柴油機(jī)用于水面艦艇動(dòng)力裝置的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用研究

伍賽特

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，上海200438）

引言

艦艇動(dòng)力裝置通常是指為艦艇航行提供推進(jìn)動(dòng)力的機(jī)械、設(shè)備與系統(tǒng)。通常由其來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力裝置的技術(shù)要求，所以又可稱(chēng)其為主動(dòng)力裝置、推進(jìn)裝置或推進(jìn)系統(tǒng)[1]。此外，艦艇還需要提供除推進(jìn)動(dòng)力以外的各種動(dòng)力和能量來(lái)源，包括發(fā)電站及電力網(wǎng)路、壓縮空氣等系統(tǒng)，其被統(tǒng)稱(chēng)為輔助動(dòng)力裝置[2-6]。

艦艇動(dòng)力裝置是由數(shù)量總多、用途不同的機(jī)電設(shè)備和系統(tǒng)所構(gòu)成的統(tǒng)一體，設(shè)備及系統(tǒng)之間存在著密切聯(lián)系和相互影響，由此形成了一個(gè)復(fù)雜而完整的工程系統(tǒng)，其中以主動(dòng)力裝置為主體[7-9]。

1 艦用柴油機(jī)動(dòng)力裝置的技術(shù)特點(diǎn)

艦艇動(dòng)力裝置不僅是現(xiàn)代艦艇的重要組成部分，而且直接影響著艦艇的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。柴油機(jī)由于其技術(shù)性能的某些特點(diǎn)，例如：在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有較高的經(jīng)濟(jì)性，起動(dòng)及加速性能好，重量尺寸輕小，空氣消耗量較小，可直接反轉(zhuǎn)等。此外，其還具有在較高背壓和較高進(jìn)氣真空度下工作的較高可靠性，并能通過(guò)采用非磁材料及進(jìn)行磁補(bǔ)償?shù)却胧┦拐麢C(jī)具有低磁性等特點(diǎn)。所以，目前柴油機(jī)動(dòng)力裝置仍被廣泛應(yīng)用于護(hù)衛(wèi)艦、獵潛艇、快艇、常規(guī)潛艇、掃雷艇等戰(zhàn)斗艦艇及大量軍用輔助船舶上。由于柴油機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，其在海洋軍用設(shè)備中的應(yīng)用，已由中、小型艦艇向更大的功率、更高的可靠性等方向發(fā)展[10-11]。目前，柴油機(jī)目在水面艦艇上的主要用途如下：

1）作為導(dǎo)彈快艇和巡邏型導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艇動(dòng)力裝置的主機(jī)?？焱У陌l(fā)展方向是導(dǎo)彈化、大型化，同時(shí)對(duì)航速要求較高。

2）作為中、小型水面艦艇的主推進(jìn)裝置或柴-燃聯(lián)合動(dòng)力裝置的巡航機(jī)組。

3）作為掃雷艇用主機(jī)。這種柴油機(jī)要求低磁性[12]，為此采用非磁性材料或?qū)Σ裼蜋C(jī)進(jìn)行磁補(bǔ)償。將柴油機(jī)變化的磁狀態(tài)視為地球磁場(chǎng)的函數(shù)而進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。這樣就使由鐵磁材料組成的柴油機(jī)可基本不作改變，而保持其原有的機(jī)械性能和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性，這對(duì)后勤保障、維修及人員培訓(xùn)都帶來(lái)極大的便捷性。

2 柴-燃聯(lián)合動(dòng)力裝置的現(xiàn)狀與技術(shù)特點(diǎn)

自從20世紀(jì)初期60年代以來(lái)，世界各國(guó)開(kāi)始在水面艦艇上逐步采用燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力裝置。在多年的實(shí)踐使用中證明，燃?xì)廨啓C(jī)具有單機(jī)功率大、重量輕、體積小、起動(dòng)、加速性能好、振動(dòng)小[13]、噪聲低，可以整體吊裝等較為突出的優(yōu)點(diǎn)，其適于作為中、小型水面艦艇的主機(jī)。但是，目前現(xiàn)有的和近期發(fā)展的燃?xì)廨啓C(jī)在技術(shù)性能上仍有不足，主要是：

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

2）燃?xì)廨啓C(jī)的耗氣量明顯高于柴油機(jī)。其需要配備獨(dú)立的進(jìn)排氣系統(tǒng)，在進(jìn)出口處要安裝消聲器和其他除鹽、清洗等設(shè)備，要占用一定體積的艙室和甲板面積。

3）燃?xì)廨喌膭?dòng)力渦輪輸出軸轉(zhuǎn)速較高，為了保證螺旋槳的效率，必須設(shè)置減速器，所以小功率燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的轉(zhuǎn)速更高，加上減速器重量后的比重量指標(biāo)并不一定優(yōu)于高速機(jī)。

此外，由于燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度可達(dá)500℃左右，柴油機(jī)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(jī)。當(dāng)環(huán)境溫度有所升高時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的功率下降明顯高于柴油機(jī)[15]。當(dāng)排氣背壓增大時(shí)，柴油機(jī)具有較好的適應(yīng)性。

由此可見(jiàn)，燃?xì)廨啓C(jī)作為艦艇動(dòng)力裝置，在性能上雖然具有突出的優(yōu)點(diǎn)，但也并非完美無(wú)缺的，目前其還不能十分完善地取代其他動(dòng)力裝置。

巡航柴油機(jī)與加速用的燃?xì)廨啓C(jī)所組成的動(dòng)力裝置，稱(chēng)為柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置或簡(jiǎn)稱(chēng)柴-燃聯(lián)合動(dòng)力裝置。通過(guò)采用該類(lèi)裝置，既能保證艦艇在巡航工況下，具有柴油機(jī)動(dòng)力裝置良好的經(jīng)濟(jì)性，以獲得最大的巡航續(xù)航力，而又能在高航速工況下，具有燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置功率大、重量尺寸輕小、起動(dòng)加速性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，使艦艇具有航速高、續(xù)航力大、機(jī)動(dòng)加速性好等突出的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)中、小型水面艦艇來(lái)說(shuō)，柴-燃聯(lián)合動(dòng)力裝置是目前發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平條件下的一種較好型式的動(dòng)力裝置，配備柴-燃聯(lián)合動(dòng)力裝置的艦艇，具有動(dòng)力裝置總功率大、航速高，巡航經(jīng)濟(jì)性好、續(xù)航力大，動(dòng)力裝置的重量及尺寸適中等比較突出的優(yōu)點(diǎn)。因此自1958年柴-燃聯(lián)合動(dòng)力裝置護(hù)衛(wèi)艦問(wèn)世以來(lái)，已在各國(guó)海軍中獲得廣泛的應(yīng)用。

3 柴油機(jī)在水面艦艇上的應(yīng)用

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

1）燃油耗率低，尤其在低工況時(shí)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(chē)問(wèn)題。

高性能的大功率高速柴油機(jī)對(duì)中小型艦艇而言，是一種具有顯著優(yōu)點(diǎn)的推進(jìn)裝置。其可作為護(hù)衛(wèi)艦、獵潛艇、掃雷艇、快艇，常規(guī)潛艇以及高速軍輔船的動(dòng)力裝置[16]。

3.1 護(hù)衛(wèi)艦

目前，對(duì)于高性能的護(hù)衛(wèi)艦對(duì)其動(dòng)力裝置主要有以下技術(shù)要求：需要有足夠高的功率、重量輕、體積小，經(jīng)濟(jì)性好、性能可靠、壽命長(zhǎng)、維護(hù)工作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高且費(fèi)用低廉。

為護(hù)衛(wèi)艦選用柴油機(jī)時(shí)，不僅應(yīng)注意到功率、比重量及尺寸等指標(biāo)，更應(yīng)注意油耗率、可靠性與使用壽命等要求。由于各國(guó)護(hù)衛(wèi)艦的排水量和航速相差甚遠(yuǎn)，且又有全柴動(dòng)力和巡航動(dòng)力之分，故被選用的柴油機(jī)類(lèi)型較為廣泛。

其中，主要選用的是中速柴油機(jī)。少數(shù)國(guó)家選用中速大功率柴油機(jī)，我國(guó)也選用了中速柴油機(jī)。近幾十年來(lái)，國(guó)外為機(jī)車(chē)等用途而研制的但具有較大通用性的中速柴油機(jī)發(fā)展很快，引起了各國(guó)海軍的重視，因此在護(hù)衛(wèi)艦上廣泛地采用了這種機(jī)型或其變型機(jī)。在選用的同時(shí)，也應(yīng)為滿(mǎn)足艦用條件而進(jìn)行必要的改裝。例如部分機(jī)型用鋼質(zhì)曲軸箱代替原來(lái)的鑄鐵曲軸箱以滿(mǎn)足抗沖擊性能，同時(shí)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(yú)雷快艇、導(dǎo)彈快艇、高速護(hù)衛(wèi)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(biāo)為敵大中型水面艦艇及護(hù)航、登陸編隊(duì)。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(shù)優(yōu)越性之一。同時(shí)，由于其排水量比較小，小于魚(yú)雷艇而大于導(dǎo)彈艇。近年來(lái)，國(guó)外新建的快艇均向大型化、導(dǎo)彈化方向發(fā)展?？焱投嗖捎没型突蛩硗?，亦有采用半滑行型及排水型。

在該功率范圍下，可通過(guò)高速和中速柴油機(jī)運(yùn)用多機(jī)多軸或多機(jī)共軸等組合形式，以發(fā)揮其技術(shù)長(zhǎng)處。因此大部分快艇的動(dòng)力均為全柴推進(jìn)，少數(shù)為柴-燃聯(lián)合動(dòng)力或全燃動(dòng)力。根據(jù)以上情況，用于快艇的柴油機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1）通常采用高速機(jī)或中速機(jī)，前者被大量應(yīng)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?？焱г谶M(jìn)入攻擊、撤離戰(zhàn)斗時(shí)要求較高的機(jī)動(dòng)性以彌補(bǔ)其本身防御能力較薄弱的劣勢(shì)。因此柴油機(jī)的主要工況都是在中等負(fù)荷以上且瞬時(shí)的變化十分劇烈。除了能適應(yīng)這些特殊需求外，在整個(gè)戰(zhàn)斗活動(dòng)過(guò)程中應(yīng)能可靠地工作，也就是在規(guī)定的使用時(shí)期內(nèi)不產(chǎn)生機(jī)械故障而被迫停機(jī)。

3）發(fā)展和采用通用機(jī)型來(lái)取代快艇專(zhuān)用機(jī)型。快艇的航渡和作戰(zhàn)時(shí)間相對(duì)其他戰(zhàn)斗艦艇而言較短，且主機(jī)的修理往往采用整機(jī)互換的方式進(jìn)行（即把超過(guò)或達(dá)到使用期限的主機(jī)從艇上整機(jī)吊出送到專(zhuān)門(mén)的修理廠(chǎng)、所進(jìn)行修理而立即將型號(hào)完全相同的已經(jīng)修理好的備用主機(jī)換上），因此其對(duì)其壽命的要求可相對(duì)較低，也不要求在艇上進(jìn)行除一般性的調(diào)整以外的檢修工作。該條件的放寬為柴油機(jī)的通用性的優(yōu)化提供了更良好的條件。目前已有許多國(guó)家采用該類(lèi)方法來(lái)解決功率、尺寸重量與壽命、可靠性，經(jīng)濟(jì)性等方面因素之間的矛盾。目前，由于快艇排水量、續(xù)航力的增加對(duì)主機(jī)的重量指標(biāo)要求略有降低，而對(duì)壽命和經(jīng)濟(jì)性卻在逐漸提高。

4）可滿(mǎn)足低速大扭矩的要求。當(dāng)柴油機(jī)用作滑行艇和水翼艇的主動(dòng)力裝置時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，要求主機(jī)具有較高的扭矩。其能在許用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)主機(jī)的扭矩均大于螺旋槳所要求的轉(zhuǎn)矩且有一定的加速力矩以滿(mǎn)足加速性要求。由于一般的自由渦輪增壓柴油機(jī)限制特性的特點(diǎn)是在低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，其扭矩相比高轉(zhuǎn)速時(shí)更低，這種趨勢(shì)在增壓比越高的柴油機(jī)表現(xiàn)得更為明顯，而且轉(zhuǎn)速越低該現(xiàn)象也會(huì)更明顯。在選擇柴油機(jī)時(shí)切不可忽視其限制特性，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足推進(jìn)特性要求。由于水翼艇存在著阻力峰，當(dāng)采用具有較高增壓比的柴油機(jī)時(shí)，由于該類(lèi)機(jī)型具有低速大扭矩特性，因此相對(duì)增壓比較低的柴油機(jī)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(guò)阻力峰，使全艇具有良好的加速性能。

5）可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱及自動(dòng)化。由于快艇上機(jī)艙容積小，高速柴油機(jī)的噪聲大，快艇在進(jìn)行攻擊和規(guī)避時(shí)又要求很高的機(jī)動(dòng)性，因此迫切要求實(shí)現(xiàn)可靠有效的遠(yuǎn)距離操縱和動(dòng)力裝置管理自動(dòng)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(shù)千噸甚至萬(wàn)噸以上。主要任務(wù)是載運(yùn)兵員及裝備在敵前實(shí)施登陸，其航速與作戰(zhàn)艦艇相比并不高。排水量較小的登陸艦所需的功率也相對(duì)更小。因此幾乎所有國(guó)家的登陸艦絕大多數(shù)都選用柴油機(jī)作動(dòng)力。

以坦克登陸艦為例，其通常應(yīng)具有一個(gè)從船艏到船艉的通艙以便于坦克的裝載和登陸。機(jī)艙通常布設(shè)于通艙的下方。因此要求主機(jī)的高度盡可能小些，但對(duì)寬度的要求并不嚴(yán)格。高速和中速柴油機(jī)則具有這方面的優(yōu)點(diǎn)。

考慮到登陸艦平時(shí)的運(yùn)輸任務(wù)較重且航行時(shí)間長(zhǎng)，續(xù)航力大，因此經(jīng)濟(jì)性、壽命指標(biāo)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(jī)更為優(yōu)越，排水量小的則以高速機(jī)為佳。

登陸艦在登陸時(shí)要求微速?zèng)_灘。退灘時(shí)，則一般先用主機(jī)倒車(chē)將艦體拉動(dòng)后再同時(shí)用艉錨拖，此時(shí)螺旋槳在淺水中工作，又有大量泥沙，因此主機(jī)的負(fù)荷較大。為此，動(dòng)力裝置應(yīng)具有大于60%持續(xù)功率的倒車(chē)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(dòng)力裝置通常具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

1）主要采用柴油機(jī)推進(jìn)；

2）大型登陸艦多采用中速機(jī)，中、小型登陸艦則多用高速機(jī)；

3）柴油機(jī)的選型強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性、通用性，甚至主機(jī)及輔機(jī)均為同一型號(hào)，也可采用用于機(jī)車(chē)或其他水面艦艇的柴油機(jī)型；

4）采用雙機(jī)或多機(jī)并車(chē)推進(jìn)方式日趨增加。

3.4 掃雷艇

掃雷艇擔(dān)負(fù)基地，港口和航道上的掃雷任務(wù)，長(zhǎng)期在布雷區(qū)內(nèi)航行。其對(duì)柴油機(jī)提出如下要求。

3.4.1 動(dòng)力性能要求

掃雷艇動(dòng)力裝置的最大持續(xù)功率是根據(jù)拖帶掃雷具時(shí)的最大航速的推力來(lái)決定的。掃雷艦在收放掃雷具時(shí)要求較低的航速，通常柴油機(jī)的最低功率受最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的限制。同時(shí)，還要求柴油機(jī)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(shù)國(guó)家在掃雷艇上設(shè)置隔振座及彈性聯(lián)軸節(jié)等隔聲減振措施，有的還安裝柴油機(jī)的隔聲罩，使噪聲減少。同時(shí)，在其進(jìn)行掃雷作業(yè)時(shí)，要求有更高的抗沖擊性能。

上述技術(shù)要求都有利于發(fā)揮柴油機(jī)的長(zhǎng)處，因此目前國(guó)外主要掃雷艇上幾乎均采用低磁耐沖擊的柴油機(jī)作主機(jī)和輔機(jī)。此外，柴油機(jī)型應(yīng)選用通用機(jī)型，以便于戰(zhàn)時(shí)能大量建造和裝備部隊(duì)。如美國(guó)的各級(jí)掃雷艇的主機(jī)及輔機(jī)也都選用同一機(jī)型。

3.5 其他用途

高速柴油機(jī)具有獨(dú)立性好，起動(dòng)加速性能快等優(yōu)越性，因此不僅可用作艦艇上的常規(guī)發(fā)電機(jī)組，還可用作應(yīng)急電站，同時(shí)還有部分核動(dòng)力和燃?xì)廨唲?dòng)力艦艇設(shè)有高速柴油機(jī)作為應(yīng)急推進(jìn)主機(jī)。

4 結(jié)論

盡管在整機(jī)功率等方面相比汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)存在一定劣勢(shì)，但柴油機(jī)以其經(jīng)濟(jì)高效、機(jī)動(dòng)性好、低磁性、抗沖擊性好等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在排水量為護(hù)衛(wèi)艦等級(jí)以下的中小型水面艦船、軍輔船及隨艦發(fā)電設(shè)備領(lǐng)域得以充分應(yīng)用?？紤]到當(dāng)前世界海防局勢(shì)的復(fù)雜多變，針對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行的技術(shù)研發(fā)仍有著重要而深遠(yuǎn)的意義。