艦船聯(lián)合動(dòng)力裝置應(yīng)用選型及工況匹配特性研究

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司， 上海 200438）

引言

聯(lián)合動(dòng)力裝置是由兩種不同類型的推進(jìn)主機(jī)組成的。通常在低速工況（如巡航工況）以下航行時(shí)，由一種推進(jìn)主機(jī)單獨(dú)工作，而在高航速直至全速工況航行時(shí)，由另一種主機(jī)單獨(dú)工作或者兩種主機(jī)共同工作[1-3]。在低速工況下單獨(dú)工作的推進(jìn)主機(jī)稱之為巡航機(jī)；在高速工況下單獨(dú)工作或者與巡航機(jī)一起工作的推進(jìn)主機(jī)稱為加速機(jī)[4-5]。

1 聯(lián)合動(dòng)力裝置的技術(shù)特點(diǎn)

聯(lián)合動(dòng)力裝置通常由幾個(gè)（一般為兩個(gè)）不同型式的動(dòng)力裝置組成。各類動(dòng)力裝置能夠共同或獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)螺旋槳工作。聯(lián)合動(dòng)力裝置最適宜于工況變化范圍大，且大部分時(shí)間處于低速航行的大、中、小型各類戰(zhàn)斗艦艇，如導(dǎo)彈快艇、大型高速炮艇、獵潛艇、護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦和巡洋艦等。這是一種交替型的裝置，低速巡航用柴油機(jī)推進(jìn)，高速航行時(shí)由燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)推進(jìn)[6]。

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)裝置與其他型式的船舶動(dòng)力裝置的比較

對(duì)已建成的和已設(shè)計(jì)的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的分析表明，它具有一系列良好的性能，目前已經(jīng)能與柴油機(jī)和汽輪機(jī)裝置進(jìn)行有力的競(jìng)爭(zhēng)。下面從設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、動(dòng)作可靠、機(jī)動(dòng)性、重量、尺寸、效率、制造成本、運(yùn)行費(fèi)用和運(yùn)輸成本等方面，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)裝置、汽輪機(jī)裝置和柴油機(jī)作一比較[7-10]。

1.1.1 設(shè)備簡(jiǎn)單和操作方便

燃?xì)廨啓C(jī)裝置在結(jié)構(gòu)上比柴油機(jī)更為簡(jiǎn)單。燃?xì)廨啓C(jī)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在同汽輪機(jī)裝置相比時(shí)顯得更為突出。事實(shí)上，在燃?xì)廨啓C(jī)裝置中，沒(méi)有鍋爐裝置及其復(fù)雜的水處理系統(tǒng)和輔助設(shè)備，沒(méi)有包括凝結(jié)泵和循環(huán)泵在內(nèi)的凝汽設(shè)備，沒(méi)有像汽輪機(jī)裝置中那樣多的管道。因此，這大大簡(jiǎn)化了裝置的維護(hù)和操縱，可降低維護(hù)人員數(shù)量。這最終也就減少了裝置的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

1.1.2 動(dòng)作可靠性

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)上比較成熟的燃?xì)廨啓C(jī)裝置，在使用期限內(nèi)運(yùn)行方面是較為可靠的。汽輪機(jī)裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，凝汽設(shè)備和鍋爐發(fā)生事故的次數(shù)是較多的。燃?xì)廨啓C(jī)裝置沒(méi)有這些設(shè)備，因此比汽輪機(jī)裝置更為可靠。由于燃?xì)廨啓C(jī)裝置中沒(méi)有作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的部件，摩擦面較少，運(yùn)行時(shí)也比柴油機(jī)更為可靠。

1.1.3 機(jī)動(dòng)性

船舶燃?xì)廨啓C(jī)裝置的起動(dòng)時(shí)間在幾分鐘到幾小時(shí)的范圍內(nèi)。這一數(shù)據(jù)可以同低速柴油機(jī)從冷狀態(tài)時(shí)的起動(dòng)時(shí)間相比，大大低于汽輪機(jī)裝置的起動(dòng)時(shí)間。

采用可變螺距螺旋槳的燃?xì)廨啓C(jī)裝置，能可靠地保證船舶在2 min 內(nèi)換向，其滑行距離約為船體長(zhǎng)度的5 倍。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明，燃?xì)廨啓C(jī)裝置能完全滿足重要的機(jī)動(dòng)性指標(biāo)要求。

1.1.4 重量和尺寸

雖然在燃?xì)廨啓C(jī)裝置中，工質(zhì)比容較大（在開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置中），其中空氣比流量為柴油機(jī)中的燃?xì)獗攘髁康?～5 倍，為汽輪機(jī)裝置的蒸汽比流量的5～10 倍，但仍能使燃?xì)廨啓C(jī)裝置在比重量和比容積方面低于汽輪機(jī)裝置和低速柴油機(jī)或中等高速柴油機(jī)。

1.1.5 效率

就經(jīng)濟(jì)性而言，燃?xì)廨啓C(jī)裝置目前已經(jīng)達(dá)到了運(yùn)輸船舶較好的汽輪機(jī)裝置水平。但是在效率方面，船舶燃?xì)廨啓C(jī)裝置明顯不及柴油機(jī)。

1.1.6 裝置的成本

在1 000～6 000 hp 的功率范圍內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)裝置的價(jià)格和汽輪機(jī)裝置的價(jià)格相近，但稍高于柴油機(jī)的價(jià)格。在功率超過(guò)6 000 hp 后，燃?xì)廨啓C(jī)裝置的價(jià)格仍然與汽輪機(jī)裝置的價(jià)格相近，但與柴油機(jī)價(jià)格相比有了顯著降低。將來(lái)如果燃?xì)廨啓C(jī)裝置實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，其絕對(duì)價(jià)格和相對(duì)價(jià)格都會(huì)有所降低。

1.1.7 運(yùn)行費(fèi)用和運(yùn)輸成本

運(yùn)行費(fèi)用包括油料消耗、折舊費(fèi)、動(dòng)力裝置[11]、船體及船舶的其他部件的經(jīng)常維修和中修的費(fèi)用、船員工資消耗和航行中的供應(yīng)品的費(fèi)用及航行費(fèi)用等。運(yùn)輸成本既取決于運(yùn)行費(fèi)用，也取決于船舶的運(yùn)輸能力。

1.2 蒸- 燃聯(lián)合動(dòng)力裝置

在運(yùn)行過(guò)程中，隨著船舶汽輪機(jī)裝置的功率減小，它的效率也會(huì)減小，因此增加了比燃料消耗量。比燃料消耗量在小功率范圍內(nèi)會(huì)急劇增加，這將使船舶在低航速下的續(xù)航力減小。

例如，如果不采用一個(gè)而采用兩個(gè)汽輪機(jī)機(jī)組時(shí)，可以提高汽輪機(jī)裝置在船舶的低航速下的經(jīng)濟(jì)性。假定在低航速下只有一個(gè)機(jī)組工作，如果要求增加船舶的航速，則應(yīng)將第二臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行。這時(shí)，裝置在低航速下的經(jīng)濟(jì)性提高，是由于每一個(gè)機(jī)組都是按較小功率變化范圍設(shè)計(jì)的，它們偏離設(shè)計(jì)工況都很小。

但是，比較合理的不是采用兩個(gè)汽輪機(jī)機(jī)組，而是采用汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置的聯(lián)合動(dòng)力裝置，因?yàn)橥啓C(jī)裝置相比較，燃?xì)廨啓C(jī)裝置的尺寸和重量小[12]，而且經(jīng)濟(jì)性高。因此，由汽輪機(jī)裝置和燃?xì)廨啓C(jī)裝置組成的聯(lián)合動(dòng)力裝置同汽輪機(jī)裝置相比，在基本運(yùn)行工況下應(yīng)該具有比較小的尺寸和重量以及比較高的經(jīng)濟(jì)性。必須指出，經(jīng)濟(jì)性高而又輕便的燃?xì)廨啓C(jī)裝置，使用期限較短。因此，如果假定聯(lián)合動(dòng)力裝置大部分時(shí)間是在低航速下工作時(shí)，則其燃?xì)廨啓C(jī)裝置部分僅應(yīng)該在高航速工況下工作，即作為加速機(jī)組，汽輪機(jī)部分在所有正車航行和倒車航行時(shí)工作。其中汽輪機(jī)裝置和燃?xì)廨啓C(jī)裝置，是按獨(dú)立的循環(huán)工作的。

在燃?xì)廨啓C(jī)裝置和減速器之間，設(shè)有特殊的聯(lián)軸節(jié)，燃?xì)廨啓C(jī)裝置借助該聯(lián)軸節(jié)或者與減速器聯(lián)接或者與它脫開(kāi)（在低航速下），以防止產(chǎn)生附加損失和燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)組過(guò)熱。

為了在低速工況下獲得船舶的最高經(jīng)濟(jì)性及最大續(xù)航力，汽輪機(jī)裝置應(yīng)按低航速功率設(shè)計(jì)。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)裝置投入運(yùn)行并繼續(xù)增加功率時(shí)，汽輪機(jī)的速比發(fā)生改變，汽輪機(jī)裝置的效率和功率下降。在設(shè)計(jì)聯(lián)合動(dòng)力裝置時(shí)，汽輪機(jī)裝置功率的降低必須由燃?xì)廨啓C(jī)裝置功率的增加來(lái)補(bǔ)償。

目前，許多國(guó)家對(duì)大部分時(shí)間以低航速航行的船舶上用的蒸燃聯(lián)合動(dòng)力裝置，在建造方面進(jìn)行了大量的研究工作。

聯(lián)合動(dòng)力裝置實(shí)際利用的可能性，在很大程度上決定于燃?xì)廨啓C(jī)裝置型式的選擇和離合器的選擇，離合器不僅影響裝置的機(jī)動(dòng)性，而且也影響其工作的可靠性。

在上面所討論的裝置中，汽輪機(jī)裝置和燃?xì)廨啓C(jī)裝置的工作在循環(huán)方面彼此沒(méi)有聯(lián)系，其間只有機(jī)械聯(lián)系（通過(guò)齒輪傳動(dòng)裝置）。這樣的裝置可稱為機(jī)械聯(lián)合動(dòng)力裝置。但是也有所謂的蒸- 燃熱力聯(lián)合動(dòng)力裝置，其汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的工質(zhì)參數(shù)是直接互相聯(lián)系的。

在這樣的裝置中，燃?xì)廨啓C(jī)裝置的壓氣機(jī)對(duì)蒸汽鍋爐進(jìn)行增壓。在爐膛中形成的燃?xì)猓紫冗M(jìn)入鍋爐的煙道并放出部分熱量以便獲得飽和蒸汽及過(guò)熱蒸汽，然后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)裝置的渦輪中，渦輪不僅要保證壓氣機(jī)中的空氣壓縮而且要和汽輪機(jī)一起發(fā)出有效功率。因?yàn)檎? 燃聯(lián)合動(dòng)力裝置是在很大的溫差下工作的，所以其經(jīng)濟(jì)性很高。此外這種裝置的功率可以很大，因此可以推薦用于排水量較大的運(yùn)輸船舶上。但是同汽輪機(jī)裝置相比，特別是與燃?xì)廨啓C(jī)裝置相比較，其最大的缺點(diǎn)是過(guò)于復(fù)雜。

1.3 柴- 燃聯(lián)合動(dòng)力裝置

目前，與其它所有的熱力裝置相比，柴油機(jī)具有最高的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)柴油機(jī)而言，當(dāng)它的功率改變時(shí)，油耗率變化較小。因此，柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行聯(lián)合工作，不是為了提高動(dòng)力裝置各基本工況工作下的經(jīng)濟(jì)性，而是為了通過(guò)增加比柴油機(jī)的比重量還小的燃?xì)廨啓C(jī)裝置，在裝置的總重量、燃油儲(chǔ)備量和船舶的續(xù)航力不變的條件下，極大地提高裝置的總功率和船舶的全速航速。

采用柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置的聯(lián)合動(dòng)力裝置比僅利用柴油機(jī)作為船舶動(dòng)力裝置，在以下兩種情況也是比較合理的：

1）當(dāng)裝置及燃油儲(chǔ)備量的總重量和全速航速給定時(shí)，保證船舶在全速工況和低速工況下的續(xù)航力最大。

2）在全速工況下，當(dāng)航速和續(xù)航力給定時(shí)，保證裝置及其燃油儲(chǔ)備的總重量為最小，也就是要求裝置本身和燃料所占的排水量比例最小。

柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置的聯(lián)合動(dòng)力裝置用在排水量較小的快速艦艇上，這種快速艦艇大部分時(shí)間以低速工況航行，而全速航行時(shí)間的比例較小。這種情況就決定了在低速工況工作時(shí)，應(yīng)采用具有較高經(jīng)濟(jì)性的柴油機(jī)，而在全速工況工作時(shí)柴油機(jī)才與燃?xì)廨啓C(jī)裝置聯(lián)合工作。

在給定的續(xù)航力和全速工況航速下，從完全確定的工況開(kāi)始，聯(lián)合動(dòng)力裝置的總重量將為最小。隨著船舶續(xù)航力的增加，采用僅由柴油機(jī)組成的裝置開(kāi)始變?yōu)椴焕麜r(shí)，比重量也增加。這就說(shuō)明，當(dāng)續(xù)航力很大時(shí)，總重量主要決定于燃油儲(chǔ)備量而不決定于裝置的重量。

柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置（一般是簡(jiǎn)單循環(huán)）都是驅(qū)動(dòng)單獨(dú)的螺旋槳，螺旋槳的數(shù)量可達(dá)四個(gè)。由柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置組成的聯(lián)合動(dòng)力裝置的應(yīng)用前途，在很大程度上依賴于柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置的進(jìn)一步完善，以及對(duì)給定型式的船舶所提出的要求。當(dāng)柴油機(jī)的比重量減小和單機(jī)功率增加時(shí)，對(duì)于具有給定排水量、續(xù)航力及航速的船舶，此較合理的方法不是采用聯(lián)合動(dòng)力裝置，而是采用柴油機(jī)裝置。

但是，如果要提高船舶航速，仍必須加裝燃?xì)廨啓C(jī)裝置，因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)裝置是旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力裝置，在結(jié)構(gòu)尺寸相近的前提下，它的單機(jī)功率比柴油機(jī)更大。燃?xì)廨啓C(jī)裝置本身的改進(jìn)將有助于這一點(diǎn)。

可以預(yù)言，隨著柴油機(jī)的比重量的減小和單機(jī)功率的增加，由柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置組成的聯(lián)合動(dòng)力裝置的總功率必然增加，并且應(yīng)用范圍將擴(kuò)大到排水量較大的船舶中。

1.4 聯(lián)合動(dòng)力裝置工作特性

聯(lián)合動(dòng)力裝置的工作特性具體如下：

1）因?yàn)椴捎昧速|(zhì)量很小的燃?xì)廨啓C(jī)裝置提供很大一部分裝置功率，因而聯(lián)合動(dòng)力裝置的單位質(zhì)量和絕對(duì)質(zhì)量顯著降低。

2）由于采用了耗油率低的巡航裝置，可以增大續(xù)航力。

3）因?yàn)榧铀傺b置和巡航裝置彼此獨(dú)立，提高了裝置的可靠性，任何一個(gè)裝置發(fā)生故障不會(huì)完全破壞動(dòng)力裝置的工作。

4）由于采用了燃?xì)廨啓C(jī)裝置，提高了艦艇的機(jī)動(dòng)性，啟動(dòng)迅速，加速過(guò)程快。

5）燃?xì)廨啓C(jī)裝置進(jìn)排氣管道巨大，增加了機(jī)艙結(jié)構(gòu)及布置上的困難。

除上述特點(diǎn)外，對(duì)柴- 燃聯(lián)合動(dòng)力裝置還具有下列優(yōu)點(diǎn)：整個(gè)裝置的配置功率可以增加很多，擴(kuò)大了柴油機(jī)動(dòng)力裝置的使用范圍，適用于功率較大（大排水量的艦艇）或航速很高（小排水量的艦艇）的艦艇上，并能充分發(fā)揮耗油率低的突出優(yōu)點(diǎn)，增大續(xù)航力。

對(duì)于蒸- 燃聯(lián)合動(dòng)力裝置，由于巡航功率較小，而經(jīng)常在設(shè)計(jì)工況附近工作，故使低航速的經(jīng)濟(jì)性得到一定程度的改善，續(xù)航力得到提高，裝置的機(jī)動(dòng)性也有很大改善。小功率汽輪機(jī)動(dòng)力裝置備航啟動(dòng)比較簡(jiǎn)便，更重要的是在緊急情況下用燃?xì)廨啓C(jī)迅速啟動(dòng)[13]，可立即出航。但是，這種裝置因?yàn)榧铀傺b置和巡航裝置應(yīng)用不同品質(zhì)的燃料，需要雙套燃油系統(tǒng)，增加管理運(yùn)行上的復(fù)雜性，而且，燃油儲(chǔ)備量的比例直接影響到艦艇的活動(dòng)能力。

2 聯(lián)合動(dòng)力裝置的應(yīng)用與選型

在艦艇上選用哪種聯(lián)合動(dòng)力裝置，這與艦艇使命任務(wù)、動(dòng)力政策以及工業(yè)、科學(xué)技術(shù)水平有密切關(guān)系[14]。目前，其應(yīng)用與選型總體方案如下。

2.1 巡航功率占全功率20%以下，用CODOG、COGOG 型式較好

由于巡航功率不大，全功率至多增加20%，全航速僅增加6%。對(duì)小型艦艇，艦速僅提高1 kn 多。所以選用“交替使用”就比“共同使用”來(lái)得合理，可選用柴——燃交替使用裝置。如丹麥、意大利、利比亞、伊朗和日本等國(guó)新研制的護(hù)衛(wèi)艦。面對(duì)以執(zhí)行反潛任務(wù)為主的軍艦，以選用燃——燃交替使用裝置較為有利，因柴油機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的難以消除的低頻噪音。對(duì)較大的柴油機(jī)，在其機(jī)座下邊要裝笨重的筏式消音基座，這樣又易于發(fā)生傳動(dòng)裝置的對(duì)中問(wèn)題。英國(guó)、荷蘭、加拿大和日本等國(guó)新建的驅(qū)逐艦選這類動(dòng)力型式。

2.2 巡航功率占全功率的20%～30%時(shí)，仍用CODOG 和COGOG 型式為好

從艦艇的性能來(lái)看，這部分巡航功率對(duì)護(hù)衛(wèi)艦級(jí)約可提高航速2 kn；對(duì)大，中型驅(qū)逐艦可提高航速1 kn。因此，“聯(lián)合”或“交替”使用都行。但從質(zhì)量、體積小、維修容易和構(gòu)造簡(jiǎn)單方面考慮，COGOG，CODOG 型式比CODAG 好些。實(shí)際使用中，如法國(guó)、比利時(shí)、巴西，意大利等國(guó)建造的部分護(hù)衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦，多數(shù)選用CODOG 型式。

2.3 巡航功率占全功率的30%～40%時(shí)，巡航功率必須共同使用

對(duì)護(hù)衛(wèi)艦級(jí)來(lái)說(shuō)，共同使用可使航速提高約2.5～3 kn；對(duì)大、中型驅(qū)逐艦級(jí)可增加2～2.5 kn。這樣，即使裝置比較復(fù)雜也是值得的。如德國(guó)“科隆”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦就是選用CODAG 型式，英國(guó)“82”型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦選用COSAG 型式。若既要有高的巡航速度，又要經(jīng)濟(jì)性好，且無(wú)大功率燃?xì)廨啓C(jī)，此時(shí)可選用CODAG 型式。除上述CODAG 和COSAG 型式外，將來(lái)發(fā)展是選用COGAG，如英國(guó)海軍的“斯貝”SMIA機(jī)組，可與“奧林普斯”TM3C 型機(jī)組成COGAG 型式，美國(guó)海軍也在考慮發(fā)展7 500 kW 的燃?xì)廨啓C(jī)以適應(yīng)大、中型艦的需要。

2.4 巡航功率占全功率的40%以上的，巡航功率必須共同使用

巡航功率占全功率的40%以上時(shí)，不管主機(jī)中哪種失靈，仍能保持較高航速，可選用COSAG、CODAG 和COGAG 型式，但以COGAG 為好。

2.4.1 COSAG 型式

為了吸取燃?xì)廨啓C(jī)質(zhì)量和占用空間小的優(yōu)點(diǎn)，與汽輪機(jī)組成聯(lián)合動(dòng)力裝置。如英國(guó)早期在“部落”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦和“州”級(jí)驅(qū)逐艦上均采用COSAG 型式。在實(shí)際使用中，常用燃?xì)廨啓C(jī)，其可靠性得到了證實(shí)。因而在20世紀(jì)60年代末不再選用COSAG 型式。

2.4.2 CODAG 型式

CODAG 型式是最早用在艦艇上的一種燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力型式。英，美，俄等國(guó)早在20世紀(jì)40年代末、50年代初就在小型炮艇、快艇上選用了這種動(dòng)力型式。但是柴油機(jī)功率占的比例相當(dāng)大，所以加速燃?xì)廨啓C(jī)所節(jié)省的質(zhì)量效果就不大。為了要充分發(fā)揮柴油機(jī)功率，即使選用調(diào)距槳，還是要配以雙速比齒輪箱，所以這種動(dòng)力裝置型式在國(guó)外已很少采用了。

2.4.3 COGAG 型式

COGAG 型式是美、俄兩國(guó)在新建的大，中型水面艦艇上所選用的動(dòng)力。俄羅斯“卡辛”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，“克里伐克”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦和“卡拉”級(jí)導(dǎo)彈巡洋艦均用這種動(dòng)力型式。美國(guó)于20世紀(jì)60年代末，經(jīng)過(guò)充分論證，決定在“DD963”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上采用COGAG 型式，經(jīng)實(shí)際使用證實(shí)是成功的。因此，美海軍在“FFG-7”級(jí)、“DDG-47”級(jí)和“DDH997”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上繼續(xù)使用COGAG 型式，而且用一種主機(jī)（LM2500）就能滿足要求。COGAG 型式又用于英國(guó)和意大利研制的部分巡洋艦上。

2.5 綜合選型趨向

1）巡航功率占30%以下時(shí)，則選用CODOG、COGOG 型式。排水量在3 000 t 以下用柴油機(jī)巡航比較有利，宜選用CODOG 型式。3000 t 以上，選用COGOG 型式較合適。因?yàn)榕潘吭龃螅埠焦β孰S之增加，若在一軸上選用一臺(tái)柴油機(jī)作為巡航機(jī)，則會(huì)由于單機(jī)功率較大而帶來(lái)質(zhì)量、尺寸的較大幅度地增加。若選用多機(jī)共軸，則操縱復(fù)雜，且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也變復(fù)雜，導(dǎo)致維護(hù)不便，所以選用小功率燃?xì)廨啓C(jī)巡航比較有優(yōu)勢(shì)。

2）巡航功率占全功率的30%以上時(shí)，則可選用CODAG、COSAG、COGOG 和COGAG 型式。排水量在3 000 t 以下，過(guò)去采用的是CODAG、GOSAG 型式，目前可選用CODAG 型式。從發(fā)展上看應(yīng)選用GOGOG 型式。在3 000 t 以上時(shí)，有采用COSAG、GOGAG 型式的，從目前和發(fā)展趨勢(shì)看，主要選用COGAG、COGOG 型式。

3 聯(lián)合動(dòng)力裝置工況與配合特性

根據(jù)上文對(duì)聯(lián)合動(dòng)力裝置的詳細(xì)討論，它與單一型式裝置相比有著明顯的優(yōu)越性，所以涌現(xiàn)出多種型式的聯(lián)合動(dòng)力裝置。就目前應(yīng)用最為廣泛，很有發(fā)展前途的幾種典型型式，分述如下[15]。

3.1 CODOG 和CODAG 裝置工況配合特性

3.1.1 CODOG 裝置

CODOG 表示燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)交替使用，低功率長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)（巡航）只使用功率不大的柴油機(jī)，獲得低的耗油率，增加續(xù)航力，在戰(zhàn)斗或其他緊迫的情況下，使用大功率的燃?xì)廨啓C(jī)，使艦艇獲得高航速。從上述配合特性中不難看出如下幾點(diǎn)：

1）不論加速燃?xì)廨啓C(jī)還是巡航柴油機(jī)工作時(shí)，離開(kāi)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)愈遠(yuǎn)，其耗油率就愈大，而燃?xì)廨啓C(jī)的耗油率下降更甚。因此，燃?xì)廨啓C(jī)不宜遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)長(zhǎng)期航行。

2）由于柴油機(jī)耗油率隨負(fù)荷的下降而增大的程度遠(yuǎn)比其他型式的主機(jī)小，故輕型柴油機(jī)用作巡航裝置就更有優(yōu)越性。

3）當(dāng)艦艇排水量確定之后，最大巡航速度就決定巡航柴油機(jī)的功率。如要提高巡航速度，就必須增大柴油機(jī)功率。從配合特性看就擴(kuò)大了柴油機(jī)的負(fù)荷范圍，使低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況很不經(jīng)濟(jì)。在這種情況下，若采用多機(jī)并聯(lián)就可以改善配合特性，故在服役的戰(zhàn)斗艦艇中，有一些巡航裝置采用雙機(jī)并聯(lián)裝置。

4）當(dāng)主機(jī)低于最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)定螺距螺旋槳通過(guò)離合器或液力耦合器部分充油來(lái)實(shí)現(xiàn)低速航行，對(duì)可調(diào)螺距螺旋槳可采用改變螺距來(lái)實(shí)現(xiàn)低速航行。

5）對(duì)于航行工況（全速和巡航）變化不大的艦艇，從工況配合特性角度看，CODOG 能實(shí)現(xiàn)船機(jī)槳最佳配合。

3.1.2 CODAG 裝置

這種裝置巡航時(shí)采用柴油機(jī)單獨(dú)推進(jìn)，加速時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)并聯(lián)使用，以獲得最高航速。在討論CODOG 裝置配合特性時(shí)，已知不允許同時(shí)使用巡航機(jī)和加速機(jī)來(lái)發(fā)出最大功率，以獲得最高航速，因?yàn)闄C(jī)槳匹配是按巡航機(jī)和加速機(jī)各自的額定轉(zhuǎn)速作為設(shè)計(jì)工況，那么兩種機(jī)功率相加之后，平衡點(diǎn)移至較高的轉(zhuǎn)速，使兩機(jī)都超速。這種裝置的工況配合特性CODOG 裝置相比，有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）當(dāng)艦船以全速（即設(shè)計(jì)航速）航行時(shí)，巡航機(jī)和加速機(jī)同時(shí)在額定負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，各自發(fā)出額定功率，都處于最高效率，耗油率最低（通常情況在80%～85%額定功率時(shí)，耗油率最低），船機(jī)槳實(shí)現(xiàn)了最佳配合，既有最高的推進(jìn)效率，又有最低的耗油率，兩主機(jī)的額定功率全部利用。

2）任何艦船總是在一定的航速范圍內(nèi)運(yùn)行的，盡管它有一個(gè)設(shè)計(jì)航速（通常是最高航速）。若要求低于全速航行，此時(shí)必須兩機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)，才能滿足螺旋槳所需功率。此時(shí)，兩機(jī)可以采用不同的功率分配來(lái)滿足螺旋槳需要的功率。為此，可編制一個(gè)程序，能在此航速范圍內(nèi)進(jìn)行兩機(jī)的功率分配（即負(fù)荷分配），使綜合耗油率最低。

3）若需要進(jìn)一步降速航行，此時(shí)既可以兩機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以加速燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)滿足螺旋槳的功率需要。同樣也要尋求一個(gè)操作方案（即功率分配）使裝置耗油率最低。

4）航速繼續(xù)下降之后，巡航機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)就可滿足螺旋槳所需功率，此時(shí)巡航機(jī)的工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，巡航機(jī)單獨(dú)工作于巡航狀態(tài)時(shí)始終發(fā)不出額定功率，這是CODAG 裝置的一大缺點(diǎn)。本想巡航機(jī)在巡航狀態(tài)時(shí)能具有最好的經(jīng)濟(jì)性，這種裝置恰恰達(dá)不到最佳狀態(tài)，巡航時(shí)得不到船機(jī)槳最佳匹配。所以，若用兩機(jī)并聯(lián)與螺旋槳最佳匹配，全速航行時(shí)性能最好，但在巡航時(shí)，單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)匹配性很差。解決這個(gè)難題的途徑是用可調(diào)螺距螺旋槳，當(dāng)然也可以采用雙檔變速裝置（即雙速比齒輪箱）。

5）由于高航速時(shí)，是由兩機(jī)并聯(lián)提供的，那么，加速燃?xì)廨啓C(jī)的功率，在相同條件下，要比CODOG裝置的小。所以，在加速燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)荷變化較小，耗油率上升相對(duì)也較小。但是，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)與螺旋槳的平衡點(diǎn)離開(kāi)了燃?xì)廨啓C(jī)的最佳效率工作線，效率有所下降。由于燃?xì)廨啓C(jī)效率曲線在最佳效率點(diǎn)附近比較平坦，故效率下降不大。

3.1.3 雙檔變速CODAG

如上所述，CODAG 裝置的最大缺陷是降低了艦艇的主要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)——續(xù)航力。巡航機(jī)長(zhǎng)期單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)遠(yuǎn)離最佳匹配點(diǎn)，既不能充分利用額定功率，又使耗油率增大，針對(duì)這一缺點(diǎn)，可以采用雙檔變速裝置予以解決。

這種裝置既能解決全速工況時(shí)所需要的總功率，又能確保巡航工況時(shí)具有最低的耗油率，但是，雙檔變速齒輪箱比較復(fù)雜，使操縱復(fù)雜化。當(dāng)加速機(jī)投入或是退出工作的同時(shí)，必須迅速而準(zhǔn)確地進(jìn)行換檔，即由巡航檔齒輪變換為加速檔齒輪。所以近年來(lái)各國(guó)海軍已很少采用這種方案。

3.2 COGOG 和COGAG 裝置工況配合特性

由于燃?xì)廨啓C(jī)裝置所具有的優(yōu)點(diǎn)，而且單機(jī)組功率和壽命不斷提高，耗油率逐步下降，聯(lián)合動(dòng)力裝置將向全燃化方向發(fā)展。COGOG 中，巡航小功率燃?xì)廨啓C(jī)和加速大功率燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中交替使用。不難看出，巡航機(jī)和加速機(jī)與螺旋槳的配合，同CODOG 裝置相似，只不過(guò)巡航機(jī)以小功率燃?xì)廨啓C(jī)代替了柴油機(jī)，故不再贅述（可參考CODOG 工況配合特性）。

COGAG 裝置型式有兩類：第一類是每根槳軸上裝備小功率巡航燃?xì)廨啓C(jī)，巡航時(shí)單獨(dú)使用小功率巡航燃?xì)廨啓C(jī)，加速時(shí)兩機(jī)并聯(lián)使用。第二類是每根槳軸上裝備兩臺(tái)相同機(jī)型的大功率燃?xì)廨啓C(jī)，加速時(shí)兩臺(tái)并聯(lián)使用，而巡航時(shí)只使用其中的一臺(tái)。

3.2.1 第一類COGAG 裝置

這種裝置在實(shí)際應(yīng)用中可以有多種方案。每種方案在裝置的各種航行工況下，其性能參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)有很大變化，而且相差很大。故討論該類裝置的工況配合特性時(shí)，應(yīng)按不同方案予以討論。這種裝置可能有如下四種運(yùn)行方案：

1）以巡航機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)的巡航工況，作為巡航機(jī)與螺旋槳的設(shè)計(jì)匹配點(diǎn)，此時(shí)巡航機(jī)動(dòng)力渦輪的最佳轉(zhuǎn)速及相應(yīng)功率正好與螺旋槳設(shè)計(jì)推進(jìn)特性曲線相交。巡航機(jī)的減速齒輪箱是單速比的。

2）以巡航機(jī)和加速機(jī)的額定功率之和以及兩者共同的最佳轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)螺旋槳參數(shù)。巡航機(jī)的減速齒輪箱是單速比的。

3）巡航機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速位于其額定負(fù)荷特性曲線與螺旋槳設(shè)計(jì)推進(jìn)特性曲線的交點(diǎn)之后。巡航機(jī)減速齒輪箱是單速比的。

4）巡航機(jī)動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速，不論在巡航機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)的巡航工況還是在兩機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的全速工況，都是最佳的。巡航機(jī)的減速齒輪箱是雙速比輸出的。

各方案中加速機(jī)動(dòng)力渦輪的最佳轉(zhuǎn)速均與兩機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的額定轉(zhuǎn)速相同。

從工況配合特性看出，對(duì)于不同的運(yùn)行方案，其加速機(jī)和巡航機(jī)的動(dòng)力渦輪工況狀態(tài)大不相同，有的在接近最佳轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，有的則遠(yuǎn)離最佳轉(zhuǎn)速，若在非最佳轉(zhuǎn)速下工作，則會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失。如果各機(jī)的性能參數(shù)配合不當(dāng)，也將引起裝置功率不能充分利用，很不經(jīng)濟(jì)，以上問(wèn)題在設(shè)計(jì)聯(lián)合動(dòng)力裝置時(shí)必須予以考慮。

總之，解決配合不佳的途徑很多，但是，采用調(diào)距槳改善配合特性是很有效的。通過(guò)上述計(jì)算可以初估損失，便于選擇加速機(jī)和巡航機(jī)的功率比例和運(yùn)行方案，在最大限度內(nèi)滿足任務(wù)要求。

3.2.2 第二類COGAG 裝置

對(duì)于一些排水量較大的大型驅(qū)逐艦和巡洋艦，由于要求有較大的巡航功率，上述COGOG 和第一類COGAG 裝置中的小功率巡航燃?xì)廨啓C(jī)已不能滿足這類艦艇巡航功率要求。在這種情況下可采用兩臺(tái)相同機(jī)型的COGAG 裝置，這種型式在美、英、俄等國(guó)的海軍艦船中得到了廣泛應(yīng)用。該類裝置的配合特性與柴油機(jī)雙機(jī)并聯(lián)裝置相似，具有下列幾個(gè)特點(diǎn)。

1）裝置并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只有在全速航行時(shí)才能充分利用主機(jī)的額定功率，船機(jī)槳實(shí)現(xiàn)最佳配合。在其他任何工況，主機(jī)效率都隨著負(fù)荷的降低而下降，主機(jī)的額定功率都不能充分利用, 但每臺(tái)主機(jī)都在最佳效率線上工作。

2）裝置單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主機(jī)功率也不能全部利用。而且，單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的任何工況，主機(jī)效率不僅隨負(fù)荷的下降而降低，還遠(yuǎn)離最佳效率線，故單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，耗油率顯著升高，比起柴油機(jī)更嚴(yán)重。針對(duì)上述配合特性的缺陷，這種裝置均采用調(diào)距槳，因?yàn)檎{(diào)距槳是改善這種裝置配合特性的有效途徑。

由此看出，與CODOG、COGOG 裝置相比，第二類COGAG 裝置在加速時(shí)可獲得很大的總功率，但在巡航時(shí)，特別在較低的巡航功率下使用，該裝置的耗油率較大，要比帶小功率巡航機(jī)的第一類COGAG裝置更大，比CODOG 裝置更甚，故在長(zhǎng)期低速巡航時(shí)很不經(jīng)濟(jì)。因此，在大型驅(qū)逐艦和巡洋艦上，需要很大的巡航功率，第二類COGAG 裝置經(jīng)濟(jì)性才有所改善，并得到廣泛應(yīng)用。而對(duì)小型驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦，或巡航功率與全速功率之比小的艦艇，則不推薦采用。

4 影響聯(lián)合動(dòng)力裝置性能的主要因素分析

在討論各種聯(lián)合動(dòng)力裝置的應(yīng)用中，聯(lián)合動(dòng)力裝置型式的使用范圍與巡航裝置功率占全功率的比例有密切關(guān)系。所以，討論聯(lián)合動(dòng)力裝置主要性能與巡航裝置功率所占比例的關(guān)系具有重要意義。

聯(lián)合動(dòng)力裝置與單一型式動(dòng)力裝置相比，已經(jīng)詳細(xì)地闡明了它的特性，盡管特性參數(shù)很多，其中最有代表性的性能參數(shù)，就是根據(jù)艦艇動(dòng)力裝置的兩大特點(diǎn)而決定的聯(lián)合動(dòng)力裝置的單位質(zhì)量和裝置的耗油率。下面進(jìn)一步討論單位質(zhì)量和耗油率與聯(lián)合動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系。

1）聯(lián)合動(dòng)力裝置機(jī)械總質(zhì)量及單位質(zhì)量，如同上述，聯(lián)合動(dòng)力裝置由巡航裝置和加速裝置兩部分組成。在通常情況下，巡航裝置的機(jī)械質(zhì)量除動(dòng)力裝置以外，還包括電站，輔助裝置，以及與全艦設(shè)備系統(tǒng)等有關(guān)的動(dòng)力裝置機(jī)械質(zhì)量，加速裝置的機(jī)械質(zhì)量?jī)H包括動(dòng)力裝置本身以及為其服務(wù)的輔機(jī)、設(shè)備的機(jī)械質(zhì)量。

2）聯(lián)合動(dòng)力裝置的燃料消耗量及裝置耗油率。目前，聯(lián)合使用的聯(lián)合動(dòng)力裝置全速功率的單位時(shí)間燃料消耗量由巡航裝置和加速裝置的單位時(shí)間燃料消耗量決定，聯(lián)合動(dòng)力裝置耗油率與聯(lián)合動(dòng)力裝置的單位質(zhì)量一樣，在全工況時(shí)，其燃料消耗率不僅與巡航裝置和加速裝置的耗油率有關(guān)，而且，還與聯(lián)合動(dòng)力裝置的功率比有關(guān)，功率比的大小直接影響聯(lián)合動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性。

全艦中，針對(duì)非動(dòng)力裝置的燃料消耗一般都計(jì)入基本裝置——巡航裝置的燃料消耗中。目前，作為加速裝置的燃?xì)廨啓C(jī)裝置，其全工況燃料消耗率隨功率的不同而有很大的差異。加速裝置的耗油率一般均大于巡航裝置的耗油率，與柴油機(jī)裝置相比，油耗會(huì)明顯更高，與汽輪機(jī)裝置相比，兩者則比較接近，甚至還可能小一些。聯(lián)合動(dòng)力裝置耗油率與功率比的關(guān)系，其性質(zhì)不同于單位質(zhì)量與功率比的關(guān)系，通常聯(lián)合動(dòng)力裝置的耗油率總是大于巡航裝置的耗油率。

5 聯(lián)合動(dòng)力裝置的未來(lái)發(fā)展方向

根據(jù)以上所闡明的各種類型動(dòng)力裝置性能和優(yōu)缺點(diǎn)以及目前世界上各種艦船采用的動(dòng)力裝置概況來(lái)看，軍用船舶和民用船舶的動(dòng)力裝置沿著不同的方向發(fā)展，有如下特點(diǎn)：

1）對(duì)于民用船舶，近年來(lái)由于油價(jià)上漲，燃料費(fèi)用所占營(yíng)運(yùn)費(fèi)用的比例愈來(lái)愈大，船舶動(dòng)力裝置的發(fā)展就自然地集中在節(jié)約能源這一課題上，千方百計(jì)地降低營(yíng)運(yùn)費(fèi)用。以往采用柴油機(jī)動(dòng)力裝置的中、小型船舶，以及現(xiàn)在或?qū)?lái)的中、小型船舶，毫無(wú)疑問(wèn)，柴油機(jī)動(dòng)力裝置仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于大型船舶和高速船舶，通常指200 000 t 以上和20 000 kW 以上的船舶，以往多采用汽輪機(jī)動(dòng)力裝置。時(shí)至今日，柴油機(jī)動(dòng)力裝置也已在該領(lǐng)域得到了發(fā)展，已有一定數(shù)量的柴油機(jī)船舶投入航運(yùn)。如日本和德國(guó)仍認(rèn)為大功率動(dòng)力裝置中，汽輪機(jī)裝置仍占優(yōu)勢(shì)。雖然汽輪機(jī)裝置的燃料費(fèi)用高于柴油機(jī)裝置，但是，動(dòng)力裝置總質(zhì)量、占機(jī)艙長(zhǎng)度及吊缸高度仍優(yōu)于柴油機(jī)裝置。但是，近年來(lái)，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性迅速提高，成為柴油機(jī)發(fā)展史上一個(gè)新的里程碑。柴油機(jī)在經(jīng)濟(jì)性方面明顯領(lǐng)先于汽輪機(jī)裝置，今后在大型和高速船舶中柴油機(jī)裝置和汽輪機(jī)裝置將展開(kāi)劇烈的競(jìng)爭(zhēng)。

2）軍用船舶不同于一般商船，其著眼點(diǎn)并非降低營(yíng)運(yùn)費(fèi)用或最大的盈利值，而是設(shè)法提高戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。綜合考慮武器、電子設(shè)備、動(dòng)力裝置、續(xù)航力及居住性在各種艦艇中的地位和相互關(guān)系。由于各國(guó)的設(shè)計(jì)思想不同，設(shè)計(jì)重點(diǎn)的優(yōu)先次序是不同的，如俄羅斯根據(jù)使命任務(wù)，要求具有更大的攻擊能力，其優(yōu)先次序是武器，動(dòng)力裝置、電子設(shè)備，續(xù)航力、居住性[16]。而美國(guó)的水面艦艇必須滿足對(duì)快速航空母艦特混編隊(duì)進(jìn)行全球護(hù)航的要求，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)的優(yōu)先次序?yàn)槭请娮釉O(shè)備、居住性、續(xù)航力，武器、動(dòng)力裝置。因此，俄羅斯水面艦艇的戰(zhàn)術(shù)航速高于美國(guó)，而戰(zhàn)略航速及續(xù)航力則低于美國(guó)。不管各國(guó)通過(guò)什么途經(jīng)來(lái)提高戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，其焦點(diǎn)歸結(jié)為排水量的合理分配。所以，艦艇動(dòng)力裝置的質(zhì)量和尺寸占著重要地位，要確保艦艇一定的續(xù)航力，還必須重視巡航工況的經(jīng)濟(jì)性。

各類動(dòng)力裝置特點(diǎn)和艦艇的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能要求，今后有發(fā)展前途的（除核動(dòng)力裝置外）主要是兩種裝置——以高速、中高速柴油機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)的裝置和以航空派生型（或稱船用化）燃?xì)廨啓C(jī)為主導(dǎo)的聯(lián)合動(dòng)力裝置。在小型快速艦艇中前者占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)，而在大、中型水面艦艇上，如護(hù)衛(wèi)艦以上艦船，后者占?jí)旱苟鄶?shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

聯(lián)合動(dòng)力裝置通常由不同類型的動(dòng)力裝置組成，并可用于平衡水面艦船在巡航工況下高經(jīng)濟(jì)性與戰(zhàn)時(shí)高機(jī)動(dòng)性的需求矛盾，作為一類有著較高性能要求和較好發(fā)展前景的動(dòng)力系統(tǒng)，在艦船技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中起著重要作用。為此，針對(duì)其開(kāi)展技術(shù)研究與工程試驗(yàn)同樣有著深遠(yuǎn)的意義。