军舰动力装置概况

军舰动力装置概况

柴油机

柴油机作为主动力装置在舰艇上得到广泛应用已有50多年历史。为了提高市场竞争力，世界的柴油机制造厂出现了兼并或联合组成大行业集团，所以目前只有少数几家能制造舰艇高速大功率柴油机。它们是德国的MTU公司、法国的SEMTPielstick公司、意大利的GMT公司和英国的Paxman公司等。

其中德国的MTU公司的舰艇柴油机，由于系列完整、功率覆盖面广、通用性强、寿命长、低负荷性能好和起动方便等优点而占据世界舰用柴油主机的绝大部分市场，雄居主导地位。 这些年来，除了MTU公司新开发了595系列柴油机和GMT公司在B230.2DVM型柴油机上发展了A250.16HVM型柴油机外，新型高速大功率柴油机发展较平稳，多数是在原来机型的基础上进一步完善提高，扩大用途。

就是说，继承并发展各自的技术特色，进行系列化设计，通过机型变型来扩大用途，如MTU396机废气涡轮增压用于潜艇，396系列机继04型后又推出TE型；595系列机有9种变型机。PielstickPA4-200型机功率提高后由VG型发展成VGA型，采用复合增压用于潜艇等。有的发展成长冲程以扩大用途，如GMT公司的B230/BL230、法国S.A.C.M公司的UD45/UD50、Pielstick公司的PA6B-STC等。

舰用高速大功率柴油机由于其应用范围的特殊性和使用条件的限制，使它们的技术难度极大。一方面要求具有较高转速、大功率、结构紧凑、坚实耐冲击、重量轻、体积小、比功率大、工作可靠并同时保持相应的经济性，使用寿命和维修方便；另一方面在性能上必须机动性好，起动时不冒白烟，运行中不冒黑烟和低工况性能好。

随着柴油机技术的发展，舰用柴油机在性能、可靠性和装舰技术方面已取得明显的进展，单机功率比过去同型机功率提高30％以上，意大利GMTA250.20HVM型机最大功率7750kW，德国MTU-24V1163-93型机最大功率8824kW，法国SEMT-Pielstick20VPA6-280BTS型机10％超负荷功率可达9705kW。目前高速大功率柴油机主要技术指标都达到了新水平，平均有效压力最高达2.94MPa(29.4bar，MTU 1163-03型机，压缩比ε：9.7)，有的达3.02MPa(高速中等功率的MTU595型机)；最大燃烧压力18MPa(MTU1163-03型)，，中高速PielstickPA6-BTC型机为15MPa；燃油消耗率为210e/(kW?h) (长冲程的PielstickPA6B-STC型机为197e/(kW?h))；比重量最低2.8kg/kW；增压压力0.5MPa(两级增压)；最高喷油压力130MPa(高速中等功率的MTU595系列机为150MPa)。

20世纪70年代以后，国外新建舰艇向大型化、导弹化方向发展，并普遍采用使用先进技术、单机功率较大的新一代柴油机作推进动力或柴油机燃气轮机联合动力装置中的巡航机。多年来，对于排水量在500t以下的高速、机动性好的舰艇(如高速巡逻艇和高速导弹艇)，柴油机一直是主要的动力装置；对3500t以上的大型舰艇，全燃气轮机或柴(油机)燃(气轮机)交替使用动力装置(CODOG)是主要的动力装置；对500-3500t左右的现代护卫舰，不论吨位和类型如何，柴油机作动力装置具有明显的优势，且更具竞争力，因为柴油机具有热效率高、在整个工作范围内油耗低、功率和转速范围广、有较高的功率体积比和功率重量比、空气耗量低、排温低、热辐射少、有较高的机动性和良好的起动性，以及机种单一、装置简单、运行和管理方便、造价低等优点。现在整机功率1470?8088kW的大功率柴油机主要用于4000t以下的军用舰艇，如作柴油机电力推进潜艇主机(MTU-396/SB83和396SE84型机，GMTA210SM型机)、护卫舰和驱逐舰主机(导弹驱逐舰全柴油机推进系统的Pidstiek18VPA6-280BTC型机，护卫舰全柴油机推进系统的MTU-20V 1163TB93和20V956TB92型机，以及Pielstiek16VPA6-280STC型机和16VPA6-280BTC型机。

目前，由于德国MTU和法国SEMTPielstick这两家目前世界上主要舰用高速大功率柴油机公司成功地研制出了单机功率大(虽然较燃气轮机的小)的新一代高速大功率柴油机，一方面使全柴油机动力装置(CODAD柴油机和柴油机联合动力装置)有可能满足同等舰用功率(30000kW)的要求；另一方面这些柴油机与燃气轮机组成的柴油机燃气轮机联合动力装置(CODAG)，足可满足6000t级舰艇功率要求，加之高速大功率柴油机相继增压技术的成熟应用，解决了部分负荷下低速大扭矩问题，传动和控制系统均可简化，更使CODAG动力装置有可能再次在护卫舰等舰艇动力系统中得到垂青。

目前，舰艇用柴油机已达到一种采用自动化电子控制系统的非常先进的发展阶段。相对燃气轮机而言，除比重量大和功率较小外，其主要缺点是噪声大，特别是低频噪声，这影响到舰艇的隐蔽性。因此，必须对柴油机采用完善的降噪减振措施，现在常用的措施是采用双弹性减振机座和隔声罩。

一.德国MTU956/1163系列柴油机 (一)研究背景和计划

956系列柴油机是德国目前生产的缸径最大的短冲程、高速大功率柴油机。该机原系西德曼恩公司1961年为铁路机车设计的四冲程、涡轮增压、中冷的VV23/23TL高速柴油机。首台12缸机1966年11月装车运行；16缸机1969年投产。MTU公司成立后，改称956柴

油机。它的发展计划分为两个阶段：第一阶段转速1500r/min，单缸最大功率183.75kW(250hp)；第二阶段转速提高到1575r/min，相应功率为220.5kW(300hp)和183.75kW(250hp)。柴油机的大修期预计用于快艇为6000?9000h。该公司为满足提高功率、降低比重量和比容积、改进可靠性、简化维修、降低费用等要求，进行了结构改进，并组建了专门的生产线。1974年研制了20缸样机，单机最大功率达4410kW(6000hp)。

956系列柴油机自1968年正式投产以来，已广泛用于铁路牵引、舰艇推进和发电。1163系列柴油机是在MA956系列柴油机基础上，为适应国际上主要交流发电机转速1200r/min、频率60Hz的规格，同时又保持适于作船舶主机的目的而发展起来的长冲程柴油机，它冲程长280mm，转速1100～1200r/min，设计额定功率每缸220.5kW(300hp)。1976年9月，MTU公司展出了20缸样机，以后又研制了V型12和16缸机。1163和956系列柴油机是同宗的两系列柴油机，两者具有相同的使用寿命、易维修性和经济性。除与延长冲程有关的零部件外，如曲轴、曲轴箱、连杆、活塞上部、气缸套、推杆等不同外，其余90％以上的零部件均相同。两系列机型可以采用相同的设备制造，因而生产中具有较好的灵活性和经济性。1163系列柴油机在设计时保留了956系列柴油机的设计原则，如重量轻、体积较小等。它仍采用涡轮增压、中冷、单体式喷油泵、直接喷射、空气起动，功率可由柴油机曲轴任一端输出全扭距负荷等。

1163系列柴油机主要用于舰船推进和陆用电站，特别适于装柴油机和燃气轮机联合动力装置的舰艇。 (二)系统组成及性能

956/1163系列柴油机具有如下基本数据

缸径(mm)：230；冲程(mm)：230/280；转速(r/min)：1500/1200(1163-03型为1300)；气缸数：12、16、20；单缸工作容积(L)：9.56/11.63；结构型式：V型60；功率范围(kW)：1800～4400；5200(20～956/1163-02型)；7400(20V1163-03型)；活塞平均速度(m/s)：11.5/11.2；12.28(956/1163-02型)；压缩比：12；9.7(1163-03型)；平均有效压力(MPa)：2.06(1163-03型2.94)；比重量(20V)(kS/kW)：3.75/3.89(20缸1163-03型为2.8)；油耗(S/(kW/h))：210.8～235；燃烧方式：直接喷射燃烧。

956/1163系列柴油机由机体、曲轴、活塞、气缸盖、气阀机构、喷油系统、传动齿轮箱、增压器和辅助装置等主要零部件构成。

机体：956系列和1163系列的各个不同缸数机型的机体由三种不同的铸钢件(后端，后部；

中部；前端，前部)通过V形焊缝焊接而成。曲轴搁置在主轴承上。主轴承盖用两只直螺栓和两只横螺栓固定。

曲轴(组件)：曲轴由铬镍钢锻造而成。1163系列曲轴的轴柄销圆角经淬硬处理。平衡重用螺栓固定在曲轴上。设计曲轴时考虑到也可从前端的簧片减震器后面输出全扭矩。曲轴主轴承和连轩大端轴承均采用薄壁钢背、铝合金轴瓦，并有二元合金表层(摩擦表面)。每一排相对的两只气缸的连杆并列在一个曲柄销上，呈V形分开。连杆大端系在水平方向，并可经缸套取出。曲轴通过“四点深槽球轴承”进行轴向定位，该轴承还能承受法兰连接装置的轴向推力。

活塞：钢顶、铝裙的组合式活塞，活塞顶由喷嘴供给的连续的润滑油冷却。活塞顶上有三道压缩环，活塞顶与活塞裙之间有一道弹簧内胀式括油环，因此，调换活塞环可以不用移动活塞裙和连杆就能进行。

气缸盖：气缸盖为灰铸铁铸件，上有两个进气阀和两个排气阀，它们的气道都经过最优化布置。气缸盖与气缸套之间有一钢质密封环。

气阀机构：每一列气缸的气阀由一根布置在机身外侧的高置凸轮轴控制。凸轮轴上的单体式凸轮通过滚轮推杆、挺杆和摇臂来开、闭进、排气阀。

喷油系统：喷油系统为单体喷油泵，布置在气缸盖之间，由短的高压油管连接到各气缸盖。因为油管短，所以可以省去燃油喷射定时器。用液压调速器控制喷油泵的油量。它是通 过齿轮箱里的调节机构驱动与凸轮轴一般高的调节轴。然后经过该杆和控制套筒来操纵喷油 泵的柱塞。凸轮轴通过摇臂和滚轮挺杆使喷油泵工作。

传动齿轮箱：铸铁制造的传动齿轮箱位于前端，用螺栓固定在机身上。正齿轮呈螺旋状，依靠锥面安装在轴上。齿轮系具有只需替换二只惰齿轮就可倒转的结构特点。所有通过轮系带动的附件，如各种泵和调速器，都装在齿轮箱上。

增压器：956/1163系列柴油机的所有机型都采用脉冲增压，16或20缸发动机采用2台MildAGL340型增压器，而12缸机型只用1台MTUAGL340增压器。排气管的热膨胀通过波纹管补偿。

辅助装置：为使整个传动或推进系统具有紧凑的优点，MTU均采用自己发展的齿轮箱、 液力耦合器和弹性联轴节。

用作舰船主机的956/1163系列柴油机均采用隔声罩和弹性安装。

956/1163系列柴油机的进一步发展是研制两级涡轮增压的1163-03型柴油机。此机采用

了一系列新技术，主要是停缸断油和气缸充量转移技术和相继涡轮增压技术。由于采用这些 新技术，使20缸的单机功率从956/1163-02型的5200kW提高到7400kW，即提高了约40％。它不但保留了原机型结构紧凑的特点，还进一步降低了重量功率比，它不但在低转速下能长期运行，输出很高扭矩，并能降低油耗。 1.停缸断油和气缸充量转移技术

所谓“停缸”技术即停止对几个气缸喷油，使其余气缸获得较多且雾化更好的燃油以便 正常、完全燃烧。这样可以在降低压缩比后防止冒白烟和滑油被未燃烧的燃油稀释，还解决了空载运行问题。用整体式或组合(单体)式喷油泵的柴油机均能施行气缸停油，只是前者采用分路控制齿条，后者，则在控制联动机构中装了一个液动(或气动)脱开活塞。

但“停缸”技术还不能使压缩比降到12以下的柴油机有效起动并保持正常运行，因为即使预热柴油机也不能保证燃油有效燃烧，因此必须采用与“停缸”技术并用的“气缸充量转移”技术才能使柴油机实现起动和空载运行。充量转移过程的开始和结束均由一个位于供气气缸(即“停缸”气缸)上的气动或液动操纵阀控制，该阀在整个充量转移过程中保持一直开启。受气气缸(即着火工作的气缸)上有一止回阀，它靠输气管道与受气气缸间的气压压差自动操作。 对20缸机，在起动和低速时仅有5个气缸喷油燃烧，其余15个气缸断油泵气，向上述5个气缸转移充量，即输送额外的进气。在转速140r/min时，5个气缸中的压缩终点压力可达3.7MPa，压缩终点温度可达765K，相当于压缩比提高到16。采有停缸断油和充量转移系统后，当机舱温度高于20℃时就不需预热进气，但考虑到船舶在严寒地区航行或长时间低速航行，因此在后空气冷却器的出口处安装了进气预热器，以高温的气缸冷却水预热增压空气。冷却水预热到400℃时起动，4s达到空载转速，40s后即达到无白烟运行(HC排放量为500ppm)。1163-03柴油机的低压和高压级涡轮增压器与滑油泵、滑油冷却器、滤清器、淡水泵和海水泵一样均装在柴油机上。 2.相继涡轮增压技术

相继涡轮增压技术就是根据负荷要求和转速高低来控制参加工作的增压器数目，即在较高转速和负荷时，全部增压器参加工作；在较低转速和负荷时关闭部分增压器，把全部排气引导到1台或少数几台增压器的涡轮。

采用相继涡轮增压技术，可以使采用定增压系统增压器的柴油机既不影响其全负荷性能，又能在部分负荷时克服定压增压的缺点，使柴油机能在整个运行范围内都能保持高的过量空气系数，有助于提高燃油经济性，获得良好的加速性，满足有关废气排放的法规和降低零、部

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xgh2.html