航空母艦動力裝置選型研究及應用可行性分析

摘要：概要介紹了柴油機、汽輪機、燃氣輪機、聯(lián)合動力裝置及核動力裝置的技術(shù)特點及發(fā)展概況，并分析了主推進發(fā)動機（亦稱“主機”）對水面艦船技術(shù)性能的影響。隨后，重點對以上幾類主機在航空母艦上的應用可行性進行了分析。盡管經(jīng)濟性較好，但由于輸出功率較為有限，柴油機很難在航空母艦等大型水面艦船上得到推廣。核動力裝置能顯著提升全艦的動力性、續(xù)航力及隱蔽性，并且不會對全艦艙室及甲板的布置造成顯著影響，是未來大、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氣輪機等常規(guī)動力裝置。汽輪機有著較高的輸出功率，且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高，適用于各種類型的航空母艦，并且作為核動力裝置的主機，有著廣闊的發(fā)展前景。截至目前，雖然我國現(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)動力，但隨著技術(shù)的發(fā)展，新型核動力航空母艦也有望在將來加入海軍編隊，為我國的領(lǐng)海安全及邊防事業(yè)作出不可或缺的貢獻。

關(guān)鍵詞：航空母艦；核動力；汽輪機；燃氣輪機；聯(lián)合動力裝置；柴油機；內(nèi)燃機

0 引言

19世紀初期，往復蒸汽機即已成功應用于“克萊蒙特”號內(nèi)河船舶，用作于全船的主推進動力，標志著船舶”動力裝置”概念的形成。動力裝置的原意是指代替人力或風力，為各類船舶提供推進動力的一整套機械、設(shè)備及系統(tǒng)。多年來，隨著船舶技術(shù)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，相關(guān)動力裝置的性能也在逐步提升。

1 水面艦船主推進發(fā)動機及其技術(shù)特點

1.1 總體概述

艦船動力裝置的推進動力來自于主推進發(fā)動機（又稱“主機”）。主機將多種來源的熱能轉(zhuǎn)換為機械功，從而為艦船提供航行所需的能量。動力裝置按具體類型來分，主要包括柴油機、汽輪機、燃氣輪機、聯(lián)合動力裝置，以及核動力裝置等幾類。通過研究水面艦船動力裝置，有利于快速掌握其類型、結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點、使用及管理方法，從而加深其在作戰(zhàn)過程中的運用，提升水面艦船攻防實戰(zhàn)的能力。

1.2艦用柴油機的技術(shù)特點及發(fā)展概況

1.2.1艦用柴油機的主要技術(shù)特點

在柴油機氣缸中，高溫燃氣推動活塞下行，活塞驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)，從而將熱能轉(zhuǎn)換為機械功。總體而言，柴油機的技術(shù)優(yōu)勢主要有以下幾方面。

（1）經(jīng)濟性較好。柴油機在其整個工況區(qū)域內(nèi)都具有較高的經(jīng)濟性。同時，低速柴油機也能燃用重質(zhì)燃油，顯著降低了燃油費用。

（2）具有良好的機動性。柴油機的啟動及加速性能較好，并能實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。主機的機動性是一項重要技術(shù)性能指標，對水面艦船尤其重要，會直接影響到全艦的綜合反應能力及技術(shù)性能的發(fā)揮。在當今時代，以導彈為代表的高性能武器已得到充分發(fā)展，對水面艦船具有重大威脅。因此，縮短備戰(zhàn)時間，迅速投入戰(zhàn)斗，及時脫離危險區(qū)域，對水面艦船有著重要意義。

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

（4）低速柴油機可直接驅(qū)動螺旋槳，同時通過采用較低的轉(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效率。這一特點不僅提高了能量轉(zhuǎn)換的總效率，并且無需配備減速裝置，簡化了傳動設(shè)備，節(jié)約了造船時的建設(shè)投資和維修費用。

（5）環(huán)境適應性強。柴油機能夠在持續(xù)波動的高背壓，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，柴油機還能被制成低磁性機組，滿足掃雷艦等水面艦船的特殊要求。

就目前而言，柴油機的技術(shù)弊端主要有以下幾方面：

（1）中、高速柴油機單機功率較小。

（2）低速柴油機雖然功率相對較大，但隨著整機功率的提升，該類機組的體積和重量會按一定比例迅速增大。因此，在設(shè)計、制造功率更高的低速柴油機時會遇到一定困難，相應也對零部件的加工、裝配及運輸過程提出了更高要求。在降低機組材料的機械負荷和熱負荷過程中，也會遇到一定困難。

（3）與汽輪機及燃氣輪機等旋轉(zhuǎn)機械不同，柴油機的活塞等部件持續(xù)作往復運動，而非單純的旋轉(zhuǎn)運動，因此會產(chǎn)生周期性的擾動力。因此，柴油機不但振動和噪聲較大，機件的摩擦及磨耗同樣也較為嚴重，并且具有較強的低頻線譜振動噪聲，對水面艦船的隱身與反隱身大為不利。

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

1.2.2 艦用柴油機的技術(shù)發(fā)展概況

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

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

（2）采用高可靠性模塊化設(shè)計制造技術(shù)；

（3）中、低速柴油機采用相關(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艦用汽輪機的技術(shù)特點及發(fā)展概況

1.3.1 艦用汽輪機的主要技術(shù)特點

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

（1）作為單機功率最高的熱力發(fā)動機，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的使用壽命，其有效使用期可達100 000 h以上，并且操縱、維修、保養(yǎng)過程較為簡便；

（3）機組振動、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）燃料適應性較強，可使用劣質(zhì)燃油，相應提高了經(jīng)濟性能。

但與此同時，汽輪機也存在下列缺點：

（1）能量轉(zhuǎn)換過程復雜，經(jīng)濟性較差。在能量傳遞過程中，熱能在鍋爐、管路、閥件、泵等設(shè)備中都會發(fā)生損失，尤其在凝汽器中損失最大，所以機組熱效率相對較低。對采用簡單循環(huán)的汽輪機而言，其經(jīng)濟性較差，既不如柴油機，也不如燃氣輪機。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)效率低于另兩類主機。

（2）系統(tǒng)組成復雜。汽輪機以蒸汽作為工質(zhì)，必須配備鍋爐、凝汽器、泵，以及其他輔助裝置，或配備核反應堆及相關(guān)系統(tǒng)以得到高溫蒸汽。因此，汽輪機的重量指標均大于中速柴油機、高速柴油機及燃氣輪機。并且受蒸汽制備過程的影響，汽輪機的機動性同樣不如上述機組。

（3）由于轉(zhuǎn)速較高，因此汽輪機需要配置一套既能承受高負荷，又有較大減速比，體積、重量又盡量小的減速裝置，從而進一步增大了機組的重量，并使系統(tǒng)組成更為復雜，增大了設(shè)計及制造的成本，降低了系統(tǒng)可靠性。

1.3.2 艦用汽輪機的技術(shù)發(fā)展概況

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

就目前而言，現(xiàn)階段艦用汽輪機的發(fā)展主要有兩種趨勢：一種是提升系統(tǒng)的熱效率，通過提高蒸汽的初參數(shù)，并采用復雜循環(huán)，從而提高主機及輔機的效率；另一種則是采用較低的蒸汽參數(shù)，并增大蒸汽流量，從而使汽輪機本體和鍋爐能采用更為簡單的結(jié)構(gòu)體系，以此簡化管理過程，并增強裝置的可靠性。

1.4 艦用燃氣輪機的技術(shù)特點及及發(fā)展概況

1.4.1 艦用燃氣輪機的主要技術(shù)特點

汽輪機和柴油機這兩類熱力發(fā)動機自問世以來，就得到了廣泛應用。如1.1及1.2中所述，柴油機是一類內(nèi)燃機，燃料在氣缸內(nèi)部燃燒，具有機動性好的優(yōu)勢；而汽輪機是一類熱力渦輪機械，其主要優(yōu)勢是單機功率較大。燃氣輪機則集兩者的優(yōu)點于一體，是繼二者之后，于20世紀中期正式發(fā)展起來的一種熱力發(fā)動機。

燃氣輪機主要由壓氣機、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力渦輪，增壓渦輪與壓氣機同軸，動力渦輪通過軸系驅(qū)動推進器，通常也被稱為雙軸燃氣輪機。壓氣機、燃燒室和增壓渦輪共同組成燃氣發(fā)生器。

在發(fā)展過程中，燃氣輪機首先在航空推進領(lǐng)域得到了廣泛應用，并充分取代了活塞式發(fā)動機。從1947年開始，燃氣輪機在水面艦船領(lǐng)域也得到了應用，并在后續(xù)的幾十年間得到了長足發(fā)展，逐漸成為水面艦船的主要動力裝置之一，備受世界各國海軍的重視，其技術(shù)優(yōu)勢主要如下所示：

（1）機動性好，啟動及加速性能優(yōu)越。燃氣輪機從冷機狀態(tài)下啟動，只需要2～3 min即可達到全負荷工況。一且發(fā)現(xiàn)敵情，艦船即可作出快速響應，迅速投入戰(zhàn)斗，提高作戰(zhàn)的機動能力，有效縮短備戰(zhàn)時間，以上優(yōu)勢對水面艦船有著重要意義。

（2）燃氣輪機重量輕、體積小，可制成箱裝體，且單機功率較高。

（3）附件少，且絕大部分配裝在機箱體上，機組生命力較強。

（4）自動化程度較高，所需配備的工作人員較少。

（5）機組振動幅度較小，能有效改善隨艦人員的工作環(huán)境。

（6）檢修方便，管理簡單，維護工作量較小，易于實現(xiàn)自動化控制。

燃氣輪機雖然具有突出的技術(shù)優(yōu)勢，但也存在如下不足之處：

（1）燃氣輪機的經(jīng)濟性不如柴油機，特別是在偏離額定工況時，燃氣輪機的燃油消耗率會迅速增大。以WR-21型燃氣輪機為例，其在額定工況時的燃油消耗率與高速柴油機相近，但在低負荷工況下運行時，該型燃氣輪機的燃油消耗率會迅速增大。正由于上述問題的存在，限制了燃氣輪機在民用船舶中的應用。

（2）燃氣輪機通常無法直接反轉(zhuǎn)，需要配置專門的倒車傳動裝置或調(diào)距槳，從而使動力裝置結(jié)構(gòu)更為復雜，并增加了系統(tǒng)成本。

（3）燃氣輪機的進、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，因此其熱信號特征也較強，影響了全艦的隱蔽性。

（5）對溫度等環(huán)境條件較為敏感，容易影響機組的熱效率。

（6）機組壽命較短。由于燃氣輪機的燃燒室和渦輪葉片均在高溫、高壓條件下持續(xù)工作。同時燃氣輪機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間內(nèi)即有可能被腐蝕。盡管通常會選用優(yōu)質(zhì)合金材料，但艦用燃氣輪機的工作壽命依然較短。

1.4.2 艦用燃氣輪機的技術(shù)發(fā)展概況

目前，燃氣輪機按結(jié)構(gòu)型式的不同，主要可分為輕型燃氣輪機與重型燃氣輪機。其中，輕型燃氣輪機是一類以航空燃氣輪機為母型，并進一步改制成能適應艦船航行條件的新型機組。重型燃氣輪機則是以工業(yè)燃氣輪機為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的，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，艦用燃氣輪機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。艦用燃氣輪機今后的發(fā)展方向如下所示。

（1）繼續(xù)發(fā)展具有較高初參數(shù)的簡單循環(huán)，不斷提高燃氣初溫，并相應提高壓比，同時采用更高效的冷卻技術(shù)。通過采用先進的冷卻技術(shù)，平均每年可使燃氣初溫提高約25 ℃。近年來，也在持續(xù)研制耐熱的高強度材料，通過采用高溫材料，平均每年可使燃氣初溫提高約10 ℃。

（2）繼續(xù)發(fā)展復雜循環(huán)，充分利用燃氣輪機的排氣熱量，以提高機組總效率。為此，可采用回熱循環(huán)和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。

（3）進一步完善燃氣輪機各主要部件的性能，提高機組總效率。

1.5 艦用主機的技術(shù)特點總結(jié)及歸納

輸出功率是大型水面艦船在選擇主機時需要重點考慮的因素。通常而言，決定熱力發(fā)動機實際輸出功率的主要有兩項指標：工質(zhì)的流量及單位流量工質(zhì)的比焓降。

在機組尺寸相近的前提下，燃氣輪機在輸出功率方面明顯優(yōu)于柴油機。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因主要在于燃氣輪機自身工質(zhì)流動的連續(xù)性。燃氣輪機內(nèi)部的燃燒過程處于持續(xù)進行狀態(tài)，而柴油機內(nèi)部的燃燒過程則是間歇性開展。為避免高溫失效等現(xiàn)象的出現(xiàn)，燃氣輪機內(nèi)部工質(zhì)的峰值溫度通常低于柴油機。不僅如此，燃氣輪機所采用的的軸流式壓氣機的壓縮效果，通常也不如柴油機的活塞機構(gòu)。因此，就單位流量工質(zhì)的比焓降而言，燃氣輪機并不占優(yōu)勢。但如上文所述，由于燃氣輪機內(nèi)部的工質(zhì)處于持續(xù)流動狀態(tài)，并且不存在往復吞吐的現(xiàn)象，因此工質(zhì)在流量方面具有明顯優(yōu)勢。綜合而言，在結(jié)構(gòu)尺寸及重量相近的前提下，燃氣輪機的輸出功率通常高于柴油機。

燃氣輪機與同為熱力渦輪機械的汽輪機相比，二者內(nèi)部的工質(zhì)同樣處于持續(xù)流動狀態(tài)，燃氣輪機內(nèi)部工質(zhì)的溫度雖然更高，但是其壓力明顯更低，燃氣輪機工質(zhì)的壓力通常僅為數(shù)兆帕，但目前超超臨界汽輪機的蒸汽壓力可達30 MPa，致使燃氣輪機的可用比焓降約為汽輪機的1/5～1/3。綜合而言，燃氣輪機在輸出功率方面通常不如汽輪機，但考慮到燃氣輪機較高的機動性及自動化管理程度，其在大型水面艦船領(lǐng)域仍有一定的應用前景。綜合上文所述，各類艦用主機的技術(shù)特點總體如表1所示。

表1 艦用主機的相關(guān)技術(shù)參數(shù)

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2 艦用聯(lián)合動力裝置技術(shù)特點及發(fā)展概述

2.1 艦用聯(lián)合動力裝置的由來

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

表2 水面艦船機組輸出功率及航行時間的總體關(guān)系

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2.2 聯(lián)合動力裝置的發(fā)展概述及組合型式

2.2.1 聯(lián)合動力裝置的發(fā)展概述

迄今為止，水面艦船聯(lián)合動力裝置已經(jīng)過了較長時間的發(fā)展。相關(guān)經(jīng)驗表明，凡有一種新型熱力發(fā)動機問世，往往會出現(xiàn)該類機組與其他既有主機所組成的新型聯(lián)合動力裝置。而在實際使用過程中，隨著新型熱力發(fā)動機技術(shù)性能的提升，單一型式的動力裝置往往會逐漸占據(jù)優(yōu)勢，并取代之前所采用的聯(lián)合動力裝置。直到更先進的熱力發(fā)動機出現(xiàn)，會再次與既有主機進行組合，出現(xiàn)更新穎的聯(lián)合動力裝置。此類現(xiàn)象周而復始，循環(huán)不息。

具體而言，蒸汽機是一類誕生于工業(yè)革命時期的熱力發(fā)動機，曾在人類歷史上扮演過重要角色，而到19世紀末期，汽輪機得以問世，其為一類新型蒸汽動力裝置。歷史上最早的聯(lián)合動力裝置則由蒸汽機與汽輪機組成。該類聯(lián)合動力裝置的設(shè)計理念如下：由于蒸汽機受余隙容積和汽缸行程的限制，高溫蒸汽無法在汽缸內(nèi)得以充分膨脹，由此在蒸汽機后方布設(shè)了汽輪機。在蒸汽機內(nèi)做功后的蒸汽進入汽輪機再次膨脹，由此回收了一部分蒸汽的能量。通過該方式，實現(xiàn)了能量的梯級利用，有效提高了機組的功率和熱效率。

但隨著技術(shù)的發(fā)展，蒸汽機逐漸退出歷史舞臺，各類大型船舶更傾向于采用汽輪機這類單一類型的主機。為了發(fā)揚汽輪機的技術(shù)優(yōu)勢，克服其弊端，除了不斷改進汽輪機本體的技術(shù)性能外，還可與其他類型的熱力發(fā)動機組成聯(lián)合動力裝置。二戰(zhàn)時期以后，隨著燃氣輪機技術(shù)的逐步完善，其出色的動力性能也廣受關(guān)注，由其作為加速機組的一系列聯(lián)合動力裝置也逐漸誕生。

2.2.2 聯(lián)合動力裝置的主要組合型式

考慮到燃氣輪機自身突出的技術(shù)優(yōu)勢，由其所組成的聯(lián)合動力裝置如下文所示，并歸納在表3中。

（1）汽輪機-燃氣輪機聯(lián)合動力裝置（COSAG）。在該類聯(lián)合動力裝置中，由汽輪機作巡航機組，燃氣輪機作加速機組。汽輪機與燃氣輪機的熱力循環(huán)互不關(guān)聯(lián)，只是共用一個減速齒輪裝置，倒車功率通常由倒車汽輪機提供。

（2）燃氣輪機-汽輪機聯(lián)合動力裝置（COGAS）。在該類聯(lián)合動力裝置中，由燃氣輪機作巡航機組，汽輪機作加速機組。巡航工況下由燃氣輪機提供動力，戰(zhàn)時由兩類機組共同提供動力。與COSAG型聯(lián)合動力裝置不同，在COGAS型聯(lián)合動力裝置中，燃氣輪機與汽輪機構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)，燃氣輪機的排氣可用于加熱汽輪機的蒸汽，從而實現(xiàn)能量的梯級利用。

（3）交替使用式柴油機-燃氣輪機聯(lián)合動力裝置（CODOG）。在該類聯(lián)合動力裝置中，由柴油機作巡航機組，燃氣輪機作加速機組。巡航工況下由柴油機提供動力，戰(zhàn)時由燃氣輪機提供動力。當燃氣輪機開始運作后，柴油機即停止對外輸出動力。

（4）共同使用式柴油機-燃氣輪機聯(lián)合動力裝置（CODAG）。在該類聯(lián)合動力裝置中，由柴油機作巡航機組，燃氣輪機作加速機組。巡航工況下由柴油機提供動力，戰(zhàn)時由兩類機組共同提供動力。

（5）交替使用式全燃聯(lián)合動力裝置（COGOG）。該類聯(lián)合動力裝置由巡航燃氣輪機與加速燃氣輪機組成。由燃油經(jīng)濟性較好的小型燃氣輪機作為巡航機組，并長期在額定工況下運行，確保機組的運行效率。當加速燃氣輪機開始運作后，巡航燃氣輪機即停止對外輸出動力。

（6）共同使用式全燃聯(lián)合動力裝置（COGAG）。該類聯(lián)合動力裝置由巡航燃氣輪機和加速燃氣輪機組成。平時由巡航燃氣輪機提供動力，戰(zhàn)時由兩類機組共同提供動力。

表3 由燃氣輪機組成的聯(lián)合動力裝置及相關(guān)組合型式歸納

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2.2.3 聯(lián)合動力裝置的主要技術(shù)特點

總體而言，聯(lián)合動力裝置有具有以下技術(shù)特點。

（1）由于采用了重量較輕、機動性較強的的燃氣輪機作為加速機組，并由此提供高負荷工況下大部分（甚至全部）的功率，可相應減少全艦動力裝置的總重量。

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

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

（4）為實現(xiàn)水面艦船的倒航過程，聯(lián)合動力裝置更適于與調(diào)距槳、減速器、電傳動等相關(guān)系統(tǒng)進行匹配，此時任何一臺主機均可獨立驅(qū)動螺旋槳。但需注意，如果采用可實現(xiàn)倒轉(zhuǎn)的主機（如低速柴油機，以及2.2.2中提到的倒車汽輪機）往往會導致傳動功率的不匹配現(xiàn)象，或產(chǎn)生其他更復雜的技術(shù)問題，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。

2.2.4 聯(lián)合動力裝置的總體發(fā)展趨勢

正如上文所述，由于幾類熱力發(fā)動機的性能特點及適用性均有所不同，因此并非將相關(guān)主機僅通過簡單的兩兩組合，就能使其成為理想化的聯(lián)合動力裝置。

就現(xiàn)階段的聯(lián)合動力裝置而言，多采用燃氣輪機作為加速機組。以COGOG型聯(lián)合動力裝置為例，巡航機組通常會采用單位重量較大、功率較小、燃油消耗率較低且壽命較長的重型燃氣輪機，而加速機組通常會采用功率較大、燃油消耗率較高、且壽命較短的輕型燃氣輪機。

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

3艦用核動力裝置技術(shù)特點及具體型式

3.1 艦用核動力裝置的技術(shù)特點

核反應堆的大規(guī)模應用為艦船動力裝置的發(fā)展開辟了廣闊的前景，其技術(shù)優(yōu)勢主要如下所示：

（1）消耗微量的核燃料即可獲得巨大能量，采用核動力裝置的艦船能以較高的航速航行極遠的距離。以一座功率約為11 040 kW（15 000 PS）的核動力裝置為例，其運轉(zhuǎn)一晝夜僅消耗核燃料15～18 g。美國第一艘核潛艇“鸚鵡螺”號可在不補充燃料的情況下，可在水下環(huán)球航行一周。原蘇聯(lián)核動力破冰船“列寧””號可持續(xù)航行一年，且不補充核燃料。水面艦船在使用核動力裝置后，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。核反應過程不需要空氣的參與，這一特點是其他任何型式的動力裝置都無法比擬的，尤其對潛艇具有重大意義。通過采用核動力裝置，可顯著提升潛艇的戰(zhàn)斗力，并能使其長期隱蔽在深海中，不易被敵方發(fā)現(xiàn)。核動力裝置不消耗空氣的特點對水面艦船也有一定優(yōu)勢，因為無需設(shè)置進、排氣道，也不會產(chǎn)生高溫煙氣，相應提升了隱蔽性。在核戰(zhàn)爭中，也減少了從進氣口中吸入放射性煙塵的危險，易于開展核防護。

但與此同時，核動力裝置也具備一定的劣勢，主要如下所示：

（1）重量尺寸較大。由于核反應過程會釋放大量放射性物質(zhì)，對人體產(chǎn)生嚴重危害，對遠洋、近海水域及碼頭也會產(chǎn)生一定污染，為此需要設(shè)置重達數(shù)百噸甚至上千噸的屏障，以阻止放射性物質(zhì)的外逸，從而使得整個動力裝置的尺寸及重量較大。

（2）核動力裝置造價昂貴，操縱管理技術(shù)復雜，一定程度上制約了其大規(guī)模推廣。

出于以上原因，核動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)展則相對遲緩。

3.2艦用核反應堆的具體類型

為確保隨艦人員的安全，核動力艦船對放射性的防護要求通常比陸用核電站更嚴格。水面艦船在航行時可能會遇到碰撞、觸礁、著火及爆炸等現(xiàn)象，或遭到魚雷、導彈等武器的意外攻擊而沉沒。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，艦船核動力裝置應具備永久關(guān)閉的功能，并需要配備有堅固的反應堆屏障。

根據(jù)艦船對核動力裝置的特殊要求，多年來曾對幾類核反應堆進行了研究。實踐證明，由于壓水堆結(jié)構(gòu)簡單、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堆

該類反應堆采用濃縮度為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、建造及運行成本高昂。

3.2.2低濃鈾分散型壓水堆

該類壓水堆的結(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)部件通過管道進行連接，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)蒸汽動力裝置相似。

3.2.3一體化壓水堆

以德國的“奧托·哈恩”號船用壓水堆為例，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)點是一回路系統(tǒng)簡單，設(shè)備緊湊，反應堆安全殼尺寸較小，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。當一回路發(fā)生冷卻泵停轉(zhuǎn)事故時，仍能依靠冷卻劑的自然循環(huán)維持堆芯的冷卻過程。一體化壓水堆的弊端在于反應堆、蒸發(fā)器及主泵連成一體，從而使得堆內(nèi)結(jié)構(gòu)復雜，提升了設(shè)計、制造及維修的難度。

4 基于水面艦船動力裝置的技術(shù)性能要求

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

4.1可靠性

在投入運行達一段時間后，機電設(shè)備將不可避免地發(fā)生故障。對于水面艦船動力裝置而言，可靠性是極為重要的。可靠性包含了兩方面的意義：一是指動力裝置的生命力，主要是指動力裝置受到外在因素影響后，仍能維持運轉(zhuǎn)的能力，能承受的條件越惡劣，生命力就越強。二是指動力裝置處于正常運行狀態(tài)的時間，正常運行時間越長，可靠性越高，反之則越低。

對于水面艦船動力裝置而言，常采用多機多槳或多機并車的推進方式，其可靠性及生命力顯著高于單機單槳的推進方式。以雙機雙槳這一推進方式為例，當其中一臺主機或與其相匹配螺旋槳發(fā)生嚴重故障時，另一臺主機和螺旋槳仍然可以正常運轉(zhuǎn)，艦船的推進力并未完全喪失。因此，從總體推進效果上看，雙機雙槳推進的方式具有更強的生命力。因此，水面艦船多采用雙機雙槳或多機雙槳的傳動方式。

4.2 機動性

機動性是指水面艦船動力裝置從一種工況過渡到另一種工況的能力，如啟動、加速、制動、反轉(zhuǎn)及并車等過程。動力裝置工況轉(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 啟動性

啟動性的優(yōu)劣與主機的類型有較大關(guān)系。就柴油機的啟動時間而言，主要取決于燃油、滑油、冷卻水、啟動空氣等輔助系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)歷時最長的系統(tǒng)。為了提升柴油機的機動性，通常會采用暖缸等措施。

將柴油機與汽輪機相比，由于汽輪機的啟動過程需要一定流量的高溫蒸汽，因此主要取決于鍋爐點火后，蒸汽參數(shù)達到規(guī)定狀態(tài)的這一過程。盡管部分鍋爐能夠較快地供應蒸汽，但汽輪機的平均啟動時間依然長于柴油機。

而將柴油機同燃氣輪機相比，燃氣輪機的啟動時間相對更短，但總體而言，兩者并無顯著差異。

4.2.2 加速性

加速性同樣與主機的類型有關(guān)?？s短加速時間的首要條件是需要主機在短時間內(nèi)將功率提高到最大值。其次是螺旋槳在加速過程中能否充分吸收主機輸出的功率，并將其轉(zhuǎn)換為對外的推進動力。

對主機而言，影響加速時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現(xiàn)加速。通常而言，燃氣輪機的受熱部件較為輕小，因此有著較好的加速性能。

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

4.2.3 制動與倒航性能

水面艦船在制動與倒航方面的性能主要取決于推進器及相應的傳動方式。對于可反轉(zhuǎn)的低速柴油機+定距槳的組合而言，低速柴油機必須先停止噴油，并將轉(zhuǎn)速降至某一范圍內(nèi)，方可開始反轉(zhuǎn)啟動，因此倒車時間總體較長。

對于不可反轉(zhuǎn)的主機+離合器+定距槳這類組合而言，主要取決于離合器的性能。如果系統(tǒng)采用摩擦式離合器，水面艦船的倒車時間主要取決于離合器反轉(zhuǎn)時的摩擦件溫度升高情況。離合器在反轉(zhuǎn)時所能承受的機械負荷與熱負荷越高，越有利于提高緊急制動及倒車能力。

對于不可反轉(zhuǎn)的主機+調(diào)距槳這類組合而言，因為艦船在制動時無需使主機停止運行，僅通過調(diào)整槳葉螺距即可產(chǎn)生反向推力，因此其制動與倒航性能相對較好。

5 航空母艦動力裝置選型及應用可行性研究

5.1 航空母艦及其技術(shù)特點

航空母艦是一類大型水面艦船。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，其艦體上有一塊覆蓋在整個艦體上面的飛行甲板，供艦載機起降。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)：對敵方艦艇基地進行突襲，掩護和支援兩棲登陸，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，例如艦體大，易受攻擊，艦載機自身的機動性受限，編隊航行時需配備有一定的反潛兵力及防空兵力等。

5.2 基于主機技術(shù)特點的航空母艦動力裝置選型及應用可行性研究

5.2.1 各類主機應用于航空母艦的技術(shù)可行性分析

綜合上文所述，以下對柴油機、汽輪機、燃氣輪機及核動力裝置在航空母艦領(lǐng)域的應用可行性開展重點研究。

依轉(zhuǎn)速的不同，船用柴油機可分為低速柴油機（轉(zhuǎn)速為200 r/min以下）、中速柴油機（轉(zhuǎn)速為200～1000 r/min）及高速柴油機（轉(zhuǎn)速為1 000 r/min以上）共三類。其中，單臺低速柴油機即可提供至少約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，擁有約81 700 kW的輸出功率，但其長約27.4 m、高約13.4 m，重逾2 300 t，過大的尺寸嚴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，因此在選擇主機時通常不作重點考慮。而高速柴油機則存在著功率過小的問題，無法滿足大型水面艦船的動力需求，也不作重點考慮。相對而言，只有中速柴油機擁有相對合適的尺寸，總體前景優(yōu)于低速柴油機及高速柴油機。相較于其他類型的主機，柴油機的最大優(yōu)勢是在全負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，操作與維護人員的需求也低于汽輪機及核動力裝置。但柴油機產(chǎn)生的污染排放較為嚴重，必須通過優(yōu)化排氣系統(tǒng)來降低排放。此外，柴油機排出的高溫煙氣也有可能會影響到艦載機的起飛與降落，并造成艦體外部的腐蝕?？紤]到柴油機對艦體空間與重量的需求較高，為了降低動力系統(tǒng)所占空間，由柴油機構(gòu)成的推進系統(tǒng)通常需要采用多軸推進方案，以及結(jié)構(gòu)更緊湊的機型。但考慮到上述幾類柴油機自身的功率狀況，其在大、中型水面艦船領(lǐng)域的應用前景較為有限，多用于小型水面艦船中。此外，與汽輪機及燃氣輪機等熱力渦輪機械不同，由于柴油機自身結(jié)構(gòu)及工作特點的緣故，不可能實現(xiàn)真正意義上的閉式循環(huán)，或多或少會與外界存在一定數(shù)量的工質(zhì)交換，從而無法與各種型式的核反應堆結(jié)合成新型核動力裝置。因此，在航空母艦動力裝置選型過程中，以上幾類柴油機均不被納入備選行列之中。

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

與汽輪機相比，燃氣輪機則有著重量輕、機動性強的優(yōu)勢，其在高負荷工況下的燃油經(jīng)濟性較好，操作與維護的人員需求也少于汽輪機與核動力裝置。但燃氣輪機龐大的進、排氣道會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，燃氣輪機排氣所產(chǎn)生的紅外線信號也更強烈，并且還存在低負荷工況下燃油經(jīng)濟性較低的問題。但總體而言，燃氣輪機卓越的動力性能確保了其在航空母艦等大、中型水面艦船領(lǐng)域的應用前景。

目前，在常規(guī)動力航空母艦中，燃氣輪機可與汽輪機構(gòu)成重要競爭關(guān)系，亦如上文所述，幾類柴油機均已被排除在主機備選行列之外，因此在表1 的基礎(chǔ)上，僅對燃氣輪機與汽輪機這兩類主機進行更為詳細的定性對比分析，具體如表4所示。總體而言，兩類熱力渦輪機械各具優(yōu)勢，均無法完全取代對方。

表4 燃氣輪機與汽輪機的詳細定性對比

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

將常規(guī)動力航空母艦（以燃氣輪機為主機）與核動力航空母艦進行簡要對比。由于核動力航空母艦無需攜帶過多的常規(guī)燃料，可有效降低全艦排水量，但其設(shè)計及制造成本較高，目前仍亟待優(yōu)化。雖然僅采用常規(guī)動力系統(tǒng)，也能滿足航空母艦在作戰(zhàn)時的高功率需求。但就目前而言，常規(guī)動力航空母艦尚不具備核動力航空母艦的綜合作戰(zhàn)能力，尤其是在高負荷工況下的續(xù)航力與戰(zhàn)術(shù)機動性明顯不如后者。當面對突發(fā)的作戰(zhàn)部署需求時，核動力航空母艦更具優(yōu)勢，并且能為整個艦隊提供更充分的保障，因此總體發(fā)展前景更好。

5.2.2 基于航空母艦技術(shù)特點的主機選型要求

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

為滿足艦載機的飛行需求，航空母艦的最高持續(xù)航速需要維持在27 kn以上，以便在回收艦載機時能有流速約25 kn的甲板風，從而對主機的輸出功率提出了一定要求。以法國“戴高樂”號核動力航空母艦為例，其采用了核潛艇的反應堆，只能提供約57 000 kW的推進功率，致使全艦最高航速僅有27 kn。為確保艦載機的作戰(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，則必須采用汽輪機這類主機（含核動力裝置），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對航空母艦主機選型及其功率下限產(chǎn)生影響。

而美國方面自“福萊斯特”級航空母艦起，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)要求對主機類型進行了進一步制約。亦如5.2.1中所述，中速柴油機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及艦載機起降作業(yè)需求，目前所能選用的動力裝置僅限于汽輪機、燃氣輪機及核動力裝置這幾類。

從全艦的生命力和機動性上考慮，航空母艦必須采用兩軸以上的推進方式。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動能力。此外，機艙布置多單元化，也是確保全艦生命力的一項基本原則。

此外，電能是航空母艦上的一類重要能源，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)及艦載機的電力需求。美國最新的“福特”級核動力航空母艦，很大程度上解決了未來航空母艦對電力的需求。

由此可知，采用核動力裝置將是各國航空母艦未來最重要的發(fā)展方向之一。由于目前多以壓水堆作為動力來源，因此同樣也需要依存于汽輪機來進行能量轉(zhuǎn)換。而以氦氣作為工作的閉式循環(huán)燃氣輪機也可與高溫氣冷堆搭配，并作為核動力艦船的動力來源，目前仍在持續(xù)研究過程中。

6 航空母艦動力裝置發(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，這就要求采用大功率的主機與其適應。多年來，在提升艦用主機的動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。

低速柴油機是一類得到廣泛應用的船舶主機。其優(yōu)勢在于燃油消耗率低、壽命長、工作可靠、易于維修保養(yǎng)、造價低且經(jīng)濟性好，但其體積和重量較大，并且該兩項指標會隨機組功率的提升而迅速增大。尤其是機組高度較大的問題，限制了其在航空母艦等大型水面艦船上的應用。同時，即便是大型低速柴油機，其功率依然有限，較難滿足航空母艦的動力需求。

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

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

雖然發(fā)展年限短于以上幾類主機，但燃氣輪機已彰顯出強大的生命力及廣闊的前景。與汽輪機相比，燃氣輪機的結(jié)構(gòu)更簡單，重量更輕。就目前而言，輕型燃氣輪機是水面艦船較為理想的動力裝置，其不僅適用于高速快艇，也適用于護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦等中型水面艦船。但由于輕型燃氣輪機的燃油消耗率較大、對燃油品質(zhì)要求較高，所以其經(jīng)濟性目前依然有待提升。同時，單臺燃氣輪機如要應用于航空母艦等大型水面艦船，則略顯功率不足，需要采用多機并車的方式，例如采用COGAG型聯(lián)合動力裝置的方式。

由于具有功率高、續(xù)航能力強、排放少、隱蔽性好、便于機艙甲板布置等顯著優(yōu)勢，核動力航空母艦目前是各國競相研究及開發(fā)的對象，以“福特”級為代表的核動力航空母艦將是未來的重點發(fā)展方向。截至目前，我國所擁有的3艘航空母艦均采用常規(guī)動力，但隨著技術(shù)的發(fā)展，新型核動力航空母艦也有望加入我國海防武備體系之中。

7 結(jié)論

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

參考文獻

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