未来舰艇动力装置展望 1、水面舰艇动力装置展望 21世纪各国海军发展的总的态势是较大幅度地缩减海军经费，缩小舰艇规模，提高舰艇作战性能和作战能力。这种思路对舰艇动力装置也不例外。 21世纪水面舰艇动力装置除了核动力装置、蒸汽动力装置、燃气轮机、柴油机，以及燃气轮机和柴油机的各种联合动力装置等机械推进装置继续建造和在水面舰艇上使用外（常规蒸汽动力装置在水面舰艇可能会建造极少甚至不再建造），作为发展的最大特征是在各类水面舰艇上采用综合电力推进系统。 水面舰艇采用综合电力推进系统，目前英、美两国搞得特别热火。这两个国家不仅均有水面舰艇综合电力推进系统的雄心勃勃的发展计划，而且还有明确的装舰目标和日期。可以说在本世纪的头20年内（至2020年左右），这两个国家将有不下于数十艘的相当数量的综合电力推进的水面舰艇问世，其中包括采用综合电力推进系统的英海军航空母舰。以综合电力推进系统为特征的水面舰艇电力推进系统受到英、美重视是因为这种推进装置有如下特点和优点： a. 由于综合电力推进系统是将舰上的日用电和推进电结合在一个电力系统内，因此，无论是用于推进的发电机组，还是用于日用的发电机组都能根据实际负载的需要，统一地、有选择地进行启动、停机，并使各发电机组的原动机以接近最佳油耗的工况运行，因此，运行经济性好。美海军估计，在航行时，运行费用可节约36％～38％。全舰包括推进和日用发电机组在内的总的装机数量可以减少。 b. 布置灵活。推进发电机组不一定非要布置在推进轴线上，因此，推进轴系的倾斜角可以减少，推进轴系可经缩短，从而有利于其它设备的布置。布置灵活也提高了推进系统的生命力。对燃气轮机发电机组还会因布置灵活能向上布置而极大地减少燃气轮机进、排气管需要的空间。 c. 可极大地减少尺寸、重量。民用船舶用综合全电力推进系统的大部分重量和体积主要由于使用同步电动机(有的同步电动机重达几百吨)和与之相连的变换器。但新研制综合电力推进系统的推进电动机目前是新研制的技术水平相当可以的感应电机，以后有可能是永久磁铁电机，变换器也因采用新的电力电子器件，如绝缘选通双极晶体管而有很大改观。它们为发展尺寸非常紧凑重量有很大降低的电力推进系统提供了乐观的前景。 d. 运行灵活。电力推进系统的动态制动和全功率倒车推进能使舰在几倍舰长的距离内停止航行。在变换器内的功率调节消除了因公海海况变化而使桨叶浮出水面传输回原动机的负载瞬态，从而使负载平滑而减少了原动机的磨损。 e. 未来可能使用需要高脉冲功率的武器系统，如电磁炮、电热化学炮。使用综合电力推进系统可以比较容易地将这种高脉冲功率负载并入此系统中，使大量的功率瞬间从推进负载转移至武器负载，而不会对舰的性能和运行产生太大的影响。 f. 综合电力推进系统进行现代化改装容易，能较痛快地容纳先进技术。由于整个设计都利用工业标准电压和接口，一旦新技术发展成熟，就能很方便地以系统的电压将其接入系统。 g. 采购费用也较低。除了减少了总的装机数量外，还可以不使用推进减速齿轮装置和可调螺距螺旋桨，轴系也短。节约的费用足可补偿因采用电力推进系统而增加的电机和变换器的采购费用。 在经费可承受范围内发展经济性好、战术技术性能优良的水面舰艇综合电力推进系统的关键技术，一是要发展一型经济性能好的原动机；二是要发展高比功率的永磁发电机和推进电机；三是要开发新一代的性能优良的电力电子器件，并用于变换器。 经济性能好的原动机，目前英、美两国的开发已基本完成，那就是功率为29000马力的WR-21舰用中间冷却回热燃气轮机。由于采用中间冷却和回热，此机的油耗比以往最先进的舰用燃气轮机降低了30％左右。1998年和1999年底，此机已完成两次500小时耐久试验。3150小时合格性试验已于2000年10月开始，预计2002年完成。 永磁发电机和电动机。美国正在研制功率为9．2MW的永磁电机样机，转速150r／min。它是采用钕一铁一硼永磁体的轴向气隙横向磁通电机。英国正在研制3MW横向磁通永磁电机样机，下一步是研制16～24MW永磁电机。 电力电子器件。由于舰艇与潜艇不同，不适宜于使用直流推进电机(受容量限制，难于用于水面舰艇的中高速工况)。因此，美海军的水面舰的综合电力推进系统采取了取消中间直流环节的交一交电力推进方式，即直接变频器(变换器)推进系统。这种变换器无中间直流环节，而直接把一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电(通常小于输入频率的1／3)输出。这种变换器由交流电源提供换向电压，可以用同步电机和异步电机。由于取消了中间直流环节，所以由这种变换器供电的电机具有很好的动态性能，当采用矢量控制时尤其如此。 水面舰艇采用带直接变换器的交一交电力推进系统预计未来的应用领域将不断扩大，组成推进系统的各部件包括发电机组、变频器(即变换器)、推进电机和电力控制系统都将随相关技术的发展而提高性能。脉冲宽度调制变换器电力推进系统已用于民用船舶，它可对推力进行精确控制而且响应时间短。永磁同步电动机和横向磁道电动机加带绝缘选通双极晶体管的脉冲宽度调制电压电源变换器是水面舰艇采用电力推进的最佳选择。 2、潜艇动力装置展望 21世纪的弹道导弹核潜艇和攻击型核潜艇仍然将主要采用压水反应堆，不会有革命性的变化。但目前采用的压水反应堆，可再挖掘潜力，将功率提高一倍，使核潜艇的航速再提高5节。核安全问题也是未来压水堆要重点加强的问题。 挖掘潜力的方向是增长堆芯寿命，提高功率密度和自然循环能力，降低噪音。目前普遍采用的自然循环反应堆，提高自然循环能力后，在堆功率达30％时仍可不用主泵。在发生失水事故时也能导出余热，使堆芯不致熔化。此外，不用主循环水泵也减少了一个噪音源，对潜艇的安全也有利。 增长活性区寿命，可提高核潜艇的续航力，减少换燃料的次数，提高安全性和经济性。美新造SSN—21“海狼”级攻击型核潜艇、英国在建的“机敏”级攻击型核潜艇和法国核潜艇的反应堆均达到与艇同寿。 紧凑布置，简化系统也是未来核反应堆的努力目标。法国攻击型核潜艇采用半一体化布置，将蒸汽发生器布置在反应堆上方，主泵和压力壳之间采用短管连接。 21世纪常规潜艇的动力装置可能酿着革命性的变化。即世界上的常舰潜艇在改进铅酸电池，发展新的蓄电池的同时，可能会越来越多地要采用所谓不依赖空气的动力装置（AIP）。潜艇用不依赖空气的动力装置目前各国在进行研制或开始装艇的有下列几种：斯特林发动机(我国又称热气机)、闭循环柴油机、闭循环汽轮机、燃料电池。预计在未来10年内，世界上将有20多艘常规潜艇采用AIP装置。它们是瑞典“哥得兰”级潜艇、巴基斯坦“阿戈斯塔90B”级潜艇、德国212A级潜艇、希腊和韩国214级潜艇。瑞典海军“哥得兰”级潜艇共3艘，每艘装两台功率为75kW的V4-275R型斯特林发动机，最大功率共150kW，持续输出功率130kW。其中，75kW用于日用电，55kW用于推进，航速5节。“哥得兰”级潜艇采用的动力装置是斯特林发动机与柴油机电力推进的混合推进装置。斯特林发动机使用液氧和柴油，工作气体为氦。 巴基斯坦“阿戈斯塔90B”级潜艇采用闭循环蒸汽轮机。这种汽轮机在法国又称为自主式水下能源系统（MESMA），目前只有在法国研制。其“汉扎”号潜艇装的1台闭循环蒸汽轮机，巴基斯坦海军已在法国进行全面性试验后接受。燃料为甲醇，氧化剂为液氧，功率200kW。同级的前两艘也将在第一次改装时加装闭循环汽轮机系统舱段。 德国海军4艘212A级潜艇，希腊海军的3艘和韩国海军的3艘214级潜艇采用燃料电池。燃料电池均为德国西门子公司研制的质子交换膜燃料电池。212A级潜艇的质子交换膜燃料电池为第二代燃料电池，每艇9块模块，每模块34kW，总功率306 kW。除燃料电池外，该艇还装有1台MTU 16V 396柴油机，功率4243hp；1台交流发电机；1台永磁同步推进电机，3875hp。还有钠硫高能电池。德国海军212A级潜艇的前两艘已经下水，首艇将于2004年3月服役。希腊海军的214级潜艇的质子交换膜燃料电池为第三代燃料电池，每艇2块模块，每模块120kW，总功率240 kW。与212A级潜艇装用的燃料电池不同，采用甲醇蒸汽重整制氢，而不是金属氢化物制氢。除此之外，该214级潜艇还装有2台MTU 16V 396柴油机，总功率8486hp。还有1台永磁同步推进电机。希腊海军214级潜艇的首艇已于2001年3月下水，将于2005年服役。韩国海军的214级潜艇的质子交换膜燃料电池和其它的动力设备与德国海军的212A级潜艇完全相同，由德国成熟的209级潜艇与212级潜艇AIP装置取长综合而成。首艇目前尚未下水。