高性能船舶动力装置发展前景

高性能船舶动力装置发展前景

作者：伍赛特

来源：《水运管理》2019年第06期

【摘要】为使高性能船舶选择适合的动力装置，介绍高性能船舶的特点及其总体发展趋势，阐述其動力装置的相关应用及技术特点，并对未来发展趋势进行展望，认为：中小型高性能船舶动力装置宜采用柴油机，而大型高性能船舶则更适于采用燃气轮机或柴-燃联合动力装置，高性能船舶以其卓越的性能在相关领域依然会长期保有其独特的技术优势。

【关键词】高性能船舶;柴油机;燃气轮机;内燃机;联合动力装置

0 引言

高性能船舶是从20世纪30年代开始逐渐发展的一类新型船舶，其种类繁多，是船舶发展中最具创造性、最富有活力的类型，具有高航速、高适航能力、高隐身性和高效费比等特点。探索、研究和开发高性能船舶的出发点是：采用与常规船舶不同的支承方式和流体力学作用，使船舶既能够利用水体的支承作用，同时又能够摆脱船体表面水摩擦阻力和自由表面兴波阻力的束缚，实现船舶的高速航行。

经过几十年的研发，高性能船舶的设计、建造和运营技术已经较为成熟，业界已经研发出各具特色、不同类型的高性能船舶，满足了航运界和军方对船舶在各种水面的运输和作战的特殊要求。

1 高性能船舶动力装置

1.1 船用动力装置类型

高性能船舶首要的特点是高速。排水型船舶经过船型改进，其航行阻力下降提高了推进效率，推进动力机组强化度的提高及单位质量比功率的增加提升了推进动力。气垫船利用气垫的浮力、水翼艇利用水翼的升力来承载船舶质量，为大幅度提高航速创造了条件。但是，航速对船舶本身质量的变化十分敏感，要求动力系统质量轻、体积小、功率大、转矩特性合理、燃油消耗率低。高性能船舶主要设计目标是在满足推进要求的条件下，动力系统的总质量最小，船舶有效负荷达到最大。

船用动力装置包括蒸汽轮机、核动力、电动机、燃气轮机、汽油机和柴油机，其中：蒸汽轮机和核动力虽然可以达到很大的功率，但仅适用于大型船舶;燃气轮机和柴油机一般适用于中小型船舶;汽油机功率则较为有限，可作为小型船舶的主要推进动力。具体来看：

（1）燃气轮机转速变化的灵活性较低，其在持续功率时转速可变化的范围为 20%～

+10%，在此转速范围内转矩降低较快。[1]采用燃气轮机作为气垫船的动力时，需要独立改变

推力，以带动变矩螺旋桨或风扇。燃气轮机与柴油机在单位质量或单位体积功率、燃油消耗率、附属系统、传动装置等方面存在不同，在用作气垫船动力时，动力装置的总质量随航行范围的增大变化梯度也不同，其中，燃气轮机的变化梯度较陡，柴油机的变化梯度较平缓。因此，同类型气垫船，其航行范围不同时，应选用不同的发动机。

燃气轮机有很低的比质量（单位功率质量），但压气机和动力涡轮的转速很高，约为～

r/min，需要用减速齿轮箱将转速降到500～ r/min，才能符合推进器、风扇或喷水系统的要求。

（2）汽油机转速高、排量小，单机功率受限，加之汽油挥发性强、闪点较低，燃油箱须采取防挥发、防碰撞的设计措施，因此只适用于小型船艇。

（3）高速和中速船用柴油机可作为高速单体船、双体船和水翼艇的动力，风冷柴油机或有闭式冷却循环的水冷柴油机可作为气垫船的动力。柴油机作为气垫船动力机组时的运行工况与作为车辆动力装置时不同，设计者应根据气垫船的动力需求和运行特性对机组重新进行功率标定。大多数车用柴油机在最大持续功率的85%时可长时间安全运行，最大持续功率处于90%以上的只能在紧急情况下运行30 min。柴油机的转速和负荷变化范围广，从最高转速到怠速可灵活操作，变工况运行。

高速柴油机通常的标定转速是1 500～3 500 r/min，需要采用减速比约为1.5～2.5的齿轮箱传动，在柴油机标定功率小于600 kW时也可用皮带传动来实现。高性能船舶配备的中速柴油机标定转速为750～1 500 r/min，可直接传动喷水推进装置，或通过较小减速比的齿轮箱驱动推进器。

气垫船上的柴油机可以同时与推进装置和垫升风机相连，也可分别用作推进或垫升机组。某些气垫船采用了液压传动垫升系统，通过柴油机带动液压泵、液压马达带动风机，柴油机装在船尾、垫升风机装在船头，布置灵活，方便船舶总体设计。

无论是燃气轮机还是柴油机，随环境温度升高，功率均会下降，以标定功率时20 ℃环境温度为基准，气温每升高10 ℃，燃气轮机功率下降7%，柴油机功率下降2%。船舶在高温的气候条件下航行，必须考虑温度对动力系统功率的影响。柴油机的冷却系统是将空气或水加压使其流过柴油机，以维持柴油机正常的工作温度。超出最高允许温度时，应采取相应防护或控制措施;低温时，冷却剂流量由节温器控制，以保证柴油机正常的热力状态。[2]在很冷的地区进行冷起动时需要对燃油和柴油机进行预热：气温在 20 ℃以下应使用专用润滑油;气温在

40 ℃以下柴油会凝固，必须预热后才能起动。

高性能船舶动力系统的推进功率大，在船舶设计航程内柴油机所消耗的燃油量对全船质量的影响不可忽视，选择机组时不仅要考虑机组本身的质量和比功率，也要考虑燃油消耗率的影响。

1.2 船用动力装置机组特性

高性能船舶动力机组要求高的单位质量比功率，除满足额定工况的功率要求外，还应有足够的低速转矩储备能力。当推进主机在额定转速50%和75%时，功率只有分别达到额定功率的35%和80%，才能满足船舶的越峰需求。

水翼艇离港时，其主推进系统只有克服峰值阻力，才能从浮航进入到翼航状态。这就要求作为主推进动力的高速柴油机具备优良的低转速大转矩特性。不同的船型和水翼系统，水翼艇起飞过程中的阻力不同，最大阻力的位置也因艇的大小而不同。通常最大阻力位于最高航速的70%处，在设计推进系统转速时为克服最大阻力应当留有一定的余度。

以高速柴油机为推进主机时，为满足水翼艇、滑行艇等高速船舶的低速大转矩要求，保证从浮航到翼航的顺利过渡，通常采取扩大增压柴油机工作范围、相继涡轮增压、液力传动等措施。若高性能船舶柴油机特性曲线的高效率区趋向与螺旋桨特性曲线走向一致，说明柴油机经济性能好，低速特性较好。

利用液力变扭器连接柴油机和螺旋桨改变其输出特性，实现水翼艇的越峰要求，是船舶动力设计方案之一。采用调距螺旋桨和喷水推进，利用二行程柴油机，其单位气缸容积的有效功率大，低速特性较好，也有利于水翼艇越峰。

2 高性能船舶柴油机

2.1 性能特点

风冷柴油机机组质量比水冷柴油机小，且结构简单、完整性较好，但功率受限，可用作小型气垫船动力，带动整体式垫升和推进风机，或用多台机组分别带动垫升风机和推进风机。风冷柴油机的噪声较大，可以在机舱或柴油机箱内采用噪声隔离措施。风冷柴油机还需要正确排出强制流动的冷却空气，避免混入船舶通风或垫气系统中。

水冷柴油机的功率和转速范围均较大，可供选择的余地较宽。高性能船舶的机舱空间有限，对动力的比功率要求高，一般采用中速或高速柴油机作动力。由于水套的阻尼作用，水冷柴油机的噪声比风冷柴油机的要小。装在气垫船、水翼艇上的水冷柴油机通常采用闭式循环水冷系统，通过冷却风扇散热，降低冷却水温度。

柴油机是气垫船、水翼艇上的最大装置，较大型船舶的柴油机质量可达30～40 t。现代柴油机有12～20缸，本身平衡性好，但振动能量仍很大，如果直接安装在气垫船、水翼艇上，需要仔细分析其局部的支撑结构，以确定其自然频率、频谱及对柴油机振动能量谱的响应特性，特别是确定传动轴系在轴向和旋转方向的自然振动频率，采用弹性安装和采取阻尼措施。如果轴系对主机某一振动频率有明显的响应，则需改变传动轴的刚度和轴承布置。弹性安装有助于隔离柴油机振动噪声在船体金属结构中的传播;玻璃钢板、复合材料板、泡沫夹心板可衰