体化武器装备建设行业深度分析报告447.docx
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体化武器装备建设行业深度分析报告447
2017年体化武器装备建设行业深度分析报告
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2017年10月
正文目录
3.2美军水面舰艇“全燃动力化”策略大幅降低动力系统费用33
图目录
表目录
1.舰船动力系统是舰船的“心脏”,各类动力系统为满足舰艇需求不断发展
1.1舰船动力系统至关重要,直接影响舰船各项性能
舰船动力装置的原始概念是代替人力或者风力而产生传播推进力的一套机械、设备与系统,俗称“轮机”。
而现代动力装置不仅在于保证舰船推进,而且需要提供舰船上一切能量消耗的需要。
舰船动力装置的准确含义是:
舰船上实现能量转化和分配的全部机械、设备和系统的有机组合体。
(1)舰船动力系统首要任务是保证舰船推进力,其性能直接影响舰船的战技指标舰船动力系统是舰船上最关键的系统,具备高度定制化及多样性等特点,直接影响舰船各项性能。
舰船动力系统指军用船舶动力系统,包括为舰船提供推进动力所需要的设备、系统及为其服务的有关系统,保证舰船的推进力是舰船动力系统的主要使命。
舰船动力系统是保证舰船航行能力、机动性和安全的最关键系统,常被人们喻为舰船的“心脏”,舰船动力系统性能的优劣直接影响到舰船的快速性、航速适应性、生命力、续航力、隐蔽性等一系列战技指标。
舰船因类型不同、作战任务不同,其动力系统的类型和参数要求也不同,因而舰船动力系统是一个高度定制化、具备多样性和复杂性的系统。
图1:
舰船动力系统的动力系统为全舰提供动力支持
图2:
保证舰船推进力是舰船动力系统的主要使命
(二)舰船动力的发展带动舰船性能出现根本性变革
随着科技的进步及舰船需求的不断提高,舰船动力系统的型式不断丰富。
从世界上第一次成功使用机器动力的蒸汽机船至今,已有二百多年的历史,在这期间,从十九世纪初用功率13.3千瓦左右、航速仅为5节的蒸汽机船到如今使用核动力功率可达200兆瓦以1上的“尼米兹”级航母以及使用燃气轮机航速高达200多节的蓝鸟号滑行艇,舰船动力系统方面的突破也带动着舰船性能不断发生根本性变革。
图3:
随着舰船需求的不断提高,舰船动力系统的型式不断发展并丰富
1.2舰船动力系统由多个部分组成,其中推进装置最为关键
(一)舰船动力系统由推进装置等多个子系统组成
舰船动力系统主要由推进装置、辅助装置、管路系统、甲板机械及机舱的机械设备遥控及自动化五个部分组成。
推进装置的性能直接影响舰船动力系统以及舰船整体的性能,因此在设计、选型和建造中占据着最重要的地位;辅助装置主要包括船舶电站及辅助锅炉装置;船舶管路系统主要包括为主、辅机服务的燃油、滑油、冷却水等管路以及舱底、压载、消防等系统;船舶甲板机械是保证舰船航向、停泊等所需的机械设备;机舱的机械设备遥控及自动化主要包括对主辅机等机械设备的遥控系统。
图4:
舰船动力系统由五个部分组成
(二)推进装置是舰船动力系统最关键的部分
推进装置是指发出一定功率、经传动设备和轴系带动螺旋桨,推动船舶并保证其以一定航速前进的设备。
它是船舶动力系统中最重要的组成部分,包括主机、传动设备、船舶轴系以及推进器四个部分。
主机:
主机是指推动船舶航行的动力机,如柴油机、汽轮机、燃气轮机等;
传动设备:
传动设备的功用是隔开或接通主机传递给传动轴和推进器的功率;同时还可使后者达到减速、反向和减振的目的,如离合器、减速齿轮箱和联轴器等;
船舶轴系:
船舶轴系用来将主机的功率传递给推进器,如传动轴、轴承和密封件等;
推进器:
推进器是能量装换设备,它是将主机发出的能量转换成推力的设备,如螺旋桨、明轮、喷水推进器等。
图5:
舰船推进装置主要由主机、传动设备、船舶轴系以及推进器构成
1.3舰船需求不断提高,带动各类动力系统发展
不同的舰船对于航速、功率、可靠性、续航能力等要求各不相同,各型式的舰船动力系统应运而生。
当前舰船向大型化、快速化、专用化及高速自动化的方向发展,要求动力系统要有能耗低、单机功率大、续航能力强、寿命长和可靠性好,同时具有较高的推进效率的特点。
(一)舰船动力系统通常以主机形式分类
舰船动力系统中的主机和辅机可以具有不同的型式,主机的功率通常比辅机要大得多,因此船舶动力系统类型一般以主机的结构形式命名。
目前以主机型式分类,常见的动力系统类型有核动力、蒸汽动力、柴油机动力、燃气轮机动力、联合动力、不依赖空气动力推进(AIP)动力、综合电力等。
图6:
以主机型式分类,目前常见的动力系统类型有柴油机、燃气轮机等七种类型
1)核动力系统被国内外最先进舰艇广泛应用
为提高舰船续航力、航速、机动能力和隐蔽性等,核动力装置应运而生,其压水反应堆型式现今被国内外最先进的舰艇广泛应用。
1939年能够持续释放大量能量而不依赖于氧气反应的原子核裂变现象被发现后,美国率先提出了以加压水作为慢化剂与冷却剂的压水堆概念,建造了世界上第一座陆上模式堆S1W和第一艘核动力舰船——“鹦鹉螺”号核潜艇,开辟了舰船动力技术发展新纪元,至今全球最先进的航母及潜艇大多采用核动力。
核动力装置是以原子核的裂变反应所产生的巨大热能,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。
舰船核动力主要有五种主要形式:
压水反应堆、液态金属反应堆、气冷反应堆、有机反应堆和沸水反应堆,其中压水反应堆一直以来都是舰船核动力系统的最重要形式,该项技术通过需求的提高而不断发展,并经历了分散布置、紧凑布置和一体化布置三代变化,目前已经相当成熟。
图7:
目前核动力舰艇几乎都采用压水型反应堆
图8:
目前美国最新型“福特”级航母即为核动力
2)蒸汽动力单机功率大,现今主要应用于大型航母及部分水面舰艇
蒸汽动力的动力系统主要由锅炉、汽轮机、冷凝器、轴系及其他有关机械设备组成。
在该类装置中,燃料在锅炉中燃烧,水吸热汽化成蒸汽并进入高压汽轮机和低压汽轮机膨胀做功,使汽轮机叶轮转动从而带动螺旋桨工作。
大型航空母舰、核动力舰艇对于推进功率要求较高,较之单机功率较小的燃气、柴油动力,蒸汽动力仍有无可替代的作用。
上世纪70年代后,随着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,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。
目前,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部分水面舰艇上,由于该类舰艇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,因此蒸汽动力至今仍无可替代。
表1:
国外采用蒸汽动力的舰船主要技术参数
3)柴油机动力在中小型舰船动力装置中占主导地位
柴油机由于功率覆盖范围广,油耗低等特点,在中小型舰船中应用较广。
柴油机在工作过程中吸入纯空气与柴油混合,并点火燃烧形成高温高压燃气,燃气推动活塞向下运动使曲轴旋转而作功并带动螺旋桨推动船舶。
自20世纪80年代以来,世界柴油机技术飞速发展,现代柴油机已达到很高的技术水平,舰船用柴油机具有热效率高、全工况范围内油耗低、功率和转速范围广、有较低的功率体积比和功率质量比、空气耗量少、排温较低等优点,在中小型舰船动力装置中占主导地位。
目前世界舰船柴油机主要以大功率高速柴油机为主,随着舰船向大型化发展,越来越多的大功率中速柴油机被选作舰船主机。
国外生产舰船柴油机的公司主要有MTU、SEMT、MAN、瓦锡兰、卡特彼勒、道依茨(Deutz)和新泻动力(Niigata)等。
表2:
国外几种典型舰船柴油机机型主要技术参数
图9:
柴油机是目前船舶领域应用最广的动力装置
图10:
我国的054型护卫舰即采用柴油机动力
4)燃气轮机动力单机功率大、综合性能好,现今得到广泛应用
燃气轮机由于具有功率密度高、单机功率大、振动噪声低、机动性好等特点,在舰船中得到了广泛的应用。
燃气轮机是近几十年发展起来的一种新型发动机,其基本工作原理是利用燃料在燃烧室内燃烧所产生的高压燃气推动叶轮做功并带动螺旋桨推动舰船。
燃气轮机特别适用于作为以下3类舰船的主机:
常规排水型舰艇,包括轻型航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、两栖攻击舰、高速导弹艇等;特种高性能舰船,包括水翼艇、气垫船、小水线面双体船;快速军辅船,包括快速运输舰、快速支援舰等。
目前,在各国的航空母舰、巡洋舰、驱逐舰以及护卫舰中约有3/4的舰船采用了燃气轮机动力装置。
世界上最主要的船用燃气轮机研制单位包括美国GE公司、英国Rolls-Royce公司和乌克兰科研生产联合体。
表3:
全球主要燃气轮机研制单位包括GE公司、Rolls-Royce公司及乌克兰科研生产联合体
图11:
第一艘燃气轮机舰艇为英国的MGB2009
图12:
美国“阿利·伯克”级驱逐舰为燃气轮机动力
5)联合动力可以适应舰船不同工况的需求
为满足舰船在不同工况下拥有不同推进性能的需求,由两种相同或不同动力装置组成的联合动力系统在舰船上不断发展和应用。
舰艇在全速航行时要求动力装置发足全功率,但其在舰艇总航行时间中所占比例极小,一般不超过1%。
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。
表4:
随着军用舰船战斗力的要求提高,新的舰船联合动力型式不断发展
6)AIP动力可以提供必要的辅助动力,增强潜艇续航力和隐蔽性
不依赖空气推进系统(AIP)是指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供推进动力和其他动力的能源系统。
上世纪80年代以后,以延长常规潜艇水下潜航时间、提升其战术水平为目标的潜艇改造工程在各大国中迅速开展,AIP的概念再次兴起。
由于常规潜艇70-80%的时间处于低速巡游状态,而实施进攻和逃逸的时间仅为20%左右,而AIP系统可以给低速巡游状态的潜艇提供必要的辅助动力,保证潜艇的续航力和隐蔽性,因此AIP技术蓬勃发展。
常规潜艇AIP系统主要分为两大类:
电化学AIP系统和热机AIP系统。
其中,电化学AIP系统主要是燃料电池AIP系统(FC);热机AIP系统主要包括闭式循环柴油机(CCD)、闭式循环热气机即斯特林发动机(SE)、闭式循环汽轮机(MESMA)。
目前最为成熟的技术为FC和SE。
表5:
目前AIP系统主要发展出四种型式,分别为FC,SE,MESMA和CCD
图13:
德国“214”级潜艇采用燃料电池FC/AIP系统
图14:
“苍龙”级潜艇采用AIP类型为斯特林发动机
7)综合电力系统将推进电力与船上用电并网,提高推进性能及用电灵活性
自20世纪80年代以来,随着电力、电子以及变频调速等技术的迅速发展以及舰船推进性能需求的提高,综合电力推进系统的概念应运而生。
舰船综合电力推进系统(又称综合电力系统)是指将电力系统和推进系统有机结合起来,由共同的发电机组供电,实现能源综合利用和统一管理,满足所有负荷如推进系统、日用负载、通信导航负载以及舰载武器需要的一种全电力系统,主要由发电模块、区域配电模块、电力变换模块和推进电机模块构成。
综合电力系统具有节省燃料,减少维修,缩短推进轴系,可用多种推进器,提高用电灵活性,布置灵活,提高了有效载荷装载能力等优点。
适用于舰船综合电力系统的主发电机组的原动机主要有燃气轮机和高、中速柴油机,但作为水面战舰,考虑到燃气轮机与柴油机不同特点,在大排水量的战舰上,以采用燃气轮机作主发电机组的原动机为宜,辅(小)发电机组的原动机则采用小功率燃气轮机和小功率柴油机。
图15:
综合电力系统主要由发电模块、配电模块、推进模块、输电模块等系统组成
(二)各类舰船动力系统特点显著,适用不同要求的舰艇
各类动力系统由于适用范围不同,因此优缺点差异显著。
随着舰船动力型式的不断进步,每一类型的动力装置大都有最适舰船和工况,因此不同类型的动力系统适用范围不同,优缺点差异显著。
例如综合电力系统节省燃料,用电灵活,推进系统布置简单,
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- 化武 装备 建设 行业 深度 分析 报告 447