軍用艦船動力裝置技術應用現狀及未來趨勢展望

摘" 要：以動力裝置對軍用艦船的影響作為切入點，概要介紹艦船動力裝置的定義及相關技術要求，并對柴油機、汽輪機、燃氣輪機等幾類常見動力裝置的技術特點及應用現狀進行重點研究，隨后對相關動力裝置的當前主要技術問題進行詳盡闡述。最后，對上述艦船動力裝置的未來發展趨勢及相關技術研發策略開展重點研究。就目前而言。柴油機是中、小型艦船（涵蓋各類水面艦船與潛艇）和軍輔船的重點發展方向;燃料電池與斯特林發動機是常規潛艇不依賴空氣的推進（AIP）系統的重點發展方向;汽輪機和燃氣輪機是大、中型水面艦船動力裝置的重點發展方向;核動力裝置則是航空母艦與核潛艇的重點發展方向。考慮到國際局勢的風云變幻，針對動力裝置的設計、研發、制造與優化能進一步提升艦船的整體性能，為我國的海防事業作出不可磨滅的貢獻。

關鍵詞：柴油機;汽輪機;燃氣輪機;聯合動力裝置;核動力裝置;燃料電池;斯特林發動機

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0005-09

Abstract： Taking the influence of power plant on military ship as a starting point， the definition and related technical requirements of warship power plant are briefly introduced. in addition， the technical characteristics and application status of several common power plants， such as diesel engine， steam turbine and gas turbine， are studied in detail， and then the main technical problems of related power plants are described in detail. Finally， the future development trend and related technology research and development strategies of the above-mentioned warship power plant are studied. For now. Diesel engine is the key development direction of small and medium-sized ships（covering all kinds of surface ships and submarines） and military auxiliary ships; fuel cell and Stirling engine are the key development direction of conventional submarine air-independent propulsion （AIP） system; steam turbine and gas turbine are the key development direction of large and medium-sized surface ship power plant; nuclear power plant is the key development direction of aircraft carrier and nuclear submarine. Considering the changes of the international situation， the design， development， manufacture and optimization of power plant can further improve the overall performance of warships and make indelible contributions to the coastal defense cause of our country.

Keywords： diesel engine; steam turbine; gas turbine; combined power plant; nuclear power plant; fuel cell; Stirling engine

現代戰爭是一種立體交叉的多兵種聯合作戰，海軍在其中占有舉足輕重的地位。因此就某種意義上說，海軍裝備是確保戰爭取得勝利的重要因素，研發強大的海軍裝備，發展新一代的海軍武器勢在必行。在一場現代化的戰爭中，通常需要各類戰斗艦艇、軍輔船和運輸船隊的聯合運作。同時，也要求這些艦船的動力裝置具備良好的綜合技術及戰術性能，并保持較高的在航率。

1" 艦船動力裝置及其系統組成

根據承擔的任務不同，艦船動力裝置總體可分為主動力裝置和輔助動力裝置2部分，并各自涵蓋了相關自動化設備。

1.1" 艦船主動力裝置

主動力裝置是水面艦船航行的動力來源，其由主推進發動機（又稱“主機”）、傳動裝置及推進器組成。各類艦船因其用途和排水量的不同，所采用動力裝置的類型也有所不同。一般可根據其所采用的主機類型、傳動方式、推進器的種類加以區分。按主機的類型可分為汽輪機、燃氣輪機、柴油機、聯合動力裝置和核動力裝置等。

1.1.1 主機

主機通常包括柴油機、燃氣輪機、汽輪機、聯合動力裝置、核動力裝置，以及各種新型動力裝置等[1]。主機通過不同的傳動裝置又可組成多種類型的動力系統，如電力推進系統等。

1.1.2" 傳動裝置

傳動裝置包括傳動設備和軸系。其中，傳動設備包括彈性聯軸器、萬向聯軸器、離合器和減速齒輪箱等，主要作用是組合或分配主機的功率，并實現減速、離合、補償軸系變形、減振與抗沖擊等其他功能;機械傳動系統中的軸系通常由傳動軸、聯軸器、軸承等相關部件組成，將主機輸出的動力傳給推進器，同時將推進器產生的推力傳給船體，克服艦船航行時的船體阻力;綜合電力推進系統主要包括主電纜、傳動軸、軸承等[2]，功能與機械傳動中的軸系類似。

1.1.3" 推進器

推進器可將主機輸出的軸功率轉換成推力。目前在艦船上常用的推進器有螺旋槳、噴水推進器、泵噴推進器等。

1.2" 輔助動力裝置

輔助動力裝置是指除推進動力之外，艦船上用于供給其他能量的裝置及系統，主要包括以下幾部分。

發配電裝置。發配電裝置用于提供全艦所需的電能。對于綜合電力推進系統而言，發配電裝置尤為重要。

輔助鍋爐裝置。輔助鍋爐裝置的功能是產生蒸汽，以供全艦加熱、取暖等所需，主要由輔助鍋爐、廢氣鍋爐，以及有關管系與設備組成。

壓縮空氣系統。壓縮空氣系統的功能是提供全艦所需的壓縮空氣，主要包括空氣壓縮機、儲氣瓶、管路及其他設備。

甲板機械。甲板機械是為了確保艦船的正常航行、海上補給、停泊及裝卸貨物所需的機械設備，包括艙機、錨機、絞盤機、起貨機和吊艇機等。

2" 對艦船動力裝置的技術要求

為了確保艦船的戰術性能，相應對動力裝置提出了如下要求：重量輕、尺寸小、功率高、經濟性好、生命力強、機動性好、隱蔽性高、耐用、可靠、成本低，并且操縱管理方便。

2.1" 對艦船動力裝置重量和外形尺寸的要求

在一定的排水量和總登記噸位的情況下，為了確保艦船具有足夠的凈載重量和凈容積，要求艦船動力裝置重量輕、外形尺寸小。排水量相同的艦船，如果彼此航速要求不同，則所需總功率也有所不同，從而動力裝置的重量及尺寸差別也較為顯著。

動力裝置通常會集中裝設在同一個機艙內。因此，動力裝置的外形尺寸很大程度上會受機艙大小的限制。通常而言，需要將動力裝置合理地布置在機艙內，并便于維修管理工作的開展，同時需考慮到工作人員的安全，并使其具有較好的勞動條件。從以上觀點出發，機艙應以寬敞為佳。但從增加全艦的裝載容積來考慮，則要求機艙的尺寸越小越好。因此，機艙的大小應在合理布置的前提下盡量縮小。對于承擔不同任務的艦船，機艙的大小對其戰斗力和裝載力影響程度均有不同，如對魚雷快艇的要求就較為嚴格，而對貨船的要求則相對寬松。

2.2" 對艦船動力裝置功率的要求

為了確保艦船的航速，要求動力裝置應具有足夠的功率。動力裝置功率通常依照艦船最大航速來確定。考慮到隨著使用時間的延續，附著在艦體下的生物逐漸增多，并且逐步老化的螺旋槳性能也可能會影響航行質量，通常會將動力裝置的功率取得更高（一般會比所需最高功率高出約10%）。同時，為了確保艦船在最低航速時能獲得所需的最小功率，主機也應能在低速工況下運轉。如果一臺主機的最低轉速無法使艦船以所需的最低航速航行，則可安置多臺主機，以便在低速工況下，僅由部分主機參與運轉，從而可輸出較低功率，因此滿足于艦船的低速航行工況。倒車航速則由可反轉主機或倒車裝置來實現，潛艇的倒航則多以電機來實現。

2.3" 對艦船動力裝置經濟性的要求

為了確保艦船的續航力和自持力，便對動力裝置提出了經濟性方面的要求。艦船動力裝置的經濟性可通過每海里航程下艦船的燃料消耗量來評定。因此，在總體設計時應采取各種可行的技術措施和設計方案，以提高艦船動力裝置的經濟性。

2.4" 對艦船動力裝置生命力的要求

艦船動力裝置的生命力，即在破損情況下最大限度維持主、輔機工作的能力，以此確保艦船的航行和活動能力，其為艦船總生命力的重要影響因素之一。目前，確保動力裝置生命力的措施主要有：①合理布置主機、輔機、設備、系統，將其分成獨立機組或實現隔艙布置。②設有防振措施，在個別零件損壞時，主機仍能正常運作。③對較為重要的機械和設備，可設置多套，從而實現備份冗余。④備有必要的材料和工具，用于維修破損機組。⑤對隨艦工作人員開展相關技能培訓。

2.5 對艦船動力裝置機動性的要求

艦船動力裝置的機動性是指主機能迅速、可靠地啟動、變速、回行和制動的能力，在寬廣的工況范圍內能可靠、協調地工作。以柴油機為例，其機動性主要取決于運動件的溫度，特別是主軸承的溫度。為改善其機動性，往往采用預熱滑油的辦法來降低柴油機運動件的熱應力，從而提升其機動性。

為了確保艦船的航行機動狀態，在最低轉速工況下，主機應能長時間可靠、經濟地工作，并具備寬廣的轉速范圍，以確保航速范圍，為此需采用復雜的控制監測系統，以便開展統一調節控制。

2.6 對艦船動力裝置隱蔽性的要求

為了提高艦船的隱蔽性，要求持續降低艦船的水下噪聲，并抑制動力裝置的紅外輻射。上述情況均對動力裝置提出了特殊、嚴苛的要求。動力裝置應具備振動小、噪聲低、抗沖擊能力強的特點。此外，由于長期在海上運行，要求動力裝置可靠性高，能承受船體搖擺、鹽霧等惡劣環境的侵襲。由此可采用相關措施，將噪聲控制在有關標準規定的范圍之內，例如可采用消音器、減振措施或水下排氣的方式。

2.7 對艦船動力裝置可靠性的要求

要求艦船動力裝置在服役期內，在各類工況下均能維持正常工作，不會突然停車或突然降低功率。為此，需選用合理的機型結構，選用堅固的材料和零件，以確保機組質量。輪機人員需持續提高機組使用能力，以確保主機工作時的熱應力和機械應力不會過高，避免主機超負荷運行。

2.8" 對艦船動力裝置壽命的要求

壽命是指艦船動力裝置在大修前能可靠工作的時間。通常，要求其他機械設備的壽命應與主機壽命相適應。主機壽命可通過選擇機組型式、材料磨損程度、潤滑質量，以及熱應力與機械應力的大小來保證。

2.9" 對艦船動力裝置制造成本的要求

為進一步降低艦船動力裝置制造成本，可以采用如下措施：①采用非特殊材料，以鋼代有色金屬。②采用簡單零件和廉價加工工藝。③組織成批和大規模的機械生產。

3 常規艦船動力裝置技術特點及其應用現狀

3.1 艦用汽輪機及其技術特點

3.1.1 艦用汽輪機的主要技術優勢

汽輪機由于工作過程連續、穩定、蒸汽在其中以高速流動，因此，在較小的通流面積中能流過大量的蒸汽，從而使汽輪機具有較高的單機功率。同時，由于汽輪機是一種回轉式熱力發動機，因此其振動、噪聲和磨損均較小，使用壽命較長[3]。

3.1.2 艦用汽輪機的主要技術劣勢

汽輪機由于能量轉換過程復雜，且還有大量的熱量在冷凝器中被冷卻水所帶走，因此其熱效率較低。另外，提高工作蒸汽的壓力及溫度也是提高循環熱效率的主要途徑之一。長期以來，由于在高溫條件下，燃油中的釩和鈉會產生高溫腐蝕和結渣，使蒸汽的初溫一直受到限制，近年來，該問題得到了有效解決，使工作蒸汽的初溫和初壓得到了進一步提升。

3.1.3 汽輪機在艦船動力裝置領域的發展

自19世紀末起，汽輪機開始被用作于民用船舶的動力裝置。此后，大中型水面艦船采用汽輪機作為主推進裝置。第二次世界大戰后，核動力裝置被安裝在潛艇、航空母艦及其他大型水面艦船上。在核動力裝置中，也以汽輪機作為主機。

在民用船舶上，汽輪機目前多應用于載重量為10萬t級以上的油船、航速要求高的大型集裝箱船及對航行平穩性要求較高的其他大型船舶上。20世紀70年代，世界范圍內曾出現石油危機，彼時油價全面上漲。汽輪機由于具有較大的單機功率、較高的可靠性和較長的使用壽命，對燃料的適應性好，可以燒渣油，也可以燒煤，甚至可以燒任何可供燃燒的物質，在柴油機尚未解決燃用重油的年代里，更顯示出其在經濟性方面的優越性。

3.2 艦用燃氣輪機及其技術特點

3.2.1 艦用燃氣輪機的主要技術優勢

目前所有的艦船動力裝置中，燃氣輪機是重量最輕、體積最小的一類。燃氣輪機于20世紀50年代后期正式得以發展，按機組結構型式主要可分為輕型燃氣輪機和重型燃氣輪機2類。

輕型燃氣輪機重量輕、體積小、采用簡單循環，并可實現整機換修，并可借鑒航空燃氣輪機的技術成就。重型燃氣輪機壽命較長，一般可達10萬h，操作簡單，可靠性高，并能燒重油。但其體積和重量指標明顯高于輕型燃氣輪機。重型燃氣輪機重點是如何提高裝置的效率。通過采用工程陶瓷材料，其耐熱溫度可達1 600 ℃。

艦用燃氣輪機裝置最突出的優點是機動性好，能迅速從冷態啟動，也能迅速從熱態停機。一艘用燃氣輪機推進的軍艦能在2～10 min內達到20 kn的航速，從空載到全速的時間不長于2 min。

目前先進的艦用燃氣輪機大修周期可達50 000～60 000 h。燃氣輪機單機尺寸小，在艦船上的維護工作量也較小，而且易于實現進氣裝置更換吊裝，采用“更換修理法”，如LM2500燃氣輪機的燃氣發生器在泊位上的更換時間一般不超過24 h。另外燃氣輪機的附屬設備多設在機組本體上，更易于實現自動化控制。

3.2.2 艦用燃氣輪機的主要劣勢

艦用燃氣輪機的主要劣勢是其在低負荷工況下運行時的經濟性較低，且此時壓氣機容易出現喘振現象。相關改進辦法是將燃氣輪機與其他動力裝置聯合，使其分別在各自的設計工況下運行。

燃氣輪機熱量損失較大，熱效率較差，這對民用船舶大為不利，所以較少使用。不僅如此，燃氣輪機的空氣耗量大，進氣口占用面積大，使全艦上甲板的布置比較困難。此外，艦用燃氣輪機由于多采用輕型機組，因此還有著對燃油質量要求高，且燃油消耗率高的弊端。

3.2.3 艦用燃氣輪機的主要發展方向

目前，艦用燃氣輪機的主要發展方向如下。

1）提高燃氣輪機參數，改進部件設計，提高機組性能。通過提高燃氣初溫、改進部件性能等措施，不斷提高機組的性能。在推出新機組的同時，不斷提高原有機組的性能。目前國外艦船的排水量明顯增加、高速船的航速有進一步增大的趨勢，對功率的需求加大，因此大功率等的艦用燃氣輪機紛紛涌現。

2）一機多用，系列化發展。由于燃氣輪機研發費用高、周期較長，因此在設計上力求一機多用、系列化發展。通過局部的設計改動，滿足不同艦用的要求。

3）低排放燃燒室的研制。隨著環保要求的不斷提高，致力于低排放燃燒室的研發。

4）采用先進的復雜循環，提高機組性能。通過采用復雜循環及聯合循環等方式，提高機組性能。如采用間冷循環的WR-21型艦用燃氣輪機，不僅在額定工況下的熱效率可達46%，在部分負荷工況下的熱效率也超過36%。

5）隨著艦船電力推進技術以及綜合電力系統的發展和應用，發電系統成為艦用燃氣輪機的應用方向。因此，研制艦用燃氣輪機也是發展綜合電力系統艦船的前提條件之一。

3.3 艦用柴油機及其技術特點

柴油機自20世紀初開始用于民用船舶以來，由于其熱效率高、耗油量低、啟動性能好、工作可靠，且具有寬廣的功率范圍和轉速范圍，因此獲得了長足的發展[4]。

由于優點突出，故與其他動力裝置相比，柴油機的應用更為廣泛。低速柴油機轉速較低，磨損小，機械效率高，使用壽命較長，并能燃用劣質重油，燃油消耗率低，但其體積較大、重量較重，故多用于大型遠洋船舶。近年來，低速柴油機的技術得以顯著提升，其比重量顯著降低，為充分利用機組廢氣的熱量，還設置了廢氣鍋爐。

早在第二次世界大戰期間，德國就曾大量生產過中速柴油機，并將其用作潛艇的主機。戰后，中速柴油機開始在民用船舶上得以廣泛應用。到了20世紀中葉，由于二行程低速柴油機廢氣渦輪增壓技術的發展，功率與日俱增，中速柴油機曾一度衰落。為進一步提高中速柴油機的經濟性，更好地利用廢熱，同樣也可以設置廢氣鍋爐。

高速柴油機單位功率的重量輕，結構緊湊，但對燃油的要求較高，燃油消耗率較高。由于轉速高、磨損大、壽命也較短，小型高速艦艇及小型民用船舶常采用此類機組。由于近年來，該類機組的燃油消耗率得以持續降低，該指標已逐漸接近低速柴油機的水平，亦能燃用劣質燃油，在選配合適的減速齒輪箱條件下，可顯著降低螺旋槳的轉速，提高推進效率，從而降低了燃油費用。

與汽輪機和燃氣輪機相比，柴油機的突出優點之一就是其燃油消耗率較低。隨著艦船的大型化和高速化，對柴油機的單機功率的要求也在逐步提升。盡管近些年來艦用柴油機的單機功率在不斷增大，但仍無法與汽輪機及燃氣輪機相提并論，尤其是對中、高速柴油機而言。而在比重量等結構緊湊性參數方面，中、高速柴油機雖不如燃氣輪機，但總體優于汽輪機。就生命力而言，柴油機優于汽輪機，這是因為：①柴油機結構相對簡易。②柴油機自身并未配備易出事故的設備（如鍋爐蒸汽管等）。③柴油機輔助系統簡易。④柴油機單個機組功率有限，為確保大功率，更傾向于采用多機單軸裝置，反而提高了總體生命力。

3.4 艦船動力裝置應用現狀研究

3.4.1 艦用汽輪機應用現狀研究

20世紀60年代至20世紀70年代初，艦船正向著大型化、高速化的方向發展，要求配置高功率的動力裝置，而汽輪機具有單機功率大、工作可靠，并能燃用劣質燃料等優點，因而一度在大型油船、集裝箱船及中型以上的水面艦船中占據了壟斷地位。但自1973年石油危機以來，建造大型油船的勢頭銳減，船舶動力裝置的發展轉向節能，提高經濟性。而艦用柴油機在提高單缸單機功率、降低燃油消耗率、燃用重油方面又有了很大的進展，相比之下，汽輪機的優越性就顯著下降。但就現有各種動力裝置的型式來看，汽輪機在各類大型船舶中依然占據著較大比例。

對于軍用艦船而言，由于汽輪機體積龐大，啟動慢，無法即刻適應所賦予其的戰斗指令。目前，正向著以燃氣輪機為加速機組的聯合動力裝置的方向發展[5-7]。

3.4.2" 艦用燃氣輪機應用現狀研究

在所有艦船動力裝置中，燃氣輪機有著重量輕、體積小、啟動迅速和機動性好的優勢，因此有著較強的技術吸引力。此外，燃氣輪機運轉平穩，振動較小，維護管理都較為方便。近年來，燃氣輪機的燃油消耗率也有所下降，壽命不斷延長。目前，燃氣輪機不但在高速快艇上得到了應用，而且在護衛艦、驅逐艦等大、中型艦艇上均得到了推廣。

但與此同時，與其他主機相比，燃氣輪機的燃油消耗率依然較高，低負荷工況下運轉時，其燃油經濟性更差，并且由于工作時空氣流量較大，需布置龐大的進、排氣道。

目前，為了提高采用簡單循環的燃氣輪機的熱效率，出現了采用回熱循環和中間冷卻-回熱循環的燃氣輪機。前者可將燃氣輪機的排氣廢熱通過回熱器傳給即將進入燃燒室的壓縮空氣，從而提高機組效率;后者則可利用廢氣余熱對壓縮空氣進行加熱，并可對低壓壓氣機所壓出的壓縮空氣進行冷卻，以提高壓氣機效率，從而進一步提高循環熱效率，并改善部分負荷下的燃油消耗率性能。

3.4.3" 艦用柴油機應用現狀研究

如3.3中所述，考慮到柴油機的技術特點，其在各類民用船舶及中、小型軍用艦船中均得到了廣泛應用。當前，護衛艦、獵潛艇、導彈艇、掃雷艇、登陸艇及其他輔助艦艇、常規潛艇普遍采用高速柴油機作為其主機。高速柴油機的主要優勢之一是具有較小的重量和尺寸，從而可相應減少其所占的排水量，提升艦船的凈裝載重量。提高艦船的快速性和續航力，這對高速快艇尤為重要。

由于重油的成本比柴油更低廉，因此對艦用柴油機而言，能否燃用重油是其在經濟性領域與汽輪機開展競爭的重要指標之一。在20世紀中葉，就開始對柴油機燃用重油的過程開展了大量試驗，隨著許多技術問題（如氣缸、氣閥等部件的腐蝕，滑油的污染等）的有效解決，目前幾乎所有低速柴油機都可燃用黏度較高的重油，而大部分中速柴油機也可燃用重油。由此，中、低速大功率柴油機已在各類船舶中得以廣泛應用。

對于部分水面艦船而言，可采用柴油機與燃氣輪機組合而成的聯合動力裝置[8]，既能利用燃氣輪機單機功率大、重量輕、體積小的特點，又能利用柴油機經濟性良好的優勢。就目前而言，實現艦用柴油機的遠程遙控和自動化運行，已成為其發展的必然趨勢。

考慮到柴油機所具有的固有優點，以及近年來機組性能的不斷改善，柴油機已在艦船動力裝置中占據重要地位，是目前艦船推進動力中最重要的推進型式之一。

4" 我國艦船動力裝置的發展現狀及其所面臨的技術問題

4.1" 我國艦船動力裝置的發展現狀

為了建設強大的海軍，以滿足未來高科技戰爭的實際需求，我國海軍需要建造的艦船種類較多，主要有航空母艦、驅逐艦、護衛艦、兩棲攻擊艦、掃雷艦、護衛艇、核潛艇、常規潛艇，以及各種軍輔船等。由于各類艦船所承擔的作戰任務不同，因此對動力裝置的類型、功率等級、裝置型式提出了寬泛且嚴格的要求。從我國海軍裝備建設的實際需求出發，同時考慮到我國水面艦船的現狀，動力裝置的總體發展現狀有如下方面。

4.1.1" 艦船動力裝置品種多、功率范圍大

就目前而言，很難用一種或數種典型的機型或品種覆蓋所有艦船的需求，總體如下所示。

1）航空母艦一般需要較高的功率，常需要采用多套汽輪機，或直接采用核動力裝置[9-10]，部分輕型航空母艦也采用燃氣輪機，或由燃氣輪機作為加速機組的聯合動力裝置作為動力來源[11]。

2）除航空母艦之外的其他大、中型水面艦船多采用聯合動力裝置，以平衡戰時的高機動性與巡航工況下的高經濟性。聯合動力裝置主要包含如下類型：汽輪機-燃氣輪機聯合動力裝置（COSAG）、燃氣輪機-汽輪機聯合動力裝置（COGAS）、交替使用式柴油機燃氣輪機聯合動力裝置（CODOG）、共同使用式柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置（CODAG）、全柴聯合動力裝置（CODAD）、交替使用式全燃聯合動力裝置（COGOG），以及共同使用式全燃聯合動力裝置（COGAG）。

3）導彈快艇和高性能船舶所需要的功率范圍較寬，而且對質量尺寸等指標要求較為嚴苛，只有高速大功率柴油機或中、小型燃氣輪機方可滿足其要求[12-13]。

4）核潛艇需要核動力裝置[14]，其與陸用核動力裝置相比，具有體積小、質量輕、耐沖擊、耐搖擺和安全可靠性高等特點。

5）常規潛艇多采用柴油機作為主機，在水下航行時則會采用不依賴于空氣的推進（AIP）系統[15-16]。

考慮到各類艦用動力裝置的特點和用途不同，它們之間無法相互替代，須根據實際需求進行協同發展[17]。

4.1.2" 動力裝置系統組成復雜、技術難度高、運行工況范圍廣

以部分驅逐艦所采用的CODOG型聯合動力裝置為例，其由2臺大功率燃氣輪機、2臺大功率高速柴油機、離合器、大速比齒輪箱、液力偶合器和大撓度萬向節等傳動設備組成，整個動力系統較為復雜。

同時，由于機組功率較大，并且受到艦船機艙空間的限制，要求系統中的每類設備均具備較高的技術性能與可靠性[18]。此外，為了滿足各種作戰任務的需要，要求動力裝置在整個工況范圍內均具備良好性能，并能滿足正車、倒車、緊急停車和快速加載等特殊要求。

4.1.3" 我國艦船動力裝置的實際研發狀況

艦船動力裝置研制周期長，協作配套復雜，制造生產規模大，但生產批量卻并不大，導致制造成本相對較高。同時，由于艦船動力裝置技術比民用動力裝置更復雜，并且多有著嚴苛的要求。因此，艦船動力裝置的技術發展、新產品的開發，以及科研條件的改善均有賴于國家的政策推動。

4.2" 我國艦船動力裝置所面臨的的技術問題

在艦船動力裝置技術水平飛速發展的同時，仍存在一定問題，主要有：①由于艦船動力裝置類型繁多，涉及面廣，致使各類動力裝置的發展水平并不均衡。②艦船所配備的主機為典型的技術密集型產品，品種類型多、研制周期長、技術難度大、機組配套復雜。

上述問題的存在曾一度限制了我國艦船動力裝置的發展。

5 我國艦船動力裝置的未來發展趨勢及技術研發策略研究

在分析我國艦船動力裝置技術現狀的基礎上，對未來艦船動力裝置的發展趨勢和相關策略進行了展望。

5.1我國艦船動力裝置的重點發展方向

考慮到不同類型艦船對動力裝置的不同要求，柴油機、汽輪機、燃氣輪機、聯合動力裝置、常規潛艇AIP系統、傳動裝置，以及監控系統等都是軍用艦船必不可少的裝備，它們之間往往無法相互替代，須根據海軍的實際需求來進行持續、穩定、協調的發展，并采用其各自的關鍵技術。

5.1.1" 艦船柴油機的重點發展方向

1）在加強技術改造和先進制造技術研究的基礎上，重點發展大功率高速柴油機，做好國外先進技術消化吸收工作，開發出具備先進技術指標的大功率高速柴油機。

2）做好中速柴油機的可靠性工作，解決批量生產中的各種問題，形成性能先進、功率覆蓋面大、滿足各種艦艇需要的系列型譜，實現新一代艦用柴油機的更新換代。

3）目前需采用多級增壓技術、提升噴射壓力、改善機組低工況下的性能，并采用同全工況優化控制技術，采用可靠性優化設計技術，大力發展低噪聲柴油機設計技術，以及高性能配套件的設計制造技術。

5.1.2" 艦船汽輪機的重點發展方向

以航空母艦用大功率汽輪機所需要的系統總體技術和關鍵技術為主要發展方向，開發大功率汽輪機及大容量蒸汽鍋爐，推廣調控和仿真系統關鍵技術，使汽輪機的單機功率、經濟性、可靠性和自動化水平得以顯著提升[19]。

5.1.3" 艦船燃氣輪機的重點發展方向

1）在引進先進燃氣輪機及相關技術的基礎上，開展消化吸收研究工作，重點完成先進燃氣輪機的國產化，搞好生產定型和批量生產[20]。

2）進一步提升燃氣輪機性能和可靠性。

3）積極進行中、小功率燃氣輪機的開發研究工作，滿足海軍裝備的發展需求。

5.1.4 艦船聯合動力裝置及傳動裝置的重點發展方向

針對大、中型水面艦船動力裝置的需要，重點研制CODOG型聯合動力裝置及其配套的傳動裝置[21];同時開展COGOG、COGAG、CODAD等其他類型的聯合動力裝置，以及航空母艦、核潛艇所需的大功率傳動裝置的研制工作。

5.1.5 艦船電力推進系統的重點發展方向

1）重點發展以交流永磁同步電機為基礎元件的電力推進系統，推廣大功率變換和機電一體化結構技術，滿足艦船電力推進和常規潛艇的推進需求[22-24]。

2）持續開發安靜型潛艇用化學電源，解決好潛艇蓄電池系統技術，滿足新一代潛艇的需求。

3）在超導電機研究成果的基礎上，結合引進關鍵技術，解決實用化，進一步提高艦船電力推進系統的綜合性能。

5.1.6 常規潛艇AIP系統的重點發展方向

我國潛艇用燃料電池和閉式循環柴油機的研究工作曾在20世紀70年代和20世紀80年代初期取得一定成績[25]，但其研究工作曾先后停止。由于斯特林發動機具有較好前景，針對該類機組的研究工作才得以持續開展[26-28]。隨著技術的持續優化，目前燃料電池的技術水平已有了顯著提升，考慮到其固有優勢，有發展成潛艇單一動力裝置（同時用于水面航行及水下航行）的前景[29]。因此，現階段應在持續發展斯特林發動機AIP系統及閉式循環柴油機AIP系統的基礎上，重點推動燃料電池AIP系統的研發進程。

5.1.7 艦船動力裝置監控系統的重點發展方向

1）根據艦船對監控系統的要求，從主動力控制、動力裝置監測報警、輔機監控、電站監控、安全保護、損管保護、火警控測與滅火等方面開展研究，完成系統的高度集成化，實現動力裝置的運行和故障預測、診斷，以及優化控制。

2）提高監控系統的可靠性、維修性和“三化”程度。

5.2 我國艦船動力裝置的技術研發策略研究

5.2.1 艦船柴油機的技術研發策略研究

柴油機是我國軍用艦船的主要動力裝置，多年來得到了長足發展，較好地滿足了我國軍用艦船武備力量的發展需求，并建立了較為完善的科研生產體系，海軍使用部門也積累了比較豐富的使用及維護經驗。因此，柴油機可稱得上是我國艦船動力裝置的發展基礎。在未來的數年內，柴油機還將用于各種艦船，其主要應用領域如下。①水面艦船CODOG型聯合動力裝置中的巡航機組。②中小型水面艦船的全柴推進動力。③電力推進系統的發電主機。④常規潛艇的主推進柴油機。⑤高性能船舶的動力裝置。⑥登陸艦艇、反水雷艦艇，以及各種輔助艦船的主機。⑦各種艦船發電站的主機等。

在發展過程中，要充分注意艦船柴油機的系列化和通用化，實現軍民結合，一機多用，盡量擴大應用范圍。提高國產化率和可靠性，改善性能，實現批量生產，開發系列產品，進一步完善我國艦船柴油機系列型譜。

基于柴油機的先進制造技術需要以國外先進柴油機為基礎，在加強技術改造和先進制造技術研究的基礎上，提高性能和可靠性，使我國大功率艦船柴油機制造能力穩步提升。

5.2.2 艦船汽輪機的技術研發策略研究

目前，我國汽輪機工業已有較好的發展基礎，未來需重點開發大功率的機組，著重提高其性能參數、經濟性、自動化程度和可靠性。

5.2.3 艦船燃氣輪機的技術研發策略研究

該領域將以發展大、中型水面艦船所需的大功率燃氣輪機為重點，并逐步提升燃氣輪機的性能參數與可靠性。同時，重視艦用中、小功率燃氣輪機的開發工作，從而逐步實現與COGOG、COGAG等不同類型聯合動力裝置的協同發展。

5.2.4 艦船聯合動力裝置及傳動裝置的技術研發策略研究

聯合動力裝置及傳動裝置以大、中型水面艦船CODOG型聯合動力裝置為發展重點，著力開發該類聯合動力裝置的系統設備，綜合技術、監控技術、動態仿真技術以及與之配套的傳動裝置。

5.2.5 艦船電力推進系統的技術研發策略研究

1）電力推進系統以開發由交流永磁同步電機為基礎元件的推進裝置為重點，突破其關鍵技術，以滿足常規潛艇主推進系統和特種艦船巡航電力推進裝置的需求。

2）提高潛艇蓄電池的比能量和使用壽命，開發安靜型潛艇所需的化學電源。

3）同時改進、提高和完善電力推進系統，著重進一步提高該推進系統的可靠性和電磁兼容性能，為進一步發展艦船新型電力推進系統打下堅實的基礎。

5.2.6 常規潛艇AIP系統的技術研發策略研究

AIP系統在未來海戰中有著重大意義，其能顯著降低潛艇的暴露率，有著較好的前景。目前，該類動力裝置主要用于常規潛艇，也可用于大型深潛器。我國斯特林發動機技術已有較好的發展基礎，在此基礎上可持續推動燃料電池AIP系統的發展。

5.2.7 艦船動力裝置監控系統的技術研發策略研究

1）應重點實現艦船動力裝置監控系統的模塊化、通用化、系列化。

2）提高監控系統的可靠性和維修性。

3）推動艦船主機的動態仿真研究。

4）要重視系統性開發，并有針對性地引進國外先進技術，提高研究開發起點。

6 動力裝置在艦船動力領域的實際應用歸納及展望

如上文所述，艦船動力裝置的特點主要有：①裝置技術復雜、要求高、難度大。②鑒于艦船航行環境的嚴苛要求，動力裝置始終是促進該領域技術發展的推動力量。③艦船動力裝置的研究及生產周期較長，協作配套復雜，系統性強，生產批量小，經費投入需求大。④軍用艦船對動力裝置的品種類型、功率等級和裝置型式等提出了廣泛而特殊的要求，各種動力裝置系統需得到持續、穩定、協調的發展。

目前，中、小型水面艦船及常規潛艇等均以柴油機作為推進動力。而在大、中型的水面艦船中，目前多采用汽輪機與燃氣輪機。核動力裝置則主要用于大、中型航空母艦及核潛艇。聯合動力裝置是一類重要發展方向，目前多以柴油機或小型燃氣輪機作巡航機組，以大功率的燃氣輪機作加速機組，從而提高艦船的經濟性及機動性，根據機組搭配型式的不同，其能運用于多種艦船中。就現階段而言，動力裝置及其重點應用的艦船領域見表1。

除了動力性能之外，當前各種型式的動力裝置都向著節省燃料和使用廉價燃料的方向發展，以提高經濟性。同時，艦船動力裝置的工作可靠性也在持續提高，使用壽命也在不斷延長。近年來，隨著計算機技術及相關通信、控制技術在艦船上的進一步應用，出現了無人機艙、機艙集控室集中控制、駕駛室遙控主機等相關技術，從而使動力裝置的自動化水平進一步提升。

7 結束語

近年來，隨著世界各國軍事工業的逐步完善，新概念、新裝備不斷涌現，而我國的武器裝備技術水平也在逐步提升。隨著國際時局的不斷變化，也需要從實際情況出發，不斷調整發展戰略。我國是個海洋大國，南海和東海均為連接太平洋和印度洋的戰略性重要國際航道。隨著海洋戰略地位的提高，臨近國家海軍戰略的調整，以及世界各國海軍力量的與日俱增，使得海洋的不安全因素持續增長[30]。因此，各種潛在的威脅都要求我國把海洋國防放在重要的位置上。在此基礎上，針對軍用艦船及其動力裝置的研究有著重要而深遠的意義。

近年來，我國的各類艦船動力裝置技術水平均有了顯著提升，柴油機、汽輪機及燃氣輪機等常規動力裝置均已形成了較為完善的科研生產體系。作為核潛艇和大、中型航空母艦的關鍵設備，核動力裝置的技術較為復雜，目前仍亟待完善[31]。

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作者簡介：伍賽特（1990-），男，工學碩士，工程師，經濟師，信息系統項目管理師，知識產權師。研究方向為內燃機與動力裝置。