一種新型跨接技術(shù)應(yīng)用分析

王安存

（中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064）

1 常用艦船推進(jìn)形式

推進(jìn)系統(tǒng)是艦船的重要系統(tǒng)，使艦船具有規(guī)定的機(jī)動能力，能夠使艦船在規(guī)定時間內(nèi)完成一定的作戰(zhàn)任務(wù)。因艦船航速跨度大，運行工況多，致使推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計運行模式多樣。推進(jìn)系統(tǒng)的多工況使用要求決定了系統(tǒng)組成復(fù)雜，設(shè)計中需統(tǒng)籌考量諸多因素，如航速、排水量、經(jīng)濟(jì)性、聲隱身性、生命力等。

經(jīng)過多年的發(fā)展，艦船推進(jìn)系統(tǒng)逐漸形成多種形式。推進(jìn)方式由單軸單機(jī)發(fā)展到單軸雙機(jī)、雙軸單機(jī)的跨接推進(jìn)，由一種動力裝置發(fā)展到多種動力裝置。按動力裝置分類，推進(jìn)形式主要有柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、核動力、電力推進(jìn)等形式。在燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于艦船之后，產(chǎn)生了大量聯(lián)合推進(jìn)形式進(jìn)一步豐富了推進(jìn)形式，產(chǎn)生了汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合推進(jìn)形式（COSAG）、柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合使用推進(jìn)形式（CODAG）、柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)交替使用推進(jìn)形式（CODOG）、燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合使用推進(jìn)形式（COGAG）、燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)交替使用推進(jìn)形式（COGOG）。推進(jìn)形式的豐富進(jìn)一步滿足了艦船各種使用工況，提高了艦船使用性能。

據(jù)統(tǒng)計[1]，在世界主要海軍強(qiáng)國的水面艦艇中，采用燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置的艦船占45.5%，采用柴油機(jī)動力裝置的艦船占20.1%，采用聯(lián)合動力裝置占16.8%，采用蒸汽動力裝置占14%，采用核動力裝置占3.6%。

2 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮的要素

推進(jìn)系統(tǒng)對于艦船作用非常重要，在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)綜合考慮多方面要求，從而使得艦船綜合性能兼優(yōu)，具有足夠完成使命任務(wù)的能力。綜合起來，推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計中主要計及的要素如下。

2.1 推進(jìn)系統(tǒng)最大功率

推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的最大功率主要取決于兩個要素，一個是艦船的設(shè)計排水量，一個是最大設(shè)計航速。推進(jìn)功率需能滿足艦船在設(shè)計排水量下達(dá)到設(shè)計航速的航行要求。推進(jìn)系統(tǒng)的最大功率決定了主動力裝置的選型、數(shù)量，也決定著傳動裝置的設(shè)計。

2.2 使用經(jīng)濟(jì)性

艦船的使用經(jīng)濟(jì)性也是推進(jìn)系統(tǒng)考慮的重要因素之一。一般來說艦船設(shè)計中會根據(jù)使用要求，將最常用的航速作為燃油經(jīng)濟(jì)性設(shè)計的工況點。在該航速下使用時，艦船具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。如常用的聯(lián)合推進(jìn)方式在很大程度上就提高了艦船使用的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 生命力

作為艦船的主要系統(tǒng)，推進(jìn)系統(tǒng)必須具有良好的生命力。推進(jìn)系統(tǒng)在設(shè)計中會考慮主動力艙布置，推進(jìn)系統(tǒng)的可分組獨立獨工作，遭受打擊的可能性小，遭受打擊功率損失小[2]。主動力裝置的尺寸型號、動力艙室（主動力艙、傳動裝置艙等）布置均應(yīng)考慮推進(jìn)系統(tǒng)的生命力。

2.4 隱身性

推進(jìn)系統(tǒng)與聲隱身、紅外隱身有關(guān)。艦船一般會設(shè)計反潛或防潛工況，該工況尤其需要抑制自身噪聲。良好的隱身性設(shè)計是降低艦船遭受打擊概率的重要手段。按照艦船使用功能針對性開展設(shè)計，做好裝備選型和隱身防護(hù)設(shè)計。

以上要素相互間并不孤立，在艦船綜合使用性能指標(biāo)上具有聯(lián)系，落實于推進(jìn)系統(tǒng)的方案中。

3 新型跨接技術(shù)及應(yīng)用分析

3.1 起因

聯(lián)合推進(jìn)形式中，盡管較好地改進(jìn)了艦船使用經(jīng)濟(jì)性，但增加了主動力裝置類型和數(shù)量。如柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)交替使用推進(jìn)形式（CODOG）就在原有基礎(chǔ)上增加了柴油機(jī)推進(jìn)動力裝置。多種推進(jìn)主機(jī)并存，在一定程度上增加了艦船資源消耗，使建造經(jīng)費增加和系統(tǒng)組成復(fù)雜。由此產(chǎn)生了跨接技術(shù)。目前跨接技術(shù)主要通過跨接齒輪箱的形式實現(xiàn)。將兩個軸系通過跨接齒輪箱相連，實現(xiàn)了一臺主機(jī)推動雙槳，如圖1。在經(jīng)濟(jì)工況時，由一臺主機(jī)通過跨接齒輪箱推動雙槳運行，解決了雙機(jī)低工況運行經(jīng)濟(jì)性差的問題，也無須增加推進(jìn)柴油機(jī)。

圖1 典型雙機(jī)跨接推進(jìn)形式示意圖

跨接形式是一種能量轉(zhuǎn)移方式，跨接齒輪箱是機(jī)械能轉(zhuǎn)移方式。其他形式（如電能）如實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，同樣可以實現(xiàn)跨接功能，這種形式可稱為電力跨接。在電力跨接基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸，本文提出一種基于雙向電機(jī)的新型跨接技術(shù)。

3.2 新型跨接技術(shù)

新型跨接技術(shù)是基于雙向電機(jī)技術(shù)。雙向電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)使用，亦可作為電動機(jī)使用。當(dāng)向其輸入機(jī)械能，其作為發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；當(dāng)向其輸入電能時，其作為電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。新型跨接技術(shù)是在艦船雙軸推進(jìn)形式上，通過軸帶雙向電機(jī)實現(xiàn)二者跨接功能。新型跨接技術(shù)的推進(jìn)系統(tǒng)形式示意圖如圖2，圖中虛線表示電纜連接。該跨接方案將原跨接齒輪箱更換為兩臺雙向電機(jī)，通過控制及轉(zhuǎn)接裝置與艦船電力系統(tǒng)相連。

圖2 新型跨接技術(shù)的推進(jìn)系統(tǒng)形式示意圖

3.3 新跨接技術(shù)下的推進(jìn)下系統(tǒng)使用

新型跨接技術(shù)應(yīng)用于艦船推進(jìn)系統(tǒng)后，在保證跨接功能的基礎(chǔ)上，還同時增加了軸帶發(fā)電、電力推進(jìn)功能。下面對改進(jìn)后的跨接方案的應(yīng)用進(jìn)行分析。

3.3.1 高航速運行工況

高航速運行時，可以脫開軸帶雙向電機(jī)，兩套推進(jìn)系統(tǒng)可獨立運行。與應(yīng)用新跨接技術(shù)前相同。

3.3.2 巡航航速工況在巡航航速工況時，可以通過其中任一主機(jī)推進(jìn)，其軸帶雙向電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用，將剩余功率轉(zhuǎn)化為電能。電能通過控制機(jī)轉(zhuǎn)接裝置輸向另一部軸帶雙向電機(jī)。此時，另一部軸帶雙向電機(jī)作為電動機(jī)使用，將另一側(cè)的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動該軸推進(jìn)。從而實現(xiàn)兩套動力系統(tǒng)的跨接。

統(tǒng)籌情況下，巡航工況時單臺主機(jī)具有一定程度的功率剩余。因此可以適當(dāng)提高該工況下主機(jī)運行功率，使其軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率同時滿足另外一軸的推進(jìn)和電力系統(tǒng)的負(fù)載，從而提高主機(jī)運行效率，提高全艦運行經(jīng)濟(jì)性。

3.3.3 更低航速運行工況

當(dāng)艦船在更低工況運行時，可分為兩種情形。一種是推進(jìn)功率大于電力系統(tǒng)剩余功率，一種是小于電力系統(tǒng)剩余功率。對于推進(jìn)功率大于電力系統(tǒng)剩余功率的工況，其運行方式同巡航航速工況。對于推進(jìn)功率小于電力系統(tǒng)剩余功率的工況，可以開啟電力系統(tǒng)原本剩余的發(fā)電機(jī)組，發(fā)出的功率向兩部軸帶雙向電機(jī)。此時兩部軸帶雙向電機(jī)作為電動機(jī)使用，將電力系統(tǒng)輸入的功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)功率，從而實現(xiàn)該工況下的推進(jìn)。

對于第二種情形，即避開了在低工況下主機(jī)運行效率低下，也避免出現(xiàn)主機(jī)在低工況下運行不穩(wěn)定的情況。

3.4 新型跨接技術(shù)應(yīng)用分析

新型跨接技術(shù)既能滿足跨接功能，而且將動力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)在相互功率剩余的情形下實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了跨接功能的拓展。通過使用分析，新型跨接技術(shù)應(yīng)用可帶來如下性能改進(jìn)。

3.4.1 進(jìn)一步改善使用經(jīng)濟(jì)性

新型跨接技術(shù)的應(yīng)用，可以將推進(jìn)系統(tǒng)的剩余功率轉(zhuǎn)化為電能，從而節(jié)省電力系統(tǒng)的燃油消耗。相對于齒輪箱跨接形式，進(jìn)一步可提高全艦運行的經(jīng)濟(jì)性。

3.4.2 提高了推進(jìn)系統(tǒng)生命力

新型跨接技術(shù)實現(xiàn)了推進(jìn)主機(jī)布置更加靈活，有助于提高推進(jìn)系統(tǒng)的生命力。在主動力系統(tǒng)遭受打擊完全喪失功能后，電力系統(tǒng)推進(jìn)低速航行能力進(jìn)一步提高了推進(jìn)系統(tǒng)的生命力。

3.4.3 隱身性

新型跨接形式運行時，避免了跨接齒輪箱運行的機(jī)械噪聲，有助于改善艦船的聲隱身性能。在在電力系統(tǒng)提供推進(jìn)功率時，不僅能進(jìn)一步降低機(jī)械噪聲，而且能降低紅外隱身特征，從而實現(xiàn)聲隱身與紅外隱身性能的提高。

盡管該技術(shù)使推進(jìn)系統(tǒng)組成增加，使用工況增多，增加了推進(jìn)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的操作和控制難度。作為跨接技術(shù)的改進(jìn)，新跨接技術(shù)有助于提高艦船的綜合性能，具有解決當(dāng)下急需的現(xiàn)實意義。綜合電力系統(tǒng)雖然具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，但關(guān)鍵裝備的某些技術(shù)仍需突破，與之相比新跨接技術(shù)所需裝備的研制困難更低、風(fēng)險更小。

4 結(jié)束語

新型跨接技術(shù)是機(jī)械跨接技術(shù)的改進(jìn)，從上述分析可已看出新型跨接技術(shù)在多個方面對系統(tǒng)和艦船總體性能均有改進(jìn)提高，對于艦船總體設(shè)計具有明顯積極作用。該技術(shù)實現(xiàn)了推進(jìn)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的功率交換，為二者共同設(shè)計提出技術(shù)途徑，是推進(jìn)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)逐步實現(xiàn)整合統(tǒng)一過渡性技術(shù)。在全電力推進(jìn)技術(shù)還未能全面突破的情形下，該技術(shù)作為過渡性技術(shù)具有可滿足現(xiàn)實應(yīng)用的積極意義。

［1］謝駿，等.水面艦艇動力裝置現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J].論證與研究，1999.

［2］邵開文，馬運義.艦船技術(shù)與設(shè)計概論[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.