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上海汽車集團(tuán)股份有限公司

0 引言

水面艦船動(dòng)力裝置按型式的不同，一般可分為柴油機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、核動(dòng)力裝置四種基本型式。其中，核動(dòng)力裝置依然還是由汽輪機(jī)作為主推進(jìn)動(dòng)力裝置，因此目前艦用動(dòng)力來源的主要機(jī)型依然為柴油機(jī)、汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)。

1 柴油機(jī)動(dòng)力裝置

柴油機(jī)具有較為優(yōu)越的特性，在商船、漁船、工程船及軍用艦船中，都得到了廣泛應(yīng)用。目前，柴油機(jī)主要具有如下特點(diǎn)。

1.1 較高的經(jīng)濟(jì)性

柴油機(jī)自問世以來，其經(jīng)濟(jì)性一直優(yōu)于其他類型的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，具有較低的耗油率。目前，低速柴油機(jī)的熱效率達(dá)42%～50%，在所有的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中最高，這是近年來柴油機(jī)性能的重大突破。由于油價(jià)的不斷上漲，動(dòng)力裝置的耗油量成為決定船舶營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的主要因素。除了較高的熱效率之外，柴油機(jī)的另一項(xiàng)突出特點(diǎn)是：在寬廣的負(fù)荷范圍內(nèi)均具有較高的經(jīng)濟(jì)性。不但在高速工況下具有較高的經(jīng)濟(jì)性，在低速工況時(shí)也有較高的經(jīng)濟(jì)性，這一點(diǎn)比汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)更為突出，可以顯著地提高艦船續(xù)航力。換言之，在給定的續(xù)航力的條件下，所需的燃料儲(chǔ)備量大大減少，減少了燃料在全艦排水量中的占比。

1.2 機(jī)型眾多，功率范圍寬廣

隨著船舶動(dòng)力的發(fā)展，先后出現(xiàn)了不同類型的船舶，就船舶的排水量而言，小到幾十噸，大到幾十萬噸。除此之外，船舶的航速也各有不同。所以，各種船舶對(duì)功率的要求差異較大，動(dòng)力裝置的功率范圍通?？蓮膸装偾叩綆兹f千瓦。目前世界各國正生產(chǎn)著具有不同轉(zhuǎn)速的船用柴油機(jī)，從而能適用于不同類型的船舶。

1.3 高速輕型柴油機(jī)的比重量輕、尺寸小，所需要的輔助機(jī)械設(shè)備少

而船舶機(jī)艙的大小很大程度上與主機(jī)的重量、尺寸和機(jī)械設(shè)備的多少密切相關(guān)。對(duì)于高速輕型柴油機(jī)而言，不僅本身尺寸較小，其輔助設(shè)備尺寸也較為緊湊［1］，故系統(tǒng)的總體比重量明顯小于汽輪機(jī)等動(dòng)力裝置。

1.4 有良好的機(jī)動(dòng)性

現(xiàn)代柴油機(jī)操作簡便、啟動(dòng)迅速，正倒車過程迅速而簡單。從準(zhǔn)備啟動(dòng)到完成啟動(dòng)約10 min，柴油機(jī)從冷態(tài)啟動(dòng)到全負(fù)荷工況，一般不多于10 min，而應(yīng)急時(shí)不超過4 min。主機(jī)倒車所需時(shí)間，一般在幾秒鐘之內(nèi)就可以完成。

近年來，隨著柴油機(jī)燃油消耗率的持續(xù)降低，比功率的不斷提升，單機(jī)功率增大，結(jié)構(gòu)更加緊湊，機(jī)槳轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)最佳匹配，柴油機(jī)的地位更加突出。顯而易見，柴油機(jī)與其他動(dòng)力裝置相比，在民用船舶領(lǐng)域中保有較大優(yōu)勢，是最重要的動(dòng)力裝置形式之一。

2 汽輪機(jī)動(dòng)力裝置

汽輪機(jī)以鍋爐產(chǎn)生的高溫蒸汽為工質(zhì)，通過齒輪箱減速機(jī)組傳遞功率到螺旋槳。早期，在大功率船舶推進(jìn)系統(tǒng)中，汽輪機(jī)長期保有顯著優(yōu)勢，從20世紀(jì)60年代以后，船舶向著巨型化，快速化、專用化和高度自動(dòng)化的方向發(fā)展，汽輪機(jī)在大型和高速船舶領(lǐng)域更占有絕對(duì)優(yōu)勢。大、中型水面艦船為了獲得高航速，需要較大的機(jī)組功率，從而使汽輪機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。汽輪機(jī)具有如下特點(diǎn)。

2.1 具有較大的單機(jī)功率

由于汽輪機(jī)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備，可通過提高轉(zhuǎn)速、增大通流面積和提高蒸汽參數(shù)等方法來提升單機(jī)功率，從而滿足系統(tǒng)需求。目前，艦用汽輪機(jī)單機(jī)組功率已超過50000 kW，若不受螺旋槳尺寸和制造上的限制，還可以輸出更高的功率。柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等單一動(dòng)力裝置如要達(dá)到這樣高的單機(jī)功率，目前較難實(shí)現(xiàn)。而且，汽輪機(jī)的功率愈大，其單位重量和尺寸顯著下降，換言之，大功率汽輪機(jī)具有較小的比重量和尺寸。

2.2 操縱簡易，維修保養(yǎng)簡便

汽輪機(jī)具有較高的工作可靠性和較長的壽命，其使用期限可達(dá)10萬h以上。同時(shí)，汽輪機(jī)較高的可靠性又可以減少維修保養(yǎng)費(fèi)用，較長的壽命又可以降低營運(yùn)成本，均能提高船舶的營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。

2.3 能燃用價(jià)廉的劣質(zhì)燃料

在柴油機(jī)沒有大范圍燃用重油時(shí)，更顯示了汽輪機(jī)的優(yōu)越性。此外，汽輪機(jī)的滑油消耗量較小。在設(shè)計(jì)制造和運(yùn)轉(zhuǎn)管理方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)，由此得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)組功率不斷增大，而柴油機(jī)的壽命得到了顯著提高，也解決了燃用劣質(zhì)燃料的問題，相比之下，汽輪機(jī)的優(yōu)勢一定程度上有所削弱。同時(shí)，又由于汽輪機(jī)固有的缺點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)性不如柴油機(jī)，同時(shí)還具有重量尺寸大，機(jī)動(dòng)性低等劣勢。目前，汽輪機(jī)在中小型及部分大型船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用中逐步減少。

近年來，隨著能源的短缺，民用船舶動(dòng)力裝置的主要發(fā)展方向轉(zhuǎn)向節(jié)能，降低主機(jī)功率和耗油率，以最大限度降低船舶的營運(yùn)費(fèi)用。但與此同時(shí)，現(xiàn)役水面大、中型軍艦仍有較大一部分采用汽輪機(jī)為動(dòng)力裝置。對(duì)于航空母艦等大型水面艦船及其他采用核動(dòng)力的艦船而言，汽輪機(jī)仍是主要的動(dòng)力裝置；而部分大、中型水面艦船，其動(dòng)力裝置逐步向以燃?xì)廨啓C(jī)為主的聯(lián)合動(dòng)力裝置過渡。

3 燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置

燃?xì)廨啓C(jī)是20世紀(jì)50年代后期開始發(fā)展起來的。其以較小的單位重量尺寸、較大的單機(jī)功率、較高的機(jī)動(dòng)性、簡易的操縱管理方式，以及出色的自動(dòng)化程度等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性較差，本身尺寸雖小，但進(jìn)排氣管道尺寸巨大，因此布置困難，且無法直接倒車，需要采用倒車設(shè)備，使裝置復(fù)雜化。若以其作為單一的動(dòng)力裝置，將影響艦船的性能。

因此，燃?xì)廨啓C(jī)作為單一的艦用動(dòng)力裝置而言，一直發(fā)展緩慢。但是，燃?xì)廨啓C(jī)卻適宜在聯(lián)合動(dòng)力裝置中擔(dān)任加速機(jī)組，與其他動(dòng)力裝置聯(lián)合使用，能夠取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮優(yōu)勢。燃?xì)廨啓C(jī)以其較大的單機(jī)組功率，較輕的重量，較高的機(jī)動(dòng)性等顯著優(yōu)勢，在各類水面艦船中，尤其是在巡洋艦、驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦這一類大、中型水面艦船中得到了廣泛應(yīng)用。因此，研究某些典型的大、中型水面艦船的燃?xì)廨啓C(jī)，對(duì)了解燃?xì)廨啓C(jī)在船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用，具有重要意義。

從20世紀(jì)下半葉起，水面艦船的動(dòng)力就由傳統(tǒng)的汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)，逐步過渡到更先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置。艦船動(dòng)力發(fā)生這種根本變化的原因，是與艦船的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求，以及艦用燃?xì)廨啓C(jī)的研制成功和發(fā)展是分不開的。

4 對(duì)水面艦船動(dòng)力裝置的技術(shù)要求

巡洋艦、驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦等大、中型水面艦船是具有較強(qiáng)突擊能力和較大續(xù)航力的主要艦船，同時(shí)也是各國海軍中水面艦船的骨干和主要艦型。為了完成戰(zhàn)術(shù)使命，這類艦船的動(dòng)力裝置必須滿足如下要求：

1）高速性。這對(duì)艦船高速奔赴作戰(zhàn)地區(qū)，迅速占據(jù)有利陣位和追擊敵艦，具有重要意義。

2）機(jī)動(dòng)性。這對(duì)規(guī)避敵方的攻擊，迅速轉(zhuǎn)向及制動(dòng)，立即由冷態(tài)起動(dòng)離開碼頭，亦或是立即由巡航速度加速到全速行駛，均有著重要意義。

3）較大的續(xù)航力。該項(xiàng)指標(biāo)要求大幅減小艦船動(dòng)力裝置的尺寸重量，減低主機(jī)油耗，并可攜帶更多的燃料。

4）可靠性。戰(zhàn)斗中所出現(xiàn)的任何故障，都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，要求動(dòng)力裝置工作可靠，動(dòng)力裝置有足夠的壽命，完善的備用應(yīng)急系統(tǒng)等。

5）足夠的隔音和防護(hù)沖擊波的能力。這對(duì)于反潛和在沖擊波作用下保證動(dòng)力裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)，具有重要意義。

其中，高速性是水面艦船必須滿足的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。為此，對(duì)于部分排水量不大的艦船，不得不犧牲一定的排水量，來配置動(dòng)力性較強(qiáng)的動(dòng)力裝置。另一方面，艦船的運(yùn)轉(zhuǎn)情況又和經(jīng)常在額定功率下全速航行的商船不同。艦船在全服役期內(nèi)的大部分時(shí)期中，往往擔(dān)任巡邏和艦隊(duì)的護(hù)航任務(wù)。為了降低單位行駛航程的燃料消耗以增加續(xù)航力，水面艦船往往長期以低速航行，而以全功率全航速進(jìn)行海上戰(zhàn)斗的時(shí)間相對(duì)較少。根據(jù)對(duì)這類艦船運(yùn)轉(zhuǎn)情況所作的統(tǒng)計(jì)表明，在低于25%全功率下的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間占總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的98%，相應(yīng)的航速約為全速的65%，即約為17～22 kn 的巡航速度，而以全功率全航速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，還不到總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的1%。

由此可見，為了獲得高航速，水面艦船不得不犧牲部分排水量來配備功率較大的動(dòng)力裝置。而在絕大部分的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間中，這些動(dòng)力裝置又處于閑置狀態(tài)，相應(yīng)的機(jī)械重量反過來成為艦船的額外負(fù)擔(dān)。同時(shí)，長期在部分負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)的主機(jī)單位油耗量大，又減低了全艦的續(xù)航力。上述情況是水面艦船動(dòng)力裝置所面臨的重要矛盾。

因此，在確保艦船短期內(nèi)能達(dá)到全功率的前提下，如何減小動(dòng)力裝置的重量尺寸，提高部分負(fù)荷（即長期巡航運(yùn)轉(zhuǎn)）下動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性以增加續(xù)航力，是水面艦船動(dòng)力裝置發(fā)展中一直亟待解決的重要問題。

汽輪機(jī)雖具有單機(jī)組功率大，使用壽命長（通?？蛇_(dá)十幾萬小時(shí)），可靠性好，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)勢，但必須配備有鍋爐和給水系統(tǒng)等一系列附屬設(shè)備，使動(dòng)力裝置的尺寸重量有所增大。同時(shí)，因其冷態(tài)起動(dòng)時(shí)間長、機(jī)動(dòng)性差、經(jīng)濟(jì)性差，使續(xù)航力受到了一定限制。柴油機(jī)雖具有較好的經(jīng)濟(jì)性，起動(dòng)迅速，尺寸重量較小等優(yōu)點(diǎn)，但是單機(jī)功率并不大，為了滿足護(hù)衛(wèi)艦的作戰(zhàn)要求，就要采用多臺(tái)柴油機(jī)并車，使裝置復(fù)雜化，因并車而配置的傳動(dòng)機(jī)組使裝置的尺寸重量顯著增加。常規(guī)動(dòng)力裝置的這些不足，雖經(jīng)多年來努力改進(jìn)和完善，依然無法完全克服，因而還不能完全滿足上述艦船的要求。

自第二次世界大戰(zhàn)后期，隨著燃?xì)廨啓C(jī)的出現(xiàn)和實(shí)用化，特別是由航空發(fā)動(dòng)機(jī)改裝的艦用燃?xì)廨啓C(jī)的成功應(yīng)用和不斷完善，引起了艦船動(dòng)力裝置的根本變化。這是由于燃?xì)廨啓C(jī)具有如下特點(diǎn)：單機(jī)組的功率逐步增大，重量尺寸最小，起動(dòng)迅速（1～2 min），經(jīng)濟(jì)性逐步改善，使用壽命逐步增加（由幾百小時(shí)增加到幾千小時(shí)）。但同時(shí)也需注意，燃?xì)廨啓C(jī)本身不能直接反轉(zhuǎn)，要配置專門的倒車裝置，進(jìn)排氣管尺寸較大，布置也比較困難。

由于常規(guī)動(dòng)力裝置無法完全滿足艦船的要求，由此將不同的常規(guī)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)加以聯(lián)合，組成聯(lián)合動(dòng)力裝置，取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮各種動(dòng)力裝置的優(yōu)點(diǎn)，使水面艦船動(dòng)力裝置在總功率、尺寸重量、機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面取得了更好的應(yīng)用效果。

5 聯(lián)合動(dòng)力裝置的定義、組成形式及運(yùn)行方式

5.1 聯(lián)合動(dòng)力裝置的定義

如上文所述，聯(lián)合動(dòng)力裝置是由多臺(tái)不同類型或型號(hào)的主機(jī)組成的水面艦船動(dòng)力裝置［2］。通常由巡航主機(jī)、加速主機(jī)、傳動(dòng)裝置、軸系、推進(jìn)器等構(gòu)成。聯(lián)合動(dòng)力裝置通過不同類型主機(jī)的合理配置和組合，充分發(fā)揮了各種類型或型號(hào)主機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，以彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，使整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)在全部運(yùn)行工況范圍內(nèi)均保有優(yōu)良的性能，滿足水面艦船在高速和巡航等工況下的不同需求。

聯(lián)合動(dòng)力裝置的出現(xiàn)與燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展有著密切的關(guān)系。自20 世紀(jì)50年代起，燃?xì)廨啓C(jī)開始應(yīng)用于水面艦船，出現(xiàn)了由汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)合動(dòng)力裝置。而自20 世紀(jì)60年代后，柴油機(jī)的單機(jī)功率不斷增大，高速柴油機(jī)也得以發(fā)展，出現(xiàn)了由柴油機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)合動(dòng)力裝置，已廣泛地用于中小型水面艦船上，成為聯(lián)合動(dòng)力裝置中最主要的一種組合型式。在這一時(shí)期內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性較差，一般多作為聯(lián)合動(dòng)力裝置中運(yùn)行時(shí)間較短的加速機(jī)組。自20 世紀(jì)70年代以來，燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)性能有了顯著提高，燃油消耗率大幅下降，部分工況性能有了顯著改善，從而出現(xiàn)了由同型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)合動(dòng)力裝置。一些對(duì)振動(dòng)噪聲有較高要求或有著特殊用途的水面艦船，在巡航時(shí)采用電力推進(jìn)的形式，由燃?xì)廨啓C(jī)及電機(jī)組成的聯(lián)合動(dòng)力裝置，或由汽輪機(jī)及電機(jī)組成的聯(lián)合動(dòng)力裝置等也陸續(xù)出現(xiàn)［3］。

5.2 聯(lián)合動(dòng)力裝置的組成型式

一般可用英文縮寫來描述聯(lián)合動(dòng)力裝置的型式。以COGOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置及CODOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置為例，頭兩個(gè)字母CO表示聯(lián)合動(dòng)力；第三個(gè)字母表示巡航機(jī)組的機(jī)種，第四個(gè)字母O表示或者，第五個(gè)字母表示加速機(jī)組的機(jī)種，其中G為燃?xì)廨啓C(jī)，D為柴油機(jī)。COGOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置是由巡航機(jī)組與加速機(jī)組組成，兩者交替使用的全燃聯(lián)合動(dòng)力裝置，即水面艦船在巡航時(shí)僅使用巡航機(jī)組，高速行駛時(shí)僅使用加速機(jī)組。而CODOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置則是交替使用的柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置。目前，聯(lián)合動(dòng)力裝置的組成型式主要有：

1）汽輪機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（COSAG），巡航工況時(shí)，由汽輪機(jī)供給動(dòng)力，全速工況時(shí)，由汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)共同提供動(dòng)力。

2）燃?xì)廨啓C(jī)-汽輪機(jī)循環(huán)聯(lián)合動(dòng)力裝置（COGAS），這是一種復(fù)合循環(huán)裝置，即利用燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣能量使蒸汽鍋爐產(chǎn)生蒸汽并推動(dòng)汽輪機(jī)。兩種動(dòng)力裝置共同向艦船提供推進(jìn)動(dòng)力。與上述提到的CASAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置不同，在COGAS 型聯(lián)合動(dòng)力裝置所采用的兩種動(dòng)力裝置之間，不僅有機(jī)械聯(lián)系而且存在熱力聯(lián)系。

3）柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置，由柴油機(jī)組成巡航機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)為加速機(jī)組［4］，在巡航工況僅由柴油機(jī)提供動(dòng)力，在全速工況時(shí)由柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)共同提供。其中可分為交替使用式柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODOG）和共同使用式柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODAG）。

4）柴油機(jī)-電機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置，指柴油機(jī)、電機(jī)都可驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的動(dòng)力裝置。柴油機(jī)發(fā)出的功率既可直接提供推進(jìn)動(dòng)力也可向蓄電池充電，然后由電機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，還可一邊向蓄電池充電一邊驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器。

5）柴油機(jī)-核動(dòng)力-電機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置，由于核動(dòng)力裝置小型化技術(shù)的突破，可在常規(guī)的柴油機(jī)-電機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置上加裝小型核動(dòng)力裝置。

6）全柴聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODAD），由不同型號(hào)的柴油機(jī)組成，巡航機(jī)組為壽命長，可靠性好的重型大功率高速柴油機(jī)。而加速機(jī)組為重量輕、尺寸小的輕型大功率高速柴油機(jī)。通過采用這樣配置可有效減輕動(dòng)力裝置的重量，縮小動(dòng)力裝置的尺寸。在全速時(shí)，巡航機(jī)組及加速機(jī)組均投入運(yùn)行，為水面艦船提供動(dòng)力來源。

7）全燃聯(lián)合動(dòng)力裝置。其中可分為交替使用式全燃聯(lián)合動(dòng)力裝置（COGOG）和共同使用式全燃聯(lián)合動(dòng)力裝置（COGAG）。COGOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置由不同型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)所組成，經(jīng)濟(jì)性好的小型燃?xì)廨啓C(jī)作為巡航機(jī)組，大功率燃?xì)廨啓C(jī)作為加速機(jī)組，在全速時(shí)只有加速機(jī)組投入運(yùn)行。隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，在各種工況下的經(jīng)濟(jì)性均有顯著提高，近年來在大、中型水面艦船上多采用多臺(tái)同型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)組成多機(jī)裝置，即為COGAG。該類動(dòng)力裝置在巡航時(shí)將巡航機(jī)組投入運(yùn)行，在全速時(shí)將全部機(jī)組投入運(yùn)行。由于COGAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置僅采用單一機(jī)型，管理及維護(hù)修理均較方便，已逐步取代COGOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置。

8）汽輪機(jī)-電機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置。以汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，以推進(jìn)電機(jī)作主機(jī)的艦船聯(lián)合動(dòng)力裝置。

5.3 聯(lián)合動(dòng)力裝置的運(yùn)行方式

如上文所述，聯(lián)合動(dòng)力裝置從運(yùn)行方式上可分為共同使用式及交替使用式。共同使用式，是指在巡航工況時(shí)由巡航機(jī)組提供動(dòng)力，在全速工況時(shí)，巡航機(jī)組及加速機(jī)組同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，共同提供推進(jìn)動(dòng)力。這種工作制方式，適用于巡航航速要求較高、巡航機(jī)組功率在裝置總功率中占比較大的情況中。交替使用式，是指在巡航工況時(shí)由巡航機(jī)組提供動(dòng)力，在全速工況時(shí)只有加速機(jī)組提供動(dòng)力，這種工作制方式適用于巡航航速較低，并且巡航機(jī)組功率在裝置總功率中所占比重不大的情況中。

聯(lián)合動(dòng)力裝置從結(jié)構(gòu)上可分為分軸傳動(dòng)和并軸傳動(dòng)兩類。分軸傳動(dòng)，指每臺(tái)巡航機(jī)及加速機(jī)均分別驅(qū)動(dòng)各自的推進(jìn)軸。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)系統(tǒng)比較簡單，布置比較靈活，缺點(diǎn)是在巡航工況或全速工況時(shí)會(huì)有部分軸處于空轉(zhuǎn)拖動(dòng)狀態(tài)，使全艦的航行阻力增加。并軸傳動(dòng)，是將巡航機(jī)和加速機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)并聯(lián)在一根推進(jìn)軸上（通常為雙軸推進(jìn)）。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在所有工況下，各傳動(dòng)推進(jìn)軸均處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，沒有閑置的空轉(zhuǎn)軸，使全艦的航行阻力減小，其缺點(diǎn)是并車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜。目前，除少數(shù)小型水面艦船外，多數(shù)采用并軸傳動(dòng)。

在采用交替使用式及并軸傳動(dòng)的聯(lián)合動(dòng)力裝置中，有一套復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。以柴油機(jī)為例，在其輸入端有液力耦合器、彈性聯(lián)軸器和萬向節(jié)，然后經(jīng)自動(dòng)同步離合器與減速齒輪箱相連接。液力耦合器起離合及吸收振動(dòng)的作用，彈性聯(lián)軸器及萬向節(jié)是利用彈性元件的變形以補(bǔ)償兩軸之間的相對(duì)位移，同時(shí)緩和沖擊并吸收扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。自動(dòng)同步離合器用于實(shí)現(xiàn)同軸上動(dòng)力裝置之間的自動(dòng)交替使用，是聯(lián)合動(dòng)力裝置中的一個(gè)關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。

6 全柴聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODAD）

CODAD型聯(lián)合動(dòng)力裝置是一種能滿足多種船舶對(duì)不同工況性能要求的動(dòng)力裝置。當(dāng)艦船處于巡航狀態(tài)時(shí)，一臺(tái)主機(jī)投入運(yùn)行即可滿足功率需求，而當(dāng)需要加速時(shí)，則會(huì)并入另一臺(tái)或多臺(tái)主機(jī)。該類聯(lián)合動(dòng)力裝置多用于中、小型水面艦船。

7 柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置

7.1 柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置的分類

該類聯(lián)合動(dòng)力裝置由柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、傳動(dòng)裝置、軸系，以及推進(jìn)器等設(shè)備組成，主要用于中、小型水面艦船上。柴油機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性，適用于巡航機(jī)組。燃?xì)廨啓C(jī)具有功率大、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但其經(jīng)濟(jì)性較差，適用于加速機(jī)組。通過對(duì)柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行合理配置，以組成柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置，能較好地滿足艦船在巡航工況和高速工況下的不同要求。柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置有以下兩種運(yùn)行組合方式：

1）交替使用式柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODOG）。在巡航功率占裝置總功率的比重小于25%時(shí)，多采用這種型式。其中，巡航時(shí)由柴油機(jī)推進(jìn)艦船，高速時(shí)柴油機(jī)退出運(yùn)轉(zhuǎn)，由燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)提供動(dòng)力推進(jìn)艦船，這種組合方式能較為充分地發(fā)揮兩種主機(jī)的特點(diǎn)，是采用較多的一種組合方式。柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置是一種多主機(jī)動(dòng)力裝置，其主機(jī)的傳動(dòng)配置形式有分軸（多軸）傳動(dòng)配置和雙軸傳動(dòng)配置兩種方式。分軸（多軸）傳動(dòng)配置方式，每臺(tái)主機(jī)（柴油機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)）分別傳動(dòng)各自的推進(jìn)軸，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，運(yùn)行比較靈活。但在巡航工況運(yùn)行時(shí)，加速機(jī)軸處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)；在高速工況運(yùn)行時(shí)，巡航機(jī)軸處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，這兩種運(yùn)行狀態(tài)都會(huì)增大艦船航行時(shí)的阻力，對(duì)艦船航速有一定影響。

2）共同使用式柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODAG）。當(dāng)巡航功率占裝置總功率的比重大于50%時(shí)，多采用這種型式，巡航時(shí)由柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以推動(dòng)艦船，高速時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)共同推進(jìn)艦船，這種組合方式的優(yōu)點(diǎn)是能充分運(yùn)用全部主機(jī)的功率，缺點(diǎn)是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。該類動(dòng)力裝置多采用雙軸傳動(dòng)配置方式，每根軸上由柴油機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)通過并車機(jī)構(gòu)共同傳動(dòng)，這種傳動(dòng)配置方式各傳動(dòng)推進(jìn)軸均處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，沒有空轉(zhuǎn)狀態(tài)，使艦船運(yùn)動(dòng)阻力減小，被廣泛采用。

7.2 CODOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置的技術(shù)特點(diǎn)

CODOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置通常采用經(jīng)濟(jì)性較好的柴油機(jī)巡航，以滿足巡航工況低油耗的需求。同時(shí)，采用重量輕、功率大的燃?xì)廨啓C(jī)加速，以滿足高航速航行時(shí)功率的要求。CODOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置常用于海軍輕型水面艦船，如驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等。此類艦船在巡航工況時(shí)，不需要過多的功率，故利用單機(jī)功率較小、耗油率低的柴油機(jī)。在高速工況時(shí)，則采用單機(jī)功率大、結(jié)構(gòu)緊湊的燃?xì)廨啓C(jī)。雖然燃?xì)廨啓C(jī)耗油率大，但由于其航行時(shí)間較短，因此不需要過多的燃料儲(chǔ)量。

目前，CODOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置主要用于護(hù)衛(wèi)艦上。水面艦船的制動(dòng)和倒航，是通過柴油機(jī)的逆轉(zhuǎn)，經(jīng)耦合器和減速齒輪使定距槳的反向旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)的。在此類動(dòng)力裝置中，不可逆轉(zhuǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)并未配置倒車設(shè)備，因而無法利用其功率來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和倒航，要在艦船全速航行時(shí)進(jìn)行制動(dòng)和倒航，還必須先使燃?xì)廨啓C(jī)退出工作。

其中，CODOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置的優(yōu)點(diǎn)主要如下：

1）重量尺寸小，一定排水量下可提升航速或增加配置功率。

2）操縱方便，備車迅速，緊急情況下可將燃?xì)廨啓C(jī)立即啟動(dòng)，采用調(diào)距槳或倒順離合器來實(shí)現(xiàn)倒車。

3）自巡航工況到全速工況的加速過程較為迅速，并可立即發(fā)出全功率。

4）兩類不同機(jī)組共同使用一個(gè)減速器，具有多機(jī)組并車的可靠性。

5）管理與檢修費(fèi)用較低。

但CODOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置也有較為明顯的缺點(diǎn)，主要如下：

1）機(jī)型多，傳動(dòng)裝置也比較復(fù)雜，給人員培訓(xùn)、管理維修帶來了較大麻煩。

2）柴油機(jī)巡航時(shí)的傳動(dòng)效率較低，影響了其經(jīng)濟(jì)性較高的特點(diǎn)。

3）巡航柴油機(jī)采用雙層箱裝體，滿足了減振要求，但成本較高。

4）大功率加速燃?xì)廨啓C(jī)閑置時(shí)間較長，致使燃?xì)廨啓C(jī)無法得到充分利用。

在CODOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置中，水面艦船巡航時(shí)只使用柴油機(jī)，但是在加速時(shí)僅使用燃?xì)廨啓C(jī)，而柴油機(jī)處于空載惰轉(zhuǎn)或停車狀態(tài)，也即裝置的全功率只由燃?xì)廨啓C(jī)提供。艦船的制動(dòng)和倒航，是通過改變調(diào)距槳螺距的辦法來實(shí)現(xiàn)的，因而無需改變槳軸以及與此相聯(lián)的柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。調(diào)距槳可以在巡航工況或加速工況對(duì)艦船進(jìn)行迅速制動(dòng)和倒航，因而提高了艦船的機(jī)動(dòng)性。此外，采用調(diào)距槳還能使艦船在低速下航行，從而不受柴油機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的限制。

由此可見，如果采用功率足夠大的燃?xì)廨啓C(jī)作為加速機(jī)，并在加速時(shí)使功率相對(duì)較低的巡航柴油機(jī)停止運(yùn)行，就可不使用雙擋變速設(shè)備，從而使傳動(dòng)系統(tǒng)和操縱控制大為簡化，重量尺寸也大為減小。這種CODOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置與常規(guī)動(dòng)力裝置相比，優(yōu)越性較為明顯，因而幾乎成為目前世界各國護(hù)衛(wèi)艦的標(biāo)準(zhǔn)裝置，并得到廣泛應(yīng)用。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)艦用化的改裝成功和可靠性進(jìn)一步提高，也為了簡化推進(jìn)系統(tǒng)和減小機(jī)艙尺寸，又出現(xiàn)了共同使用式柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODAG）。

7.3 CODAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置的技術(shù)特點(diǎn)

在巡航工況時(shí)，CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置與CODOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置相似，均由柴油機(jī)提供動(dòng)力來源。而在加速工況時(shí)，主要用于巡航的柴油機(jī)與用于加速的燃?xì)廨啓C(jī)共同運(yùn)作，有利于提高艦船的高航速。通過傳動(dòng)設(shè)備，任何一臺(tái)動(dòng)力裝置都可帶動(dòng)雙軸工作，同時(shí)又可以減少運(yùn)行機(jī)的數(shù)量，提高了動(dòng)力裝置的運(yùn)行靈活性與可靠性，但存在的問題是傳動(dòng)裝置和控制裝置比較復(fù)雜。

通常而言，在水面艦船以高航速運(yùn)行時(shí)，CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置能充分利用柴油機(jī)的功率。但由此又會(huì)增加能耗，并且會(huì)使傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)變得復(fù)雜，故實(shí)際上對(duì)航速提高所起到的作用較為有限。

與CODAD 型聯(lián)合動(dòng)力裝置相比，CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置能在較低航速下安靜航行。在CODAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置中，由于燃?xì)廨啓C(jī)從冷啟動(dòng)狀態(tài)到全功率需要2 min，而柴油機(jī)所需要的時(shí)間更長，因此CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置的加速性通常優(yōu)于CODAD型聯(lián)合動(dòng)力裝置。

與CODOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置相比，CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置的控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。由于在全速時(shí)，會(huì)由柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)共同運(yùn)作，因此要求柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)都不能超負(fù)荷工作，并且應(yīng)該按照各自設(shè)計(jì)的比例輸出相應(yīng)的功率，以滿足艦船全速時(shí)所需要的推進(jìn)功率要求。

CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置因?yàn)椴捎昧酥亓枯^輕的燃?xì)廨啓C(jī)組來提供功率，因而整個(gè)動(dòng)力裝置的單位質(zhì)量和總質(zhì)量都顯著下降，同時(shí)還提高了艦船的機(jī)動(dòng)性，縮短了啟動(dòng)過程及加速過程的耗時(shí)。另外，采用兩個(gè)彼此獨(dú)立的機(jī)組，提高了裝置的可靠性，任何一個(gè)裝置發(fā)生故障不會(huì)完全破壞動(dòng)力裝置的正常工作，這也提升了全艦的生命力。因此，CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置在艦船上得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦等類型的艦船。但是，上述兩類柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置也有明顯的缺陷，一是機(jī)型多，傳動(dòng)裝置較為復(fù)雜，如某CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置有兩種不同的動(dòng)力裝置，其傳動(dòng)裝置除齒輪箱外，還有不同類型的離合器及聯(lián)軸器等，這為人員培訓(xùn)、管理使用、維修帶來了較大的麻煩；二是巡航柴油機(jī)采用雙層隔振加箱裝體形式，滿足了減振要求，但耗費(fèi)的成本過高；三是對(duì)CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置而言，大功率加速燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)間少；四是CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置對(duì)傳動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)的要求高。由于CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)負(fù)荷均衡控制技術(shù)要求較高，以前大多采用CODOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置。

在CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置的研制中，也由于缺乏功率足夠大的燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)可靠性較低等原因，因而巡航機(jī)功率占裝置總功率比例較大，為確保艦船可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)為了達(dá)到加速時(shí)將燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)功率合并的目的，不得不配備結(jié)構(gòu)操縱復(fù)雜、重量尺寸大的變速傳動(dòng)系統(tǒng)。因此，和艦船常規(guī)動(dòng)力裝置相比，CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置的優(yōu)越性在此受到了限制。但是，隨著動(dòng)力裝置技術(shù)、傳動(dòng)技術(shù)以及控制技術(shù)水平的提高［5］，CODAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置將得到更廣泛地應(yīng)用。

在艦用聯(lián)合動(dòng)力裝置發(fā)展的同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)也在同步發(fā)展，單位油耗量不斷降低，提高到數(shù)千小時(shí)的使用壽命，并且已能適應(yīng)整機(jī)吊換和縮短修船周期的要求，可靠性已得到提升［6］。為了進(jìn)一步減輕動(dòng)力裝置的重量尺寸，簡化操縱管理和易于自動(dòng)化，近年來艦船上又出現(xiàn)用巡航燃?xì)廨啓C(jī)代替巡航柴油機(jī)，或全部采用燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合動(dòng)力裝置。

8 全燃聯(lián)合動(dòng)力裝置

在這種聯(lián)合動(dòng)力裝置中，巡航機(jī)和加速機(jī)都用燃?xì)廨啓C(jī)。主要包括交替使用式全燃聯(lián)合動(dòng)力裝置（COGOG）和共同使用式全燃聯(lián)合動(dòng)力裝置（COGAG）。以COGOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置為例，其在巡航時(shí)采用小功率巡航燃?xì)廨啓C(jī)，加速時(shí)只用大功率加速燃?xì)廨啓C(jī)。這種COGOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置主要用于驅(qū)逐艦上。由加速工況回復(fù)到巡航工況的轉(zhuǎn)換過程，和由巡航工況轉(zhuǎn)換到加速工況的情況相似。艦船的制動(dòng)和倒航，是用調(diào)距槳來實(shí)現(xiàn)的。

9 燃?xì)廨啓C(jī)-汽輪機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（COGAS）

COGAS型聯(lián)合動(dòng)力裝置是以燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)為主機(jī)的聯(lián)合動(dòng)力裝置，兩類動(dòng)力裝置以熱力循環(huán)聯(lián)合在一起，由于以聯(lián)合循環(huán)方式工作，其總效率比單獨(dú)的燃?xì)廨啓C(jī)或汽輪機(jī)的總效率要高。

在COGAS 型聯(lián)合動(dòng)力裝置中，通常是將燃?xì)廨啓C(jī)工作后的排氣導(dǎo)入余熱鍋爐中，使余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽供給汽輪機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)輸出的功率，經(jīng)傳動(dòng)裝置、軸系共同傳給推進(jìn)器。其中，利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱的汽輪機(jī)輸出的功率，約為燃?xì)廨啓C(jī)功率的20%～25%。為提高汽輪機(jī)的功率，可在余熱鍋爐中加入附加燃料進(jìn)行補(bǔ)充燃燒。COGAS 型聯(lián)合動(dòng)力裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是可大幅提高動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性。在單一循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)中，排氣溫度通常在400 ℃以上，這部分熱量如經(jīng)煙囪排出且完全不加以利用，也是一大損失。在COGAS 型聯(lián)合動(dòng)力裝置中，這部分熱量得到部分利用，從而提高了熱循環(huán)效率，在低負(fù)荷時(shí)，COGAS型聯(lián)合動(dòng)力裝置的效率下降不大，從而改善了裝置低負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。通過采用該類裝置，減少了設(shè)備重量和所占據(jù)的體積，由此可儲(chǔ)備更多的燃油。在既定的續(xù)航力條件下，也可增加武器彈藥的運(yùn)載量，從而使戰(zhàn)艦的戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)得到提高。COGAS型聯(lián)合動(dòng)力裝置的問題在于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此只在某些大型艦船上被采用。

10 汽輪機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（COSAG）

COSAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置是最早研制的一類聯(lián)合動(dòng)力裝置，主要用于一些驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦上。COSAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置是以運(yùn)轉(zhuǎn)可靠的汽輪機(jī)作為巡航機(jī)組，以燃?xì)廨啓C(jī)作為加速機(jī)組。在作戰(zhàn)時(shí)，由燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)一起投入工作，使動(dòng)力裝置輸出全功率，并使艦船達(dá)到全航速。其中，艦船的制動(dòng)和倒航，是通過汽輪機(jī)的倒車級(jí)，和燃?xì)廨啓C(jī)的倒車耦合齒輪系統(tǒng)，反轉(zhuǎn)定距槳而實(shí)現(xiàn)的。

由于汽輪機(jī)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，其與燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合以后，能適應(yīng)功率較大的輕型水面艦船。在全速工況下，汽輪機(jī)能為水面艦船提供約80%的航行功率，從而有利于提升經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和重量尺寸指標(biāo)。如果需要更高航速時(shí)，則將燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)共同投入運(yùn)作，以提升全艦功率。

COSAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置曾于20 世紀(jì)50年代起即已投入應(yīng)用，其具有比功率大、重量尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、操縱管理方便等優(yōu)點(diǎn)，但可靠性及經(jīng)濟(jì)性較差，燃?xì)廨啓C(jī)僅適于作為短時(shí)使用的加速機(jī)組。在COSAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置中，汽輪機(jī)功率占比較大，是由于當(dāng)時(shí)由航空發(fā)動(dòng)機(jī)改制成的艦用燃?xì)廨啓C(jī)尚處于發(fā)展初期，單機(jī)功率不大，可靠性亟待提升，因而配備了較大功率的汽輪機(jī)，以確保艦船運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。和艦用常規(guī)動(dòng)力裝置相比，這種COSAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置雖有一定的優(yōu)勢，但由于汽輪機(jī)在總功率中所占比重較大，使整個(gè)聯(lián)合動(dòng)力裝置的優(yōu)越性受到限制。隨著燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)功率的增大，可靠性得到不斷提升，COSAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置的優(yōu)越性正日漸式微，目前已基本退出歷史舞臺(tái)，基本為上文所提到的COGAG等聯(lián)合動(dòng)力裝置所取代。

11 柴油機(jī)-電機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置

該類聯(lián)合動(dòng)力裝置的動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性較高，并有著較低的維修費(fèi)用。該類聯(lián)合動(dòng)力裝置能有效提升全艦的生命力，又可有效減少機(jī)艙內(nèi)的噪聲源，還增加了機(jī)艙的空間，從而可為聲吶等設(shè)備提供必要的工作環(huán)境。同時(shí)采用電力推進(jìn)，可有效提高全艦的巡航經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航力。

12 汽輪機(jī)-電機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置

該類聯(lián)合動(dòng)力裝置是一類以汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，以推進(jìn)電機(jī)作主機(jī)的艦船聯(lián)合動(dòng)力裝置，由汽輪機(jī)、供電裝置（發(fā)電機(jī)及蓄電池）、推進(jìn)電機(jī)、控制站、軸系及推進(jìn)器等設(shè)備構(gòu)成。其中，由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)出交（直）流電，通過電纜和控制站傳給推進(jìn)電機(jī)，使推進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再通過軸系帶動(dòng)推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)，推進(jìn)艦船運(yùn)動(dòng)。蓄電池只在汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)機(jī)組發(fā)生故障時(shí)應(yīng)急使用。這種動(dòng)力裝置主要用于核動(dòng)力潛艇、海纜作業(yè)船、破冰船和挖泥船上。該類聯(lián)合動(dòng)力裝置具有悠久的歷史，在第二次世界大戰(zhàn)期間，是艦船動(dòng)力裝置中的主要類型。二戰(zhàn)后，以柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等為代表的其他動(dòng)力裝置發(fā)展迅速，汽輪機(jī)-電機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置的應(yīng)用日益減少。由于采用了電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，汽輪機(jī)不必設(shè)置倒車級(jí)，但須設(shè)置齒輪減速器。在非核動(dòng)力艦船上采用汽輪機(jī)-電機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置時(shí)，還要設(shè)置蒸汽鍋爐，以便向汽輪機(jī)供汽。

13 聯(lián)合動(dòng)力裝置的實(shí)際應(yīng)用研究與展望

13.1 聯(lián)合動(dòng)力裝置的實(shí)際應(yīng)用與研究

如上所述，由兩臺(tái)及以上的同類或不同類熱力發(fā)動(dòng)機(jī)組成，為艦船及其它設(shè)備提供航行或運(yùn)行所需能源的動(dòng)力裝置被稱為聯(lián)合動(dòng)力裝置。除對(duì)所有船舶動(dòng)力裝置提出的一般要求，如可靠性、生命力、機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、重量和外型尺寸、振動(dòng)噪音指標(biāo)和技術(shù)使用便捷性等因素之外，聯(lián)合動(dòng)力裝置由于種類較多，且具有較為特殊的結(jié)構(gòu)，因此對(duì)其提出了一系列特殊要求。

由于聯(lián)合動(dòng)力裝置是不同動(dòng)力裝置的組合，動(dòng)力裝置間相互存在著熱力聯(lián)系或機(jī)械聯(lián)系，從而比具有相同功率和相同用途的單一動(dòng)力裝置更復(fù)雜。因此，需要對(duì)聯(lián)合動(dòng)力裝置進(jìn)行合理配置，以簡化其結(jié)構(gòu)和熱力循環(huán)。目前，與單一動(dòng)力裝置相比，聯(lián)合動(dòng)力裝置的特性不僅受到其組成部分中的各類動(dòng)力裝置基礎(chǔ)特性的制約，還與動(dòng)力裝置自身的組合方式有關(guān)。通常而言，為了簡化營運(yùn)，聯(lián)合動(dòng)力裝置多采用統(tǒng)一的燃料類型，該策略對(duì)帶加速機(jī)的聯(lián)合動(dòng)力裝置而言尤其重要。采用統(tǒng)一的燃料類型能簡化聯(lián)合動(dòng)力裝置的附屬系統(tǒng)，并提高水面艦船的自持力，在實(shí)際運(yùn)行過程中，可充分減少由不同燃料所引起的管理困難。

對(duì)于聯(lián)合動(dòng)力裝置而言，需使各類動(dòng)力裝置能不受時(shí)間限制地獨(dú)立運(yùn)行，并保證艦船具有必要的機(jī)動(dòng)性。動(dòng)力裝置能獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)提高聯(lián)合動(dòng)力裝置的可靠性和靈活性。為確保全艦的性能，在緊急狀態(tài)下，使組成聯(lián)合動(dòng)力裝置的其中一類動(dòng)力裝置能隨時(shí)投入運(yùn)行也有著較高重要性?？紤]到聯(lián)合動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)及其在船上的布置，應(yīng)盡可能采用堅(jiān)固、耐用、使用壽命長，且易于更換的設(shè)備。

13.2 不同類型聯(lián)合動(dòng)力裝置及其應(yīng)用前景展望

目前，根據(jù)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的不同類型，以及交替使用或共同使用的不同方式，根據(jù)排列組合方面的信息，其實(shí)可以有多種組合。以汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)為代表的聯(lián)合動(dòng)力裝置為例，這種裝置大致上可分為兩類：

1）汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)之間用機(jī)械聯(lián)接，而裝置的這兩部分在熱力方面相互獨(dú)立，如上文提到的COSAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置。

2）由不同類型聯(lián)合動(dòng)力裝置（汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等）之間從熱力方面聯(lián)接，裝置的兩部分按共同的熱力循環(huán)運(yùn)行，如上文提到的COGAS 型聯(lián)合動(dòng)力裝置。

但事實(shí)上，并不是任意兩種動(dòng)力裝置都能組成必要的聯(lián)合型式。以柴油機(jī)為例，柴油機(jī)由于油耗率較低，啟動(dòng)速度較快，多用于巡航機(jī)組，但由于其動(dòng)力性能總體不如燃?xì)廨啓C(jī)，經(jīng)濟(jì)性又優(yōu)于燃?xì)廨啓C(jī)。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行組合時(shí)，不可能出現(xiàn)以燃?xì)廨啓C(jī)作為巡航機(jī)組，柴油機(jī)作為加速機(jī)組的情況（即COGOD型聯(lián)合動(dòng)力裝置或COGAD型聯(lián)合動(dòng)力裝置）。同樣，以汽輪機(jī)為例，汽輪機(jī)有著較高的功率，但由于其啟動(dòng)速度較慢，響應(yīng)性相對(duì)較差，因此較少將其作為加速機(jī)組，僅有當(dāng)汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)存在熱力聯(lián)系時(shí)，才會(huì)存在以燃?xì)廨啓C(jī)作為巡航機(jī)組，汽輪機(jī)作為加速機(jī)組的型式（即COGAS型聯(lián)合動(dòng)力裝置），其余情況下，則不會(huì)以汽輪機(jī)作為加速機(jī)組。如上所述，現(xiàn)有常規(guī)聯(lián)合動(dòng)力裝置的組成型式與工作方式如表1 所示。

表1 常見聯(lián)合動(dòng)力裝置的組成型式與工作方式

如表1 所述，COSAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置已很少采用，只是在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的初期曾采用。該類動(dòng)力裝置以汽輪機(jī)作為巡航機(jī)組，一旦用于加速的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生事故［7］，艦船仍能以全速85%左右的航速前行。而近年來，燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性有所提升。目前，燃?xì)廨啓C(jī)不僅完全可以可靠地運(yùn)行［8］，而且響應(yīng)性優(yōu)于汽輪機(jī)。

在小型艦船上，由于柴油機(jī)耗油率較低，為提高續(xù)航力，多數(shù)艦船仍采用柴油機(jī)作主機(jī)或巡航機(jī)組。但是在噸位較大、航速要求較高的水面艦船上，由于柴油機(jī)單機(jī)功率較小，難以滿足動(dòng)力要求。這時(shí)采用CODOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置或CODAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置可以發(fā)揮兩種機(jī)型各自的優(yōu)勢。CODOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置在巡航時(shí)采用柴油機(jī)，以保證續(xù)航力，在全速時(shí)采用燃?xì)廨啓C(jī)，以確保水面艦船對(duì)動(dòng)力的要求。

以CODAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置為例，其在全速時(shí)會(huì)讓柴油機(jī)參與功率輸出，但對(duì)航速提高并不顯著，因?yàn)楦鶕?jù)艦用柴油機(jī)的速度特性，其負(fù)荷與航速大致呈三次方關(guān)系。由于柴油機(jī)平均功率小，對(duì)航速的提升效果并不大，最高航速只不過提高1～2 kn，但花費(fèi)的代價(jià)是巨大的，不僅調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)增加了設(shè)備的總數(shù)，而且其并車裝置也較為復(fù)雜。

在此期間，全燃型聯(lián)合動(dòng)力裝置的應(yīng)用比較普遍，無論是COGOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置或COGAG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置，都得到了長足發(fā)展。當(dāng)采用COGOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置時(shí)，如果艦船處于巡航狀態(tài)，則由巡航機(jī)組單獨(dú)工作。此時(shí)由于巡航機(jī)組是在高負(fù)荷工況或設(shè)計(jì)工況下工作，其耗油率會(huì)更低，更易于提升全艦續(xù)航力。

COGAS型聯(lián)合動(dòng)力裝置在陸用火力發(fā)電設(shè)備中早已得到應(yīng)用，在艦船上的應(yīng)用則相對(duì)較少。采用COGAS 型聯(lián)合動(dòng)力裝置，無須克服過多的技術(shù)難關(guān)，也不會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的緊湊性產(chǎn)生影響，即可實(shí)現(xiàn)多方面的經(jīng)濟(jì)效益。只需在排氣道中加裝一套熱交換器及汽輪機(jī)，即可提高裝置的總效率和總功率。目前，該領(lǐng)域的技術(shù)也比較成熟，尤其在民用船舶上有較為廣泛的應(yīng)用前途。在艦船上亦可作為巡航機(jī)組使用［9］。

考慮到燃?xì)廨啓C(jī)的高油耗特征，因此在COGOG 型聯(lián)合動(dòng)力裝置中巡航機(jī)組的功率明顯低于加速機(jī)組，巡航機(jī)組的輸出轉(zhuǎn)速明顯高于加速機(jī)組，而循環(huán)機(jī)組與螺旋槳之間的減速裝置要比加速機(jī)組的明顯更大。而由相同型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)組成的COGAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置，其巡航機(jī)組、加速機(jī)組與螺旋槳之間的減速比相同。

對(duì)于兩臺(tái)由同型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)組成的COGAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置而言，由于其機(jī)型單一，為運(yùn)行維護(hù)帶來了較大的便捷性。但在巡航工況下，由于所需功率較低，使運(yùn)行中的機(jī)組以較低的負(fù)荷運(yùn)行，油耗率則會(huì)顯著增加，該方面明顯不如COGOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置。為此，近年來出現(xiàn)了功率不同，但相差比例并不大的不同燃?xì)廨啓C(jī)共同組成COGAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置，使巡航時(shí)的油耗率得到改善。

其中需要注意的是，聯(lián)合動(dòng)力裝置由于采用了不同類型或型號(hào)的主機(jī)，在使用、管理、訓(xùn)練、維修、后勤保障等方面會(huì)變得更為復(fù)雜和困難?？紤]到聯(lián)合動(dòng)力裝置的復(fù)雜性，其要在水面艦船上得以充分應(yīng)用，必須要在一種或幾種決定性指標(biāo)（如效率、重量、外形尺寸、可靠性、生命力和經(jīng)濟(jì)效益等）上具有顯著的優(yōu)勢。與單一的動(dòng)力裝置類型不同，在某些特定的用途中必須采用不同類型的主機(jī)，使其組合成聯(lián)合動(dòng)力裝置，如潛艇及某些反潛艦船。因此，對(duì)部分航行狀態(tài)和隱蔽性有較高要求的艦船而言，多采用機(jī)械及電力推進(jìn)相結(jié)合的聯(lián)合動(dòng)力裝置。

目前，聯(lián)合動(dòng)力裝置主要應(yīng)用于大、中、小型的水面艦船中，如大型高速炮艇、獵潛艇、護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦和巡洋艦等，已成為各國海軍競相研究和采用的主動(dòng)力裝置型式［10］。除了在水面艦船領(lǐng)域，聯(lián)合動(dòng)力裝置可在破冰船等特殊用途的船舶上得到應(yīng)用與發(fā)展，并可根據(jù)實(shí)際制造和使用過程，繼續(xù)確定其改進(jìn)與優(yōu)化的方案。

14 結(jié)論與展望

聯(lián)合動(dòng)力裝置是由不同類型或型號(hào)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合組成的艦船動(dòng)力裝置［11］，通常由加速主機(jī)、巡航主機(jī)、傳動(dòng)裝置、軸系、推進(jìn)器等組成。目前，艦船中得到應(yīng)用的聯(lián)合動(dòng)力裝置類型主要有CODAD、CODOG、CODAG、COGOG、COGAG、COGAS、COSAG等幾類。聯(lián)合動(dòng)力裝置的優(yōu)勢主要如下：

1）在確保具有較高功率的前提下，減小了動(dòng)力裝置的尺寸和重量；

2）操縱方便，且備車迅速，緊急情況下可實(shí)現(xiàn)立即啟航；

3）從巡航工況到全速工況加速過程較為迅速；

4）機(jī)組可共用一個(gè)減速齒輪箱，具有多機(jī)組并車的可靠性。

聯(lián)合動(dòng)力裝置主要的缺陷在于，通常需要準(zhǔn)備兩種及以上機(jī)型的備件，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一定程度上降低了其可靠性。

聯(lián)合動(dòng)力裝置可集中不同類型裝置的優(yōu)點(diǎn)，從而使水面艦船實(shí)現(xiàn)高經(jīng)濟(jì)性與高動(dòng)力性的統(tǒng)一。在一定條件下，采用聯(lián)合動(dòng)力裝置能降低動(dòng)力裝置的總重量。近幾十年來，不同型式聯(lián)合動(dòng)力裝置的出現(xiàn)，是水面艦船動(dòng)力裝置長期發(fā)展的表現(xiàn)。毫無疑義，在未來數(shù)年間，水面艦船聯(lián)合動(dòng)力裝置將取得新的成就。