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舰船联合动力装置定义探讨

已有 1690 次阅读 2022-5-9 00:30 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦

0 前言

首先简要分析船舶联合动力装置产生的原因,然后介绍联合动力装置的不同定义,最后引出新型联合动力装置及混合推进的概念,介绍国外的相关例子。

 

1 联合动力装置概念

通常情况下,护卫舰和驱逐舰的最高航速在30kn左右。从中可以看到,最高航速2930 kn所用时间约占总航行时间的5%20kn以下航速航行时间约占总航行时间的70%。因此,舰船动力装置推进装置的设计,一方面要保证快速性即最高航速,为此必须配置功率很大的原动机,这导致推进装置本身占用了大量机舱容积和舰船排水量;另一方面,根据它长时在中、低速巡航的特点,又要求推进装置在巡航工况时具备良好的经济性,以增大巡航力、作战半径或延长海上逗留时间。下面用推进装置性能计算来具体分析若要同时满足这两方面要求的推进装置选型困难之处。

这就是说,处于长时工作的1820kn巡航工况时推进装置的巡航功率约为总功率的1/4。这就出现了一个矛盾:为了保证高航速即快速性,舰船要用很大的空间和排水量来安装尺寸大、重量大、能产生总功率的原动机及其传动装置。但平时该舰船长时在部分负荷小于25%左右的总功率下工作,此时原动机比油耗高、有效效率低,这对推进装置主动力装置推进效率、经济性和舰艇续航力非常不利舰艇续航力计算和燃油装载量确定的依据是巡航航速及相应的推进装置的效率

为了解决上述舰船全速总功率大和巡航经济性差的矛盾,人们寻求能同时满足快速性、经济陛兼优的舰船推进装置。联合动力装置也称联合推进装置便应运而生。

 

2联合动力装置的定义

2.1《舰船工程辞典》的定义

该辞典有关联合动力装置的词条有五条:①联合动力装置;②柴一燃联合动力装置;③全燃联合动力装置;④蒸一燃联合动力装置;⑤燃一蒸联合动力装置。将上述词条引述如下:

 

2.1.1联合动力装置Combined Power Plant

主机由燃气轮机与其他原动机或多台燃气轮机组合而成的动力装置。舰艇的航速变动范围大,推进功率变动更大。燃气轮机具有轻巧、单机功率大、启动快、加速性好等优点,但在低负荷时耗油率大、运转不稳定,且不能反转。为使整个动力装置在重量、尺寸、耗油率和机动性以及舰船的航速和续航力等各方面达到最合理的组合,将不同机种或机型的几台原动机并车后共同驱动推进器,在不同航速时,使用不同的原动机。20世纪50年代在英国,蒸一燃联合动力装置已用于驱逐舰和护卫舰。与汽轮机动力装置相比,除机动性提高外,续航力也提高20%25%60年代,各国相继研制柴一燃联合动力装置,装于中、小型水面舰艇,使舰艇装载量增加40%60%,续航力提高25%50%,机舱人员减少50%。随着燃气轮机的不断发展和完善,英国于1966年改装成第一艘全燃联合动力装置的护卫舰,目前各国在水面舰艇中应用全燃联合动力装置者13益增多。在民用船舶中,曾采用过蒸汽机与汽轮机配合的联合动力装置。现在为节约能源,正在研制各种形式的燃一蒸联合动力装置。

 

2.1.2柴一燃联合动力装置CODAG,CODOG

主机由柴油机和燃气轮机组成的联合动力装置。燃气轮机在低负荷运行时耗油率大、不稳定、又不能反转;但单功率大,启动快。柴油机在所有工况下都具有耗油率小、运行稳定的优点,又便于反转;但单机功率较小。20世纪60年代各国将柴油机与燃气轮机组成联合动力装置,成为中、小型水面舰艇的主要动力装置形式之一。如柴油机功率在总功率中所占比例较小25%,即舰艇巡航航速较低时,柴油机仅作为巡航机用。大于巡航工况时,使柴油机停车,改用燃气轮机工作,称柴一燃交替联合动力装置CODOG。其全速功率较小,需用调距桨或可反转齿轮箱来实现换向。如舰艇巡航航速较高,也即柴油机功率在总功率中所占比便较大50%时,则须使柴油机在所有工况下都工作,而燃气轮机只在大于巡航航速时才投人工作,称柴一燃并列联合动力装置CODAG。其全速功率较大,但柴油机的减速齿轮箱需在不同工况时改变速比,使结构和操作复杂。柴油机和燃气轮机的特性差异较大,采用柴一燃联合动力装置使传动、燃油系统、滑油系统等结构复杂,管理不便,使用范围受到一定限制,故已逐渐被全燃联合动力装置替代

 

2.1.3全燃联合动力装置(COGAG,COGOG)

主机由多台燃气轮机组成的联合动力装置。20世纪60年代后期,航空改装型燃气轮机不断改进,使其耗油率下降达1709/hph,变工况性能改善,寿命延长2×104h,故各国逐渐采用燃气轮机作为巡航机和加速机。如巡航航速较低而全航速又较高时,则在同一轴系上配置l2台功率较小的巡航燃气轮机作巡航机用,另配功率较大的燃气轮机作加速机用,巡航机在高于巡航航速时不工作,称为燃一燃交替联合动力装置COGOG。如巡航航速和全航速都较高时,则在同一轴系上配置24台功率较大、机型相同的燃气轮机。根据航速要求,可将部分燃气轮机撤离或并人工作,使每台燃气轮机都能保持在高负荷下工作,称为燃一燃并列联合动力装置COGAG。如6000余吨的驱逐舰装4台功率为25×104hp的燃气轮机,总功率为10 x 104hp,重量仅为同功率汽轮机动力装置的1/3左右。燃气轮机的单机功率在不断提高,性能在日趋完善,在中、小型水面舰艇中将逐渐取代其他联合动力装置。

 

2.1.4蒸一燃联合动力装置(COSAG)

主机由汽轮机和燃气轮机组成的联合动力装置。汽轮机单机功率大、可靠性好、可反转和对燃料品质要求不高;但需锅炉、冷凝器等,设备复杂,重量、尺寸较大,且不能快速启动。燃气轮机轻巧,启动快,但对燃油品质要求高,寿命短。20世纪50年代初曾将这两种原动机组成联合动力装置,将汽轮机作为巡航机,高于巡航航速时,燃气轮机投入运行,使全速时功率增大;在紧急情况下,可用燃气轮机快速启航。由于汽轮机动力装置的重量、尺寸较大,随着全工况燃气轮机的发展。已能满足各种功率要求,为使装置简化,在中、小型水面舰艇中已为柴一燃联合动力装置COSAG或全燃联合动力装置所取代。

 

2.1.5燃一蒸联合动力装置(COGAS)

将燃气轮机和汽轮机两种按不同热力循环工作的热机联合在一起的动力装置称为燃一蒸联合动力装置COGAS。利用燃气轮机的高温排气送废气锅炉,加热给水产生蒸汽,推动汽轮机做功。汽轮机与燃气轮机共同带动螺旋桨,总功率可比单独燃气轮机动力装置增加3050%。既发挥了燃气轮机进气温度高的特点,又利用了汽轮机排汽温度低的优点,使装置的热效率达47%,是目前效率较高的一种装置。

从引用的上述词条可以看到,有关联合动力装置的定义“将不同机种或机型的几台原动机并车后共同驱动推进器”是不够完整的。这是因为:①同机种或机型的全柴联合动力装置CODAD和全燃联合动力装置COGAG就被该定义排斥了;②不同机种或机型的几台原动机非并车驱动推进器的联合动力装置也被该定义排斥了;③词条中没有全柴联合动力装置的内容。另外,词条撰写年代较早,有些内容陈旧或结论欠妥。

 

2.2《中国海军百科全书》的定义

由多台不同类型或型号的主机组成的舰艇动力装置。通常由巡航主机、加速主机、传动装置、轴系、推进器等构成。联合动力装置通过各种类型主机的合理配置和组合,充分发挥各种类型或型号主机的优点,弥补其缺点,使整个动力装置在全部运行工况范围内保持优良的性能,满足舰艇在高速和巡航等工况下的要求。联合动力装置采用不同类型或型号的主机,在使用、管理、训练、维修、后勤保障等方面会变得更为复杂和困难,往往被作为一种向某种尚不成熟的新型动力装置发展过程中出现的一种过渡性产物,最终被单一机型的动力装置替代。但在某些特定的用途中又需要采用不同类型的主机组合成联合动力装置。如潜艇及某些反潜舰艇,由于对航行状态和隐蔽性有很高的要求,多采用机械及电力推进相结合的联合动力装置。

 

2.2.1简史

联合动力装置的出现与燃气轮机的发展有着密切的关系。20世纪50年代起燃气轮机开始应用于舰艇后,蒸一燃联合动力装置用于大中型水面舰艇上,60年代后柴油机的单机功率不断增大,重型高速功率柴油机的发展,柴一燃联合动力装置已广泛用于中、小型水面舰艇上,成为联合动力装置中最主要的一种组合形式。这个时期燃气轮机的经济性较差,一般多为联合动力装置中运行时间较短的加速机组。70年代以来,燃气轮机的技术性能有了很大提高,燃油消耗率大幅度下降,部分工况性能有了改善,从而出现由同型号燃气轮机组成的联合动力装置。从发展趋势看,这种同型机全燃动力装置将取代异型燃气轮机组成的联合动力装置。对振动噪声有很高要求的一些特殊用途的水面舰艇,在巡航时采用电力推进的形式,由燃一电动机组成的联合装置或蒸汽轮机一电动机联合装置等也陆续出现于80年代设计研制的舰艇上。

 

2.2.2组成

动力装置的组成形式主要有:

(1)蒸一燃联合动力装置COSAG,巡航工况时,由蒸汽轮机供给动力,全速工况时,由蒸汽轮机及燃气轮机共同供给动力。

(2)燃一蒸联合动力装置COGAS,这是一种复合循环装置,即利用燃气轮机的废气能量使蒸汽锅炉产生蒸汽推动蒸汽轮机,两种动力机械共同向舰艇提供推进动力。与上述联合动力装置不同之处是在两种动力机械之间,不仅有机械联系而且有热力联系。

3柴一燃联合动力装置,由柴油机组成巡航机组,燃气轮机为加速机组,在巡航工况仅由柴油机提供动力,在全速工况时由柴油机和燃气轮机共同提供动力CODAG或柴油机不工作而仅由燃气轮机提供动力CODOG

4柴一电机联合动力装置,指柴油机、电机都可驱动推进器的动力装置。柴油机发出的功率既可直接提供推进动力也可带动电机向蓄电池充电,然后由电机驱动推进器,还可一边向蓄电池充电一边驱动推进器。

5柴一核一电联合动力装置,由于核动力装置小型化技术的突破,可在常规的柴油机一电机动力装置上加装小型核动力装置,组成柴一核一电联合动力装置。

6异型柴油机联合动力装置CODAD,由不同型号的柴油机所组成,巡航机组为寿命长、可靠性好的重型大功率高速柴油机;加速机组为重量轻、尺寸小的轻型大功率高速柴油机。这样配置可使动力装置的重量减轻、尺寸减小,在使用时采用共同工作制,即在全速时,巡航机组及加速机组均投入运行提供动力。

7异型燃气轮机联合动力装置COGOG,由不同型号的燃气轮机组成,经济性好的小型燃气轮机作为巡航机组,大功率燃气轮机作为加速机组,在全速时只有加速机组投入运行。随着燃气轮机技术的发展,在各种工况下的经济性均有显著提高,近年来在大、中型水面舰艇上多采用多台同型号的燃气轮机组成多机装置,在巡航时由部分机组投人运行,在全速时全部机组投人运行COGAG,由于机型单一,管理及维护修理较为方便,已逐步取代异型燃气轮机联合动力装置。

8蒸汽轮机一电机联合动力装置,以蒸汽轮机驱动发电机供电,以推进电机作为主机的舰艇联合动力装置。

 

2.2.3运行方式

联合动力装置从运行方式上可分为共同工作制及交替工作制。共同工作制是指在巡航工况时由巡航机组提供动力,在全速工况时巡航机组及加速机组同时运转,共同提供推进动力。这种工作制方式,适用在巡航航速要求较高、巡航机组功率在装置总功率中所占比重较大的情况下使用。交替工作制是指在巡航工况时由巡航机组提供动力,在全速工况时只有加速机组提供动力,这种工作制方式适用在巡航航速较低,巡航机组功率在总功率中所占比重不大的情况下使用。联合动力装置从结构上可分为分轴传动和并轴传动两类。分轴传动是指每台巡航机及加速机均分别驱动各自的推进轴多为四轴推进。这种结构的优点是传动系统比较简单,布置比较灵活;缺点是在巡航工况时及采用交替工作制在全速时有部分轴处于空转拖动状态,使阻力增加。并轴传动是将巡航机和加速机通过传动机构并联在一根推进轴上通常为双轴推进。这种结构的优点是在所有工况下各传动推进轴均处于运转状态没有空转轴,使阻力减小;缺点是并车传动机构复杂。除少数小型水面舰艇外,多数采用并轴传动。

在交替工作制方式并轴传动的联合动力装置中,有一套复杂的传动机构。在柴油机输入端有液力偶合器、弹性联轴器和万向节,然后经自动同步离合器与减速齿轮箱连接。液力偶合器起离合及吸收振动的作用,弹性联轴器及万向节是利用弹性元件的变形以补偿两轴相对位移、缓和冲击和吸收扭转振动。自动同步离合器用以实现同一轴上发动机之间的自动交替使用,是联合动力装置中的一个关键性环节。目前所采用的自动同步离合器都是棘齿型的超越离合器,依靠能自动同步啮合的齿型联轴节传递功率和运动。当主动部件或称输入部件的转速一旦超过从动部件或称输出部件的转速,齿型联轴器便能自动啮合,使发动机与传动轴及推进轴结合;主动部件的转速一旦低于从动部件的转速,齿型联轴器便能自动分离。主、从部件的齿同步依靠棘爪、棘轮机构来实现。在巡航工况时,燃气轮机未启动,这时柴油机转速增加,通过自动同步离合器的主动部件带动从动部件运转,然后经减速齿轮传动推进轴,在向全速工况过渡时,启动并加速燃气轮机,柴油机降速;当燃气轮机的转速超过时,则其他轴的自动同步离合器啮合,柴油机轴上的自动同步离合器脱开,实现自动交替。

 

2.3《新世纪舰船动力装置图集》的定义

该文中是这样定义联合动力装置的:随着舰船航行工况的不同而改变运行发动机、推进器的组合和运行方式的推进装置,可统称为联合推进装置或联合动力装置

该定义既包含了传统意义上的联合动力装置的内涵,又为包容以后诞生的新型联合动力装置做了铺垫。这是因为,为了满足新情况下舰船战技术性能的新要求或新变化,也随着舰船动力装置技术自身的发展,未来新型舰船除继续使用原有的联合推进装置外,还将研发出一些新形式的联合动力装置。

小结:主动力装置推进装置、推进系统对舰船操纵性、机动性、快速性、续航力、经济性等性能的保证是最基本,也是最主要的任务。联合动力装置概念的演变,反映了舰船总体性能随着舰船发展的需要而对舰船主动力装置要求不断提高的历程。联合动力装置通常由主机如巡航主机、加速主机、传动装置、推进器如螺旋桨、喷泵等组成。根据主机、传动装置、推进器的设计配置和舰船航行战技术要求的不同,通过改变运行主机、传动装置和推进器的方式,充分发挥主机、传动装置和推进器的优点,使推进装置在全部运行工况范围内保证所需的战术、技术性能。




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