艦船動力裝置及其腐蝕防護要求研究

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

引言

以柴油機、汽輪機及燃氣輪機等熱力發動機作為動力來源是艦船推進裝置發展過程中的一次革命[1-4]，也是古代戰船向近代艦船飛躍中的關鍵一環。在相當長的一段歷史時期，風帆一直是船舶的主要推進方式。以風帆為動力裝置的戰船的優勢是只要裝載足夠的食品、淡水和作戰物資，就能在海上隨風逐浪航行達數月之久，但同時其最大劣勢是對風能依賴性較高，缺乏作戰機動性，很難捕捉到戰機，而且一旦其風帆或桅桿受損，會使全艦就失去前進動力。因此，一直在對艦船推進方式開展相關研究。

1 艦用蒸汽動力裝置、螺旋槳及其腐蝕防護要求研究

自1768 年蒸汽機問世后，立即引起造船界的廣泛關注，并逐步將其作為船舶的動力來源。到19 世紀30 年代后期，由半螺旋面組成的螺旋槳研制成功，引發了船舶推進器的變革。隨后，美國方面建造了世界第一艘由螺旋槳推進的蒸汽機戰船。在1853 年的錫諾普海戰中，土耳其16 艘軍船中唯一的蒸汽巡洋艦幸免于難并重創一艘俄國戰列艦，使人們真正認識到了以熱力發動機作為動力來源的重要性。

1897 年，汽輪機被首次用于“透平尼亞”號船上。1900年，第一艘由汽輪機驅動的戰船——英國海軍“蝮蛇”號魚雷驅逐艦正式服役。此后，該類功率大、轉速高、重量輕的新型機器開始代替往復式蒸汽機作為艦船的主要動力裝置。目前，蒸汽動力裝置的關鍵技術有：增壓鍋爐的設計技術、主汽輪機組的長葉片技術，以及大功率齒輪減速器的制造技術等方面。

艦用汽輪機與電廠汽輪機不同，其經常在變工況條件下工作，在啟動、停車、變速、正倒車等工況條件下來回變化，同時其受力情況更復雜。故一般在機組用材上更偏重于鉻鎳鋼，其在設計上的安全系數也相對較高。

在腐蝕防護方面，螺旋槳要求能耐海生物腐蝕及空泡腐蝕。機組主軸和轉子在高溫、高壓、蒸汽介質中工作[5]，并在高速旋轉下承受較復雜的應力，要求耐磨蝕、高溫腐蝕及應力腐蝕。葉輪和輪盤承受巨大的切向應力和徑向拉應力[6]，對于長期工作溫度超過400℃的輪盤或葉輪還要考慮蠕變及持久強度，需要較好的耐高溫腐蝕和應力腐蝕的性能。汽輪機葉片主要承受氣流的沖擊力、彎曲力，高速運轉時的離心力[7]，以及由各種原因形成的振動作用，葉片材料要求具有較好的高溫力學性、耐蝕性、減振性、耐磨性，以及良好的工藝性能。汽缸、隔板、噴嘴室、閥殼等靜子零部件，視其工作條件及工作溫度之不同，往往要求更高的熱強性。為對汽缸、隔板、輪盤等的螺釘、螺帽、鉚釘等零件進行固定，要求材料在高溫條件下具有較好的抗松弛性能、較小的缺口敏感性、較小的蠕變脆化傾向，以及一定的耐蝕性等[8]。

2 艦用柴油機動力裝置及其腐蝕防護要求研究

1896 年10 月5 日，德國制造了世界上第一臺柴油機。由于柴油機效率高[9]、重量輕，被首先用于潛艇上。通過采用柴油機與蓄電池相結合的動力形式，使常規潛艇很快進入了柴-電推進時代，大幅提高了全艇機動性。自1925 年以后，美國、德國開始在水面艦船，特別是小型艦艇上采用柴油機推進動力，同樣也提高了全艦的作戰能力。柴油機動力裝置的關鍵技術主要有：燃油噴射技術、渦輪增壓技術、柴油機電控技術等。柴油機是艦艇上的主要動力裝置之一，由于其體積小、重量輕、啟動簡便迅速，故輕型及快速艦船多以其作為主機。柴油機燃燒室內的溫度可高達1400℃以上，同時通過連桿、曲軸、齒輪、軸等來傳遞動力，這些零件的受力情況、工作條件各不相同，因而需要選用各種不同的材料來滿足它們的使用要求。曲軸的功能是將連桿的往復運動轉變為旋轉運動，其受到周期變化的扭轉、彎曲、壓縮和沖擊等多種載荷的作用[10]。尤其是在變工況情況（改變轉速、正倒車、啟停等情況）下的受力情況更復雜。因此，要求曲軸材料應具有良好的綜合力學性能、抗疲勞性能和軸頸部位的耐磨性。

連桿是將活塞的往復運動為曲軸的旋轉運動的重要傳動零件，其所承受的是方向會發生變化并周期性出現的力，除拉壓作用外還有彎曲作用，其主要破壞形式是拉壓疲勞破壞，因此要求連桿材料應有較高的屈服強度和疲勞強度，制作連桿的合金鋼則均采用調質處理。

應用于柴油機的齒輪種類繁多且大小不同。柴油機在工作時，齒輪除承受交變的彎曲載荷外，其表面還要承受強烈的摩擦作用及交變壓應力。在柴油機啟動及停機時，其受到較大的沖擊載荷，因此齒輪應選用具有高疲勞強度的材料。為了提高齒面的接觸疲勞極限、耐磨性和抗點腐蝕性，還要采用滲碳、氮化、高頻淬火等熱處理工藝。

氣閥是柴油機配氣機構中的重要零件之一。進、排氣閥處于不同的工作條件下。進氣閥的工作溫度一般為300～400℃，排氣閥的工作溫度最高可達 750～800℃。排氣閥不僅工作溫度高，而且受到高溫氣體的沖刷，以此其耐蝕條件比進氣閥更為惡劣。閥盤不僅需要具有在高溫下抵抗腐蝕、蠕變和疲勞的性能，而且應具有能抵抗熱沖擊的較高強度和耐磨性。氣閥的桿部不僅受頸部彎曲疲勞的影響，而且會在潤滑不良的條件下與導管發生摩擦，故需要有較高的減摩和耐磨性能。氣閥的頂端與挺桿撞擊，必須有足夠的硬度以防止閥面塌陷。

3 艦用燃氣輪機動力裝置及其腐蝕防護要求研究

針對蒸汽動力裝置效率低、啟動加速慢、裝置重量大、結構較復雜、管理使用較麻煩和柴油機單機功率小、裝置重量較大等問題，開始加快了對艦用燃氣輪機的研究工作。曾于1947 年制造出第一臺艦用燃氣輪機——英國加特里克（G1）燃氣輪機，并配裝于MGB2009 高速炮艇。燃氣輪機是一類以空氣為工質，并將燃料的化學能轉化為熱能，繼而再轉換成機械功的回轉式熱力發動機。

磷含量在121.25～195.36mg/100g之間，平均含量高達158.12mg/100g，不同部位含量的平均高低依次為后腿肉含量162.43mg/100g、臀腿肉含量160.98mg/100g、前腿肉含量157.05mg/100g、頸肩肉含量155.12mg/100g、背肌肉含量145.06mg/100g。

自主研發燃氣輪機有著較高的技術要求，其涵蓋了空氣動力學、工程熱力學、結構力學、冶金、材料、工藝、機械加工、試驗測試等多項學科和技術領域。目前，燃氣輪機的關鍵技術主要有：高壓比高效率壓氣機設計制造技術、持續提高燃氣初溫的技術、中冷回熱技術。高溫燃氣直接作用于渦輪葉片上以推動渦輪運轉，因此葉片的材料必須具有耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、抗熱疲勞的性能。同時，葉片還需要采用先進的冷卻技術，包括對流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻和發散冷卻等方式，以降低葉片表面的實際工作溫度[11-12]。因此，葉片的表面和內部需要配備有用于冷卻的氣孔和通道，這又給葉片的加工制造帶來了難度。目前燃氣輪機葉片的制造過程已采用無余量精密鑄造技術、定向結晶技術和單晶鑄造技術等。燃氣輪機的主要部件均在高溫條件下運作，因此，對燃氣輪機零件材料的要求主要是強調高溫性能。燃氣輪機主要部件所選用的材料大多為耐熱鋼和高溫合金。

4 艦用核動力裝置及其腐蝕防護要求研究

潛艇的作戰威力和生命力在于其別具一格的隱蔽性。因此，潛艇從誕生之日起，就一直在逐步提高其水下續航力和快速性。1949 年，美國海軍針對第一艘攻擊型核潛艇而開展了研制工作。至1954 年，第一艘核動力潛艇“鸚鵡螺”號正式下水。將核動力裝置用作潛艇推進動力后，大幅提高了其水下作戰時的航速，并有效提升了其水下續航力，使潛艇成為真正意義上的潛艇。

自核潛艇得以成功研制之后，美國方面看到了艦用核動力裝置的優越性，由此及彼，將核動力裝置運用至航空母艦上，同樣大幅提升了航空母艦的續航力，擴大了其作戰區域。核動力裝置上艦后，還消除了常規動力裝置排放的廢氣在飛行甲板末端的空氣湍流，改善了艦載機著艦條件，提高了艦載機著艦的安全性。同時，使航空母艦上無需裝載大量艦用燃油，并可提高航空燃油和彈藥的裝載量，改良艦載機的持續作戰能力。

艦用核動力反應堆及一回路用材料按其作用可分為結構材料和功能材料兩大類。結構材料幾乎全部是金屬材料[13]。功能材料主要有核燃料、中子吸收材料等與反應性相關的材料，以及屏蔽材料、隔熱材料等與安全防護相關的材料。考慮到核燃料舉足輕重的作用與性能的獨特性，往往將其置于與所有其他材料并行的位置。

核動力裝置對材料使用中的共性要求主要體現在力學性能、抗輻照性能、耐蝕性和焊接性能等四方面。材料的服役工況普遍為高溫高壓、輻照、腐蝕和動靜態載荷等多場耦合作用環。因此，要求所用材料有著較高的性能指標，并對其質量進行嚴格要求。在其研發過程具有牽涉面廣、綜合性強、周期長、難度大、驗證過程復雜等特點。

5 潛艇用AIP 系統及其腐蝕防護要求研究

常規潛艇因蓄電池容量有限，需要經常上浮到通氣管狀態進行充電，暴露率高，生命力容易受到威脅。因此，從20 世紀80 年代以后，開始發展不依賴空氣的動力裝置（AIP）。按能量轉換裝置不同，AIP 有多種形式，主要有熱氣機、閉式循環柴油機、燃料電池，閉式循環汽輪機和小型核動力裝置等[14]。

潛艇用閉式循環柴油機AIP 系統的工作原理主要如下：液氧汽化后與柴油機排氣中的部分廢氣混合，送到柴油機汽缸內燃燒，形成固定循環，同時使燃氣直接做功。閉式循環柴油機通常是在普通柴油機的基礎上進行改裝。如上文所述，柴油機本身技術較為成熟，且應用廣泛，因此在改裝過程中需要重點解決閉式循環柴油機的系統問題。閉式循環柴油機系統的關鍵材料技術主要有：空氣再生技術、液氧儲存及汽化、CO2吸收器材料等，以及液氧在整個過程中的密封、腐蝕與安全問題。

燃料電池具有效率高、振動噪聲小、熱輻射低、可靠性強、環保清潔和民用市場巨大等優勢。潛艇用燃料電池AIP 系統主要由氫源系統、氧源系統、電堆系統及為確保系統正常運行的輔助系統組成。從目前的技術狀況看，除氧源技術與熱氣機AIP 系統相同，燃料電池仍面臨著一系列的研究難關，其關鍵技術主要有：甲醇重整制氫和金屬吸附儲氫材料及技術、電堆密封技術等。

潛艇如配置有小型核動力裝置AIP 系統，能有效解決常規潛艇通氣管狀態航行充電隱蔽性差的問題，因而是真正意義上的不依賴空氣的AIP 系統。如上文所述，潛艇裝有小型核動力裝置后，其水下續航力將有效提升，從而大幅度提高了全艇的隱蔽性[15]。小型核動力AIP 系統的關鍵技術主要有：低溫低壓反應堆材料及技術及能量轉換材料技術等。由于涉及反應堆技術，核輻射及腐蝕防護也是關鍵技術之一[16]。

6 綜合全電力推進系統及其腐蝕防護要求研究

綜合全電力推進系統可將艦船推進系統與電力系統融合為統一體，將全艦所需的能源以電力的形式集中，并統一調度、分配和管理[17]。這種全新的系統將使全艦系統和設備的布置更加靈活，并可為激光、電磁武器提供能源，是近年來艦船動力系統的重要革命，也將為艦載武器系統帶來革命性的變化。

綜合全電力推進技術從20 世紀80 年代末期開始發展，美國從1988 年即已推行艦船綜合全電力推進系統的發展。綜合全電力推進系統的主要優勢有經濟性好、可提升全艦戰斗力、增強全艦生命力，并改善全艦維修性等方面[18]。

艦船綜合全電力推進系統的關鍵技術主要有：高壓大功率電力電子器件設計制造技術、艦用高壓大容量變頻調速器設計制造技術、多相推進電機設計制造技術、高溫超導材料技術、永磁材料技術、儲能材料技術等[19]。為確保各類材料的壽命和材料可靠性，為此針對其腐蝕防護而開展的研究不可或缺。

7 結論與展望

艦船動力裝置的更新換代直接推動了艦船技術領域的重要發展。就目前而言，以動力裝置為基礎的艦船領域重大技術飛躍主要有三點。一是以蒸汽機用作動力裝置、以螺旋槳作為推進器，并應用鋼鐵材料，同時結合火炮技術的優化，大幅提升了水面艦船的作戰能力。第二是潛艇的發明，并以內燃機和電能用于推進，同時以魚雷作為攻擊方式，使其成為了一類重要的艦船類型。第三是核動力裝置的問世，并將其應用于航空母艦及潛艇，大幅提升了海防力量。就目前而言，針對艦船動力裝置腐蝕防護工作的研究可使艦船有效避免重大事故，并提升全艦的壽命和在航率，因此有著重要而深遠的意義。