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国外舰船动力技术发展现状与趋势
（2006年08月16日） 共被阅读1826次
一. 发展现状
舰船动力装置作为舰船的“心脏”，其技术的发展一直受到各国海军的普遍重视。近些年，无论是蒸汽动力装置、燃气轮机动力装置、柴油动力装置以及由上述动力装置组合的联合动力装置，还是核动力装置、喷水推进装置及电力推进系统等的科研与生产不断取得新的进展。舰船动力技术继续向多种形式特种动力装置领域拓展，并在深入研究基础上，开始逐步转入生产和使用阶段。其中，最值得关注的有两件事，一是功率为29000hp的中间冷却回热燃气轮机完成了3150小时的耐久试验，标志着WR-21舰用燃气轮机将很快装舰使用；二是综合电力推进系统已经计划在世界主要军事大国近期建造的多艘新一代舰艇上使用，这标志着舰用综合电力推进系统的研制已经进入成熟发展阶段，海军舰艇即将开始由长期采用机械动力推进装置向综合电力推进装置过渡。
（1）燃气轮机技术。燃气轮机是大中型水面舰艇的主动力装置，目前，世界已有近30个国家的海军舰船使用燃气轮机。其中美国、英国和前苏联使用的数量最多。随着燃气轮机使用范围的扩大，使用方式由一轴一机扩展到一轴多机；由汽轮机和燃气轮机联合动力装置（COSAG）发展到柴油机与燃气轮机联合使用动力装置（CODAG）、柴油机和燃气轮机交替使用动力装置（CODOG）、燃气轮机和燃气轮机联合使用动力装置（COGAG）、燃气轮机和燃气轮机交替使用动力装置（COGOG）。
目前世界主要海军国家的舰用燃气轮机的研制生产已经形成系列，14700kW（20000hp）左右或以上的大功率舰用燃气轮机已经发展得非常成熟，并在各类舰艇上广泛应用。按不同的使用方式，用同一种燃气轮机组合的功率范围几乎可以覆盖从快艇到轻型航空母舰等各类大中型水面舰艇，燃气轮机的装舰数量不断增加。在目前世界各国海军使用的舰用燃气轮机中，美国研制的LM-2500型、俄罗斯的ГТД15000型和英国的斯贝SMIC型发动机用的最多，性能最令人满意，特别是美国的LM-2500应用最为广泛，现总的装舰使用量已超过1000台，装备在27个国家的近400艘舰船上使用。在LM-2500的基础上研制的LM-2500＋燃气轮机从2001年开始已经用于舰艇，作为两栖战舰的主机。近年，舰用燃气轮机技术的发展主要体现在以下几个方面：
1 对老型号或成熟型号进行改进提高。老型号或成熟型号的改进和提高主要是在这些成熟燃气轮机基础上发展功率或结构更适合于其它舰种的机型，以及进一步提高成熟型号燃气轮机的性能，特别是可靠性、可利用性和可维修性。在成熟燃气轮机基础上发展适于其它舰种的机型方面，美国通用电气公司在LM-2500燃气轮机的基础上，研制了LM-2500-20燃气轮机。研制此机是为了满足一些舰艇对较小功率的要求，并具有比母型更好的部分负荷效率。LM－2500－20与LM－2500没有本质区别，结构都相同，只对第2级高压涡轮喷嘴和第1级、第2级高压涡轮叶片作了改变，调整并改进了涡轮间隙，以及在不增加金属温度的情况下减少了涡轮喷嘴导叶和转子动叶的冷却气量等。LM-2500－20舰用燃气轮机在国际标准条件下的持续功率达到 12936 kW（17600 hp）。
英国罗尔斯·罗伊斯公司在SMIA舰用燃气轮机基础上，研制了SMZ和SM3燃气轮机。SMIA、SMZ和SM3都是同一种燃气轮机，它们所有的热力性能均相同。SMZ与SMIA相比是没有箱装体，底架是轻
型的，适用于快艇使用。SM3与前两型相比，结构上稍有不同。研制SM3是为了满足气垫艇、水翼艇、小水线面双体船的要求。
此外，罗尔斯·罗伊斯公司还在SM的基础上，研制了功率提高型SM舰用燃气轮机。SMIC燃气轮机功率为 17640 kW（23500 hp），性能、结构较SMIA有许多改进。SMIC燃气轮机已经在英国、荷兰等国海军舰船上使用。
美国舰用LM－2500燃气轮机，在生产型机提供使用之后，又以降低油耗、增加寿命为目标进行改进。先后将高压涡轮等 1级静叶、动叶、围带的寿命分别由 7000h、5000h和6500h提高到18000h和20000h；高压涡轮第2级动叶和燃烧室的寿命分别由 20世纪70年代中后期的6500h和 155h提高到18000h和 2100h；整台燃气发生器也如此，平均折修时间已由不足355h，提高到目前的 10000h。LM－2500舰用燃气轮机的功率也采取各种措施在不断提高。目前LM－2500的功率已达23520 kW（32000 hp）。 油耗也在不牺牲已取得的可靠性的前提下采取各种措施进一步地减少。美国通用电气公司曾经执行过一项计划，使早期的LM－2500燃气轮机的油耗大为降低：全功率油耗降低3％；巡航功率油耗降低 6％；3675 kW（5000 hp）时油耗降低 9％。英国的奥林普斯舰用燃气轮机也进行了类似改进。 此外，英国罗尔斯·罗伊斯公司研制的低循环疲劳计数器、涡轮寿命监测仪、动力涡轮进口温度监测器、自动气动热力性能探测系统、自动铁屑探测器、排气铁屑分析器，以及把上述单项探测技术组合为一体的舰用燃气轮机运行监测装置等，对于提高舰用燃气轮机的可利用性和可维修性都具有重要作用。
2 发展复杂循环系统。这方面的主要活动包括研制回热循环和中间冷却回热循环燃气轮机，发展燃气轮机蒸汽轮机复合装置，研究燃气轮机蒸汽回注或加汽和开发新的远程诊断系统。
在研制回热循环和中间冷却回热循环燃气轮机方面，随着科学技术的不断发展，涉及到回热和中间冷却回热循环的回热器和中间冷却器的技术问题已得到解决，目前燃气轮机热循环已从简单循环发展到利用燃气轮机排气余热的复杂循环。功率为29000hp的中间冷却回热燃气轮机已进行了3150h的耐久试验，这标志着舰用中间冷却回热燃气轮机在可预见的将来将得到广泛使用，有完全取代现有舰用简单循环燃气轮机的可能。
在发展燃气轮机蒸汽轮机复合装置（COGAS）方面，燃气轮机蒸汽轮机复合装置是在中间冷却回热舰用燃气轮机尚未重登舞台前发展的一项技术。这项技术以前苏联发展得最为成功，装舰使用也最早最多。据介绍，前苏联海军甚至将采用这种装置作为一种政策来执行。前苏联曾规定，要求续航力大的军舰，必须装COGAS。前苏联光荣级巡洋舰，每舰装有6台燃气轮机，总功率约8822 kW（12000 hp），其中两台功率较小的巡航燃气轮机就采用了 COGAS，蒸汽轮机功率5880kW。据悉，前苏联的舰船 COGAS装置出口到8个国家。
美国海军的COGAS装置曾经蓬勃发展一时，后因发展了中间冷却回热燃气轮机而使其燃气轮机政策转向。美国海军认为，发展中间冷却回热燃气轮机比发展COGAS装置更好。但发展中间冷却回热燃气轮机还是燃气轮机蒸汽轮机复合装置美国国内至今仍有两种不同意见。
在研究燃气轮机蒸汽回注或加汽技术方面，美国在这方面研究得很多，也有许多实机在电站中使用，如 LM－5000等燃气轮机都有蒸汽回注的型号，但用于舰船的蒸汽回注燃气轮机目前发展较慢。前苏联也曾热心于蒸汽回注燃气轮机的研究，但也未装舰使用，其主要原因是汽、水回注需消耗大量高质量的淡水，
而在舰船上储备或制造数量太多的淡水是不现实的。研究燃气轮机蒸汽回注的目的是利用燃气轮机排气余热增大动力装置的功率。
在远程诊断系统研究方面，为降低成本，减少人员配备和改善维修保养条件通用电气公司研制了采用新型在线远程诊断系统，并将在美国海军的DDG75 导弹驱逐舰上进行演示。目前该系统在LM-2500燃气轮机上进行的试验证明，这套远程诊断装置有能力分析无论位于世界何处的燃气轮机的关键运行参数。系统可监控燃气轮机上的1000多个参数，包括发动机的工作温度、压力、转速、转矩、震动、控制和状态数据，如报警、误动作和设备的开关状态。通过应用统计工具，通用电气公司能识别出新研制的燃气轮机的参数或现场故障。
（2）柴油机技术。目前，柴油机仍是排水量500t以下高速、机动性能好的舰艇的主要动力装置。对于500t～3500t左右的现代护卫舰，无论吨位和类型如何，柴油机动力装置都具有明显的优势。现在整机功率1470kW～8088kW的大功率柴油机仍用作排水量4000t以下军用舰艇的主机。由德国和法国研制的单机功率大的新一代高速大功率柴油机的出现使全柴油机动力装置有可能满足同等舰用功率
（30000kW）的要求，同时这些柴油机与燃气轮机组成的CODAG动力装置，足可以满足6000t以下舰艇的功率要求，另外高速大功率柴油机增压技术的不断成熟和应用，解决了部分负荷下大扭矩的问题，简化了传动和控制系统，使CODAG动力装置有可能再次在护卫舰等舰艇动力系统中得到垂青。
近年，船用柴油机除了MTU公司新开发了595系列柴油机和GMT公司在B23.2DVM柴油机上发展了A250.16HVM型柴油机外，新型高速大功率柴油机技术发展主要是在原型机基础上进行完善和提高。如MTU396系列机继04型后又推出TE型；595系列机有9种变型机。Pielstick PA4-200型机功率提高后由VG型发展成VGA型，采用复合增压用于潜艇等。
随着柴油机技术的发展，舰用柴油机的性能和可靠性有了很大提高，单机功率比过去同型机提高30%以上，意大利的GMT A250.20HVM型机最大功率为7750kW，德国的MTU 24V 1163-93型机最大功率8824kW，法国的SEMT-Pielstick20VPA6-280BTS型机10%超负荷功率可达9705 kW。目前高速大功率柴油机主要技术指标均达到了新水平。平均有效压力最高达到2.94Mpa（MTU1163-03），最大燃烧压力18Mpa（MTU1163-03），燃油消耗率为210g/（kW·h），比重量最低2.8kg/kW，增压压力0.5Mpa（两级增压），最高喷油压力130 Mpa。
近年，船用柴油机开始向智能化方向发展。由MAN B＆W公司研制的第一台智能柴油机已经装船使用，从1999到2000年经过1万多小时的试验证明，对环境保护和提高可靠性有很好的作用。MAN B&W公司的智能柴油机是由电子系统取代了传统的凸轮，除了机械/电子控制的喷油系统和排气阀，还有计算机控制的启动空气系统和汽缸润滑油系统，保证了汽缸润滑油的低消耗，运行的灵活性和废气排放的灵活性。 Wartsila NSD和MTU等公司也在各自的柴油机上发展智能柴油机。Wartsila NSD研制的智能柴油机其关键部件是共同管道燃油系统。MTU公司的20V8000智能柴油机也采用了共同管道喷射和使用电子控制系统进行发动机管理，在1150r/min时，其功率为9000kW，打算用于渡轮和海军舰艇。目前智能柴油机技术正在进入商业化阶段。
（3）核动力技术。舰船核动力技术经过近50年的发展，已在各核大国潜艇上得到广泛应用。目前，美国、俄罗斯、英国和法国共有155艘核潜艇在役，装备了193台反应堆装置（均为压水堆装置）。 在核动力技术研究方面，美国起步最早，技术水平最先进。美国的潜艇堆共有SC、SG、SW三大系列，单堆功率增长迅速，由60MW增至250MW，堆芯寿命由最初的2年增至现在的30年，在整个服役期堆
芯不用更换。俄罗斯的潜艇堆有压水堆和液态金属堆两种，特点是一型多用，通用型很强。大多数潜艇采用双堆，系统和设备装置多为双套，互为备用，生命力强。英国潜艇堆技术与美国相似，目前堆芯寿命已增至12年。法国至今已研制三型压水堆。近年，国外在核动力装置研究方面活动主要是提高单堆功率，增加堆芯寿命，发展紧凑型或一体化堆，提高自然循环能力和反应堆的安全可靠性。
目前，法国的CAS-48和美国的S9C反应堆芯寿命已经达到25～30年，在整个服役期内不需更换燃料。核潜艇采用的一体化反应堆比例已达2.1%。美国的自然循环反应堆在不使用主泵时，可提供巡航功率。法国的一体化自然循环能力达到80%。据称，俄罗斯的第四代潜艇堆自然循环能力将达到100%。 （4）综合电力推进技术及AIP技术。采用综合电力推进技术是美、英等世界主要军事大国21世纪新一代水面舰艇计划在发展新型舰船动力装置方面提出的新思想。在潜艇动力装置发展方面，除采用与水面舰艇相同的综合电力推进发展思路外，不依赖空气的动力装置（AIP）将是常规潜艇原动机发展的重点。 在全电力推进技术方面，从国外的发展计划和应用情况看，综合电力推进技术发展的特点主要包括：高电压、大容量的电站系统；分布式环型母线结构的直流配电网络；永磁、多样化的大功率推及电机；拓扑结构简单化的变流控制器；系统装置设计采用集成模块方式和新的推进方式等。
目前，美国、英国、法国和德国在综合全电力推进技术方面的研究计划进展顺利，并取得了一些重要研究成果。
美国海军自1988年开始研制电力推进系统以来，已完成小比尺预研工作，全尺寸预研的第一阶段已于1999年完成，第二阶段已在2000年开始，并开发了许多适合各种水面舰艇的电力推进系统模块，如发电模块、推进电机模块、输配电模块、电力变换模块和监控模块。目前第三阶段的全尺寸工程的研制工作已经开始启动，美国已决定在一些21世纪初期建造的新一代海军舰艇上采用综合全电力推进系统。 英国综合全电力推进系统的发展目标是在2010年将综合电力系统用于其新型护卫舰和轻型航空母舰上。综合电力系统的几项关键技术的预研工作，如永磁电机、电力电子设备等的研究工作已经展开，并取得了阶段性进展。英国海军在23 型护卫舰上采用的柴油机电力推进＋燃气轮机机械推进的CODALG方式向前推进一大步。法国已决定在未来的舰艇上使用综合电力推进系统，一些厂商已经作了有关的技术准备，评估了水面舰艇使用的20MW径向永磁电机和吊舱推进系统的可行性。德国也积极研制综合电力推进系统，完成了一艘3000t小水线面双体电力推进试验舰的设计研究。预计2010年前美英等海军大国将有一批采用全电力推进的水面舰艇服役。
在AIP技术方面，从目前发展情况看，已经取得突破性进展并具有一定应用前景的主要是斯特林发动机、闭式循环柴油机、闭式循汽轮机和燃料电池技术。目前从事潜艇AIP技术研究的国家主要有瑞典、德国、荷兰、法国、意大利、加拿大、澳大利亚、英国和俄罗斯，其中技术比较先进并取得了重要进展的国家主要是瑞典、德国和法国。
斯特林发动机是一种闭式循环外燃动力装置，利用柴油与过氧化氢或液氧燃烧，为闭路系统工作气体提供热能，并将热能转换为机械能和电能。目前已进入实用和进一步提高性能阶段。瑞典从1982年开始研究斯特林发动机，最先用于瑞典哥特兰级潜艇，每艘潜艇配备2台瑞典科孔斯公司研制的V4-275R斯特林发动机，最大功率为150kW，持续功率130 kW，可以5kn航速在水下潜航15天以上。据资料报道，日本和澳大利亚也在研究斯特林发动机，并从瑞典购买V4-275R斯特林发动机进行了陆上评价试验。斯特林发动机的主要特点是运行平稳、振动小、噪音地，可在水深小于200m处，利用高压气体直接将废气排除到艇外，不需要废气吸收装置。