高性能船舶动力装置发展前景

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　　【摘 要】 为使高性能船舶选择适合的动力装置，介绍高性能船舶的特点及其总体发展趋势，阐述其動力装置的相关应用及技术特点，并对未来发展趋势进行展望，认为：中小型高性能船舶动力装置宜采用柴油机，而大型高性能船舶则更适于采用燃气轮机或柴-燃联合动力装置，高性能船舶以其卓越的性能在相关领域依然会长期保有其独特的技术优势。
　　【关键词】 高性能船舶;柴油机;燃气轮机;内燃机;联合动力装置
　　0 引 言
　　高性能船舶是从20世纪30年代开始逐渐发展的一类新型船舶，其种类繁多，是船舶发展中最具创造性、最富有活力的类型，具有高航速、高适航能力、高隐身性和高效费比等特点。探索、研究和开发高性能船舶的出发点是：采用与常规船舶不同的支承方式和流体力学作用，使船舶既能够利用水体的支承作用，同时又能够摆脱船体表面水摩擦阻力和自由表面兴波阻力的束缚，实现船舶的高速航行。
　　经过几十年的研发，高性能船舶的设计、建造和运营技术已经较为成熟，业界已经研发出各具特色、不同类型的高性能船舶，满足了航运界和军方对船舶在各种水面的运输和作战的特殊要求。
　　1 高性能船舶动力装置
　　1.1 船用动力装置类型
　　高性能船舶首要的特点是高速。排水型船舶经过船型改进，其航行阻力下降提高了推进效率，推进动力机组强化度的提高及单位质量比功率的增加提升了推进动力。气垫船利用气垫的浮力、水翼艇利用水翼的升力来承载船舶质量，为大幅度提高航速创造了条件。但是，航速对船舶本身质量的变化十分敏感，要求动力系统质量轻、体积小、功率大、转矩特性合理、燃油消耗率低。高性能船舶主要设计目标是在满足推进要求的条件下，动力系统的总质量最小，船舶有效负荷达到最大。
　　船用动力装置包括蒸汽轮机、核动力、电动机、燃气轮机、汽油机和柴油机，其中：蒸汽轮机和核动力虽然可以达到很大的功率，但仅适用于大型船舶;燃气轮机和柴油机一般适用于中小型船舶;汽油机功率则较为有限，可作为小型船舶的主要推进动力。具体来看：
　　（1）燃气轮机转速变化的灵活性较低，其在持续功率时转速可变化的范围为 20%～+10%，在此转速范围内转矩降低较快。[1]采用燃气轮机作为气垫船的动力时，需要独立改变推力，以带动变矩螺旋桨或风扇。燃气轮机与柴油机在单位质量或单位体积功率、燃油消耗率、附属系统、传动装置等方面存在不同，在用作气垫船动力时，动力装置的总质量随航行范围的增大变化梯度也不同，其中，燃气轮机的变化梯度较陡，柴油机的变化梯度较平缓。因此，同类型气垫船，其航行范围不同时，应选用不同的发动机。
　　燃气轮机有很低的比质量（单位功率质量），但压气机和动力涡轮的转速很高，约为～ r/min，需要用减速齿轮箱将转速降到500～ r/min，才能符合推进器、风扇或喷水系统的要求。
　　（2）汽油机转速高、排量小，单机功率受限，加之汽油挥发性强、闪点较低，燃油箱须采取防挥发、防碰撞的设计措施，因此只适用于小型船艇。
　　（3）高速和中速船用柴油机可作为高速单体船、双体船和水翼艇的动力，风冷柴油机或有闭式冷却循环的水冷柴油机可作为气垫船的动力。柴油机作为气垫船动力机组时的运行工况与作为车辆动力装置时不同，设计者应根据气垫船的动力需求和运行特性对机组重新进行功率标定。大多数车用柴油机在最大持续功率的85%时可长时间安全运行，最大持续功率处于90%以上的只能在紧急情况下运行30 min。柴油机的转速和负荷变化范围广，从最高转速到怠速可灵活操作，变工况运行。
　　高速柴油机通常的标定转速是1 500～3 500 r/min，需要采用减速比约为1.5～2.5的齿轮箱传动，在柴油机标定功率小于600 kW时也可用皮带传动来实现。高性能船舶配备的中速柴油机标定转速为750～1 500 r/min，可直接传动喷水推进装置，或通过较小减速比的齿轮箱驱动推进器。
　　气垫船上的柴油机可以同时与推进装置和垫升风机相连，也可分别用作推进或垫升机组。某些气垫船采用了液压传动垫升系统，通过柴油机带动液压泵、液压马达带动风机，柴油机装在船尾、垫升风机装在船头，布置灵活，方便船舶总体设计。
　　无论是燃气轮机还是柴油机，随环境温度升高，功率均会下降，以标定功率时20 ℃环境温度为基准，气温每升高10 ℃，燃气轮机功率下降7%，柴油机功率下降2%。船舶在高温的气候条件下航行，必须考虑温度对动力系统功率的影响。柴油机的冷却系统是将空气或水加压使其流过柴油机，以维持柴油机正常的工作温度。超出最高允许温度时，应采取相应防护或控制措施;低温时，冷却剂流量由节温器控制，以保证柴油机正常的热力状态。[2]在很冷的地区进行冷起动时需要对燃油和柴油机进行预热：气温在 20 ℃以下应使用专用润滑油;气温在 40 ℃以下柴油会凝固，必须预热后才能起动。
　　高性能船舶动力系统的推进功率大，在船舶设计航程内柴油机所消耗的燃油量对全船质量的影响不可忽视，选择机组时不仅要考虑机组本身的质量和比功率，也要考虑燃油消耗率的影响。
　　1.2 船用动力装置机组特性
　　高性能船舶动力机组要求高的单位质量比功率，除满足额定工况的功率要求外，还应有足够的低速转矩储备能力。当推进主机在额定转速50%和75%时，功率只有分别达到额定功率的35%和80%，才能满足船舶的越峰需求。
　　水翼艇离港时，其主推进系统只有克服峰值阻力，才能从浮航进入到翼航状态。这就要求作为主推进动力的高速柴油机具备优良的低转速大转矩特性。不同的船型和水翼系统，水翼艇起飞过程中的阻力不同，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%处，在设计推进系统转速时为克服最大阻力应当留有一定的余度。
　　以高速柴油机为推进主机时，为满足水翼艇、滑行艇等高速船舶的低速大转矩要求，保证从浮航到翼航的顺利过渡，通常采取扩大增压柴油机工作范围、相继涡轮增压、液力传动等措施。若高性能船舶柴油机特性曲线的高效率区趋向与螺旋桨特性曲线走向一致，说明柴油机经济性能好，低速特性较好。 　　利用液力变扭器连接柴油机和螺旋桨改变其输出特性，实现水翼艇的越峰要求，是船舶动力设计方案之一。采用调距螺旋桨和喷水推进，利用二行程柴油机，其单位气缸容积的有效功率大，低速特性较好，也有利于水翼艇越峰。
　　2 高性能船舶柴油机
　　2.1 性能特点
　　风冷柴油机机组质量比水冷柴油机小，且结构简单、完整性较好，但功率受限，可用作小型气垫船动力，带动整体式垫升和推进风机，或用多台机组分别带动垫升风机和推进风机。风冷柴油机的噪声较大，可以在机舱或柴油机箱内采用噪声隔离措施。风冷柴油机还需要正确排出强制流动的冷却空气，避免混入船舶通风或垫气系统中。
　　水冷柴油机的功率和转速范围均较大，可供选择的余地较宽。高性能船舶的机舱空间有限，对动力的比功率要求高，一般采用中速或高速柴油机作动力。由于水套的阻尼作用，水冷柴油机的噪声比风冷柴油机的要小。装在气垫船、水翼艇上的水冷柴油机通常采用闭式循环水冷系统，通过冷却风扇散热，降低冷却水温度。
　　柴油机是气垫船、水翼艇上的最大装置，较大型船舶的柴油机质量可达30～40 t。现代柴油机有12～20缸，本身平衡性好，但振动能量仍很大，如果直接安装在气垫船、水翼艇上，需要仔细分析其局部的支撑结构，以确定其自然频率、频谱及对柴油机振动能量谱的响应特性，特别是确定传动轴系在轴向和旋转方向的自然振动频率，采用弹性安装和采取阻尼措施。如果轴系对主机某一振动频率有明显的响应，则需改变传动轴的刚度和轴承布置。弹性安装有助于隔离柴油机振动噪声在船体金属结构中的传播;玻璃钢板、复合材料板、泡沫夹心板可衰减振动噪声。在小型和中型气垫船上，橡胶齿带传动系统的阻尼特性可以用来隔离柴油机和传动链的振动传递。
　　2.2 船用柴油机的功率标定
　　高性能船舶柴油机的强度较高，使用情况与船型、用途、航线等有较大关系，使用功率与工况密切相关。一般营运的高性能船舶，其柴油机平均每天运行8～10 h， 1年累计运行2 500～3 500 h;军用高性能船舶或游艇的柴油机平均每天使用2～3 h，全年累计运行500～1 000 h。
　　3 高性能船舶燃气轮机
　　3.1 性能特点
　　3.1.1 适应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，两栖艇也可能会越过湖泊、沙滩，环境比较复杂、恶劣。海水和海面空气中含有盐分，燃气轮机进气过程中盐分会沉积在叶片、壳体等表面，腐蚀金属零件;舰船在恶劣的海况中航行时会遇到风暴、飞溅的水花、雨雪粒子，气垫船气垫吹起的微小物体有可能随进气气流进入燃气轮机，给安全航行带来严重后果。因此，进气系统要采取严格的滤清、防护措施。燃气轮机应配置相应的清洗系统，适时清除黏附在零件表面的盐分。在燃油系统和润滑系统中加装油水分离器和滤清器，及时去除油料中的水分、杂质粒子，以减少对零件的磨损。为了满足抗盐雾和海水腐蚀的要求，某些零部件必须采用耐蚀材料制造，或进行表面处理，例如：将压气机机壳由镁合金改为铝合金;压气机叶片由铝合金改为不锈钢或钛合金;中压涡轮叶片由抗蠕变、高强度的合金改为抗热腐蚀性能高的合金等。
　　船舶航行中在波浪、风力等因素作用下会产生颠簸，使得船身发生纵倾和横摇，影响燃气轮机及其附属系统的工作状态、泵吸能力和动力传输。因此，为使燃气轮机及附属系统在最严重的颠簸情况下能维持正常工作，船上的应急机械和装置应保持应有的抗颠簸功能。
　　军用高性能船舶在战斗中会受到水下爆炸、空中爆炸冲击波的影响，气垫船、水翼艇在航行、靠岸或登陆时有碰撞的可能，要求燃气轮机及机座有一定的耐冲击能力。应加装减振系统，减少受冲击时传递给燃气发生器的能量;还要加装燃气发生器机匣和支撑系统，以保证燃气发生器本身能承受一定的冲击作用。船体遭到部分破坏时，机舱可能会进水，为了提高生命力，要求机舱浸水达到燃气轮机排气涡壳下部之前，燃气轮机仍能维持运行。
　　3.1.2 满足高性能船舶航行工况需求
　　军用高性能船舶主机的巡航功率通常是最大航速功率的10%～40%，以巡航速度运行的时间占整个航行时间的90%～95%，最大航速的航行时间只占整个航行时间的5%～10%。高速单体船和双体船、水翼艇、气垫船等民用船舶，除起动、出港、避让、靠岸外，以较高或最高航速航行所占的时间比例较大，对船舶燃气轮机的变工况性能有严格的要求，从最低转速到最高转速应运行稳定，不得发生喘振。
　　3.2 技术要求
　　3.2.1 采取合理措施，提高安全可靠性
　　船舶燃气轮机多数用来驱动螺旋桨式推进器，必须配有动力涡轮和功率输出轴。有的船舶采用喷水推进，其燃气轮机动力涡轮的输出轴与水泵相连，驱动喷水推进系统。倒车主要通过调距桨、倒车齿轮箱和控制系统实施，这些构件除用于倒车外，还可以改善低负荷性能。
　　船舶在海上和江河湖泊上航行时所能承受的大气压力和温度与飞机在高空飞行时所处的环境不同，地面的大气压力大，使得船舶燃气轮机轴承上的负荷大于航空燃气轮机;因此，船舶燃气轮机应通过气体作用力平衡或减少轴向推力，增加轴承的数量并改进轴承设计，以提高轴承的承载能力。
　　考虑到燃油闪点、成本等原因，船舶燃气轮机一般用柴油或重柴油作燃料，其雾化和燃烧性能均不同于航空煤油;因此，必须重新设计或改进燃烧室、燃油泵、喷油嘴和燃油调控系统，防止火焰筒壁温度升高、冒黑烟及在卸载时可能发生的熄火现象，保证其在海洋环境条件下的工作寿命。柴油的密度和黏度均比航空煤油的大，应提高燃油泵的出口压力，改变喷油嘴的喷射角度，相应调整空气雾化和涡流。所有的这些改变均应进行试验，以确定最佳值。
　　为了保证必要的工作寿命，航空燃气轮机改为船用时应采取降温措施。通常燃气发生器的燃气初始温度应比原航空燃气轮机在起飞工况下的数值低100 ℃以上，大致降至原飞行时的巡航值即可，以有利于控制受热零件的热负荷。改进燃气发生器，以减少零部件的磨损，例如对燃烧室火焰筒定位环的表面进行硬化处理，喷镀碳化钨，以提高耐磨性。 　　3.2.2 正确安装动力机组
　　安装高性能船舶燃气轮机时，通常采用箱装体和单元体。所谓箱装体就是将燃气轮机装在一个完整而独立的箱体内，箱体内装有燃气发生器、动力涡轮、排气涡壳、减振防冲机座、润滑油箱、润滑油空气分离器、润滑油过滤器、燃油及点火、防冰、通风等系统。箱装体还备有内部照明、电气接头、空气接头、清洗接头。对箱装体进行隔热、隔音设计，以减少热辐射、噪声辐射对船舶环境的干扰。箱装体有独立的通风系统，可抗原子、生物和化学污染。所谓单元体就是将一台燃气轮机分为若干个模件，而每个模件可以作为一个整体来更换。这种设计可以节省维修费用，缩短维修时间，提高船舶在航率，延长整体返厂大修期限。
　　气垫船、水翼艇等的燃气轮机一般不带机箱，以减轻船舶质量。燃气轮机装在导轨或机座上，能保证轴的对中和抗振能力。机组安装在机舱内，机舱有通风、隔音、隔热功能，能满足机组运行、冷却、降噪等要求。[3]
　　4 柴油机和燃气轮机联合动力装置
　　柴油机和燃气轮机各有优势和弱点，为了扬长避短，在高性能船舶中将两者组成联合动力装置。由于船舶燃气轮机的经济性、可靠性不断提高，实际船舶设计目标不尽相同，因此联合动力装置的推进方式有多种形式，如燃气轮机、电驱动和蒸汽轮机推进。
　　柴油机与燃气轮机联合动力系统分为柴-燃联合动力装置（CODAG）和柴油机或燃气轮机联合动力装置（CODOG）两种推进方式。CODAG推进以柴油机作为巡航动力、柴油机和燃气轮机共同作为加速动力，以获得最大航速，其中柴油机的燃油消耗率较低，用作巡航机组有利于增加船舶的续航力;CODOG推进由柴油机与燃气轮机交替使用，巡航时采用柴油机，全速航行时采用燃气轮机，其中燃气轮机单机功率大、质量轻、体积小，作加速机组，有利于迅速提高航速。
　　燃气轮机联合动力推进系统是采用不同型号的燃气轮机分别作为巡航机组和加速机组交替工作的动力系统。巡航用的燃气轮机要求功率适中，经济性好，运行可靠;加速用的燃气轮机要求功率大，响应迅速。CODAG是采用2台以上相同型号的燃气轮机联合推进，其中部分燃气轮机作为巡航机组、全部燃气轮机开动作为加速机组的动力系统。这种推进方式采用的燃气轮机型号相同，可以减少备件数量，维修方便。所选的燃气轮机应有较好的经济性，以减少巡航时的燃油消耗，保证船舶一定的续航力。某驱逐舰动力装置采用4台LM2500型燃气轮机双螺旋桨推进，每根螺旋桨轴通过减速齿轮箱并列连接2台燃气轮机，在全速航行时4台燃气轮机全部工作以达到最大航速，巡航时每根螺旋桨轴只开动1台燃气轮机。
　　5 前景展望
　　高性能船舶动力装置目前正向多样化、高水平方向发展。气垫船对垫升和推进动力有不同的要求;双体高速船、侧壁式气垫船可以将推进主机布置在片体或宽体侧壁内，对发动机的宽度有一定的限制;单体高速船、滑行艇、水翼艇因推进功率、安装空间、传动系统选择和布置等原因，对其发动机的比功率、机组独立完整性、功率输出也有一定的制约：这些都促使船舶动力向多样化方向发展。
　　各国对应用航空燃气轮机的研究成果，结合船舶使用条件进行改进，开发高水平的船舶燃气轮机的高性能船舶动力研究十分重视。为满足高性能船舶的需求，柴油机的性能不断提高，柴油机、燃气轮机联合动力装置也得到迅速发展。
　　就目前而言，柴油机更适用于中小型高性能船舶，而大型高性能船舶则更适于采用燃气轮机，或使用柴-燃联合动力装置。核动力及常规汽轮机组通常自身质量较大，较少应用于高性能船舶动力装置。
　　6 发展趋势
　　高性能船舶的开发推动了动力领域高新技术的研究，而动力高新技术的应用大大促进了高性能船舶的发展。除船型技术外，目前在高性能船舶上应用比较广泛或正在努力开发的动力高新技术有如下4个方面。
　　（1）大功率船舶燃气轮机。大功率船舶燃气轮机质量轻、单机功率大，使高性能船舶的巡航速度和有效载荷比显著提高。
　　（2）超导电动机的研究。经过多方努力，超导电动机动力系統的研究取得了重大突破，为大型船舶提高航速、改善性能创造了条件。
　　（3）大功率喷水推进装置和对转螺旋桨推进技术。这些技术的发展和应用大大降低了高性能船舶推进系统的空泡效应，提高了推进效率。
　　（4）新结构、新材料和新工艺的应用。高强度耐腐蚀铝合金及各种复合材料在高性能船舶上得到广泛的应用，使船舶燃气轮机和发动机的强化度、可靠性、经济性有明显改善。采用三维织物的玻璃布作为双体气垫船的基材，使船舶的结构质量得以减轻，显著提高了双体气垫船的经济性。
　　7 结 语
　　就动力装置而言，中小型高性能船舶仍以高性能柴油机作为主要推进装置，而在大型高性能船舶领域，则可优先采用燃气轮机动力装置，为确保其经济性能，亦可使用联合动力装置。目前，高性能船舶动力装置正在不断向着高功率、轻量化和全新结构、材料及工艺的目标发展，以其卓越的性能在相关领域依然会长期保有其独特的技术优势。
　　参考文献：
　　[1] 伍赛特.燃气轮机应用于坦克动力装置的前景展望[J].机电产品开发与创新，2018（6）：54-56，68.
　　[2] 伍赛特.基于潜艇AIP动力装置的热力发动机闭式循环特征研究[J].内燃机，2018（6）：54-57，62.
　　[3] 张新放，关克平.船舶动力定位系统及其控制技术[J].水运管理，2017（1）：31-33.
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