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漫谈舰船动力

舰船的巡航功率和加速功率要求差别很大,典型巡航功率只有加速功率的1/4到1/5。全速航行时也需要用足加速功率。另一方面,发动机在接近全功率运转时效率最高,长期低速运转不仅效率低,可靠性都会受到影响。在蒸汽动力时代,典型做法是拥有多个锅炉,可以按需要增减出力的锅炉,其他锅炉怠速待命;在柴油机和燃气轮机时代,通常采用柴油机或者较小功率的燃气轮机作为巡航发动机,大功率燃气轮机作为加速发动机。

现代舰船典型动力有柴柴联合(CODAD)、柴燃交替(CODOG)、柴燃联合(CODAG)、燃燃交替(COGOG)、燃燃联合(COGAG)、柴电燃联合(CODLAG)、综合全电(IEP)。更加传统的蒸汽动力在全新的舰船上已经很少见了,山东舰可能是特例。

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CODAD

CODAD用2台同型柴油机通过离合器、减速器驱动同一个螺旋桨,巡航时使用一台,加速和全速时使用两台。CODAD较省油,但柴油机重量大、震动大、噪声大,而功率相对较低,所以航速受限制。在主要海军国家里,法国和中国的护卫舰用CODAD,如“拉斐特”级和054A。英国31型也将用CODAD,估计是要降低成本。

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CODOG

CODOG用一台燃气轮机作为加速和全速动力和一台更加省油的柴油机作为巡航动力,通过离合器和减速器驱动同一螺旋桨。柴油机和燃气轮机交替工作,不共同出力。这是对燃气轮机功率大、起动加速快和柴油机省油的优点较好的结合。欧洲海军大多采用CODOG,中国的052系列也是CODOG。

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CODAG

CODAG在CODOG的基础上更进一步,柴油机和燃气轮机通过离合器、同步器、减速器等,可以只用柴油机巡航,也可以在加速和全速时柴燃共同出力,最大限度地利用了装机功率。但燃气轮机和柴油机的转速、扭力和工作特性差别很大,使得两种不同动力的耦合很复杂,不能有效协调的话,会互相打架。系统复杂性也使得可靠性相应降低。CODAG用得较少,有挪威“南森”级和德国“科隆”级。

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COGOG

COGOG用一台中等功率的巡航燃气轮机和一台大功率的加速燃气轮机交替驱动,体积比CODOG更小,功率更大,但油耗也更高。俄罗斯“光荣”级巡洋舰、英国42型驱逐舰、日本“初雪”级护卫舰、荷兰“科顿奈尔”级驱逐舰采用COGOG。

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COGAG

COGAG和CODAD相似,只是用同型燃气轮机替换柴油机,这是各种联合驱动中功率最大和体积最小的,油耗也最高。美俄大型战舰都用COGAG,包括日韩的各种“伯克”级衍生型,中国055也是COGAG。

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CODLAG

但除了驱动动力,舰上还有电力需求。过去专门用柴油辅机发电就够用了,但随着舰上电力需求越来越大,柴油辅机越来越大,就有了与驱动动力一体化考虑的想法。CODLAG是第一步。这是电耦合的CODAG,柴油机不直接通过机械传动系统驱动螺旋桨,而是发电,通过电动机和离合器-减速器驱动螺旋桨。柴电为巡航动力,加速和全速时燃气轮机加入。由于电动机的转速、扭力特性容易与燃气轮机匹配,CODLAG的传动系统实际上比CODAG要简单、可靠。由于可用多个小型柴油机分散发电,CODLAG的动力布置也比CODAG灵活,还增加冗余备份,而且柴油发电机根本不必布置在主机舱。在综合配电的控制下,电力也可在驱动和系统之间合理分配。英国23型护卫舰、德国F125型护卫舰、意大利FREMM护卫舰采用CODLAG。

CODLAG也可简化为CODLOG,柴电和燃气轮机交替工作。法国FREMM和英国26型护卫舰就是CODLOG。用燃气轮机替代柴油机发电,则可以有COGLOG和COGLAG,与CODLOG和CODLAG对应。日本“摩耶”级就是COGLAG。

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IEP

比CODLAG更进一步就是综合全电(IEP),由燃气轮机和柴油机分别发电,前者用于加速负荷,后者用于巡航负荷,取消专用于发电的柴油辅机,通过综合配电在全舰的驱动和系统用电中统一分配,更适合用电需求增长的情况。这是方向,但现阶段系统可靠性似乎还有问题,常有掉链子的事,而且一掉就是兜底掉。现有英国45型和美国“朱姆瓦尔特”级驱逐舰使用IEP。

另一方面,蒸汽动力依然有功率大、性能可靠的优点。核动力是蒸汽轮机动力的特例,用核反应堆代替燃油锅炉产生高压蒸汽,推动汽轮机。但核动力成本高,运作复杂,只有美国的“企业”级、“尼米兹”级和“福特”级航母使用,还有就是早已退役的“长滩”级、“加利福尼亚”级巡洋舰、“班布里奇”级驱逐舰和若干破冰船。

核动力可以与燃油锅炉混合,这就是CONAS。CONAS用核动力作为巡航动力,燃油锅炉既可作为备用动力,也可为核动力产生的高压蒸汽进一步增温加压,增加出力。苏联“基洛夫”级巡洋舰是唯一已知采用CONAS的。

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COSAG

但蒸汽与燃气轮机的联合动力大有可为。蒸燃联合(COSAG)与COGAG相似,但用蒸汽轮机-锅炉代替一台燃气轮机。这把蒸汽动力的热效率和可靠性与燃气轮机的大功率和加速性相结合,缺点是占地较大,重量也大。早期欧洲燃气轮机动力舰船用COSAG较多,如英国“郡”级和“部落”级驱逐舰。

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COGAS

更先进的是燃蒸联合(COGAS),取消常规的燃油锅炉,用燃气轮机的高温废气在废热锅炉里产生高压蒸汽,驱动蒸汽轮机。这样的联合循环在发电行业用得很多,热效率可高达60%以上,而且对负荷变化的适应性好。燃气轮机在低负荷时,废气温度高,热效率低,这正好由废热锅炉回收能量,提高系统热效率。在高负荷时,废气能量相对不足,但这时燃气轮机的热效率反而是最高的。因此,COGAS在全负荷范围内热效率都较高,不需要区分巡航动力和加速动力。COGAS还没有用在全新设计的舰船上的先例,但“伯克III”级考虑过,最后为了减少改动和控制成本而放弃了。

更进一步就是燃蒸电动(COGES),燃气轮机和废热蒸汽轮机分别驱动发电机,然后由电动机驱动螺旋桨。这实际上也是IEP,在军船上还没有使用的先例,但嘉年华游轮公司的“千禧年”级游轮已经采用,由两台通用电气LM2500燃气轮机配废热锅炉,9万总吨的大船达到24节航速。相比之下,052(112“哈尔滨”号和113“青岛”号)也是两台LM2500,尽管最高航速达到31节,但毕竟只有4800吨的满载排水量。

中国舰船刚玩熟CODOG,开始玩COGAG,但在山东舰上还是采取保守方案,继续采用蒸汽动力。但这肯定不是中国舰船动力的终点。

055已经采用COGAG,转型到COGLAG是水到渠成的。这也是检验舰用配电和大功率推进电机的好机会。

075的动力不明,有可能是蒸汽动力。075的建造刚刚开始,系列建造中的舰船中途改变动力是有先例的,美国“黄蜂”级的最后一艘“玛金岛”号就从前面的蒸汽动力改为CODLOG。075有潜力改用COGAS,甚至COGES。这不仅是075的需要,也是为003航母铺路。燃蒸联合循环在发电行业里已经是成熟技术,搬到船用没有难以克服的技术困难。输变电和船用调速电机则是马伟明的拿手戏。

003的动力众说纷纭,但大概率不是核动力。大型核动力舰船不经过核动力研究船的验证是不可思议的。继续采用蒸汽动力是保守路线,功率大,性能可靠,但毕竟体积大、重量大、升火慢、加速慢。在理想情况下,应该采用COGES。如果能得到075B的铺路,这就大大降低了技术风险。003还将采用电弹,COGES是最理想的动力选择。这也回避了中国缺乏超大功率专用燃气轮机的问题,容易用增加燃气轮机和分散布置补偿。

中国军事力量正在现代化转型的关键时刻,海军是最先渐入佳境的,也有机会最先跨入世界领先的行列,舰船动力是其中重要的一环。

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