聯合動力裝置在水面艦船領域的應用研究及前景展望

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 引言

水面艦船動力裝置按型式的不同，一般可分為柴油機、汽輪機、燃氣輪機、核動力裝置四種基本型式。其中，核動力裝置依然還是由汽輪機作為主推進動力裝置，因此目前艦用動力來源的主要機型依然為柴油機、汽輪機及燃氣輪機。

1 柴油機動力裝置

柴油機具有較為優越的特性，在商船、漁船、工程船及軍用艦船中，都得到了廣泛應用。目前，柴油機主要具有如下特點。

1.1 較高的經濟性

柴油機自問世以來，其經濟性一直優于其他類型的熱力發動機，具有較低的耗油率。目前，低速柴油機的熱效率達42%～50%，在所有的熱力發動機中最高，這是近年來柴油機性能的重大突破。由于油價的不斷上漲，動力裝置的耗油量成為決定船舶營運經濟性的主要因素。除了較高的熱效率之外，柴油機的另一項突出特點是：在寬廣的負荷范圍內均具有較高的經濟性。不但在高速工況下具有較高的經濟性，在低速工況時也有較高的經濟性，這一點比汽輪機和燃氣輪機更為突出，可以顯著地提高艦船續航力。換言之，在給定的續航力的條件下，所需的燃料儲備量大大減少，減少了燃料在全艦排水量中的占比。

1.2 機型眾多，功率范圍寬廣

隨著船舶動力的發展，先后出現了不同類型的船舶，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，各種船舶對功率的要求差異較大，動力裝置的功率范圍通常可從幾百千瓦到幾萬千瓦。目前世界各國正生產著具有不同轉速的船用柴油機，從而能適用于不同類型的船舶。

1.3 高速輕型柴油機的比重量輕、尺寸小，所需要的輔助機械設備少

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

1.4 有良好的機動性

現代柴油機操作簡便、啟動迅速，正倒車過程迅速而簡單。從準備啟動到完成啟動約10 min，柴油機從冷態啟動到全負荷工況，一般不多于10 min，而應急時不超過4 min。主機倒車所需時間，一般在幾秒鐘之內就可以完成。

近年來，隨著柴油機燃油消耗率的持續降低，比功率的不斷提升，單機功率增大，結構更加緊湊，機槳轉速實現最佳匹配，柴油機的地位更加突出。顯而易見，柴油機與其他動力裝置相比，在民用船舶領域中保有較大優勢，是最重要的動力裝置形式之一。

2 汽輪機動力裝置

汽輪機以鍋爐產生的高溫蒸汽為工質，通過齒輪箱減速機組傳遞功率到螺旋槳。早期，在大功率船舶推進系統中，汽輪機長期保有顯著優勢，從20世紀60年代以后，船舶向著巨型化，快速化、專用化和高度自動化的方向發展，汽輪機在大型和高速船舶領域更占有絕對優勢。大、中型水面艦船為了獲得高航速，需要較大的機組功率，從而使汽輪機得到了廣泛應用。汽輪機具有如下特點。

2.1 具有較大的單機功率

由于汽輪機是連續旋轉的機械設備，可通過提高轉速、增大通流面積和提高蒸汽參數等方法來提升單機功率，從而滿足系統需求。目前，艦用汽輪機單機組功率已超過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。柴油機和燃氣輪機等單一動力裝置如要達到這樣高的單機功率，目前較難實現。而且，汽輪機的功率愈大，其單位重量和尺寸顯著下降，換言之，大功率汽輪機具有較小的比重量和尺寸。

2.2 操縱簡易，維修保養簡便

汽輪機具有較高的工作可靠性和較長的壽命，其使用期限可達10萬h以上。同時，汽輪機較高的可靠性又可以減少維修保養費用，較長的壽命又可以降低營運成本，均能提高船舶的營運經濟性。

2.3 能燃用價廉的劣質燃料

在柴油機沒有大范圍燃用重油時，更顯示了汽輪機的優越性。此外，汽輪機的滑油消耗量較小。在設計制造和運轉管理方面有豐富的經驗，由此得到了廣泛的應用。

隨著科學技術的發展，柴油機和燃氣輪機的單機組功率不斷增大，而柴油機的壽命得到了顯著提高，也解決了燃用劣質燃料的問題，相比之下，汽輪機的優勢一定程度上有所削弱。同時，又由于汽輪機固有的缺點，其經濟性不如柴油機，同時還具有重量尺寸大，機動性低等劣勢。目前，汽輪機在中小型及部分大型船舶動力裝置中的應用中逐步減少。

近年來，隨著能源的短缺，民用船舶動力裝置的主要發展方向轉向節能，降低主機功率和耗油率，以最大限度降低船舶的營運費用。但與此同時，現役水面大、中型軍艦仍有較大一部分采用汽輪機為動力裝置。對于航空母艦等大型水面艦船及其他采用核動力的艦船而言，汽輪機仍是主要的動力裝置；而部分大、中型水面艦船，其動力裝置逐步向以燃氣輪機為主的聯合動力裝置過渡。

3 燃氣輪機動力裝置

燃氣輪機是20世紀50年代后期開始發展起來的。其以較小的單位重量尺寸、較大的單機功率、較高的機動性、簡易的操縱管理方式，以及出色的自動化程度等優點，得到了廣泛應用。但是，由于燃氣輪機的經濟性較差，本身尺寸雖小，但進排氣管道尺寸巨大，因此布置困難，且無法直接倒車，需要采用倒車設備，使裝置復雜化。若以其作為單一的動力裝置，將影響艦船的性能。

因此，燃氣輪機作為單一的艦用動力裝置而言，一直發展緩慢。但是，燃氣輪機卻適宜在聯合動力裝置中擔任加速機組，與其他動力裝置聯合使用，能夠取長補短，充分發揮優勢。燃氣輪機以其較大的單機組功率，較輕的重量，較高的機動性等顯著優勢，在各類水面艦船中，尤其是在巡洋艦、驅逐艦和護衛艦這一類大、中型水面艦船中得到了廣泛應用。因此，研究某些典型的大、中型水面艦船的燃氣輪機，對了解燃氣輪機在船舶動力裝置中的應用，具有重要意義。

從20世紀下半葉起，水面艦船的動力就由傳統的汽輪機和內燃機，逐步過渡到更先進的燃氣輪機聯合動力裝置。艦船動力發生這種根本變化的原因，是與艦船的戰術技術要求，以及艦用燃氣輪機的研制成功和發展是分不開的。

4 對水面艦船動力裝置的技術要求

巡洋艦、驅逐艦和護衛艦等大、中型水面艦船是具有較強突擊能力和較大續航力的主要艦船，同時也是各國海軍中水面艦船的骨干和主要艦型。為了完成戰術使命，這類艦船的動力裝置必須滿足如下要求：

1）高速性。這對艦船高速奔赴作戰地區，迅速占據有利陣位和追擊敵艦，具有重要意義。

2）機動性。這對規避敵方的攻擊，迅速轉向及制動，立即由冷態起動離開碼頭，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）較大的續航力。該項指標要求大幅減小艦船動力裝置的尺寸重量，減低主機油耗，并可攜帶更多的燃料。

4）可靠性。戰斗中所出現的任何故障，都會產生嚴重后果，要求動力裝置工作可靠，動力裝置有足夠的壽命，完善的備用應急系統等。

5）足夠的隔音和防護沖擊波的能力。這對于反潛和在沖擊波作用下保證動力裝置正常運轉，具有重要意義。

其中，高速性是水面艦船必須滿足的戰術技術性能。為此，對于部分排水量不大的艦船，不得不犧牲一定的排水量，來配置動力性較強的動力裝置。另一方面，艦船的運轉情況又和經常在額定功率下全速航行的商船不同。艦船在全服役期內的大部分時期中，往往擔任巡邏和艦隊的護航任務。為了降低單位行駛航程的燃料消耗以增加續航力，水面艦船往往長期以低速航行，而以全功率全航速進行海上戰斗的時間相對較少。根據對這類艦船運轉情況所作的統計表明，在低于25%全功率下的運轉時間占總運轉時間的98%，相應的航速約為全速的65%，即約為17～22 kn 的巡航速度，而以全功率全航速運轉的時間，還不到總運轉時間的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力裝置。而在絕大部分的運轉時間中，這些動力裝置又處于閑置狀態，相應的機械重量反過來成為艦船的額外負擔。同時，長期在部分負荷下運轉的主機單位油耗量大，又減低了全艦的續航力。上述情況是水面艦船動力裝置所面臨的重要矛盾。

因此，在確保艦船短期內能達到全功率的前提下，如何減小動力裝置的重量尺寸，提高部分負荷（即長期巡航運轉）下動力裝置的經濟性以增加續航力，是水面艦船動力裝置發展中一直亟待解決的重要問題。

汽輪機雖具有單機組功率大，使用壽命長（通常可達十幾萬小時），可靠性好，運轉平穩等優勢，但必須配備有鍋爐和給水系統等一系列附屬設備，使動力裝置的尺寸重量有所增大。同時，因其冷態起動時間長、機動性差、經濟性差，使續航力受到了一定限制。柴油機雖具有較好的經濟性，起動迅速，尺寸重量較小等優點，但是單機功率并不大，為了滿足護衛艦的作戰要求，就要采用多臺柴油機并車，使裝置復雜化，因并車而配置的傳動機組使裝置的尺寸重量顯著增加。常規動力裝置的這些不足，雖經多年來努力改進和完善，依然無法完全克服，因而還不能完全滿足上述艦船的要求。

自第二次世界大戰后期，隨著燃氣輪機的出現和實用化，特別是由航空發動機改裝的艦用燃氣輪機的成功應用和不斷完善，引起了艦船動力裝置的根本變化。這是由于燃氣輪機具有如下特點：單機組的功率逐步增大，重量尺寸最小，起動迅速（1～2 min），經濟性逐步改善，使用壽命逐步增加（由幾百小時增加到幾千小時）。但同時也需注意，燃氣輪機本身不能直接反轉，要配置專門的倒車裝置，進排氣管尺寸較大，布置也比較困難。

由于常規動力裝置無法完全滿足艦船的要求，由此將不同的常規熱力發動機加以聯合，組成聯合動力裝置，取長補短，充分發揮各種動力裝置的優點，使水面艦船動力裝置在總功率、尺寸重量、機動性、經濟性和可靠性等方面取得了更好的應用效果。

5 聯合動力裝置的定義、組成形式及運行方式

5.1 聯合動力裝置的定義

如上文所述，聯合動力裝置是由多臺不同類型或型號的主機組成的水面艦船動力裝置［2］。通常由巡航主機、加速主機、傳動裝置、軸系、推進器等構成。聯合動力裝置通過不同類型主機的合理配置和組合，充分發揮了各種類型或型號主機的優點，以彌補其缺點，使整個動力系統在全部運行工況范圍內均保有優良的性能，滿足水面艦船在高速和巡航等工況下的不同需求。

聯合動力裝置的出現與燃氣輪機的發展有著密切的關系。自20 世紀50年代起，燃氣輪機開始應用于水面艦船，出現了由汽輪機與燃氣輪機組成的聯合動力裝置。而自20 世紀60年代后，柴油機的單機功率不斷增大，高速柴油機也得以發展，出現了由柴油機及燃氣輪機組成的聯合動力裝置，已廣泛地用于中小型水面艦船上，成為聯合動力裝置中最主要的一種組合型式。在這一時期內，燃氣輪機的經濟性較差，一般多作為聯合動力裝置中運行時間較短的加速機組。自20 世紀70年代以來，燃氣輪機的技術性能有了顯著提高，燃油消耗率大幅下降，部分工況性能有了顯著改善，從而出現了由同型號燃氣輪機組成的聯合動力裝置。一些對振動噪聲有較高要求或有著特殊用途的水面艦船，在巡航時采用電力推進的形式，由燃氣輪機及電機組成的聯合動力裝置，或由汽輪機及電機組成的聯合動力裝置等也陸續出現［3］。

5.2 聯合動力裝置的組成型式

一般可用英文縮寫來描述聯合動力裝置的型式。以COGOG型聯合動力裝置及CODOG型聯合動力裝置為例，頭兩個字母CO表示聯合動力；第三個字母表示巡航機組的機種，第四個字母O表示或者，第五個字母表示加速機組的機種，其中G為燃氣輪機，D為柴油機。COGOG型聯合動力裝置是由巡航機組與加速機組組成，兩者交替使用的全燃聯合動力裝置，即水面艦船在巡航時僅使用巡航機組，高速行駛時僅使用加速機組。而CODOG型聯合動力裝置則是交替使用的柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置。目前，聯合動力裝置的組成型式主要有：

1）汽輪機-燃氣輪機聯合動力裝置（COSAG），巡航工況時，由汽輪機供給動力，全速工況時，由汽輪機及燃氣輪機共同提供動力。

2）燃氣輪機-汽輪機循環聯合動力裝置（COGAS），這是一種復合循環裝置，即利用燃氣輪機的廢氣能量使蒸汽鍋爐產生蒸汽并推動汽輪機。兩種動力裝置共同向艦船提供推進動力。與上述提到的CASAG 型聯合動力裝置不同，在COGAS 型聯合動力裝置所采用的兩種動力裝置之間，不僅有機械聯系而且存在熱力聯系。

3）柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置，由柴油機組成巡航機組，燃氣輪機為加速機組［4］，在巡航工況僅由柴油機提供動力，在全速工況時由柴油機和燃氣輪機共同提供。其中可分為交替使用式柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置（CODOG）和共同使用式柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置（CODAG）。

4）柴油機-電機聯合動力裝置，指柴油機、電機都可驅動推進器的動力裝置。柴油機發出的功率既可直接提供推進動力也可向蓄電池充電，然后由電機驅動推進器，還可一邊向蓄電池充電一邊驅動推進器。

5）柴油機-核動力-電機聯合動力裝置，由于核動力裝置小型化技術的突破，可在常規的柴油機-電機聯合動力裝置上加裝小型核動力裝置。

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

7）全燃聯合動力裝置。其中可分為交替使用式全燃聯合動力裝置（COGOG）和共同使用式全燃聯合動力裝置（COGAG）。COGOG型聯合動力裝置由不同型號的燃氣輪機所組成，經濟性好的小型燃氣輪機作為巡航機組，大功率燃氣輪機作為加速機組，在全速時只有加速機組投入運行。隨著燃氣輪機技術的發展，在各種工況下的經濟性均有顯著提高，近年來在大、中型水面艦船上多采用多臺同型號的燃氣輪機組成多機裝置，即為COGAG。該類動力裝置在巡航時將巡航機組投入運行，在全速時將全部機組投入運行。由于COGAG 型聯合動力裝置僅采用單一機型，管理及維護修理均較方便，已逐步取代COGOG型聯合動力裝置。

8）汽輪機-電機聯合動力裝置。以汽輪機驅動發電機供電，以推進電機作主機的艦船聯合動力裝置。

5.3 聯合動力裝置的運行方式

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

聯合動力裝置從結構上可分為分軸傳動和并軸傳動兩類。分軸傳動，指每臺巡航機及加速機均分別驅動各自的推進軸。這種結構的優點是傳動系統比較簡單，布置比較靈活，缺點是在巡航工況或全速工況時會有部分軸處于空轉拖動狀態，使全艦的航行阻力增加。并軸傳動，是將巡航機和加速機通過傳動機構并聯在一根推進軸上（通常為雙軸推進）。這種結構的優點是在所有工況下，各傳動推進軸均處于運轉狀態，沒有閑置的空轉軸，使全艦的航行阻力減小，其缺點是并車傳動機構復雜。目前，除少數小型水面艦船外，多數采用并軸傳動。

在采用交替使用式及并軸傳動的聯合動力裝置中，有一套復雜的傳動機構。以柴油機為例，在其輸入端有液力耦合器、彈性聯軸器和萬向節，然后經自動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的作用，彈性聯軸器及萬向節是利用彈性元件的變形以補償兩軸之間的相對位移，同時緩和沖擊并吸收扭轉振動。自動同步離合器用于實現同軸上動力裝置之間的自動交替使用，是聯合動力裝置中的一個關鍵性環節。

6 全柴聯合動力裝置（CODAD）

CODAD型聯合動力裝置是一種能滿足多種船舶對不同工況性能要求的動力裝置。當艦船處于巡航狀態時，一臺主機投入運行即可滿足功率需求，而當需要加速時，則會并入另一臺或多臺主機。該類聯合動力裝置多用于中、小型水面艦船。

7 柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置

7.1 柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置的分類

該類聯合動力裝置由柴油機、燃氣輪機、傳動裝置、軸系，以及推進器等設備組成，主要用于中、小型水面艦船上。柴油機具有良好的經濟性，適用于巡航機組。燃氣輪機具有功率大、重量輕的優點，但其經濟性較差，適用于加速機組。通過對柴油機、燃氣輪機進行合理配置，以組成柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置，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-燃氣輪機聯合動力裝置有以下兩種運行組合方式：

1）交替使用式柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置（CODOG）。在巡航功率占裝置總功率的比重小于25%時，多采用這種型式。其中，巡航時由柴油機推進艦船，高速時柴油機退出運轉，由燃氣輪機單獨提供動力推進艦船，這種組合方式能較為充分地發揮兩種主機的特點，是采用較多的一種組合方式。柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置是一種多主機動力裝置，其主機的傳動配置形式有分軸（多軸）傳動配置和雙軸傳動配置兩種方式。分軸（多軸）傳動配置方式，每臺主機（柴油機及燃氣輪機）分別傳動各自的推進軸，優點是結構比較簡單，運行比較靈活。但在巡航工況運行時，加速機軸處于空轉狀態；在高速工況運行時，巡航機軸處于空轉狀態，這兩種運行狀態都會增大艦船航行時的阻力，對艦船航速有一定影響。

2）共同使用式柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置（CODAG）。當巡航功率占裝置總功率的比重大于50%時，多采用這種型式，巡航時由柴油機運轉以推動艦船，高速時燃氣輪機與柴油機共同推進艦船，這種組合方式的優點是能充分運用全部主機的功率，缺點是傳動機構比較復雜。該類動力裝置多采用雙軸傳動配置方式，每根軸上由柴油機及燃氣輪機通過并車機構共同傳動，這種傳動配置方式各傳動推進軸均處于運轉狀態，沒有空轉狀態，使艦船運動阻力減小，被廣泛采用。

7.2 CODOG型聯合動力裝置的技術特點

CODOG型聯合動力裝置通常采用經濟性較好的柴油機巡航，以滿足巡航工況低油耗的需求。同時，采用重量輕、功率大的燃氣輪機加速，以滿足高航速航行時功率的要求。CODOG型聯合動力裝置常用于海軍輕型水面艦船，如驅逐艦、護衛艦等。此類艦船在巡航工況時，不需要過多的功率，故利用單機功率較小、耗油率低的柴油機。在高速工況時，則采用單機功率大、結構緊湊的燃氣輪機。雖然燃氣輪機耗油率大，但由于其航行時間較短，因此不需要過多的燃料儲量。

目前，CODOG 型聯合動力裝置主要用于護衛艦上。水面艦船的制動和倒航，是通過柴油機的逆轉，經耦合器和減速齒輪使定距槳的反向旋轉而實現的。在此類動力裝置中，不可逆轉的燃氣輪機并未配置倒車設備，因而無法利用其功率來實現制動和倒航，要在艦船全速航行時進行制動和倒航，還必須先使燃氣輪機退出工作。

其中，CODOG 型聯合動力裝置的優點主要如下：

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，緊急情況下可將燃氣輪機立即啟動，采用調距槳或倒順離合器來實現倒車。

3）自巡航工況到全速工況的加速過程較為迅速，并可立即發出全功率。

4）兩類不同機組共同使用一個減速器，具有多機組并車的可靠性。

5）管理與檢修費用較低。

但CODOG 型聯合動力裝置也有較為明顯的缺點，主要如下：

1）機型多，傳動裝置也比較復雜，給人員培訓、管理維修帶來了較大麻煩。

2）柴油機巡航時的傳動效率較低，影響了其經濟性較高的特點。

3）巡航柴油機采用雙層箱裝體，滿足了減振要求，但成本較高。

4）大功率加速燃氣輪機閑置時間較長，致使燃氣輪機無法得到充分利用。

在CODOG 型聯合動力裝置中，水面艦船巡航時只使用柴油機，但是在加速時僅使用燃氣輪機，而柴油機處于空載惰轉或停車狀態，也即裝置的全功率只由燃氣輪機提供。艦船的制動和倒航，是通過改變調距槳螺距的辦法來實現的，因而無需改變槳軸以及與此相聯的柴油機或燃氣輪機的旋轉方向。調距槳可以在巡航工況或加速工況對艦船進行迅速制動和倒航，因而提高了艦船的機動性。此外，采用調距槳還能使艦船在低速下航行，從而不受柴油機最低穩定轉速的限制。

由此可見，如果采用功率足夠大的燃氣輪機作為加速機，并在加速時使功率相對較低的巡航柴油機停止運行，就可不使用雙擋變速設備，從而使傳動系統和操縱控制大為簡化，重量尺寸也大為減小。這種CODOG 型聯合動力裝置與常規動力裝置相比，優越性較為明顯，因而幾乎成為目前世界各國護衛艦的標準裝置，并得到廣泛應用。

隨著航空發動機艦用化的改裝成功和可靠性進一步提高，也為了簡化推進系統和減小機艙尺寸，又出現了共同使用式柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置（CODAG）。

7.3 CODAG型聯合動力裝置的技術特點

在巡航工況時，CODAG 型聯合動力裝置與CODOG 型聯合動力裝置相似，均由柴油機提供動力來源。而在加速工況時，主要用于巡航的柴油機與用于加速的燃氣輪機共同運作，有利于提高艦船的高航速。通過傳動設備，任何一臺動力裝置都可帶動雙軸工作，同時又可以減少運行機的數量，提高了動力裝置的運行靈活性與可靠性，但存在的問題是傳動裝置和控制裝置比較復雜。

通常而言，在水面艦船以高航速運行時，CODAG 型聯合動力裝置能充分利用柴油機的功率。但由此又會增加能耗，并且會使傳動系統及控制系統變得復雜，故實際上對航速提高所起到的作用較為有限。

與CODAD 型聯合動力裝置相比，CODAG 型聯合動力裝置能在較低航速下安靜航行。在CODAG型聯合動力裝置中，由于燃氣輪機從冷啟動狀態到全功率需要2 min，而柴油機所需要的時間更長，因此CODAG 型聯合動力裝置的加速性通常優于CODAD型聯合動力裝置。

與CODOG 型聯合動力裝置相比，CODAG 型聯合動力裝置的控制系統更為復雜。由于在全速時，會由柴油機和燃氣輪機共同運作，因此要求柴油機和燃氣輪機都不能超負荷工作，并且應該按照各自設計的比例輸出相應的功率，以滿足艦船全速時所需要的推進功率要求。

CODAG 型聯合動力裝置因為采用了重量較輕的燃氣輪機組來提供功率，因而整個動力裝置的單位質量和總質量都顯著下降，同時還提高了艦船的機動性，縮短了啟動過程及加速過程的耗時。另外，采用兩個彼此獨立的機組，提高了裝置的可靠性，任何一個裝置發生故障不會完全破壞動力裝置的正常工作，這也提升了全艦的生命力。因此，CODAG 型聯合動力裝置在艦船上得到了廣泛的應用，尤其是護衛艦、驅逐艦等類型的艦船。但是，上述兩類柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置也有明顯的缺陷，一是機型多，傳動裝置較為復雜，如某CODAG 型聯合動力裝置有兩種不同的動力裝置，其傳動裝置除齒輪箱外，還有不同類型的離合器及聯軸器等，這為人員培訓、管理使用、維修帶來了較大的麻煩；二是巡航柴油機采用雙層隔振加箱裝體形式，滿足了減振要求，但耗費的成本過高；三是對CODAG 型聯合動力裝置而言，大功率加速燃氣輪機工作時間少；四是CODAG 型聯合動力裝置對傳動裝置和控制系統的要求高。由于CODAG 型聯合動力裝置的結構較為復雜，對負荷均衡控制技術要求較高，以前大多采用CODOG型聯合動力裝置。

在CODAG 型聯合動力裝置的研制中，也由于缺乏功率足夠大的燃氣輪機和燃氣輪機可靠性較低等原因，因而巡航機功率占裝置總功率比例較大，為確保艦船可靠運轉，同時為了達到加速時將燃氣輪機和柴油機功率合并的目的，不得不配備結構操縱復雜、重量尺寸大的變速傳動系統。因此，和艦船常規動力裝置相比，CODAG 型聯合動力裝置的優越性在此受到了限制。但是，隨著動力裝置技術、傳動技術以及控制技術水平的提高［5］，CODAG型聯合動力裝置將得到更廣泛地應用。

在艦用聯合動力裝置發展的同時，燃氣輪機也在同步發展，單位油耗量不斷降低，提高到數千小時的使用壽命，并且已能適應整機吊換和縮短修船周期的要求，可靠性已得到提升［6］。為了進一步減輕動力裝置的重量尺寸，簡化操縱管理和易于自動化，近年來艦船上又出現用巡航燃氣輪機代替巡航柴油機，或全部采用燃氣輪機的聯合動力裝置。

8 全燃聯合動力裝置

在這種聯合動力裝置中，巡航機和加速機都用燃氣輪機。主要包括交替使用式全燃聯合動力裝置（COGOG）和共同使用式全燃聯合動力裝置（COGAG）。以COGOG 型聯合動力裝置為例，其在巡航時采用小功率巡航燃氣輪機，加速時只用大功率加速燃氣輪機。這種COGOG型聯合動力裝置主要用于驅逐艦上。由加速工況回復到巡航工況的轉換過程，和由巡航工況轉換到加速工況的情況相似。艦船的制動和倒航，是用調距槳來實現的。

9 燃氣輪機-汽輪機聯合動力裝置（COGAS）

COGAS型聯合動力裝置是以燃氣輪機和汽輪機為主機的聯合動力裝置，兩類動力裝置以熱力循環聯合在一起，由于以聯合循環方式工作，其總效率比單獨的燃氣輪機或汽輪機的總效率要高。

在COGAS 型聯合動力裝置中，通常是將燃氣輪機工作后的排氣導入余熱鍋爐中，使余熱鍋爐產生蒸汽供給汽輪機。燃氣輪機和汽輪機輸出的功率，經傳動裝置、軸系共同傳給推進器。其中，利用燃氣輪機排氣余熱的汽輪機輸出的功率，約為燃氣輪機功率的20%～25%。為提高汽輪機的功率，可在余熱鍋爐中加入附加燃料進行補充燃燒。COGAS 型聯合動力裝置的最大優點是可大幅提高動力裝置的經濟性。在單一循環燃氣輪機中，排氣溫度通常在400 ℃以上，這部分熱量如經煙囪排出且完全不加以利用，也是一大損失。在COGAS 型聯合動力裝置中，這部分熱量得到部分利用，從而提高了熱循環效率，在低負荷時，COGAS型聯合動力裝置的效率下降不大，從而改善了裝置低負荷時的經濟性。通過采用該類裝置，減少了設備重量和所占據的體積，由此可儲備更多的燃油。在既定的續航力條件下，也可增加武器彈藥的運載量，從而使戰艦的戰術性能指標得到提高。COGAS型聯合動力裝置的問題在于其結構較為復雜，因此只在某些大型艦船上被采用。

10 汽輪機-燃氣輪機聯合動力裝置（COSAG）

COSAG型聯合動力裝置是最早研制的一類聯合動力裝置，主要用于一些驅逐艦和護衛艦上。COSAG型聯合動力裝置是以運轉可靠的汽輪機作為巡航機組，以燃氣輪機作為加速機組。在作戰時，由燃氣輪機和汽輪機一起投入工作，使動力裝置輸出全功率，并使艦船達到全航速。其中，艦船的制動和倒航，是通過汽輪機的倒車級，和燃氣輪機的倒車耦合齒輪系統，反轉定距槳而實現的。

由于汽輪機具有一系列優點，其與燃氣輪機實現聯合以后，能適應功率較大的輕型水面艦船。在全速工況下，汽輪機能為水面艦船提供約80%的航行功率，從而有利于提升經濟指標和重量尺寸指標。如果需要更高航速時，則將燃氣輪機和汽輪機共同投入運作，以提升全艦功率。

COSAG 型聯合動力裝置曾于20 世紀50年代起即已投入應用，其具有比功率大、重量尺寸小、結構簡單、操縱管理方便等優點，但可靠性及經濟性較差，燃氣輪機僅適于作為短時使用的加速機組。在COSAG型聯合動力裝置中，汽輪機功率占比較大，是由于當時由航空發動機改制成的艦用燃氣輪機尚處于發展初期，單機功率不大，可靠性亟待提升，因而配備了較大功率的汽輪機，以確保艦船運轉的可靠性。和艦用常規動力裝置相比，這種COSAG型聯合動力裝置雖有一定的優勢，但由于汽輪機在總功率中所占比重較大，使整個聯合動力裝置的優越性受到限制。隨著燃氣輪機單機功率的增大，可靠性得到不斷提升，COSAG型聯合動力裝置的優越性正日漸式微，目前已基本退出歷史舞臺，基本為上文所提到的COGAG等聯合動力裝置所取代。

11 柴油機-電機-燃氣輪機聯合動力裝置

該類聯合動力裝置的動力性能及經濟性較高，并有著較低的維修費用。該類聯合動力裝置能有效提升全艦的生命力，又可有效減少機艙內的噪聲源，還增加了機艙的空間，從而可為聲吶等設備提供必要的工作環境。同時采用電力推進，可有效提高全艦的巡航經濟性和續航力。

12 汽輪機-電機聯合動力裝置

該類聯合動力裝置是一類以汽輪機驅動發電機供電，以推進電機作主機的艦船聯合動力裝置，由汽輪機、供電裝置（發電機及蓄電池）、推進電機、控制站、軸系及推進器等設備構成。其中，由汽輪機驅動發電機，發電機發出交（直）流電，通過電纜和控制站傳給推進電機，使推進電機運轉，再通過軸系帶動推進器旋轉，推進艦船運動。蓄電池只在汽輪機-發電機機組發生故障時應急使用。這種動力裝置主要用于核動力潛艇、海纜作業船、破冰船和挖泥船上。該類聯合動力裝置具有悠久的歷史，在第二次世界大戰期間，是艦船動力裝置中的主要類型。二戰后，以柴油機、燃氣輪機等為代表的其他動力裝置發展迅速，汽輪機-電機聯合動力裝置的應用日益減少。由于采用了電機作為驅動裝置，汽輪機不必設置倒車級，但須設置齒輪減速器。在非核動力艦船上采用汽輪機-電機聯合動力裝置時，還要設置蒸汽鍋爐，以便向汽輪機供汽。

13 聯合動力裝置的實際應用研究與展望

13.1 聯合動力裝置的實際應用與研究

如上所述，由兩臺及以上的同類或不同類熱力發動機組成，為艦船及其它設備提供航行或運行所需能源的動力裝置被稱為聯合動力裝置。除對所有船舶動力裝置提出的一般要求，如可靠性、生命力、機動性、經濟性、重量和外型尺寸、振動噪音指標和技術使用便捷性等因素之外，聯合動力裝置由于種類較多，且具有較為特殊的結構，因此對其提出了一系列特殊要求。

由于聯合動力裝置是不同動力裝置的組合，動力裝置間相互存在著熱力聯系或機械聯系，從而比具有相同功率和相同用途的單一動力裝置更復雜。因此，需要對聯合動力裝置進行合理配置，以簡化其結構和熱力循環。目前，與單一動力裝置相比，聯合動力裝置的特性不僅受到其組成部分中的各類動力裝置基礎特性的制約，還與動力裝置自身的組合方式有關。通常而言，為了簡化營運，聯合動力裝置多采用統一的燃料類型，該策略對帶加速機的聯合動力裝置而言尤其重要。采用統一的燃料類型能簡化聯合動力裝置的附屬系統，并提高水面艦船的自持力，在實際運行過程中，可充分減少由不同燃料所引起的管理困難。

對于聯合動力裝置而言，需使各類動力裝置能不受時間限制地獨立運行，并保證艦船具有必要的機動性。動力裝置能獨立運轉，會提高聯合動力裝置的可靠性和靈活性。為確保全艦的性能，在緊急狀態下，使組成聯合動力裝置的其中一類動力裝置能隨時投入運行也有著較高重要性。考慮到聯合動力裝置的結構及其在船上的布置，應盡可能采用堅固、耐用、使用壽命長，且易于更換的設備。

13.2 不同類型聯合動力裝置及其應用前景展望

目前，根據熱力發動機的不同類型，以及交替使用或共同使用的不同方式，根據排列組合方面的信息，其實可以有多種組合。以汽輪機和燃氣輪機為代表的聯合動力裝置為例，這種裝置大致上可分為兩類：

1）汽輪機和燃氣輪機之間用機械聯接，而裝置的這兩部分在熱力方面相互獨立，如上文提到的COSAG型聯合動力裝置。

2）由不同類型聯合動力裝置（汽輪機和燃氣輪機等）之間從熱力方面聯接，裝置的兩部分按共同的熱力循環運行，如上文提到的COGAS 型聯合動力裝置。

但事實上，并不是任意兩種動力裝置都能組成必要的聯合型式。以柴油機為例，柴油機由于油耗率較低，啟動速度較快，多用于巡航機組，但由于其動力性能總體不如燃氣輪機，經濟性又優于燃氣輪機。因此，在實際應用過程中，當柴油機與燃氣輪機進行組合時，不可能出現以燃氣輪機作為巡航機組，柴油機作為加速機組的情況（即COGOD型聯合動力裝置或COGAD型聯合動力裝置）。同樣，以汽輪機為例，汽輪機有著較高的功率，但由于其啟動速度較慢，響應性相對較差，因此較少將其作為加速機組，僅有當汽輪機與燃氣輪機存在熱力聯系時，才會存在以燃氣輪機作為巡航機組，汽輪機作為加速機組的型式（即COGAS型聯合動力裝置），其余情況下，則不會以汽輪機作為加速機組。如上所述，現有常規聯合動力裝置的組成型式與工作方式如表1 所示。

表1 常見聯合動力裝置的組成型式與工作方式

如表1 所述，COSAG 型聯合動力裝置已很少采用，只是在燃氣輪機發展的初期曾采用。該類動力裝置以汽輪機作為巡航機組，一旦用于加速的燃氣輪機發生事故［7］，艦船仍能以全速85%左右的航速前行。而近年來，燃氣輪機的可靠性有所提升。目前，燃氣輪機不僅完全可以可靠地運行［8］，而且響應性優于汽輪機。

在小型艦船上，由于柴油機耗油率較低，為提高續航力，多數艦船仍采用柴油機作主機或巡航機組。但是在噸位較大、航速要求較高的水面艦船上，由于柴油機單機功率較小，難以滿足動力要求。這時采用CODOG型聯合動力裝置或CODAG型聯合動力裝置可以發揮兩種機型各自的優勢。CODOG 型聯合動力裝置在巡航時采用柴油機，以保證續航力，在全速時采用燃氣輪機，以確保水面艦船對動力的要求。

以CODAG 型聯合動力裝置為例，其在全速時會讓柴油機參與功率輸出，但對航速提高并不顯著，因為根據艦用柴油機的速度特性，其負荷與航速大致呈三次方關系。由于柴油機平均功率小，對航速的提升效果并不大，最高航速只不過提高1～2 kn，但花費的代價是巨大的，不僅調節控制系統增加了設備的總數，而且其并車裝置也較為復雜。

在此期間，全燃型聯合動力裝置的應用比較普遍，無論是COGOG 型聯合動力裝置或COGAG 型聯合動力裝置，都得到了長足發展。當采用COGOG 型聯合動力裝置時，如果艦船處于巡航狀態，則由巡航機組單獨工作。此時由于巡航機組是在高負荷工況或設計工況下工作，其耗油率會更低，更易于提升全艦續航力。

COGAS型聯合動力裝置在陸用火力發電設備中早已得到應用，在艦船上的應用則相對較少。采用COGAS 型聯合動力裝置，無須克服過多的技術難關，也不會對燃氣輪機的緊湊性產生影響，即可實現多方面的經濟效益。只需在排氣道中加裝一套熱交換器及汽輪機，即可提高裝置的總效率和總功率。目前，該領域的技術也比較成熟，尤其在民用船舶上有較為廣泛的應用前途。在艦船上亦可作為巡航機組使用［9］。

考慮到燃氣輪機的高油耗特征，因此在COGOG 型聯合動力裝置中巡航機組的功率明顯低于加速機組，巡航機組的輸出轉速明顯高于加速機組，而循環機組與螺旋槳之間的減速裝置要比加速機組的明顯更大。而由相同型號燃氣輪機組成的COGAG型聯合動力裝置，其巡航機組、加速機組與螺旋槳之間的減速比相同。

對于兩臺由同型號燃氣輪機組成的COGAG型聯合動力裝置而言，由于其機型單一，為運行維護帶來了較大的便捷性。但在巡航工況下，由于所需功率較低，使運行中的機組以較低的負荷運行，油耗率則會顯著增加，該方面明顯不如COGOG型聯合動力裝置。為此，近年來出現了功率不同，但相差比例并不大的不同燃氣輪機共同組成COGAG型聯合動力裝置，使巡航時的油耗率得到改善。

其中需要注意的是，聯合動力裝置由于采用了不同類型或型號的主機，在使用、管理、訓練、維修、后勤保障等方面會變得更為復雜和困難。考慮到聯合動力裝置的復雜性，其要在水面艦船上得以充分應用，必須要在一種或幾種決定性指標（如效率、重量、外形尺寸、可靠性、生命力和經濟效益等）上具有顯著的優勢。與單一的動力裝置類型不同，在某些特定的用途中必須采用不同類型的主機，使其組合成聯合動力裝置，如潛艇及某些反潛艦船。因此，對部分航行狀態和隱蔽性有較高要求的艦船而言，多采用機械及電力推進相結合的聯合動力裝置。

目前，聯合動力裝置主要應用于大、中、小型的水面艦船中，如大型高速炮艇、獵潛艇、護衛艦、驅逐艦和巡洋艦等，已成為各國海軍競相研究和采用的主動力裝置型式［10］。除了在水面艦船領域，聯合動力裝置可在破冰船等特殊用途的船舶上得到應用與發展，并可根據實際制造和使用過程，繼續確定其改進與優化的方案。

14 結論與展望

聯合動力裝置是由不同類型或型號的熱力發動機聯合組成的艦船動力裝置［11］，通常由加速主機、巡航主機、傳動裝置、軸系、推進器等組成。目前，艦船中得到應用的聯合動力裝置類型主要有CODAD、CODOG、CODAG、COGOG、COGAG、COGAS、COSAG等幾類。聯合動力裝置的優勢主要如下：

1）在確保具有較高功率的前提下，減小了動力裝置的尺寸和重量；

2）操縱方便，且備車迅速，緊急情況下可實現立即啟航；

3）從巡航工況到全速工況加速過程較為迅速；

4）機組可共用一個減速齒輪箱，具有多機組并車的可靠性。

聯合動力裝置主要的缺陷在于，通常需要準備兩種及以上機型的備件，且結構復雜，一定程度上降低了其可靠性。

聯合動力裝置可集中不同類型裝置的優點，從而使水面艦船實現高經濟性與高動力性的統一。在一定條件下，采用聯合動力裝置能降低動力裝置的總重量。近幾十年來，不同型式聯合動力裝置的出現，是水面艦船動力裝置長期發展的表現。毫無疑義，在未來數年間，水面艦船聯合動力裝置將取得新的成就。