中/高速船用柴油機

 中/高速船用柴油機

中速柴油機轉(zhuǎn)速在350-1200轉(zhuǎn)/分之間，大多為四沖程V型氣缸布局，其體積較小，重量比輕，制動速度快。大功率中速機主要用于客運班輪、作業(yè)船、滾裝船等。近年來，中速機在開發(fā)大缸徑、提高整機功率方面做了大量工作，并在燃用劣質(zhì)燃油、降低油耗、提高零部件的可靠性、提高使用壽命及高增壓等方面取得顯著成效。瓦錫蘭、曼公司（SEMT Pielstick皮爾斯蒂克已經(jīng)并入曼）在中速機方面同樣走在世界最前沿。根據(jù)最新的報告顯示，世界中速柴油機市場規(guī)模為每年750萬馬力，瓦錫蘭是市場領(lǐng)頭羊，市場占有率為42%。

中/高速船用柴油機一直以來都大量運用于船舶電站，為船上的各類設(shè)備提供電力，并開始在日漸繁榮的船舶電力推進中得到廣泛應(yīng)用。豪華游輪一直以其高附加值成為船舶制造業(yè)皇冠上的珍珠，中速柴油機已經(jīng)大量應(yīng)用于游輪動力。皇家加勒比游輪公司擁有的世界排名前五的大型游輪中，無一例外都采用柴油機--電力推進方式。其中最大最豪華的是“海上綠洲”（MS Oasis of the Sea）級游輪（兩艘）。她們船長361.8米，水線寬度47米，最大寬度60.5米，型深22.55米，吃水9.3米，總噸位225282噸，從龍骨到最高處達72米，擁有16層甲板。船的內(nèi)部設(shè)有電影院、餐廳、健身俱樂部、溜冰場，生活和娛樂設(shè)施一應(yīng)俱全，儼然是一座海上的超五星級酒店。

世界最大游輪“海上綠洲”號（MS Oasis of the Sea）

“海上綠洲”采用了瓦錫蘭公司的V46D系列柴油機作為主機，缸徑460毫米，行程580毫米，轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分。其中三臺為12V46D 12缸機型（單臺功率13860 千瓦/18590馬力），另三臺為16V46D 16缸機型（單臺功率18480千瓦/24780馬力）。這些柴油機帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的電流用于驅(qū)動3臺ABB公司生產(chǎn)20000千瓦吊艙式電力全向推進裝置。此外船艏還有4臺5500千瓦的輔助動力裝置，這令船舶操作更加可靠、靈活，運行更安靜。全電推進裝置也可以滿足游輪對電力的巨大需求，免除額外的柴油發(fā)電機等設(shè)備，從而節(jié)省了內(nèi)部空間，同時還降低了機械傳動的噪聲、得到廣泛青睞。

中速柴油機不僅在民船領(lǐng)域得到應(yīng)用，在軍船領(lǐng)域的登陸艦、補給船、輔助艦船等艦艇上也被作為主要動力來源。“西北風(fēng)”級（Mistral）兩棲攻擊艦是法國為適應(yīng)北約組織增強戰(zhàn)略海上輸送能力要求建造的新一代艦船，她采用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該艦全長199米，寬32米，吃水6.3米，滿載排水量21300噸。飛行甲板面積為5200平方米，設(shè)有6個直升機停機點，其中5個可停放16噸的直升機。塢艙能夠容納4艘通用登陸艇或2艘LCAC氣墊登陸艇。飛行甲板下是面積達1800平方米的直升機庫，可停放16架直升機。艦上設(shè)有面積1000平方米的車輛庫，可裝載60輛裝甲車或12輛“勒克萊爾”主戰(zhàn)坦克。艦上還設(shè)有69張病床的醫(yī)院，保障45天生活需要的生活用品艙。她們既可遂行兩棲作戰(zhàn)任務(wù)，也可擔(dān)當(dāng)多國部隊聯(lián)合作戰(zhàn)指揮艦任務(wù)，還能承擔(dān)各種支援任務(wù)，是一種整體性能優(yōu)良的新型多功能兩棲攻擊艦

“西北風(fēng)”級的推進系統(tǒng)采用了3臺瓦錫蘭16 V32中速柴油機（缸徑320毫米，沖程400毫米，轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分，單機功率6200千瓦）以及一臺瓦錫蘭18V200中速柴油機（3000千瓦），采用電力傳動推進，裝有2臺吊艙式電力全向推進裝置及1臺首部側(cè)推器，航速21節(jié)，續(xù)航力10000海里/15節(jié)。最近老牌軍事強國俄羅斯也購買了4艘“西北風(fēng)”級，足見全電推進系統(tǒng)的先進性。

船用高速柴油機生產(chǎn)廠商很多，其產(chǎn)品均為V型、四沖程，缸數(shù)12-20、轉(zhuǎn)速1200-1800轉(zhuǎn)/分、平均有效壓力2.0-3.2兆帕、活塞速度10.5-13米/秒、最大爆發(fā)壓力15-18兆帕、燃油消耗率198-210克/千瓦小時。
二戰(zhàn)以后，蒸汽動力船舶主機逐步被淘汰，原先多采用往復(fù)式蒸汽機或蒸汽輪機的商船大多安裝低速船用柴油機，但對驅(qū)護艦等主戰(zhàn)艦艇的動力而言，柴油機與燃?xì)廨啓C相比還有一定的差距。
燃?xì)廨啓C第一個優(yōu)勢是功率密度極大。同等情況下，同等功率的燃機體積是柴油機的1/3到1/5，是蒸汽輪機的1/5到1/10（計算鍋爐等）。燃?xì)廨啓C的第二個優(yōu)勢是啟動速度快，在1~2分鐘就可以從靜止達到滿功率。而柴油機由于活塞的往復(fù)運動，受熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的限制，加速比燃?xì)廨啓C慢；蒸汽動力系統(tǒng)鍋爐從啟動達到滿功率輸出，則需要長達一小時的時間。而啟動速度，對于軍艦的戰(zhàn)時應(yīng)急出動性能有著直接的影響。燃?xì)廨啓C第三個優(yōu)勢是噪聲低頻分量很低。由于燃?xì)廨啓C本身處于高速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動當(dāng)中，產(chǎn)生的噪聲更多是高頻噪聲，傳播不遠。而柴油機的往復(fù)運動產(chǎn)生了大量低頻噪聲，在水中傳播就離遠，導(dǎo)致軍艦容易被敵方聲納探測。
由于燃?xì)廨啓C先天優(yōu)勢與軍艦動力系統(tǒng)性能要求更為吻合，燃?xì)廨啓C成為了各國軍艦動力系統(tǒng)發(fā)展的主力。海軍強國美國和英國依靠強大的實力，研制了以GE LM 2500和羅·羅斯貝SM-1C、WR-21為代表的燃?xì)廨啓C，主力水面作戰(zhàn)艦完成了動力燃?xì)廨啓C化。不過燃?xì)廨啓C也存在一定的缺點，首先其燃料經(jīng)濟型與柴油機存在明顯差距，在低速輕負(fù)荷下的油耗較高，同等條件下，燃?xì)廨啓C船舶的經(jīng)濟性不如柴油機。現(xiàn)在，通過對柴油機采用降噪減振措施，如用雙彈性減振機座和隔聲罩，明顯降低了柴油機噪聲。采用齒輪減速裝置，在高速時使用燃?xì)廨啓C，在巡航時使用中/高速柴油機，可謂各展所長，相得益彰。

中/高速大馬力柴油機不僅可與燃?xì)廨啓C組合成柴燃交替動力裝置CODOG，滿足5,000噸以下艦艇的需要，兩者還組成還可組成柴燃聯(lián)合動力裝置CODAG，滿足6,000噸級艦艇功率要求。此外全柴聯(lián)合動力裝置CODAD也可以滿足3,000-4,000噸艦艇的要求。
歐洲在柴油機設(shè)計和制造方面具有領(lǐng)先水平，歐洲制造的艦艇大多會使用柴油機作為動力之一。MTU和皮爾斯蒂克的柴油機也隨著德、法兩國軍艦遠銷海外，其性能和可靠性廣受贊譽。皮爾斯蒂克（現(xiàn)已經(jīng)并入MAN）生產(chǎn)的PA6系列中速柴油功率從1630 千瓦到8100千瓦（2220 馬力到 11000馬力），轉(zhuǎn)速從750-1050轉(zhuǎn)/分。MTU的V956/1163、V4000和V8000系列高速柴油機采用直接噴射，廢氣渦輪增壓，中間空氣冷卻等技術(shù)，具有耐久可靠、操作方便、體積小、功率大等特點。

潛艇用柴油機與普通柴油機有所不同，要求在通氣管狀態(tài)，即進氣高真空、排氣高背壓以及波動背壓下穩(wěn)定運行。通氣管工作條件下，渦輪作功能力下降，壓氣機耗功增加，潛艇柴油機要通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)調(diào)整來保證渦輪增壓系統(tǒng)的正常工作和整機可靠性。長久以來德國和法國在國際常規(guī)潛艇市場占據(jù)了大部分的份額，而德國MTU和法國皮爾斯蒂克兩家公司也是潛艇柴油機的主要提供商。
戰(zhàn)后，德國開始復(fù)興，德國人傳承了豐富的潛艇設(shè)計經(jīng)驗，很快在潛艇的設(shè)計和制造方面顯示出優(yōu)勢，當(dāng)然其性能卓越的柴油功不可沒。MTU潛艇動力柴油機經(jīng)過12V493型和12/16V652型，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第三代V396型。據(jù)不完全統(tǒng)計，V396型已經(jīng)裝備了80多艘常規(guī)潛艇。該機有8、12、16缸等不同配置，轉(zhuǎn)速1800轉(zhuǎn)/分，輸出功率分別為600、1000和1350kW，重量分別為5400、7800和8800千克，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足不同大小潛艇的需求。裝備的艇型主要有209型、212型、214型，瑞典哥特蘭型、西班牙/法國合作的天蝎座型、德國/挪威合作的210型等。

以德國的209型為例、該型潛艇無疑是最受國際市場歡迎的艇型之一。從60年代末開始設(shè)計，經(jīng)過不斷改進，目前已經(jīng)形成包括1100/1200/1300/1400/1500等不同的型號在內(nèi)的系列，排水量不等。這些潛艇中大多數(shù)由德國生產(chǎn)，但某些國家也獲得了特許生產(chǎn)權(quán)。209型潛艇采用常規(guī)柴電動力潛艇設(shè)計，以單一殼體為基礎(chǔ)，雙壓載水艙。聲納和武器系統(tǒng)在不同變形上的區(qū)別很大。以209/1400為例，動力裝置4臺采用MTU 12V396柴油機，總功率為4000千瓦（5440馬力），4臺發(fā)電機，1臺德國西門子公司的電機，功率3380千瓦（4600馬力），單軸低轉(zhuǎn)速大側(cè)傾螺旋槳。209型潛艇水面航速10節(jié)，水下航速22節(jié)，續(xù)航力8200海里/8節(jié)。該型潛艇自動化程度很高，艇員只需30人，包括8名軍官，水下自持力為21天，最大潛深為400米。

圖7.14 209/1400型潛艇

圖7.15 MTU V396型柴油機

現(xiàn)代的AIP（不依賴空氣推進系統(tǒng)）潛艇與普通的常規(guī)潛艇相比，水下潛航能力更強，但受到AIP（不依賴空氣推進系統(tǒng)）動力系統(tǒng)較低的裝機功率限制，仍然必須裝備柴油機，作為水面高速航行和快速充電的動力。而在核動力潛艇上，應(yīng)急發(fā)電機組仍然要用柴油機來驅(qū)動。經(jīng)歷百年考驗之后，柴油機在現(xiàn)代潛艇上仍然保持著強大的生命力。

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