn)時要求具備較高的全速功率，而全速航行的時間則相對較短，只占整個服役期的2%～5%，大部分時間則處于巡航工況下，巡航速度一般約為最高航速的50%～70%，相應(yīng)所需的功率為總功率的12.5%～34.3%。若以巡航速度為最高航速的60%計算，則巡航功率僅為總功率的21.6%，各類在艦船上得以應(yīng)用的動力裝置的技術(shù)特性如表1所示。

表1 各類動力裝置技術(shù)性能比較

由于大功率動力裝置在低工況巡航時油耗都偏高，經(jīng)濟性較差，因此為了滿足艦船全速時的大功率要求，同時確保巡航時具有較好的經(jīng)濟性，提出了聯(lián)合動力裝置的概念[9]。

聯(lián)合動力裝置是指同時包含兩種相同或不同形式主機的動力裝置，一般用于大、中型水面艦船，可以隨著艦船航行工況的不同而改變推進主機、推進器的組合和運行方式。聯(lián)合動力裝置通常由柴油機、汽輪機和燃?xì)廨啓C等動力裝置進行兩兩組合而成的，根據(jù)高速時巡航主機是否投入運行的情況可分為交替作用式與共同作用式兩種類型[10]。

4.2 由柴油機與燃?xì)廨啓C所組成的柴-燃聯(lián)合動力裝置及其技術(shù)特點

CODOG(Combined Diesel Or Gas TurbinePower Plant)為交替使用式柴-燃聯(lián)合動力裝置，其工作方式為巡航時由柴油機提供推進動力，全速航行時則由燃?xì)廨啓C提供推進動力。

CODAG(Combined Diesel And Gas TurbinePower Plant)為共同使用式柴-燃聯(lián)合動力裝置，巡航時由柴油機提供推進動力，全速航行時則由柴油機與燃?xì)廨啓C共同提供推進動力。柴油機作為巡航機組，與加速燃?xì)廨啓C通過離合器與主減速器相連，采用倒順離合器或調(diào)距槳實現(xiàn)倒車。CODAG型聯(lián)合動力裝置通常應(yīng)用于小型艦艇，在巡航工況下，通過柴油機輸出的功率一般小于全功率的50%，全功率僅占整個服役時間的1%左右，其主要技術(shù)優(yōu)點如下。

(1)重量尺寸輕小。通過重量尺寸輕小的燃?xì)廨啓C組提供戰(zhàn)時工況下的高功率，可顯著降低裝置的單位重量和總重量，在既定的排水量下可顯著提高全艦航速；

(2)機動性好。起動、加速過程得以改善，且操縱方便、備車迅速，緊急情況下可將燃?xì)廨啓C在短時間內(nèi)起動，從巡航工況過渡到全速工況耗時較短，可迅速輸出全功率，同時可通過調(diào)距槳或倒順離合器是使全艦實現(xiàn)倒航[11]；

(3)續(xù)航力強。由于采用了壽命較長、耗油率較低的柴油機作為巡航機組，因此相應(yīng)增大了艦船的續(xù)航力；

(4)可靠性高。兩個機組共同使用一個減速器，具有多機組并車的可靠性[12]。一個機組發(fā)生故障時另一機組還可提供動力，保證了艦船的生命力；

(5)管理與檢修費較低。

由于CODAG為兩種不同動力裝置的聯(lián)合，因此仍存在以下劣勢：

(1)傳動裝置復(fù)雜。傳動裝置中主減速器小齒輪數(shù)目多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。除齒輪箱外，仍有多種類型的離合器及聯(lián)軸器，對負(fù)荷均衡控制技術(shù)要求較高；

(2)燃料及其管路系統(tǒng)復(fù)雜。必須配置適用不同機種的燃料及相應(yīng)的管路儲存設(shè)備，不同類燃料的儲存比例會影響艦船戰(zhàn)術(shù)性能[13]；

(3)在減速器周圍布置兩種不同類型的機組有一定難度。為滿足了減振要求，巡航柴油機采用雙層隔振加箱裝體，使整機重量及尺寸相應(yīng)增加。

考慮到傳動裝置的復(fù)雜性等相關(guān)因素，早期的艦船多采用CODOG型聯(lián)合動力裝置。但隨著近年來動力裝置技術(shù)、傳動技術(shù)以及控制技術(shù)水平的提高，CODAG型聯(lián)合動力裝置目前已在護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦等中、小型艦船。如德國的F122與F124(采用CODAG型聯(lián)合動力裝置)級護衛(wèi)艦、荷蘭的LCF防空護衛(wèi)艦、法國的C70級護衛(wèi)艦、意大利的“狼級”與“西北風(fēng)級”護衛(wèi)艦、韓國的KDX-1與KDX-2級驅(qū)逐艦、挪威的“南森”級護衛(wèi)艦等均采用了該類聯(lián)合動力裝置。

以采用CODAG型聯(lián)合動力裝置的F124護衛(wèi)艦為例，其與采用CODOG型聯(lián)合動力裝置的F123護衛(wèi)艦相比，具有以下優(yōu)點：在滿足航速要求的前提下，CODAG型聯(lián)合動力裝置的投資費用約為CODOG型聯(lián)合動力裝置的79%～83%；CODAG型聯(lián)合動力裝置的燃油費用約為CODOG型聯(lián)合動力裝置的77%～82%；CODAG型聯(lián)合動力裝置的維修費用約為CODOG型聯(lián)合動力裝置的35%～75%，且具有更豐富的運行靈活性，而生命力、聲學(xué)特性與CODOG型聯(lián)合動力裝置方案基本一致。

4.3 由燃?xì)廨啓C與燃?xì)廨啓C所組成的燃-燃聯(lián)合動力裝置及其技術(shù)特點

燃-燃聯(lián)合動力裝置主要有2種形式，分別為交替使用式燃-燃聯(lián)合動力裝置(COGOG，Combined Gas Turbine Or Gas Turbine Power Plant)和共同使用式燃-燃聯(lián)合動力裝置(COGAG，Combined Gas Turbine And Gas Turbine Power Plant)。

在COGOG型聯(lián)合動力裝置中，一般選用功率較小且經(jīng)濟性較好的燃?xì)廨啓C作為巡航燃?xì)廨啓C，同時也可以選用以復(fù)雜循環(huán)工作的開式燃?xì)廨啓C，或以閉式循環(huán)工作的燃?xì)廨啓C。COGOG型聯(lián)合動力裝置在巡航工況下能確保較高的熱效率，同時部分負(fù)荷工況時性能良好，可顯著降低燃料消耗，并能相應(yīng)改善機組重量及尺寸。

對于COGAG型聯(lián)合動力裝置而言，為了減少機型，并簡化裝置組成，目前更青睞于采用相同型號的燃?xì)廨啓C，且不會對巡航機組與加速機組進行明細(xì)區(qū)分，因此也可將COGAG型聯(lián)合動力裝置稱為全燃并車推進裝置。COGAG聯(lián)合動力裝置功率大，重量尺寸輕小，機動性能優(yōu)越，經(jīng)濟性也相對較好。

COGOG型聯(lián)合動力裝置主要應(yīng)用于護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦等中、小型艦船[14]，而COGAG型聯(lián)合動力裝置則多應(yīng)用于驅(qū)逐艦及以上的大、中型艦船。如早期蘇聯(lián)的“卡辛”級驅(qū)逐艦、20世紀(jì)70年代美國的DD963驅(qū)逐艦、日本的16DDH直升機母艦、美國的“SeaLift”高速支援艦以及意大利的“加里博迪”輕型航空母艦等，均采用了該類聯(lián)合動力裝置。

4.4 由柴油機與柴油機所組成的柴-柴聯(lián)合動力裝置及其技術(shù)特點

目前，柴-柴聯(lián)合動力裝置(CODAD，Combined Diesel And Diesel Power Plant)是由多臺柴油機并車構(gòu)成的共同使用式聯(lián)合動力裝置。與COGAG型聯(lián)合動力裝置相似，CODAD型聯(lián)合動力裝置大多采用相同型號的柴油機，也可稱為全柴并車推進裝置?？紤]到傳動裝置和控制系統(tǒng)的簡化，目前，這種動力裝置一般多采用雙機并車驅(qū)動一槳的方式，而早期的三機甚至四機并車驅(qū)動一槳的方式已很少采用。CODAD型聯(lián)合動力裝置的主要特點如下：

(1)實現(xiàn)雙機并車，可滿足較高航速對功率的需求；

(2)巡航和低工況時每軸可僅通過任意一臺機組工作，處于最佳工況點，效率較高；

(3)柴油機可輪換工作、便于輪修、可靠性高、生命力強。

CODAD型聯(lián)合動力裝置主要應(yīng)用在護衛(wèi)艦及高速商船中，如法國的“拉菲特”級護衛(wèi)艦、沙特的F2000和F3000型護衛(wèi)艦、意大利的“智慧女神”級護衛(wèi)艦、西班牙的“偵察”級護衛(wèi)艦、丹麥的“西提斯”級護衛(wèi)艦等[15-17]。

4.5 由燃?xì)廨啓C與汽輪機所組成的聯(lián)合動力裝置及其技術(shù)特點

由燃?xì)廨啓C與汽輪機所組成的聯(lián)合動力裝置主要有2種形式，第一種被稱為蒸—燃聯(lián)合動力裝置(COSAG，Combined Steam Turbine And Gas Turbine Power Plant)，巡航功率由汽輪機提供，加速功率由汽輪機與燃?xì)廨啓C共同提供。由于汽輪機的經(jīng)濟性較差，重量和尺寸大，并不適宜用作巡航主機，再加上燃?xì)廨啓C的性能不斷改進，因此這種形式的聯(lián)合動力裝置目前已很少應(yīng)用。

第二種被稱為燃—蒸聯(lián)合循環(huán)動力裝置(COGAS，Combined Gas Turbine And Steam TurbinePower Plant)。這種聯(lián)合動力裝置與COSAG型聯(lián)合動力裝置完全不同，燃?xì)廨啓C與汽輪機不僅在機械上進行并車運行，而且在熱力系統(tǒng)上也有著密切關(guān)聯(lián)。在COGAS型聯(lián)合動力裝置中，于燃?xì)廨啓C排煙道內(nèi)部加裝了余熱鍋爐，利用高溫?zé)煔庥酂岙a(chǎn)生過熱蒸汽，并驅(qū)動汽輪機運行，可節(jié)省約25%的燃料。美國“伯克”級驅(qū)逐艦、日本“金剛”級驅(qū)逐艦、荷蘭的M級驅(qū)逐艦都采用了COGAS型聯(lián)合動力裝置。另外，由于效率的提高，該類聯(lián)合動力裝置在火力發(fā)電廠中也得到了廣泛應(yīng)用。

由于蒸汽動力裝置的一系列優(yōu)點，與燃?xì)庋b置聯(lián)合后，起到了取長補短的效果。蒸汽動力裝置能提供全功率的50%以保證全航速工況下的航行需求，并使經(jīng)濟及重量尺寸指標(biāo)達(dá)到最佳。

綜合上述觀點，艦船聯(lián)合動力裝置的構(gòu)成與工作方式如表2所示。

表2 艦船聯(lián)合動力裝置的構(gòu)成方式與工作方式

5 艦船聯(lián)合動力裝置技術(shù)發(fā)展及未來趨勢展望

蒸汽動力裝置雖然具有單機功率大、使用壽命長、可靠性好、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點，但同時也有著重量尺寸大、冷態(tài)起動時間長、機動性差、經(jīng)濟性差等缺點。柴油機動力裝置雖然具有經(jīng)濟性好、起動迅速、尺寸重量小等優(yōu)點，但其單機功率有限，難以滿足中型及以上艦船在高速工況下的需求。而燃?xì)廨啓C與上述兩類機型相比具有明顯的優(yōu)越性，目前已為各國海軍所廣泛采用并大量建造。

隨著燃?xì)廨啓C的不斷發(fā)展和日益完善，艦船聯(lián)合動力裝置的型式也在持續(xù)變化并日趨完善，除了燃?xì)廨啓C之外，聯(lián)合動力裝置必須配備有一整套結(jié)構(gòu)復(fù)雜和技術(shù)要求較高的精準(zhǔn)傳動系統(tǒng)，其包括大功率高速齒輪，液力偶合器，各式離合器和同步離合器，彈性和撓性聯(lián)軸節(jié)，以及大功率調(diào)距槳等傳動設(shè)備，這些傳動設(shè)備的技術(shù)水平和在推進傳動系統(tǒng)中的配置是否合理，將顯著影響到聯(lián)合動力裝置的綜合性能。隨著聯(lián)合動力裝置的不斷發(fā)展，推進系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)也日益簡化和完善。燃?xì)廨啓C的進排氣道和自動同步離合器是伴隨燃?xì)廨啓C聯(lián)合動力裝置的出現(xiàn)而導(dǎo)致的特殊問題，在研制該類動力裝置時必須加以研究和妥善解決。

由于燃?xì)廨啓C、汽輪機和柴油機都有各自的特點，因此經(jīng)常將其聯(lián)合起來組成聯(lián)合動力裝置。而縱覽歷史，燃?xì)廨啓C在艦船上的推進方式曾出現(xiàn)過多種形式，這主要取決于當(dāng)時燃?xì)廨啓C的技術(shù)發(fā)展水平。

從艦船聯(lián)合動力裝置的技術(shù)發(fā)展史來看，其中最早出現(xiàn)的是COSAG型聯(lián)合動力裝置，因為當(dāng)時柴油機的單機功率小、壽命短，不得以而選擇采用COSAG型聯(lián)合動力裝置。隨著柴油機技術(shù)水平的不斷提升，出現(xiàn)了CODAG型聯(lián)合動力裝置和CODOG型聯(lián)合動力裝置。在燃?xì)廨啓C的技術(shù)水平有了新的進步，并且調(diào)距槳得以充分優(yōu)化之后，才逐漸誕生了COGOG和COGAG這兩類聯(lián)合動力裝置。

采用COSAG，CODAG和COGAG這三類共同使用式聯(lián)合動力裝置的艦船最大航速是由巡航機組功率加上加速機組功率獲得的。采用CODOG和COGOG這兩類交替使用式聯(lián)合動力裝置的艦船，其最大航速是由大功率燃?xì)廨啓C所提供的。若以增大艦船續(xù)航力為主要目標(biāo)，CODOG和COGOG這兩類聯(lián)合動力裝置是較為理想的推進方式。COGOG型聯(lián)合動力裝置的優(yōu)點在于所采用的動力裝置是燃?xì)廨啓C，其振動和噪音小、機組的質(zhì)量與體積小、所需的輪機人員少、起動快，且加速性能較好。COGAG型聯(lián)合動力裝置除上述優(yōu)點外，還可相應(yīng)減少燃?xì)廨啓C機組類型，并可實現(xiàn)一機多用，以此減少艦船上的備件等優(yōu)點。但由于其在部分工況下的經(jīng)濟性較差，因此增大了燃油消耗量，其為COGAG裝置的缺點。

在 CODOG型聯(lián)合動力裝置中，燃?xì)廨啓C的功率明顯高于柴油機，從而可為其配備具有最大軸功率的螺旋槳，從而提供加速艦船所需的推進動力。在 CODAG型聯(lián)合動力裝置中，對柴油機的動力性要求往往低于 CODOG型聯(lián)合動力裝置中的柴油機。因此，對于CODAG型聯(lián)合動力裝置中的柴油機而言，其所帶來的艦船機動性提升效果也得以大幅降低。

對于已在艦船上成功布設(shè)的柴油機和燃?xì)廨啓C而言，CODAG型聯(lián)合動力裝置相比 CODOG型聯(lián)合動力裝置，可獲得更高的推進功率。而CODOG型聯(lián)合動力裝置的優(yōu)勢在于，兩類機組可以各自獨立地與螺旋槳匹配，因此不需要采取特殊措施即可使其分別輸出其最大功率，并相應(yīng)簡化了傳動系統(tǒng)，提高了可靠性。

就目前技術(shù)水平而言，隨著艦船排水量的不斷增大，其更適于采用性能優(yōu)越的核-燃聯(lián)合動力裝置(CONAG，Combined Nuclear And Gas Turbine Power Plant)。CONAG型聯(lián)合動力裝置以核動力裝置作為巡航機組，以燃?xì)廨啓C作為加速機組[18]。如上文所述，艦船大部分時間處于巡航工況，航行速度通常不高于最高航速的70%，如果在該類艦船上只配備核動力裝置，則大部分時間處于中低負(fù)荷的巡航工況下，使得動力系統(tǒng)無法充分發(fā)揮功效，經(jīng)濟性較低。

如果采用 CONAG型聯(lián)合動力裝置，使用核動力時，可使艦船航速達(dá)到最高航速的70%，等到需要滿足戰(zhàn)時的高機動性要求時，則以燃?xì)廨啓C作為加速機組而實現(xiàn)動力輸出。與全部采用核動力裝置的情況相比，CONAG型聯(lián)合動力裝置的重量尺寸更輕小，成本更低廉，且無需對進行大幅度技術(shù)調(diào)整。但在設(shè)計層面上仍需進行優(yōu)化改善，以下幾點仍需重點關(guān)注：

(1)艦用核動力裝置與艦用燃?xì)廨啓C動力裝置仍存在一定特性差異，為此需充分滿足二者動力性能的合理匹配、系統(tǒng)配置、參數(shù)選擇等相關(guān)技術(shù)問題；

(2)可將部分多余的功率用于滿足艦船電力負(fù)荷；

(3)可通過改變?nèi)細(xì)廨啓C的運行時間來相應(yīng)調(diào)整更換核燃料的時間間隔；

(4)因為相比核潛艇，水面艦船艦體空間更為充裕，所以可以考慮對艦體進行改進設(shè)計，從而使換料更簡易，并使動力系統(tǒng)效率更高，同時相應(yīng)減少裝置成本；

(5)與在突發(fā)情況下更易于得到應(yīng)急冷卻水的核潛艇不同，水面艦船如采用CONAG型聯(lián)合動力裝置，通常需要更高等級的屏蔽防護措施，以確保艦載人員及設(shè)備的安全。

綜合上文觀點，各類艦船動力裝置使用形式如表3所示。

表3 各類艦船動力裝置使用形式

6 總結(jié)及展望

目前，考慮到柴油機、汽輪機及燃?xì)廨啓C等動力設(shè)備的技術(shù)特點，就以各類聯(lián)合動力裝置而言，以燃?xì)廨啓C作為加速機組的動力形式具有較好的應(yīng)用前景。除了常規(guī)的CODAG、CODOG、COGOG、COGAG等幾類聯(lián)合動力裝置之外，CONAG型聯(lián)合動力裝置由于兼具較好的續(xù)航性能與強力的加速性能，相比于傳統(tǒng)的艦用單一核動力裝置，又有效提升了經(jīng)濟性，在未來數(shù)年間將會有著廣闊的發(fā)展空間。