联合动力装置在水面舰船领域的应用研究及前景展望

2023-05-29伍赛特

上海节能 2023年5期

关键词：动力装置燃气轮机舰船

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 引言

水面舰船动力装置按型式的不同，一般可分为柴油机、汽轮机、燃气轮机、核动力装置四种基本型式。其中，核动力装置依然还是由汽轮机作为主推进动力装置，因此目前舰用动力来源的主要机型依然为柴油机、汽轮机及燃气轮机。

1 柴油机动力装置

柴油机具有较为优越的特性，在商船、渔船、工程船及军用舰船中，都得到了广泛应用。目前，柴油机主要具有如下特点。

1.1 较高的经济性

柴油机自问世以来，其经济性一直优于其他类型的热力发动机，具有较低的耗油率。目前，低速柴油机的热效率达42%～50%，在所有的热力发动机中最高，这是近年来柴油机性能的重大突破。由于油价的不断上涨，动力装置的耗油量成为决定船舶营运经济性的主要因素。除了较高的热效率之外，柴油机的另一项突出特点是：在宽广的负荷范围内均具有较高的经济性。不但在高速工况下具有较高的经济性，在低速工况时也有较高的经济性，这一点比汽轮机和燃气轮机更为突出，可以显著地提高舰船续航力。换言之，在给定的续航力的条件下，所需的燃料储备量大大减少，减少了燃料在全舰排水量中的占比。

1.2 机型众多，功率范围宽广

随着船舶动力的发展，先后出现了不同类型的船舶，就船舶的排水量而言，小到几十吨，大到几十万吨。除此之外，船舶的航速也各有不同。所以，各种船舶对功率的要求差异较大，动力装置的功率范围通常可从几百千瓦到几万千瓦。目前世界各国正生产着具有不同转速的船用柴油机，从而能适用于不同类型的船舶。

1.3 高速轻型柴油机的比重量轻、尺寸小，所需要的辅助机械设备少

而船舶机舱的大小很大程度上与主机的重量、尺寸和机械设备的多少密切相关。对于高速轻型柴油机而言，不仅本身尺寸较小，其辅助设备尺寸也较为紧凑［1］，故系统的总体比重量明显小于汽轮机等动力装置。

1.4 有良好的机动性

现代柴油机操作简便、启动迅速，正倒车过程迅速而简单。从准备启动到完成启动约10 min，柴油机从冷态启动到全负荷工况，一般不多于10 min，而应急时不超过4 min。主机倒车所需时间，一般在几秒钟之内就可以完成。

近年来，随着柴油机燃油消耗率的持续降低，比功率的不断提升，单机功率增大，结构更加紧凑，机桨转速实现最佳匹配，柴油机的地位更加突出。显而易见，柴油机与其他动力装置相比，在民用船舶领域中保有较大优势，是最重要的动力装置形式之一。

2 汽轮机动力装置

汽轮机以锅炉产生的高温蒸汽为工质，通过齿轮箱减速机组传递功率到螺旋桨。早期，在大功率船舶推进系统中，汽轮机长期保有显著优势，从20世纪60年代以后，船舶向着巨型化，快速化、专用化和高度自动化的方向发展，汽轮机在大型和高速船舶领域更占有绝对优势。大、中型水面舰船为了获得高航速，需要较大的机组功率，从而使汽轮机得到了广泛应用。汽轮机具有如下特点。

2.1 具有较大的单机功率

由于汽轮机是连续旋转的机械设备，可通过提高转速、增大通流面积和提高蒸汽参数等方法来提升单机功率，从而满足系统需求。目前，舰用汽轮机单机组功率已超过50000 kW，若不受螺旋桨尺寸和制造上的限制，还可以输出更高的功率。柴油机和燃气轮机等单一动力装置如要达到这样高的单机功率，目前较难实现。而且，汽轮机的功率愈大，其单位重量和尺寸显著下降，换言之，大功率汽轮机具有较小的比重量和尺寸。

2.2 操纵简易，维修保养简便

汽轮机具有较高的工作可靠性和较长的寿命，其使用期限可达10万h以上。同时，汽轮机较高的可靠性又可以减少维修保养费用，较长的寿命又可以降低营运成本，均能提高船舶的营运经济性。

2.3 能燃用价廉的劣质燃料

在柴油机没有大范围燃用重油时，更显示了汽轮机的优越性。此外，汽轮机的滑油消耗量较小。在设计制造和运转管理方面有丰富的经验，由此得到了广泛的应用。

随着科学技术的发展，柴油机和燃气轮机的单机组功率不断增大，而柴油机的寿命得到了显著提高，也解决了燃用劣质燃料的问题，相比之下，汽轮机的优势一定程度上有所削弱。同时，又由于汽轮机固有的缺点，其经济性不如柴油机，同时还具有重量尺寸大，机动性低等劣势。目前，汽轮机在中小型及部分大型船舶动力装置中的应用中逐步减少。

近年来，随着能源的短缺，民用船舶动力装置的主要发展方向转向节能，降低主机功率和耗油率，以最大限度降低船舶的营运费用。但与此同时，现役水面大、中型军舰仍有较大一部分采用汽轮机为动力装置。对于航空母舰等大型水面舰船及其他采用核动力的舰船而言，汽轮机仍是主要的动力装置；而部分大、中型水面舰船，其动力装置逐步向以燃气轮机为主的联合动力装置过渡。

3 燃气轮机动力装置

燃气轮机是20世纪50年代后期开始发展起来的。其以较小的单位重量尺寸、较大的单机功率、较高的机动性、简易的操纵管理方式，以及出色的自动化程度等优点，得到了广泛应用。但是，由于燃气轮机的经济性较差，本身尺寸虽小，但进排气管道尺寸巨大，因此布置困难，且无法直接倒车，需要采用倒车设备，使装置复杂化。若以其作为单一的动力装置，将影响舰船的性能。

因此，燃气轮机作为单一的舰用动力装置而言，一直发展缓慢。但是，燃气轮机却适宜在联合动力装置中担任加速机组，与其他动力装置联合使用，能够取长补短，充分发挥优势。燃气轮机以其较大的单机组功率，较轻的重量，较高的机动性等显著优势，在各类水面舰船中，尤其是在巡洋舰、驱逐舰和护卫舰这一类大、中型水面舰船中得到了广泛应用。因此，研究某些典型的大、中型水面舰船的燃气轮机，对了解燃气轮机在船舶动力装置中的应用，具有重要意义。

从20世纪下半叶起，水面舰船的动力就由传统的汽轮机和内燃机，逐步过渡到更先进的燃气轮机联合动力装置。舰船动力发生这种根本变化的原因，是与舰船的战术技术要求，以及舰用燃气轮机的研制成功和发展是分不开的。

4 对水面舰船动力装置的技术要求

巡洋舰、驱逐舰和护卫舰等大、中型水面舰船是具有较强突击能力和较大续航力的主要舰船，同时也是各国海军中水面舰船的骨干和主要舰型。为了完成战术使命，这类舰船的动力装置必须满足如下要求：

1）高速性。这对舰船高速奔赴作战地区，迅速占据有利阵位和追击敌舰，具有重要意义。

2）机动性。这对规避敌方的攻击，迅速转向及制动，立即由冷态起动离开码头，亦或是立即由巡航速度加速到全速行驶，均有着重要意义。

3）较大的续航力。该项指标要求大幅减小舰船动力装置的尺寸重量，减低主机油耗，并可携带更多的燃料。

4）可靠性。战斗中所出现的任何故障，都会产生严重后果，要求动力装置工作可靠，动力装置有足够的寿命，完善的备用应急系统等。

5）足够的隔音和防护冲击波的能力。这对于反潜和在冲击波作用下保证动力装置正常运转，具有重要意义。

其中，高速性是水面舰船必须满足的战术技术性能。为此，对于部分排水量不大的舰船，不得不牺牲一定的排水量，来配置动力性较强的动力装置。另一方面，舰船的运转情况又和经常在额定功率下全速航行的商船不同。舰船在全服役期内的大部分时期中，往往担任巡逻和舰队的护航任务。为了降低单位行驶航程的燃料消耗以增加续航力，水面舰船往往长期以低速航行，而以全功率全航速进行海上战斗的时间相对较少。根据对这类舰船运转情况所作的统计表明，在低于25%全功率下的运转时间占总运转时间的98%，相应的航速约为全速的65%，即约为17～22 kn 的巡航速度，而以全功率全航速运转的时间，还不到总运转时间的1%。

由此可见，为了获得高航速，水面舰船不得不牺牲部分排水量来配备功率较大的动力装置。而在绝大部分的运转时间中，这些动力装置又处于闲置状态，相应的机械重量反过来成为舰船的额外负担。同时，长期在部分负荷下运转的主机单位油耗量大，又减低了全舰的续航力。上述情况是水面舰船动力装置所面临的重要矛盾。

因此，在确保舰船短期内能达到全功率的前提下，如何减小动力装置的重量尺寸，提高部分负荷（即长期巡航运转）下动力装置的经济性以增加续航力，是水面舰船动力装置发展中一直亟待解决的重要问题。

汽轮机虽具有单机组功率大，使用寿命长（通常可达十几万小时），可靠性好，运转平稳等优势，但必须配备有锅炉和给水系统等一系列附属设备，使动力装置的尺寸重量有所增大。同时，因其冷态起动时间长、机动性差、经济性差，使续航力受到了一定限制。柴油机虽具有较好的经济性，起动迅速，尺寸重量较小等优点，但是单机功率并不大，为了满足护卫舰的作战要求，就要采用多台柴油机并车，使装置复杂化，因并车而配置的传动机组使装置的尺寸重量显著增加。常规动力装置的这些不足，虽经多年来努力改进和完善，依然无法完全克服，因而还不能完全满足上述舰船的要求。

自第二次世界大战后期，随着燃气轮机的出现和实用化，特别是由航空发动机改装的舰用燃气轮机的成功应用和不断完善，引起了舰船动力装置的根本变化。这是由于燃气轮机具有如下特点：单机组的功率逐步增大，重量尺寸最小，起动迅速（1～2 min），经济性逐步改善，使用寿命逐步增加（由几百小时增加到几千小时）。但同时也需注意，燃气轮机本身不能直接反转，要配置专门的倒车装置，进排气管尺寸较大，布置也比较困难。

由于常规动力装置无法完全满足舰船的要求，由此将不同的常规热力发动机加以联合，组成联合动力装置，取长补短，充分发挥各种动力装置的优点，使水面舰船动力装置在总功率、尺寸重量、机动性、经济性和可靠性等方面取得了更好的应用效果。

5 联合动力装置的定义、组成形式及运行方式

5.1 联合动力装置的定义

如上文所述，联合动力装置是由多台不同类型或型号的主机组成的水面舰船动力装置［2］。通常由巡航主机、加速主机、传动装置、轴系、推进器等构成。联合动力装置通过不同类型主机的合理配置和组合，充分发挥了各种类型或型号主机的优点，以弥补其缺点，使整个动力系统在全部运行工况范围内均保有优良的性能，满足水面舰船在高速和巡航等工况下的不同需求。

联合动力装置的出现与燃气轮机的发展有着密切的关系。自20 世纪50年代起，燃气轮机开始应用于水面舰船，出现了由汽轮机与燃气轮机组成的联合动力装置。而自20 世纪60年代后，柴油机的单机功率不断增大，高速柴油机也得以发展，出现了由柴油机及燃气轮机组成的联合动力装置，已广泛地用于中小型水面舰船上，成为联合动力装置中最主要的一种组合型式。在这一时期内，燃气轮机的经济性较差，一般多作为联合动力装置中运行时间较短的加速机组。自20 世纪70年代以来，燃气轮机的技术性能有了显著提高，燃油消耗率大幅下降，部分工况性能有了显著改善，从而出现了由同型号燃气轮机组成的联合动力装置。一些对振动噪声有较高要求或有着特殊用途的水面舰船，在巡航时采用电力推进的形式，由燃气轮机及电机组成的联合动力装置，或由汽轮机及电机组成的联合动力装置等也陆续出现［3］。

5.2 联合动力装置的组成型式

一般可用英文缩写来描述联合动力装置的型式。以COGOG型联合动力装置及CODOG型联合动力装置为例，头两个字母CO表示联合动力；第三个字母表示巡航机组的机种，第四个字母O表示或者，第五个字母表示加速机组的机种，其中G为燃气轮机，D为柴油机。COGOG型联合动力装置是由巡航机组与加速机组组成，两者交替使用的全燃联合动力装置，即水面舰船在巡航时仅使用巡航机组，高速行驶时仅使用加速机组。而CODOG型联合动力装置则是交替使用的柴油机-燃气轮机联合动力装置。目前，联合动力装置的组成型式主要有：

1）汽轮机-燃气轮机联合动力装置（COSAG），巡航工况时，由汽轮机供给动力，全速工况时，由汽轮机及燃气轮机共同提供动力。

2）燃气轮机-汽轮机循环联合动力装置（COGAS），这是一种复合循环装置，即利用燃气轮机的废气能量使蒸汽锅炉产生蒸汽并推动汽轮机。两种动力装置共同向舰船提供推进动力。与上述提到的CASAG 型联合动力装置不同，在COGAS 型联合动力装置所采用的两种动力装置之间，不仅有机械联系而且存在热力联系。

3）柴油机-燃气轮机联合动力装置，由柴油机组成巡航机组，燃气轮机为加速机组［4］，在巡航工况仅由柴油机提供动力，在全速工况时由柴油机和燃气轮机共同提供。其中可分为交替使用式柴油机-燃气轮机联合动力装置（CODOG）和共同使用式柴油机-燃气轮机联合动力装置（CODAG）。

4）柴油机-电机联合动力装置，指柴油机、电机都可驱动推进器的动力装置。柴油机发出的功率既可直接提供推进动力也可向蓄电池充电，然后由电机驱动推进器，还可一边向蓄电池充电一边驱动推进器。

5）柴油机-核动力-电机联合动力装置，由于核动力装置小型化技术的突破，可在常规的柴油机-电机联合动力装置上加装小型核动力装置。

6）全柴联合动力装置（CODAD），由不同型号的柴油机组成，巡航机组为寿命长，可靠性好的重型大功率高速柴油机。而加速机组为重量轻、尺寸小的轻型大功率高速柴油机。通过采用这样配置可有效减轻动力装置的重量，缩小动力装置的尺寸。在全速时，巡航机组及加速机组均投入运行，为水面舰船提供动力来源。

7）全燃联合动力装置。其中可分为交替使用式全燃联合动力装置（COGOG）和共同使用式全燃联合动力装置（COGAG）。COGOG型联合动力装置由不同型号的燃气轮机所组成，经济性好的小型燃气轮机作为巡航机组，大功率燃气轮机作为加速机组，在全速时只有加速机组投入运行。随着燃气轮机技术的发展，在各种工况下的经济性均有显著提高，近年来在大、中型水面舰船上多采用多台同型号的燃气轮机组成多机装置，即为COGAG。该类动力装置在巡航时将巡航机组投入运行，在全速时将全部机组投入运行。由于COGAG 型联合动力装置仅采用单一机型，管理及维护修理均较方便，已逐步取代COGOG型联合动力装置。

8）汽轮机-电机联合动力装置。以汽轮机驱动发电机供电，以推进电机作主机的舰船联合动力装置。

5.3 联合动力装置的运行方式

如上文所述，联合动力装置从运行方式上可分为共同使用式及交替使用式。共同使用式，是指在巡航工况时由巡航机组提供动力，在全速工况时，巡航机组及加速机组同时运转，共同提供推进动力。这种工作制方式，适用于巡航航速要求较高、巡航机组功率在装置总功率中占比较大的情况中。交替使用式，是指在巡航工况时由巡航机组提供动力，在全速工况时只有加速机组提供动力，这种工作制方式适用于巡航航速较低，并且巡航机组功率在装置总功率中所占比重不大的情况中。

联合动力装置从结构上可分为分轴传动和并轴传动两类。分轴传动，指每台巡航机及加速机均分别驱动各自的推进轴。这种结构的优点是传动系统比较简单，布置比较灵活，缺点是在巡航工况或全速工况时会有部分轴处于空转拖动状态，使全舰的航行阻力增加。并轴传动，是将巡航机和加速机通过传动机构并联在一根推进轴上（通常为双轴推进）。这种结构的优点是在所有工况下，各传动推进轴均处于运转状态，没有闲置的空转轴，使全舰的航行阻力减小，其缺点是并车传动机构复杂。目前，除少数小型水面舰船外，多数采用并轴传动。

在采用交替使用式及并轴传动的联合动力装置中，有一套复杂的传动机构。以柴油机为例，在其输入端有液力耦合器、弹性联轴器和万向节，然后经自动同步离合器与减速齿轮箱相连接。液力耦合器起离合及吸收振动的作用，弹性联轴器及万向节是利用弹性元件的变形以补偿两轴之间的相对位移，同时缓和冲击并吸收扭转振动。自动同步离合器用于实现同轴上动力装置之间的自动交替使用，是联合动力装置中的一个关键性环节。

6 全柴联合动力装置（CODAD）

CODAD型联合动力装置是一种能满足多种船舶对不同工况性能要求的动力装置。当舰船处于巡航状态时，一台主机投入运行即可满足功率需求，而当需要加速时，则会并入另一台或多台主机。该类联合动力装置多用于中、小型水面舰船。

7 柴油机-燃气轮机联合动力装置

7.1 柴油机-燃气轮机联合动力装置的分类

该类联合动力装置由柴油机、燃气轮机、传动装置、轴系，以及推进器等设备组成，主要用于中、小型水面舰船上。柴油机具有良好的经济性，适用于巡航机组。燃气轮机具有功率大、重量轻的优点，但其经济性较差，适用于加速机组。通过对柴油机、燃气轮机进行合理配置，以组成柴油机-燃气轮机联合动力装置，能较好地满足舰船在巡航工况和高速工况下的不同要求。柴油机-燃气轮机联合动力装置有以下两种运行组合方式：

1）交替使用式柴油机-燃气轮机联合动力装置（CODOG）。在巡航功率占装置总功率的比重小于25%时，多采用这种型式。其中，巡航时由柴油机推进舰船，高速时柴油机退出运转，由燃气轮机单独提供动力推进舰船，这种组合方式能较为充分地发挥两种主机的特点，是采用较多的一种组合方式。柴油机-燃气轮机联合动力装置是一种多主机动力装置，其主机的传动配置形式有分轴（多轴）传动配置和双轴传动配置两种方式。分轴（多轴）传动配置方式，每台主机（柴油机及燃气轮机）分别传动各自的推进轴，优点是结构比较简单，运行比较灵活。但在巡航工况运行时，加速机轴处于空转状态；在高速工况运行时，巡航机轴处于空转状态，这两种运行状态都会增大舰船航行时的阻力，对舰船航速有一定影响。

2）共同使用式柴油机-燃气轮机联合动力装置（CODAG）。当巡航功率占装置总功率的比重大于50%时，多采用这种型式，巡航时由柴油机运转以推动舰船，高速时燃气轮机与柴油机共同推进舰船，这种组合方式的优点是能充分运用全部主机的功率，缺点是传动机构比较复杂。该类动力装置多采用双轴传动配置方式，每根轴上由柴油机及燃气轮机通过并车机构共同传动，这种传动配置方式各传动推进轴均处于运转状态，没有空转状态，使舰船运动阻力减小，被广泛采用。

7.2 CODOG型联合动力装置的技术特点

CODOG型联合动力装置通常采用经济性较好的柴油机巡航，以满足巡航工况低油耗的需求。同时，采用重量轻、功率大的燃气轮机加速，以满足高航速航行时功率的要求。CODOG型联合动力装置常用于海军轻型水面舰船，如驱逐舰、护卫舰等。此类舰船在巡航工况时，不需要过多的功率，故利用单机功率较小、耗油率低的柴油机。在高速工况时，则采用单机功率大、结构紧凑的燃气轮机。虽然燃气轮机耗油率大，但由于其航行时间较短，因此不需要过多的燃料储量。

目前，CODOG 型联合动力装置主要用于护卫舰上。水面舰船的制动和倒航，是通过柴油机的逆转，经耦合器和减速齿轮使定距桨的反向旋转而实现的。在此类动力装置中，不可逆转的燃气轮机并未配置倒车设备，因而无法利用其功率来实现制动和倒航，要在舰船全速航行时进行制动和倒航，还必须先使燃气轮机退出工作。

其中，CODOG 型联合动力装置的优点主要如下：

1）重量尺寸小，一定排水量下可提升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，采用调距桨或倒顺离合器来实现倒车。

3）自巡航工况到全速工况的加速过程较为迅速，并可立即发出全功率。

4）两类不同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CODOG 型联合动力装置也有较为明显的缺点，主要如下：

1）机型多，传动装置也比较复杂，给人员培训、管理维修带来了较大麻烦。

2）柴油机巡航时的传动效率较低，影响了其经济性较高的特点。

3）巡航柴油机采用双层箱装体，满足了减振要求，但成本较高。

4）大功率加速燃气轮机闲置时间较长，致使燃气轮机无法得到充分利用。

在CODOG 型联合动力装置中，水面舰船巡航时只使用柴油机，但是在加速时仅使用燃气轮机，而柴油机处于空载惰转或停车状态，也即装置的全功率只由燃气轮机提供。舰船的制动和倒航，是通过改变调距桨螺距的办法来实现的，因而无需改变桨轴以及与此相联的柴油机或燃气轮机的旋转方向。调距桨可以在巡航工况或加速工况对舰船进行迅速制动和倒航，因而提高了舰船的机动性。此外，采用调距桨还能使舰船在低速下航行，从而不受柴油机最低稳定转速的限制。

由此可见，如果采用功率足够大的燃气轮机作为加速机，并在加速时使功率相对较低的巡航柴油机停止运行，就可不使用双挡变速设备，从而使传动系统和操纵控制大为简化，重量尺寸也大为减小。这种CODOG 型联合动力装置与常规动力装置相比，优越性较为明显，因而几乎成为目前世界各国护卫舰的标准装置，并得到广泛应用。

随着航空发动机舰用化的改装成功和可靠性进一步提高，也为了简化推进系统和减小机舱尺寸，又出现了共同使用式柴油机-燃气轮机联合动力装置（CODAG）。

7.3 CODAG型联合动力装置的技术特点

在巡航工况时，CODAG 型联合动力装置与CODOG 型联合动力装置相似，均由柴油机提供动力来源。而在加速工况时，主要用于巡航的柴油机与用于加速的燃气轮机共同运作，有利于提高舰船的高航速。通过传动设备，任何一台动力装置都可带动双轴工作，同时又可以减少运行机的数量，提高了动力装置的运行灵活性与可靠性，但存在的问题是传动装置和控制装置比较复杂。

通常而言，在水面舰船以高航速运行时，CODAG 型联合动力装置能充分利用柴油机的功率。但由此又会增加能耗，并且会使传动系统及控制系统变得复杂，故实际上对航速提高所起到的作用较为有限。

与CODAD 型联合动力装置相比，CODAG 型联合动力装置能在较低航速下安静航行。在CODAG型联合动力装置中，由于燃气轮机从冷启动状态到全功率需要2 min，而柴油机所需要的时间更长，因此CODAG 型联合动力装置的加速性通常优于CODAD型联合动力装置。

与CODOG 型联合动力装置相比，CODAG 型联合动力装置的控制系统更为复杂。由于在全速时，会由柴油机和燃气轮机共同运作，因此要求柴油机和燃气轮机都不能超负荷工作，并且应该按照各自设计的比例输出相应的功率，以满足舰船全速时所需要的推进功率要求。

CODAG 型联合动力装置因为采用了重量较轻的燃气轮机组来提供功率，因而整个动力装置的单位质量和总质量都显著下降，同时还提高了舰船的机动性，缩短了启动过程及加速过程的耗时。另外，采用两个彼此独立的机组，提高了装置的可靠性，任何一个装置发生故障不会完全破坏动力装置的正常工作，这也提升了全舰的生命力。因此，CODAG 型联合动力装置在舰船上得到了广泛的应用，尤其是护卫舰、驱逐舰等类型的舰船。但是，上述两类柴油机-燃气轮机联合动力装置也有明显的缺陷，一是机型多，传动装置较为复杂，如某CODAG 型联合动力装置有两种不同的动力装置，其传动装置除齿轮箱外，还有不同类型的离合器及联轴器等，这为人员培训、管理使用、维修带来了较大的麻烦；二是巡航柴油机采用双层隔振加箱装体形式，满足了减振要求，但耗费的成本过高；三是对CODAG 型联合动力装置而言，大功率加速燃气轮机工作时间少；四是CODAG 型联合动力装置对传动装置和控制系统的要求高。由于CODAG 型联合动力装置的结构较为复杂，对负荷均衡控制技术要求较高，以前大多采用CODOG型联合动力装置。

在CODAG 型联合动力装置的研制中，也由于缺乏功率足够大的燃气轮机和燃气轮机可靠性较低等原因，因而巡航机功率占装置总功率比例较大，为确保舰船可靠运转，同时为了达到加速时将燃气轮机和柴油机功率合并的目的，不得不配备结构操纵复杂、重量尺寸大的变速传动系统。因此，和舰船常规动力装置相比，CODAG 型联合动力装置的优越性在此受到了限制。但是，随着动力装置技术、传动技术以及控制技术水平的提高［5］，CODAG型联合动力装置将得到更广泛地应用。

在舰用联合动力装置发展的同时，燃气轮机也在同步发展，单位油耗量不断降低，提高到数千小时的使用寿命，并且已能适应整机吊换和缩短修船周期的要求，可靠性已得到提升［6］。为了进一步减轻动力装置的重量尺寸，简化操纵管理和易于自动化，近年来舰船上又出现用巡航燃气轮机代替巡航柴油机，或全部采用燃气轮机的联合动力装置。

8 全燃联合动力装置

在这种联合动力装置中，巡航机和加速机都用燃气轮机。主要包括交替使用式全燃联合动力装置（COGOG）和共同使用式全燃联合动力装置（COGAG）。以COGOG 型联合动力装置为例，其在巡航时采用小功率巡航燃气轮机，加速时只用大功率加速燃气轮机。这种COGOG型联合动力装置主要用于驱逐舰上。由加速工况回复到巡航工况的转换过程，和由巡航工况转换到加速工况的情况相似。舰船的制动和倒航，是用调距桨来实现的。

9 燃气轮机-汽轮机联合动力装置（COGAS）

COGAS型联合动力装置是以燃气轮机和汽轮机为主机的联合动力装置，两类动力装置以热力循环联合在一起，由于以联合循环方式工作，其总效率比单独的燃气轮机或汽轮机的总效率要高。

在COGAS 型联合动力装置中，通常是将燃气轮机工作后的排气导入余热锅炉中，使余热锅炉产生蒸汽供给汽轮机。燃气轮机和汽轮机输出的功率，经传动装置、轴系共同传给推进器。其中，利用燃气轮机排气余热的汽轮机输出的功率，约为燃气轮机功率的20%～25%。为提高汽轮机的功率，可在余热锅炉中加入附加燃料进行补充燃烧。COGAS 型联合动力装置的最大优点是可大幅提高动力装置的经济性。在单一循环燃气轮机中，排气温度通常在400 ℃以上，这部分热量如经烟囱排出且完全不加以利用，也是一大损失。在COGAS 型联合动力装置中，这部分热量得到部分利用，从而提高了热循环效率，在低负荷时，COGAS型联合动力装置的效率下降不大，从而改善了装置低负荷时的经济性。通过采用该类装置，减少了设备重量和所占据的体积，由此可储备更多的燃油。在既定的续航力条件下，也可增加武器弹药的运载量，从而使战舰的战术性能指标得到提高。COGAS型联合动力装置的问题在于其结构较为复杂，因此只在某些大型舰船上被采用。

10 汽轮机-燃气轮机联合动力装置（COSAG）

COSAG型联合动力装置是最早研制的一类联合动力装置，主要用于一些驱逐舰和护卫舰上。COSAG型联合动力装置是以运转可靠的汽轮机作为巡航机组，以燃气轮机作为加速机组。在作战时，由燃气轮机和汽轮机一起投入工作，使动力装置输出全功率，并使舰船达到全航速。其中，舰船的制动和倒航，是通过汽轮机的倒车级，和燃气轮机的倒车耦合齿轮系统，反转定距桨而实现的。

由于汽轮机具有一系列优点，其与燃气轮机实现联合以后，能适应功率较大的轻型水面舰船。在全速工况下，汽轮机能为水面舰船提供约80%的航行功率，从而有利于提升经济指标和重量尺寸指标。如果需要更高航速时，则将燃气轮机和汽轮机共同投入运作，以提升全舰功率。

COSAG 型联合动力装置曾于20 世纪50年代起即已投入应用，其具有比功率大、重量尺寸小、结构简单、操纵管理方便等优点，但可靠性及经济性较差，燃气轮机仅适于作为短时使用的加速机组。在COSAG型联合动力装置中，汽轮机功率占比较大，是由于当时由航空发动机改制成的舰用燃气轮机尚处于发展初期，单机功率不大，可靠性亟待提升，因而配备了较大功率的汽轮机，以确保舰船运转的可靠性。和舰用常规动力装置相比，这种COSAG型联合动力装置虽有一定的优势，但由于汽轮机在总功率中所占比重较大，使整个联合动力装置的优越性受到限制。随着燃气轮机单机功率的增大，可靠性得到不断提升，COSAG型联合动力装置的优越性正日渐式微，目前已基本退出历史舞台，基本为上文所提到的COGAG等联合动力装置所取代。

11 柴油机-电机-燃气轮机联合动力装置

该类联合动力装置的动力性能及经济性较高，并有着较低的维修费用。该类联合动力装置能有效提升全舰的生命力，又可有效减少机舱内的噪声源，还增加了机舱的空间，从而可为声呐等设备提供必要的工作环境。同时采用电力推进，可有效提高全舰的巡航经济性和续航力。

12 汽轮机-电机联合动力装置

该类联合动力装置是一类以汽轮机驱动发电机供电，以推进电机作主机的舰船联合动力装置，由汽轮机、供电装置（发电机及蓄电池）、推进电机、控制站、轴系及推进器等设备构成。其中，由汽轮机驱动发电机，发电机发出交（直）流电，通过电缆和控制站传给推进电机，使推进电机运转，再通过轴系带动推进器旋转，推进舰船运动。蓄电池只在汽轮机-发电机机组发生故障时应急使用。这种动力装置主要用于核动力潜艇、海缆作业船、破冰船和挖泥船上。该类联合动力装置具有悠久的历史，在第二次世界大战期间，是舰船动力装置中的主要类型。二战后，以柴油机、燃气轮机等为代表的其他动力装置发展迅速，汽轮机-电机联合动力装置的应用日益减少。由于采用了电机作为驱动装置，汽轮机不必设置倒车级，但须设置齿轮减速器。在非核动力舰船上采用汽轮机-电机联合动力装置时，还要设置蒸汽锅炉，以便向汽轮机供汽。

13 联合动力装置的实际应用研究与展望

13.1 联合动力装置的实际应用与研究

如上所述，由两台及以上的同类或不同类热力发动机组成，为舰船及其它设备提供航行或运行所需能源的动力装置被称为联合动力装置。除对所有船舶动力装置提出的一般要求，如可靠性、生命力、机动性、经济性、重量和外型尺寸、振动噪音指标和技术使用便捷性等因素之外，联合动力装置由于种类较多，且具有较为特殊的结构，因此对其提出了一系列特殊要求。

由于联合动力装置是不同动力装置的组合，动力装置间相互存在着热力联系或机械联系，从而比具有相同功率和相同用途的单一动力装置更复杂。因此，需要对联合动力装置进行合理配置，以简化其结构和热力循环。目前，与单一动力装置相比，联合动力装置的特性不仅受到其组成部分中的各类动力装置基础特性的制约，还与动力装置自身的组合方式有关。通常而言，为了简化营运，联合动力装置多采用统一的燃料类型，该策略对带加速机的联合动力装置而言尤其重要。采用统一的燃料类型能简化联合动力装置的附属系统，并提高水面舰船的自持力，在实际运行过程中，可充分减少由不同燃料所引起的管理困难。

对于联合动力装置而言，需使各类动力装置能不受时间限制地独立运行，并保证舰船具有必要的机动性。动力装置能独立运转，会提高联合动力装置的可靠性和灵活性。为确保全舰的性能，在紧急状态下，使组成联合动力装置的其中一类动力装置能随时投入运行也有着较高重要性。考虑到联合动力装置的结构及其在船上的布置，应尽可能采用坚固、耐用、使用寿命长，且易于更换的设备。

13.2 不同类型联合动力装置及其应用前景展望

目前，根据热力发动机的不同类型，以及交替使用或共同使用的不同方式，根据排列组合方面的信息，其实可以有多种组合。以汽轮机和燃气轮机为代表的联合动力装置为例，这种装置大致上可分为两类：

1）汽轮机和燃气轮机之间用机械联接，而装置的这两部分在热力方面相互独立，如上文提到的COSAG型联合动力装置。

2）由不同类型联合动力装置（汽轮机和燃气轮机等）之间从热力方面联接，装置的两部分按共同的热力循环运行，如上文提到的COGAS 型联合动力装置。

但事实上，并不是任意两种动力装置都能组成必要的联合型式。以柴油机为例，柴油机由于油耗率较低，启动速度较快，多用于巡航机组，但由于其动力性能总体不如燃气轮机，经济性又优于燃气轮机。因此，在实际应用过程中，当柴油机与燃气轮机进行组合时，不可能出现以燃气轮机作为巡航机组，柴油机作为加速机组的情况（即COGOD型联合动力装置或COGAD型联合动力装置）。同样，以汽轮机为例，汽轮机有着较高的功率，但由于其启动速度较慢，响应性相对较差，因此较少将其作为加速机组，仅有当汽轮机与燃气轮机存在热力联系时，才会存在以燃气轮机作为巡航机组，汽轮机作为加速机组的型式（即COGAS型联合动力装置），其余情况下，则不会以汽轮机作为加速机组。如上所述，现有常规联合动力装置的组成型式与工作方式如表1 所示。

表1 常见联合动力装置的组成型式与工作方式

如表1 所述，COSAG 型联合动力装置已很少采用，只是在燃气轮机发展的初期曾采用。该类动力装置以汽轮机作为巡航机组，一旦用于加速的燃气轮机发生事故［7］，舰船仍能以全速85%左右的航速前行。而近年来，燃气轮机的可靠性有所提升。目前，燃气轮机不仅完全可以可靠地运行［8］，而且响应性优于汽轮机。

在小型舰船上，由于柴油机耗油率较低，为提高续航力，多数舰船仍采用柴油机作主机或巡航机组。但是在吨位较大、航速要求较高的水面舰船上，由于柴油机单机功率较小，难以满足动力要求。这时采用CODOG型联合动力装置或CODAG型联合动力装置可以发挥两种机型各自的优势。CODOG 型联合动力装置在巡航时采用柴油机，以保证续航力，在全速时采用燃气轮机，以确保水面舰船对动力的要求。

以CODAG 型联合动力装置为例，其在全速时会让柴油机参与功率输出，但对航速提高并不显著，因为根据舰用柴油机的速度特性，其负荷与航速大致呈三次方关系。由于柴油机平均功率小，对航速的提升效果并不大，最高航速只不过提高1～2 kn，但花费的代价是巨大的，不仅调节控制系统增加了设备的总数，而且其并车装置也较为复杂。

在此期间，全燃型联合动力装置的应用比较普遍，无论是COGOG 型联合动力装置或COGAG 型联合动力装置，都得到了长足发展。当采用COGOG 型联合动力装置时，如果舰船处于巡航状态，则由巡航机组单独工作。此时由于巡航机组是在高负荷工况或设计工况下工作，其耗油率会更低，更易于提升全舰续航力。

COGAS型联合动力装置在陆用火力发电设备中早已得到应用，在舰船上的应用则相对较少。采用COGAS 型联合动力装置，无须克服过多的技术难关，也不会对燃气轮机的紧凑性产生影响，即可实现多方面的经济效益。只需在排气道中加装一套热交换器及汽轮机，即可提高装置的总效率和总功率。目前，该领域的技术也比较成熟，尤其在民用船舶上有较为广泛的应用前途。在舰船上亦可作为巡航机组使用［9］。

考虑到燃气轮机的高油耗特征，因此在COGOG 型联合动力装置中巡航机组的功率明显低于加速机组，巡航机组的输出转速明显高于加速机组，而循环机组与螺旋桨之间的减速装置要比加速机组的明显更大。而由相同型号燃气轮机组成的COGAG型联合动力装置，其巡航机组、加速机组与螺旋桨之间的减速比相同。

对于两台由同型号燃气轮机组成的COGAG型联合动力装置而言，由于其机型单一，为运行维护带来了较大的便捷性。但在巡航工况下，由于所需功率较低，使运行中的机组以较低的负荷运行，油耗率则会显著增加，该方面明显不如COGOG型联合动力装置。为此，近年来出现了功率不同，但相差比例并不大的不同燃气轮机共同组成COGAG型联合动力装置，使巡航时的油耗率得到改善。

其中需要注意的是，联合动力装置由于采用了不同类型或型号的主机，在使用、管理、训练、维修、后勤保障等方面会变得更为复杂和困难。考虑到联合动力装置的复杂性，其要在水面舰船上得以充分应用，必须要在一种或几种决定性指标（如效率、重量、外形尺寸、可靠性、生命力和经济效益等）上具有显著的优势。与单一的动力装置类型不同，在某些特定的用途中必须采用不同类型的主机，使其组合成联合动力装置，如潜艇及某些反潜舰船。因此，对部分航行状态和隐蔽性有较高要求的舰船而言，多采用机械及电力推进相结合的联合动力装置。

目前，联合动力装置主要应用于大、中、小型的水面舰船中，如大型高速炮艇、猎潜艇、护卫舰、驱逐舰和巡洋舰等，已成为各国海军竞相研究和采用的主动力装置型式［10］。除了在水面舰船领域，联合动力装置可在破冰船等特殊用途的船舶上得到应用与发展，并可根据实际制造和使用过程，继续确定其改进与优化的方案。