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[转帖]全球舰艇主要动力方式97

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[全球舰艇主要动力方式(心脏决定动力)];壹、核动力:;核动力装置以原子核的裂变所产生的巨大能量通过工质;1、核动力装置使核潜艇能在水下长期连续航行;2、续航力不受限制;3、大功率;(一)、国外舰艇核动力装置的应用概况;目前,国外有美国、俄罗斯、英国和法国拥有了核动力;1、美国核动力装置的情况——美国的舰艇核动力,基;2、俄罗斯/前苏联舰艇核反应堆的发展——

[全球舰艇主要动力方式(心脏决定动力)]

壹、核动力:

核动力装置以原子核的裂变所产生的巨大能量通过工质(蒸汽或燃气)推动汽轮机或燃气轮机工作的一种装置。其工作原理是:核反应堆将核能转化为热能,再利用冷却剂将热能输出堆芯,冷却剂携带的热量通过蒸汽发生器传递给二回路工质,工质受热形成蒸汽,蒸汽进入透平作功,带动螺旋桨转动。舰艇核动力装置技术是指在舰艇核动力装置的建造、使用中所应用的技术。 自1954年第一艘核动力潜艇问世以来,核动力装置技术获得了迅猛的发展。目前,除核潜艇外,现役的核动力舰艇还有巡洋舰、驱逐舰和航空母舰,这些核动力舰艇主要集中在美国和俄罗斯。

全球舰艇主要动力方式97

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      苏联海军首先把燃气轮机用于大型战舰(1963年服;[柴燃联合动力能带多大吨位的驱逐舰?];两台UGT25000燃气轮机加上两台单机9000;[什么是柴燃交替动力?柴燃交替和柴燃联合动力的定;简单,燃气轮机和柴油各有优缺点,燃气轮机体积小,;[舰用燃气轮机];1、全燃动力是分燃燃联合和燃燃交替的,燃燃联合代;2、相比较而言,加速用的燃气轮机功率更大,因为超;3

      苏联海军首先把燃气轮机用于大型战舰(1963年服役的卡辛级导弹驱逐舰),这一次又是苏联首先把基于燃气轮机的COGAS装置应用于先进的导弹巡洋舰。使用COGAS装置减少了耗油率,从而对于给定的燃油储量可增加战舰的续航力,或对于给定的续航力可增加武器弹药的载重量,使战舰的战术性能指标得到提高。用在民用发电上不用考虑重量体积问题,经济性强,但是军用就要考虑重量、体积问题免得得不偿失。

      [柴燃联合动力能带多大吨位的驱逐舰?]

      两台UGT25000燃气轮机加上两台单机9000KW的柴油机、能把驱逐舰的吨位提高到什么水平?航速和052C一样就行了、是柴燃联合动力、标排7000吨/满载8000、有可能吗?航速不变,4台9000KW的柴油机、能把054护卫舰的吨位提高多少呢?军舰动力系统不能太大,否则柴油机巡航不仅吃力,柴油机自身的体积也会占用很大空间。现在最先进的高速柴油机也就是1.1万马力,中速柴油机在1万马力左右,巡航用的高速柴油机一般为了减少体积和质量,也就是4000到6000马力段,双机也就是8000到1.2万马力,要达到20节的巡航速度,驱逐舰吨位最多也就是7000多吨。你不能光考虑最大航速。多大都行,看你装多少个发动机了。我想问一下,日本海军为什么用四台燃气轮机却不用柴燃联合动力,他们不怕耗能大吗?还有听说中国已经仿制成功了乌克然的燃气轮机,可以达到世界先进水平吗?首先美国的燃气轮机还是比较先进的,油耗也是很低的。其次是日本海军的主要任务还是配合美军作战。美国海军都是全燃气轮机动力,日本也要和美国保持一致才行。柴燃联合动力主要是为了节省军费,但是舰上要有两套动力、两套储油设施。适合于低强度周边环境的国家和小国。乌克兰的水平就不是世界最先进的,中国怎么能到最先进的呢?苏联的承诺品特点是笨重,寿命低,油耗也不是世界最低的。不过虽然达不到西欧的水平,但是相差不太大,而且比蒸汽轮机和柴油机还是有优势的。从反潜的角度看全燃比柴燃有优势。日本为什么用全燃气轮机作动力,这个跟日本海上自卫队的战术战略有关系。日本的主力是4支护卫队群,都是由驱逐舰组成的,动力也全是燃气轮机,优点就是启动迅速有利于海战中的机动作战。我们国家的仿制成功了乌克然的燃气轮机,跟日本目前主要型号LM2500型舰用燃气轮机是一个档次的,算是世界先进水品。但不是最先进!燃气轮机马力大,柴燃联合动力低速时经济,但限制了舰艇排水量

      [什么是柴燃交替动力?柴燃交替和柴燃联合动力的定义是什么,各有什么好处]

      简单,燃气轮机和柴油各有优缺点,燃气轮机体积小,质量轻,功率大,但是油耗相对较高,尤其是低速时效率很低,对于进气排气有严格的要求。柴油机功率密度相对较低,转速低,高转速时振动噪声都很大,体积也偏大,但是油耗低,进气排气设计简单。为了一定程度上综合两者的优点,在满足使用功率的情况下,出现了柴燃交替和柴燃联合动力的形势。交替就是柴油机负责军舰低速时的动力,高速航行必须启动大功率的燃气轮机,此时柴油机是不参与驱动工作的。而联合低速航行时也用柴油机,高速时加入燃气轮机,柴油机继续工作。早期技术限制,低转速的柴油机很难与高转速的燃气轮机在同一驱动轴上协同工作,因此才有了交替驱动的无奈。后来技术问题解决后,联合动力方式广泛使用。

      [舰用燃气轮机]

      1、全燃动力是分燃燃联合和燃燃交替的,燃燃联合代表是斯普鲁恩斯和伯克,都用的四台相同燃气轮机,理论上能扩大燃气轮机的采购规模,形成规模化效应,简化后勤,燃燃交替比较典型的是苏联的光荣级以及日本和英国的部分舰艇。

      2、相比较而言,加速用的燃气轮机功率更大,因为超过25节后,兴波阻力成指数化增长,需要相当大的功率,而巡航用燃气轮机功率就不用很大,比如光荣这样的巨舰巡航发动机也就9000KW左右吧。

      3、为什么会有燃燃交替的呢?因为燃气轮机真的很好用,但是有个显著缺点,就是低工况下效率很低,有多低呢?说个大约,LM2500在百分之三十功率时单位耗油率能达到全工况单位耗油率的两倍多,可以说,它在低工况情况下每小时耗油和高工况差不多,所以,四台联合那是相当浪费,当然,美帝是啥国家,浪费的起。

      传统的COGAG,也就是燃燃联合动力基本都是4台燃机双轴,巡航用2台燃机,最高航速用4台燃机并车推双轴。以前有过推进功率一大一小的燃燃联合,但是不同功率的燃机并车推进对齿轮箱的要求很高,而且效果也不是很好。像仁川级那样即将用一台MT30作为主推进,那纯属是有点骚钱不知道怎么得瑟好了,就好比开着悍马去100米外的超市买瓶酱油一样。近日,有海外媒体说乌克兰的UTG-25000是所谓商用燃气轮机,这个观点几乎不值一驳,实际上UTG-25000是前苏联第四代舰用燃气轮机。燃气轮机是现代舰船主流的动力系统,它的优点就是体积小、重量轻、功率大、结构紧凑、辅机与系统简单,尤其是它可以使用航空发动机的核心机发展而来,因此可以降低研制与发展的费用,但是它也存在自己的缺点,包括进排气尺寸较大、热效率较低,因此低工况的时候燃油消耗较高,倒车困难等等,不过它的优越性加突出,所以迅速成为各国水面舰艇的主力系统。前苏联是使用和普及燃气轮机比较早的国家,很早就实现水面舰艇的燃气轮机化,甚至连轻型护卫舰都配备有燃气轮机,这个主要是考虑到燃气轮机的加速性能较好,适合对抗水下高速性能较好的美国核潜艇,需要指出的是前苏联大产部分舰艇燃气轮机都是由位于乌克兰“机器设计与科研联合体 ”研制和生产,在前苏联时期,该联合体设计、生产了19个型号配备在26个型号的水面舰艇上,数量超过1000部以上。UTG-25000是该联合体为前苏联海军研制的第四代舰用燃气轮机,主要用于大型水面舰艇的动力系统,25000就是它的功率数,也就是25000KW,大约相当于40000马力左右,根据相关资料,UTG-25000是在UTG-15000的基础上研制的,后者是前苏联海军第三代舰用燃气轮机,根据命名规则我们就可以知道它的功率大约是15000KW(大约20000马力),它在上世纪70年代研制,1984年研制在功,1988年投入批量生产,用于前苏联新型无畏级护卫舰。由于在使用之中UTG-15000表现出辽结构紧凑、经济性能好、运行维护简单等优点,机器设计和科研联合体认为它有进一步升级的潜力,考虑到前苏联新一代水面舰艇的吨位有可能进一步的增大的趋势,所以决定在它的基础上研制新一代燃气

      轮机,这就是UTG-25000。UTG-25000与UTG-15000相比,主要是在压气机上面增加零级,燃气初温1120度增加到1250度,热效率由35%增加到37.5,空气流量33公斤/秒增加到91公斤/秒,动力涡轮转速由30000转/分提高到35000转/分左右,功率也由15000KW,20000马力增加到25000KW,40000马力左右,在结构上,UTG-25000采用了9级低压压气机加9级高压压气机、1级低压涡轮加1级高压涡轮设计,燃烧室为罐式,有16个火焰筒,尺寸数据为,长度为10米,宽度为3.8米,高度为3.4米,重量为14吨。UTG-25000从上世纪80年代开始研制,到了90年代初完成了样机的试制,并且进行了台架试车,试验之中曾经出现叶片断裂等现象,后经过努力,得到解决,但是由于前苏联解体,UTG-25000失去了装备对象,乌克兰本身无力发展大型水面舰艇,因此第二部UTG-25000被做为发电用燃气轮机进行试验,这可能是海外媒体认为UTG-25000是所谓商用燃气轮机的依据,实际上这样从燃气轮机改进的发电机组是常见的事情,著名的LM2500燃气轮机也有这样的改进型,并且国内也引进,谁不能由此说LM2500是所谓的商用燃气轮机。我国上世纪80年代从美国引进LM2500燃气轮机,用于052型驱逐舰,90年代引进渠道中断之后,开始寻找替代产品,这个时候乌克兰正愁UTG-25000无舰可配,实际上由于经济不振,机器设计和科研联合体连这个项目能不能进行下去都心中无数,因此我国决定引进UTG-25000燃气轮机,并且实现国产化。从性能对比为看,UTG-25000的功率、燃气初温、热效率等指标要比LM-2500早期型比较好,达到了后期型LM-2500R的水平,但是在重量、体积等方面要明显大于后者,这不利于它在中小型水面舰艇上配备,另外在可靠性、可维护性等方面也要明显低于后者,不过对于我国来说,已经是能够拿到的最好的燃气轮机,通过引进UTG-25000不但解决了我国水面舰艇的动力问题,通过对引进技术的消化和吸收,也为未来的发展打下了坚实的基础。对于UTG-25000燃气轮机的发展,发展中间冷却回热技术可能是首选,前面说过燃气轮机的缺点就是热效率较低,通过采用中间冷却回热循环循环技术可以显著提高燃气轮机的热效率,据说可以从现在的35%左右提高到45%,主样就可以降低系统的油耗。目前美国和英国联合研制的WR-21燃气轮机就采用了这样的技术,按照美国海军的说法,如果用WR-21替代现有舰艇的LM2500,以伯克级为基准,在正常航行的时候,可以节省燃料30%,在国际油价日益提高的今天,这个技术显然有非常现实的意义,因此普遍预测中间冷却回热技术是未来燃气轮机发展的方向。

      [小飞猪:燃气轮机与柴油机性能不同造成使用领域侧重点不同]

      1、燃气轮机热效率偏低,但是体积和重量较小、安静性能好——这里就燃气轮机和柴油机用途不同做一个简单的介绍。燃气轮机在水面舰艇称雄,柴油机在商用领域占据绝对优势,其中一个重要的指标就是热效率,即单位燃料燃烧产生的热量有多少用于舰艇推进。笔者曾经说过燃气轮机一个比较大的缺点就是热效率较低,目前简单循环的燃气轮机的热效率大约在30-35%左右,换句话说燃气轮面燃料产生的热量只有小部分用于舰艇推进,大部分都散失掉了,这样显然会降低船舶的经济性,需要指出的是这个效率还是在高工况的情况下,也就是功率较大的情况下的指标,如果低工况,或者发动机以较低功率工作的时候,它的热效率还要降低,一般认为燃气轮机功率降低到1/4的时候,其热效率大致在20%左右,因此现代燃气轮机一个发展方向就是采用回热循环等技术提高燃气轮机的热效率。柴油机的优势恰恰就在它的热效率较高,从目前的技术水平来看,大型船舶使用的低速柴油相热效率可以达到50%以上,中速柴油机大约为45%左右,而高速柴油机为40%,并且柴油相的热效率比较稳定,也就是说在发动机功率范围之内其热效率不会有明显的下降,热效率越高,显然船舶的经济性越好,我们知道燃料费用在航运企业成本费用之中占据最大的份额,因此热效率越高,说明燃料浪费越少,柴油机在商船动力系统占据绝对位置并不是偶然。

      2、柴油机热效率高,但是体积和重量偏大——燃气轮机的优点在于它的体积和重量较小,单机功率大,安静性能好,对于军用舰艇来说,这些优点相当重要,因为军用舰艇除了动力系统还有复杂的电子、武器等系统,对于动力系统的体积和重量要求较高,同时安静性能也有助于提高军舰与潜艇对抗的能力,至于经济性并不是军用舰艇优先考虑的性能。柴油机的优点相反,它的热效率较高,但是体积和重量较大,同时单机振动和噪声较大,尤其是柴油机的低频噪声,在拖曳线列声呐大行其道的今天,是相当不利的,因此柴油相在中小型舰艇得到广泛运用,但是在大中型水面舰艇上,燃气轮机已经成为主流,在商船领域,由于柴油机热效率高,经济性能好,所以占据绝对优势地位。

      3、UTG-25000/DA80的热效率指标较好——从热效率也可以看到UTG-2500的性能,从机器设计与科研联合体的官方主页介绍来看,UTG-25000的热效率(船用型-DA80)为37%,这是一个相当不错的指标,相比较之下,其上一代UTG-16000(船用型-DT59)的热效率只有31%,这个指标也好于美国的LM-2500早期型号,根据世界海军武器装备手册,LM-2500基本型的热效率为35%,LM-2500-30提高到36%,后期型LM-2500R由于采用了回热技术,其效率达到37%,当然这个指标比起最新的LM-2500+G4还是有差距,后者的热效率已经接近40%。

      4、UTG-16000/DT-59相对较低——根据相关资料来看,印度从俄罗斯引进的塔尔瓦级护卫舰及俄罗斯自用型PROJECT1135M配备燃气轮机是DT59/UTG-16000,它的热效率要低于UTG-25000,印度和俄罗斯海军这个选择其实也很简单,第一个是UTG-25000功率较高,相应的尺寸和重量也更大,对于4000吨级的护卫舰来说偏高,另外当时乌克兰并没有完全研制成功,因此系统尚不完善和成熟,而DT-59/UTG-16000虽然热效率较低,但是功率较小,重量和尺寸也更小,因此更加适合护卫舰的使用。印度海军为塔尔瓦级选择的是性能较低,但更成熟的DT-59/UTG-6000。

      [当今世界发动机的主要行业代表]

      目前蓝星上能够制造高性能航空发动机的国家只有安理会的五大流氓,能够进行设计制造的公司也只有如下几家:1、美国普

      拉特惠特尼公司,2、美国通用电气公司,3、英国罗尔斯罗伊斯公司,4、法国斯奈克玛公司,5、俄罗斯留里卡-土星科研生产联合体,6、俄罗斯克里莫夫设计局,7、中国一航。但是,即便是这样一个小众的精英俱乐部中,也可以根据水平高低划分出两个集团,水平最高的第一集团则是上表中的前三家,普拉特惠特尼、通用电气、罗尔斯罗伊斯。

      壹、普拉特惠特尼公司(以下简称普惠公司),是美国的老牌航空发动机制造企业,也是首先从涡喷时代迈入涡扇时代的先行者之一,而要谈及普惠公司,就不得不说其成功的代表作——F100-PW-220涡扇发动机。F100-PW-220发动机是当年配备美国空军新锐F-15战斗机的唯一发动机,因为它是世界上最早投入使用的推重比达8一级军用发动机,它的诞生不仅标志着一个新时代的到来,也为后世的发动机发展产生了及其深远的影响。F100发动机的主要装机对象便是美国空军的主力,F-15和F-16战斗机,为这两种型号飞机高超的技战术平做出了极大的贡献,而且为满足F-15、F-16战斗机新改进型号不断增加的体重,F100发动机也展现出了很高的发展潜力,目前为止依旧占据着美国空军发动机的绝对主力位置,在波音公司为适应隐身时代推出的F-15最新改进型号F-15SE“沉默鹰”战斗机上,依旧是两台F100发动机为这只志在千里的老鹰提供着澎湃的动力。前面我们提到了第五代发动机隐身、超机动、超音速巡航和超信息优势的4S标准,其中前三项都与这台变态的F119有关,特别是得益于F119强大的推力和矢量喷口,F-22战斗机在美国空军的著名的“红旗”军演中独孤求败,当然,普惠公司F119的故事还未结束,在美国空军、海军、海军陆战队共同参与的”联合打击战斗机“项目中,即现在的F-35战斗机也采用了衍生自F119的F135发动机,而为了驱动F-35那肥硕的身躯,F135爆发出了史无前例般18吨级别的推力,当之无愧地成为了目前为止人类历史上最为强大的发动机(没有之一)。虽然现如今F-35项目目前被众多难以解决的问题所困扰,但这并不能妨碍F135发动机的王者地位。全称F119-PW-100,是为F-22A研制的双转子小涵道比加力涡扇发动机,采用可上下偏转的二维矢量喷管,上下偏转角度为20度,推力和矢量由数字电子系统控制。XF119发动机零组件的生产始于1985年9月,1997年9月7日列装。最大推力(加力推力)为156 kN,中间推力(不开加力时最大状态下的推力)为105 kN。F-135发动机是在F-119(F-22战斗机使用)的基础上发展研制而成。其最大推力达191.3千牛。超过了F119-PW一100的最大推力(156千牛,约15.8吨)多达20%;F135的最大军用推力达到128千牛,而F119-PW一100的最大军用推力仅为104千牛。因此,F135是有史以来最为强劲的战斗机发动机。

      贰、美国通用电气公司。首先希望大家搞清一点,这次介绍的”通用电气”(General “和同为美国公司的”通用汽车“(General Motors,简称GM)以及”通用动力“(General Dynamics,简称GD)可不是一回事,通用电气公司是与前面介绍的普惠公司一起并称为美国航空动力的双雄,两者各有所长,通用电气在技术理念上比高出普惠一筹而在技术成熟度稍逊,擅长利用一些新技术、新概念抢占技术的制高点。而普惠公司正好相反,经常利用熟练地系统组成能力将一些实而不华的技术高效融合形成高水平的产品。这样两家公司在航空发动机这样的超高端领域进行竞争的场面,在世界上目前也仅有美帝一家。这样的竞争机制为美国航空业的发展提供了很大的便利条件,使得美国的飞机设计师们在设计飞机时能闲庭信步般的”选用“发动机。通用电气公司目前的扛鼎之作之一便是与普惠公司F100处于同一水准的F110系列发动机,这台脱胎于F101(用于B-1B轰炸机),涅槃于第一次发动机大战的第三代大推力发动机也是F-15、F-16战斗机的备选发动机,美国销往韩国、新加坡的外销型F-15E型战斗机(对应的型号分别称为F-15S和F-15K)就是F-15家族中唯一选用F110发动机家族的型号(我们中出了一个叛徒),而F-16战斗机作为美国的外销主力战斗机,也有不少型号采用了F110发动机,当然也包括美国和日本XXOO之后的那个私生子F-2。F404/414发动机则是通用电气公司另一个代表作,它属于第三代中等推力发动机,与F100和F110、AL-31等第三代大推力发动机相比它的推力是8吨级别,但是推重比也能保持在8左右,一般用于采用双发结构的中型战斗机,例如F/A-18“大黄蜂”、早期型号的EF2000“台风”,或者单发的轻型战斗机,例如瑞典的“鹰狮”、印度的LCA“光辉”,中国的“枭龙”(巴巴羊肯定有这个心思,甚至连EF2000的标配EJ200他都敢想,但是估计这事从目前来看成不了)。应该说,晚于F100、F110出世的F404/414发动机的技术水准比起前两者的确是高出一筹,目前该系列最新改进型号F414的加力推力已经接近10吨级别,具备了一些第四代发动机的水准,配备了该型号发动机的F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗力相比于F/A-18C/D经典型的“大黄蜂”有了极大的提高(看我塞亚人超级大变身)。美国海军在目前F-35C战斗机受累于较差的空战能力,而且潜在对手的歼-15、苏-30等新锐战斗机装备渐成规模的情况下,一方面开始独立着手推进名为F/A-XX的第六代战斗机计划,同时依旧将F/A-18E/F作为今后二十年内美海军航母战斗群的主要防空力量,可见“超级大黄蜂”其强大的技战术水准。当然,代表通用电气最高水准的发动机远不止F414、F110-GE-129所能概括,在F-22战斗机还处于ATF的概型性阶段,通用电气便已经开始推出了自己的第四代发动机YF120与普惠的YF119进行竞争。YF120相比于F119(当时称YF119)最大的优势在于它采用了当时非常新兴的变循环技术,简单的说就是发动机会进行自适应调整,在高空高速时显示为涡喷发动机的特征,反之则显示为涡扇发动机的特征(这项概念不光是在当时,就是在二十年后的今天也算得上是天顶星科技了!!!),而且与YF120进行搭配的,恰恰也是新颖科幻的诺斯罗普格鲁门YF-23,这样的梦幻组合简直就是外星科技般的华丽与超前,但是“成也萧何,败也萧何”,正是由于技术太过于超前,被当年F-15A“机库皇后”吓怕的美国空军最终还是选择了更加稳妥的YF-22+YF119组合。更加妖艳科幻的YF-23,很多航空迷心目中的王者,可惜这两架飞机再也没有机会升上蓝天了。但是这样的失败并没有令通用电气放弃YF120,在随后的JSF项目中(现在的F-35),通用电气与同为世界航空发动机制造巨头的罗尔斯罗伊斯公司强强联合,推出了基于YF120的F136发动机,并依旧将变循环技术作为该款发动机的卖点,而且美国国会出于抑制垄断的考量,也一度同意将F136作为F-35战斗机的备选动力,但是最终出于种种原因(在番外篇的发动机大战介绍),最终美国国会还是

      放弃了技术先进的F136,通用电气和罗尔斯罗伊斯公司也于2011年12月2日发表联合声明,终止F136发动机的研制工作,彻底判处了YF120的死刑。但是这并不代表这变循环技术的终止,毕竟这项技术已经是航空发动机行业公认的未来发展方向,在美国海军F/A-XX第六代战斗机项目中,连失两城的通用电气会不会倚靠着这项日趋成熟的技术打一个漂亮的翻身仗,我们拭目以待。F119是F22的现役发动机,由普惠公司生产,最大推力156千牛,推重比11.7。而F120是F22的备选发动机由通用公司和罗罗公司联合生产,也是世界上首台变循环发动机。也正是因为技术太超前,尽管F120的最大推力较F119略大,仍然在竞争装备F22战机失败。F135是普惠公司的F119发动机的改进型号。其最大推力达181.4千牛,装备该发动机的F35战机已经正式开始在美军服役。F136是通用公司的F120改进型号,与F120一样,虽然技术含量极高,推力也略大于F135,但是仍然在竞争中失败。推力是几乎一样的,加力推力都在180千牛以上。因为两款发动机设计的时候就要求能够在F35上实现完全互换,后勤维修上也要求两款发动机有很强的通用性。GE90地面台架试验中曾经达到过56.9吨的最大推力。

      我认为兔子的发动机不过关主要的原因还是出在材料上,兔子的空气动力学还是很嚣张的,而且我们的超级计算机也十分强悍,完全可以模拟出燃烧室内燃烧的情况。可就算我现在设计出来一个高推力比的发动机,燃烧内的最高温度达了4500度,可现在的材料只能达到4000这个温度,你让我怎么生产?材料不象别的东西可以开外挂,只能通过不停的试验来检测不同材料在不同温度下制造出来的合金强度。一个最简单的例子,用焊锡焊接的时候,温度低于180度焊锡不熔化,超过320度材料不挂焊锡。这还是最简单的一种合金材料(焊锡是锡—铅合金),航空发动机用的都是数种乃至十数种材料的合金。材料的配比差一点合金的强度变化就差了十万八千里。

      ============================================================================================

      波音777采用了三种效率更高、噪声更小的涡轮风扇发动机:普拉特·惠特尼公司提供普惠PW4000系列发动机,通用电气公司提供GE90系列发动机,罗尔斯·罗伊斯公司提供遄达800(Trent 800)系列发动机。通用电气(General Electric)公司专门为波音777开发的GE90涡轮风扇发动机是有史以来推力最大的喷气发动机,测试推力达到127900磅(569千牛),其中GE90-115B的推力达115300磅力(513千牛)。GE90-110B与-115B发动机,连同发动机外壳,其直径比波音737机身直径更大。777用户选用这三种发动机的比例大约各占三分之一。燃油都装在机翼和机体中部。777-200的载油量为117335升,777-200LR的载油量为195285升。777-300ER曾经在太平洋上空进行双发延程飞行的测试,最长的一次单发动机飞行达6小时29分钟(三小时成功而可靠的单发动机运作,已符合ETOPS-180的需求)。波音777有两台发电机,一台辅助动力装置驱动的发电机以及辅助电力系统。由于波音777是广体双引擎飞机,因此需要推力极高的发动机,即使其中一个失效时,另一个也能够确保飞机能飞行至少180分钟。

      空中客车A380是欧洲空中客车工业公司研制生产的四台发动机

      发动机(x4) 发动机联盟(Engine Alliance)GP7270(A380-861) 发动机联盟 GP7277(A380-863F)

      劳斯莱斯(Rolls-Royce Trent) Trent 970/B(A380-841) 劳斯莱斯 Trent 977/B(A380-843F)

      0 劳斯莱斯 Trent 972/B(A380-842)

      发动机推力

      4x311千牛顿(70,000 磅力)

      2017/1/4 12:51:16
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      推进器设计较困难,燃燃联合可以使用相同的燃气轮机;陆、电力推进动力:;其实电力推进对于舰艇来说已经不算新技术;(一)、第二次浪潮——20世纪70年代后,电力部;(二)全电推进的优点;1、有利于舰艇动力装置配备——传统舰艇轴系的长度;全电推进系统后,不用再配置额外的日常用电发电机组;2、有利于舰艇电网电力供应——舰艇所有原动机综合;3、提高了舰艇的隐身能力——

      推进器设计较困难,燃燃联合可以使用相同的燃气轮机组成机组难度较小虽燃气轮机动力强劲但低速运行油耗较高较不经济,柴燃交替难度最小虽油耗低较节能但机组利用率低动力不如柴燃联合强劲。20世纪70年代以后,国外新建舰艇向大型化、导弹化方向发展,并普遍采用使用先进技术、单机功率较大的新一代柴油机作推进动力或柴油机燃气轮机联合动力装置中的巡航机。多年来,对于排水量在500t以下的高速、机动性好的舰艇(如高速巡逻艇和高速导弹艇),柴油机一直是主要的动力装置;对3500t以上的大型舰艇,全燃气轮机或柴(油机)燃(气轮机)交替使用动力装置(CODOG)是主要的动力装置;对500-3500t左右的现代护卫舰,不论吨位和类型如何,柴油机作动力装置具有明显的优势,且更具竞争力,因为柴油机具有热效率高、在整个工作范围内油耗低、功率和转速范围广、有较高的功率体积比和功率重量比、空气耗量低、排温低、热辐射少、有较高的机动性和良好的起动性,以及机种单一、装置简单、运行和管理方便、造价低等优点。现在整机功率1470?8088kW的大功率柴油机主要用于4000t以下的军用舰艇,如作柴油机电力推进潜艇主机(MTU-396/SB83和396SE84型机,GMTA210SM型机)、护卫舰和驱逐舰主机(导弹驱逐舰全柴油机推进系统的Pidstiek18VPA6-280BTC型机,护卫舰全柴油机推进系统的MTU-20V1163TB93和MTU-20V956TB92型机,以及Pielstiek16VPA6-280STC型机和16VPA6-280BTC型机。目前,由于德国MTU和法国SEMTPielstick这两家目前世界上主要舰用高速大功率柴油机公司成功地研制出了单机功率大(虽然较燃气轮机的小)的新一代高速大功率柴油机,一方面使全柴油机动力装置(CODAD柴油机和柴油机联合动力装置)有可能满足同等舰用功率(30000kW)的要求;另一方面这些柴油机与燃气轮机组成的柴油机燃气轮机联合动力装置(CODAG),足可满足6000t级舰艇功率要求,加之高速大功率柴油机相继增压技术的成熟应用,解决了部分负荷下低速大扭矩问题,传动和控制系统均可简化,更使CODAG动力装置有可能再次在护卫舰等舰艇动力系统中得到垂青。目前,舰艇用柴油机已达到一种采用自动化电子控制系统的非常先进的发展阶段。相对燃气轮机而言,除比重量大和功率较小外,其主要缺点是噪声大,特别是低频噪声,这影响到舰艇的隐蔽性。因此,必须对柴油机采用完善的降噪减振措施,现在常用的措施是采用双弹性减振机座和隔声罩。

      陆、电力推进动力:

      其实电力推进对于舰艇来说已经不算新技术。20世纪初期,电力推进曾一度成为舰船动力的新潮方案。从20世纪初至20世纪40年代,各国建造了大量电力推进舰船,从民用的客轮、货轮、油轮到军用舰艇,都有采用电力推进系统的。二战期间战功卓著的美国海军“列克星敦”级大型航空母舰,采用的就是蒸汽轮机-发电机-电力推进系统。这一时期的电力推进舰船都是用蒸汽轮机带动交流发电机,向推进同步电机供电,再驱动螺旋桨。受技术条件的限制,这些舰船的电力推进系统体积都异常庞大,效率也并不令人满意。电力推进系统能在20世纪初期迎来“第一次浪潮”,主要原因是当时的舰船日益大型化。在2万吨甚至3万多吨的战舰上,如果采用传统推进装置,长达近百米的主轴和大型机械减速装置在制造上相当有难度,而采用电力推进系统可以绕过这一难题。20世纪30年代之后,随着技术的进步,主要海军大国已经可以研制生产满足大型战舰要求的超长主轴和大型齿轮减速装置,而电力推进装置由于增多了能量变换环节,带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺点,故从30年代开始,大型舰船又重新回到了采用传统轴系的直接推进技术。尽管电力推进暂时退出了海军战斗舰艇领域,但由于电力推进的特殊优点—推进功率调整上极其灵活,所以在一些工程船以及破冰船等要求良好操纵性、转矩特性和响应特性的特殊舰艇上仍然广泛采用电力推进。

      (一)、第二次浪潮——20世纪70年代后,电力部件向大功率方向飞速发展,功率一体积比不断提高。以开关技术为基础的功率电子技术不但不断提高了开关的频率,而且朝着智能化、模块化方向发展,具有代表性的几种功率电子器件首先在陆上电网得到了应用,然后又逐步应用到了舰艇上,功率电子技术彻底改变了舰艇能量变换的面貌。80年代以后,进入实用阶段的永磁电机可以给舰艇电力推进设备带来更小的体积和重量,加上大功率、低油耗的新型燃气轮机面世,这使得电力推进在海军的“复辟”有了技术上的可行性。英国23型“公爵”级反潜护卫舰是电力推进系统“第二次浪潮”的先行者,采用了柴一燃一电混合推进系统,安装了高效率的电机和换能设备。进入21世纪后,各国海军纷纷开始策划为本国的新一代水面主力作战舰艇配备全电推进系统,典型的如英国海军的45型防空驱逐舰和美国海军正在建造的DDG 1000驱逐舰,前者将成为世界上第一种全电推进的水面作战舰艇,其核心为燃气轮机电力推进系统,而后者的核心则是综合电源系统模块。除了英美两国外,目前德国、法国和荷兰等国也开始关注全电推进这一代表了水面舰艇动力系统未来发展方向的领域。我国也于80年代开始了高效率永磁电机的研究,并开始探讨全电推进舰艇的可行性。舰艇电力推进系统分为3种,第一种为普通的电燃或者电柴联合推进方案,典型的例子为英国海军的23型护卫舰,该舰配备了柴一燃一电联合动力装置(CODLAG),舰上配备了一台巡航用的小功率推进电机,供舰艇在执行声呐搜索需要低速续航时使用,平时高速巡航时仍然采用燃气轮机直接驱动螺旋桨。第二种为美国海军采用的IPS方案,即综合电源系统,燃气轮机(或者柴油机)驱动发电机组发电,发电机组发出的电力进入配电网络,然后配电网络将电能分配给驱动电机和战斗系统等子系统,但舰艇上还有机械辅助设备。第三种为真正意义上的全电推进系统(AES);由荷兰海军于2001年提出,是比IPS更为先进的面向未来的系统,即除了推进系统外,舰艇上所有的阀门、绞盘以及方向舵等目前采用液压系统或者压缩空气系统控制的机械设施也将采用电驱动,成为真正意义上的全电战舰。

      (二)全电推进的优点

      1、有利于舰艇动力装置配备——传统舰艇轴系的长度往往占舰艇全长的40%,故舰艇的设计长度在很大程度上取决于推进装置轴系的布置,这就使得舰艇总体设计的优化受到一定的限制。采用全电力推进系统后,推进装置的能量就不需要靠动力轴来传递,燃气轮机或者柴油机等原动机、发电机组和推进电机可以相对独立布置,使得总体设计自由度大大增加。采用综合

      全电推进系统后,不用再配置额外的日常用电发电机组,可以大大减少舰上原动机配置数量,节省空间,减少维修量。而且可以对推进电机和发电机组进行合理的配置,以满足各种航行工况下最佳特性的要求。放到整个舰队来说,推进系统可以达到高度统一或者通用,可以大幅度地减小后勤保障的压力,提高作战能力。另外电力推进可以选择更为合适的螺旋桨,而且只需要重量轻、成本低的定距桨,提高了可靠性。如果电力推进舰艇再采用吊舱式电力推进装置的话,还可以将螺旋桨移到舰艇边界层外侧,使其处于稳态流中,提高螺旋桨的推进效率。

      2、有利于舰艇电网电力供应——舰艇所有原动机综合在一起发电,可以使全舰电网可用电力大大增加,这不仅可以大大提高电网供电的可靠性,而且还可以满足未来舰艇新概念武器对电能的需求,如电磁炮、高功率激光或者微波武器。同时发电原动机的运行数量和类型可以自由选择,能保证它始终处于最佳负荷状态,提高了机组的工作效率。

      3、提高了舰艇的隐身能力——舰上的原动机可以尽可能地靠近舰艇尾部布置,使废气从舰艇尾部排出,更为重要的是,电力推进不需要减速齿轮箱,减速齿轮箱不仅仅是舰上的主要噪声来源,而且也是舰艇可靠性和生存能力的重要一环,一旦减速齿轮箱出现问题,轻则舰艇无法高速航行,重则无法动弹,只能任凭宰割。采用电力推进后,减速齿轮箱消失,舰艇的噪声就要小不少,被潜艇探测到的几率可以降低不少,同时生存能力和可靠性也大幅度提高。

      4、有利于降低舰船费用——综合电力推进系统便于实现船舶设备系统大范围的模块化,以及各级舰之间设备系统的通用化,而从大幅度地降低各类舰艇的研制成本。同时电力推进系统工作效率要远高于目前的常规推进方案,燃油消耗率也要降低不少,这样又可以降低舰艇的运行成本。

      (三)、电力推进系统的组成部分——电力推进系统的三大分系统是原动机、电能分配和存储系统、推进组件。与传统推进系统相比,全电推进的舰艇多了一个将机械能转化为电能的发电模块,以及推进组件中多了一个电动模块。全电推进系统能否成功,关键就在于能量转化单元所增加的体积和重量,能否换回更高的推进效率和战术机动性。

      (四)、原动机——对于全电推进舰艇而言,最重要的一个环节就是发电机组原动机,从技术和成本角度出发,目前供选择的动力来源有以下几类:一是采用中间冷却一加热循环技术的先进燃气轮机。这种燃气轮机很好地解决了油耗问题,具有燃气轮机的加速性和柴油机低油耗性,而且输出功率也能满足大吨位舰艇的需求。不过目前面世的该类燃气轮机只有罗尔斯·罗伊斯的WR 21,独此一家。WR 21最大输出功率为25兆瓦,WRZ,最大功率时的燃油耗油率仅为184克/千瓦·时,这样的经济指标足以与大功率低速船用柴油机相媲美。WR 21极低的燃油耗油率特别适合于综合电力推进系统,所以英国海军6艘正在建造的45型驱逐舰采用WR 21作为发电机组的动力来源。二是先进循环燃气轮机。这种脱胎于成熟航空发动机的燃气轮机经过几十年的发展具备了大功率、低油耗的特点,典型的如罗尔斯,罗伊斯的MT30、乌克兰曙光机器科研生产联合体的UGT 25000、美国通用电气的LM 6000PC等等。以MT30为例,该型燃气轮机衍生自罗尔斯·罗伊斯的经典航空发动机“特伦特”800系列,2002年开始组装第一台工程样机,总重26吨,在常规状态下最大输出功率为36兆瓦,紧急情况下最大输出功率为44兆瓦,巡航时则可以输出25兆瓦的持续低油耗功率,这要比WR 21中间冷却回热燃气轮机以及LM 2500+燃气轮机大得多(WR 21的额定功率为25兆瓦,是英国海军45型驱逐舰的动力装置;而LM2500+的额定功率也为25兆瓦,是美国海军“黄蜂”级两栖攻击舰的动力装置)。据介绍,MT30的热效率达到了42%,而且在最大持续功率时的油耗只有207克/千瓦·时,已经可与当今主流的舰用高速巡航柴油机相比。正是凭借出色的性能,MT30赢得了洛克希德·马丁公司的青睐,后者为其研制的濒海战斗舰选择了2台MT30作为动力装置。另外,作为美国海军下一代驱逐舰DDG 1000的主要承包商,诺思罗普·格鲁曼也为DDG1000选择了MT 30作为动力来源。除此之外,MT 30还是英国海军CVF航母的首选发动机,由此可见MT 30的可靠性和质量已经到了无可挑剔的地步。三是中/高速柴油机。典型的有德国MTU公司的2000、4000以及8000系列柴油机,其中8000系列最大输出功率达9兆瓦,其他还有法国皮尔斯蒂克公司、美国卡蒂尔皮勒公司等。和目前现有的单循环燃气轮机相比,这类柴油机依靠相对成熟的技术和低廉的价格,更为重要的是比较理想的燃油消耗率,加上目前采用的微处理器控制和燃油直喷等技术带来的一系列的改进,在未来建造全电推进水面作战舰艇时也可以考虑用此类柴油机作为发电机组的动力来源。此外,还有在水面舰艇上采用燃料电池组作为动力系统原动力的方案。但燃料电池目前还处于发展阶段,技术还不是非常成熟,但可以作为长期发展的方向。

      (五)、电能分配、存储系统——相控阵雷达、激光武器以及大型指挥自动化系统、推进电机等等这些都是电老虎,而舰艇上也有照明灯之类的小型用电设备,如何将这些大功率设备和小功率设备进行匹配、组网呢?这就要考验舰艇的大功率电能分配系统、功率转换系统以及储能系统的水平了。出色的电能分配系统对于全电推进舰船至关重要,如果这一组件的效率得不到提高,那么全电推进动力系统在体积和重量上就不能和传统推进系统相抗衡。从小的方面说,电能分配、存储系统首先要有用于功率转换的功率转换电容。未来30年内,对于全电推进舰艇而言,配电网络中单个脉冲周期内电压从百万伏级别瞬间降到几伏,或者在数个脉冲周期内要维持几万伏电压不变化都是合情合理的事情,这就对转换电容提出了极为苛刻的要求。目前市场上出现的最好的商用化的转换电容的功率密度大约为1一10千瓦电能/千克,而能量密度则在1一300焦/千克左右,要满足未来几十年海军全电推进舰艇的需要的话,其功率密度必须提高到200一1000千瓦电能/千克,能量密度必须提高到20千焦/千克,要达到如此高的指标,除了采用全固态电路外,新的制造工艺也是不可或缺的。全电系统的配电网络中第二项关键技术就是变频技术,交流推进电机应用于船舶推进,其关键是要解决交流电机的调速控制问题。常用的交流电机调速方式有:变极调速、变转差率调速、变频调速。变极调速和变转差率调速在大功率应用时都存在不小的局限性。因此,在交流调速方式

      中,采用变频调速方式是最合适的。现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器四大部分组成。电力电子功率变换器与控制器及电量检侧器集中于一体,称为变频器。电力推进变频器的功率开关元件较多地采用大容量全控型电力电子器件,这些器件具有耐压高和电流密度大的共同特点,其中绝缘栅双极晶体管开关耐压值高达9000伏特,工作电流大于6000安培,开关功率达到50兆瓦。绝缘栅双极晶体管具有驱动功率小和导通压降低两方面的优点,而且安全工作区宽、开关频率高,在电力推进中具有较好的应用前景。

      (六)、推进组件——考虑船舶使用环境条件(海水、盐雾、霉菌等)、战术技术状态(深潜、上浮、横摇、炮火冲击等),还要考虑舱内的布置、外形结构尺寸小、重量轻等要求。舰船推进电机设计具体要求大容量、高转矩、高比功率、体积小、重量轻、能够多工况运行以及宽调速范围和调速性等。直流推进电机因其具有转速调整范围宽广和平滑,过载启动和制动转矩大、逆转运行性能好,在船舶电力推进系统中长期占统治地位。但由于直流电机有机械式换向器,存在自身弱点,结构复杂,材料和制造工艺要求极为严格,成本高,维护保养困难。交流电动机其输出功率及转速极限值比直流电动机大得多,结构简单,成本低,运行可靠,体积小。随着电力电子技术、数字控制技术、现代控制理论特别是矢量控制技术的发展,交流调速系统的性能已可以与直流调速系统相媲美。永磁材料、高温超导材料迅速发展,给推进电机提供了性能优良的新材料。在水面舰船电力推进中,交流电力推进占主导地位,已出现交流推进电机与交流异步推进电机、交流同步推进电机和永磁同步推进电机并存的局面。目前世界各国在研究交流异步推进电机、交流同步推进电机的同时,还大力研究新型船舶推进电机,包括超导励磁的直流电机、超导单极电机、高磁通常规励磁的单极电机、永磁推进电机等。在这些新型推进电机中,永磁推进电机较容易得到近期效果。所以有理由相信永磁推进电机将会明显地提高未来船舶性能。代替传统直流推进电机,是推进电机发展的必然趋势,也意味着船舶电力推进的一场崭新变革。永磁电机可以分为辐射磁场永磁电机、径向磁场永磁电机和横向磁场永磁电机,该型电机的定子齿槽结构和电枢线圈在空间位置上相互垂直,电机中的主磁通沿着电机的轴向流通,因而定子尺寸和通电线圈的大小相互独立,在一定范围内可以任意选取,横向磁场永磁电机除了工作可靠稳定外,还能够提供比传统电机大得多的转距密度和功率密度,因而特别适合用于低转速、大转距、大功率的场合。而且该型电机不仅易于正反向运行,而且在多相时即使缺少一相也能正常运转,可靠性好,转动时径向偏移和扭转偏移少,转距波动小,经得起海浪冲击带来的振动。目前各发达国家竞相开发横向磁场永磁电机,如英国罗尔斯·罗伊斯公司就正在进行20兆瓦级的横向磁场永磁电机的研究,目前只有2兆瓦级的验证模型问世,离实用尚有一段时间。而作为目前比较成熟的方案,感应电机的技术就要成熟的多。吊舱式推进的主要优点为:吊舱可以全向回旋,向发个方向发出推进力,使舰船的机动性能更佳,舰船可以在各种气候和紧急条件下实施机动,大约可以减少20%的反应时间,制动距离大幅度缩短。而且推进装置可以在舰船制造后期进行安装,不会与其他建造工序发生冲突,这种模块化的推进系统在维护和更换时要比传统的推进器方便得多,吊舱式推进结构可以采用对转螺旋桨等推进技术,改善空泡性能提高推进效率。同时大量试验证明,和常规的螺旋桨推进方式相比,吊舱式推进方式可以节省大约10%一20%的燃油,因此,吊舱式电力推进对舰艇推进技术的发展具有重要的意义,将是未来舰艇主要的推进方式之一,近年来不少公司已经开发出了功率达到兆瓦级别的吊舱式推进器

      柒、AIP系统动力:

      AIP是“不依赖空气推进装置”的英文缩写,如今它已为人们普遍接受,日渐风靡各国海军并大有引领常规潜艇发展之势。现有的常规动力潜艇,在水面航行时,用些油机作动力,同时给蓄电池充电;在水下航行时用蓄电池提供动力。潜艇因此要经常浮出水面,不利于隐蔽。为了克服这一缺点,现已研制成无需从空气中获取氧气的潜艇常规动力装置,这就是所谓不依赖空气的动力装置,简称AIP系统。世界潜艇4大AIP技术:其有闭式循环柴油机(CCD)AIP、斯特林发动机(SE)AIP、燃料电池(FC)AIP以及小型核动力(AMPS)AIP等四种方案。四种方案的优劣如下:

      1、闭式循环柴油机AIP(CCDAIP)——该系统以闭式循环柴油机为发电机原动机。为使柴油机在没有空气供气状况下工作,必须提供模拟空气成份的进气气体,使柴油机发火燃烧工作。为此,将柴油机排出的废气经CO2吸收器吸收部分CO2气体,废气中未被吸收部分气体再加入适量氧气,即组成人造大气。但由于这种人造大气中CO2含量总比新鲜空气多,使人造空气的比热值低于正常空气,为保证一般标准柴油机在闭式循环状态下正常工作,一般在再循环的气体中加入适量单原子气体氩,使混合成的人造大气与正常空气比热比值一致。这样柴油机即可在闭式循环状态下正常工作,也可以在开式空气供应时正常工作,实现开、闭合用。为了高效地吸收柴油机废气中的CO2,应首先将温度为350~400℃、压力为0.2~0.5Mpa的废气喷淋冷却至80~100℃。再将冷却后的废气送进CO2海水吸收器中,让海水充分溶解吸收CO2气体,而其他成分气体在吸收器中吸收量很少。经这种“洗涤”后的废气进入混合室与氧气、氩气混合后再循环。而溶有大量CO2的海水经海水处理系统(WMS),排出舷外。海水处理系统利用深水能量,不需消耗较多能量而将较低压力的海水(2~5 bar)排放到深水中(如下潜300 m则为30bar),而水泵耗功只用于克服流动阻力,因此耗功少,整套装置效率较高。为使整个AIP系统协调工作,设置计算机控制系统,以控制水处理系统的海水流量,供氧量等,使整套系统适应柴油机负荷、潜艇下潜深度的变化,保证正常工作。为保证氧气供应,CCDAIP设置一个较大容量的液氧罐(液氧贮存温度-180℃)。由于氩气消耗量很小,故AIP装置中只要几个较小容积的氩气瓶就足够了。

      2、斯特林发动机AIP(SEAIP)——斯特林发动机(SE)AIP以不依赖空气的斯特林机(StirlingEngine)为发电机原动机。斯特林发动机是一种外部加热的连续燃烧发动机,它通过外部燃烧的高温气体经加热管加热内部循环的工质(船用斯特林

      机通常用氦气作循环工质),内部循环工质受热膨胀推动活塞作功,使发动机输出轴功率。为了使发动机在无空气条件下连续运行,同样需要连续不断地供应氧气燃烧供应热量,因而SEAIP也装有较大容量的液氧罐。为了排除燃烧后废气,有两种方法可选择。一种是利用废气压力直接排到舷外海水,这需要较高的燃烧压力(30 bar左右),且未燃烧的O2会随废气直接排至舷外,导致未燃O2气和来不及溶解的CO2气冒至海面。另一种方法是象CCDAIP系统一样,装备排气冷却

      性较好。 O2海水吸收器及水管理系统,这样装置会比直接排出废气的办法复杂些,但可使燃烧压力降低,燃烧不随潜深影响,不会产生气泡航迹,隐蔽

      3、燃料电池FC(FCAIP)——德国已装艇海试的燃料电池为氢氧燃料电池,其基本工作原理是靠氢和氧反应直接产生电能而工作的,它唯一的副产品为水,这个过程正好与通过电解分解水的过程相反。燃料电池必须源源不断地供应氢和氧,为此,AIP装置不仅要有较大容量的液氧罐,而且要有一个较大容量的液氢贮存罐,而液氢要比液氧贮存条件苛刻得多。

      4、小型核动力AIP(AMPS)——小型核动力AIP系统又称为自持式船用核反应堆发电装置,加拿大ECSA公司从80年代初即开始了小型核动力AIP系统的研究工作,至今已先后研究成三种型号。该公司计划将AMPS-400型系统装于1000吨级潜艇,AMPS-1000型装于2000吨潜艇上。

      5、4种AIP特点分析——CCD-AIP中,柴油机本身几乎无需作重大改进,主机技术成熟,其他辅助系统问题,如再循环气体混成、废气的喷淋冷却、CO2海水吸收原理、水处理系统的原理,有关单位已有研究,不存在较大技术风险。因而开发CCDAIP能在技术风险小,投资少(例如引进一台CCD只需150万美元),且可在我们工艺、工业水平能达到的情况下早日获得。当然,相对来说,柴油机本身结构噪声和空气噪音较大,但现代隔振技术完全可使柴油机经隔振后噪声指标达到要求。由于水处理系统耗能少,因此CCDAIP系统效率可达35%。SE-AIP主机即斯特林发动机,外部连续燃烧加热工质作功,因此结构噪声及空气噪音比柴油机小,这是它一大特点。目前,我国已研制出75 kW斯特林原理样机,其效率为35%。与柴油机相比,效率稍低,而其技术成熟程度存在较大差距,工作可靠性有待进一步考验。目前存在较大难度的技术问题尚需进一步解决,如高性能加热器材料、加热器头工作温度均匀、工质流动均匀、工质密封、功率调控、压力燃烧等。因此,研制SEAIP必然投资较大(例如引进一台热气机需300万美元,一个舱段需要1亿美元),技术风险也比CCDAIP高。据称,韩国引进瑞典斯特林发动机后认为40~70%零部件不能自己生产,结果否定了SEAIP方案。另据消息,澳大利亚从瑞典购买热气机做评估试验,3个月未达到额定功率,被否定。SEAIP研制周期相应也会较长。燃料电池具有最高的能量与重量比,效率高(达50~60%),而且几乎是不产生废气,可无声航行。但在潜艇上贮存液态氢是有很大的技术难度。同时因为氢气易爆易燃,对使用氢的安全有严格要求,装置中的膜要依赖美国进口,国内尚无生产能力。由此可见燃料电池技术难度大,工业基础要求较高,要使燃料电池上艇作AIP动力,需要很高的技术储备,核电混合推进系统(SSN/AIP)的研制工作也在不断推进和深入,加拿大在此类AIP系统的研究方面走在了世界各国的前面,其研制的AMPS型核电混合推进系统即将迈入实用阶段。但必须指出的是,目前无论哪种AIP系统,其输出功率均不能满足常规潜艇水下最大航速航行的需求。只有将AIP系统与当前潜艇的“柴电”动力装置组合在一起,构成混合推进装置才具备实用价值。

      [蒸汽轮机和燃气轮机又什么区别?哪个比较先进]

      蒸汽机——蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初,它仍然是世界上最重要的原动机,后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。简单蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成,汽缸和底座是静止部分。从锅炉来的新蒸汽,经主汽阀和节流阀进入滑阀室,受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧,推动活塞运动。蒸汽机在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点,因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中,特别在军舰上成了当时唯一的原动机。蒸汽机的弱点是:离不开锅炉,整个装置既笨重又庞大;新蒸汽的压力和温度不能过高,排气压力不能过低,热效率难以提高;它是一种往复式机器,惯性力限制了转速的提高;工作过程是不连续的,蒸汽的流量受到限制,也就限制了功率的提高。

      内燃机——内燃机是一种动力机械,它是通过使燃料在机器内部燃烧,并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。内燃机以其热效率高、结构紧凑,机动性强,运行维护简便的优点著称于世。广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机,也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等,但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。活塞式内燃机将燃料和空气混合,在其气缸内燃烧,释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功,再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出,驱动从动机械工作。内燃机以其热效率高、结构紧凑,机动性强,运行维护简便的优点著称于世。

      燃气轮机(是内燃机的一种)——燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机的工作过程是,压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即流入燃气透平中膨胀作功,推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加热后的高温燃气的作功能力显著提高,因而燃气透平在带动压气机的同时,尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较,燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量,重型燃气轮机一

      般为2~5千克/千瓦,而航机一般低于0.2千克/千瓦。燃气轮机占地面积小,当用于车、船等运输机械时,既可节省空间,也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高,在部分负荷下效率下降快,空载时的燃料消耗量高。

      [全燃联合动力装置]全燃联合动力(COGAG)就是使用相同型号的燃气轮机,低速巡航时用一部分燃气轮机,高速航行时所有燃气轮机一起工作,所以叫全燃联合动力。如果是巡航只用巡航燃气轮机(功率小),加速时只用加速燃气轮机(功率大),就是全燃交替动力(COGOG)。战斗舰艇为获得较高航速,需要大功率动力装置;但其80%的时间是在巡航工况下运行,航速较低,所需功率很小,约为全速功率的1/3~1/5。一种主机很难满足舰艇对主动力装置的全工况要求。根据不同类型主机的特性合理地配置和组合的联合动力装置,能较好地满足舰艇在高速和巡航等工况下的不同要求。在全速工况时,加速机和巡航机均投入运转的,为同时工作型;全速工况时仅加速机运转,巡航工况时仅巡航机运转的,为交替工作型。联合动力装置中各机组之间,一般只有机械连系或各自独立传动推进;唯蒸燃复合动力装置,既有机械连系又有热力联系(利用燃气轮机废气余热产生汽轮机所需的蒸汽)。燃气轮机功率大,启动快,但经济性较差,一般用作加速主机,仅在全速工况时投入运行;柴油机功率较小,但经济性好,一般用作巡航主机。两者组合成柴油机-燃气轮机联合动力装置,可满足舰艇对动力装置的全工况要求。由不同类型或型号的主机联合组成的舰艇动力装置。通常由加速主机、巡航主机、传动装置、轴系、推进器等构成。主要有蒸汽轮机-燃气轮机联合动力装置、柴油机-燃气轮机联合动力装置、柴油机-电机联合动力装置、全燃联合动力装置和蒸燃复合动力装置等。战斗舰艇为获得较高航速,需要大功率动力装置;但其80%的时间是在巡航工况下运行,航速较低,所需功率很小,约为全速功率的1/3~1/5。一种主机很难满足舰艇对主动力装置的全工况要求。根据不同类型主机的特性合理地配置和组合的联合动力装置,能较好地满足舰艇在高速和巡航等工况下的不同要求。在全速工况时,加速机和巡航机均投入运转的,为同时工作型;全速工况时仅加速机运转,巡航工况时仅巡航机运转的,为交替工作型。联合动力装置中各机组之间,一般只有机械连系或各自独立传动推进;唯蒸燃复合动力装置,既有机械连系又有热力联系(利用燃气轮机废气余热产生汽轮机所需的蒸汽)。燃气轮机功率大,启动快,但经济性较差,一般用作加速主机,仅在全速工况时投入运行;柴油机功率较小,但经济性好,一般用作巡航主机。两者组合成柴油机-燃气轮机联合动力装置,可满足舰艇对动力装置的全工况要求。20世纪30年代,德、苏等国舰艇开始采用联合动力装置。50年代,燃气轮机应用于舰艇以后,蒸-燃联合动力装置得到很快发展,并在驱逐舰、护卫舰上得到应用。60年代,柴-燃联合动力装置用于中小型水面舰艇。随着燃气轮机的发展,1966年英国首先采用由不同型号的燃气轮机组成全燃联合动力装置,装备于护卫舰。从此,全燃联合动力装置在各国水面舰艇的建造中,日益广泛应用。

      苏联M25型燃蒸联合循环(COGAS)动力装置介绍

      COGAS装置——前苏联一直是舰船燃气轮机的最大使用者,也是利用COGAS装置的先驱。它首先把COGAS装置用于大型滚装式货船,也首先把它用于大型战舰。

      1、M25型COGAS装置——早在70年代乌克兰尼古拉也夫市的“机器设计”科学生产联合体即研制成功利用D159航改型燃气轮机排气余热的M25型船用COGAS装置(图3)。其系统图示于图4。图中可看到燃气轮机4的排气进入直流式余热锅炉5,余热锅炉的蒸汽供入汽轮机2做功。燃气轮机和汽轮机的功率通过减速器并车输送给螺旋桨轴。M25型COGAS装置的性能如下:正车功率:18.4MW,其中,燃气轮机功率14MW,汽轮机功率4.4MW,耗油率:0.204kg/(kW*h),热效率:41.3%,倒车最大功率:5MW,机组长度:14m,重量:150t,大修寿命:燃气轮机25000小时,汽轮机50000小时,余热锅炉50000小时,减速器50000小时。M25动力装置于1979年装在前苏联排水量为22691吨“斯米尔诺夫船长”级大型滚装式货船上。该船装有二套M25装置,36.8MW,2轴。在1979年—1982年期间共建造了4艘该级货船。采用COGAS装置,通过燃蒸并车,可增加20%推进功率,并且也把来自余热锅炉的蒸汽供给汽轮发电机和舰船服务设施用。至今已有20套M25动力装置在使用中,累计的总工作时间为240000小时。1997年5月美国海军海上系统指挥部授于合同,采购一艘乌克兰建造的由M25装置驱动的斯米尔诺夫船长级滚装船。在加入美国海军运输船队前要对该船进行改装。在保留基本推进系统时,改装工作将包括用新的高性能GT16000型燃气轮机(简单循环热效率超过36%)代替老的D159型燃气轮机,推进装置的控制和监视系统将完全更换上新的基于计算机的系统。海上系统指挥部有兴趣购买经类似改装的全部该型船只。乌克兰“机器设计”科学生产联合体还基于M37型燃气轮机(最大功率为5.88MW)研制利用其排气余热组成小尺寸、高效率的COGAS装置,可用于高速渡船和豪华游艇。据称,这些装置可以成功地与具有同等功率、性能优良的柴油机相比较。

      2、基于ГТД8000型燃机的COGAS装置——美国海军在80年代曾对COGAS装置用于DDG—51型(阿里伯克级)导弹驱逐舰进行过可行性论证,但终因其有燃气和蒸汽二套系统而增加了系统复杂性等原因一直举棋不定,至今尚未在其战舰中采用。其护卫舰、驱逐舰和巡洋舰(核动力巡洋舰除外)一直是采用LM2500单一机型的燃气轮机主动力装置。

      3、相比之下,前苏联却在战舰上采用COGAS装置方面迈出了可喜的一步。继COGAS装置在商船上得到成功的应用并积累经验以后,前苏联迅即展开了COGAS在军舰上应用的研究工作。80年代乌克兰“机器设计”科学生产联合体研制成基于8MWГТД8000型船舶燃气轮机的COGAS装置。该COGAS装置已装用于1982年服役的前苏联海军排水量为12 500吨先进的“光荣级”大型导弹巡洋舰上。该级舰共装用6台燃气轮机,加速机组由4台额定功率为15MW的ГТД15000型燃气轮机组成,巡航机组由2套基于ГТД8000的COGAS装置组成。2轴装机总功率约为88.2MW,自1982年至今该级舰已建成服役4艘。

      2017/1/4 12:50:08
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      1、核动力装置使核潜艇能在水下长期连续航行。——核动力装置以核能为能源,核裂变时不需要空气,因此核潜艇能在水下长期连续航行,其隐蔽性远远超过常规动力潜艇。

      2、续航力不受限制。——核反应堆一次装料,可运行几年甚至几十年,如美国正在建造的"弗吉尼亚"级潜艇上使用的S9G反应堆,其寿命可达33年。从而使核潜艇具有"无限"的续航力。

      3、大功率。——现在已运行的舰艇动力反应堆,单堆功率在30~300兆瓦(MW)之间,有的核动力舰艇(如航空母舰)装有多个反应堆,强大的动力使得这些庞然大物能以20~50节的高航速航行。

      (一)、国外舰艇核动力装置的应用概况

      目前,国外有美国、俄罗斯、英国和法国拥有了核动力潜艇,美国和法国拥有核动力航母,美国和俄罗斯拥有核动力巡洋舰。

      1、美国核动力装置的情况——美国的舰艇核动力,基本上是在西屋公司和通用电气公司两大企业之间的竞争中发展的。西屋公司设计和建造的是SW系列,包括一座陆上模式堆S1W,及S2W、S3W、S4W、S5W、S5Wa、S5W-Ⅱ、S6W等装艇堆。通用电气公司设计和建造的是SG系列,包括S1G、S3G(双堆)、S5G、S7G、S8G六座陆上模式堆和S2G、S4G、S5G、S6G、S8G、S9G等装艇堆。由燃烧公司设计和建造的是SC系列,只建造了一座陆上模式堆S1C和一座装艇堆S2C。所有反应堆中,除S1G和S2G以外,都是压水堆。美国舰艇核反应堆,无论是SW系列还是SG系列都采用板状燃料元件。

      2、俄罗斯/前苏联舰艇核反应堆的发展——俄罗斯/前苏联舰艇核反应堆的发展按时间大致可分为四代。第一代为50年代至60年代中期,研制船用压水堆核动力装置,建造了BM-A型陆上模式堆,反应堆为双流程,热功率为75MW,轴功率1.75万马力,采用盘管式管外直流蒸汽发生器,主要装备于H级和E-Ⅰ级弹道导弹核潜艇、E-Ⅱ级飞航导弹核潜艇、N级攻击型核潜艇。同时研制的液态金属冷却剂(铅-铋合金)快中子反应堆也建造了PM-1型陆上模式堆,热功率为74MW,轴功率为1.75万马力,装备于"阿尔法"级攻击型核潜艇。第一代核动力装置的压水堆和液态金属冷却堆分别建造了陆上模式堆。第二代核动力装置为60年代至70年代末研制,为紧凑式分散布置,热功率为177MW,轴功率4万马力,反应堆改为单流程,简化了堆内结构,采用了螺旋管式管内直流蒸汽发生器。主要装备于Y级和D级弹道导弹核潜艇、C级飞航导弹核潜艇、V级攻击型核潜艇。第三代核动力装置为80年代初至90年代末期研制,是第二代的改进完善,初步实现了通用化、模块化设计,增加了可*性和可维修性。反应堆仍为紧凑布置,热功率为177~190MW,轴功率为4~4.5万马力,采用了列管式直流蒸汽发生器。主要装备于台风级弹道导弹核潜艇、奥斯卡级飞航导弹核潜艇、S级和"阿库拉"级攻击型核潜艇。在此期间,前苏联还研制了水面舰艇用的压水堆,功率为300MW,装备于"基洛夫"级核动力巡洋舰上。90年代至下世纪初研制、建造的"北德文斯克"级攻击型核潜艇上使用的反应堆仍为紧凑布置压水堆,采用了直管式高效直流蒸汽发生器。是第四代反应堆,结构与第三代基本相同,但安静性有了飞跃性改进。总的来说前苏联的舰用核反应堆基本上都采用了压水堆。根据装艇技术要求不同装置稍有差异。

      3、英国舰艇核动力装置的发展——英国于1958年在购买的美国S5W潜艇压水堆的基础上,设计建造了陆上模式堆PWR-1。通过PWR-1模式堆,成功地研制了A、B、Z三种型号的堆芯,分别装备于"勇士"级、"快速"级和"特拉法尔加"级攻击型核潜艇和"决心"级弹道导弹核潜艇。1987年,英国建成第二代潜艇动力堆PWR-2的陆上模式堆STF-2并投入运行,研制成功了G型堆芯,已装备"前卫"级弹道导弹核潜艇。

      4、法国舰艇核动力的发展——法国1960年开始建造PAT陆上模式堆。PAT型分散布置压水堆通过蒸汽透平、减速齿轮带动螺旋桨,轴功率为1.6万马力。新研制的K-15型自然循环一体化压水堆,单堆功率为150MW,轴功率为4.1万马力。该堆已装备"凯旋"级弹道导弹核潜艇和"戴高乐"号核动力航母。 1971年开始建造攻击型核潜艇上使用的CAP型陆上模式堆,燃料元件采用棒状。1983年开始服役的"红宝石"级攻击型核潜艇装备了CAS-48一体化压水堆,热功率为48MW,轴功率为9500马力,燃料元件采用板状。

      (二)、核动力装置技术的发展趋势

      1、提高核安全可靠性——提高核反应堆的安全性是各国发展的重点,主要有以下几个方面:(1)提高反应堆的固有安全性。(2)提高反应堆的自然循环能力。目标是在额定功率下,可在全船断电、冷却剂断流等情况下,保证堆芯的安全,并可在停堆后依靠自然循环导出堆芯余热。(3)应用非能动安全系统,彻底解决安全系统只能依*艇上电力才能投入使用的问题,使核动力装置在各种事故条件下,不需人为操作,能自动保证反应堆的安全。(4)提高反应堆的自动控制水平,减少误操作。

      2、增长堆芯寿命——反应堆一次装料所使用的时间称为堆芯寿命。核潜艇反应堆采用长寿命堆芯可以减少艇的换料次数,提高潜艇的在航率,从而提高战斗力。减少更换核燃料的次数,还可以减少放射性废物的排出量,减少对艇壳进行大切口的次数,提高核燃料利用率等。长寿命堆芯的关键是设计长寿命燃料元件,研制耐腐蚀、耐辐照材料。国外潜艇普遍采用高浓铀、锆包

      壳、片状和板状元件;燃料元件采用稠密栅布置;精心设计元件结构等措施。美国研制的S9G反应堆的寿命已达33年。

      3、提高自然循环能力——现代舰艇反应堆装置不断提高自然循环能力,利用冷却剂在一回路中的温升而造成的密度差作为动力进行循环,而不是使用循环泵作动力进行强制循环。

      自然循环压水堆装置分为两类,一是分散布置自然循环压水堆,如美国的S5G、S6G、S8G等;二是一体化自然循环压水堆,如法国的CAP和K-15。

      自然循环压水堆有如下优点:(1)提高反应堆的固有安全性。在反应堆装置一回路中实现自然循环,在不启动主循环泵的情况下,反应堆仍可发出相当功率,可使潜艇在低速、低噪声的工况下航行,增强了核潜艇的隐蔽性。核潜艇在中低速工况下采用自然循环,在高速、满功率时使用循环泵,这样,即使发生主循环泵故障、失水事故和断电事故,一回路中的冷却剂仍能带走剩余热量。因此能保证事故情况下反应堆的安全,避免堆芯融化。由于冷却剂是被动地*流体的密度差进行循环,因此不存在误操作问题。(2)降低噪声。不开动主循环泵,从而消除了潜艇一大噪声源,提高了潜艇的安静性。(3)简化系统和设备。核潜艇采用自然循环压水堆装置降低了反应堆的运行及安全系统对主循环泵供电可靠性要求的依赖程度,可以简化电网供电、节省电能,提高机械和电气设备的可靠性。

      提高自然循环能力的主要措施:(1)蒸汽发生器的安装位置相对于反应堆中心位置应尽量高。(2)减小一回路及其相应设备的流动阻力。尽量缩短冷却剂在反应堆及蒸汽发生器中的流经路程,简化其内部结构,减少管道弯头数量及其长度,改进逆止阀。一体化压水堆装置取消了连接反应堆和蒸汽发生器的管道,显然对降低阻力有利。而分散式压水堆装置,将反应堆、蒸汽发生器、稳压器和主循环泵紧凑布置,采用短管连接,因而流程短,流动阻力也小。(3)强化蒸汽发生器的换热特性。在不增加一次侧流阻的条件下减少热阻。 (4)改进反应堆结构。采用单流程堆芯,可简化堆内结构,流动阻力较小,冷却剂流量大,有利于增大自然循环能力。

      4、减振降噪——核潜艇的辐射噪声主要包括机械噪声、螺旋桨噪声水动力噪声。从核动力装置本身降低噪声,主要是降低机械噪声。主要措施有:(1)采用自然循环压水堆。(2)采用活筏式整体减振装置。(3)采用合理的隔声减振和吸声结构。(4)降低管路产生的噪声。(5)降低齿轮噪声。

      5、二回路采用双机单缸——双机单缸是指二回路系统推进主汽轮机由两台独立的单缸汽轮机并联所组成,配有两台主冷凝器等辅助设备,两台汽轮机可并联运行,也可单独运行,简称为双机方案。二回路采用双机方案的优点是:(1)提高二回路系统的生命力。两台汽轮机并联或独立运行,一台出现故障时,系统仍能运转。(2)简化二回路系统、设备。双机方案中配有两台主冷凝器,在设计上可以将两台发电汽轮机的排汽分别排入两台主冷凝器内,可取消单机双缸方案中的两台发电辅冷凝器、辅凝水泵、辅抽汽器等设备和管系,简化二回路系统,有利于舰艇的操作和管理。(3)提高二回路的机动性。两台汽轮机可并联运行,也可单独运行,对于调节艇的航速非常有利。

      贰、蒸汽轮机动力:

      蒸汽轮机全称叫蒸汽涡轮发动机(Steam turbine)是一种撷取(将水加热后形成的)水蒸汽之动能转换为涡轮转动的动能的机械。相较于原由詹姆斯·瓦特发明的单级往复式蒸汽机,涡轮蒸汽机大幅改善了热效率,更接近热力学中理想的可逆过程,并能提供更大的功率,至今它几乎完全取代了往复式蒸汽机。涡轮蒸汽机特别适用于火力发电和核能发电,世界上大约80%的电是利用涡轮蒸汽机所产生。老式船舰中也有不少使用,但是在现代化船舰中已经被燃气涡轮引擎全面取代,只有少数特例如现代级还使用蒸汽涡轮。燃气-蒸汽轮机联合循环,是把燃气轮机和蒸气轮机这两种按不同热力循环工作的热机联合在一起的装置,有时也简称为联合循环。为了提高热机的效率,应该尽可能地提高热机中的加热温度和降低排热温度。但蒸汽轮机和燃气轮机的热力循环都不能很好满足上述要求。如把它们结合起来,以燃气轮机的排热来加热蒸汽,就可以同时取得燃气轮机加热温度较高和蒸汽轮机排热温度较低的双重优点。联合循环的理论基础早已建立。热力学奠基人之一卡诺就提出过联合循环的概念。但是直到20世纪中叶,才开始有实用的联合循环动力装置。发展联合循环的关键是要研制出高温、高性能、大功率的燃气轮机。为了适应石油短缺的形势,在燃气轮机中有效烧煤也是一项关键技术。目前,世界各先进工业国家均已有定型联合循环机组产品。其中功率最大的已超过60万千瓦,最高热效率已高达47%以上。它作为热电并供机组使用,燃料利用率可高达80%左右,单机组最长运行时间已超过10万小时。热机的热效率要提高1%都是非常困难的,而联合循环却只要把燃气轮机和蒸汽轮机结合起来就可以大幅度节约能源。由于蒸汽轮机具有功率大的优点,因此在现代大型军舰上依然有广泛应用。例如大型航母,核潜艇均使用蒸汽轮机作为动力。燃气轮机由于功率不足,目前仅在中型军舰和小、中型航母上运用。对于要求高航速的大型舰船,蒸汽轮机或蒸汽轮机-分散电机-电机动力系统依然是唯一选择。

      叁、燃气轮机动力:

      燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载,它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末,意大利人列奥纳多?达芬奇设计出烟气转动装置,其原理与走马灯相同。至17世纪中叶,透平原理在欧洲得到了较多应用。1791年,英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程;1872年,德国人施托尔策设计了一台燃气轮机,并于1900~1904年进行了试验,但因始终未能脱开起动机独立运行而失败;1905年,法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机,但效率太低,因而未获得实用。1920年,德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机,其效率为13%、功率为370千瓦,按等容加热循环工作,

      但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热,存在许多重大缺点而被人们放弃。随着空气动力学的发展,人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点,解决了设计高效率轴流式压气机的问题,因而在30年代中期出现了效率达85%的轴流式压气机。与此同时,透平效率也有了提高。在高温材料方面,出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢,因而能采用较高的燃气初温,于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。1939年,在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机,效率达18%。同年,在德国制造的喷气式飞机试飞成功,从此燃气轮机进入了实用阶段,并开始迅速发展。随着高温材料的不断进展,以及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果,燃气初温逐步提高,使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大,在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机,最高能达到130兆瓦。与此同时,燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验;1947年,英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水,它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力;1950年,英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后,燃气轮机在更多的部门中获得应用。在燃气轮机获得广泛应用的同时,还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置;50~60年代,出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活塞燃气轮机装置,但由于笨重和系统较复杂,到70年代就停止了生产。此外,还发展了柴油机燃气轮机复合装置;另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统,可有效地节约能源,已用于多种工业生产中。 燃气轮机的工作过程是,压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即流入燃气透平中膨胀作功,推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加热后的高温燃气的作功能力显著提高,因而燃气透平在带动压气机的同时,尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时,需用起动机带着旋转,待加速到能独立运行后,起动机才脱开。燃气轮机的工作过程是最简单的,称为简单循环;此外,还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气,最后又排至大气,是开式循环;此外,还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。燃气初温和压气机的压缩比,是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温,并相应提高压缩比,可使燃气轮机效率显著提高。70年代末,压缩比最高达到31;工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右,航空燃气轮机的超过1350℃。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种,轴流式压气机效率较高,适用于大流量的场合。在小流量时,轴流式压气机因后面几级叶片很短,效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中,有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级,因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。燃烧室和透平不仅工作温度高,而且还承受燃气轮机在起动和停机时,因温度剧烈变化引起的热冲击,工作条件恶劣,故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命,这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等,须用镍基和钴基合金等高温材料制造,同时还须用空气冷却来降低工作温度。对于一台燃气轮机来说,除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统,此外还需要配备良好的附属系统和设备,包括:起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚重,大修周期长,寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻,所用材料一般较好,其中以航机的结构为最紧凑、最轻,但寿命较短。与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较,燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量,重型燃气轮机一般为2~5千克/千瓦,而航机一般低于0.2千克/千瓦。燃气轮机占地面积小,当用于车、船等运输机械时,既可节省空间,也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高,在部分负荷下效率下降快,空载时的燃料消耗量高。不同的应用部门,对燃气轮机的要求和使用状况也不相同。功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电,而30~40兆瓦以上的几乎全部用于发电。燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动,机动性好,在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用,能较好地保障电网的安全运行,所以应用广泛。在汽车(或拖车)电站和列车电站等移动电站中,燃气轮机因其轻小,应用也很广泛。此外,还有不少利用燃气轮机的便携电源,功率最小的在10千瓦以下。燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温,即改进透平叶片的冷却技术,研制能耐更高温度的高温材料。其次是提高压缩比,研制级数更少而压缩比更高的压气机。再次是提高各个部件的效率。高温陶瓷材料能在1360℃以上的高温下工作,用它来做透平叶片和燃烧室的火焰筒等高温零件时,就能在不用空气冷却的情况下大大提高燃气初温,从而较大地提高燃气轮机效率。适于燃气轮机的高温陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。按闭式循环工作的装置能利用核能,它用高温气冷反应堆作为加热器,反应堆的冷却剂(氦或氮等)同时作为压气机和透平的工质。

      肆、柴油机动力:

      柴油机是用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压缩点火式发动机,它又常以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。柴油机在工作时,吸入柴油机气缸内的空气,因活塞的运动而受到较高程度的压缩,达到500~700℃的高温。然后将燃油以雾状喷入高温空气中,与高温空气混合形成可燃混合气,自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上,推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。法国出生的德裔工程师狄塞尔,在1897年研制成功可供实用的四冲程柴油机。由于它明显地提高了热效率而引起人们的重视。起初,柴油机用空气喷射燃料,附属装置庞大笨重,只用于固定作业。二十世纪初,开始用于船舶,1905年制成第一台船用二冲程柴油机。1922年,德国的博施发明机械喷射装置,逐渐替代了空气喷射。二十世纪20年代后期出现了高速柴油机,并开始用于汽车。到了50年代,一些结构性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油机发展起来,从此柴油机进入了专业化大量生产阶段。特别是在采用了废气涡轮增压技术以后,柴油机已成为现代动力机械中最重要的部分。 分类——柴油机种类繁多。①按工作循环可分为四冲程和二冲程柴油机。②按冷却方式可分为水冷和风冷柴油机。③按进气

      方式可分为增压和非增压(自然吸气)柴油机。④按转速可分为高速(大于1000转/分)、中速(350~1000转/分)和低速(小于350转/分)柴油机。⑤按燃烧室可分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机。⑥按气体压力作用方式可分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等。⑦按气缸数目可分为单缸和多缸柴油机。⑧按用途可分为船用柴油机、机车柴油机、汽车柴油机、发电柴油机、农用柴油机、工程机械用柴油机等。柴油机燃料主要是柴油,通常高速柴油机用轻柴油;中、低速柴油机用轻柴油或重柴油。柴油机用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸,喷入的燃油呈雾状,与空气混合燃烧。因此柴油机可用挥发性较差的重质燃料或劣质燃料,如原油和渣油等。在燃用原油和渣油时,除须滤除杂质和水分外,还要对供油系统进行预热保温,降低粘度,以便输送和喷射。柴油机如采用某种合适的燃烧室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等轻质燃料。为了改善轻质燃料的着火性,可加入添加剂提高十六烷值,或与柴油混合使用。一些气体燃料,如天然气、液化石油气、沼气和发生炉煤气等也可作为柴油机的燃料,但这时通常以气体燃料为主,以少量柴油引燃,这种发动机称为双燃料内燃机。柴油在气缸内燃烧是一个复杂的物理-化学变化过程,燃烧过程的完善程度,直接影响着柴油机的作功能力、热效率和使用期限,其燃烧过程划分为四个阶段:

      1.燃烧准备阶段(滞燃期)——从燃油喷入到着火开始这一时期为燃烧准备阶段。在这一阶段,燃油需加热、蒸发、扩散并与气流混合等物理准备过程,以及分解、氧化等化学准备过程。

      2.速燃阶段——从着火开始到气缸内出现最高压力时止的这一阶段。当少量柴油着火以后,可燃混合气的数量继续增加火焰迅速传播,燃烧速度加快,放热速率高。气缸内的压力和温度急剧升高。但压力升高过快时,会使曲柄连杆机构受到很大的冲击载荷,并伴随有尖锐的敲击声,柴油机工作粗爆,这种情况应予以限制。为使柴油机工作平稳,最大压力增长率不应超过292kPa~588kPa/1°(曲轴转角)。

      3.主燃阶段(缓燃期)——从爆发压力出现点到最高燃烧温度出现点之间的阶段为主燃阶段。本阶段的特点是喷油已经结束,大部分的燃油在此期间燃烧,放出总热量的约80%左右,燃气温度上升到最高点。但由于活塞的下移,气缸容积增大,所以气缸内的压力变化不大。供油在这一阶段结束。

      4.过后燃烧阶段——从最高燃烧温度点到燃烧结束止的阶段。在这一阶段,氧气已大量消耗,后期喷入的燃油就没有足够的氧气与之混合进行燃烧,加之活塞的进一步下移,气缸内压力和温度有较大的下降,使燃烧条件更加恶化,以致燃油燃烧不完全,出现排气冒黑烟现象,使有关零部件热负荷增加,影响柴油机经济性和使用寿命,所以应尽量减少后燃期的燃烧。(摘自浙江师范大学 翁孟超《康明斯发电车柴油机》)

      燃烧室——燃烧室的优劣对柴油机的性能有决定性的作用,因此是柴油机设计的关键。燃烧室按组织燃烧过程的特点和结构不同分为开式、半开式、预燃室式和涡流室式四类。前两类属于直接喷射式燃烧室;后两类属于分隔式燃烧室。低速柴油机和部分中、高速柴油机主要用无涡流的开式燃烧室。燃烧室由气缸盖底面和活塞顶面形成,具有一定形状的整体空间。多孔喷油器(6~10孔)能使燃油雾化良好,并均匀分布在燃烧室空间。因此,开式燃烧室中的燃烧属于典型的空间式燃烧过程,要求燃烧室与油束形状和分布相配合。它的优点是燃料消耗率低,起动容易;缺点是燃料雾化要求高,难于适应变转速工作。小型高速柴油机大多采用有涡流的半开式燃烧室。这种燃烧室又分为多种类型,主要有油膜式燃烧室和复合式燃烧室等。油膜式燃烧室是1956年由德国的莫勒所发明。燃烧室位于活塞顶内,呈球形。燃料喷向燃烧室壁面,大部分燃油在强涡流作用下喷涂在燃烧室壁面上,形成很薄的油膜,小部分燃油雾化分布在燃烧室空间并首先着火,随后即引燃从壁面上蒸发的燃料。这种燃烧室可使工作过程柔和,燃烧完全,声轻无烟,并可使用轻质燃料;缺点是低温时起动较困难。复合式燃烧室是1964年由中国的史绍熙等发明,燃烧室在活塞顶内呈深盆形,口部略有收缩,用特殊形状的进气道形成进气涡流,采用单孔轴针式喷油器。喷油器轴线与燃烧室壁面基本平行,燃料喷向燃烧室的周边空间。在涡流作用下,粗大的油粒散落在燃烧室壁面上形成油膜,细小的油粒在空间与空气混合。当转速较高时,燃烧室涡流速度高,壁面上的油膜燃料增多,具有油膜燃烧的特点;而在低转速和起动时,涡流速度低,空间混合的燃料量增多,具有空间式燃烧的特点,能改善冷起动性能。复合式燃烧室把油膜蒸发混合燃烧与空间混合燃烧合理地结合起来,兼有两者的优点,故又称为复合式燃烧系统,其工作过程柔和,可燃用多种燃料,对喷油系统要求低,而且起动容易。缺点是低负荷排气中未燃的碳氢化物含量较高。预燃式燃烧室由预燃室和主燃烧室两部分组成。预燃室在气缸盖内,占压缩容积的25~40%,有一个或数个通孔与主燃烧室连通。燃料喷入预燃室中,着火后部分燃料燃烧,将未燃的混合物高速喷入主燃烧室,与空气进一步混合燃烧。这种燃烧室适用于中小功率柴油机。涡流式燃烧室由涡流室和主燃烧室组成。涡流室位于气缸盖上,呈球形或倒钟形,占总压缩容积的50~80%,有切向通道与主燃烧室相通。在压缩行程时,压入涡流室的空气产生强烈的涡流运动,促使喷入其中的燃料与空气混合。着火后混合物流入主燃烧室,形成二次流动,进一步与主燃烧室内的空气混合燃烧。涡流室燃烧室和预燃室燃烧室都用轴针式喷油器,喷油压力较低,工作可靠;由于涡流室内涡流随转速增高而加强,柴油机高转速时柴油和空气仍能很好地混合。涡流室式柴油机的转速可达4000转/分以上,工作过程柔和,排气中有害成分较少。但散热损失和气体流动损失大,而且后燃较严重,故燃料消耗率较高;冷车起动困难,往往需要加装预热塞。柴油机具有热效率高的显著优点,其应用范围越来越广。随着强化程度的提高,柴油机单位功率的重量也显著降低。为了节能,各国都在注重改善燃烧过程,研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外,降低摩擦损失、广泛采用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声和低污染,都是柴油机的重要发展方向。

      以某些专家的眼光看,以往人们对柴油机存在一些误解,随着宝来TDI和奥迪V62.5TDI的相继上市,让我们有机会接触一下

      含最新技术的产品--大众TDI柴油机。TDI发动机采用涡轮增压中冷和柴油直喷技术,所谓柴油直喷是把燃料直接喷射到主燃烧室,而不是以前常见的喷射到预燃室内。柴油直喷技术以前在大型柴油机中出现过,经过改进和细化,现在已经能够应用到乘用车柴油机上。与大众以往柴油机相比,TDI机型拥有许多优势。电控燃油喷射系统带来更大的功率、更少的碳烟排放、更小的噪音和更佳的经济性。在大众的TDI发动机上,喷油时间和喷油量都由电脑控制,而以前的柴油机采用机械控制方式。冷启动按钮已经消失,相应的操作由发动机自动完成。TDI机型上的Garret VNT15可变截面涡轮增压器使增压技术达到一个新的台阶,它有更快的响应(尽管以前机型的增压滞后现象也比较轻微),起效范围更加宽广,同时不会造成排气背压过高的问题。在大众的TDI发动机中,增压响应被控制在0.25秒内,驾驶员根本感觉不到增压滞后的存在。电子排放控制包括EGR(废气再循环),有效地降低了氮氧化物的排放,从前大众柴油机上没有该装置是由于机械控制很难做到非常恰当。喷嘴设计的改进和喷油压力的提高意味着噪音和排放的降低,两段式喷口设计使压力增加平缓并降低了发动机工作过程中的敲击声。一体式燃烧室比以前的预燃式燃烧室减少了热量损失,冷启动变得更容易,以前选装的缸体加热装置也没有必要再安装了。即使在零下10度,新加热塞设计能使加热周期缩短10秒。一体式燃烧室允许更低的压缩比(18.5:1或19.5:1对老机型的22:1或23:1),可以降低发动机的噪音和震动,进而提升耐久性。TDI发动机的燃油系统有自己的特征,现在有三种燃油喷射系统,首先是分配泵系统,由燃油泵向喷嘴顺序供油(旧机型油压在931巴,新机型压力更高),喷油时间和喷油量都由电脑控制。大多数大众TDI发动机使用博世VP 37电控分配泵,通常它安装在发动机前端,由正时皮带驱动。分配泵和喷嘴之间是高压钢油管。这一系统应用在90和100马力的4缸1.9升机型上,还有2.5升5缸机以及150马力2.5升V-6上。在分配泵内,燃油首先通过叶片提升压力,随后旋转柱塞泵把压力进一步提升并按顺序把燃油送到每一缸喷油。每个喷嘴包含带回位弹簧的活塞,一旦燃油压力超过设定值,喷口即打开。5个喷口直径极小。回位弹簧按两级工作,即预喷在低压下进行,主喷则在高压下进行。主喷可以在混合器点火后继续进行,有效地降低了发动机的噪音。提高燃油喷射压力可以显著地改善排放水平,例如奥迪A4TDI把喷射压力提升到1368巴,把排气颗粒水平降低了20%。所付出的代价是把燃油泵中的柱塞加粗1毫米。其它大众TDI机型如115马力和150马力1.9升4缸机,1.2和1.4升3缸机采用泵喷嘴技术,在这些机型上,每缸有自己的小型高压燃油泵,由进排气凸轮轴驱动,泵喷嘴由低压叶片泵供油,当活塞接近压缩行程的上至点时,泵喷嘴的主泵活塞受到激发,但喷油量由附在其上的电磁阀控制,多余油量由旁通阀流回。电磁阀通电时,旁通阀关闭,燃油以高压形式通过喷嘴喷出,要停止喷油,只要给电磁阀断电,燃油即从旁通阀回流。喷油时间就是电磁阀开启时间,且每缸的燃油喷射是独立完成的,便于精确控制。 最后一种是高压共轨喷射系统,它的概念有点类似于汽油机喷射系统,只不过油轨内的压力提高了1000倍。中央油泵把高压油送入油轨,在油轨上对应每缸有相应的电磁阀控制燃油进入喷嘴。尽管说起来简单,但超高压使系统建造并不容易。这套系统应用在180马力2.5升V6机和3.3升V8机型上。涡轮增压器的作用是增加发动机的进气量,使功率和扭矩都有较大幅度的增长。它工作起来就像一台微型航空发动机,涡轮位于柴油机排气系统上,把排气能量转换成旋转动能,驱动压缩机把更多的进气送入燃烧室。增压器与发动机没有任何的机械连接,因此不会消耗发动机的能量,其润滑和冷却由发动机上引出的机油来完成。

      伍、柴燃联合动力:

      对于军用舰艇来说,从提高战斗力地观点要求尽可能提高航速和机动性能。舰艇在全速航行时要求动力装置发足全功率,但它在舰艇航行时间中所占比例极小,一般不超过1%。为此它要花费足够的排水量安置全功率的机械设备重量。而舰艇的巡航时间极长,要求有良好的经济性以提高续航力。为解决全速时的大功率和巡航时的经济性,就出现了两类发动机联合工作的联合动力装置。目前有三种联合动力装置:汽轮机+加速燃气轮机(COSOG或COSAG),柴油机+加速燃气轮机(CODOG或CODAG),燃气轮机+加速燃气轮机(COGAG或COGOG)。(3)柴油机与燃气轮机联合:这类装置中,柴油机作巡航机,与燃气轮机二者都通过离合器与主减速器相联,采用道顺离合器或调距桨实现倒车。这类装置常被小型舰艇使用,它的常用功率一般小于全功率的50%,全功率仅占整个服役时间的1%左右。这类联合装置的优点:1、重量尺寸小,一定排水量下可提高航速或增加配置功率。2、操纵方便,备车迅速,紧急情况下可将燃气轮机立即启动,用调距桨或倒顺离合器实现倒车。3、自巡航到全速工况加速迅速,可立即发出全功率。4、两个机组共同使用一个减速器,具有多机组并车的可靠性。5、管理与检修费用较低。但是两机型联合也有不足之处:1、必须配合适用不同机种的燃料及相应的管路及贮备设备,不同燃料的贮备比例会影响舰艇的战术性能。2、共同使用一个主减速器,小齿轮数目多,结构复杂。3、两种不同类型机组在减速器周围布置上有一定难度。 柴燃联合。分为柴—燃交替(CODOG)和柴—燃并车联合(CODAG)。112、113和F25T(出口泰国)都为CODOG。一般来说,CODAG的好处是可以在高航速时将柴油机的功率并入。但这又增加能耗,而且传动系统、控制系统复杂。实际应用上也就提高航速6%。近年德国解决了传动系统、控制系统的问题,改善柴、燃比例,使6%提高到17%。F124用的就是CODAG。其使用的CODAG投资、维护、燃油费用都比CODOG低。似乎前景不错。我国要发展海军,CODOG和CODAG肯定是主力。 燃燃交替(英国42型驱逐舰21型22型护卫舰等)低速时小功率燃气轮机组运行高速时大功率燃气轮机组运行,柴燃联合低速时柴油机组运行高速时柴油机组和燃气轮机组同时运行,燃燃联合低速时部分燃气轮机组运行高速时全部燃气轮机组同时运行,柴燃交替低速时柴油机组运行高速时燃气轮机组运行。目前柴燃交替(我国海军的052系列驱逐舰等)柴燃联合(南非“勇敢”级护卫舰)和燃燃联合(美日全燃动力的驱逐舰和美“佩里”级护卫舰等)应用较广,柴燃联合虽动力较强油耗低较节能但技术难度最大,功率相差扭矩转速很大的柴油机和燃气轮机并车同时驱动同一推进器较困难而驱动不同推进器舰艇布置较多

      2017/1/4 12:49:15

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