航空母艦動(dòng)力裝置選型研究及應(yīng)用可行性分析

摘要：概要介紹了柴油機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、聯(lián)合動(dòng)力裝置及核動(dòng)力裝置的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展概況，并分析了主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)（亦稱“主機(jī)”）對(duì)水面艦船技術(shù)性能的影響。隨后，重點(diǎn)對(duì)以上幾類(lèi)主機(jī)在航空母艦上的應(yīng)用可行性進(jìn)行了分析。盡管經(jīng)濟(jì)性較好，但由于輸出功率較為有限，柴油機(jī)很難在航空母艦等大型水面艦船上得到推廣。核動(dòng)力裝置能顯著提升全艦的動(dòng)力性、續(xù)航力及隱蔽性，并且不會(huì)對(duì)全艦艙室及甲板的布置造成顯著影響，是未來(lái)大、中型航空母艦重要的發(fā)展方向。而輕型航空母艦則更傾向于使用燃?xì)廨啓C(jī)等常規(guī)動(dòng)力裝置。汽輪機(jī)有著較高的輸出功率，且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高，適用于各種類(lèi)型的航空母艦，并且作為核動(dòng)力裝置的主機(jī)，有著廣闊的發(fā)展前景。截至目前，雖然我國(guó)現(xiàn)階段所擁有的3艘航空母艦——“遼寧艦”、“山東艦”及“福建艦”均采用常規(guī)動(dòng)力，但隨著技術(shù)的發(fā)展，新型核動(dòng)力航空母艦也有望在將來(lái)加入海軍編隊(duì)，為我國(guó)的領(lǐng)海安全及邊防事業(yè)作出不可或缺的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：航空母艦；核動(dòng)力；汽輪機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)；聯(lián)合動(dòng)力裝置；柴油機(jī)；內(nèi)燃機(jī)

0 引言

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

1 水面艦船主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

1.1 總體概述

艦船動(dòng)力裝置的推進(jìn)動(dòng)力來(lái)自于主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)（又稱“主機(jī)”）。主機(jī)將多種來(lái)源的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，從而為艦船提供航行所需的能量。動(dòng)力裝置按具體類(lèi)型來(lái)分，主要包括柴油機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、聯(lián)合動(dòng)力裝置，以及核動(dòng)力裝置等幾類(lèi)。通過(guò)研究水面艦船動(dòng)力裝置，有利于快速掌握其類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)、使用及管理方法，從而加深其在作戰(zhàn)過(guò)程中的運(yùn)用，提升水面艦船攻防實(shí)戰(zhàn)的能力。

1.2艦用柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展概況

1.2.1艦用柴油機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)

在柴油機(jī)氣缸中，高溫燃?xì)馔苿?dòng)活塞下行，活塞驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，從而將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功?？傮w而言，柴油機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要有以下幾方面。

（1）經(jīng)濟(jì)性較好。柴油機(jī)在其整個(gè)工況區(qū)域內(nèi)都具有較高的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，低速柴油機(jī)也能燃用重質(zhì)燃油，顯著降低了燃油費(fèi)用。

（2）具有良好的機(jī)動(dòng)性。柴油機(jī)的啟動(dòng)及加速性能較好，并能實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。主機(jī)的機(jī)動(dòng)性是一項(xiàng)重要技術(shù)性能指標(biāo)，對(duì)水面艦船尤其重要，會(huì)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(shí)代，以導(dǎo)彈為代表的高性能武器已得到充分發(fā)展，對(duì)水面艦船具有重大威脅。因此，縮短備戰(zhàn)時(shí)間，迅速投入戰(zhàn)斗，及時(shí)脫離危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)水面艦船有著重要意義。

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

（4）低速柴油機(jī)可直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，同時(shí)通過(guò)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(jìn)效率。這一特點(diǎn)不僅提高了能量轉(zhuǎn)換的總效率，并且無(wú)需配備減速裝置，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)設(shè)備，節(jié)約了造船時(shí)的建設(shè)投資和維修費(fèi)用。

（5）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。柴油機(jī)能夠在持續(xù)波動(dòng)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(jī)還能被制成低磁性機(jī)組，滿足掃雷艦等水面艦船的特殊要求。

就目前而言，柴油機(jī)的技術(shù)弊端主要有以下幾方面：

（1）中、高速柴油機(jī)單機(jī)功率較小。

（2）低速柴油機(jī)雖然功率相對(duì)較大，但隨著整機(jī)功率的提升，該類(lèi)機(jī)組的體積和重量會(huì)按一定比例迅速增大。因此，在設(shè)計(jì)、制造功率更高的低速柴油機(jī)時(shí)會(huì)遇到一定困難，相應(yīng)也對(duì)零部件的加工、裝配及運(yùn)輸過(guò)程提出了更高要求。在降低機(jī)組材料的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷過(guò)程中，也會(huì)遇到一定困難。

（3）與汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械不同，柴油機(jī)的活塞等部件持續(xù)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而非單純的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生周期性的擾動(dòng)力。因此，柴油機(jī)不但振動(dòng)和噪聲較大，機(jī)件的摩擦及磨耗同樣也較為嚴(yán)重，并且具有較強(qiáng)的低頻線譜振動(dòng)噪聲，對(duì)水面艦船的隱身與反隱身大為不利。

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

1.2.2 艦用柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展概況

近年來(lái)，艦用柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展較快，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

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

（2）采用高可靠性模塊化設(shè)計(jì)制造技術(shù)；

（3）中、低速柴油機(jī)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)。

1.3艦用汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展概況

1.3.1 艦用汽輪機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)

汽輪機(jī)是一類(lèi)可將蒸汽熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的熱力渦輪機(jī)械，此類(lèi)動(dòng)力裝置主要由鍋爐、汽輪機(jī)本體、凝汽器、給水泵、給水預(yù)熱器、減速齒輪箱、傳動(dòng)軸系及推進(jìn)器等設(shè)備組成。其中，為對(duì)外輸出機(jī)械功，鍋爐、汽輪機(jī)本體、凝汽器和給水泵是較為重要的設(shè)備。通常而言，汽輪機(jī)具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（1）作為單機(jī)功率最高的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，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(zhǎng)的使用壽命，其有效使用期可達(dá)100 000 h以上，并且操縱、維修、保養(yǎng)過(guò)程較為簡(jiǎn)便；

（3）機(jī)組振動(dòng)、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(qiáng)，可使用劣質(zhì)燃油，相應(yīng)提高了經(jīng)濟(jì)性能。

但與此同時(shí)，汽輪機(jī)也存在下列缺點(diǎn)：

（1）能量轉(zhuǎn)換過(guò)程復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性較差。在能量傳遞過(guò)程中，熱能在鍋爐、管路、閥件、泵等設(shè)備中都會(huì)發(fā)生損失，尤其在凝汽器中損失最大，所以機(jī)組熱效率相對(duì)較低。對(duì)采用簡(jiǎn)單循環(huán)的汽輪機(jī)而言，其經(jīng)濟(jì)性較差，既不如柴油機(jī)，也不如燃?xì)廨啓C(jī)。主要原因在于其工質(zhì)初溫較低，而大量熱能又被凝汽器的冷卻水帶走，因而循環(huán)效率低于另兩類(lèi)主機(jī)。

（2）系統(tǒng)組成復(fù)雜。汽輪機(jī)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(jī)的重量指標(biāo)均大于中速柴油機(jī)、高速柴油機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)。并且受蒸汽制備過(guò)程的影響，汽輪機(jī)的機(jī)動(dòng)性同樣不如上述機(jī)組。

（3）由于轉(zhuǎn)速較高，因此汽輪機(jī)需要配置一套既能承受高負(fù)荷，又有較大減速比，體積、重量又盡量小的減速裝置，從而進(jìn)一步增大了機(jī)組的重量，并使系統(tǒng)組成更為復(fù)雜，增大了設(shè)計(jì)及制造的成本，降低了系統(tǒng)可靠性。

1.3.2 艦用汽輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展概況

長(zhǎng)期以來(lái)，由于輸出功率方面的優(yōu)勢(shì)，汽輪機(jī)在各類(lèi)大型船舶中的應(yīng)用均占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)，尤其是在大型水面艦船領(lǐng)域。但由于我國(guó)的汽輪機(jī)制造工業(yè)起步較晚，以汽輪機(jī)作為主機(jī)的水面艦船占比并不高。隨著我國(guó)海軍體系的完善，其仍有望得到充分發(fā)展。

就目前而言，現(xiàn)階段艦用汽輪機(jī)的發(fā)展主要有兩種趨勢(shì)：一種是提升系統(tǒng)的熱效率，通過(guò)提高蒸汽的初參數(shù)，并采用復(fù)雜循環(huán)，從而提高主機(jī)及輔機(jī)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(jī)本體和鍋爐能采用更為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)體系，以此簡(jiǎn)化管理過(guò)程，并增強(qiáng)裝置的可靠性。

1.4 艦用燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及及發(fā)展概況

1.4.1 艦用燃?xì)廨啓C(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)

汽輪機(jī)和柴油機(jī)這兩類(lèi)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，就得到了廣泛應(yīng)用。如1.1及1.2中所述，柴油機(jī)是一類(lèi)內(nèi)燃機(jī)，燃料在氣缸內(nèi)部燃燒，具有機(jī)動(dòng)性好的優(yōu)勢(shì)；而汽輪機(jī)是一類(lèi)熱力渦輪機(jī)械，其主要優(yōu)勢(shì)是單機(jī)功率較大。燃?xì)廨啓C(jī)則集兩者的優(yōu)點(diǎn)于一體，是繼二者之后，于20世紀(jì)中期正式發(fā)展起來(lái)的一種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。

燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、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(dòng)力渦輪，增壓渦輪與壓氣機(jī)同軸，動(dòng)力渦輪通過(guò)軸系驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，通常也被稱為雙軸燃?xì)廨啓C(jī)。壓氣機(jī)、燃燒室和增壓渦輪共同組成燃?xì)獍l(fā)生器。

在發(fā)展過(guò)程中，燃?xì)廨啓C(jī)首先在航空推進(jìn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并充分取代了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。從1947年開(kāi)始，燃?xì)廨啓C(jī)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(zhǎng)足發(fā)展，逐漸成為水面艦船的主要?jiǎng)恿ρb置之一，備受世界各國(guó)海軍的重視，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要如下所示：

（1）機(jī)動(dòng)性好，啟動(dòng)及加速性能優(yōu)越。燃?xì)廨啓C(jī)從冷機(jī)狀態(tài)下啟動(dòng)，只需要2～3 min即可達(dá)到全負(fù)荷工況。一且發(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(jī)動(dòng)能力，有效縮短備戰(zhàn)時(shí)間，以上優(yōu)勢(shì)對(duì)水面艦船有著重要意義。

（2）燃?xì)廨啓C(jī)重量輕、體積小，可制成箱裝體，且單機(jī)功率較高。

（3）附件少，且絕大部分配裝在機(jī)箱體上，機(jī)組生命力較強(qiáng)。

（4）自動(dòng)化程度較高，所需配備的工作人員較少。

（5）機(jī)組振動(dòng)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(jiǎn)單，維護(hù)工作量較小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

燃?xì)廨啓C(jī)雖然具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但也存在如下不足之處：

（1）燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性不如柴油機(jī)，特別是在偏離額定工況時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的燃油消耗率會(huì)迅速增大。以WR-21型燃?xì)廨啓C(jī)為例，其在額定工況時(shí)的燃油消耗率與高速柴油機(jī)相近，但在低負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，該型燃?xì)廨啓C(jī)的燃油消耗率會(huì)迅速增大。正由于上述問(wèn)題的存在，限制了燃?xì)廨啓C(jī)在民用船舶中的應(yīng)用。

（2）燃?xì)廨啓C(jī)通常無(wú)法直接反轉(zhuǎn)，需要配置專(zhuān)門(mén)的倒車(chē)傳動(dòng)裝置或調(diào)距槳，從而使動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，并增加了系統(tǒng)成本。

（3）燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)、排氣道截面積較大，從而影響了水面艦船艙內(nèi)及甲板的總體布置。

（4）排氣溫度較高，熱輻射較強(qiáng)，因此其熱信號(hào)特征也較強(qiáng)，影響了全艦的隱蔽性。

（5）對(duì)溫度等環(huán)境條件較為敏感，容易影響機(jī)組的熱效率。

（6）機(jī)組壽命較短。由于燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)間內(nèi)即有可能被腐蝕。盡管通常會(huì)選用優(yōu)質(zhì)合金材料，但艦用燃?xì)廨啓C(jī)的工作壽命依然較短。

1.4.2 艦用燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)發(fā)展概況

目前，燃?xì)廨啓C(jī)按結(jié)構(gòu)型式的不同，主要可分為輕型燃?xì)廨啓C(jī)與重型燃?xì)廨啓C(jī)。其中，輕型燃?xì)廨啓C(jī)是一類(lèi)以航空燃?xì)廨啓C(jī)為母型，并進(jìn)一步改制成能適應(yīng)艦船航行條件的新型機(jī)組。重型燃?xì)廨啓C(jī)則是以工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)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。

目前，艦用燃?xì)廨啓C(jī)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。艦用燃?xì)廨啓C(jī)今后的發(fā)展方向如下所示。

（1）繼續(xù)發(fā)展具有較高初參數(shù)的簡(jiǎn)單循環(huán)，不斷提高燃?xì)獬鯗兀⑾鄳?yīng)提高壓比，同時(shí)采用更高效的冷卻技術(shù)。通過(guò)采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，平均每年可使燃?xì)獬鯗靥岣呒s25 ℃。近年來(lái)，也在持續(xù)研制耐熱的高強(qiáng)度材料，通過(guò)采用高溫材料，平均每年可使燃?xì)獬鯗靥岣呒s10 ℃。

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

（3）進(jìn)一步完善燃?xì)廨啓C(jī)各主要部件的性能，提高機(jī)組總效率。

1.5 艦用主機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)及歸納

輸出功率是大型水面艦船在選擇主機(jī)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素。通常而言，決定熱力發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率的主要有兩項(xiàng)指標(biāo)：工質(zhì)的流量及單位流量工質(zhì)的比焓降。

在機(jī)組尺寸相近的前提下，燃?xì)廨啓C(jī)在輸出功率方面明顯優(yōu)于柴油機(jī)。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因主要在于燃?xì)廨啓C(jī)自身工質(zhì)流動(dòng)的連續(xù)性。燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部的燃燒過(guò)程處于持續(xù)進(jìn)行狀態(tài)，而柴油機(jī)內(nèi)部的燃燒過(guò)程則是間歇性開(kāi)展。為避免高溫失效等現(xiàn)象的出現(xiàn)，燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部工質(zhì)的峰值溫度通常低于柴油機(jī)。不僅如此，燃?xì)廨啓C(jī)所采用的的軸流式壓氣機(jī)的壓縮效果，通常也不如柴油機(jī)的活塞機(jī)構(gòu)。因此，就單位流量工質(zhì)的比焓降而言，燃?xì)廨啓C(jī)并不占優(yōu)勢(shì)。但如上文所述，由于燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部的工質(zhì)處于持續(xù)流動(dòng)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(shì)。綜合而言，在結(jié)構(gòu)尺寸及重量相近的前提下，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率通常高于柴油機(jī)。

燃?xì)廨啓C(jī)與同為熱力渦輪機(jī)械的汽輪機(jī)相比，二者內(nèi)部的工質(zhì)同樣處于持續(xù)流動(dòng)狀態(tài)，燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部工質(zhì)的溫度雖然更高，但是其壓力明顯更低，燃?xì)廨啓C(jī)工質(zhì)的壓力通常僅為數(shù)兆帕，但目前超超臨界汽輪機(jī)的蒸汽壓力可達(dá)30 MPa，致使燃?xì)廨啓C(jī)的可用比焓降約為汽輪機(jī)的1/5～1/3。綜合而言，燃?xì)廨啓C(jī)在輸出功率方面通常不如汽輪機(jī)，但考慮到燃?xì)廨啓C(jī)較高的機(jī)動(dòng)性及自動(dòng)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(lèi)艦用主機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)總體如表1所示。

表1 艦用主機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)

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2 艦用聯(lián)合動(dòng)力裝置技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展概述

2.1 艦用聯(lián)合動(dòng)力裝置的由來(lái)

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

表2 水面艦船機(jī)組輸出功率及航行時(shí)間的總體關(guān)系

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2.2 聯(lián)合動(dòng)力裝置的發(fā)展概述及組合型式

2.2.1 聯(lián)合動(dòng)力裝置的發(fā)展概述

迄今為止，水面艦船聯(lián)合動(dòng)力裝置已經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，凡有一種新型熱力發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)世，往往會(huì)出現(xiàn)該類(lèi)機(jī)組與其他既有主機(jī)所組成的新型聯(lián)合動(dòng)力裝置。而在實(shí)際使用過(guò)程中，隨著新型熱力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)性能的提升，單一型式的動(dòng)力裝置往往會(huì)逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)，并取代之前所采用的聯(lián)合動(dòng)力裝置。直到更先進(jìn)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)，會(huì)再次與既有主機(jī)進(jìn)行組合，出現(xiàn)更新穎的聯(lián)合動(dòng)力裝置。此類(lèi)現(xiàn)象周而復(fù)始，循環(huán)不息。

具體而言，蒸汽機(jī)是一類(lèi)誕生于工業(yè)革命時(shí)期的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，曾在人類(lèi)歷史上扮演過(guò)重要角色，而到19世紀(jì)末期，汽輪機(jī)得以問(wèn)世，其為一類(lèi)新型蒸汽動(dòng)力裝置。歷史上最早的聯(lián)合動(dòng)力裝置則由蒸汽機(jī)與汽輪機(jī)組成。該類(lèi)聯(lián)合動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)理念如下：由于蒸汽機(jī)受余隙容積和汽缸行程的限制，高溫蒸汽無(wú)法在汽缸內(nèi)得以充分膨脹，由此在蒸汽機(jī)后方布設(shè)了汽輪機(jī)。在蒸汽機(jī)內(nèi)做功后的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)再次膨脹，由此回收了一部分蒸汽的能量。通過(guò)該方式，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，有效提高了機(jī)組的功率和熱效率。

但隨著技術(shù)的發(fā)展，蒸汽機(jī)逐漸退出歷史舞臺(tái)，各類(lèi)大型船舶更傾向于采用汽輪機(jī)這類(lèi)單一類(lèi)型的主機(jī)。為了發(fā)揚(yáng)汽輪機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，克服其弊端，除了不斷改進(jìn)汽輪機(jī)本體的技術(shù)性能外，還可與其他類(lèi)型的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)組成聯(lián)合動(dòng)力裝置。二戰(zhàn)時(shí)期以后，隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的逐步完善，其出色的動(dòng)力性能也廣受關(guān)注，由其作為加速機(jī)組的一系列聯(lián)合動(dòng)力裝置也逐漸誕生。

2.2.2 聯(lián)合動(dòng)力裝置的主要組合型式

考慮到燃?xì)廨啓C(jī)自身突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，由其所組成的聯(lián)合動(dòng)力裝置如下文所示，并歸納在表3中。

（1）汽輪機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（COSAG）。在該類(lèi)聯(lián)合動(dòng)力裝置中，由汽輪機(jī)作巡航機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)作加速機(jī)組。汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的熱力循環(huán)互不關(guān)聯(lián)，只是共用一個(gè)減速齒輪裝置，倒車(chē)功率通常由倒車(chē)汽輪機(jī)提供。

（2）燃?xì)廨啓C(jī)-汽輪機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（COGAS）。在該類(lèi)聯(lián)合動(dòng)力裝置中，由燃?xì)廨啓C(jī)作巡航機(jī)組，汽輪機(jī)作加速機(jī)組。巡航工況下由燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力，戰(zhàn)時(shí)由兩類(lèi)機(jī)組共同提供動(dòng)力。與COSAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置不同，在COGAS型聯(lián)合動(dòng)力裝置中，燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣可用于加熱汽輪機(jī)的蒸汽，從而實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用。

（3）交替使用式柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODOG）。在該類(lèi)聯(lián)合動(dòng)力裝置中，由柴油機(jī)作巡航機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)作加速機(jī)組。巡航工況下由柴油機(jī)提供動(dòng)力，戰(zhàn)時(shí)由燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)始運(yùn)作后，柴油機(jī)即停止對(duì)外輸出動(dòng)力。

（4）共同使用式柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODAG）。在該類(lèi)聯(lián)合動(dòng)力裝置中，由柴油機(jī)作巡航機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)作加速機(jī)組。巡航工況下由柴油機(jī)提供動(dòng)力，戰(zhàn)時(shí)由兩類(lèi)機(jī)組共同提供動(dòng)力。

（5）交替使用式全燃聯(lián)合動(dòng)力裝置（COGOG）。該類(lèi)聯(lián)合動(dòng)力裝置由巡航燃?xì)廨啓C(jī)與加速燃?xì)廨啓C(jī)組成。由燃油經(jīng)濟(jì)性較好的小型燃?xì)廨啓C(jī)作為巡航機(jī)組，并長(zhǎng)期在額定工況下運(yùn)行，確保機(jī)組的運(yùn)行效率。當(dāng)加速燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)始運(yùn)作后，巡航燃?xì)廨啓C(jī)即停止對(duì)外輸出動(dòng)力。

（6）共同使用式全燃聯(lián)合動(dòng)力裝置（COGAG）。該類(lèi)聯(lián)合動(dòng)力裝置由巡航燃?xì)廨啓C(jī)和加速燃?xì)廨啓C(jī)組成。平時(shí)由巡航燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力，戰(zhàn)時(shí)由兩類(lèi)機(jī)組共同提供動(dòng)力。

表3 由燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)合動(dòng)力裝置及相關(guān)組合型式歸納

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2.2.3 聯(lián)合動(dòng)力裝置的主要技術(shù)特點(diǎn)

總體而言，聯(lián)合動(dòng)力裝置有具有以下技術(shù)特點(diǎn)。

（1）由于采用了重量較輕、機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)的的燃?xì)廨啓C(jī)作為加速機(jī)組，并由此提供高負(fù)荷工況下大部分（甚至全部）的功率，可相應(yīng)減少全艦動(dòng)力裝置的總重量。

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

（3）由于采用了兩類(lèi)彼此相互獨(dú)立的機(jī)組，提高了全艦動(dòng)力裝置的可靠性。如果其中一類(lèi)主機(jī)發(fā)生故障，不會(huì)使艦船完全失去動(dòng)力性能，提升了水面艦船的生命力。

（4）為實(shí)現(xiàn)水面艦船的倒航過(guò)程，聯(lián)合動(dòng)力裝置更適于與調(diào)距槳、減速器、電傳動(dòng)等相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行匹配，此時(shí)任何一臺(tái)主機(jī)均可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)螺旋槳。但需注意，如果采用可實(shí)現(xiàn)倒轉(zhuǎn)的主機(jī)（如低速柴油機(jī)，以及2.2.2中提到的倒車(chē)汽輪機(jī)）往往會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)功率的不匹配現(xiàn)象，或產(chǎn)生其他更復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。

2.2.4 聯(lián)合動(dòng)力裝置的總體發(fā)展趨勢(shì)

正如上文所述，由于幾類(lèi)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)及適用性均有所不同，因此并非將相關(guān)主機(jī)僅通過(guò)簡(jiǎn)單的兩兩組合，就能使其成為理想化的聯(lián)合動(dòng)力裝置。

就現(xiàn)階段的聯(lián)合動(dòng)力裝置而言，多采用燃?xì)廨啓C(jī)作為加速機(jī)組。以COGOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置為例，巡航機(jī)組通常會(huì)采用單位重量較大、功率較小、燃油消耗率較低且壽命較長(zhǎng)的重型燃?xì)廨啓C(jī)，而加速機(jī)組通常會(huì)采用功率較大、燃油消耗率較高、且壽命較短的輕型燃?xì)廨啓C(jī)。

再如上文所述的COSAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置，其將汽輪機(jī)作為巡航機(jī)組，由于巡航功率較小，汽輪機(jī)的尺寸及重量可大幅減小。在高負(fù)荷工況下，燃?xì)廨啓C(jī)投入運(yùn)轉(zhuǎn)，與巡航汽輪機(jī)共同輸出功率。但近年來(lái)，隨著柴油機(jī)功率的增大和燃?xì)廨啓C(jī)效率的提高，汽輪機(jī)作為巡航機(jī)組的優(yōu)越性正在逐步消失。同時(shí)，考慮到在機(jī)組聯(lián)合狀態(tài)下，倒車(chē)汽輪機(jī)的實(shí)際使用效果及可靠性有待改善。因此，COSAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置逐漸被CODOG型聯(lián)合動(dòng)力裝置及CODAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置所取代。

3艦用核動(dòng)力裝置技術(shù)特點(diǎn)及具體型式

3.1 艦用核動(dòng)力裝置的技術(shù)特點(diǎn)

核反應(yīng)堆的大規(guī)模應(yīng)用為艦船動(dòng)力裝置的發(fā)展開(kāi)辟了廣闊的前景，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(dòng)力裝置的艦船能以較高的航速航行極遠(yuǎn)的距離。以一座功率約為11 040 kW（15 000 PS）的核動(dòng)力裝置為例，其運(yùn)轉(zhuǎn)一晝夜僅消耗核燃料15～18 g。美國(guó)第一艘核潛艇“鸚鵡螺”號(hào)可在不補(bǔ)充燃料的情況下，可在水下環(huán)球航行一周。原蘇聯(lián)核動(dòng)力破冰船“列寧””號(hào)可持續(xù)航行一年，且不補(bǔ)充核燃料。水面艦船在使用核動(dòng)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(guò)程不需要空氣的參與，這一特點(diǎn)是其他任何型式的動(dòng)力裝置都無(wú)法比擬的，尤其對(duì)潛艇具有重大意義。通過(guò)采用核動(dòng)力裝置，可顯著提升潛艇的戰(zhàn)斗力，并能使其長(zhǎng)期隱蔽在深海中，不易被敵方發(fā)現(xiàn)。核動(dòng)力裝置不消耗空氣的特點(diǎn)對(duì)水面艦船也有一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闊o(wú)需設(shè)置進(jìn)、排氣道，也不會(huì)產(chǎn)生高溫?zé)煔?，相?yīng)提升了隱蔽性。在核戰(zhàn)爭(zhēng)中，也減少了從進(jìn)氣口中吸入放射性煙塵的危險(xiǎn)，易于開(kāi)展核防護(hù)。

但與此同時(shí)，核動(dòng)力裝置也具備一定的劣勢(shì)，主要如下所示：

（1）重量尺寸較大。由于核反應(yīng)過(guò)程會(huì)釋放大量放射性物質(zhì)，對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害，對(duì)遠(yuǎn)洋、近海水域及碼頭也會(huì)產(chǎn)生一定污染，為此需要設(shè)置重達(dá)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(gè)動(dòng)力裝置的尺寸及重量較大。

（2）核動(dòng)力裝置造價(jià)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(dòng)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(duì)遲緩。

3.2艦用核反應(yīng)堆的具體類(lèi)型

為確保隨艦人員的安全，核動(dòng)力艦船對(duì)放射性的防護(hù)要求通常比陸用核電站更嚴(yán)格。水面艦船在航行時(shí)可能會(huì)遇到碰撞、觸礁、著火及爆炸等現(xiàn)象，或遭到魚(yú)雷、導(dǎo)彈等武器的意外攻擊而沉沒(méi)。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(dòng)力裝置應(yīng)具備永久關(guān)閉的功能，并需要配備有堅(jiān)固的反應(yīng)堆屏障。

根據(jù)艦船對(duì)核動(dòng)力裝置的特殊要求，多年來(lái)曾對(duì)幾類(lèi)核反應(yīng)堆進(jìn)行了研究。實(shí)踐證明，由于壓水堆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、操作靈活，更適用于水面艦船，目前所使用的壓水堆主要有以下三種型式。

3.2.1高濃鈾板狀燃料元件反應(yīng)堆

該類(lèi)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(jì)、建造及運(yùn)行成本高昂。

3.2.2低濃鈾分散型壓水堆

該類(lèi)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(guò)管道進(jìn)行連接，構(gòu)成高溫、高壓的密閉回路。二回路系統(tǒng)和設(shè)備與艦用常規(guī)蒸汽動(dòng)力裝置相似。

3.2.3一體化壓水堆

以德國(guó)的“奧托·哈恩”號(hào)船用壓水堆為例，其采用了一體化結(jié)構(gòu)。堆芯設(shè)在壓力容器內(nèi)的下部，上部設(shè)置蒸汽發(fā)生器，主循環(huán)泵布置在側(cè)面。一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是一回路系統(tǒng)簡(jiǎn)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(shí)，仍能依靠冷卻劑的自然循環(huán)維持堆芯的冷卻過(guò)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(jì)、制造及維修的難度。

4 基于水面艦船動(dòng)力裝置的技術(shù)性能要求

為確保水面艦船的作戰(zhàn)能力，在選擇艦用主機(jī)時(shí)，需要充分滿足以下技術(shù)性能，同樣可作為主機(jī)選型的重要參照依據(jù)。

4.1可靠性

在投入運(yùn)行達(dá)一段時(shí)間后，機(jī)電設(shè)備將不可避免地發(fā)生故障。對(duì)于水面艦船動(dòng)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(dòng)力裝置的生命力，主要是指動(dòng)力裝置受到外在因素影響后，仍能維持運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，能承受的條件越惡劣，生命力就越強(qiáng)。二是指動(dòng)力裝置處于正常運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間，正常運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，可靠性越高，反之則越低。

對(duì)于水面艦船動(dòng)力裝置而言，常采用多機(jī)多槳或多機(jī)并車(chē)的推進(jìn)方式，其可靠性及生命力顯著高于單機(jī)單槳的推進(jìn)方式。以雙機(jī)雙槳這一推進(jìn)方式為例，當(dāng)其中一臺(tái)主機(jī)或與其相匹配螺旋槳發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，另一臺(tái)主機(jī)和螺旋槳仍然可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，艦船的推進(jìn)力并未完全喪失。因此，從總體推進(jìn)效果上看，雙機(jī)雙槳推進(jìn)的方式具有更強(qiáng)的生命力。因此，水面艦船多采用雙機(jī)雙槳或多機(jī)雙槳的傳動(dòng)方式。

4.2 機(jī)動(dòng)性

機(jī)動(dòng)性是指水面艦船動(dòng)力裝置從一種工況過(guò)渡到另一種工況的能力，如啟動(dòng)、加速、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)及并車(chē)等過(guò)程。動(dòng)力裝置工況轉(zhuǎn)換的性能，直接影響到艦船自身離靠碼頭、冰區(qū)航行、霧天航行，以及回避緊急事故的能力。

4.2.1 啟動(dòng)性

啟動(dòng)性的優(yōu)劣與主機(jī)的類(lèi)型有較大關(guān)系。就柴油機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間而言，主要取決于燃油、滑油、冷卻水、啟動(dòng)空氣等輔助系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)歷時(shí)最長(zhǎng)的系統(tǒng)。為了提升柴油機(jī)的機(jī)動(dòng)性，通常會(huì)采用暖缸等措施。

將柴油機(jī)與汽輪機(jī)相比，由于汽輪機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程需要一定流量的高溫蒸汽，因此主要取決于鍋爐點(diǎn)火后，蒸汽參數(shù)達(dá)到規(guī)定狀態(tài)的這一過(guò)程。盡管部分鍋爐能夠較快地供應(yīng)蒸汽，但汽輪機(jī)的平均啟動(dòng)時(shí)間依然長(zhǎng)于柴油機(jī)。

而將柴油機(jī)同燃?xì)廨啓C(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)更短，但總體而言，兩者并無(wú)顯著差異。

4.2.2 加速性

加速性同樣與主機(jī)的類(lèi)型有關(guān)?？s短加速時(shí)間的首要條件是需要主機(jī)在短時(shí)間內(nèi)將功率提高到最大值。其次是螺旋槳在加速過(guò)程中能否充分吸收主機(jī)輸出的功率，并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)外的推進(jìn)動(dòng)力。

對(duì)主機(jī)而言，影響加速時(shí)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(shí)現(xiàn)加速。通常而言，燃?xì)廨啓C(jī)的受熱部件較為輕小，因此有著較好的加速性能。

對(duì)螺旋槳而言，由于定距槳的轉(zhuǎn)速受到一定限制，會(huì)隨艦船航速的提升而相應(yīng)增加。因此，隨定距槳轉(zhuǎn)速的提高，主機(jī)的功率也需要逐步增加，以實(shí)現(xiàn)合理匹配。而調(diào)距槳在吸收功率時(shí)不受自身轉(zhuǎn)速的限制，并且能在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大推力，因此其加速性優(yōu)于定距槳。

4.2.3 制動(dòng)與倒航性能

水面艦船在制動(dòng)與倒航方面的性能主要取決于推進(jìn)器及相應(yīng)的傳動(dòng)方式。對(duì)于可反轉(zhuǎn)的低速柴油機(jī)+定距槳的組合而言，低速柴油機(jī)必須先停止噴油，并將轉(zhuǎn)速降至某一范圍內(nèi)，方可開(kāi)始反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，因此倒車(chē)時(shí)間總體較長(zhǎng)。

對(duì)于不可反轉(zhuǎn)的主機(jī)+離合器+定距槳這類(lèi)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，水面艦船的倒車(chē)時(shí)間主要取決于離合器反轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦件溫度升高情況。離合器在反轉(zhuǎn)時(shí)所能承受的機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷越高，越有利于提高緊急制動(dòng)及倒車(chē)能力。

對(duì)于不可反轉(zhuǎn)的主機(jī)+調(diào)距槳這類(lèi)組合而言，因?yàn)榕灤谥苿?dòng)時(shí)無(wú)需使主機(jī)停止運(yùn)行，僅通過(guò)調(diào)整槳葉螺距即可產(chǎn)生反向推力，因此其制動(dòng)與倒航性能相對(duì)較好。

5 航空母艦動(dòng)力裝置選型及應(yīng)用可行性研究

5.1 航空母艦及其技術(shù)特點(diǎn)

航空母艦是一類(lèi)大型水面艦船。自1941年12月，日本偷襲珍珠港成功后，航空母艦在世界范圍內(nèi)得以迅速發(fā)展。航空母艦與其他水面艦船的主要區(qū)別在于其裝備的武器及艦體結(jié)構(gòu)。航空母艦的主要武器為艦載機(jī)，其艦體上有一塊覆蓋在整個(gè)艦體上面的飛行甲板，供艦載機(jī)起降。航空母艦的艦橋較小，且結(jié)構(gòu)集中，形如大海中的小島，俗稱島形建筑，是全艦的指揮中心。按戰(zhàn)斗性能和用途，航空母艦可分為重型攻擊航空母艦、輕型護(hù)航航空母艦及反潛航空母艦。

航空母艦可用于執(zhí)行以下任務(wù)：對(duì)敵方艦艇基地進(jìn)行突襲，掩護(hù)和支援兩棲登陸，在作戰(zhàn)區(qū)及海上交通線上奪取制海權(quán)。

航空母艦在海戰(zhàn)中起著重要作用，但其也具備諸多劣勢(shì)，例如艦體大，易受攻擊，艦載機(jī)自身的機(jī)動(dòng)性受限，編隊(duì)航行時(shí)需配備有一定的反潛兵力及防空兵力等。

5.2 基于主機(jī)技術(shù)特點(diǎn)的航空母艦動(dòng)力裝置選型及應(yīng)用可行性研究

5.2.1 各類(lèi)主機(jī)應(yīng)用于航空母艦的技術(shù)可行性分析

綜合上文所述，以下對(duì)柴油機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及核動(dòng)力裝置在航空母艦領(lǐng)域的應(yīng)用可行性開(kāi)展重點(diǎn)研究。

依轉(zhuǎn)速的不同，船用柴油機(jī)可分為低速柴油機(jī)（轉(zhuǎn)速為200 r/min以下）、中速柴油機(jī)（轉(zhuǎn)速為200～1000 r/min）及高速柴油機(jī)（轉(zhuǎn)速為1 000 r/min以上）共三類(lèi)。其中，單臺(tái)低速柴油機(jī)即可提供至少約50 000 kW的功率，如由芬蘭瓦錫蘭（Wartsila）公司生產(chǎn)的RTA96-C型14缸低速柴油機(jī)，擁有約81 700 kW的輸出功率，但其長(zhǎng)約27.4 m、高約13.4 m，重逾2 300 t，過(guò)大的尺寸嚴(yán)重影響了艦體的布置，并且其轉(zhuǎn)速等參數(shù)與航空母艦的匹配性也不高，因此在選擇主機(jī)時(shí)通常不作重點(diǎn)考慮。而高速柴油機(jī)則存在著功率過(guò)小的問(wèn)題，無(wú)法滿足大型水面艦船的動(dòng)力需求，也不作重點(diǎn)考慮。相對(duì)而言，只有中速柴油機(jī)擁有相對(duì)合適的尺寸，總體前景優(yōu)于低速柴油機(jī)及高速柴油機(jī)。相較于其他類(lèi)型的主機(jī)，柴油機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)是在全負(fù)荷工況下均有著較低的燃油消耗率，且能燃用低品質(zhì)燃油，操作與維護(hù)人員的需求也低于汽輪機(jī)及核動(dòng)力裝置。但柴油機(jī)產(chǎn)生的污染排放較為嚴(yán)重，必須通過(guò)優(yōu)化排氣系統(tǒng)來(lái)降低排放。此外，柴油機(jī)排出的高溫?zé)煔庖灿锌赡軙?huì)影響到艦載機(jī)的起飛與降落，并造成艦體外部的腐蝕?？紤]到柴油機(jī)對(duì)艦體空間與重量的需求較高，為了降低動(dòng)力系統(tǒng)所占空間，由柴油機(jī)構(gòu)成的推進(jìn)系統(tǒng)通常需要采用多軸推進(jìn)方案，以及結(jié)構(gòu)更緊湊的機(jī)型。但考慮到上述幾類(lèi)柴油機(jī)自身的功率狀況，其在大、中型水面艦船領(lǐng)域的應(yīng)用前景較為有限，多用于小型水面艦船中。此外，與汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)等熱力渦輪機(jī)械不同，由于柴油機(jī)自身結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)的緣故，不可能實(shí)現(xiàn)真正意義上的閉式循環(huán)，或多或少會(huì)與外界存在一定數(shù)量的工質(zhì)交換，從而無(wú)法與各種型式的核反應(yīng)堆結(jié)合成新型核動(dòng)力裝置。因此，在航空母艦動(dòng)力裝置選型過(guò)程中，以上幾類(lèi)柴油機(jī)均不被納入備選行列之中。

與柴油機(jī)不同，汽輪機(jī)能為航空母艦等大型水面艦船提供足夠的推進(jìn)功率，并且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性較高。但由于其輔助設(shè)備繁多，系統(tǒng)組成復(fù)雜，相應(yīng)需要配備大量的操作人員，并且經(jīng)濟(jì)性也有待改善，仍有一定的技術(shù)提升空間。

與汽輪機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)則有著重量輕、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，其在高負(fù)荷工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性較好，操作與維護(hù)的人員需求也少于汽輪機(jī)與核動(dòng)力裝置。但燃?xì)廨啓C(jī)龐大的進(jìn)、排氣道會(huì)占用航空母艦較多的上甲板空間，影響了全艦的結(jié)構(gòu)布置。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)排氣所產(chǎn)生的紅外線信號(hào)也更強(qiáng)烈，并且還存在低負(fù)荷工況下燃油經(jīng)濟(jì)性較低的問(wèn)題。但總體而言，燃?xì)廨啓C(jī)卓越的動(dòng)力性能確保了其在航空母艦等大、中型水面艦船領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

目前，在常規(guī)動(dòng)力航空母艦中，燃?xì)廨啓C(jī)可與汽輪機(jī)構(gòu)成重要競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，亦如上文所述，幾類(lèi)柴油機(jī)均已被排除在主機(jī)備選行列之外，因此在表1 的基礎(chǔ)上，僅對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)這兩類(lèi)主機(jī)進(jìn)行更為詳細(xì)的定性對(duì)比分析，具體如表4所示?？傮w而言，兩類(lèi)熱力渦輪機(jī)械各具優(yōu)勢(shì)，均無(wú)法完全取代對(duì)方。

表4 燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)的詳細(xì)定性對(duì)比

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就核動(dòng)力裝置而言，通常采用壓水堆+汽輪機(jī)的組合，但目前也有高溫氣冷堆+氦氣輪機(jī)（以氦氣為工質(zhì)的閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)）的組合。如3.1中所示，核動(dòng)力裝置主要具備如下優(yōu)勢(shì)：（1）較強(qiáng)的續(xù)航能力；（2）可以大幅減少燃料攜帶量，相應(yīng)可攜帶更多的武器設(shè)備；（3）減少了高溫燃?xì)獾呐欧帕?，提升了全艦的隱蔽性。

將常規(guī)動(dòng)力航空母艦（以燃?xì)廨啓C(jī)為主機(jī)）與核動(dòng)力航空母艦進(jìn)行簡(jiǎn)要對(duì)比。由于核動(dòng)力航空母艦無(wú)需攜帶過(guò)多的常規(guī)燃料，可有效降低全艦排水量，但其設(shè)計(jì)及制造成本較高，目前仍亟待優(yōu)化。雖然僅采用常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)，也能滿足航空母艦在作戰(zhàn)時(shí)的高功率需求。但就目前而言，常規(guī)動(dòng)力航空母艦尚不具備核動(dòng)力航空母艦的綜合作戰(zhàn)能力，尤其是在高負(fù)荷工況下的續(xù)航力與戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性明顯不如后者。當(dāng)面對(duì)突發(fā)的作戰(zhàn)部署需求時(shí)，核動(dòng)力航空母艦更具優(yōu)勢(shì)，并且能為整個(gè)艦隊(duì)提供更充分的保障，因此總體發(fā)展前景更好。

5.2.2 基于航空母艦技術(shù)特點(diǎn)的主機(jī)選型要求

上文對(duì)各類(lèi)主機(jī)在航空母艦領(lǐng)域應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析?？紤]到航空母艦的實(shí)際航行特點(diǎn)，通常要求主機(jī)有著較高功率，并且能夠與艦載機(jī)起降作業(yè)相適配，主機(jī)的選型原則總體概括如下。

為滿足艦載機(jī)的飛行需求，航空母艦的最高持續(xù)航速需要維持在27 kn以上，以便在回收艦載機(jī)時(shí)能有流速約25 kn的甲板風(fēng)，從而對(duì)主機(jī)的輸出功率提出了一定要求。以法國(guó)“戴高樂(lè)”號(hào)核動(dòng)力航空母艦為例，其采用了核潛艇的反應(yīng)堆，只能提供約57 000 kW的推進(jìn)功率，致使全艦最高航速僅有27 kn。為確保艦載機(jī)的作戰(zhàn)效能，需要為其選用彈射起飛的方式。航空母艦彈射方式主要可分為蒸汽彈射及電磁彈射。航空母艦如需采用蒸汽彈射方式，則必須采用汽輪機(jī)這類(lèi)主機(jī)（含核動(dòng)力裝置），從而可為蒸汽彈射器提供必需的汽源。由此可知，彈射起飛的方式一定程度上會(huì)對(duì)航空母艦主機(jī)選型及其功率下限產(chǎn)生影響。

而美國(guó)方面自“福萊斯特”級(jí)航空母艦起，就要求全艦具有30 kn以上的航速。因此，通常要求航空母艦的總功率在210 000 kW以上。以上技術(shù)要求對(duì)主機(jī)類(lèi)型進(jìn)行了進(jìn)一步制約。亦如5.2.1中所述，中速柴油機(jī)即便在外型尺寸方面能與航空母艦相匹配，其功率也很難滿足全艦的推進(jìn)及艦載機(jī)起降作業(yè)需求，目前所能選用的動(dòng)力裝置僅限于汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及核動(dòng)力裝置這幾類(lèi)。

從全艦的生命力和機(jī)動(dòng)性上考慮，航空母艦必須采用兩軸以上的推進(jìn)方式。除了確保足夠的航速之外，也必須考慮到其中一軸在受到戰(zhàn)損影響后，而不至于使全艦失去機(jī)動(dòng)能力。此外，機(jī)艙布置多單元化，也是確保全艦生命力的一項(xiàng)基本原則。

此外，電能是航空母艦上的一類(lèi)重要能源，不但要確保航空母艦作戰(zhàn)系統(tǒng)和日用系統(tǒng)的電力需求，同樣也要滿足航空系統(tǒng)及艦載機(jī)的電力需求。美國(guó)最新的“福特”級(jí)核動(dòng)力航空母艦，很大程度上解決了未來(lái)航空母艦對(duì)電力的需求。

由此可知，采用核動(dòng)力裝置將是各國(guó)航空母艦未來(lái)最重要的發(fā)展方向之一。由于目前多以壓水堆作為動(dòng)力來(lái)源，因此同樣也需要依存于汽輪機(jī)來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。而以氦氣作為工作的閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)也可與高溫氣冷堆搭配，并作為核動(dòng)力艦船的動(dòng)力來(lái)源，目前仍在持續(xù)研究過(guò)程中。

6 航空母艦動(dòng)力裝置發(fā)展前景展望

第二次世界大戰(zhàn)以后，以航空母艦為代表的水面艦船不斷地沿著大型化、高速化和專(zhuān)業(yè)化的方向發(fā)展，其排水量和航速等參數(shù)在持續(xù)增長(zhǎng)，這就要求采用大功率的主機(jī)與其適應(yīng)。多年來(lái)，在提升艦用主機(jī)的動(dòng)力性方面取得了較為顯著的成就，出現(xiàn)了適用于不同艦型和航速的多種主機(jī)。

低速柴油機(jī)是一類(lèi)得到廣泛應(yīng)用的船舶主機(jī)。其優(yōu)勢(shì)在于燃油消耗率低、壽命長(zhǎng)、工作可靠、易于維修保養(yǎng)、造價(jià)低且經(jīng)濟(jì)性好，但其體積和重量較大，并且該兩項(xiàng)指標(biāo)會(huì)隨機(jī)組功率的提升而迅速增大。尤其是機(jī)組高度較大的問(wèn)題，限制了其在航空母艦等大型水面艦船上的應(yīng)用。同時(shí)，即便是大型低速柴油機(jī)，其功率依然有限，較難滿足航空母艦的動(dòng)力需求。

與船用低速柴油機(jī)相比，船用中速柴油機(jī)體積小、重量輕，且燃油經(jīng)濟(jì)性同樣較好。因此，隨著性能指標(biāo)的逐漸提升，其在航速較高的小型水面艦船領(lǐng)域的應(yīng)用也逐年增多。舉例而言，掃雷艦、登陸艇等艦型已廣泛采用了中速柴油機(jī)。但如要應(yīng)用于航空母艦等大型水面艦船，中速柴油機(jī)同樣存在功率不足的情況。高速柴油機(jī)的功率尚不如中、低速柴油機(jī)，因此在最開(kāi)始便不作考慮。

汽輪機(jī)具有功率大、壽命長(zhǎng)、工作平穩(wěn)、使用可靠和易于維修保養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)。與其他類(lèi)型的主機(jī)相比，汽輪機(jī)燃料適應(yīng)性較好，能燃用煤、重油及液化天然氣。因此，汽輪機(jī)被廣泛應(yīng)用在排水量高于100 000 t的大型船舶上，以及對(duì)振動(dòng)水平有嚴(yán)格要求的特種船舶上（如大型科學(xué)考察船等）。作為現(xiàn)階段排水量最大的水面艦船，航空母艦領(lǐng)域采用汽輪機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)有著較好應(yīng)用前景。

雖然發(fā)展年限短于以上幾類(lèi)主機(jī)，但燃?xì)廨啓C(jī)已彰顯出強(qiáng)大的生命力及廣闊的前景。與汽輪機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，重量更輕。就目前而言，輕型燃?xì)廨啓C(jī)是水面艦船較為理想的動(dòng)力裝置，其不僅適用于高速快艇，也適用于護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦等中型水面艦船。但由于輕型燃?xì)廨啓C(jī)的燃油消耗率較大、對(duì)燃油品質(zhì)要求較高，所以其經(jīng)濟(jì)性目前依然有待提升。同時(shí)，單臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)如要應(yīng)用于航空母艦等大型水面艦船，則略顯功率不足，需要采用多機(jī)并車(chē)的方式，例如采用COGAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置的方式。

由于具有功率高、續(xù)航能力強(qiáng)、排放少、隱蔽性好、便于機(jī)艙甲板布置等顯著優(yōu)勢(shì)，核動(dòng)力航空母艦?zāi)壳笆歉鲊?guó)競(jìng)相研究及開(kāi)發(fā)的對(duì)象，以“福特”級(jí)為代表的核動(dòng)力航空母艦將是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。截至目前，我國(guó)所擁有的3艘航空母艦均采用常規(guī)動(dòng)力，但隨著技術(shù)的發(fā)展，新型核動(dòng)力航空母艦也有望加入我國(guó)海防武備體系之中。

7 結(jié)論

綜合全文所述，現(xiàn)階段在航空母艦領(lǐng)域得到應(yīng)用的動(dòng)力裝置主要包括汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及核動(dòng)力裝置這幾類(lèi)。具體而言，大、中型航空母艦更趨向采用于核動(dòng)力裝置，而輕型航空母艦則傾向于采用燃?xì)廨啓C(jī)等常規(guī)動(dòng)力裝置（為減少燃料消耗，同樣可采用COGAG型聯(lián)合動(dòng)力裝置）。汽輪機(jī)作為一類(lèi)工作可靠、運(yùn)作平穩(wěn)且功率覆蓋面較廣的主機(jī)，可適用于各種排水量的常規(guī)動(dòng)力航空母艦，并且作為核動(dòng)力裝置的主機(jī)，有著較為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 伍賽特.船用動(dòng)力裝置前景展望[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2024,14(28):106-118.

[2] 伍賽特.航空母艦動(dòng)力裝置選型及應(yīng)用可行性研究[J].上海節(jié)能,2024,(03):447-451.