[科普]船舶动力简介

　　本人做了多年军迷，限于精力投入和行业差距，熬了多年还只是老菜鸟。偶尔看到些小菜鸟的言论和疑问，就想简单科普一下船舶动力的问题，供参考。如果以后有时间和兴致的话或许会翻翻读过的几本本科教材（俺最多也就这水准了），查找并总结数据。这里只做一个性能上的简单介绍。
　　有什么问题还望方家斧正。


　　船舶动力装置就那么几种几本机型：柴油机、燃气轮机、蒸汽轮机、核动力。它们各有特点，是以经常会有各种形式的联合动力装置存在。另外在介绍点特殊动力装置。


基本主机类型

柴油机

　　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。另外柴油机的机动性好，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。

　　缺点，或者说不突出的性能很多。比如说功率范围较小，抗过载能力低（比额定功率提高10%也只能维持个把小时），最低转速没法搞太慢，转速大概可以降到最高额定功率时的三分之一；润滑油需求量大（这稍微降低了其经济性）；单机功率没法做太大（当然，对于不太追求速度的民船或者巡航态的军舰这不是缺点）；噪音比较大；大修时间间隔适中……

　　但柴油机的一些性能很难一言而蔽之，因为它的性能谱跨度很大，所以一般也要将柴油机划分为：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）。

　　从高速机到低速机，经济性越来越好。单位功率燃油消耗中速机低于高速机，不过低速机却比中速机略有上升。但是低速机可以烧重油，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，单位功率所需重量的差距超过10倍。

　　单机功率上，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。

　　维护性上，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。

　　但对于很多需要大功率以提供高速性的场合，柴油机就不合适了。一个功率密度就不如燃气轮机，而功率密度接近燃气轮机的一些柴油机单机功率、大修周期都比较悲催，经济性也好不哪去。而单机功率稍好点的功率密度又悲催了。所以现代驱护舰上，尤其是驱逐舰，大多还是需要用到燃气轮机。


燃气轮机

　　燃气轮机是现代多数先进驱护舰上的主要动力来源。

　　总地来说，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。但是，燃气轮机对燃料的品质要求很高。另外，燃气轮机的造价，维护费用也更高一些。大修周期也相对要短。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。

　　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，一些比较高级的船舶为了噪音、时髦之类的原因可能使用。


蒸汽轮机

　　蒸汽轮机是相对古老的船舶动力装置，对工业水平要求比较低，能独立玩得起的国家多得多。

　　蒸汽轮机的优点除了实现起来相对简单外，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。

　　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最低。

　　蒸汽轮机的缺点则很严重。
　　蒸汽轮机本身结构紧凑，但是其需要锅炉、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甚至二十倍。

　　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。

　　蒸汽轮机的机动性差。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。

　　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。

核动力

　　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都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，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。

　　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。

　　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。

　　由于其惨绝人寰的经济性，核动力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。


联合动力装置

　　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，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。

柴-燃联合动力

　　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。

　　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。

燃-燃联合动力

　　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。

　　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，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。日本新服役的秋月级也是采用4台劳斯莱斯的SM1C。


燃-蒸联合动力

　　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。

　　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。


电力推进

　　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。
　　机动性好。开机、倒车之类的动作可以在秒级完成，各种热机动力望尘莫及。

　　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，而且可以避免人为的误操作。

　　功率范围巨大，低速性好。加之电动机较为安静，有利于反潜行动。对于船舶进出港口、码头停靠都十分有利。

　　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，如此的大热能意味着什么情况？

　　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。主轴长度也可以大大缩短，令动力装置布置更灵活。

　　电力推进可以有很好的恒功率特性。原动机可以恒定功率工作，使其充分发挥潜力。推进装置总功率可以由多个机组承担，增加设备选择灵活性。原动机和电动机都可以设置为最佳转速。

　　电力推进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。

　　现在电力驱动的发展方向为“全电推动”。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。

其它一些联合动力

　　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。

　　蒸-燃联合动力(COSAG)。英国人在自己的郡级驱逐舰上采用的动力系统。蒸汽轮机提供约22千瓦动力，4台燃气轮机构成的加速机组也提供22千瓦动力。总体大概6万马力。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。

　　核-蒸联合动力(CONAS)。基洛夫级导弹巡洋舰上的动力系统。由于苏联人装置的反应堆功率不足，该舰依靠核动力只能达到20节稍高的速度。加速时需要常规的蒸汽动力辅助驱动。

特种动力装置

　　特种动力装置的“特”可能体现在不同方面。我们先看几个特殊的动力来源。

热能动力

　　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，它们的热效率比较低；而且涉及到氧气存储、二氧化碳处理等问题，也更复杂，且功率密度更低。但是它们单机功率大、技术成熟，是目前主要的AIP动力。


小型核能装置

　　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，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。


水下化学电源

　　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很低，所以在潜艇的空间、重量限制内达不到满意的功率。

蓄热式非传统能源

　　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。



　　最后我们看看两个特殊的推进或传动装置。

采用空间传输机构的活塞发动机

　　这类机器将活塞的往复运动通过特殊的传输机构转化为轴的转动。例如凸轮、摆盘、斜盘等。因其结构紧凑、重量轻，常用于对单机功率尺寸要求较高的领域，比如鱼雷等水中兵器。

喷水推进

　　“泵喷”的名头十分响亮。比起单纯的螺旋桨，泵喷虽然增加了推进器重量，但带来一些优点。回旋时能产生侧向力减少回旋半径。噪声和振动较小，比螺旋桨低7~10分贝。

　　本人做了多年军迷，限于精力投入和行业差距，熬了多年还只是老菜鸟。偶尔看到些小菜鸟的言论和疑问，就想简单科普一下船舶动力的问题，供参考。如果以后有时间和兴致的话或许会翻翻读过的几本本科教材（俺最多也就这水准了），查找并总结数据。这里只做一个性能上的简单介绍。
　　有什么问题还望方家斧正。


　　船舶动力装置就那么几种几本机型：柴油机、燃气轮机、蒸汽轮机、核动力。它们各有特点，是以经常会有各种形式的联合动力装置存在。另外在介绍点特殊动力装置。


基本主机类型

柴油机

　　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。另外柴油机的机动性好，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。

　　缺点，或者说不突出的性能很多。比如说功率范围较小，抗过载能力低（比额定功率提高10%也只能维持个把小时），最低转速没法搞太慢，转速大概可以降到最高额定功率时的三分之一；润滑油需求量大（这稍微降低了其经济性）；单机功率没法做太大（当然，对于不太追求速度的民船或者巡航态的军舰这不是缺点）；噪音比较大；大修时间间隔适中……

　　但柴油机的一些性能很难一言而蔽之，因为它的性能谱跨度很大，所以一般也要将柴油机划分为：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）。

　　从高速机到低速机，经济性越来越好。单位功率燃油消耗中速机低于高速机，不过低速机却比中速机略有上升。但是低速机可以烧重油，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，单位功率所需重量的差距超过10倍。

　　单机功率上，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。

　　维护性上，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。

　　但对于很多需要大功率以提供高速性的场合，柴油机就不合适了。一个功率密度就不如燃气轮机，而功率密度接近燃气轮机的一些柴油机单机功率、大修周期都比较悲催，经济性也好不哪去。而单机功率稍好点的功率密度又悲催了。所以现代驱护舰上，尤其是驱逐舰，大多还是需要用到燃气轮机。


燃气轮机

　　燃气轮机是现代多数先进驱护舰上的主要动力来源。

　　总地来说，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。但是，燃气轮机对燃料的品质要求很高。另外，燃气轮机的造价，维护费用也更高一些。大修周期也相对要短。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。

　　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，一些比较高级的船舶为了噪音、时髦之类的原因可能使用。


蒸汽轮机

　　蒸汽轮机是相对古老的船舶动力装置，对工业水平要求比较低，能独立玩得起的国家多得多。

　　蒸汽轮机的优点除了实现起来相对简单外，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。

　　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最低。

　　蒸汽轮机的缺点则很严重。
　　蒸汽轮机本身结构紧凑，但是其需要锅炉、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甚至二十倍。

　　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。

　　蒸汽轮机的机动性差。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。

　　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。

核动力

　　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都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，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。

　　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。

　　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。

　　由于其惨绝人寰的经济性，核动力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。


联合动力装置

　　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，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。

柴-燃联合动力

　　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。

　　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。

燃-燃联合动力

　　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。

　　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，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。日本新服役的秋月级也是采用4台劳斯莱斯的SM1C。


燃-蒸联合动力

　　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。

　　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。


电力推进

　　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。
　　机动性好。开机、倒车之类的动作可以在秒级完成，各种热机动力望尘莫及。

　　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，而且可以避免人为的误操作。

　　功率范围巨大，低速性好。加之电动机较为安静，有利于反潜行动。对于船舶进出港口、码头停靠都十分有利。

　　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，如此的大热能意味着什么情况？

　　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。主轴长度也可以大大缩短，令动力装置布置更灵活。

　　电力推进可以有很好的恒功率特性。原动机可以恒定功率工作，使其充分发挥潜力。推进装置总功率可以由多个机组承担，增加设备选择灵活性。原动机和电动机都可以设置为最佳转速。

　　电力推进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。

　　现在电力驱动的发展方向为“全电推动”。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。

其它一些联合动力

　　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。

　　蒸-燃联合动力(COSAG)。英国人在自己的郡级驱逐舰上采用的动力系统。蒸汽轮机提供约22千瓦动力，4台燃气轮机构成的加速机组也提供22千瓦动力。总体大概6万马力。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。

　　核-蒸联合动力(CONAS)。基洛夫级导弹巡洋舰上的动力系统。由于苏联人装置的反应堆功率不足，该舰依靠核动力只能达到20节稍高的速度。加速时需要常规的蒸汽动力辅助驱动。

特种动力装置

　　特种动力装置的“特”可能体现在不同方面。我们先看几个特殊的动力来源。

热能动力

　　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，它们的热效率比较低；而且涉及到氧气存储、二氧化碳处理等问题，也更复杂，且功率密度更低。但是它们单机功率大、技术成熟，是目前主要的AIP动力。


小型核能装置

　　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，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。


水下化学电源

　　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很低，所以在潜艇的空间、重量限制内达不到满意的功率。

蓄热式非传统能源

　　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。



　　最后我们看看两个特殊的推进或传动装置。

采用空间传输机构的活塞发动机

　　这类机器将活塞的往复运动通过特殊的传输机构转化为轴的转动。例如凸轮、摆盘、斜盘等。因其结构紧凑、重量轻，常用于对单机功率尺寸要求较高的领域，比如鱼雷等水中兵器。

喷水推进

　　“泵喷”的名头十分响亮。比起单纯的螺旋桨，泵喷虽然增加了推进器重量，但带来一些优点。回旋时能产生侧向力减少回旋半径。噪声和振动较小，比螺旋桨低7~10分贝。