高性能船舶動力裝置發展前景

【摘 要】 為使高性能船舶選擇適合的動力裝置，介紹高性能船舶的特點及其總體發展趨勢，闡述其動力裝置的相關應用及技術特點，并對未來發展趨勢進行展望，認為：中小型高性能船舶動力裝置宜采用柴油機，而大型高性能船舶則更適于采用燃氣輪機或柴-燃聯合動力裝置，高性能船舶以其卓越的性能在相關領域依然會長期保有其獨特的技術優勢。

【關鍵詞】 高性能船舶;柴油機;燃氣輪機;內燃機;聯合動力裝置

0 引 言

高性能船舶是從20世紀30年代開始逐漸發展的一類新型船舶，其種類繁多，是船舶發展中最具創造性、最富有活力的類型，具有高航速、高適航能力、高隱身性和高效費比等特點。探索、研究和開發高性能船舶的出發點是：采用與常規船舶不同的支承方式和流體力學作用，使船舶既能夠利用水體的支承作用，同時又能夠擺脫船體表面水摩擦阻力和自由表面興波阻力的束縛，實現船舶的高速航行。

經過幾十年的研發，高性能船舶的設計、建造和運營技術已經較為成熟，業界已經研發出各具特色、不同類型的高性能船舶，滿足了航運界和軍方對船舶在各種水面的運輸和作戰的特殊要求。

1 高性能船舶動力裝置

1.1 船用動力裝置類型

高性能船舶首要的特點是高速。排水型船舶經過船型改進，其航行阻力下降提高了推進效率，推進動力機組強化度的提高及單位質量比功率的增加提升了推進動力。氣墊船利用氣墊的浮力、水翼艇利用水翼的升力來承載船舶質量，為大幅度提高航速創造了條件。但是，航速對船舶本身質量的變化十分敏感，要求動力系統質量輕、體積小、功率大、轉矩特性合理、燃油消耗率低。高性能船舶主要設計目標是在滿足推進要求的條件下，動力系統的總質量最小，船舶有效負荷達到最大。

船用動力裝置包括蒸汽輪機、核動力、電動機、燃氣輪機、汽油機和柴油機，其中：蒸汽輪機和核動力雖然可以達到很大的功率，但僅適用于大型船舶;燃氣輪機和柴油機一般適用于中小型船舶;汽油機功率則較為有限，可作為小型船舶的主要推進動力。具體來看：

（1）燃氣輪機轉速變化的靈活性較低，其在持續功率時轉速可變化的范圍為 20%～+10%，在此轉速范圍內轉矩降低較快。[1]采用燃氣輪機作為氣墊船的動力時，需要獨立改變推力，以帶動變矩螺旋槳或風扇。燃氣輪機與柴油機在單位質量或單位體積功率、燃油消耗率、附屬系統、傳動裝置等方面存在不同，在用作氣墊船動力時，動力裝置的總質量隨航行范圍的增大變化梯度也不同，其中，燃氣輪機的變化梯度較陡，柴油機的變化梯度較平緩。因此，同類型氣墊船，其航行范圍不同時，應選用不同的發動機。

燃氣輪機有很低的比質量（單位功率質量），但壓氣機和動力渦輪的轉速很高，約為～ r/min，需要用減速齒輪箱將轉速降到500～ r/min，才能符合推進器、風扇或噴水系統的要求。

（2）汽油機轉速高、排量小，單機功率受限，加之汽油揮發性強、閃點較低，燃油箱須采取防揮發、防碰撞的設計措施，因此只適用于小型船艇。

（3）高速和中速船用柴油機可作為高速單體船、雙體船和水翼艇的動力，風冷柴油機或有閉式冷卻循環的水冷柴油機可作為氣墊船的動力。柴油機作為氣墊船動力機組時的運行工況與作為車輛動力裝置時不同，設計者應根據氣墊船的動力需求和運行特性對機組重新進行功率標定。大多數車用柴油機在最大持續功率的85%時可長時間安全運行，最大持續功率處于90%以上的只能在緊急情況下運行30 min。柴油機的轉速和負荷變化范圍廣，從最高轉速到怠速可靈活操作，變工況運行。

高速柴油機通常的標定轉速是1 500～3 500 r/min，需要采用減速比約為1.5～2.5的齒輪箱傳動，在柴油機標定功率小于600 kW時也可用皮帶傳動來實現。高性能船舶配備的中速柴油機標定轉速為750～1 500 r/min，可直接傳動噴水推進裝置，或通過較小減速比的齒輪箱驅動推進器。

氣墊船上的柴油機可以同時與推進裝置和墊升風機相連，也可分別用作推進或墊升機組。某些氣墊船采用了液壓傳動墊升系統，通過柴油機帶動液壓泵、液壓馬達帶動風機，柴油機裝在船尾、墊升風機裝在船頭，布置靈活，方便船舶總體設計。

無論是燃氣輪機還是柴油機，隨環境溫度升高，功率均會下降，以標定功率時20 ℃環境溫度為基準，氣溫每升高10 ℃，燃氣輪機功率下降7%，柴油機功率下降2%。船舶在高溫的氣候條件下航行，必須考慮溫度對動力系統功率的影響。柴油機的冷卻系統是將空氣或水加壓使其流過柴油機，以維持柴油機正常的工作溫度。超出最高允許溫度時，應采取相應防護或控制措施;低溫時，冷卻劑流量由節溫器控制，以保證柴油機正常的熱力狀態。[2]在很冷的地區進行冷起動時需要對燃油和柴油機進行預熱：氣溫在 20 ℃以下應使用專用潤滑油;氣溫在 40 ℃以下柴油會凝固，必須預熱后才能起動。

高性能船舶動力系統的推進功率大，在船舶設計航程內柴油機所消耗的燃油量對全船質量的影響不可忽視，選擇機組時不僅要考慮機組本身的質量和比功率，也要考慮燃油消耗率的影響。

1.2 船用動力裝置機組特性

高性能船舶動力機組要求高的單位質量比功率，除滿足額定工況的功率要求外，還應有足夠的低速轉矩儲備能力。當推進主機在額定轉速50%和75%時，功率只有分別達到額定功率的35%和80%，才能滿足船舶的越峰需求。

水翼艇離港時，其主推進系統只有克服峰值阻力，才能從浮航進入到翼航狀態。這就要求作為主推進動力的高速柴油機具備優良的低轉速大轉矩特性。不同的船型和水翼系統，水翼艇起飛過程中的阻力不同，最大阻力的位置也因艇的大小而不同。通常最大阻力位于最高航速的70%處，在設計推進系統轉速時為克服最大阻力應當留有一定的余度。

以高速柴油機為推進主機時，為滿足水翼艇、滑行艇等高速船舶的低速大轉矩要求，保證從浮航到翼航的順利過渡，通常采取擴大增壓柴油機工作范圍、相繼渦輪增壓、液力傳動等措施。若高性能船舶柴油機特性曲線的高效率區趨向與螺旋槳特性曲線走向一致，說明柴油機經濟性能好，低速特性較好。

利用液力變扭器連接柴油機和螺旋槳改變其輸出特性，實現水翼艇的越峰要求，是船舶動力設計方案之一。采用調距螺旋槳和噴水推進，利用二行程柴油機，其單位氣缸容積的有效功率大，低速特性較好，也有利于水翼艇越峰。

2 高性能船舶柴油機

2.1 性能特點

風冷柴油機機組質量比水冷柴油機小，且結構簡單、完整性較好，但功率受限，可用作小型氣墊船動力，帶動整體式墊升和推進風機，或用多臺機組分別帶動墊升風機和推進風機。風冷柴油機的噪聲較大，可以在機艙或柴油機箱內采用噪聲隔離措施。風冷柴油機還需要正確排出強制流動的冷卻空氣，避免混入船舶通風或墊氣系統中。

水冷柴油機的功率和轉速范圍均較大，可供選擇的余地較寬。高性能船舶的機艙空間有限，對動力的比功率要求高，一般采用中速或高速柴油機作動力。由于水套的阻尼作用，水冷柴油機的噪聲比風冷柴油機的要小。裝在氣墊船、水翼艇上的水冷柴油機通常采用閉式循環水冷系統，通過冷卻風扇散熱，降低冷卻水溫度。

柴油機是氣墊船、水翼艇上的最大裝置，較大型船舶的柴油機質量可達30～40 t?，F代柴油機有12～20缸，本身平衡性好，但振動能量仍很大，如果直接安裝在氣墊船、水翼艇上，需要仔細分析其局部的支撐結構，以確定其自然頻率、頻譜及對柴油機振動能量譜的響應特性，特別是確定傳動軸系在軸向和旋轉方向的自然振動頻率，采用彈性安裝和采取阻尼措施。如果軸系對主機某一振動頻率有明顯的響應，則需改變傳動軸的剛度和軸承布置。彈性安裝有助于隔離柴油機振動噪聲在船體金屬結構中的傳播;玻璃鋼板、復合材料板、泡沫夾心板可衰減振動噪聲。在小型和中型氣墊船上，橡膠齒帶傳動系統的阻尼特性可以用來隔離柴油機和傳動鏈的振動傳遞。

2.2 船用柴油機的功率標定

高性能船舶柴油機的強度較高，使用情況與船型、用途、航線等有較大關系，使用功率與工況密切相關。一般營運的高性能船舶，其柴油機平均每天運行8～10 h， 1年累計運行2 500～3 500 h;軍用高性能船舶或游艇的柴油機平均每天使用2～3 h，全年累計運行500～1 000 h。

3 高性能船舶燃氣輪機

3.1 性能特點

3.1.1 適應高性能船舶航行環境

高性能船舶通常在海洋或江河中航行，兩棲艇也可能會越過湖泊、沙灘，環境比較復雜、惡劣。海水和海面空氣中含有鹽分，燃氣輪機進氣過程中鹽分會沉積在葉片、殼體等表面，腐蝕金屬零件;艦船在惡劣的海況中航行時會遇到風暴、飛濺的水花、雨雪粒子，氣墊船氣墊吹起的微小物體有可能隨進氣氣流進入燃氣輪機，給安全航行帶來嚴重后果。因此，進氣系統要采取嚴格的濾清、防護措施。燃氣輪機應配置相應的清洗系統，適時清除黏附在零件表面的鹽分。在燃油系統和潤滑系統中加裝油水分離器和濾清器，及時去除油料中的水分、雜質粒子，以減少對零件的磨損。為了滿足抗鹽霧和海水腐蝕的要求，某些零部件必須采用耐蝕材料制造，或進行表面處理，例如：將壓氣機機殼由鎂合金改為鋁合金;壓氣機葉片由鋁合金改為不銹鋼或鈦合金;中壓渦輪葉片由抗蠕變、高強度的合金改為抗熱腐蝕性能高的合金等。

船舶航行中在波浪、風力等因素作用下會產生顛簸，使得船身發生縱傾和橫搖，影響燃氣輪機及其附屬系統的工作狀態、泵吸能力和動力傳輸。因此，為使燃氣輪機及附屬系統在最嚴重的顛簸情況下能維持正常工作，船上的應急機械和裝置應保持應有的抗顛簸功能。

軍用高性能船舶在戰斗中會受到水下爆炸、空中爆炸沖擊波的影響，氣墊船、水翼艇在航行、靠岸或登陸時有碰撞的可能，要求燃氣輪機及機座有一定的耐沖擊能力。應加裝減振系統，減少受沖擊時傳遞給燃氣發生器的能量;還要加裝燃氣發生器機匣和支撐系統，以保證燃氣發生器本身能承受一定的沖擊作用。船體遭到部分破壞時，機艙可能會進水，為了提高生命力，要求機艙浸水達到燃氣輪機排氣渦殼下部之前，燃氣輪機仍能維持運行。

3.1.2 滿足高性能船舶航行工況需求

軍用高性能船舶主機的巡航功率通常是最大航速功率的10%～40%，以巡航速度運行的時間占整個航行時間的90%～95%，最大航速的航行時間只占整個航行時間的5%～10%。高速單體船和雙體船、水翼艇、氣墊船等民用船舶，除起動、出港、避讓、靠岸外，以較高或最高航速航行所占的時間比例較大，對船舶燃氣輪機的變工況性能有嚴格的要求，從最低轉速到最高轉速應運行穩定，不得發生喘振。

3.2 技術要求

3.2.1 采取合理措施，提高安全可靠性

船舶燃氣輪機多數用來驅動螺旋槳式推進器，必須配有動力渦輪和功率輸出軸。有的船舶采用噴水推進，其燃氣輪機動力渦輪的輸出軸與水泵相連，驅動噴水推進系統。倒車主要通過調距槳、倒車齒輪箱和控制系統實施，這些構件除用于倒車外，還可以改善低負荷性能。

船舶在海上和江河湖泊上航行時所能承受的大氣壓力和溫度與飛機在高空飛行時所處的環境不同，地面的大氣壓力大，使得船舶燃氣輪機軸承上的負荷大于航空燃氣輪機;因此，船舶燃氣輪機應通過氣體作用力平衡或減少軸向推力，增加軸承的數量并改進軸承設計，以提高軸承的承載能力。

考慮到燃油閃點、成本等原因，船舶燃氣輪機一般用柴油或重柴油作燃料，其霧化和燃燒性能均不同于航空煤油;因此，必須重新設計或改進燃燒室、燃油泵、噴油嘴和燃油調控系統，防止火焰筒壁溫度升高、冒黑煙及在卸載時可能發生的熄火現象，保證其在海洋環境條件下的工作壽命。柴油的密度和黏度均比航空煤油的大，應提高燃油泵的出口壓力，改變噴油嘴的噴射角度，相應調整空氣霧化和渦流。所有的這些改變均應進行試驗，以確定最佳值。

為了保證必要的工作壽命，航空燃氣輪機改為船用時應采取降溫措施。通常燃氣發生器的燃氣初始溫度應比原航空燃氣輪機在起飛工況下的數值低100 ℃以上，大致降至原飛行時的巡航值即可，以有利于控制受熱零件的熱負荷。改進燃氣發生器，以減少零部件的磨損，例如對燃燒室火焰筒定位環的表面進行硬化處理，噴鍍碳化鎢，以提高耐磨性。

3.2.2 正確安裝動力機組

安裝高性能船舶燃氣輪機時，通常采用箱裝體和單元體。所謂箱裝體就是將燃氣輪機裝在一個完整而獨立的箱體內，箱體內裝有燃氣發生器、動力渦輪、排氣渦殼、減振防沖機座、潤滑油箱、潤滑油空氣分離器、潤滑油過濾器、燃油及點火、防冰、通風等系統。箱裝體還備有內部照明、電氣接頭、空氣接頭、清洗接頭。對箱裝體進行隔熱、隔音設計，以減少熱輻射、噪聲輻射對船舶環境的干擾。箱裝體有獨立的通風系統，可抗原子、生物和化學污染。所謂單元體就是將一臺燃氣輪機分為若干個模件，而每個模件可以作為一個整體來更換。這種設計可以節省維修費用，縮短維修時間，提高船舶在航率，延長整體返廠大修期限。

氣墊船、水翼艇等的燃氣輪機一般不帶機箱，以減輕船舶質量。燃氣輪機裝在導軌或機座上，能保證軸的對中和抗振能力。機組安裝在機艙內，機艙有通風、隔音、隔熱功能，能滿足機組運行、冷卻、降噪等要求。[3]

4 柴油機和燃氣輪機聯合動力裝置

柴油機和燃氣輪機各有優勢和弱點，為了揚長避短，在高性能船舶中將兩者組成聯合動力裝置。由于船舶燃氣輪機的經濟性、可靠性不斷提高，實際船舶設計目標不盡相同，因此聯合動力裝置的推進方式有多種形式，如燃氣輪機、電驅動和蒸汽輪機推進。

柴油機與燃氣輪機聯合動力系統分為柴-燃聯合動力裝置（CODAG）和柴油機或燃氣輪機聯合動力裝置（CODOG）兩種推進方式。CODAG推進以柴油機作為巡航動力、柴油機和燃氣輪機共同作為加速動力，以獲得最大航速，其中柴油機的燃油消耗率較低，用作巡航機組有利于增加船舶的續航力;CODOG推進由柴油機與燃氣輪機交替使用，巡航時采用柴油機，全速航行時采用燃氣輪機，其中燃氣輪機單機功率大、質量輕、體積小，作加速機組，有利于迅速提高航速。

燃氣輪機聯合動力推進系統是采用不同型號的燃氣輪機分別作為巡航機組和加速機組交替工作的動力系統。巡航用的燃氣輪機要求功率適中，經濟性好，運行可靠;加速用的燃氣輪機要求功率大，響應迅速。CODAG是采用2臺以上相同型號的燃氣輪機聯合推進，其中部分燃氣輪機作為巡航機組、全部燃氣輪機開動作為加速機組的動力系統。這種推進方式采用的燃氣輪機型號相同，可以減少備件數量，維修方便。所選的燃氣輪機應有較好的經濟性，以減少巡航時的燃油消耗，保證船舶一定的續航力。某驅逐艦動力裝置采用4臺LM2500型燃氣輪機雙螺旋槳推進，每根螺旋槳軸通過減速齒輪箱并列連接2臺燃氣輪機，在全速航行時4臺燃氣輪機全部工作以達到最大航速，巡航時每根螺旋槳軸只開動1臺燃氣輪機。

5 前景展望

高性能船舶動力裝置目前正向多樣化、高水平方向發展。氣墊船對墊升和推進動力有不同的要求;雙體高速船、側壁式氣墊船可以將推進主機布置在片體或寬體側壁內，對發動機的寬度有一定的限制;單體高速船、滑行艇、水翼艇因推進功率、安裝空間、傳動系統選擇和布置等原因，對其發動機的比功率、機組獨立完整性、功率輸出也有一定的制約：這些都促使船舶動力向多樣化方向發展。

各國對應用航空燃氣輪機的研究成果，結合船舶使用條件進行改進，開發高水平的船舶燃氣輪機的高性能船舶動力研究十分重視。為滿足高性能船舶的需求，柴油機的性能不斷提高，柴油機、燃氣輪機聯合動力裝置也得到迅速發展。

就目前而言，柴油機更適用于中小型高性能船舶，而大型高性能船舶則更適于采用燃氣輪機，或使用柴-燃聯合動力裝置。核動力及常規汽輪機組通常自身質量較大，較少應用于高性能船舶動力裝置。

6 發展趨勢

高性能船舶的開發推動了動力領域高新技術的研究，而動力高新技術的應用大大促進了高性能船舶的發展。除船型技術外，目前在高性能船舶上應用比較廣泛或正在努力開發的動力高新技術有如下4個方面。

（1）大功率船舶燃氣輪機。大功率船舶燃氣輪機質量輕、單機功率大，使高性能船舶的巡航速度和有效載荷比顯著提高。

（2）超導電動機的研究。經過多方努力，超導電動機動力系統的研究取得了重大突破，為大型船舶提高航速、改善性能創造了條件。

（3）大功率噴水推進裝置和對轉螺旋槳推進技術。這些技術的發展和應用大大降低了高性能船舶推進系統的空泡效應，提高了推進效率。

（4）新結構、新材料和新工藝的應用。高強度耐腐蝕鋁合金及各種復合材料在高性能船舶上得到廣泛的應用，使船舶燃氣輪機和發動機的強化度、可靠性、經濟性有明顯改善。采用三維織物的玻璃布作為雙體氣墊船的基材，使船舶的結構質量得以減輕，顯著提高了雙體氣墊船的經濟性。

7 結 語

就動力裝置而言，中小型高性能船舶仍以高性能柴油機作為主要推進裝置，而在大型高性能船舶領域，則可優先采用燃氣輪機動力裝置，為確保其經濟性能，亦可使用聯合動力裝置。目前，高性能船舶動力裝置正在不斷向著高功率、輕量化和全新結構、材料及工藝的目標發展，以其卓越的性能在相關領域依然會長期保有其獨特的技術優勢。

參考文獻：

[1] 伍賽特.燃氣輪機應用于坦克動力裝置的前景展望[J].機電產品開發與創新，2018（6）：54-56，68.

[2] 伍賽特.基于潛艇AIP動力裝置的熱力發動機閉式循環特征研究[J].內燃機，2018（6）：54-57，62.

[3] 張新放，關克平.船舶動力定位系統及其控制技術[J].水運管理，2017（1）：31-33.