淺談海軍艦艇的動力系統

所謂海軍艦艇的動力系統（power system），是電力（電子）部分和動力（驅動）部分的總和，而動力（驅動）部分的核心，包括發動機及其驅動的液壓系統等。這樣一個系統，是地球人類在認識自然、改造自然的過程中，利用仿生學、物理學以及化學原理，發明並不斷改進和完善的一個能量轉化體系。就目前的大多數海軍艦艇的動力系統來說，也就是化學能或核能（原子能）轉化為機械能的體系，但未來還有可能發展一些高能物理能（包括太陽能、質子能、磁能等）轉化為機械能的體系。

目前，世界各國海軍艦艇的動力系統主要有以下幾類：

1，全燃聯合動力系統（COGAG）。一般由4台LM-2500或QC-280或類似的燃氣輪機推進，總功率超過10萬馬力，最高航速為30節航速左右。燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料（航空煤油）的能量轉變為有用功的內燃式動力機械，是一種旋轉葉輪式熱力發動機。

    2、柴燃聯合動力系統。推進裝置是利用柴油機和燃氣輪機將功率輸入到共用的減速齒輪箱中，通過轉換為單輸出后帶動軸系和調距槳推進艦船。柴燃聯合動力裝置分為CODOG（Combined Diesel Or Gas turbine）和CODAG（Combined Diesel And Gas turbine）兩種形式。CODOG的運行特點是柴油機與燃氣輪機交替工作；CODAG則是以柴油機和燃氣輪機共同工作為特點。在巡航和低速航行時使用柴油機，燃氣輪機為加速機組，只在快速啟動和全速時運行。

    3、全柴動力系統（CODAD）。就是4台柴油機。柴油機具有熱效率高、能源損耗小的顯著優點，因此是一種經濟的發動機，民用船舶比較喜歡使用，軍用船舶也多應用。但柴油機的污染大、雜訊大、體積大、功率質量比小等缺點。因此柴油機一般不能成為艦艇的高速主機，同體積下，現代的柴油機功率也比不上燃氣輪機。

    4、全電動力系統。就是依靠電力推進，依靠柴油機或者燃氣輪機發電。全電推動就是由艦艇的主動力裝置比如柴油機或者燃氣輪機產生熱能（化學能），化學能最直接的轉化就是機械能，機械能轉化為電能，然後電能儲存在電瓶里，電能驅動螺旋槳工作，並且滿足雷達等電子設備的用電。2011年，中國成功研製出能夠同時為新型潛艇提供高品質交流和直流電源的交直流集成式雙繞組發電機系統，世界領先。與交直流分別供電的兩台發電機組相比，體積和重量減小40％，工程造價降低40％。

5、蒸汽輪機動力系統。全稱叫蒸汽渦輪發動機（Steam turbine），是一種擷取（將水加熱后形成的）水蒸汽之動能轉換為渦輪轉動的動能的機械，燃料是重油。相較於原由詹姆斯•瓦特發明的單級往複式蒸汽機（燃料是煤），渦輪蒸汽機大幅改善了熱效率，更接近熱力學中理想的可逆過程，並能提供更大的功率，至今它幾乎完全取代了往複式蒸汽機。蒸汽輪機和蒸汽機是不一樣的。渦輪蒸汽機特別適用於火力發電和核能發電，世界上大約80％的電是利用渦輪蒸汽機所產生。在現代化船艦中已經被燃氣渦輪引擎全面取代，只有少數特例如現代級還使用蒸汽渦輪。

6、燃氣－蒸汽輪機動力系統。燃氣－蒸汽聯合循環，是把燃氣輪機和蒸氣輪機這兩種按不同熱力循環工作的熱機聯合在一起的裝置。為了提高熱機的效率，應該儘可能地提高熱機中的加熱溫度和降低排熱溫度。但蒸汽輪機和燃氣輪機的熱力循環都不能很好滿足上述要求。如把它們結合起來，以燃氣輪機的排熱來加熱蒸汽，就可以同時取得燃氣輪機加熱溫度較高和蒸汽輪機排熱溫度較低的雙重優點。目前，功率最大的已超過60萬千瓦，最高熱效率已高達47％以上。它作為熱電並供機組使用，燃料利用率可高達80％左右。

7、核動力系統。核動力的優勢是無排放、低耗燃料、體積小、操控簡單、低嘈音、無限航程以及高航速，幾十年更換一次核燃料，維護方便的特點。核動力和傳統的蒸汽動力驅動的區別就是把早期燒煤的大鍋爐換成了核反應堆（鈾或鈈，以鈾235為主的核燃料）。但是如果追本溯源，這個蒸汽的動力還是來自核動力。核反應堆發生核裂變，產生高溫，高溫加熱一迴路的水達到過飽和狀態；一迴路的高溫過飽和水進入交換器，將熱量傳遞給二迴路；二迴路的水經過熱交換，也達到高溫高壓狀態，同時不帶有輻射；二迴路的高溫高壓水，通過噴嘴變成高速蒸汽噴出，推動蒸汽輪機運轉；蒸汽輪機將動力輸送到減速箱，經過減速箱減速后，帶動螺旋槳。自1954年第一艘核動力潛艇問世以來，核動力裝置技術獲得了迅猛的發展。目前，除核潛艇外，現役的核動力艦艇還有巡洋艦、驅逐艦和航空母艦，這些核動力艦艇主要集中在美國和俄羅斯。

8，混合動力系統。包括柴電動力系統、（柴油/天然氣）雙燃料動力系統、內外雙燃機動力系統等。以常規潛艇為例，提高水下續航時間，主要是採用閉式循環柴油機、斯特林發動機（Stirling Engine）以及新型燃料電池作為水下動力源。斯特林發動機，是一種外燃機，它是英國牧師羅伯特•斯特林在1861年發明的熱氣發動機。它的大致原理是，用燃料在氣缸外部的燃燒室加熱工作氣體（氫氣或氦氣），工作氣體與外部完全封閉。工作氣體受熱膨脹后推動氣缸內的活塞作功，膨脹后被冷卻，體積縮小，再次進人燃燒室內加熱，完成一次循環。發動機的轉速可通過控制工作氣體的流量來加以調節。

不同動力系統的選擇，與海軍艦艇的排水量和航行速度有很大關係。

對於排水量在500t以下的高速、機動性好的艦艇（如高速巡邏艇和高速導彈艇），柴油機一直是主要的動力裝置；對500－3500t左右的現代護衛艦，不論噸位和類型如何，柴油機作動力裝置具有明顯的優勢，且更具競爭力；對3500t以上的大型艦艇，全燃氣輪機或柴燃交替使用動力裝置（CODOG）是主要的動力裝置；對4000t以下的軍用艦艇，如作柴油機電力推進潛艇主機、護衛艦，全柴油機推進的驅逐艦主機、護衛艦，採用的都是大功率柴油機；對於6000t級艦艇，一般採用新一代高速大功率柴油機支持的全柴動力和柴燃聯合動力；對於大型的核動力航空母艦以及核潛艇，都是採用核動力系統。中國的「瓦良格」可能採用的是烏克蘭生產的最大燃氣輪機DA80。大型戰艦如果需要達到一定航速，不用蒸汽輪機是根本無法達到的，比如美國的重型航空母艦，所謂的核動力推進也是以核反應堆來推進蒸汽輪機的運行。

    附一：四衝程和兩衝程發動機的區別

在相同的轉速下，因為二沖發動機比四沖發動燃燒次數多一次，所以功率大，而且二沖發動機也比同排量的四沖發動機輕巧許多，所以在賽車上二衝車佔壓倒性的優勢，但由於二沖發動機的進氣和排氣在同時進行，當發動機的轉速低時由於排氣口打開的時間過長，會有一部分的新鮮的混合氣連同廢氣一起從排氣口排出，所以在底轉速時功率不高，新型的二沖發動機已經增加了一些部件來改善這個問題。由於燃燒機油產生的積炭和開在汽缸壁上的進氣孔和排氣孔，二沖發動機的磨損比四沖發動機快的多。四衝程的發動機完成一次作功需要4個過程：進氣，壓縮，作功，排氣。而二衝程的機器進氣和壓縮是同時進行的。四衝程的機器多半是燒汽油或柴油的，二衝程機器大多是燒混合油的（即機油和汽油的混合物）。四衝程機器工作時大多轉數為3500左右，二衝程機器的轉數則要高得多。

附二：發動機汽缸的類型

目前來說，汽缸分為：直列、v型、水平對置和新出現的W型。

（1）直列汽缸，也有人稱之為並列汽缸，一般為4缸或6缸。其優點在於：穩定，成本低，結構簡單，運轉平衡性好，體積小。但缺點是：當排氣量和汽缸數增加時，發動機的長度將大大增加。4缸直列發動機，一般廣泛運用於2.2升排量以下的發動機中。例如，（普）桑塔納、捷達等等。6缸直列發動機，最著名的例子就是BMW的M3，BMW選用6缸直列發動機的主要目的是為了方便配重，和穩定性。可見，直列發動機雖然比較簡單，但絕對不是不好的。
（2）V型汽缸，常見的V型發動機有V6、V8、V10、V12，還有V3、V5以及V16。顧名思義，V代表發動機氣缸成V型排列，一般是90度，因為這樣以最好的抵消運轉時的震動，更加穩定。當然，也有75度和72度的，甚至超過90度的廣角V10 引擎。V型引擎的優點在於：運轉穩定（針對V6、V8、V12）、節省空間。缺點在於：結構比較複雜，不利於保養和維修，並且造價較高。同時，V3、V5包括V10都由於其結構或排量的原因，並不非常穩定，尤其是作為F1發動機的V10 3L引擎，更是需要投入大量的精力和經費用於保證其穩定性。代表車型太多了，奧迪的A6、法拉利360、F1賽車和保時捷 carrear GT、賓士S600。分別使用V6,V8,V10,V12發動機。而V3主要是出現在一些摩托車上，V5據說在上一代大眾高爾夫上有使用。而V16則在一些豪華的老爺車上可以找到。
（3）水平對置汽缸，其實，這也是V型發動機，只不過V的夾角變成了180度了。一般為4缸或6缸。優點：重心低（廢話，都180度了，還能有比它更低的嗎）易與操控、平衡性非常的好。缺點：還是造價高，發動機太寬。水平對置發動機最出名的運用在於保時捷著名的911上。
（4）W型汽缸，「V+V=VV」，就是W了。其實，就是兩個V型發動機。W型發動機的設計思路就是，利用兩個V型發動機，再組成一個V型發動機。其優點在於結構更緊湊，可以容納更多的汽缸數，有更大的排量。缺點是，結構太複雜了！運轉平衡性也不好。由於專利的原因，這種發動機只在大眾和奧迪和另一個品牌的車上可以見到，在歐版大眾高爾夫、歐版大眾帕薩特以及奧迪A8上，分別裝備著W6,W8和W12發動機。