摘 要：用于船舶推進的發(fā)動機被稱為主推進發(fā)動機（亦稱“主機”），其對整個船用動力裝置的性能起決定作用，通常會以不同的主機來劃分船用動力裝置的類型?，F(xiàn)代船舶的主機主要有柴油機、汽輪機、燃氣輪機及核動力裝置等幾類。就目前而言，大部分民用船舶，以及部分中、小型軍用艦船均采用柴油機；大、中型艦船多采用汽輪機或燃氣輪機；聯(lián)合動力裝置可滿足水面艦船不同航行工況下的需求；核動力裝置能顯著提升船舶的續(xù)航力和自給力，但需要采用屏蔽裝置，重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于大型航空母艦，大、中型潛艇，以及破冰船與部分大型民用船舶。中、小型潛艇可利用柴油機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，以電力推進的方式驅(qū)動潛艇前行。通過研究船用動力裝置，有利于快速掌握其類型、結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點、使用及管理方法，從而提升其在船舶航行過程中的實際運用效果，提升船舶整體的動力性能。

關(guān)鍵詞：柴油機；燃氣輪機；汽輪機；聯(lián)合動力裝置；核動力；航空母艦；電力推進

中圖分類號：U674.7 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0106-13

Abstract： The engine used for marine propulsion is called the main propulsion engine （also known as the "main engine"）， which determines the performance of the entire marine power plant. The types of marine power plants are usually divided into different main engines. The main engines of modern ships mainly include diesel engines， steam turbines， gas turbines and nuclear power units. At present， most civilian ships， as well as some medium and small military ships， use diesel engines; large and medium-sized ships mostly use steam turbines or gas turbines; combined power units can meet the needs of surface ships under different sailing conditions; and nuclear power units can significantly improve the ship's endurance and self-sufficiency， but they require the use of shielding devices. They are heavy and complex in structure， and are suitable for large aircraft carriers， large and medium-sized submarines， icebreakers and some large civilian ships. Medium and small submarines can use diesel engines to drive generators to generate electricity and drive the submarine forward by means of electric propulsion. By studying marine power units， it is conducive to quickly grasp their type， structure， technical characteristics， use and management methods， thereby improving their actual application effect during ship navigation and improving the overall power performance of the ship.

Keywords： diesel engine; gas turbine; steam turbine; combined power unit; nuclear power; aircraft carrier; electric propulsion

19世紀(jì)初期，蒸汽機即已成功應(yīng)用于“克萊蒙特”號內(nèi)河船舶，用作于全船的主推進動力，這標(biāo)志著船舶“動力裝置”概念的形成。動力裝置的原意是指代替人力或風(fēng)力，為各類船舶提供推進動力的一整套機械、設(shè)備及系統(tǒng)。多年來，隨著船舶技術(shù)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，相關(guān)動力裝置的性能也在逐步提升。

1 船用動力裝置概述

在船用動力裝置中，為船舶提供航行動力來源的發(fā)動機被稱為主推進發(fā)動機，又稱為船舶主機。主機將多種來源的熱能轉(zhuǎn)換為機械功，從而為各類船舶提供航行所需的能量。動力裝置按具體類型來分，主要包括柴油機、汽輪機、燃氣輪機、聯(lián)合動力裝置，以及核動力裝置等幾類[1-2]。

船舶主機應(yīng)該力求安全可靠，有足夠的生命力，具備使用便捷、靈活、重量輕、體積小，成本低、耗油少、維修方便及壽命長，具有倒車能力，并能在低速或巡航速度下穩(wěn)定地運行等特點，以保證最大限度地發(fā)揮船舶的各種性能。這些特性的相對重要性隨著船舶的任務(wù)不同而變化，而可靠性則是最重要的。

正如上文所述，船舶主機是動力裝置中的核心設(shè)備，主機類型的選定，也就從總體上決定了整個船用動力裝置的結(jié)構(gòu)組成與性能特點。因此，船用動力裝置的分類多以主機的類型作為分類依據(jù)。主機工作狀況的好壞直接影響到全船的正常航行和安全，在進行選型、設(shè)計和制造時應(yīng)特別注意。

2 船用柴油機的技術(shù)特點及發(fā)展概況

2.1 船用柴油機概述

柴油機是一類常見的內(nèi)燃機，由于無需配備鍋爐等其他設(shè)備，因而減少了系統(tǒng)冗余度，目前在各類船舶上被廣泛采用。但由于柴油機作往復(fù)運動，所以磨損、振動、噪音都較大，尤其是柴油機功率的增大受到加工設(shè)備、工藝、材料、體積和重量等方面的限制，單機功率很難進一步提升。

在柴油機中，低速柴油機燃油消耗率最低，可燃燒劣質(zhì)的重柴油，因此燃料費用較低。由于低速柴油機速度低、磨損小，所以使用壽命較長，平時維修保養(yǎng)費用較少。但是低速柴油機的重量和尺寸較大，占用艙容和排水量較多，這是其劣勢所在，這種機型多用作大型船舶的主機。

高速柴油機重量輕、體積小，占用艙容和排水量都比較小。但高速柴油機燃油消耗率高，需燃用優(yōu)質(zhì)輕柴油，燃料費用相對更高。同時由于高速柴油機的轉(zhuǎn)速高，機器磨損較大，使用壽命較短，平時維修保養(yǎng)費用高，噪音也較大。這種機型多用作小型船舶的主機，或大、中型船舶的輔機。中速柴油機的性能介于上述兩者之間，一般用于中型船舶。但近年來由于中速柴油機也能燃用重油，且燃油消耗率接近低速柴油機，隨著減速齒輪箱技術(shù)的發(fā)展，也有部分中速大功率柴油機被應(yīng)用于大型船舶。

2.2 船用柴油機的主要技術(shù)特點

總體而言，柴油機的技術(shù)優(yōu)勢主要有以下幾方面。

1）經(jīng)濟性較好。柴油機在寬廣的工況區(qū)域內(nèi)都具有較高的經(jīng)濟性。同時，低速柴油機也能燃用重油，顯著降低了燃油費用。船舶主機的燃油消耗率是決定船舶營運經(jīng)濟性的一項重要因素，在目前的能源形勢下，柴油機較高的經(jīng)濟性確保了其較好的應(yīng)用前景。

2）功率范圍廣。船用柴油機的功率和轉(zhuǎn)速覆蓋范圍寬廣，可提供眾多的機型供各類船舶選用。低速柴油機是柴油機中功率最高的機型，其技術(shù)上的發(fā)展具有一定的代表性，其經(jīng)濟性、可靠性，以及機動性等性能指標(biāo)在近年來都有顯著的提升。

3）具有良好的機動性。柴油機啟動迅速，操作簡便，換向靈敏。啟動前的備車工作約10 min即可完成，主機從冷態(tài)啟動到全負荷運轉(zhuǎn)的過渡時間一般不超過10 min，緊急情況下不超過3～4 min，主機換向一般在數(shù)秒鐘內(nèi)即可完成。主機的機動性是一項重要技術(shù)性能指標(biāo)，對水面艦船尤其重要[3]，會直接影響到全艦的綜合反應(yīng)能力及技術(shù)性能的發(fā)揮。在當(dāng)今時代，以導(dǎo)彈為代表的高性能武器已得到充分發(fā)展，對水面艦船具有重大威脅。因此，縮短備戰(zhàn)時間，迅速投入戰(zhàn)斗，及時脫離危險區(qū)域，對水面艦船有著重要意義。

4）空氣消耗量小，進、排氣道所占用的空間較小，更便于布置，并且獨立工作能力和抗沖擊性能較好。

5）低速柴油機可直接驅(qū)動螺旋槳，同時通過采用較低的轉(zhuǎn)速，可避免螺旋槳出現(xiàn)空泡現(xiàn)象，由此提高螺旋槳的推進效率。這一特點不僅提高了能量轉(zhuǎn)換的總效率，并且無需配備減速裝置，簡化了傳動設(shè)備，節(jié)約了造船時的建設(shè)投資和維修費用。

6）環(huán)境適應(yīng)性強。柴油機能夠在持續(xù)波動的高背壓，以及較大的真空度影響下持續(xù)工作，且功率衰減情況并不顯著。此外，柴油機還能被制成低磁性機組，滿足掃雷艦等水面艦船的特殊要求。

7）中、小型柴油機的比重量輕，占空間小，輔助設(shè)備少。船用動力裝置的主要技術(shù)要求之一是輕量化，以減少動力裝置所占的排水量，這樣可以增加船舶的凈載重量，或提高船舶的快速性和續(xù)航力。對于中、小型船舶而言，機艙空間較窄小，除了要求動力裝置重量輕外，還特別要求其尺寸緊湊，體積較小。動力裝置自身的重量和體積，在很大程度上取決于主機及其所需的附屬設(shè)備。隨著高增壓技術(shù)的發(fā)展，在柴油機重量尺寸變化不大的情況下，顯著提高了柴油機的功率，使增壓型柴油機的單位重量進一步降低。柴油機無需配備大型的附屬設(shè)備，所需的輔助設(shè)備也較少。中、高速柴油機在該方面的優(yōu)勢尤為突出。這也是中、小型船舶普遍采用柴油機的一項重要原因。

就目前而言，柴油機的技術(shù)弊端主要有以下幾方面。

1）中、高速柴油機單機功率較小。

2）低速柴油機雖然功率相對較大，但隨著整機功率的提升，該類機組的體積和重量會按一定比例迅速增大。因此，在設(shè)計、制造功率更高的低速柴油機時會遇到一定困難，相應(yīng)也對零部件的加工、裝配及運輸過程提出了更高要求。在降低機組材料的機械負荷和熱負荷過程中，也會遇到一定困難。而機組過高的高度相應(yīng)也限制了其在航空母艦等大型水面艦船上的應(yīng)用[4]。

3）與汽輪機及燃氣輪機等旋轉(zhuǎn)機械不同，柴油機的活塞等部件持續(xù)作往復(fù)運動，而非單純的旋轉(zhuǎn)運動，因此會產(chǎn)生周期性的擾動力。因此，柴油機不但振動和噪聲較大，機件的摩擦及磨耗同樣也較為嚴(yán)重，并且具有較強的低頻線譜振動噪聲，對水面艦船的隱身與反隱身大為不利。

4）柴油機的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速較高，致使機組穩(wěn)定工作區(qū)域相對較小。

2.3 船用柴油機的技術(shù)發(fā)展概況

如本文2.2中所述，柴油機的重要優(yōu)勢在于熱效率高、燃油消耗率低、整體經(jīng)濟性好，并且功率范圍較大，適用性廣，此外其附屬設(shè)備較少，總重量較輕。柴油機的重要缺陷在于噪聲、振動及摩擦損耗較大等方面。大型民用船舶多采用低速柴油機作為主機，該機型可靠性較高，維修費用較低，可直接驅(qū)動螺旋槳。而中、小型軍用艦船多采用中、高速柴油機作為主機，以減小機組的尺寸與重量。

近年來，隨著船舶噸位的提升，為了提高柴油機的功率，低速柴油機正向著增大缸徑和提高增壓度等方向發(fā)展，已可滿足大功率船舶推進的要求，并可通過減速裝置驅(qū)動螺旋槳。尤其在各類內(nèi)河船舶中，柴油機更占據(jù)絕對優(yōu)勢，幾乎成為了唯一的動力型式。

近年來，如何節(jié)約能源正成為國內(nèi)外的重大研究課題。目前，正在開展相關(guān)研究工作，以使船用柴油機的熱效率達到更高的水平。除進行改進燃燒系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)，并降低摩擦損失和漏氣損失外，還在進行降低冷卻損失的研究，如充分利用廢氣能量，在廢氣渦輪增壓器之后加裝動力渦輪，以充分利用廢氣的能量。就目前而言，船用柴油機還有大量的研究開發(fā)工作亟待開展。

近年來，船用柴油機技術(shù)發(fā)展較快，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）大功率柴油機普遍采用高增壓技術(shù)，并逐步改善了低工況下的機組性能。

2）采用高可靠性模塊化設(shè)計制造技術(shù)。

3）中、低速柴油機采用相關(guān)技術(shù)，可充分燃用重油。

4）采用“智能型”電控技術(shù)和高壓共軌燃油系統(tǒng)技術(shù)，以及低排放等相關(guān)技術(shù)。

在過去較長的一段時間內(nèi)，各種用途的民用船舶普遍采用柴油機作為動力裝置，而大型船舶多采用汽輪機。近年來，隨著柴油機燃用重油技術(shù)的完善，低速柴油機單機功率的顯著提升，即便在大型船舶上，柴油機也有著逐步取代汽輪機的趨勢。在內(nèi)河船舶上，由于受到航道水深、船舶噸位等客觀條件的限制，絕大多數(shù)內(nèi)河船舶都以中、高速柴油機作為主機。

3 船用汽輪機的技術(shù)特點及發(fā)展概況

3.1 船用汽輪機概述

汽輪機是一類利用蒸汽膨脹作功，將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的熱力渦輪機械。其中，鍋爐、汽輪機本體、凝汽器和給水泵是較為重要的設(shè)備。

汽輪機與蒸汽機一樣，都是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機械功的動力裝置。兩者不同之處在于，在汽輪機中，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成蒸汽的動能，該部分動能再轉(zhuǎn)換成機械功傳遞給汽輪機軸。就其工作過程而言，來自鍋爐的高壓蒸汽進入固定的噴管，蒸汽在噴管內(nèi)膨脹，膨脹時蒸汽的壓力降低，而蒸汽的流速相應(yīng)提升，高速汽流沖擊安裝在轉(zhuǎn)輪上的葉片，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。

3.2 船用汽輪機的主要技術(shù)特點

通常而言，汽輪機具有如下技術(shù)優(yōu)勢[5]。

1）作為單機功率最高的熱力發(fā)動機，能有效滿足大型水面艦船的功率需求。

2）具有較高的可靠性和較長的使用壽命，其有效使用期可達100 000 h以上，并且操縱、維修、保養(yǎng)過程較為簡便。

3）機組振動、摩擦及噪聲較小，可為隨艦人員提供較為安靜、舒適的環(huán)境。

4）燃料適應(yīng)性較強，可使用劣質(zhì)燃油，相應(yīng)提高了經(jīng)濟性能。

但與此同時，汽輪機也存在下列缺點。

1）能量轉(zhuǎn)換過程復(fù)雜，經(jīng)濟性較差。在能量傳遞過程中，熱能在鍋爐、管路、閥件、泵等設(shè)備中都會發(fā)生損失，尤其在凝汽器中損失最大，所以機組熱效率相對較低。對采用簡單循環(huán)的汽輪機而言，其經(jīng)濟性較差，既不如柴油機，也不如燃氣輪機。主要原因在于其工質(zhì)初溫較低，而大量熱能又會被凝汽器的冷卻水帶走，因而循環(huán)效率低于另兩類主機。

2）系統(tǒng)組成復(fù)雜。汽輪機以蒸汽作為工質(zhì)，必須配備鍋爐、凝汽器、泵，以及其他輔助裝置，或配備核反應(yīng)堆及相關(guān)系統(tǒng)以得到高溫蒸汽。因此，汽輪機的重量指標(biāo)均大于中速柴油機、高速柴油機及燃氣輪機。并且受蒸汽制備過程的影響，汽輪機的機動性同樣不如上述機組。

3）由于轉(zhuǎn)速較高，因此汽輪機需要配置一套減速裝置，從而進一步增大了機組的重量，并使系統(tǒng)組成更為復(fù)雜，增大了設(shè)計及制造的成本，降低了系統(tǒng)可靠性。

3.3 船用汽輪機的技術(shù)發(fā)展概況

由于汽輪機作旋轉(zhuǎn)運動，因此工作平穩(wěn)，振動較小，噪聲較低，并且產(chǎn)生的摩擦和磨損較少，使用壽命較長，特別適用于客船。汽輪機易于維護保養(yǎng)，可靠性較高，可以長期在全負荷工況下運作，且超負荷能力較強，環(huán)境適應(yīng)性較好。汽輪機自身功率較高，可燃用重油，也可燃用液化天然氣，在重量與體積等方面都比蒸汽機小，但汽輪機的能量轉(zhuǎn)換過程較為復(fù)雜，熱效率較低，燃油消耗率較高，經(jīng)濟性較差。目前多運用在大噸位油船、集裝箱船和液化天然氣船上。

由于汽輪機只能往一個方向轉(zhuǎn)動。為了獲得反向旋轉(zhuǎn)的功率，通常會在正車汽輪機低壓缸的軸上安裝倒車級[6]。該倒車級通常會有不多于三排的轉(zhuǎn)動葉片，也可能只有兩排，其所發(fā)出的功率大約是正車功率的40%。而在汽輪機正常運行過程中，倒車級處于倒轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以一般安裝在低壓汽輪機的低壓端。該部分的蒸汽密度較低，因此倒車汽輪機所產(chǎn)生的氣體阻力損失同樣較低。

1896年，英國即已成功將汽輪機用作于船舶主機，試航速度可達34.5 kn（節(jié)）。此后汽輪機廣泛用于大功率船舶上。早期汽輪機直接用于驅(qū)動螺旋槳，且并未采用減速裝置。為了使螺旋槳能在理想的轉(zhuǎn)速下工作，在汽輪機上加裝了減速齒輪，使汽輪機和螺旋槳都能以各自的最佳速度運轉(zhuǎn)。到1916年，幾乎所有的船用汽輪機都采用了減速裝置，減速比由初期的1∶20提高到1∶80以上。采用減速裝置以后，汽輪機能以更高的速度運轉(zhuǎn)，效率也得以顯著提升，機體尺寸相應(yīng)縮小，整個裝置更加緊湊，總重量也大幅減輕，螺旋槳的工作效率也大幅提高，使汽輪機成為理想的大功率船用動力裝置。不少大型客船、超級油船和高速集裝箱船均采用汽輪機。

長期以來，由于在輸出功率方面占據(jù)顯著優(yōu)勢，汽輪機在各類大型船舶中均有一定的應(yīng)用前景，尤其是在大型水面艦船領(lǐng)域。但由于我國的汽輪機制造工業(yè)起步較晚，以汽輪機作為主機的船舶占比并不高。隨著我國船舶工業(yè)體系的完善，其仍有望得到充分發(fā)展。就目前而言，現(xiàn)階段船用汽輪機的發(fā)展主要有兩種趨勢：一種是提升系統(tǒng)的熱效率，通過提高蒸汽的初參數(shù)，并采用復(fù)雜循環(huán)，從而提高主機及輔機的效率；另一種則是采用較低的蒸汽參數(shù)，并增大蒸汽流量，從而使汽輪機本體和鍋爐能采用更為簡單的結(jié)構(gòu)體系，以此簡化管理過程，并增強裝置的可靠性。

4 船用燃氣輪機的技術(shù)特點及發(fā)展概況

4.1 船用燃氣輪機概述

汽輪機和柴油機這兩類熱力發(fā)動機自問世以來，就得到了廣泛應(yīng)用。如本文2.2及3.2中所述，柴油機是一類內(nèi)燃機，燃料在氣缸內(nèi)部燃燒，具有機動性好的優(yōu)勢；而汽輪機是一類熱力渦輪機械，其主要優(yōu)勢是單機功率較大。燃氣輪機則集兩者的優(yōu)點于一體，是繼二者之后，于20世紀(jì)中期正式發(fā)展起來的一種熱力發(fā)動機[7]。

與汽輪機一樣，燃氣輪機也是一類熱力渦輪機械，主要由壓氣機、燃燒室和渦輪三部分組成。其中，渦輪主要包括增壓渦輪和動力渦輪，增壓渦輪與壓氣機同軸，動力渦輪通過軸系驅(qū)動推進器，通常也被稱為雙軸燃氣輪機。壓氣機、燃燒室和增壓渦輪共同組成燃氣發(fā)生器。

4.2 船用燃氣輪機的主要技術(shù)特點

在發(fā)展過程中，燃氣輪機首先在航空推進領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并充分取代了活塞式發(fā)動機。從1947年開始，燃氣輪機在水面艦船領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，并在后續(xù)的幾十年間得到了長足發(fā)展，逐漸成為水面艦船的主要動力裝置之一，備受世界各國海軍的重視，其技術(shù)優(yōu)勢主要如下所示[8]。

1）機動性好，啟動及加速性能優(yōu)越。燃氣輪機從冷機狀態(tài)下啟動，只需要2～3 min即可達到全負荷工況。一旦發(fā)現(xiàn)敵情，艦船即可作出快速響應(yīng)，迅速投入戰(zhàn)斗，提高作戰(zhàn)的機動能力，有效縮短備戰(zhàn)時間，以上優(yōu)勢對水面艦船有著重要意義。

2）燃氣輪機重量輕、體積小，可制成箱裝體，且單機功率較高。

3）附件少，且絕大部分配裝在機箱體上，機組生命力較強。

4）自動化程度較高，所需配備的工作人員較少。

5）機組振動幅度較小，能有效改善隨艦人員的工作環(huán)境。

6）檢修方便，管理簡單，維護工作量較小，易于實現(xiàn)自動化控制。

燃氣輪機雖然具有突出的技術(shù)優(yōu)勢，但也存在如下不足之處。

1）燃氣輪機的經(jīng)濟性不如柴油機，特別是在偏離額定工況時，燃氣輪機的燃油消耗率會迅速增大。以WR-21型燃氣輪機為例，其在額定工況時的燃油消耗率與高速柴油機相近，但在低負荷工況下運行時，該型燃氣輪機的燃油消耗率會迅速增大。正由于上述問題的存在，限制了燃氣輪機在民用船舶中的應(yīng)用。

2）燃氣輪機無法直接反轉(zhuǎn)，需要配置倒車傳動裝置或調(diào)距槳，從而使動力裝置結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，并增加了系統(tǒng)成本。

3）燃氣輪機的進、排氣道截面積較大，從而影響了水面艦船甲板及艙內(nèi)空間的總體布置。

4）排氣溫度較高，熱輻射較強，因此其熱信號特征也較強，影響了全艦的隱蔽性。

5）對溫度等環(huán)境條件較為敏感，容易影響機組的熱效率。

6）機組壽命較短。由于燃氣輪機的燃燒室和渦輪葉片均在高溫、高壓條件下持續(xù)工作。同時燃氣輪機吸入的海面空氣含有一定鹽分，在鈉、釩等物質(zhì)的作用下，渦輪葉片和噴嘴在短時間內(nèi)即有可能被腐蝕。盡管通常會選用優(yōu)質(zhì)合金材料，但船用燃氣輪機的工作壽命依然較短。

4.3 船用燃氣輪機的技術(shù)發(fā)展概況

與汽輪機相比，燃氣輪機尺寸小、重量輕、燃油消耗率低，啟動和加速性好，日常運行維護簡單、便于遠距離集中控制[9]。與柴油機相比，燃氣輪機雖然熱效率相對較低，但單機功率較大，結(jié)構(gòu)簡單，零部件也少，重量輕，體積小，可靠性也在逐步提高，因此近年來的應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步拓寬。

最近幾年，部分高速民用船舶上也開始以燃氣輪機作為主推進動力。部分國家的主要艦船全部采用燃氣輪機作為推進動力。隨著艦船電力需求的增長，亦有將燃氣輪機作為電站的方案。我國船用燃氣輪機的研制工作也取得了顯著進展，并且有著廣闊的發(fā)展前景。

現(xiàn)階段主要發(fā)展著兩種不同類型的燃氣輪機：航空派生型與工業(yè)型。航空派生型具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、易于控制等特點，但是必須燃用高質(zhì)量的燃油。工業(yè)型燃氣輪機則是另一類機型，其具有較長的使用壽命，并能燃用經(jīng)適當(dāng)處理的重油。工業(yè)型機組一般都會使用回?zé)崞鳎加腿紵枰罅康目諝獠a(chǎn)生大量的廢氣，導(dǎo)致空氣供應(yīng)和煙氣排放成為重要問題。

船用燃氣輪機迅速發(fā)展的另一原因，是由于其繼承和利用了航空燃氣輪機和工業(yè)燃氣輪機已有的技術(shù)基礎(chǔ)。特別是前者，航空發(fā)動機始終是燃氣輪機技術(shù)發(fā)展的前驅(qū)。燃氣輪機的原理在很早以前就已為人們所熟知，但在相當(dāng)長的時期內(nèi)，與汽輪機相比，燃氣輪機在工業(yè)上的應(yīng)用進展卻較為緩慢。汽輪機的工質(zhì)能冷凝成水，因此給水泵消耗的功率不大。然而燃氣輪機的工質(zhì)則是無法冷凝成水的空氣與燃氣，所以壓氣機需要消耗相當(dāng)大的能量來實現(xiàn)壓縮過程。因此，只有在循環(huán)溫度、壓氣機和渦輪的效率均較高的情況下，燃氣輪機才能具有較高的循環(huán)效率，并提供較大的有用功率。正是高溫材料、葉片冷卻技術(shù)，以及壓氣機的氣動性能等多方面的技術(shù)難點，制約了燃氣輪機的發(fā)展和應(yīng)用推廣。

與工業(yè)燃氣輪機相比，船用燃氣輪機對機組的重量和尺寸有更加嚴(yán)格的要求。但該要求若與航空燃氣輪機相比，則相對較為寬松。相反，船用燃氣輪機氣動設(shè)計中應(yīng)注意的重點，或者說主要的矛盾，往往是較高的部件效率和平穩(wěn)的變工況特性。同時，為了縮短研制周期，需要減少調(diào)試工作量。在設(shè)計船用燃氣輪機主要部件時，需要充分注意技術(shù)成熟、方案穩(wěn)妥、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便的要求。與航空燃氣輪機不同，船用燃氣輪機的巡航功率顯著低于其最大功率。這一特殊性雖然可以通過采用巡航機組與加速機組的聯(lián)合動力裝置加以解決，但對船用燃氣輪機在寬廣負荷工況內(nèi)的經(jīng)濟性仍提出了一定的要求。

目前，航空派生型燃氣輪機已普遍成為軍用艦船的動力裝置。工業(yè)型燃氣輪機更適用于民用船舶，該類船舶對動力裝置的重量和尺寸要求較低。如需使船舶實現(xiàn)倒航，可采用可變螺距螺旋槳及電力推進等方案。此外，閉式循環(huán)燃氣輪機有著較高的效率，但尚處在研究階段[10-11]。在艦船中，燃氣輪機常以聯(lián)合動力裝置的方案投入使用。

就目前而言，船用燃氣輪機始終圍繞著增大功率，提高效率，降低尺寸及重量而不斷發(fā)展，其今后的發(fā)展方向主要如下所示。

1）繼續(xù)發(fā)展具有較高初參數(shù)的簡單循環(huán)，不斷提高燃氣初溫，并相應(yīng)提高壓比，同時采用更高效的冷卻技術(shù)。通過采用先進的冷卻技術(shù)，平均每年可使燃氣初溫提高約25 ℃。近年來，也在持續(xù)研制耐熱的高強度材料，通過采用高溫材料，平均每年可使燃氣初溫提高約10 ℃。

2）繼續(xù)發(fā)展復(fù)雜循環(huán)，充分利用燃氣輪機的排氣熱量，以提高機組總效率。為此，可采用回?zé)嵫h(huán)和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。

3）進一步完善燃氣輪機各主要部件的性能，提高機組總效率。

5 船用主機技術(shù)部分參數(shù)對比

輸出功率是大型水面艦船在選擇主機時需要重點考慮的因素。通常而言，決定熱力發(fā)動機實際輸出功率的主要有兩項指標(biāo)：工質(zhì)的流量及單位流量工質(zhì)的比焓降。

在機組尺寸相近的前提下，燃氣輪機在輸出功率方面明顯優(yōu)于柴油機。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因主要在于燃氣輪機自身工質(zhì)流動的連續(xù)性。燃氣輪機內(nèi)部的燃燒過程處于持續(xù)進行狀態(tài)，而柴油機內(nèi)部的燃燒過程則是間歇性開展。為避免高溫失效等現(xiàn)象的出現(xiàn)，燃氣輪機內(nèi)部工質(zhì)的峰值溫度通常低于柴油機。不僅如此，燃氣輪機所采用的軸流式壓氣機的壓縮效果，通常也不如柴油機的活塞機構(gòu)。因此，就單位流量工質(zhì)的比焓降而言，燃氣輪機并不占優(yōu)勢。但如上文所述，由于燃氣輪機內(nèi)部的工質(zhì)處于持續(xù)流動狀態(tài)，并且不存在往復(fù)吞吐的現(xiàn)象，因此工質(zhì)在流量方面具有明顯優(yōu)勢。綜合而言，在結(jié)構(gòu)尺寸及重量相近的前提下，燃氣輪機的輸出功率通常高于柴油機。

燃氣輪機與同為熱力渦輪機械的汽輪機相比，二者內(nèi)部的工質(zhì)同樣處于持續(xù)流動狀態(tài)，燃氣輪機內(nèi)部工質(zhì)的溫度雖然更高，但是其壓力明顯更低，燃氣輪機工質(zhì)的壓力通常僅為數(shù)兆帕，但目前超超臨界汽輪機的蒸汽壓力可達30 MPa，致使燃氣輪機的可用比焓降約為汽輪機的1/5～1/3。綜合而言，燃氣輪機在輸出功率方面通常不如汽輪機，但考慮到燃氣輪機較高的機動性及自動化管理程度，其在大型水面艦船領(lǐng)域仍有一定的應(yīng)用前景。綜合上文所述，各類船用主機的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

6 船用聯(lián)合動力裝置技術(shù)特點及發(fā)展概述

6.1 船用聯(lián)合動力裝置的由來

以上幾種船用動力裝置在功率、轉(zhuǎn)速、操縱性能、經(jīng)濟性、重量與尺寸等方面都存在差異。用民用船舶主要是考慮其經(jīng)濟性，不足之處只能采用適當(dāng)措施來加以改進。而對于軍用艦船以戰(zhàn)斗力為主要目標(biāo)，更注重于提高機組功率，來提升全艦的航速和機動性。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計（表2），在航行過程中，水面艦船絕大多數(shù)時間均處于巡航（低速）工況下。此時，動力裝置輸出的功率通常不超過總功率的25%，因此可以選用一臺功率較小、使用壽命較長、燃油消耗率較低的機組來投入運作。在出現(xiàn)戰(zhàn)況或進行實戰(zhàn)演習(xí)時（水面艦船在此類工況下的航行時間僅占總航行時間的3%左右），可使用另一臺功率更大、燃油消耗率相應(yīng)也更高的加速機組。同時，也可將巡航機組和加速機組一起投入運作，以便輸出更高功率，滿足高航速要求。此類裝置通常被稱為聯(lián)合動力裝置，可用于平衡水面艦船巡航工況下的經(jīng)濟性要求與作戰(zhàn)時的高機動性要求。

6.2 聯(lián)合動力裝置的發(fā)展概述及組合型式

6.2.1 聯(lián)合動力裝置的發(fā)展概述

迄今為止，水面艦船聯(lián)合動力裝置已經(jīng)過了較長時間的發(fā)展。相關(guān)經(jīng)驗表明，凡有一種新型熱力發(fā)動機問世，往往會出現(xiàn)該類機組與其他既有主機所組成的新型聯(lián)合動力裝置[12]。而在實際使用過程中，隨著新型熱力發(fā)動機技術(shù)性能的提升，單一型式的動力裝置往往會逐漸占據(jù)優(yōu)勢，并取代之前所采用的聯(lián)合動力裝置。直到更先進的熱力發(fā)動機出現(xiàn)，會再次與既有主機進行組合，出現(xiàn)更新穎的聯(lián)合動力裝置。此類現(xiàn)象周而復(fù)始，循環(huán)不息。

具體而言，蒸汽機是一類誕生于工業(yè)革命時期的熱力發(fā)動機，曾在人類歷史上扮演過重要角色，而到19世紀(jì)末期，汽輪機得以問世，其為一類新型蒸汽動力裝置。歷史上最早的聯(lián)合動力裝置則由蒸汽機與汽輪機組成。該類聯(lián)合動力裝置的設(shè)計理念如下：由于蒸汽機受余隙容積和汽缸行程的限制，高溫蒸汽無法在汽缸內(nèi)得以充分膨脹，由此在蒸汽機后方布設(shè)了汽輪機。在蒸汽機內(nèi)做功后的蒸汽進入汽輪機再次膨脹，由此回收了一部分蒸汽的能量。通過該方式，實現(xiàn)了能量的梯級利用，有效提高了機組的功率和熱效率。

但隨著技術(shù)的發(fā)展，蒸汽機逐漸退出歷史舞臺，各類大型船舶更傾向于采用汽輪機這類單一類型的主機。為了發(fā)揚汽輪機的技術(shù)優(yōu)勢，克服其弊端，除了不斷改進汽輪機本體的技術(shù)性能外，還可與其他類型的熱力發(fā)動機組成聯(lián)合動力裝置。二戰(zhàn)以后，隨著燃氣輪機技術(shù)的逐步完善，其出色的動力性能也廣受關(guān)注，由其作為加速機組的一系列聯(lián)合動力裝置也逐漸誕生。

目前，以燃氣輪機為主導(dǎo)的聯(lián)合動力裝置主要有以下幾類。

1）蒸-燃聯(lián)合動力裝置。該類聯(lián)合動力裝置以小型汽輪機作為巡航裝置，燃氣輪機作為加速裝置。與單一汽輪機動力裝置相比較，該類聯(lián)合動力裝置無論從尺寸、重量上，還是啟動加速性能上，都有了顯著提升。

2）燃-燃聯(lián)合動力裝置。燃-燃聯(lián)合動力裝置分為燃-燃聯(lián)合使用動力裝置與燃-燃交替使用動力裝置兩種型式。這種裝置的巡航機組及加速機組均為燃氣輪機。巡航燃氣輪機可經(jīng)濟地提供巡航所需要的低功率，而在高速工況下以加速機組運行。該系統(tǒng)具有操縱靈活、功率大、質(zhì)量輕的優(yōu)點，但裝置的造價昂貴，且進、排氣道占用了甲板較大的空間，影響全艦布置。

3）柴-燃聯(lián)合動力裝置。該類聯(lián)合動力裝置分為柴-燃聯(lián)合使用動力裝置及柴-燃交替使用動力裝置兩種型式。這種裝置將柴油機作為巡航機組，燃氣輪機作為加速機組。在巡航狀態(tài)和倒件時用柴油機工作，高速航行時，用燃氣輪機運作。該類聯(lián)合動力裝置具有燃油消耗率低、加速性好、可靠性好等優(yōu)點。

6.2.2 聯(lián)合動力裝置的主要組合型式

考慮到燃氣輪機自身突出的技術(shù)優(yōu)勢，由其所組成的聯(lián)合動力裝置如下文所示，并歸納在表3中。

6.3 聯(lián)合動力裝置的主要技術(shù)特點

總體而言，聯(lián)合動力裝置具有以下技術(shù)特點。

1）由于采用了重量較輕、機動性較強的燃氣輪機作為加速機組，并由此提供高負荷工況下大部分（甚至全部）的功率，可相應(yīng)減少全艦動力裝置的總重量。

2）由于采用了效率較高、經(jīng)濟性較好的巡航機組，可以大幅提升水面艦船的續(xù)航力。

3）由于采用了兩類彼此相互獨立的機組，提高了動力裝置的可靠性。

4）為實現(xiàn)水面艦船的倒航過程，聯(lián)合動力裝置更適于與調(diào)距槳、減速器、電力推進等相關(guān)系統(tǒng)進行匹配，此時任何一臺主機均可獨立驅(qū)動螺旋槳。但需注意，如果采用可實現(xiàn)倒轉(zhuǎn)的主機（如低速柴油機，以及本文3.3中提到的倒車汽輪機）往往會導(dǎo)致傳動功率的不匹配現(xiàn)象，或產(chǎn)生其他更復(fù)雜的技術(shù)問題，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。

6.4 聯(lián)合動力裝置的總體發(fā)展趨勢

正如上文所述，由于幾類熱力發(fā)動機的性能特點及適用性均有所不同，因此并非將相關(guān)主機僅通過簡單的兩兩組合，就能使其成為理想化的聯(lián)合動力裝置[13]。

就現(xiàn)階段的聯(lián)合動力裝置而言，多采用燃氣輪機作為加速機組。以COGOG型聯(lián)合動力裝置為例，巡航機組通常會采用單位重量較大、功率較小、燃油消耗率較低且壽命較長的重型燃氣輪機，而加速機組通常會采用功率較大、燃油消耗率較高、且壽命較短的輕型燃氣輪機。

再如上文所述的COSAG型聯(lián)合動力裝置，隨著近年來柴油機功率的增大和燃氣輪機效率的提高，以及在機組聯(lián)合狀態(tài)下，倒車汽輪機的實際使用效果及可靠性亟待改善。因此，COSAG型聯(lián)合動力裝置逐漸被CODOG型聯(lián)合動力裝置及CODAG型聯(lián)合動力裝置所取代。

7 船用核動力裝置技術(shù)特點及具體型式

7.1 船用核動力裝置概述

核動力裝置的主要部分是原子反應(yīng)堆，相當(dāng)于鍋爐的爐膛和燃燒室。核動力裝置一般使用235U作為反應(yīng)堆的核燃料。核動力軍艦通常采用濃度在20%～40%以上的高濃度核燃料，以減小裝置的尺寸與重量。核動力商船從經(jīng)濟性出發(fā)，多采用濃度在5%以下的低濃度核燃料。核動力裝置可顯著提升船舶主機的續(xù)航力，且無需吸入空氣和排放廢氣，這對潛艇有特別重要的意義[14-15]。因此核動力裝置首先在潛艇上得以廣泛應(yīng)用。核動力裝置在航空母艦和巡洋艦等大型艦船上也有較好的應(yīng)用前景。由于核動力船舶的放射性物質(zhì)對人體的殺傷和對港口水域的污染，必須采用龐大的鉛防護層及一整套安全防護措施，因而造價昂貴，測試、管理技術(shù)復(fù)雜。目前在民用船舶中雖也有應(yīng)用，但并未得以大范圍推廣，仍處于發(fā)展階段。

7.2 船用核動力裝置的主要技術(shù)特點

核反應(yīng)堆的大規(guī)模應(yīng)用為船用動力裝置的發(fā)展開辟了廣闊的前景，其技術(shù)優(yōu)勢主要如下所示。

1）消耗微量的核燃料即可獲得巨大能量，采用核動力裝置的艦船能以較高的航速航行極遠的距離。以一座功率約為11 040 kW（15 000 PS）的核動力裝置為例，其運轉(zhuǎn)一晝夜僅消耗核燃料15～18 g。美國第一艘核潛艇“鸚鵡螺”號在不補充燃料的情況下，可在水下環(huán)球航行一周。蘇聯(lián)核動力破冰船“列寧”號可持續(xù)航行一年，且不補充核燃料。水面艦船在使用核動力裝置后，續(xù)航力大幅提升，并且節(jié)省下的空間可用于攜帶更多的武器設(shè)備，提升全艦的作戰(zhàn)能力。

2）不消耗空氣。核反應(yīng)過程不需要空氣的參與，這一特點是其他任何型式的動力裝置都無法比擬的，尤其對潛艇具有重大意義。通過采用核動力裝置，可顯著提升潛艇的戰(zhàn)斗力，并能使其長期隱蔽在深海中，不易被敵方發(fā)現(xiàn)。核動力裝置不消耗空氣的特點對水面艦船也有一定優(yōu)勢，因為無需設(shè)置進、排氣道，也不會產(chǎn)生高溫?zé)煔猓鄳?yīng)提升了隱蔽性。在核戰(zhàn)爭中，也減少了從進氣口中吸入放射性煙塵的危險，易于開展核防護。

但與此同時，核動力裝置也具備一定的劣勢，主要如下所示。

1）重量尺寸較大。由于核反應(yīng)過程會釋放大量放射性物質(zhì)，對人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害，對遠洋、近海水域及碼頭也會產(chǎn)生一定污染，為此需要設(shè)置重達數(shù)百噸甚至上千噸的屏障，以阻止放射性物質(zhì)的外逸，從而使得整個動力裝置的尺寸及重量較大。

2）核動力裝置造價昂貴，操縱管理技術(shù)復(fù)雜，一定程度上制約了其大規(guī)模推廣。

出于以上原因，核動力裝置主要用于大型水面艦船及潛艇，在民用船舶領(lǐng)域的發(fā)展則相對遲緩。

7.3 船用核反應(yīng)堆的具體類型

為確保隨艦人員的安全，核動力艦船對放射性的防護要求通常比陸用核電站更嚴(yán)格。水面艦船在航行時可能會遇到碰撞、觸礁、著火及爆炸等現(xiàn)象，或遭到魚雷、導(dǎo)彈等武器的意外攻擊而沉沒。在相關(guān)事故存在發(fā)生可能性的前提下，為了減少核污染的蔓延，艦船核動力裝置應(yīng)具備永久關(guān)閉的功能，并需要配備有堅固的反應(yīng)堆屏障。根據(jù)艦船對核動力裝置的特殊要求，目前所使用的壓水堆主要有以下三種型式。

7.3.1 高濃鈾板狀燃料元件反應(yīng)堆

該類反應(yīng)堆采用濃縮度為20%以上的235U的板狀燃料元件。板狀元件的散熱面積較大、堆芯布置緊湊、體積小，且單位體積輸出功率較高。由此可減小反應(yīng)堆外殼尺寸，使設(shè)備布置更為緊湊。但其技術(shù)弊端主要在于所需核燃料濃度較高，設(shè)計、建造及運行成本高昂。

7.3.2 低濃鈾分散型壓水堆

該類壓水堆的結(jié)構(gòu)與陸用核電站壓水堆大致相同，由蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆、一回路冷卻劑水泵和穩(wěn)壓器等設(shè)備組成，相關(guān)部件通過管道進行連接，構(gòu)成高溫、高壓的密閉回路。二回路系統(tǒng)和設(shè)備與船用常規(guī)蒸汽動力裝置相似。

7.3.3 一體化壓水堆

以德國的“奧托·哈恩”號船用壓水堆為例，其采用了一體化結(jié)構(gòu)，一回路系統(tǒng)簡單，設(shè)備緊湊，反應(yīng)堆安全殼尺寸較小，適用于水面艦船。另外，堆芯內(nèi)充滿了冷卻水，具有良好的自然循環(huán)性能。當(dāng)一回路發(fā)生冷卻泵停轉(zhuǎn)事故時，仍能依靠冷卻劑的自然循環(huán)維持堆芯的冷卻過程。一體化壓水堆的弊端在于反應(yīng)堆、蒸發(fā)器及主泵連成一體，從而使得堆內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提升了設(shè)計、制造及維修的難度。

8 船用電力推進裝置

電力推進裝置同樣可用于船舶推進。該類裝置通過各種方式獲取電能，再由電機驅(qū)動螺旋槳，為船舶提供推進動力[16]。其特點是螺旋槳轉(zhuǎn)速可任意調(diào)節(jié)，以滿足各種工況下的航行需求，且操作簡單、管理方便，更適用于部分具有特殊要求的船舶，如潛艇、科學(xué)考察船、渡船等。電力推進裝置最大優(yōu)點是機動性較好，其電機的最低轉(zhuǎn)速可達額定轉(zhuǎn)速的1/10以下，船舶可在極低的航速下航行。另外，該類裝置的啟動及正、倒車換向時間也較短。發(fā)電主機與電機驅(qū)動螺旋槳可各自在最佳工況下運轉(zhuǎn)，而且便于遙控管理，整個裝置振動噪聲較小。

一般而言，用于發(fā)電的機組由原動機與發(fā)電機構(gòu)成。原動機主要有汽輪機、柴油機和燃氣輪機等幾類，與船舶主機類型基本一致。如上文所述，由于柴油機的功率相對較小，一般多用于軍輔船的主、輔發(fā)電機組，或軍用艦船的輔助發(fā)電機組。汽輪機具有轉(zhuǎn)速高、功率大的優(yōu)點，技術(shù)較為成熟，但也有著體積、重量較大，效率比較低，占用艦船面積大，布置困難等劣勢，如用于發(fā)電機組將導(dǎo)致整個發(fā)電機組的功率密度降低。另外，由于汽輪機的轉(zhuǎn)速比較高，如果采用頻率為50 Hz的交流電網(wǎng)，則需要采用龐大的齒輪箱進行降速，相應(yīng)也會增加全船的噪聲。燃氣輪機在該領(lǐng)域有著較好前景，目前不少船舶的電力推進系統(tǒng)都選擇以燃氣輪機作為發(fā)電原動機。

9 船用動力裝置技術(shù)發(fā)展史概述

蒸汽機自用于船用動力裝置之后，迅速占據(jù)了一定的優(yōu)勢地位。直到第一次世界大戰(zhàn)之前，蒸汽機還在全球的民用船舶和軍用艦船上占據(jù)統(tǒng)治地位，是船舶最重要的動力來源。然而此時蒸汽機的全盛時期已接近尾聲。由于蒸汽機自身體積較大，熱效率較低，在第一次世界大戰(zhàn)到第二次世界大戰(zhàn)期間，逐漸被柴油機和汽輪機所取代。同時，由于低速柴油機燃油消耗率顯著低于汽輪機，且能燃燒劣質(zhì)燃油，并具有較高可靠性，因此在民用船舶領(lǐng)域逐漸取代了汽輪機。

而對于排水量較大的艦船而言，則幾乎全部采用了汽輪機，小型艦船則更傾向于采用柴油機。直到1947年，柴油機的新對手才出現(xiàn)。英國第一艘以燃氣輪機推進的艦船試航后，便和當(dāng)時占據(jù)主導(dǎo)地位的柴油機及汽輪機展開了競爭。

盡管經(jīng)濟性較高，并且在船用動力裝置領(lǐng)域取得了斐然的成績，但柴油機自身功率受限，已無法滿足大型船舶對動力性能的需求。與此相對，汽輪機雖然結(jié)構(gòu)簡單且功率較高，但卻需要配備體形龐大的蒸汽發(fā)生裝置（如鍋爐等）和輔助系統(tǒng)，并且經(jīng)濟性和機動性較差。這種矛盾狀況一直延續(xù)著，直到燃氣輪機橫空出世。當(dāng)燃氣輪機在軍用艦船動力領(lǐng)域得到廣泛普及以后，上述問題才逐步得以解決。燃氣輪機不但可以構(gòu)建單一型號的動力裝置，也可以與柴油機等其他動力裝置搭配組成新的聯(lián)合動力裝置。以復(fù)雜循環(huán)燃氣輪機作為動力裝置的船舶不但具有較好的經(jīng)濟性指標(biāo)，還有著較高的整機功率，可謂魚與熊掌兼而得之[17]。

正由于燃氣輪機具有啟動方便，機動性好等優(yōu)點，因此受到了廣泛關(guān)注，大有“后來者居上”之勢。但由于燃氣輪機在高溫、高壓條件下工作，對燃油質(zhì)量要求較高，熱效率也顯著低于柴油機，因此在民用船舶上應(yīng)用較少。

核動力裝置以核反應(yīng)堆來獲取高溫、高壓的蒸汽。核反應(yīng)堆通過可控的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生較高能量，被不斷循環(huán)的冷卻水吸收，隨即通過蒸汽發(fā)生器將熱量傳給第二個回路中的水，使之變?yōu)檎羝蟮狡啓C中作功。就目前而言，核動力裝置主要用于大型水面艦船和潛艇[18-19]。

核動力裝置在民用船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，世界各國也曾開展過相關(guān)研究。美國曾在“薩凡那”號船舶上試用成功；蘇聯(lián)也曾在破冰船“列寧”號上采用過核動力裝置。此后，德國和日本也分別建造了核動力民用船舶。相關(guān)船舶在試航一段時間后，出于法律和民意上的原因被迫停駛。由于擔(dān)心放射性物質(zhì)污染航道、港口和城市環(huán)境，因此許多港口均拒絕核動力船舶進港，對于核燃料使用后的核廢料也缺乏妥善處理的辦法，一定程度上限制了核動力裝置在民用船舶上的應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，新的船用動力裝置仍不斷出現(xiàn)，如燃料電池、磁流體推進、太陽能電池等。其中，尤以新穎的磁流體推進有著較好前景。該推進方式是一種超導(dǎo)電磁推進，其原理是將超導(dǎo)磁體安裝在船舶上，然后在海水中通以電流，利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場與海水中通過電流產(chǎn)生的作用力，推動船舶前進。這種推進形式的特點是簡化了傳動方式，不采用旋轉(zhuǎn)部件（無需螺旋槳和軸系），推力大，且航速高。

10 對船用動力裝置的主要技術(shù)要求

為確保船用動力裝置的航行能力，在選擇主機時，需要充分滿足以下技術(shù)性能，同樣可作為主機選型的重要參照依據(jù)。

10.1 可靠性

在投入運行達一段時間后，機電設(shè)備將不可避免地發(fā)生故障。對于船用動力裝置而言，可靠性是極為重要的?？煽啃园藘煞矫娴囊饬x：一是指動力裝置的生命力，主要是指動力裝置受到外在因素影響后，仍能維持運轉(zhuǎn)的能力，能承受的條件越惡劣，生命力就越強；二是指動力裝置處于正常運行狀態(tài)的時間，正常運行時間越長，可靠性越高，反之則越低。

對于水面艦船動力裝置而言，常采用多機多槳或多機并車的推進方式，其可靠性及生命力顯著高于單機單槳的推進方式。以雙機雙槳這一推進方式為例，當(dāng)其中一臺主機或與其相匹配螺旋槳發(fā)生嚴(yán)重故障時，另一臺主機和螺旋槳仍然可以正常運轉(zhuǎn)，艦船的推進力并未完全喪失。因此，從總體推進效果上看，雙機雙槳推進的方式具有更強的生命力。因此，水面艦船多采用雙機雙槳或多機雙槳的傳動方式。

10.2 機動性

機動性是指船用動力裝置從一種工況過渡到另一種工況的能力，如啟動、加速、制動、反轉(zhuǎn)及并車等過程。動力裝置工況轉(zhuǎn)換的性能，直接影響到船舶自身離靠碼頭、冰區(qū)航行、霧天航行，以及回避緊急事故的能力。

10.2.1 啟動性

啟動性的優(yōu)劣與主機的類型有較大關(guān)系。就柴油機的啟動時間而言，主要取決于燃油、滑油、冷卻水、啟動空氣等輔助系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)歷時最長的系統(tǒng)。為了提升柴油機的機動性，通常會采用暖缸等措施。

柴油機與汽輪機相比，由于汽輪機的啟動過程需要一定流量的高溫蒸汽，因此主要取決于鍋爐點火后，蒸汽參數(shù)達到規(guī)定狀態(tài)的這一過程。盡管部分鍋爐能夠較快地供應(yīng)蒸汽，但汽輪機的平均啟動時間依然長于柴油機。

而將柴油機同燃氣輪機相比，燃氣輪機的啟動時間相對更短，但總體而言，兩者并無顯著差異。

10.2.2 加速性

加速性同樣與主機的類型有關(guān)?？s短加速時間的首要條件是需要主機在短時間內(nèi)將功率提高到最大值。其次是螺旋槳在加速過程中能否充分吸收主機輸出的功率，并將其轉(zhuǎn)換為對外的推進動力。

對主機而言，影響加速時間的主要因素是部件的重量和熱慣性，較輕的重量和較低的熱慣性都有利于實現(xiàn)加速。通常而言，燃氣輪機的受熱部件較為輕小，因此有著較好的加速性能。

對螺旋槳而言，由于定距槳的轉(zhuǎn)速受到一定限制，會隨船舶航速的提升而相應(yīng)增加。因此，隨著定距槳轉(zhuǎn)速的提高，主機的功率也需要逐步提升，以實現(xiàn)合理匹配。而調(diào)距槳在吸收功率時不受自身轉(zhuǎn)速的限制，并且能在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大推力，因此其加速性優(yōu)于定距槳。

10.2.3 制動與倒航性能

船舶在制動與倒航方面的性能主要取決于推進器及相應(yīng)的傳動方式。對于可反轉(zhuǎn)的低速柴油機+定距槳的組合而言，低速柴油機必須先停止噴油，并將轉(zhuǎn)速降至某一范圍內(nèi)，方可開始反轉(zhuǎn)啟動，因此倒車時間總體較長。

對于不可反轉(zhuǎn)的主機+離合器+定距槳這類組合而言，主要取決于離合器的性能。如果系統(tǒng)采用摩擦式離合器，船舶的倒車時間主要取決于離合器反轉(zhuǎn)時的摩擦件溫度升高情況。離合器在反轉(zhuǎn)時所能承受的機械負荷與熱負荷越高，越有利于提高緊急制動及倒車能力。

對于不可反轉(zhuǎn)的主機+調(diào)距槳這類組合而言，因為船舶在制動時無需使主機停止運行，僅通過調(diào)整槳葉螺距即可產(chǎn)生反向推力，因此其制動與倒航性能相對較好。

11 船用動力裝置應(yīng)用前景分析

近年來，柴油機已成為各類船舶最主要的動力來源。在當(dāng)今能源日漸稀缺的時代，考慮到柴油機的高熱效率，以及燃用劣質(zhì)油技術(shù)的推廣，在未來的數(shù)年間，柴油機將繼續(xù)在船舶主機中占據(jù)重要地位。

中、小型水面艦船多以柴油機作為動力裝置。這些艦船有獵潛艇、掃雷艇、巡邏艇、炮艇、魚雷快艇、導(dǎo)彈快艇及輔助艦等幾類。部分大型艦船如護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦等也以柴油機或柴-燃聯(lián)合動力裝置作為動力來源。在柴-燃聯(lián)合動力裝置中，柴油機多作為巡航主機以發(fā)揮燃油消耗率低的特點，以延長艦船的續(xù)航里程。對潛艇而言，除核動力裝置外，所有常規(guī)潛艇都以柴油機作為主機，部分還會采用不依賴空氣的推進系統(tǒng)（AIP）[20]。

就目前而言，由于柴油機和燃氣輪機的發(fā)展，以汽輪機為代表的蒸汽動力裝置已讓出了曾經(jīng)的全面統(tǒng)治地位，并一起形成三足鼎立之勢。但在大型艦船，特別是在航空母艦和核潛艇上，汽輪機依然占據(jù)主導(dǎo)地位。

由于汽輪機燃料消耗量較大，新建的民用汽輪機船舶數(shù)量逐年在減少。與此相對，液化天然氣船舶幾乎全部采用汽輪機，以便回收利用逸出的天然氣，作為鍋爐燃料使用。在我國，汽輪機在大、中型艦船上仍占主導(dǎo)地位，例如航空母艦及核潛艇等。從實艦使用來看，汽輪機突出的優(yōu)點是安全可靠，操縱性好，使用自如、可維修性好。其缺點是經(jīng)濟性較差，在同樣裝載燃油量下，續(xù)航里程短、這是影響船用汽輪機發(fā)展的一個致命弱點，要使汽輪機得以繼續(xù)發(fā)展，必須在改善經(jīng)濟性上下功夫。

如上文所述，第二次世界大戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后，柴油機與汽輪機在艦船上應(yīng)用較為廣泛。但后續(xù)隨著技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了以燃氣輪機為主機的趨向。目前，燃氣輪機按結(jié)構(gòu)型式的不同，主要可分為輕型燃氣輪機與重型燃氣輪機。其中，輕型燃氣輪機是一類以航空燃氣輪機為母型，并進一步改制成能適應(yīng)艦船航行條件的新型機組。重型燃氣輪機則是以工業(yè)燃氣輪機為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的，目前多適用于大型民用船舶，如集裝箱船、滾裝船和渡船等，但由于該類機組的經(jīng)濟性較差，其應(yīng)用仍處于試驗階段。

船用燃氣輪機主要走航空改型道路，在滿足海上環(huán)境條件和艦船使用要求下，從改善經(jīng)濟性及可靠性等方面開展了大量研究試驗工作，采取了不少新技術(shù)、新工藝，產(chǎn)品多次更新?lián)Q代，已達到了較為成熟的階段，但與柴油機相比，其經(jīng)濟性仍存在一定的差距。目前，無論是汽輪機還是燃氣輪機，都在提高經(jīng)濟性、降低燃油消耗率上下功夫，并已取得了可喜的成果。

水面艦船為了平衡巡航工況下的經(jīng)濟性，以及戰(zhàn)略機動時所需的加速性，普遍采用了聯(lián)合動力裝置，包含巡航機組和加速機組。兩種機組均要離合器與主減速器連接，并采用倒、順齒輪箱或可調(diào)螺距螺旋槳來實施倒車。聯(lián)合動力裝置的優(yōu)越性在于具有足夠大的功率，且裝置的重量和體積相對較小，并解決了全速大功率與巡航經(jīng)濟性的矛盾，提高了艦船的續(xù)航能力。

核動力裝置能顯著提升船舶的功率和續(xù)航力，且不需要空氣助燃，更適用于潛艇等水下船舶。但由于放射性物質(zhì)對人體會產(chǎn)生嚴(yán)重傷害，并污染周圍環(huán)境，為此必須設(shè)置嚴(yán)密的放射性防護設(shè)備。雖然核燃料在核動力船舶中所占空間較小，但考慮到所需配備的屏蔽層和龐大附屬裝置，優(yōu)勢上兩相抵銷，并且仍有可能使全船載重量進一步增加。此外，核動力裝置由于自重大，造價昂貴，建造、操縱、管理技術(shù)復(fù)雜等原因，目前在民用船舶上的應(yīng)用極少。就目前而言，核動力裝置在民用船舶上的應(yīng)用更多由港口當(dāng)?shù)丨h(huán)境接受程度、國際協(xié)定、保險協(xié)定和初始成本等因素共同決定，而非單純的技術(shù)可行性。

綜上所述，船用動力裝置的應(yīng)用前景見表4。

根據(jù)上述情況可知，在后續(xù)一段時內(nèi)，民用船舶仍將以柴油機為主要動力裝置。對大型民用船舶而言，一般仍會以低速柴油機為主，而對機艙高度受到限制的船舶如滾裝船、客船、渡船等，采用中、高速柴油機較為合適。其中，內(nèi)河船舶仍以中、高速柴油機為主，大型遠洋船舶則以低速柴油機為主。近年來，中速機的燃油消耗率已接近低速柴油機，具備廢熱利用效率高、外形尺寸小、重量輕等優(yōu)點，且成本低廉，有著較好的前景。

根據(jù)我國的情況，中、小型水面艦船，潛艇和輔助船舶仍將以中、高速柴油機為主。大型潛艇則會重點發(fā)展核動力裝置，并仍以汽輪機作為主機。同時，燃氣輪機有著顯著的性能優(yōu)勢，逐漸成為國內(nèi)、外軍用艦船的標(biāo)配動力裝置。而以燃氣輪機作為加速機組的各類聯(lián)合動力裝置同樣也應(yīng)得到了重視和發(fā)展，目前亟待加強對船用大功率燃氣輪機的研發(fā)工作。

12 船用動力裝置前景展望

綜合上文所述，柴油機具有熱效率高、經(jīng)濟性好、功率范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、附屬設(shè)備少，可直接驅(qū)動螺旋槳等優(yōu)勢，但隨著船舶噸位的逐步提升，要求船用柴油機向大功率方向發(fā)展。要提高柴油機功率，只能加大缸徑，增加缸數(shù)或采用多機型。這樣一來勢必增加重量和體積，導(dǎo)致制造困難，造價高，因此目前大型船舶上通常不以柴油機作為主推進動力裝置。經(jīng)過多年的發(fā)展，船用柴油機已達到較高的技術(shù)水平。但對于中、小型水面艦船，常規(guī)潛艇及民用船舶而言，柴油機仍是主要動力來源。低碳排放是現(xiàn)階段柴油機面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，隨著對船用柴油機排放的限制，使得其經(jīng)濟性的提高較為困難，這也是今后船用柴油機發(fā)展中的新課題?？傮w而言，正由于柴油機的特點顯著，其技術(shù)進步在很大程度上促進了船舶技術(shù)的發(fā)展和革命，也揭開了船用動力裝置發(fā)展的新篇章。

汽輪機單機功率高、體積小、重量輕、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、可靠性高、滑油消耗率低、超負荷能力強、可燃用劣質(zhì)燃油，振動和噪音小，但熱效率低、管理復(fù)雜、加工制造困難、成本高昂，必須配備減速齒輪箱和龐大的主鍋爐，必須通過減速裝置才能驅(qū)動螺旋槳，目前多用于大型油船、航空母艦，以及核潛艇上。

與上述動力裝置相比，燃氣輪機體積小，重量輕，占有艙容和排水量最少，且具有振動及摩擦小、便于管理維修、啟動迅速，且在啟動后數(shù)分鐘內(nèi)即可達到最大功率等優(yōu)點，所以在軍用艦船上的適用性較好。但由于熱效率低、經(jīng)濟性差、壽命短、對金屬材料要求高且無法反轉(zhuǎn)等缺點的存在，尚未在民用船舶上大規(guī)模推廣，多用于氣墊船等高性能船舶。

在水面艦船領(lǐng)域，出現(xiàn)了燃氣輪機與柴油機、汽輪機、核動力裝置聯(lián)合使用、交替使用的聯(lián)合動力裝置。該類動力裝置出現(xiàn)于第二次世界大戰(zhàn)以后，可以充分發(fā)揮各種主機的優(yōu)點，并使燃氣輪機的優(yōu)勢得到充分利用。

核動力裝置具有其他動力裝置所無法比擬的優(yōu)點，但需要配備周密而繁重的防護措施，并且造價昂貴，建造、測試管理技術(shù)復(fù)雜，所以在民用船舶上暫未得以大范圍使用，多用于航空母艦等大型水面艦船和潛艇。而隨著石油等能源的日益枯竭，核動力裝置在民用船舶領(lǐng)域有望得到進一步推廣。

13 結(jié)束語

綜上所述，船用動力裝置向著多樣化、大功率化方向發(fā)展。中、小型民用船舶多采用中、高速柴油機。大、中型民用船舶多采用中、低速柴油機。汽輪機具備技術(shù)成熟可靠、可維修性好、使用壽命長等優(yōu)勢，其缺點在于經(jīng)濟性較差、裝置較復(fù)雜。燃氣輪機雖然存在著使用壽命較短的缺點，但艦船可充分利用燃氣輪機啟動迅速，在短時間內(nèi)即可獲得大功率的優(yōu)點，因此依然有著較好前景。

核動力裝置將成為一種重要的船用動力來源，裝一次核燃料，可以航行若干年，非常適合作為大型船舶的動力來源，并且同樣會以汽輪機作為主機。電力推進將成為未來船舶的一種重要推進型式，既可通過蓄電池提供電力，也可由原動機帶動發(fā)電機來發(fā)電，同樣也可通過燃料電池等電化學(xué)發(fā)電設(shè)備來獲取電力。

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