国外舰船动力技术发展现状与趋势

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12936kW（17600hp）。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17640kW（23500hp），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23520kW（32000hp）。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％；3675kW（5000hp）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8822kW（12000hp），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。PielstickPA4-200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GMTA250.20HVM型机最大功率为7750kW，德国的MTU24V1163-93型机最大功率8824kW，法国的SEMT-Pielstick20VPA6-280BTS型机10%超负荷功率可达9705kW。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130Mpa。近年，船用柴油机开始向智能化方向发展。由MANB＆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。MANB&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。WartsilaNSD和MTU等公司也在各自的柴油机上发展智能柴油机。WartsilaNSD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