中大型水面舰船推进系统研究分析

张博杰，胡 锴

中大型水面舰船推进系统研究分析

张博杰，胡 锴

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

随着海军对船舶动力/电力平台要求的不断提高，舰船混合动力系统以其高燃油经济性、高续航能力等优势而越来越受到各方关注。本文结合国内外舰船发展状况，针对中大型水面舰船推进动力系统进行分析，阐述混合动力系统的优势和发展空间。

护卫舰 混合动力

0 引言

水面战斗舰艇在水面舰船中角色多变、任务多样，是现代海战中最可能直接参战的舰船，同时伴随着武器装备的发展，驱逐舰、护卫舰作战需求的提高，水面战斗舰艇吨位也在不断增加，中大型水面战斗舰艇深受各国海军重视。舰船动力系统是水面战斗舰艇的主要系统之一，其使命任务是提供舰船所需的推进动力。动力系统的技术性能对舰船总体性能有重大影响，能直接影响舰船能否顺利完成其使命任务。

随着海军对船舶动力/电力平台要求的不断提高，以及化石能源的逐渐减少和排放法规的日趋严格，相较于传统的机械推进动力系统，柴电混合推进动力系统正日益受到更多关注[1]。它通过传动耦合装置，实现柴油机单独推进、电机单独推进或混合推进等工作模式，满足舰船不同工况对动力装置的不同需求，在中大型水面战斗舰艇中具有广泛的应用前景。

1 国内外中大型水面战斗舰船推进系统现状

在目前的世界海军中大型水面战斗舰艇队伍中，世界各国在进行舰船动力系统方案设计选型时，大多与本国的政策、工业基础、技术水平以及经济实力等相结合，存在诸多的样式及变化[2]。

法国“拉斐特”级护卫舰，标准排水量为3353吨，满载排水量为3810吨，采用全柴动力传动装置（CODAD）。采用4台SEMT-皮尔斯蒂克12 PA6 V 280 STC柴油机，输出功率为15.52 MW驱动2个5叶调距螺旋桨。“拉斐特”级护卫舰最高航速可达到25节，其续航力在12节时可达9000海里，在15节时可达7000海里。

俄罗斯“格里戈洛维奇”级11356M型护卫舰，标准排水量为3620吨，满载排水量为4035吨，采用全燃联合动力传动装置（COGAG）。采用2台Zorya DN-59燃气轮机，输出功率为34.2 MW，2台Zorya UGT 6000燃气轮机，输出功率12.4 MW。11356M型护卫舰最高航速可达到32节，其续航力在14节时可达4850海里。

俄罗斯“戈尔什科夫”级22350型护卫舰，标准排水量为4550吨，采用柴油机和燃气轮机联合动力传动装置（CODAG）。采用2台M90FR燃气轮机，输出功率为20.5 MW，2台10D49柴油机，输出功率3.9 MW。22350型护卫舰最高航速可达到29节，其续航力在14节时可达4000海里。22350型护卫舰的出口型号——22356型护卫舰，其柴电混合动力装置能确保最大航速达到29.5节，经济航速时续航能力4500海里。

挪威“弗里德约夫·南森”级护卫舰，标准排水量为4100吨，满载排水量为5375吨，采用柴燃联合动力传动装置（CODAG）。采用1台GE LM2500燃气轮机，输出功率为19.2 MW，2台Bazan Bravo 12V柴油机，输出功率9 MW。艏部配置伸缩式侧向电动推进器，功率1 MW。“拉斐特”级护卫舰最高航速可达到26节，其续航力在16节时可达4500海里。

英国公爵级26型护卫舰正在全面替代全球首次采用柴电燃联合动力装置（CODLAG）的23型护卫舰，以期获得更好的应用性能。26型护卫舰满载排水量5400吨，采用柴电燃交替动力装置（CODLOG）。采用1台罗尔斯罗伊斯公司生产的MT30燃气轮机，输出功率为35 MW，4台MTU 20V 400 M35 B柴油发电机组，输出功率12.2 MW，2台通用电气公司推进电动机，输出功率6.4 MW。26型护卫舰最高航速可达到28节，其续航力在15节时可达7000海里。

从以上信息不难看出，当今世界中大型水面战斗舰艇推进动力系统仍旧以柴油机或燃气轮机为为原动机机械推进为主体，但始终在不断的调整和转型，实现由单一机械动力到混合机械动力再到机械电力混合动力的发展变化，以适应海军技术战术的发展和作战方式的变化。

2 柴电混合动力系统论述

传统的以柴油机和燃气轮机为原动机的动力系统，无论是柴油机还是燃气轮机，在性能（尤其是低工况性能）、经济性和功率等方面都存在不同的优缺点，单独地选择全柴或全燃动力，甚至柴燃混合动力，都难以完全满足舰船不同工况对动力装置的不同需求。而且随着电力推进技术的成熟，针对水面战斗舰艇的吨位及对机动性不同的要求，越来越多地采用电力推进和机械推进混合动力系统。

柴电混合动力系统，是一种混合利用柴油电力推进和柴油机直接机械推进的舰船推进动力系统。顾名思义，柴电混合动力系统包含电力推进和机械推进两种推进模式，由推进电动机和柴油机单独或共同驱动螺旋桨。同时，系统通过柴油机组发电，为推进电动机和日用用电负载供电。

柴电混合动力系统综合了电力推进和机械推进的优点，可通过合理的动力配置利用最少的燃油完成推进任务。在中低速时采用柴油机组发电驱动推进电机的推进方式，系统控制灵活，振动噪声水平低，船舶电网的容量与全电力推进系统相比得到降低；在中高速时采用柴油机与推进电动机联合推进，以获得更高的航速。

根据水面战斗舰艇的运行动力需求，水面战斗舰艇必然至少存在船舶巡航推进工况和全速航行推进工况两种。为满足航速要求，舰船设计时常被设计成具有27节以上最大航速，但实际使用时大多数时间是以低速航行，这必然带来燃油的巨大消耗。柴电混合动力系统可通过合理的动力配置，利用最少的燃油完成推进任务。这不仅仅是减少了燃油费用，而且还限制了燃油舱，进而减少维持推进所需的舰船体积，有效节省舰船成本，同时可为武备系统腾出更多的空间。

而且随着未来海军武器装备（如高功率侦测系统、激光武器、电磁武器等）发展，军方对船舶动力/电力平台提出了更高的要求。这必然要求舰船动力系统具有更高的可靠性，更大的电力供应，战损情况下更易维修等。但就目前而言，传统的由柴油机或燃气轮机等为主体的机械动力系统显然无法胜任，在舰船动力系统中引入电力推进模式会是必然的选择。当柴电混合动力系统工作在电力推进模式时，这是一种由原动机带动发电机发电，经变频器把满足要求电流送到推进电动机，从而驱动螺旋桨的推进方式。发电机除了向推进电动机提供电力外，还可向舰船的作战系统、照明系统、生活居住需求以及其他任务需求提供电力。电力驱动的好处是，发电机可以配置在舰船的任何位置，只需要通过传输线缆与驱动电动机进行电力连接就行。这种灵活性可为提高舰船生存能力提供更自由的选择，有效提高舰船生存能力。此外，推进轴由电动机驱动，要比机械齿轮驱动安静得多，可使舰船具有良好的声学特征。

此外，柴电混合动力系统中包含的电力推进和机械推进的控制策略存在差异。机械推进舰船一般选用简单的功率开环控制，由舰船档位直接控制原动机的油门开度。确定各个档位与油门开度的对应关系，从而达到期望的航行速度。选用这种控制方式，主要是因为原动机的油门不宜频繁调整，以免降低设备的使用寿命。而电力推进系统，由于电机控制灵活，可以采用转速闭环控制，实现对舰船航行速度的精确控制。根据舰船设计需要，可以灵活选择功率控制或转速控制方式。

3 结束语

综合而言，柴电混合动力系统具有提高燃油经济性、降低柴油发动机维护费用、适应多种航行工况、减少排放污染、提高续航能力、提高作战能力等诸多优势，在现代中大型水面战斗舰艇中具有广大的应用空间，具有巨大的发展潜力，同时具备很大的市场竞争力。

[1] 张益敏, 陈俐, 朱剑昀. 混合动力船舶动力装置及能量管理研究综述[J]. 舰船科学技术, 2018, 40(3): 1-7.

[2] 徐青编著. 国外现代驱逐舰和护卫舰[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2017.

Research and Analysis on Propulsion System of the Medium and Large Surface Vessels

Zhang Bojie, Hu Kai

(China Ship Development and Design Centre, Wuhan 430064)

U664.14

A

1003-4862（2019）05-0028-02

2018-12-14

张博杰（1992-），男，助理工程师。研究方向：船舶电力系统。Email: bjzhang92@126.com。