中/高速船用柴油機

 中/高速船用柴油機

中速柴油機轉速在350-1200轉/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、作業船、滾裝船等。近年來，中速機在開發大缸徑、提高整機功率方面做了大量工作，并在燃用劣質燃油、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皮爾斯蒂克已經并入曼）在中速機方面同樣走在世界最前沿。根據最新的報告顯示，世界中速柴油機市場規模為每年750萬馬力，瓦錫蘭是市場領頭羊，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用。豪華游輪一直以其高附加值成為船舶制造業皇冠上的珍珠，中速柴油機已經大量應用于游輪動力。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。船的內部設有電影院、餐廳、健身俱樂部、溜冰場，生活和娛樂設施一應俱全，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，轉速為500轉/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）。這些柴油機帶動發電機發電，產生的電流用于驅動3臺ABB公司生產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，免除額外的柴油發電機等設備，從而節省了內部空間，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域得到應用，在軍船領域的登陸艦、補給船、輔助艦船等艦艇上也被作為主要動力來源。“西北風”級（Mistral）兩棲攻擊艦是法國為適應北約組織增強戰略海上輸送能力要求建造的新一代艦船，她采用商業標準。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”主戰坦克。艦上還設有69張病床的醫院，保障45天生活需要的生活用品艙。她們既可遂行兩棲作戰任務，也可擔當多國部隊聯合作戰指揮艦任務，還能承擔各種支援任務，是一種整體性能優良的新型多功能兩棲攻擊艦

“西北風”級的推進系統采用了3臺瓦錫蘭16 V32中速柴油機（缸徑320毫米，沖程400毫米，轉速750轉/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臺首部側推器，航速21節，續航力10000海里/15節。最近老牌軍事強國俄羅斯也購買了4艘“西北風”級，足見全電推進系統的先進性。

船用高速柴油機生產廠商很多，其產品均為V型、四沖程，缸數12-20、轉速1200-1800轉/分、平均有效壓力2.0-3.2兆帕、活塞速度10.5-13米/秒、最大爆發壓力15-18兆帕、燃油消耗率198-210克/千瓦小時。
二戰以后，蒸汽動力船舶主機逐步被淘汰，原先多采用往復式蒸汽機或蒸汽輪機的商船大多安裝低速船用柴油機，但對驅護艦等主戰艦艇的動力而言，柴油機與燃氣輪機相比還有一定的差距。
燃氣輪機第一個優勢是功率密度極大。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）。燃氣輪機的第二個優勢是啟動速度快，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運動，受熱應力和機械應力的限制，加速比燃氣輪機慢；蒸汽動力系統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，對于軍艦的戰時應急出動性能有著直接的影響。燃氣輪機第三個優勢是噪聲低頻分量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩定轉動當中，產生的噪聲更多是高頻噪聲，傳播不遠。而柴油機的往復運動產生了大量低頻噪聲，在水中傳播就離遠，導致軍艦容易被敵方聲納探測。
由于燃氣輪機先天優勢與軍艦動力系統性能要求更為吻合，燃氣輪機成為了各國軍艦動力系統發展的主力。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為代表的燃氣輪機，主力水面作戰艦完成了動力燃氣輪機化。不過燃氣輪機也存在一定的缺點，首先其燃料經濟型與柴油機存在明顯差距，在低速輕負荷下的油耗較高，同等條件下，燃氣輪機船舶的經濟性不如柴油機。現在，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，在高速時使用燃氣輪機，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氣輪機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合動力裝置CODAG，滿足6,000噸級艦艇功率要求。此外全柴聯合動力裝置CODAD也可以滿足3,000-4,000噸艦艇的要求。
歐洲在柴油機設計和制造方面具有領先水平，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（現已經并入MAN）生產的PA6系列中速柴油功率從1630 千瓦到8100千瓦（2220 馬力到 11000馬力），轉速從750-1050轉/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，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，即進氣高真空、排氣高背壓以及波動背壓下穩定運行。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構設計、參數調整來保證渦輪增壓系統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潛艇市場占據了大部分的份額，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。
戰后，德國開始復興，德國人傳承了豐富的潛艇設計經驗，很快在潛艇的設計和制造方面顯示出優勢，當然其性能卓越的柴油功不可沒。MTU潛艇動力柴油機經過12V493型和12/16V652型，現在已經發展到第三代V396型。據不完全統計，V396型已經裝備了80多艘常規潛艇。該機有8、12、16缸等不同配置，轉速1800轉/分，輸出功率分別為600、1000和1350kW，重量分別為5400、7800和8800千克，結構緊湊，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年代末開始設計，經過不斷改進，目前已經形成包括1100/1200/1300/1400/1500等不同的型號在內的系列，排水量不等。這些潛艇中大多數由德國生產，但某些國家也獲得了特許生產權。209型潛艇采用常規柴電動力潛艇設計，以單一殼體為基礎，雙壓載水艙。聲納和武器系統在不同變形上的區別很大。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），單軸低轉速大側傾螺旋槳。209型潛艇水面航速10節，水下航速22節，續航力8200海里/8節。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

現代的AIP（不依賴空氣推進系統）潛艇與普通的常規潛艇相比，水下潛航能力更強，但受到AIP（不依賴空氣推進系統）動力系統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，應急發電機組仍然要用柴油機來驅動。經歷百年考驗之后，柴油機在現代潛艇上仍然保持著強大的生命力。

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