柴油機用于水面艦艇動力裝置的技術特點及應用研究

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海200438）

引言

艦艇動力裝置通常是指為艦艇航行提供推進動力的機械、設備與系統。通常由其來實現動力裝置的技術要求，所以又可稱其為主動力裝置、推進裝置或推進系統[1]。此外，艦艇還需要提供除推進動力以外的各種動力和能量來源，包括發電站及電力網路、壓縮空氣等系統，其被統稱為輔助動力裝置[2-6]。

艦艇動力裝置是由數量總多、用途不同的機電設備和系統所構成的統一體，設備及系統之間存在著密切聯系和相互影響，由此形成了一個復雜而完整的工程系統，其中以主動力裝置為主體[7-9]。

1 艦用柴油機動力裝置的技術特點

艦艇動力裝置不僅是現代艦艇的重要組成部分，而且直接影響著艦艇的戰術技術性能。柴油機由于其技術性能的某些特點，例如：在寬轉速范圍內具有較高的經濟性，起動及加速性能好，重量尺寸輕小，空氣消耗量較小，可直接反轉等。此外，其還具有在較高背壓和較高進氣真空度下工作的較高可靠性，并能通過采用非磁材料及進行磁補償等措施使整機具有低磁性等特點。所以，目前柴油機動力裝置仍被廣泛應用于護衛艦、獵潛艇、快艇、常規潛艇、掃雷艇等戰斗艦艇及大量軍用輔助船舶上。由于柴油機技術的進步，其在海洋軍用設備中的應用，已由中、小型艦艇向更大的功率、更高的可靠性等方向發展[10-11]。目前，柴油機目在水面艦艇上的主要用途如下：

1）作為導彈快艇和巡邏型導彈護衛艇動力裝置的主機。快艇的發展方向是導彈化、大型化，同時對航速要求較高。

2）作為中、小型水面艦艇的主推進裝置或柴-燃聯合動力裝置的巡航機組。

3）作為掃雷艇用主機。這種柴油機要求低磁性[12]，為此采用非磁性材料或對柴油機進行磁補償。將柴油機變化的磁狀態視為地球磁場的函數而進行自動補償。這樣就使由鐵磁材料組成的柴油機可基本不作改變，而保持其原有的機械性能和運轉可靠性，這對后勤保障、維修及人員培訓都帶來極大的便捷性。

2 柴-燃聯合動力裝置的現狀與技術特點

自從20世紀初期60年代以來，世界各國開始在水面艦艇上逐步采用燃氣輪機作為動力裝置。在多年的實踐使用中證明，燃氣輪機具有單機功率大、重量輕、體積小、起動、加速性能好、振動小[13]、噪聲低，可以整體吊裝等較為突出的優點，其適于作為中、小型水面艦艇的主機。但是，目前現有的和近期發展的燃氣輪機在技術性能上仍有不足，主要是：

1）燃油消耗率高，尤其是在部分負荷下的燃油消耗率仍比柴油機約高50%[14]。

2）燃氣輪機的耗氣量明顯高于柴油機。其需要配備獨立的進排氣系統，在進出口處要安裝消聲器和其他除鹽、清洗等設備，要占用一定體積的艙室和甲板面積。

3）燃氣輪的動力渦輪輸出軸轉速較高，為了保證螺旋槳的效率，必須設置減速器，所以小功率燃氣輪機動力裝置的轉速更高，加上減速器重量后的比重量指標并不一定優于高速機。

此外，由于燃氣輪機排氣溫度可達500℃左右，柴油機的排氣溫度一般低于350～300℃，所以其紅外幅射明顯高于柴油機。當環境溫度有所升高時，燃氣輪機的功率下降明顯高于柴油機[15]。當排氣背壓增大時，柴油機具有較好的適應性。

由此可見，燃氣輪機作為艦艇動力裝置，在性能上雖然具有突出的優點，但也并非完美無缺的，目前其還不能十分完善地取代其他動力裝置。

巡航柴油機與加速用的燃氣輪機所組成的動力裝置，稱為柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置或簡稱柴-燃聯合動力裝置。通過采用該類裝置，既能保證艦艇在巡航工況下，具有柴油機動力裝置良好的經濟性，以獲得最大的巡航續航力，而又能在高航速工況下，具有燃氣輪機動力裝置功率大、重量尺寸輕小、起動加速性好等一系列優點，使艦艇具有航速高、續航力大、機動加速性好等突出的優點。

對中、小型水面艦艇來說，柴-燃聯合動力裝置是目前發動機性能水平條件下的一種較好型式的動力裝置，配備柴-燃聯合動力裝置的艦艇，具有動力裝置總功率大、航速高，巡航經濟性好、續航力大，動力裝置的重量及尺寸適中等比較突出的優點。因此自1958年柴-燃聯合動力裝置護衛艦問世以來，已在各國海軍中獲得廣泛的應用。

3 柴油機在水面艦艇上的應用

由于高性能的高速大功率柴油機已形成系列化生產，所以在4 000 t以下的水面艦艇上，采用全柴動力裝置與采用全燃動力裝置比較，主要具有以下優點：

1）燃油耗率低，尤其在低工況時更為明顯；

2）空氣耗率低，排氣量小，排溫低，紅外輻射少；

3）容易解決倒車問題。

高性能的大功率高速柴油機對中小型艦艇而言，是一種具有顯著優點的推進裝置。其可作為護衛艦、獵潛艇、掃雷艇、快艇，常規潛艇以及高速軍輔船的動力裝置[16]。

3.1 護衛艦

目前，對于高性能的護衛艦對其動力裝置主要有以下技術要求：需要有足夠高的功率、重量輕、體積小，經濟性好、性能可靠、壽命長、維護工作簡便、自動化程度高且費用低廉。

為護衛艦選用柴油機時，不僅應注意到功率、比重量及尺寸等指標，更應注意油耗率、可靠性與使用壽命等要求。由于各國護衛艦的排水量和航速相差甚遠，且又有全柴動力和巡航動力之分，故被選用的柴油機類型較為廣泛。

其中，主要選用的是中速柴油機。少數國家選用中速大功率柴油機，我國也選用了中速柴油機。近幾十年來，國外為機車等用途而研制的但具有較大通用性的中速柴油機發展很快，引起了各國海軍的重視，因此在護衛艦上廣泛地采用了這種機型或其變型機。在選用的同時，也應為滿足艦用條件而進行必要的改裝。例如部分機型用鋼質曲軸箱代替原來的鑄鐵曲軸箱以滿足抗沖擊性能，同時選用非磁或低磁材料取代鐵基材料以改善低磁性能等。

3.2 快艇

快艇包括魚雷快艇、導彈快艇、高速護衛艇等各種高速攻擊艇，是我海軍重要的突擊兵力。其主要打擊目標為敵大中型水面艦艇及護航、登陸編隊。是我海軍近海防御中主要兵力之一。

快艇的較高航速是其主要技術優越性之一。同時，由于其排水量比較小，小于魚雷艇而大于導彈艇。近年來，國外新建的快艇均向大型化、導彈化方向發展。快艇艇型多采用滑行艇型或水翼艇型，亦有采用半滑行型及排水型。

在該功率范圍下，可通過高速和中速柴油機運用多機多軸或多機共軸等組合形式，以發揮其技術長處。因此大部分快艇的動力均為全柴推進，少數為柴-燃聯合動力或全燃動力。根據以上情況，用于快艇的柴油機具有以下特點：

1）通常采用高速機或中速機，前者被大量應用在排水量較小的快艇上，后者用在排水量較大的快艇上。

2）可靠性尤為重要。快艇在進入攻擊、撤離戰斗時要求較高的機動性以彌補其本身防御能力較薄弱的劣勢。因此柴油機的主要工況都是在中等負荷以上且瞬時的變化十分劇烈。除了能適應這些特殊需求外，在整個戰斗活動過程中應能可靠地工作，也就是在規定的使用時期內不產生機械故障而被迫停機。

3）發展和采用通用機型來取代快艇專用機型。快艇的航渡和作戰時間相對其他戰斗艦艇而言較短，且主機的修理往往采用整機互換的方式進行（即把超過或達到使用期限的主機從艇上整機吊出送到專門的修理廠、所進行修理而立即將型號完全相同的已經修理好的備用主機換上），因此其對其壽命的要求可相對較低，也不要求在艇上進行除一般性的調整以外的檢修工作。該條件的放寬為柴油機的通用性的優化提供了更良好的條件。目前已有許多國家采用該類方法來解決功率、尺寸重量與壽命、可靠性，經濟性等方面因素之間的矛盾。目前，由于快艇排水量、續航力的增加對主機的重量指標要求略有降低，而對壽命和經濟性卻在逐漸提高。

4）可滿足低速大扭矩的要求。當柴油機用作滑行艇和水翼艇的主動力裝置時，當轉速較低時，要求主機具有較高的扭矩。其能在許用轉速范圍內主機的扭矩均大于螺旋槳所要求的轉矩且有一定的加速力矩以滿足加速性要求。由于一般的自由渦輪增壓柴油機限制特性的特點是在低轉速區域內，其扭矩相比高轉速時更低，這種趨勢在增壓比越高的柴油機表現得更為明顯，而且轉速越低該現象也會更明顯。在選擇柴油機時切不可忽視其限制特性，同時應滿足推進特性要求。由于水翼艇存在著阻力峰，當采用具有較高增壓比的柴油機時，由于該類機型具有低速大扭矩特性，因此相對增壓比較低的柴油機具有更大的扭矩貯備，可使水翼艇獲得較大的加速扭矩，從而能較快地越過阻力峰，使全艇具有良好的加速性能。

5）可實現遠距離操縱及自動化。由于快艇上機艙容積小，高速柴油機的噪聲大，快艇在進行攻擊和規避時又要求很高的機動性，因此迫切要求實現可靠有效的遠距離操縱和動力裝置管理自動化。

3.3 登陸艦

登陸艦的排水量通常相差較為懸殊，小的僅幾十噸，大的有數千噸甚至萬噸以上。主要任務是載運兵員及裝備在敵前實施登陸，其航速與作戰艦艇相比并不高。排水量較小的登陸艦所需的功率也相對更小。因此幾乎所有國家的登陸艦絕大多數都選用柴油機作動力。

以坦克登陸艦為例，其通常應具有一個從船艏到船艉的通艙以便于坦克的裝載和登陸。機艙通常布設于通艙的下方。因此要求主機的高度盡可能小些，但對寬度的要求并不嚴格。高速和中速柴油機則具有這方面的優點。

考慮到登陸艦平時的運輸任務較重且航行時間長，續航力大，因此經濟性、壽命指標比較高。綜合這些要求，在排水量較大的坦克登陸艦上以中速柴油機更為優越，排水量小的則以高速機為佳。

登陸艦在登陸時要求微速沖灘。退灘時，則一般先用主機倒車將艦體拉動后再同時用艉錨拖，此時螺旋槳在淺水中工作，又有大量泥沙，因此主機的負荷較大。為此，動力裝置應具有大于60%持續功率的倒車功率且能保證微速航行（約為全速的1/3左右）。目前，坦克登陸艦的動力裝置通常具有如下技術特點：

1）主要采用柴油機推進；

2）大型登陸艦多采用中速機，中、小型登陸艦則多用高速機；

3）柴油機的選型強調經濟性、通用性，甚至主機及輔機均為同一型號，也可采用用于機車或其他水面艦艇的柴油機型；

4）采用雙機或多機并車推進方式日趨增加。

3.4 掃雷艇

掃雷艇擔負基地，港口和航道上的掃雷任務，長期在布雷區內航行。其對柴油機提出如下要求。

3.4.1 動力性能要求

掃雷艇動力裝置的最大持續功率是根據拖帶掃雷具時的最大航速的推力來決定的。掃雷艦在收放掃雷具時要求較低的航速，通常柴油機的最低功率受最低穩定轉速的限制。同時，還要求柴油機有低速大扭矩的特性。

3.4.2 低噪聲、低磁性和高抗沖擊性能要求

低噪聲與低磁性是掃雷艇防雷性能的主要因素。大多數國家在掃雷艇上設置隔振座及彈性聯軸節等隔聲減振措施，有的還安裝柴油機的隔聲罩，使噪聲減少。同時，在其進行掃雷作業時，要求有更高的抗沖擊性能。

上述技術要求都有利于發揮柴油機的長處，因此目前國外主要掃雷艇上幾乎均采用低磁耐沖擊的柴油機作主機和輔機。此外，柴油機型應選用通用機型，以便于戰時能大量建造和裝備部隊。如美國的各級掃雷艇的主機及輔機也都選用同一機型。

3.5 其他用途

高速柴油機具有獨立性好，起動加速性能快等優越性，因此不僅可用作艦艇上的常規發電機組，還可用作應急電站，同時還有部分核動力和燃氣輪動力艦艇設有高速柴油機作為應急推進主機。

4 結論

盡管在整機功率等方面相比汽輪機及燃氣輪機存在一定劣勢，但柴油機以其經濟高效、機動性好、低磁性、抗沖擊性好等技術優勢，在排水量為護衛艦等級以下的中小型水面艦船、軍輔船及隨艦發電設備領域得以充分應用。考慮到當前世界海防局勢的復雜多變，針對柴油機進行的技術研發仍有著重要而深遠的意義。