国外舰船动力装置技术发展现状及趋势_杜剑维
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( 中国舰船研究院 , 北京 100192)
动力装置作为舰船的心脏 , 一直是各国海军发展的重 点 , 近 年来国外舰 船动力装 置在各 个领域 均发 摘 要: 展很快 。 本文针对柴油机 、燃气轮机 、综合 电力推进及传动装置 4 个领域 , 对国 外动力装置 发展现状 及趋势进行 了总 结 , 针对各项新技术对舰船动力装置发展的推动作用和影响进行了阐述 。
2006年 , M T U 公司在推出的改进型 M T U 4000 舰 艇柴油机上采用了第 2 代共轨喷油系统 , 该系统采用 高压直列式燃油泵和引入式喷油器 , 与第 1 代系统最 大的不同是每个引入式喷油器都配有燃油蓄压器 , 蓄 压功能由这些蓄压器来完成 , 共轨的功能缩减为仅向 蓄压器供油 。 蓄压器可在整个 功率范围内产生 180 M P a 的压力 。 2) 电子控制技术 柴油机电子控制技术包括增压系统和配气系统 等采用电子控制 , 以及电子调速 、气缸电子润滑和柴 油机电子启动等 。 换言之 , 即对柴油机的供油 、 进气 、 排气 、气缸润滑 、启动 、凸轮轴和动力传动系统 , 以及
图 1 MT U 4000 系列柴油机上采用的共轨喷油系统 F i g . 1 C o m mo nr a i l i n s e c t o r s y s t e mo f MT U4000 s e r i e sd i e s e l e n g i n e
舰船柴油机大多采用相继增压系统 ( S T C ) , 相继 增压技术的应用使柴油机在高转速时 2 台 ( 多台 ) 增 压器能一起工作 ; 低转速时 1 台增压器停转或部分增 压器停转 , 以提高其效率 , 从而增大低转速时的柴油 机功率 , 改善低负荷性能 。 这对舰船柴油机巡航工况 是十分有利的 。 M T U 8000 柴油机在增压系统中还采 用了排气泄放阀 , 以限制高转速时涡轮转速 , 使增压 器的匹配可以更好地兼顾高 、 低转速的要求 。 使柴油 机在整个转速范围内都有较低的燃油消耗率和相当 丰满的功率曲线 , 同时加速性能好 。 1. 3 未来发展趋势 1) 采用智能化技术 舰船柴油机难以在缸径不变的情况下增加强化 系数 、提 高 功 率 和降 低 排 放 , 从 M T U 8000 和新 型 M T U 4000 柴油机的发展来看 , 高压共轨喷油和电控 等智能化技术可提 高柴油机的功率和效 率 , 降低排
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舰 船 科 学 技 术 换向伺服系统等进行全电子控制 。
第 32 卷
M T U 公司的舰艇柴油机电子控制系统分为第 1 代电 子 控 制 系 统 M D E C( M T UD i e s e lE l e c t r o n i c C o n t r o l ) 和第 2代电子控制系统 A D E C ( A d v a n c e d D i e s e l E n g i n eC o n t r o l ) 。M D E C 系统可实现柴油机优 化控制 , 可对柴油机进行预测和诊断 , 并可与舰船远 程控制系统 ( R C S ) 和监视控制系统 ( M C S ) 等其他控 制系统连接 。 M T U 2000 系列 、 4000 系列和 8000 系列 柴油机即使用该系统 。 A D E C 系统有 3 种喷油方式 高压油泵 、 高压油轨 、蓄油器 、电控喷油器 、 控制油路 、 电控系统和高压油管组成 。 图 1 为在 M T U 4000 系列 柴油机上采用的共轨喷油系统 。 采用共轨喷油系统 后 , 柴油机可灵活选择起始喷油的时间 、 持续时间 、喷 射顺序和喷射压力等参数 , 可使柴油机在低工况时有 较高的效率和较低的污染物排放量 , 可在整个功率范 围内明显降低油耗和减少排放量 , 还可明显降低柴油 机的惰转和部分负荷下的结构噪音 。 ( 辅、 主和后喷 ) 的电子管理系统 , 可对燃油喷射过程 进行优化控制 , 还可远程扫描和通过因特网读取柴油 机数 据 。 A D E C系 统 还 可 与 维 修 使 用 模 块 S A M ( S e r v i c ea n dA p p l i c a t i o nM o d u l e ) 联合使用 , 使柴油机 可与其他设备集成 。 新型 M T U 2000 系列和 4000 系 列柴油机即采用该系统 。 M T U 公司的改进型 4000 舰艇柴 油机采用了新 一代燃油共轨技术和电子控制技术 , 废气可不经过烟 气再处理和不使用其他设备就可满足排放要求 , 达到 了新的 N O x 排放限制 , N O x 排放量 为 7. 2g /k W ·h , 粒子排放也很少 。 由于没有排气再处理设备 , 改进型 4000 柴 油 机 与 原 4000 柴 油 机 相 比 长 度 减 少 了 0. 5m , 重量减少 1. 5t 。 功率也有提高 , 单缸功率在 额定转速 2 170 r /m i n 时 , 从 170 k W提高到 215 k W, 提高了 26%。 12V 4000 从 2 040 k W 提 高到 2 580 k W, 16V 4000 从 2 720 k W 提 高 到 3 440 k W, 20V 4000系列柴油机的功率可达 4 300 k W。 3) 相继增压技术
0 引 言
近 10多年来 , 国外在舰船柴油机 、燃气轮机 、动 力传动装置和综合电力系统 4个领域技术发展迅速 。 本文通过跟踪国外舰船动力装置重大技术的发展脉 络和发展重点 , 为实现我国舰船动力装置的自主创新 和跨越式发展提供参考与借鉴 。 此外 , 充分了解国外 在上述 4 个领域研发中遇到的问题 , 有助于国内有针 对性地开展前瞻性研究 , 指导完成相关领域预研并做 好技术储, 等 : 国外舰船动力装置技术发展现状及趋势
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美国海军利用喷水法和水雾喷射法降低燃气轮 2) 重视降低有害物的排放 机 N O x 排放量 , 这 2 种方法技术简单 , 成本低且不会 降低燃气轮机 的效率 。 美国 海军在费城的 L M 2500 燃气轮机陆上试验站对这 2 种方法进行了试验 。 英 国罗尔斯 · 罗伊斯公司研制了使用馏出燃油的液体 干式低排放系统 , 高功率下该系统可使 N O x 排放量 减少到常规扩散火焰技术的 10%。 3) 复杂循环技术 英国罗尔斯 · 罗伊斯公司和美国诺斯罗普 · 格 鲁曼公司 联合研 制了舰用 WR 21 中间回 热燃气轮 机 。 该机在两级压气机之间设置有 1 个中间冷却器 , 以冷却低压压气机的排气 , 减少高压压气机的耗功 , 提高高压转子效率 , 增加发动机的功率 。 该机使用回 热器对高压压气机的排气进行预热 , 减少了达到预定 燃气初温所需的燃料 , 降低了油耗率 。 动力涡轮采用 可调变几何导向叶片 , 根据功率和质量流量的变化 , 调节导向叶片 , 从而可对给定的部分负荷保持高的燃 气初温 , 改进了回热器的传热 , 改善了部分负荷下的 油耗率 。 这 3 项技术使 WR21 的油耗率在最大功 率下减少 17%, 40 %额定 功率下减 少 25% ～ 30%, 30%额定功率下减少 31. 5%, 10%额 定功率下减少 40% ～ 60 %, 且整个功率范围内 油耗率曲线极为平 坦。 2. 3 未来发展趋势 1) 燃气轮机控制系统实现数字化 除 L M 2500 燃气轮机 外 , 美国海 军 C G 47 级巡 洋舰日用电发电机组的原动机 501 K 17 燃气轮机也 开发了新型全权数字发动机控制系统 。 该系统通过
关键词 : 柴油机 ; 燃气轮机 ; 传动装置 ; 综合电力系统 中图分类号 : U 664. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1672 7649( 2010) 08 0013 07 D O I : 10. 3404 /j . i s s n . 1672 7649. 2010. 08. 003
S t u d yo nt h ed e v e l o p me n t s t a t u s a n dt r e n do f f o r e i g nma r i n ep o w e rp l a n t t e c h n o l o g y
D UJ i a n w e i ,T A N GJ i a n h u a ,L I N a n ( C h i n a S h i pR e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t A c a d e m y ,B e i j i n g100192, C h i n a ) A b s t r a c t : A s t h e h e a r t o f s h i p ,p o w e r p l a n t i s t h e e m p h a s e s o f n a v y d e v e l o p m e n t o f e v e r y c o u n t r y . I n r e c e n t y e a r s , f o r e i g ns h i p p o w e r p l a n t s a r e g r o w i n gr a p i d l yi ne a c hf i e l d . D e v e l o p m e n t s t a t e s a n dt r e n d s o f d i e s e l e n g i n e ,g a s t u r b i n e , i n t e g r a t e d p o w e r s y s t e ma n d t r a n s m i s s i o n d e v i c e a r e s u m m a r i z e d . P r o m o t i o n e f f e c t a n di n f l u e n c e o f n e wt e c h n o l o g i e s o n s h i pp o w e r p l a n t s d e v e l o p m e n t a r ee x p a t i a t e d . K e yw o r d s : d i e s e l e n g i n e ; g a s t u r b i n e ; t r a n s m i s s i o nd e v i c e ; i n t e g r a t e dp o w e r s y s t e m 以柴油机为主动力 。 目前 , 国外 舰船柴油 机平均有 效压力 为 2. 4～ 3. 0M P a , 活塞平均速度 10 ～ 13 m/s , 最高燃烧压力 16 ～ 20 M P a , 最高喷油压力 160 ～ 200 M P a , 燃油耗率 190 ～ 220 g /k W· h , 单位功率重量 2 ～ 5 k g /k W, 强化 指标 24 ～ 38 M P a · m/s , 高速柴油机大修期 8 000 ～ 12 000 h , 中速柴油机大修 期 18 000 ～ 24 000 h 。国 外具有代表性的舰船柴油机主要参数见表 1。 1. 2 新技术研究及应用 近 10 年 , 舰船柴油机在高可靠性 、 低排放和高功 率密度等方面取得了长足的进步 , 这与舰船柴油机在 共轨喷油技术 、 电子控制技术和相继增压技术等领域 的发展密切相关 。 1) 共轨喷油技术 德国 M T U 公司和 L a r g a n g e 公司从 1990年开始开 发共轨喷油技术 , 并于 1996 年在 M T U 4000 系列柴油 机上采用 , 该共轨喷油系统的喷油压力为 180 M P a ,由
1 舰艇柴油机
1. 1 发展现状 舰船柴油机具有热效率高 、功率范围广 、较好的 功率重量比和功率体积比等优点 , 因此在舰船动力装 置中所占份额极大 。 据 2000 年统计 , 90% 的大 、 中型 民用船舶 , 60% 左右的中 、小型战斗舰艇和辅助舰船
收稿日期 :2010 -04 -20 作者简介 : 杜剑维 ( 1982 -) , 男 , 工程师 , 主要从事舰船动力及电力系统研究与管理 。
第 32 卷第 8期 2010 年 8 月
舰 船 科 学 技 术 S H I PS C I E N C EA N DT E C H N O L O G Y
V o l . 32 , N o . 8 A u g . , 2010
国外舰船动力装置技术发展现状及趋势
杜剑维 , 汤建华 , 李 南
动力装置作为舰船的心脏 , 一直是各国海军发展的重 点 , 近 年来国外舰 船动力装 置在各 个领域 均发 摘 要: 展很快 。 本文针对柴油机 、燃气轮机 、综合 电力推进及传动装置 4 个领域 , 对国 外动力装置 发展现状 及趋势进行 了总 结 , 针对各项新技术对舰船动力装置发展的推动作用和影响进行了阐述 。
2006年 , M T U 公司在推出的改进型 M T U 4000 舰 艇柴油机上采用了第 2 代共轨喷油系统 , 该系统采用 高压直列式燃油泵和引入式喷油器 , 与第 1 代系统最 大的不同是每个引入式喷油器都配有燃油蓄压器 , 蓄 压功能由这些蓄压器来完成 , 共轨的功能缩减为仅向 蓄压器供油 。 蓄压器可在整个 功率范围内产生 180 M P a 的压力 。 2) 电子控制技术 柴油机电子控制技术包括增压系统和配气系统 等采用电子控制 , 以及电子调速 、气缸电子润滑和柴 油机电子启动等 。 换言之 , 即对柴油机的供油 、 进气 、 排气 、气缸润滑 、启动 、凸轮轴和动力传动系统 , 以及
图 1 MT U 4000 系列柴油机上采用的共轨喷油系统 F i g . 1 C o m mo nr a i l i n s e c t o r s y s t e mo f MT U4000 s e r i e sd i e s e l e n g i n e
舰船柴油机大多采用相继增压系统 ( S T C ) , 相继 增压技术的应用使柴油机在高转速时 2 台 ( 多台 ) 增 压器能一起工作 ; 低转速时 1 台增压器停转或部分增 压器停转 , 以提高其效率 , 从而增大低转速时的柴油 机功率 , 改善低负荷性能 。 这对舰船柴油机巡航工况 是十分有利的 。 M T U 8000 柴油机在增压系统中还采 用了排气泄放阀 , 以限制高转速时涡轮转速 , 使增压 器的匹配可以更好地兼顾高 、 低转速的要求 。 使柴油 机在整个转速范围内都有较低的燃油消耗率和相当 丰满的功率曲线 , 同时加速性能好 。 1. 3 未来发展趋势 1) 采用智能化技术 舰船柴油机难以在缸径不变的情况下增加强化 系数 、提 高 功 率 和降 低 排 放 , 从 M T U 8000 和新 型 M T U 4000 柴油机的发展来看 , 高压共轨喷油和电控 等智能化技术可提 高柴油机的功率和效 率 , 降低排
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舰 船 科 学 技 术 换向伺服系统等进行全电子控制 。
第 32 卷
M T U 公司的舰艇柴油机电子控制系统分为第 1 代电 子 控 制 系 统 M D E C( M T UD i e s e lE l e c t r o n i c C o n t r o l ) 和第 2代电子控制系统 A D E C ( A d v a n c e d D i e s e l E n g i n eC o n t r o l ) 。M D E C 系统可实现柴油机优 化控制 , 可对柴油机进行预测和诊断 , 并可与舰船远 程控制系统 ( R C S ) 和监视控制系统 ( M C S ) 等其他控 制系统连接 。 M T U 2000 系列 、 4000 系列和 8000 系列 柴油机即使用该系统 。 A D E C 系统有 3 种喷油方式 高压油泵 、 高压油轨 、蓄油器 、电控喷油器 、 控制油路 、 电控系统和高压油管组成 。 图 1 为在 M T U 4000 系列 柴油机上采用的共轨喷油系统 。 采用共轨喷油系统 后 , 柴油机可灵活选择起始喷油的时间 、 持续时间 、喷 射顺序和喷射压力等参数 , 可使柴油机在低工况时有 较高的效率和较低的污染物排放量 , 可在整个功率范 围内明显降低油耗和减少排放量 , 还可明显降低柴油 机的惰转和部分负荷下的结构噪音 。 ( 辅、 主和后喷 ) 的电子管理系统 , 可对燃油喷射过程 进行优化控制 , 还可远程扫描和通过因特网读取柴油 机数 据 。 A D E C系 统 还 可 与 维 修 使 用 模 块 S A M ( S e r v i c ea n dA p p l i c a t i o nM o d u l e ) 联合使用 , 使柴油机 可与其他设备集成 。 新型 M T U 2000 系列和 4000 系 列柴油机即采用该系统 。 M T U 公司的改进型 4000 舰艇柴 油机采用了新 一代燃油共轨技术和电子控制技术 , 废气可不经过烟 气再处理和不使用其他设备就可满足排放要求 , 达到 了新的 N O x 排放限制 , N O x 排放量 为 7. 2g /k W ·h , 粒子排放也很少 。 由于没有排气再处理设备 , 改进型 4000 柴 油 机 与 原 4000 柴 油 机 相 比 长 度 减 少 了 0. 5m , 重量减少 1. 5t 。 功率也有提高 , 单缸功率在 额定转速 2 170 r /m i n 时 , 从 170 k W提高到 215 k W, 提高了 26%。 12V 4000 从 2 040 k W 提 高到 2 580 k W, 16V 4000 从 2 720 k W 提 高 到 3 440 k W, 20V 4000系列柴油机的功率可达 4 300 k W。 3) 相继增压技术
0 引 言
近 10多年来 , 国外在舰船柴油机 、燃气轮机 、动 力传动装置和综合电力系统 4个领域技术发展迅速 。 本文通过跟踪国外舰船动力装置重大技术的发展脉 络和发展重点 , 为实现我国舰船动力装置的自主创新 和跨越式发展提供参考与借鉴 。 此外 , 充分了解国外 在上述 4 个领域研发中遇到的问题 , 有助于国内有针 对性地开展前瞻性研究 , 指导完成相关领域预研并做 好技术储, 等 : 国外舰船动力装置技术发展现状及趋势
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美国海军利用喷水法和水雾喷射法降低燃气轮 2) 重视降低有害物的排放 机 N O x 排放量 , 这 2 种方法技术简单 , 成本低且不会 降低燃气轮机 的效率 。 美国 海军在费城的 L M 2500 燃气轮机陆上试验站对这 2 种方法进行了试验 。 英 国罗尔斯 · 罗伊斯公司研制了使用馏出燃油的液体 干式低排放系统 , 高功率下该系统可使 N O x 排放量 减少到常规扩散火焰技术的 10%。 3) 复杂循环技术 英国罗尔斯 · 罗伊斯公司和美国诺斯罗普 · 格 鲁曼公司 联合研 制了舰用 WR 21 中间回 热燃气轮 机 。 该机在两级压气机之间设置有 1 个中间冷却器 , 以冷却低压压气机的排气 , 减少高压压气机的耗功 , 提高高压转子效率 , 增加发动机的功率 。 该机使用回 热器对高压压气机的排气进行预热 , 减少了达到预定 燃气初温所需的燃料 , 降低了油耗率 。 动力涡轮采用 可调变几何导向叶片 , 根据功率和质量流量的变化 , 调节导向叶片 , 从而可对给定的部分负荷保持高的燃 气初温 , 改进了回热器的传热 , 改善了部分负荷下的 油耗率 。 这 3 项技术使 WR21 的油耗率在最大功 率下减少 17%, 40 %额定 功率下减 少 25% ～ 30%, 30%额定功率下减少 31. 5%, 10%额 定功率下减少 40% ～ 60 %, 且整个功率范围内 油耗率曲线极为平 坦。 2. 3 未来发展趋势 1) 燃气轮机控制系统实现数字化 除 L M 2500 燃气轮机 外 , 美国海 军 C G 47 级巡 洋舰日用电发电机组的原动机 501 K 17 燃气轮机也 开发了新型全权数字发动机控制系统 。 该系统通过
关键词 : 柴油机 ; 燃气轮机 ; 传动装置 ; 综合电力系统 中图分类号 : U 664. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1672 7649( 2010) 08 0013 07 D O I : 10. 3404 /j . i s s n . 1672 7649. 2010. 08. 003
S t u d yo nt h ed e v e l o p me n t s t a t u s a n dt r e n do f f o r e i g nma r i n ep o w e rp l a n t t e c h n o l o g y
D UJ i a n w e i ,T A N GJ i a n h u a ,L I N a n ( C h i n a S h i pR e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t A c a d e m y ,B e i j i n g100192, C h i n a ) A b s t r a c t : A s t h e h e a r t o f s h i p ,p o w e r p l a n t i s t h e e m p h a s e s o f n a v y d e v e l o p m e n t o f e v e r y c o u n t r y . I n r e c e n t y e a r s , f o r e i g ns h i p p o w e r p l a n t s a r e g r o w i n gr a p i d l yi ne a c hf i e l d . D e v e l o p m e n t s t a t e s a n dt r e n d s o f d i e s e l e n g i n e ,g a s t u r b i n e , i n t e g r a t e d p o w e r s y s t e ma n d t r a n s m i s s i o n d e v i c e a r e s u m m a r i z e d . P r o m o t i o n e f f e c t a n di n f l u e n c e o f n e wt e c h n o l o g i e s o n s h i pp o w e r p l a n t s d e v e l o p m e n t a r ee x p a t i a t e d . K e yw o r d s : d i e s e l e n g i n e ; g a s t u r b i n e ; t r a n s m i s s i o nd e v i c e ; i n t e g r a t e dp o w e r s y s t e m 以柴油机为主动力 。 目前 , 国外 舰船柴油 机平均有 效压力 为 2. 4～ 3. 0M P a , 活塞平均速度 10 ～ 13 m/s , 最高燃烧压力 16 ～ 20 M P a , 最高喷油压力 160 ～ 200 M P a , 燃油耗率 190 ～ 220 g /k W· h , 单位功率重量 2 ～ 5 k g /k W, 强化 指标 24 ～ 38 M P a · m/s , 高速柴油机大修期 8 000 ～ 12 000 h , 中速柴油机大修 期 18 000 ～ 24 000 h 。国 外具有代表性的舰船柴油机主要参数见表 1。 1. 2 新技术研究及应用 近 10 年 , 舰船柴油机在高可靠性 、 低排放和高功 率密度等方面取得了长足的进步 , 这与舰船柴油机在 共轨喷油技术 、 电子控制技术和相继增压技术等领域 的发展密切相关 。 1) 共轨喷油技术 德国 M T U 公司和 L a r g a n g e 公司从 1990年开始开 发共轨喷油技术 , 并于 1996 年在 M T U 4000 系列柴油 机上采用 , 该共轨喷油系统的喷油压力为 180 M P a ,由
1 舰艇柴油机
1. 1 发展现状 舰船柴油机具有热效率高 、功率范围广 、较好的 功率重量比和功率体积比等优点 , 因此在舰船动力装 置中所占份额极大 。 据 2000 年统计 , 90% 的大 、 中型 民用船舶 , 60% 左右的中 、小型战斗舰艇和辅助舰船
收稿日期 :2010 -04 -20 作者简介 : 杜剑维 ( 1982 -) , 男 , 工程师 , 主要从事舰船动力及电力系统研究与管理 。
第 32 卷第 8期 2010 年 8 月
舰 船 科 学 技 术 S H I PS C I E N C EA N DT E C H N O L O G Y
V o l . 32 , N o . 8 A u g . , 2010
国外舰船动力装置技术发展现状及趋势
杜剑维 , 汤建华 , 李 南