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现代军舰为啥能跑得那么快?科普现代船舶动力体系

上传时间:2018-09-16

基本动力概述

在这里要讨论的所谓“基本动力”指的就是柴油机、燃气轮机、蒸汽轮机、核动力装置这样的能将其它相对易于存储的能源形式转化为动能的设备。它们可以作为主机、辅机,可以直接驱动船舶,或者作为发电设备的原动力机等。

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这些动力装置有不同的性能特点,也适用于不同的应用环境。我这里先笼统的归结为两方面的性能:经济性和机械与动力特性。

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经济性,综合来看就是全寿命费用。应该包括下面几个方面:
造价:简单说就是购置这个设备要多少钱。当然,连带的要考虑国家自身的工业水平,或者需要考虑国家的国际政治大环境。
燃料费用:这主要包含两个方面,燃料价值和燃料利用率。需要燃料的品质越低、单位功率燃料消耗率越少越好。另外,还有一个小因素??润滑油消耗??也可以放在这里考虑。

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可维护性:包括设备的大修周期、维护成本之类的指标。当然,这其实不仅仅关系到动力设备的经济性,还关系到使用它的船舶的可用性。
机械与动力特性,主要应该包括下面几个方面:
功率密度:单位功率需要的重量,或者说单位重量能提供的功率。这个指标决定了船舶动力设备占据的排水量和舱室空间。对于类似军舰这样对排水量分配斤斤计较的船舶十分重要。
单机功率。单台设备能达到的最大功率。如果单机功率与船舶动力要求差距较大而需要多台主机,就会导致动力系统复杂。
机动性:动力装置从停机到启动,从运转到倒车所耗用的时间。当然是越快越好。
噪音:设备运行时的噪音水平。越低越好。
功率范围:动力设备提供的最大和最小功率。若是作为主机,就决定了船舶稳定运行的最大和最小速度。 织梦好,好织梦


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柴油机 织梦好,好织梦

柴油机是使用最为广泛的船舶动力装置。当然,我讲的不止是军舰。
概括来说,柴油机最大的优点是经济性好,这个也是其被广泛使用的最大原因。另外柴油机的机动性也很好,从停车到正常运转,从正常行驶到满负荷,以及进入倒车状态需要的时间都很短,一般都可以在两三分钟内完成。 织梦好,好织梦

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▲船舶用柴油发动机

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柴油机的缺点,或者说不突出的性能也很多。
柴油机的功率范围较小,其抗过载能力低,比额定功率提高10%时只能维持个把小时。最低转速也没法搞太慢,转速大概可以降到最高额定功率时的三分之一。所以一些装备柴油机的船舶需要开极低速时经常需要反复的开机、关机。
柴油机的单机功率没法做太大,这对于不太追求速度的船舶或者航行状态不算是缺点。
由于机体兼有往复运动和转动,并需要两类运动的转换,柴油机的机械冲进和摩擦比较大。所以其噪音比较大;润滑油需求量也大,这稍微降低了其经济性。
柴油机还有一些方面的性能很难一言而蔽之,因为柴油机的的性能谱跨度很大,所以一般至少要将柴油机划分为:高速机(每分钟1000转以上)、中速机(每分钟300~1000转)、低速机(每分钟300转以下),予以分别阐述。
总体来说,从高速机到低速机,经济性越来越好。中速机的单位功率燃油消耗低于高速机,不过低速机却比中速机略高,但低速机可以烧重油这样的劣质燃料,所以实际经济性比中速机要好。
功率密度上,从高速机到低速机越来越差。一些高速机的功率密度几乎可以逼近燃气轮机,一些低速机功率密度已经降到和蒸汽轮机相当。也就是说,功率密度差距超过10倍。
柴油机的单机功率相对较低。总体趋势是从高速机到低速机可以越来越大。但一般都在数百至几千千瓦级别。一些用于大型商船??比如油轮??上的低速机可以达到上万千瓦级别,它们的转速一般也在每分钟100转以下,通常不需要变速齿轮,可以直接驱动螺旋桨。

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维护性上,在各类动力机械中柴油机的大修时间间隔适中,从高速机到低速机大修间隔越来越长。
总的来说,柴油机以其良好的经济性、机动性是绝大多数船舶动力要求的最佳选择。不过由于单机功率和功率密度之间的相互矛盾,加上噪音和功率范围的不够突出,在高性能船舶里难堪大任。
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燃气轮机 织梦好,好织梦

燃气轮机是现代多数先进驱护舰上的主要动力来源。
总的来说,燃气轮机的优点在于其优异的功率密度和较高的单机功率。燃气轮机的机动性也非常好,从停机到启动,从启动到满负荷,所用时间比柴油机还要短些。燃气轮机的噪音也相对比较低。 dedecms.com

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▲MT-30舰用燃气轮机 copyright dedecms

燃气轮机的缺点也有很多。燃气轮机经济性差是很有名的,但这个缺点不是油耗高这么简单。其实,燃气轮机的油耗并不高,现代燃气轮机的油耗率十分接近高速柴油机,更是远胜蒸汽轮机。只不过,燃气轮机对燃料的品质要求很高。燃气轮机造价高,大修周期也相对要短,维护费用也高。制造舰用燃气轮机需要很高的工业水准,能够生产的国家屈指可数,这就增加了很多国家使用此种动力的经济和政治代价。想大规模使用,自己没有强大的工业水准是不要想的。
燃气轮机废气温度高,需要更多考虑红外隐身的问题。当然,使用再热循环之类方案的燃气轮机情况好些。但是有利用高温废气的燃-蒸联合动力装置,能很好的解决废热问题,同时能很好的提高动力系统热效率,后面介绍联合动力装置时会再多说几句。
燃气轮机工作时,空气流量大,需要更宽阔的通道,舰体设计上要考虑更大开孔对诸如舰体强度、舱室布置影响之类的问题。
另外,燃气轮机机动性虽然好,但却不能倒车运行,军舰需要设置专门的倒车传动机构,或者使用较为复杂的变矩螺旋桨技术。
不同燃气轮机的各项性能指数也有差距,稍微关键点的指标差距在于功率密度、单机功率、大修周期等,一般功率密度低的经济性稍好点,大修周期也更长些。但性能上的差距远达不到柴油机那么大跨度。

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总的来说,燃气轮机更多还是发挥其功率密度与单机功率的优势,用于军舰,尤其是军舰高速行驶时的加速机组。也有一些小功率的燃气轮机用于各种民船,但性能上和柴油机有重叠,而经济性又有所不如,一些比较高级的民用船舶为了噪音、时髦之类的原因可能使用。

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蒸汽轮机

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蒸汽轮机是相对古老的船舶动力装置,对工业水平要求相对较低,能独立玩得起的国家更多。
蒸汽轮机的优点除了实现起来相对简单外,其单机功率可以做得很大,能容易的满足舰艇动力需求。舰用的单机有达到7.5万千瓦的。这其实也不算什么,因为火力发电厂里面有百万千瓦级别的。 内容来自dedecms

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▲船用蒸汽轮机

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蒸汽轮机运行时没有周期力作用,噪音低,摩擦低,润滑油消耗低,大修周期可以达到十万小时以上。蒸汽轮机对燃料品质的要求是最低的。
蒸汽轮机的缺点也非常严重。
蒸汽轮机本身的结构和紧凑,可是其需要锅炉、泠凝器、辅机等设备,这样综合下来其功率密度就十分悲催了。单位功率所需重量要达到燃气轮机的十几倍甚至二十倍以上。
蒸汽轮机的经济性差。虽然其对燃料的品质要求低,但燃料消耗却很大,几乎是柴油机的二倍,在低速工况下燃料利用效率则更低。虽然热电厂使用的蒸汽轮机可以达到很高的热效率,但那是在不计重量与体积代价,采用了大量复杂的回热循环才达成的,在需要尽量节省空间和重量的船舶上是不可能为动力系统做这种设置的。
蒸汽轮机的机动性很差。如果是冷开机,其启动前要加热滑油、冷凝器抽真空、主机暖机、等待锅炉开锅后使蒸汽达到指定标准……一般常需要半个小时以上的时间才能开动。倒车过程一般也需要15分钟以上。

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作为一种古老的动力装置,除了单机功率和大修间隔突出外,蒸汽轮机的缺点很严重。除了一些特殊用途(比如利用核动力或要驱动的船太大)或者工业水平低的国家为了追求较大功率主机外,现代舰船已经很少使用。

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核动力 copyright dedecms

核动力可以视为是用反应堆作为锅炉的蒸汽轮机动力系统,但因为核反应堆技术上太过独特,所以常称“核动力”装置如何如何。
核动力带来两个突出优点:不依赖空气的能源;“无尽”动力(燃料消耗量极低)。由于实际还是是用蒸汽轮机,所以前面讲的蒸汽轮机的优缺点,现代的船用核动力装置一般都有,但又有所不同。
功率密度。因为反应堆需要相当的重量用于辐射屏蔽,所以核动力的功率密度比常规的蒸汽轮机还要低,单位功率所需的重量比常规蒸汽推进要重30%以上。不过由于“无尽动力”不需要燃料槽,从整个动力系统角度来说,只要功率不是太低,其占用的空间与排水量还是比较少的(对航母意义很大)。只是当系统功率比较小的时候,情况要恶化,对于舰艇的排水量占用是很恐怖的。比如班布里奇级,有人认为实现其战斗能力的常规动力驱逐舰只需要其排水量的60%多。

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▲戴高乐号核动力航母的动力推进装置示意

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机动性:因为投入运行后反应堆很少会完全停堆,所以开动时间会缩短。
噪音:由于反应堆增加了一回路泵,比较蒸汽轮机噪音有上升。所以一些潜艇用堆都设计有自循环功能,至少保证其巡航时保持低噪声。
经济性:比起常规动力,核动力的经济性可谓一败涂地。反应堆造价高昂,维护复杂;核燃料消耗速率虽然极低,但价钱实在贵的离谱。总体来说,无论是先期投入还是燃料消耗还有设备维护,核动力的投入一般都十倍于常规动力。
关于核动力的经济性这里多说几句。人类实现了经济性匹敌燃煤火电站的核电站,所以有人对核动力经济性的悲催程度存在错误认识。只能说,船舶动力的特殊性决定了其与陆地装置有很大不同。船舶动力对于空间、重量有要求,工作环境恶劣,还要考虑舰艇本身的可用性或者说使用率以及维护难度。船舶动力用反应堆要尽量的小,而更换燃料周期要尽量的长。这就要求反应堆有高的燃耗,需要浓缩度更高的核燃料。堪用的舰用反应堆核燃料浓缩度没有低于20~30%的,美国的舰用反应堆使用的是93.5%的退役核武器装药。而核电站燃料没有超过5%的,很多直接使用天然铀。燃料费用是有极大差距的。舰用反应堆的可靠性等方面也有更高要求,与民用堆技术有很多差别。
总体来说,由于其惨绝人寰的经济性,核动力已经是几乎退出了全部的船舶动力领域。现在只有潜艇和大型航母等最能体现其“不依赖空气”“无尽动力”优势的领域才有核动力装置的身影。 本文来自织梦

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联合动力装置

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按照我们前面的介绍,不同的船舶动力各有自己的优缺点。而设法将它们组合起来,起到优势互补、扬长避短的效果是当然的考量。所以人类搞出来了各种联合动力装置。这些动力装置的确也达到了优势互补的效果,具有比单一动力系统更优越的性能。当然,联合动力系统也带来了系统复杂、增加维护难度等问题。但总地来说,以人类目前的技术,各种联合动力装置带来的好处要大于其带来的问题。
大家经常会见到联合动力装置的英文缩写,它们一般都以CO开头,坚决维护习近平总书记党中央的核心全党的核心地位 更,后面3到4个字母表示采用何种动力系统组合,以及它们之间协作关系如何。字母和动力对应关系为:S蒸汽机、D柴油机、G燃气轮机、N核动力、L电力。动力协作关系为:A可同时工作、O交替工作。比如说我国最早使用联合动力的旅沪级就是使用的CODOG,柴-燃交替联合动力装置。
下面介绍一些具体的联合动力: dedecms.com

柴-燃联合动力

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这是当前最为常见的联合动力方式。柴油机以经济性见长,燃气轮机以功率密度和单机功率见长。前者正适合船舶巡航状态使用,后者适合船舶高速行驶时提供动力??学名上叫做巡航机组和加速机组。

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▲出口泰国,配置柴-燃联合动力的F25T护卫舰 dedecms.com

但是燃气轮机和柴油机的转速和动力特性等指标都有较大差距(其实同类机不同型号也有类似问题),如何让它们协同工作是一个问题,所以此类联合动力系统的传动装置设计十分关键。有需要、并能解决好的,可以让它们同时工作形成CODAG。否则便让它们交替接入传动系统中为它们各自设置的离合器,形成CODOG系统。当然,柴油机功率一般不超过系统总功率的20%,CODOG相对于CODAG的最大航速损失相对有限。
另外,由于燃气轮机有宽广的功率范围,所以采用柴燃联合动力的军舰还可以具有比全柴动力(有时被称为CODAD)更低且更静音的航速,这对反潜是有利的。
总的来说,柴燃联合动力系统同时照顾了经济性和一些情况下必要的大功率需求,功率密度和机动性也都好,堪称黄金搭档。世界各国较为先进的各种驱护舰多采用此种动力组合方式,比如荷兰的七省,法意的地平线,德国的MEKO、萨克森都是如此。

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燃-燃联合动力 dedecms.com

前面提到过,燃气轮机也有性能指标的差异。也存在利用一些经济性、维护性好,功率较低的燃气轮机作为巡航机组,用功率和功率密度高的燃气轮机做加速机组,从而构成类似柴-燃联合动力的COGOG或者COGAG系统的情况。例如俄罗斯的无畏级使用M62和M8KF构成构成COGAG;日本村雨级和高波级使用SM1C和LM2500构成COGAG。 copyright dedecms

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▲美军“基德级”驱逐舰使用燃-燃动力驱动

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当然,也有使用同型燃气轮机组成COGAG系统的情况(其实由于主机型号一致,总感觉称为联合动力似乎有些不合适)。最有名的当然是美帝从斯普鲁恩斯之后建造的几型主战巡、驱舰艇。它们一般安装4台经典的LM2500燃气轮机,巡航时开动其中1~2台,加速时开动全部4台。日本较新服役的秋月级也是采用4台劳斯莱斯的SM1C,较之村雨和高波略显怪异的动力配置,有更高的系统效率。
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燃-蒸联合动力

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提到全燃动力就不能不提这种动力系统,此种联合动力系统在前面讲燃气轮机特性的时候也曾经提及。简单的讲,此种动力系统就是利用燃气轮机排出的高温废气作为热源,烧锅炉驱动蒸汽轮机的。

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美国曾经有人提议在伯克级上加装此类原理的蓝肯循环装置。陆上电站中类似系统的热效率能达到惊人的60%。舰上系统也应该会获得20%以上的油耗降低,经济性可获得大幅提升。
但是美国人考虑到这样会给系统增加复杂性而降低可靠性,增加动力系统占据的空间与排水量,且还要增加设备和后续维护的军费投入。评估下认为搞起来不划算,也就没有增添相应的装置。话说回来了,能搞得起全燃驱动的海军,大概也真不会太在乎全寿命周期多花的那点油钱吧,系统的紧凑、简洁、可靠是他们更关注的东西。 copyright dedecms

电力推进 织梦好,好织梦

电力推进当然是指由电动机带动螺旋桨驱动船舶的动力系统。为了让电机转起来当然我们要在船上安装发电厂。电力推进系统需要包含这样一些部分:电动机、发电机、原动机,原动机就是我们前面介绍过的各种将化学能转换为动能的各种船舶动力。
电力推进有很多优点。我们先来看电动机的优点。
电机的机动性好:开机、倒车之类的动作可以在秒级的时间内完成,各种热机动力望尘莫及。

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▲采用全电力推进的英国45型驱逐舰 dedecms.com

操纵灵活:常规的船舶动力操纵一般需要由驾驶室通过车钟向机舱传递主机操纵指令,主机操作人员依令操纵主机后再通过车钟向驾驶室回令。而电力推进则可由驾驶舱直接控制发电机和电动机磁场、电流,不仅反应灵活,而且可以避免一些人为的误操作。
功率范围巨大、低速性极好:加之电动机较为安静,有利于反潜行动。对于船舶进出港口、码头停靠也都十分有利。
电动机有良好的堵转特性:当遇到螺旋桨卡住等故障时,不必断开电机,待故障排除后螺旋桨能自然迅速恢复运转。而其它推进装置需要频繁的做主机与传动系统的“断开-接通”操作。
作为一个系统,电力推进也有很多优点。
一定意义上,电力推进可以视为一种相对于齿轮轴系传动独特的传动方式。当然电力驱动的优势并不在能量传递效率,齿轮的同样高甚至更高??对于上万千瓦的动力系统,齿轮箱里1%的损耗也意味着上百千瓦,效率低的话齿轮箱自己就会先受不了了。
电力推进原动机和螺旋桨可以不用硬性连接,有利于减低振动,降低噪声。不仅主轴长度也可以大大缩短,更重要的是由于传动的是导线,原动机与发电机的位置和朝向不必设在主轴和螺旋桨限制的狭小范围,从而令动力系统布置更灵活。
电力推进可以有很好的恒功率特性。我们前面概述基本动力时,提到了它们的效率,这个指标一般会是以每千瓦时消耗燃料来定量描述的。对于所有热机,这个数据都是一个范围。因为热机在工作时可以有不同的速度和功率组合:特定的功率下可以有不同的转速,特定的转速下能输出不同的功率。热机允许的功率-转速组合是其可用工况,不同工况下的效率是不同的。使用热机通过齿轮直接驱动船舶时,经常需要其在热效率不同工况间切换,其很难保持在最优工况。而使用电力驱动,原动机可以尽量使用最优工况工作,使其充分发挥效率。推进装置总功率也是由多个机组承担的,在一定功率输出要求下可以更加灵活的选择不同的原动机。

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电力推进也有自己的问题和难点。和陆地电网不一样,舰艇上每个用电设备相对于供电电网的总功率都十分可观,每种耗电设备开关机对电网电流、电压、频率的影响都很大,需要设备更稳定、可靠。动力系统需要的设备从直接驱动的主机+齿轮箱+长些的主轴,变成主机+发电机+电动机+短些的主轴,由于采用了更多设备,动力系统的功率密度实际是下降的。总体来说,电力驱动的问题主要在于整体装置的重量大,初期投资大,需要维护运行的水平高等方面。
英国海军23型护卫舰就采用了电力推进系统。以四台柴油机带动四台发电机驱动两台电动机作为巡航动力,两台SM1A燃气轮机作为加速机组。称为“柴油机电力传动和燃气轮机联合推进系统”CODLAG。此种护卫舰的反潜性能很好,动力系统为其打下一个好基础。
现在电力驱动的发展方向为“全电推进”。整条军舰实现电气化,不仅所有动力都由电机提供,各种雷达、通讯设备、武器系统都进行统一电力管理。总体更为方便、灵活、高效。英国人在45型驱逐舰上就实现了全电推进。我国也实现了单轴功率20兆瓦的动力设施的全国产化,在以后建造的大中型水面舰艇应该会出现全电推进。
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其它一些联合动力

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这里列两种由于某方面技术不成熟或者不足而引进的联合动力。

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蒸-燃联合动力(COSAG)

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英国人在五六十年代列装的郡级驱逐舰上采用的动力系统。蒸汽轮机提供约22兆瓦动力,4台燃气轮机构成的加速机组也提供22兆瓦动力。总体大概6万马力。在当时技术条件下,易于维护的蒸汽轮机可以提供舰艇80%全速下的动力,只有偶尔需要高航速的情况下使用功率密度大的燃气轮机,整个系统的好处是比纯蒸动力节约重量与空间。此类动力系统在燃气轮机技术不断完善成熟,尤其是大修周期大幅延长的条件下已经被淘汰。 本文来自织梦

核-蒸联合动力(CONAS)

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基洛夫级导弹巡洋舰上的动力系统。由于苏联人的反应堆功率不足,舰艇加速时需要常规的蒸汽动力辅助驱动。 copyright dedecms

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▲采用核-蒸联合动力的俄罗斯基洛夫级导弹巡洋舰 织梦好,好织梦

特种动力装置 本文来自织梦

热能动力 织梦内容管理系统

这里要讲的就是各种各种“不依赖空气”的热机。这些东西大家应该是耳熟能详了,就是各种AIP机械。它们主要包括闭式循环斯特林发动机、闭式循环柴油机、闭式循环汽轮机、闭式循环燃气轮机等。受限于卡诺循环,它们的热效率比依赖空气的同类们要低;而且涉及到氧气存储、二氧化碳处理等问题,也更复杂,功率密度更低。但是,相对除核动力外的其它不依赖空气的动力装置,它们单机功率大、技术成熟,是目前主要的AIP动力。 内容来自dedecms

小型核能装置 dedecms.com

我见过的一些讲船舶动力的本科教材提到过这种东西,但是语焉不详。没有指明其能量源是何种核反应,个人从其描述猜测,其应该是采用某种放射性同位素作为能量源。此类装置应该是依托放射性热源,做成封闭模块,内部设置自然循环的换热回路。
小型核能装置的自持力长,可以维持运行10~20年;装置具有较高的核安全性和生态环境安全性;装置免维护。
此类装置可用于航天、深海工作站。当然,地下六?彩资料2018,就我们的论题,其可应用于常规AIP潜艇。
此类装置的问题就是热效率极低,仅能达到3%。造价的情况则未见论述。

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水下化学电源 内容来自dedecms

水下化学电源就是指各种可应用于潜航器的电池:蓄电的、半燃料的、燃料的。
蓄电池常见的有铅酸、锌银。大容量的锂离子电池也已经在鱼雷上出现。但蓄电池的能量密度始终是它们的大问题。
半燃料电池有锂水电池和铝氧电池。锂水电池可以用海水反应,较有吸引力,但锂价格较贵。燃料电池中最有使用前景的当属使用质子交换膜的燃料电池,探索更可靠地电池组体结构,更简单的辅助系统是需要研究的方向。
燃料电池能达成化学能-电能的直接转换,无噪音、效率高。但目前提供的功率有限,实际说还是功率密度低,所以在潜艇的空间、重量限制内达不到满意的功率。 织梦好,好织梦

蓄热式非传统能源 本文来自织梦

此类装置是将能源暂时用高效蓄热器储存起来(现代储能时间超过160小时),需要时通过一定的转换装置将储存的能量释放出来。
其蓄热器使用的蓄热材质可分为相变和无相变的。
相变蓄热材料多使用具有较大固-液相变潜热且熔点低的材料,例如LiOH、LiF、NaF、MgF2等。使用此类材料的蓄热器多用于水下设备加热与人体保温等小用途。且总的来说,蓄热材料要么相变潜热低,要么有毒,要么昂贵。
无相变蓄热材料中以石墨的蓄热能力最强。将其从273K加热到1000K,每公斤蓄能0.28千瓦时;加热到3000K时,每公斤蓄能1.44千瓦时。蓄热时一般在包绕石墨材料的线圈上同交流电,通过涡流加热石墨,也可以用微波加热。
高温蓄热器续集能量的释放可以采用小型外燃机(斯特林发动机)的形式,也可以采用热电直接转换装置。

最后,简单说一说咱们国产驱护舰艇的动力装置。
国产护卫舰主要考虑经济性,目前为止基本采用的都是柴油机动力,除了青年和新青年采用4台柴油机外,其它各型江湖、各型江卫、江东、江南都只使用2台柴油机。传言中的054B或者有可能会采用柴燃联合动力,上全电驱动。
另外,还有更早的成都级,是苏联Riga级的国产货,动力应该是蒸汽轮机。
长期以来作为舰队主力的驱逐舰对舰艇的速度有较高的要求,配备的主机功率就要比较高。

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这样,第一代国产驱逐舰051就只好采用蒸汽轮机动力了。
冷战末期、改革开放开始不久,我们和西方关系明显著改善,从美国引进了LM2500,买了德国MTU柴油机并请德国人设计了CODOG装置。我们第二代驱逐舰052采用了柴燃联合动力。
8*8之后外购动力渠道封死。1995年开建的051B型独苗167舰重新使用了蒸汽轮机动力。但也有资料说该舰采用了CODOG动力(有说是052第三条114停建,主机给了它),具体情况我没能查找更权威资料。
此后,我们从乌克兰引进了原本是红色帝国为其水面舰艇研制的GT25000,于是有了让全体军迷沸腾的052B和052C四舰上的CODOG。
“中华俄式神盾”051C型两条又采用了蒸汽轮机,有传闻说是为了节省动力系统的建造费用。
引进GT25000也引进了相关制造技术,国产化型号命名为QC280。有了这样渠道可靠的国产货后,052C、052D以及传闻中的大驱终于可以下饺子了。

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