舰艇动力装置简析.docx
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舰艇动力装置简析
鉴于有的网友对舰艇动力装置有些疑问和一些看法，我写了下面关于舰艇动力装置的一些东西，我没写得太详细，有关的详细内容各位可以找相关书籍或资料来看。
主要的目的还是让大家对舰艇动力系统有个初步的认识。
鉴于本人水平有限，有的内容可能会有错漏，还望各位高手指正。
本文中的一些数据是民用船舶的数据，同时有的数据可能已经不太跟得上科技的开展。
早期的船舶使用的是往复式蒸汽机，带动一个有桨叶的大转轮〔明轮〕推进，这种推进装置也就是“轮机〞和“轮船〞的由来。
目前舰船主要使用的动力装置有以下几种：
一．汽轮机：
汽轮机是一种外燃机，靠锅炉产生高压蒸汽推动汽轮作功。
人类早期使用的船舶动力装置就是这玩意。
×104kW以上，假如不受推进器尺寸的影响，象陆用电站汽轮机一样可以做成60万～100万kW的巨型动力装置，这可是很可观的。
2、汽轮机叶轮转速稳定，无周期性扰动力，因此机组振动力小、噪声小。
3、磨损部件少，工作可靠性大，使用期限可高达105h以上。
4、可使用劣质燃料油，滑油消耗率也很低，仅0.1～0.5g/〔kW·h〕，而柴油机的滑油消耗率为3～10g/〔kW·h〕。
从以上看来，用蒸汽动力似乎不错，但是汽轮机有几个致命伤：
1、装置的总重量大、尺寸大，而且要配置主锅炉，以与为其服务的辅助机械和设备，占去了船体许多空间和排水量。
作为“寸土寸金〞的船舶空间来说，巨大的动力装置是不可能的，尤其是军用船舶，更要求动力装置小型化。
2、燃油消耗大，装置效率差，额定经济性仅为柴油机的1/1.5～1/2，在局部工况下，甚至为1/2.5～1/3，在一样的燃料贮备下续航力降低。
这也是为什么一般使用蒸汽动力的舰船都是一些吨位大的家伙。
3、机动性差，起动前准备时间约为30～35min，紧急情况下，缩短暖机过程后也要15～20min。
在舰艇上为保证立即起锚的要求，就以暖机状态停泊，从而增加了停泊时的燃料消耗。
另外，从一个工况变换到另一个工况的过渡时间也较柴油机装置长2～3倍。
以上几点致命伤使得蒸汽动力已不再是船舶动力的主要类型，民用和军用的船舶都根本不再使用汽轮机做为主机，更主要的是有更优越的其它类型的动力装置出现了。
假如不是核能的出现，现在的航母可能都还得使用蒸汽动力。
目前我国使用蒸气动力的典型是051、051b和“现代〞。
167舰的蒸汽动力装置由中船重工七院703所负责设计研制。
蒸气动力相较而言自动化程度较低，且战损处理十分困难，为什么一艘98年下水的新型驱逐舰还使用蒸气动力？
我个人的看法是蒸气动力是成熟的技术，我国在这方面也有较多的技术积累，而对于167目前的公认看法都认为其是一艘试验舰。
对于试验性质的舰艇用一种成熟、经济的动力装置比用新型的动力装置合算得多，而且167舰的试验更多的是其它方面，所以采用蒸气主动力也不失为一种保险方法。
曾有说法167是动力试验舰，但从其主动力为蒸气动力来看这种说法站不主脚。
要知道早在052上用的就是柴燃联合动力。
另外提一句，从上面已经可以知道，蒸汽动力用的燃料是油：
重油、渣油或劣质燃料油。
使用油的锅炉的排气远比使用煤的锅炉的排气干净。
现代船用的蒸汽动力已经不可能再使用煤作为燃料。
就算是用煤，也不会出现工人往锅炉里拼命加煤的情景，一般用的都是高压锅炉，你想加煤还轮不到你加。
煤都是用磨料机磨成煤粉，然后用高压空气喷入炉膛燃烧或煤粉和水、添加剂混合成水煤浆再燃烧。
这种做法可以提高效率，相对来说排气也比老式的清洁。
二．柴油机：
柴油机动力装置具有较优良的性能，目前在船舶动力装置中占绝对的统治地位。
柴油机的优点：
1、经济性较高，耗油率比蒸汽、燃气动力装置低得多，高速机比中、低速机耗油多。
这一优点使柴油机船的续航力大大提高，换句话说，一定续航力下所需之燃油贮备量较少。
2、重量轻，柴油机动力装置中除主机和传动机组外，不需要主锅炉、燃烧器以与工质输送管道等，所以辅助机械设备相应较少，布置简单，因此单位重量指标较小。
3、具有良好的机动性，操作简单，启动方便，正倒车迅速，一般正常启动到全负荷只需10～30min，紧急时需3～10min。
虽然比燃气轮机装置差些，但它不需要像燃气轮机装置那样一套复杂的启动和倒车设备。
柴油机装置停车只需2～5min，主机本身停机只需几秒钟即可。
柴油机装置也有缺点：
1、由于柴油机的尺寸和重量按功率比例增长快，因此单机组功率受到限制，一般来说低速机的功率比中、高速机的功率大。
这使得柴油机动力装置无法在大功率舰船上使用。
2、柴油机工作中的噪声、振动较大。
这是一个重要问题。
作为舰艇不希望动力源会有大的振动，同时震动大的话也使问题出现的机率增大。
3、中高速柴油机的运动部件磨损较厉害，高速强载柴油机的整机寿命仅1000～2000h。
4、柴油机在低转速时稳定性差，因此不能有较小的最低稳定转速，影响船舶的低速航行性能。
5、柴油机的过载能力也较差，在超负荷10%时，一般仅能运行1h。
一般来说军用柴油机的性能比民用要好。
053和054用的都是柴油动力。
053是全柴动力，054很可能也还是全柴动力，毕竟假如使用柴燃联合的话尽管性能会好一点，但本钱会增加。
作为中国来说，在护卫舰上用柴燃联合动力有点太“豪华〞了。
054的柴油主机据说是法国进口，但黄埔曾很确定的说526的主机是国产的，估计是引进了技术。
525和526用的主机很可能一个是原装货，一个是国产版本。
三．燃气轮机动力装置：
近几十年开展起来的新型发动机，根本原理与气轮机一样，只是
功的工质方面有所不同。
最主要一点，汽轮机是外燃机，而燃气轮机是内燃机。
燃气轮机动力装置能够较好的满足军用舰艇对动力装置提出的高速、高机动性和极低的单位重量之战术、技术要求，故其在现代军用舰艇上的应用较多。
相反，由于经济性和其它一些因素，民用船舶根本不使用燃气轮机动力〔一些高速和特种船舶除外〕。
其优点：
1、单位功率的装置尺寸小。
加速用燃气轮机装置的单位重量可达0.65～1.3kg/kW，全工况用燃气轮机装置为2～4kg/kW。
机组功率也较大，复杂线路的燃气轮机〔有中间冷却、中间加热和回热措施〕机组功率可达6×104kW。
2、良好的机动性，从冷态启动至全负荷时间，一般为1～2min，大功率复杂线路的燃气轮机装置只需3～5min。
这对军用舰艇来说是一个极大的优势。
3、燃料消耗率虽不与柴油机，但在低负荷时的经济性的恶化比汽轮机影响小。
燃气轮机装置尚有如下缺点：
1、主机没有反转，必须设置专门的倒车设备。
2、必须借助于启动马达或其他启动机械启动。
3、由于燃气的高温，叶片材料用的合金钢昂贵，工作可靠性差，寿命短，如燃气初温在750℃以上的燃气轮机，寿命仅500～1000h。
4、由于燃气轮机工作时空气流量很大，因此进、排气管道尺寸较大，舱内布置困难，甲板上较大的管道通过切口，影响船体强度。
四．联合动力装置。
对于军用舰艇来说，从提高战斗力地观点要求尽可能提高航速和机动性能。
舰艇在全速航行时要求动力装置发足全功率，但它在舰艇航行时间中所占比例极小，一般不超过1%。
为此它要花费足够的排水量安置全功率的机械设备重量。
而舰艇的巡航时间极长，要求有良好的经济性以提高续航力。
为解决全速时的大功率和巡航时的经济性，就出现了两类发动机联合工作的联合动力装置。
目前有三种联合动力装置：
汽轮机+加速燃气轮机〔COSOG或COSAG〕，柴油机+加速燃气轮机〔CODOG或CODAG〕，燃气轮机+加速燃气轮机〔COGAG或COGOG〕。
〔1〕汽轮机动力装置带燃气轮机加速装置：
这种装置由于汽轮机装置的一系列优点，与燃气装置联合后，能适应于功率较大的轻型舰艇，蒸汽装置保证在80%全速以下航行所需的功率〔即全功率约50%左右〕，以使经济与重量尺寸指标为最有利。
〔2〕全工况燃气轮机装置带加速燃气轮机装置：
这类装置中，巡航燃气轮机装置可以采用复式线路〔带中间冷却器与回热〕工作的开式燃气轮机或按闭式循环工作的燃气轮机。
前者具有蒸—燃联合装置大局部的优点，燃料消耗和重量尺寸都可减少，后者在巡航时能保证较高的热效率，局部负荷时性能良好。
一般用于大型舰艇。
〔3〕柴油机与燃气轮机联合：
这类装置中，柴油机作巡航机，与燃气轮机二者都通过离合器与主减速器相联，采用道顺离合器或调距桨实现倒车。
这类装置常被小型舰艇使用，它的常用功率一般小于全功率的50%，全功率仅占整个服役时间的1%左右。
这类联合装置的优点：
1、重量尺寸小，一定排水量下可提高航速或增加配置功率。
2、操纵方便，备车迅速，紧急情况下可将燃气轮机立即启动，用调距桨或倒顺离合器实现倒车。
3、自巡航到全速工况加速迅速，可立即发出全功率。
4、两个机组共同使用一个减速器，具有多机组并车的可靠性。
5、管理与检修费用较低。
但是两机型联合也有不足之处：
1、必须配适宜用不同机种的燃料与相应的管路与贮备设备，不同燃料的贮备比例会影响舰艇的战术性能。
2、共同使用一个主减速器，小齿轮数目多，结构复杂。
3、两种不同类型机组在减速器周围布置上有一定难度。
052、052b是我国联合动力的典型。
052使用二台美制LM2500燃气轮机，持续功率55000马力；二台国产化的MTU20V956TB92柴油机，持续功率8840马力。
LM500、LM2500、LM2500+是目前舰用燃气动力的代表。
052b据说用的是原版的乌克兰DN80燃气轮机，但由于进口的核心机叶片制造工艺实在太差，我国重新使用国产叶片对原形机进展了换装。
在美国进展制裁后，我国想使用LM2500作为舰艇动力装置的可能性已经为零，而DN80作为最适宜也是现实的动力装置成为我国新一代水面舰艇的不二选择。
DA80重16吨，转速3000-3600rpm、功率26700kW、长6.4米、宽2.5米、高2.7米，热效率36.5%，性能不俗。
而DN80的国产化版本GT25000已经实现核心机国产化。
052b的柴油机仍然是国产化MTU20V956TB92。
五．下面主要说说柴油机的问题。
柴油机和汽油机都是内燃式热机。
两者的区别从结构上来说不是很大，最主要的区别就是柴油机没有点火装置。
汽油机使用挥发性好的汽油做燃料，采用外部混合法〔汽油与空气在汽缸外部进气管中的汽化器进展混合〕形成可燃混合气。
缸内燃烧为电点火式〔电火花塞点火〕。
这种工作特点使汽油机不能采用高压缩比，因而限制了汽油机的经济性不能大幅度提高，作为船舶来说，动力装置的经济性是一个重要的考虑内容。
而且，由于燃料的原因，汽油机也不允许作为船用发动机使用，因为汽油的火灾危险性大〔挥发性强〕。
柴油机可以使用劣质燃料油做燃料，这是一个重要优势。
柴油机使用内部混合法〔燃油与空气的混合发生在汽缸内部〕形成可燃混合气，缸内燃烧采用压缩式〔靠缸内空气压缩形成的高温自行发火〕。
这种工作特点使柴油机在热机领域内具有最高的热效率〔已达55%左右〕。
功率大X围广同时燃料的挥发性差使得柴油机在船用动力中取得了绝对位置。
所以，汽油机根本不会作为船舶主机使用〔辅机也不太可能〕。
柴油机分为二冲程和四冲程，简单的来说，二冲程效率高、功率大、工作可靠、寿命长、可使用劣质燃油以与转速低。
主要是中、低速机，优势较大。
四冲程机的稳步开展从20世纪50年代开始，工作可靠性、使用寿命、经济性与对劣质燃油的适应性方面根本上达到了与低速机相近的水平。
四冲程机主要是中、高速机，除用作主机外较多用于船上的辅机〔发电机〕。
一般认为二冲程机的燃烧效果没有四冲程机好。
关于柴油机的烟气
在正常情况下，柴油机的排气受燃烧品质的影响。
柴油机的排气主要成分是二氧化碳〔CO2〕、水蒸汽、过量空气、剩余氮〔N2〕〔以上成分对生物无直接危害。
〕、CO、氮氧化物〔NOx〕、碳氢化物〔HC〕、SO2、臭氧和微粒物质〔碳烟、油雾等〕。
技术状况良好的柴油机，在常用工况下，排气管排出的废气，是无色透明或接近无色透明的气体。
假如出现黑烟、蓝烟或白烟如此说明柴油机出了问题。
但是，其实柴油机完全正常的情况下也会出现黑烟〔燃烧不完全〕。
黑烟有碳粒子构成，主要成分是碳元素。
柴油机中的黑烟是燃油在燃烧过程中经过一系列物理化学变化后形成的。
关于形成的机理目前还在探讨中，比拟一致的观点是燃油在高温区缺氧热裂成碳烟核心，此碳烟核心经历外表增长的凝聚过程最后形成碳烟粒子随排气排出。
尽管柴油机的黑烟有时看起来很不环保，但有一点，柴油机废气中的CO含量远远低于汽油机废气中的含量。
简单说，在正常情况下，柴油机的黑烟是由于负荷的变化造成燃烧不充分形成的，当然，作为新的主机还要调试，出现黑烟也是正常的。
这主要是调试喷射和雾化系统造成的。
燃油的质量也有关系。
舰船试航时除要试验主机的性能外，还要检查船舶的航行性能：
〔1〕速率试验：
在试航区测定主机在不同工况时的行速，并确定计程仪校正植。
〔2〕惯性试验：
包括全速前进到停止，从全速前进到全速后退，从全速后退到停止以与全速后退到全速前进等项目。
试验时记录主机转速与船舶滞航的时间和距离。
〔3〕回转试验：
即进展船舶在全速时操舵试验，以测定船舶的回转直径大小。
因为在试航时舰艇主机的负荷不断变化，而且变化较大，这使得柴油机的工况也不断变化，往往在加速、大负荷时柴油机会因为燃烧不完全而排黑烟。
我们不能从试航时排黑色烟气说明主机的质量不过关，更不是什么零部件故障〔如扫气箱着火〕。
同时也要知道，有的舰艇之所以没有大量黑色烟气的排放不代表其主机的先进，应该看它用的是什么类型的主机/辅机以与在什么工况/环境下。
柴油机排黑烟可以说在有的情况下是无法防止的，这是柴油机的“先天缺陷〞。
柴油机的黑烟对舰船来说，最大的影响是增加了被敌人观察器材和热反响器材的发现与被红外自导武器命中的几率。
这方面MEKOA-200是一个很好的榜样，MEKOA-200采用２台功率为５９２０千瓦的柴油机用一台变速箱驱动双轴。
1台功率为20000千瓦的LM2500燃气轮机驱动位于中线处的一台喷水推进器。
舰上配有４台柴油发电机，为全舰提供电能。
舰废气的排放是通过舰尾水线以上的排气口排出的，并用冷却的空气或注入海水的方法将废气温度降至100℃以下，并且排出的气体大局部被尾波所掩盖，因此该舰的红外特征信号很小。
这种方法在一些隐身舰上也得到应用，这值得我们借鉴。
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