国外舰船蒸汽动力技术发展的启示

黎南，张欣

1海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连1160022海军91278部队55分队，辽宁大连116031

国外舰船蒸汽动力技术发展的启示

黎南1，张欣2

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2海军91278部队55分队，辽宁大连116031

近40年来，各国陆续入役的大型驱护舰多数已经弃用蒸汽轮机，转用燃气轮机或柴油机作为舰船主动力。但在大型航空母舰和核潜艇上，蒸汽动力至今仍是唯一可用的无可替代的动力装置。介绍蒸汽动力的系统组成、技术特点、各国应用状况及发展趋势，并为我国舰船蒸汽动力技术的发展提出一些个人建议。包括：积极借鉴国外的成功经验；重视舰船蒸汽动力技术的研究和人才培养；适当考虑选用合适的蒸汽动力方案，扶持行业的健康发展；尽快构建完善我国各种舰船动力的标准化、成熟机组系列，按常用功率等级配齐，供舰船设计时按需选配。

蒸汽动力装置；技术现状；技术特点；发展趋势；综述

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20160531.1104.032.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：黎南，张欣.国外舰船蒸汽动力技术发展的启示［J］.中国舰船研究，2016，11（3）：89-96.

LI Nan，ZHANG Xin.The revelation from the development of foreign marine steam turbine power plants［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（3）：89-96.

0　引　言

舰船蒸汽动力技术发展至今已有100多年的历史，虽然在经济性和便利性方面不及后续发展起来的柴油机和燃气轮机动力技术，但作为舰船三大动力技术之一，该动力技术在大型航空母舰、核潜艇、液化天然气（LNG）船上的主导地位仍然非常牢固。

其实，若单就机组热效率和综合效费比而言，蒸汽动力技术并不落后，关键看在哪里应用。在陆地大型电站机组中，超超临界蒸汽动力机组简单循环的热效率接近55%，领先于同一条件下的燃气动力机组（平均为45%）和低速柴油机组（平均为48%），凭借效率和可靠性这些优势，蒸汽动力机组在陆地大型电站中占据了绝对优势。由于舰船上空间条件有限，舰船蒸汽动力机组热效率和适装性始终难以有较大改观，才不得不逐渐让出舰船动力的主导地位［1］。

即便如此，蒸汽动力技术也并非没有存在的价值和意义，在燃气动力技术尚未成熟、柴油动力选型困难的军用大型舰船领域，蒸汽动力还是能够凭借其稳定可靠、单机功率大、维修保障便利、全寿命周期使用成本低的优势得以继续存在，既可以满足部分特殊舰船的动力需要，又可以为大型水面舰船和核动力舰艇蒸汽动力技术的成熟应用提供经验并巩固技术基础［2］。

本文将通过全面介绍蒸汽动力装置的系统组成、技术特点、世界各海军强国的应用状况以及我国技术发展的实际情况，呼吁国内各方应重新认识并重视舰船蒸汽动力技术的研究和人才的培养，而不是简单地以满足工程需要而进行设备研制。从世界各国动力技术发展的趋势看，未来20年内，大型水面舰船和核动力舰艇还是离不开蒸汽动力，而只有扎实的基础理论研究和深厚的工程实践经验才能做好我国的蒸汽动力装置。日本、美国均通过持续研发和装备各功率等级的机组来不断提高和完善蒸汽动力应用技术，最终形成系列的机组供装备选用，这方面的成功经验非常值得我们借鉴。只有不断地研发、使用和改进，才能保证该技术得以顺利发展，切实满足我国舰船研制的需要。

1　蒸汽动力装置系统组成及技术特点

1.1系统组成

蒸汽轮机本体结构比较简单，主要由汽缸、喷嘴、转子、动叶、静叶、隔板、汽封、轴承、冷凝器等部（套）件组成，而舰船蒸汽动力装置系统组成则比较复杂，从大系统组成来说，其一般划分为主锅炉装置、主汽轮齿轮机组、辅助系统、监控系统和轴系5大部分［3］。

1.2主要设备技术类别及特点

蒸汽动力自进入蒸汽轮机时代起，发展至今已有130余年。总的说来，其技术发展较为缓慢，在最为直观的技术指标上，如单位功率燃油消耗率、单位功率重量比、装置体积等方面，虽然通过改进锅炉结构形式、烟道流向、传热方式、汽轮机通流结构及机组配置等方式获得了较大的提高，但实际上并没有质的提高和突破。蒸汽动力装置主要由主锅炉、汽轮机和减速器组成，因此，其技术类别也主要围绕这3个设备进行划分。

1.2.1主锅炉

1）炉膛结构形状。

第二次世界大战（以下简称“二战”）以前，英、美两国蒸汽动力主锅炉的炉膛形状为双炉膛单烟道的M型锅炉，后来发现这种形状的锅炉存在体积和重量大、效率低、运行复杂等缺点，二战后遂改为重量轻、体积小、装置传热效率高以及运行管理简单、适于自动控制的单炉膛单烟道D型锅炉。此外，美海军还曾将强制循环锅炉装在DL-2 和DL-3两型驱逐领舰上试用，但试用效果并不好，因此，美海军遂弃用强制循环锅炉。据国外资料反映，在舰船上，增压锅炉、强制循环锅炉均不宜采用，故除前苏联外，各国早已放弃这方面的研制工作［2］。

前苏联在20世纪40年代建造的07型驱逐舰上曾采用过三筒双烟道锅炉，而50年代建造的56型驱逐舰则采用了单烟道单炉膛D形锅炉。D型单烟道锅炉和三筒双烟道锅炉相比优越，重量轻，尺寸小，热效率高，饱和蒸汽干度由原来的93%～95%提高了到98.5%。

2）过热器结构形式。

舰船锅炉的蒸汽过热器主要有立式和卧式2种。英、美、德、日、法等国多采用卧式过热器，过热器和锅筒之间采用U型环管和M型盘管进行连接。上世纪60年代改进成了II型管连接，便于维修。英国舰用锅炉曾大量采用过“梅勒斯科”式蒸汽过热器，这种过热器管子与汽水联箱采用可拆式连接，过热器可单独卸出。前苏联的舰用锅炉在护卫舰和驱逐舰上采用立式过热器较多，大都布置在烟道的对流区。

3）过热器蒸汽温度。

前苏联舰用锅炉过热器的蒸汽温度随工况变化而变化。而英、美等国则大都将过热器置于近炉膛处，呈半辐射式，因而过热器蒸汽温度波动比较小，有的过热器蒸汽温度在主机由全工况变为低工况时其温度变化也仅为30℃左右。英国还常常采用挡板进行过热蒸汽温度调节。有的锅炉采用二次过热器，这样可使低工况下的过热器蒸汽温度与全工况时保持一致，从而改善机组在低工况下的工作效率。

4）风机应用状况。

英、美、日、法等国的舰用锅炉均采用普通的汽轮风机，未使用增压风机；而前苏联在“现代”级驱逐舰和“库兹涅佐夫”级航空母舰的КВГ型系列锅炉上选用了增压风机，在锅炉体积小、重量轻的情况下，锅炉产汽量依然明显加大，但该装置因采用汽轮机和烟气涡轮进行增压，控制难度较大，故装置的安全风险也很大［4］。

1.2.2主汽轮机

评判舰船蒸汽动力装置性能优劣的主要依据是其单位功率耗油率和单位功率重量比这2个关键指标。而舰船用汽轮机分为冲动式和反动式2种，二战以后，各国多选用纯冲动或带部分反动度的冲动式汽轮机作为舰船主动力。各国的冲动式汽轮机工作原理虽然基本相同，但机组内部级组布置或者功率调节方式若不相同，则其耗油率和功率重量比就可能存在较大差异［3］。

蒸汽动力技术发展百余年来，各国在舰船汽轮机的技术发展上做了较大努力，也开发出了几类不同形式的汽轮机，技术水平上各有特点，归纳起来主要有4种类型，即内旁通汽轮机、外旁通汽轮机、带巡航汽轮机的汽轮机组及串—并联汽轮机。

1）内旁通汽轮机。

内旁通汽轮机是将低速级设置在调节级之后、全速级组之前，全速时蒸汽经调节级后绕过低速级进入全速级，低速时则依次流过调节级、低速级至全速级。

前苏联设计的舰用汽轮机多采用内旁通，我国051型舰上研仿前苏联的TB-8机组（36 000 hp）就是内旁通的。美国海军的42 500 hp机组也是内旁通的。内旁通机组结构最为简单，一根转子上集成了调节级、低速级和全速级的所有动叶，该结构尺寸和重量均较小。由于机组无论低速还是全速都需从调节级前进汽，调节级焓降较大，级数很少，效率很低，因此，其汽缸可按较低参数设计，但经济性很差。内旁通机组的控制阀门较少，各工况下均需从调节级进汽，汽缸温度变化较小，因此，机组操纵便利，机动性好。

2）外旁通汽轮机。

外旁通汽轮机是将低速级设置在全速级组（包括调节级）之前，低速时蒸汽经低速级再到全速级工作，全速时蒸汽直接从全速级之前进入而不经过低速级。

外旁通和内旁通机组的结构形式基本一致，只不过外旁通机组的调节级安装在全速级前，在低工况运行时，该机组无需从经济性较差的调节级前进汽，因而经济性比内旁通机组好。全速时，由于还需从调节级前进汽，因而经济性与内旁通差不多。其控制阀门比较集中，操纵便利。机组从低工况升到高工况时，进汽从低速级转到全速级，汽缸温度变化较大，机组机动性变差。英国、瑞典、法国的少数机组用过这种外旁通结构形式。

3）带巡航汽轮机的汽轮机组。

带巡航汽轮机的汽轮机组是将外旁通的低速级组装在专门的汽缸中，成为巡航汽轮机，而全速级则成为高压汽轮机。

这种机组包括以下5种主要机型：

（1）巡航汽轮机带背压工作，直接与高压汽轮机连接；

（2）巡航汽轮机带背压工作，通过减速器与高压汽轮机连接；

（3）全速时巡航汽轮机排汽通冷凝器，直接与高压汽轮机连接；

（4）全速时巡航汽轮机排汽通冷凝器，通过减速器与高压汽轮机连接；

（5）巡航汽轮机通过离合器与高压汽轮机连接，低速时接上，全速时脱开。

这种机组从技术原理上看，其高压汽轮机与巡航汽轮机直接或通过减速器连接的形式与外旁通机组基本一致，但结构尺寸更大，经济性差别不大。巡航汽轮机通过离合器与高压汽轮机连接的形式，由于高、低工况下，巡航汽轮机和高压汽轮机均可以单独工作，空转损失减小，因而这种结构形式的经济性较好。由于该机组变工况时需要通过阀门进行机组排汽转换，特别是带离合器连接机组的转换更为复杂。由于机组变工况下的进汽位置变化较大，汽缸温度随之有较大变化，因此，该机组机动性较差，特别是带离合器和低速级排汽通冷凝器的机组机动性更差。英国的个别机组和日本海军的多数机组采用过这种技术。美国海军也曾用过这种机组，但多采用离合器自动或手动连接巡航和高压汽轮机的方式。

4）串—并联汽轮机。

串—并联汽轮机是使蒸汽在低速时依次经过低速级和全速级，即“串联”工作，全速时同时进入低速级与全速级，工作后一起排入低压汽轮机，即“并联”工作。

这种机组是带巡航功能汽轮机发展的结果。从技术原理上看，这种机组的高、中压汽轮机在各工况下均投入运行，因此，在设计的全速与低速工况下，其经济性不如带离合器与减速器连接的巡航汽轮机机组。但在离开设计点的中间工况，由于该机组没有空转损失，故其经济性比其他各种机组都要好，且性能变化平缓。变工况时，该机组各汽轮机的进、排汽阀门需要进行转换，其操纵性相当复杂。由于该机组各汽缸在各工况下都有蒸汽通过，且进汽端均位于低速级和全速级的连接部，汽缸温度变化小，因此，该机组机动性很强［5］。

1.2.3减速器

舰船动力装置所采用的减速器减速比都比较大，主要分为常规齿轮减速器和行星齿轮减速器2种。

1）常规二级齿轮减速器。

自减速器发明以来，这种二级齿轮啮合结构形式一直没有太大的变化。高低汽轮机输出轴分别连接到高低压一级小齿轮上，经二级齿轮啮合减速后，由二级大齿轮输出轴输出。

2）行星齿轮减速器。

上世纪70年代以来，行星齿轮传动装置开始大量投入使用。它既可单独进行减速传动，也可作为第1级或第2级减速来配合常规齿轮减速装置进行传动，其在满足大传动比的同时还能大幅缩小减速传动装置的尺寸［6］。

2　技术现状及发展趋势

2.1技术水平

以上所讨论的各类舰用汽轮机组，大多是上世纪50～60年代设计的产品，只有个别是70年代的。这是因为上世纪60年代以后，随着燃气动力技术的成熟和应用，英国和美国这两大蒸汽动力技术强国开始全面转向燃气动力的研究和应用。美国尚保留了航空母舰和核潜艇用的蒸汽动力，英国基本上除核潜艇外全部弃用。前苏联在部分舰船、航空母舰和核动力舰艇上依然采用蒸汽动力。因此，上世纪70年代后船用汽轮机的技术发展很有限，仅有日本等少数国家还在发展（表1），多数用在LNG船上，技术水平也是首屈一指。日本在产量上跃居船用蒸汽动力装置的世界第一，占世界总产量的90%左右［7］。

表1　世界各型典型舰船汽轮机性能一览Tab.1　Technical performance of typical marine steam turbines

1）外形尺寸。

现代的蒸汽动力装置外形普遍较为紧凑，世界各国的装置尺寸大小差不多，但普遍比燃气轮机大很多，比同样功率的中高速柴油机也略大。同样功率的动力装置中，燃气动力机组重量最小，低速柴油机机组重量最重，蒸汽动力次之。由于燃气动力需要布置较大尺寸的进、排气管路和辅助设备，因此，其所需的空间尺寸与蒸汽动力相当，均比低速柴油机的要小。

2）装置组成。

目前，各国的蒸汽动力装置基本上采用2台锅炉配1台汽轮齿轮机组、1根轴系和相应辅机作为1个动力单元；驱护舰采用2个动力单元，双轴双桨；航空母舰一般采用4个动力单元，四轴四桨。

3）主锅炉。

当前，多数国家主锅炉采用D型锅炉，配大型燃烧器，个别国家采用增压锅炉，以此提高锅炉产汽量。主蒸汽压力多为6.0 MPa左右，个别为8.45 MPa以上；过热蒸汽温度多为510℃左右。根据热力学理论，主蒸汽参数越高，机组效率越高，但设备和管路系统的材料性能要求也高。

4）主汽轮齿轮机组。

目前，世界各国的汽轮齿轮机组技术水平相差不大，只是在功率等级和加工精度、噪音等级、外形尺寸上存在差别。

20世纪70年代以前，美国舰船汽轮机多在海军应用，主要是35 000，42 500和70 000 hp这3型标准机组。另外，在核潜艇上还有6 000～26 000 hp的机组。英国的汽轮机组应用也较多，功率为15 000～30 000 hp。法国和德国也有少量机组。前苏联则相继开发了10 000，36 000，45 000，50 000和70 000 hp等功率等级的机组，分别应用于驱护舰、巡洋舰和航空母舰等水面舰船上。日本开发应用过的汽轮机组最多最全，基本覆盖了所有的功率等级，军船功率从15 000～37 500 hp，民船则从8 000～60 000 hp，其生产汽轮机的企业包括三菱、日立、东芝、川崎、石川岛播磨等，产量占全世界一半以上。20世纪70年代以后，随着燃气轮机技术的成熟和推广，美国、英国、法国、德国等国家逐步退出舰船汽轮机市场，世界船用汽轮机市场基本被日本占领，部分机组由日本授权韩国生产，此时的日本可以称得上是世界舰船汽轮机最强国［8］。

5）经济性。

对军用舰船而言，动力装置的经济性虽不如民船那般重要，但也是很受关注的一个性能指标。蒸汽动力装置之所以被挤出民用市场，最关键的一个因素就是经济性比柴油动力和燃气动力差，尽管性能稳定可靠，但仍被无情淘汰。在军用舰船领域，虽然机动性、操纵性和稳定性最为倚重，但各国在提高动力装置经济性方面也是不遗余力。在蒸汽动力方面，世界各国机组当前的经济性水平差异较大。总体而言，美国机组水平最高，其耗油率为380 g/（kW·h）左右（当前与之功率等级相当的先进船用低速柴油机的耗油率为170 g/（kW·h），相应等级的先进舰用燃气轮机耗油率为200 g/（kW·h））。美海军舰用蒸汽动力装置的3型标准机组经济性水平相当高，航空母舰用的70 000 hp机组蒸汽动力装置耗油率为380 g/（kW·h），“孔茨”级驱逐舰用的42 500 hp机组耗油率为382 g/（kW·h），“舍曼”级驱逐舰的35 000 hp机组耗油率为370 g/（kW·h）。其他机组的耗油率，如“李希”级导弹驱逐舰为406 g/（kW·h），“米歇尔”级驱逐舰为426 g/（kW·h）。英国于二战后开发的 Y-100，YEAD-1和Daring-Ⅲ机组，其经济性也达到了相当高的水平。其中，YEAD-1机组的耗油率在400 g/（kW·h）左右。日本开发的10多型机组多采用巡航机和串—并联技术，经济性普遍较好，其中以“天津风”级驱逐舰配置的机组经济性最好，达到了408 g/（kW·h）。前苏联的机组由于多采用内、外旁通技术，因此经济性较差。TB-12机组采用了增压锅炉，经济性有较大提高，其耗油率虽比TB-8下降了25%，但也仅达到445 g/（kW·h），与其他国家的先进机组相比差距依然较大［9］。

6）功率重量比。

机组的功率重量比指的是机组单位重量下所对应的机组功率。机组功率越大，重量越轻，功率重量比越大，性能越好。一般而言，功率重量比与用户的需求有关，投入的成本越高，功率重量比往往就大。功率重量比的单位以hp/kg来表示，前苏联的TB-12机组功率重量比达到0.11 hp/kg左右，技术水平很高，日本的“天津风”机组、英国的Daring-Ⅲ和YEAD-1机组以及美国的“孔茨”级机组的功率重量比基本相当，在0.1 hp/kg左右，其他机组多在0.05～0.07 hp/kg之间。

7）自控系统。

操作及管理复杂是蒸汽动力装置的一大缺陷，该装置对操作人员的业务技能要求非常高，其自动控制系统的设计及稳定使用难度很大。随着自动控制技术水平的不断提高，目前，世界各国舰船蒸汽动力装置的自控系统已较为完善和可靠，基本可以实现远程监控和无人机舱，这使得舰船蒸汽动力装置的操作使用变得越来越便利［4］。

2.2蒸汽动力在世界各国海军的应用状况

1）美国海军。

二战期间，美国成功研发和推广使用了冲动式汽轮机，技术水平迅速超越了英国。二战以后，美国海军陆续开发了3型适于导弹驱逐舰、巡洋舰和航空母舰的标准蒸汽动力装置，即护卫舰级（30 000～35 000 hp）、驱逐舰和巡洋舰级（42 500 hp）、航空母舰级（62 500～70 000 hp）的机组。这3型机组经济性好、机动性强、功率重量比大，成熟可靠，便于操纵使用，广泛应用于当时的“舍曼”级、“孔茨”级、“李希”级导弹驱逐舰和“弗莱斯特”级、“小鹰”级等航空母舰上。同一时期，在其他大型水面舰船上，蒸汽动力的应用也非常广泛。例如：“黄蜂”、“塔拉瓦”、“硫磺岛”、“蓝岭”等级别的两栖攻击舰分别采用双机双轴和单机单轴的蒸汽动力装置；“奥斯汀”级两栖船坞运输舰、“安克雷奇”级船坞登陆舰、“黄石”级物资运输舰、“舍里巴齐”和“基里韦厄”级弹药运输舰、“战神”级干货补给舰、“拉萨尔”级两栖指挥舰、“锡马龙”级油船、“萨克拉门托”级快速支援舰、“维奇托”级油水补给舰也分别按照作战使用要求配置了相应的蒸汽动力装置。这些舰船均有一个共同的特点，即排水量大、速度快、续航力大、可靠性高、启动和变工况慢等。同时，还陆续开发了核潜艇用的蒸汽动力装置，功率涵盖3 300，7 500，12 000，17 500和30 000 hp。20世纪70年代后，随着本国研发的舰船燃气动力装置技术日益成熟，目前航空母舰以下的大型水面舰船，如驱护舰、两栖攻击舰、船坞登陆舰、大型快速支援舰和综合补给舰等，其主动力装置基本上由燃气或柴油动力取代了蒸汽动力，只有航空母舰和核潜艇还保留蒸汽动力。

2）俄罗斯海军。

二战以后，俄罗斯海军在舰船蒸汽动力技术的发展上也付出了很大努力，先后开发了TB-9 （10 000 hp），TB-8（36 000 hp），TB-12（45 000 hp），TB-4（70 000 hp）和GTZA-674（50 000 hp）等多型汽轮机组。目前，俄罗斯新入役的水面主战舰船主动力多采用燃气或柴油动力，只有早期服役的“现代”级驱逐舰和“库兹涅佐夫”号航空母舰以及核潜艇还采用蒸汽动力。按照俄罗斯目前的动力技术规划，下一代驱逐舰将全部采用燃气动力装置，新一代航空母舰将选用核动力装置。

3）英国皇家海军。

作为最早开发应用舰船蒸汽动力技术的国家，随着其舰船燃气动力技术日益成熟，除核潜艇外，蒸汽动力已完全弃用。英国目前的大型驱护舰主动力均已选用燃气动力，但驱动技术各异，有的采用COGAG或CODOG技术，如早期的轻型航空母舰和驱护舰，有的则采用综合电力推进技术，如新一代的驱护舰和航空母舰［10］。

4）日本海军。

日本海军二战前后的大型驱护舰船均采用蒸汽动力装置，当时日本陆续研发了10多型蒸汽动力装置，功率覆盖范围非常广，技术水平相当高。其船用蒸汽动力技术发展也很迅猛，凭借技术和价格优势，其机组产量曾经占据全世界的半壁江山。20世纪80年代后，随着舰船燃气动力技术的成熟和推广，日本海军陆续从英国和美国引进了舰船燃气轮机装置，并逐步在新造驱护舰船中替代本土产的蒸汽动力。目前，日本20世纪80年代中期以后入役的大型驱护舰船均已全部采用燃气或柴油动力，蒸汽动力基本上已经被弃用。

5）法国海军。

法国海军在20世纪70年代中期前建造的航空母舰和驱逐舰均选用蒸汽动力装置，之后的驱护舰船开始更换为柴油或燃气动力，“戴高乐”号航空母舰则选用核动力，其新一代的PA2航空母舰选用了燃气动力。这样，法国的蒸汽动力除核潜艇和“戴高乐”号航空母舰外基本上也已遭弃用。

2.3技术发展趋势

根据世界舰船推进动力技术发展的需求，舰船蒸汽动力技术将着重在以下几个方面进行改进提高。

1）尺寸、重量进一步减小。

随着新技术的应用，部分设备体积变小，使蒸汽动力装置所占空间大大缩小，甚至比相同功率等级的柴油机还小，已经接近燃气动力机组的占地空间。如部分汽轮机组由于采用了行星齿轮减速器、新型材料转子、冷凝器和紧凑型锅炉装置，使得机组的轮廓尺寸和重量大大减小。如川崎公司的UA500型机组，50 000 hp的机组仅有370 t重，大大轻于同等功率的柴油机组。

2）耗油率进一步降低。

蒸汽动力装置的耗油率高，是其被其他动力装置挤出航运市场的一个关键因素，因此，各汽轮机企业纷纷想方设法进一步降低蒸汽动力装置的耗油率。近些年来，正在通过改进喷油雾化效果、提高锅炉汽水管系传热效果、加大排气回热利用等技术来提高锅炉热效率，采用再热循环和抽汽加热等技术来提高汽轮机组热效率等办法来进一步降低机组的耗油率［3］。

3）操纵性和机动性进一步改善。

由于蒸汽动力装置非机带的辅助设备很多，系统投入自动运行时的监控管理难度大；从冷态启动到全负荷运行状态需要时间较长，变工况运行时不仅管理复杂，过渡时间也较长。机组运行管理难度较大也是制约其推广应用的一个重要因素。因此，提高自动化控制及操作管理水平是该机组技术发展的一个重要方向。随着工业过程控制技术的迅速发展，舰船蒸汽动力机组早已可以实现无人机舱和远程操控管理，其未来的发展目标就是要与柴、燃机组一样易于操作和管理，可以大大降低对操作管理人员的技术要求和工作强度［9］。

3　对国内蒸汽动力技术发展的启示

本文对舰船蒸汽动力的系统组成、技术特点、发展趋势和各国应用状况等进行了充分论述，其目的就是为了让广大业内人员真实、全面了解蒸汽动力的技术和应用状况，以便为舰船按实际需要提出合理、可行的主动力配置方案，切实满足舰船的任务使命要求。

随着现代作战舰船武器系统的迅猛发展，对舰攻击导弹射程越来越远，速度越来越快，这使得舰船航速及其机动性在现代海战中的作用和影响相对弱化。各国在研制新型舰船时更关注警戒探测、指挥控制、对敌攻击、武器防御及电子对抗能力，而不是装什么动力或者能跑多高航速。

我国舰船动力发展很不完善。蒸汽动力起步早，技术相对成熟，但型号少，功率相对较小，缺乏大功率机组技术储备。燃气动力起步晚，技术基础相对薄弱，能采用的型号极少，已投产机组性能还不够稳定。柴油动力技术基础相对最好，投产型号最多，使用经验最为成熟，但批产的中速机性能相对落后，机组功率相对较低，难以满足中、大型舰船的推进需要。因此，针对这一短期内还难以改变的现状，在舰船选取动力系统时，我们还不能像美、英、日等国一样按需优选动力装置，只能根据现有实际机型进行全面衡量和选择。首先，要依据作战需要排出动力装置各性能的重要顺序，从保证舰船完成作战任务这个角度来看，水面舰船动力系统最重要的性能应该是适装性（占地空间小、重量轻、使用便捷）、稳定性和推进性能，其次是振动、噪声等战术性能，最后才考虑功率重量比、经济性、操控性等技术性能［8］。

3.1总结

1）世界海军强国，包括美、俄、英、法、日，目前均有研制和生产高性能蒸汽动力装置的能力，水平依然高于我国，他们可以随时得到所需要的蒸汽动力装置。

2）经过综合评定，在推进性能得到保证的情况下，水面舰船（如驱护舰艇、各种中小型快艇）动力应首选柴油动力，其次是燃气动力，世界各国海军的动力选型也基本如此。因为这两种动力占地空间小、使用便利，可为武器系统腾出更多的空间，有利于舰船作战性能的提高。航空母舰这种大型水面舰船需要的推进功率很大，燃气和柴油动力由于单机功率相对较低，需要较多机组才能满足其推进需要，这使得它们原有的适装性优势会大大降低。所以，航空母舰动力多数选用核动力或蒸汽动力，个别技术基础较好的国家，如英、法两国，其新型航空母舰则采用以燃气轮机为原动机的综合电力推进装置［10］。

3）由于对航速和作战空间要求不高，世界各国辅助舰船普遍选用柴油动力，就连燃气动力技术水平最高的美国、英国也不例外。不仅因为其适装性好，而且稳定可靠、便于使用维护、经济性好、寿命周期长等优势也无可比拟［11］。

4）对航速要求较高的大型辅助舰船，如美国为航空母舰编队配备的“萨克拉门托”级快速支援舰，排水量达51 000 t，航速高达25 kn以上，由于选用了蒸汽动力，在航率很高，而且能够始终保持较高的航速，海上支援效果很好，令其航空母舰编队非常满意。美国的“蓝岭”级两栖指挥舰和“塔拉瓦”级两栖攻击舰等高速大型舰船也选用蒸汽动力，作战效果令人满意。新一代的“供应”级支援舰和“美国”级两栖攻击舰则换成了燃气动力，动力依然强劲，使用效果也不错，但采购和使用成本较高，一般国家承受不起。从目前航运市场上LNG运输船的动力系统选型上看，虽然受到低速柴油机和双燃料发动机、燃气轮机的强力挑战，但蒸汽动力目前仍然占据LNG船动力系统类型的最大份额，这说明尽管其热效率相对最低，但初期投资少、燃料费低、维护保障便利等优点，使其在全寿命周期内的综合成本与其他动力相比依然保持了一定的优势［3］。

5）我国舰船蒸汽动力无论是在技术水平还是在产品功率系列方面，都与日本、俄罗斯、美国、英国等海军强国有不小的差距，尤其是成熟、顶用的大功率机组更是薄弱环节。研发基础不牢靠使得短期内很难随时得到适宜的蒸汽动力机组。

3.2启示

1）近几年来，通过自行研发新产品，我国舰船蒸汽动力技术有了一定的进步，但与世界强国相比，差距依然十分明显，甚至还赶不上美国和日本上世纪五六十年代的水平。与当今美国和日本的先进机组相比，经济性相差较大，功率重量比差距更大。这是因为在舰船蒸汽动力技术盛行的年代，日本、美国、英国均曾开展大量的蒸汽动力型号研制（日本上世纪60年代前后就开展了15个型号机组的研制，目前还有十几个型号在生产），打下了无比坚实的技术基础，并利用这些技术基础和经验相继研制出了性能卓越的柴油机和燃气轮机，可供其现今的舰船任意选用。

建议有关部门认真反思我们前期存在的不足，积极借鉴国外的成功经验，扎扎实实开展好我国在舰船动力研制方面的工作，力争能为我国各型舰船研制出令人满意的动力装置。

2）由于国内各方对舰船蒸汽动力这一技术的忽视，目前国内各有关大专院校均已裁撤这一学科专业，使得舰船蒸汽动力这一专业基本上后继无人。即使中、大型水面舰船目前不会再选用蒸汽动力，但未来几十年内，大型母舰或核动力舰艇还离不开蒸汽动力，而蒸汽动力技术非常复杂，合格人员的培养十分不易，若失去各高等院校培养这一主要渠道，本已薄弱的技术基础更是难以巩固，对今后继续发展这一技术极为不利。

建议有关部门认真研究考虑如何构建舰船蒸汽动力技术人才的培养渠道。

3）目前国内舰船燃气和柴油动力无论在性能和应用范围上均存在一定的不足。例如，在南海海域，当海面空气温度较高时，燃气轮机的输出功率会出现较大幅度的下降，必然会限制其正常使用。因此，在燃气和柴油动力方案很难满足要求的情况下，也可以适当考虑选用合适的蒸汽动力方案，既可解决困难，也有利于扶持这一行业的健康发展。

4）借鉴美国的舰船动力工作经验，尽快构建完善我国各种舰船动力的标准化、成熟机组系列，包括柴、燃和蒸汽机组，按常用功率等级配齐，供舰船设计时按需选配。

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The revelation from the development of foreign marine steam turbine power plants

LI Nan1，ZHANG Xin2
1 Military Representative Office in Dalian District，Naval Armament Department of PLAN，Dalian 116002，China
2 The 91278thUnit of PLAN，Dalian 116031，China

During the last 4 decades，the steam turbine power plant has been gradually substituted with the gas turbine or diesel engine power plant along with the development of warships such as destroyers and frig⁃ates in many countries.Even so，the important role of the steam turbine power plant cannot be denied yet，particularly in big aircraft carriers，or in nuclear-powered submarines，where the marine steam turbine pow⁃er plant is still an irreplaceable marine power.In recent years，the marine power in China is beginning to enter a new stage of development，where the gas or diesel engine has gained a dominant position in war⁃ships，and，as a result，not only the investment on traditional steam engines has been cut down，but the re⁃volved colleges and universities have reduce the number of relevant subjects and courses as well.This would inevitably induce difficulties into the development and application of the steam turbine technology in the warship field.In this paper，the technical characteristics，application status，and development trend of marine steam turbine power plants in the relevant countries are introduced step by step，while the goal is to call attention onto the significance of the marine steam turbine power once again.Certain advice concerned about the development of the technology in the marine steam turbine power plant is presented in order to serve as references for future domestic development.

steam turbine power plant；state of the art；technical characteristics；development trend；overview

U664.11

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.03.016

2015-06-13网络出版时间：2016-5-31 11:04

黎南（通信作者），男，1969年生，博士，高级工程师。研究方向：轮机工程。

E-mail：linan341@163.net

张欣，男，1967年生，高级工程师。研究方向：轮机工程