王安存
（中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064）
【摘 要】从舰船推进形式分析了系统设计应考虑的要素，在总结跨接技术实质的基础上，结合双向电机技术提出一种新型的跨接技术。该跨接技术实现了推进系统与电力系统的功率转换，使舰船具备了跨接条件下的电力辅助推进功能和利用多余推进系统功率的发电功能。该技术的应用可提高舰船的经济性、生命力和隐身性。
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关键词 跨接技术；电力跨接；双向电机
作者简介：王安存（1978—），男，硕士，研究方向为舰船总体设计。
1 常用舰船推进形式
推进系统是舰船的重要系统，使舰船具有规定的机动能力，能够使舰船在规定时间内完成一定的作战任务。因舰船航速跨度大，运行工况多，致使推进系统设计运行模式多样。推进系统的多工况使用要求决定了系统组成复杂，设计中需统筹考量诸多因素，如航速、排水量、经济性、声隐身性、生命力等。
经过多年的发展，舰船推进系统逐渐形成多种形式。推进方式由单轴单机发展到单轴双机、双轴单机的跨接推进，由一种动力装置发展到多种动力装置。按动力装置分类，推进形式主要有柴油机、燃气轮机、蒸汽轮机、核动力、电力推进等形式。在燃气轮机广泛应用于舰船之后，产生了大量联合推进形式进一步丰富了推进形式，产生了汽轮机和燃气轮机联合推进形式（COSAG）、柴油机与燃气轮机联合使用推进形式（CODAG）、柴油机和燃气轮机交替使用推进形式（CODOG）、燃气轮机和燃气轮机联合使用推进形式（COGAG）、燃气轮机和燃气轮机交替使用推进形式（COGOG）。推进形式的丰富进一步满足了舰船各种使用工况，提高了舰船使用性能。
据统计[1]，在世界主要海军强国的水面舰艇中，采用燃气轮机动力装置的舰船占45.5%，采用柴油机动力装置的舰船占20.1%，采用联合动力装置占16.8%，采用蒸汽动力装置占14%，采用核动力装置占3.6%。
2 推进系统设计应考虑的要素
推进系统对于舰船作用非常重要，在系统设计中应综合考虑多方面要求，从而使得舰船综合性能兼优，具有足够完成使命任务的能力。综合起来，推进系统设计中主要计及的要素如下。
2.1 推进系统最大功率
推进系统所能提供的最大功率主要取决于两个要素，一个是舰船的设计排水量，一个是最大设计航速。推进功率需能满足舰船在设计排水量下达到设计航速的航行要求。推进系统的最大功率决定了主动力装置的选型、数量，也决定着传动装置的设计。
2.2 使用经济性
舰船的使用经济性也是推进系统考虑的重要因素之一。一般来说舰船设计中会根据使用要求，将最常用的航速作为燃油经济性设计的工况点。在该航速下使用时，舰船具有较好的燃油经济性。如常用的联合推进方式在很大程度上就提高了舰船使用的经济性。
2.3 生命力
作为舰船的主要系统，推进系统必须具有良好的生命力。推进系统在设计中会考虑主动力舱布置，推进系统的可分组独立独工作，遭受打击的可能性小，遭受打击功率损失小[2]。主动力装置的尺寸型号、动力舱室（主动力舱、传动装置舱等）布置均应考虑推进系统的生命力。
2.4 隐身性
推进系统与声隐身、红外隐身有关。舰船一般会设计反潜或防潜工况，该工况尤其需要抑制自身噪声。良好的隐身性设计是降低舰船遭受打击概率的重要手段。按照舰船使用功能针对性开展设计，做好装备选型和隐身防护设计。
以上要素相互间并不孤立，在舰船综合使用性能指标上具有联系，落实于推进系统的方案中。
3 新型跨接技术及应用分析
3.1 起因
联合推进形式中，尽管较好地改进了舰船使用经济性，但增加了主动力装置类型和数量。如柴油机和燃气轮机交替使用推进形式（CODOG）就在原有基础上增加了柴油机推进动力装置。多种推进主机并存，在一定程度上增加了舰船资源消耗，使建造经费增加和系统组成复杂。由此产生了跨接技术。目前跨接技术主要通过跨接齿轮箱的形式实现。将两个轴系通过跨接齿轮箱相连，实现了一台主机推动双桨，如图1。在经济工况时，由一台主机通过跨接齿轮箱推动双桨运行，解决了双机低工况运行经济性差的问题，也无须增加推进柴油机。
跨接形式是一种能量转移方式，跨接齿轮箱是机械能转移方式。其他形式（如电能）如实现能量转移，同样可以实现跨接功能，这种形式可称为电力跨接。在电力跨接基础上进一步延伸，本文提出一种基于双向电机的新型跨接技术。
3.2 新型跨接技术
新型跨接技术是基于双向电机技术。双向电机即可作为发电机使用，亦可作为电动机使用。当向其输入机械能，其作为发电机将机械能转化为电能；当向其输入电能时，其作为电动机将电能转化为机械能。新型跨接技术是在舰船双轴推进形式上，通过轴带双向电机实现二者跨接功能。新型跨接技术的推进系统形式示意图如图2，图中虚线表示电缆连接。该跨接方案将原跨接齿轮箱更换为两台双向电机，通过控制及转接装置与舰船电力系统相连。
3.3 新跨接技术下的推进下系统使用
新型跨接技术应用于舰船推进系统后，在保证跨接功能的基础上，还同时增加了轴带发电、电力推进功能。下面对改进后的跨接方案的应用进行分析。
3.3.1 高航速运行工况
高航速运行时，可以脱开轴带双向电机，两套推进系统可独立运行。与应用新跨接技术前相同。
3.3.2 巡航航速工况
在巡航航速工况时，可以通过其中任一主机推进，其轴带双向电机作为发电机使用，将剩余功率转化为电能。电能通过控制机转接装置输向另一部轴带双向电机。此时，另一部轴带双向电机作为电动机使用，将另一侧的电能转化为机械能，推动该轴推进。从而实现两套动力系统的跨接。
统筹情况下，巡航工况时单台主机具有一定程度的功率剩余。因此可以适当提高该工况下主机运行功率，使其轴带发电机发出的功率同时满足另外一轴的推进和电力系统的负载，从而提高主机运行效率，提高全舰运行经济性。
3.3.3 更低航速运行工况
当舰船在更低工况运行时，可分为两种情形。一种是推进功率大于电力系统剩余功率，一种是小于电力系统剩余功率。对于推进功率大于电力系统剩余功率的工况，其运行方式同巡航航速工况。对于推进功率小于电力系统剩余功率的工况，可以开启电力系统原本剩余的发电机组，发出的功率向两部轴带双向电机。此时两部轴带双向电机作为电动机使用，将电力系统输入的功率转化为推进功率，从而实现该工况下的推进。
对于第二种情形，即避开了在低工况下主机运行效率低下，也避免出现主机在低工况下运行不稳定的情况。
3.4 新型跨接技术应用分析
新型跨接技术既能满足跨接功能，而且将动力系统与电力系统在相互功率剩余的情形下实现相互转换，从而实现了跨接功能的拓展。通过使用分析，新型跨接技术应用可带来如下性能改进。
3.4.1 进一步改善使用经济性
新型跨接技术的应用，可以将推进系统的剩余功率转化为电能，从而节省电力系统的燃油消耗。相对于齿轮箱跨接形式，进一步可提高全舰运行的经济性。
3.4.2 提高了推进系统生命力
新型跨接技术实现了推进主机布置更加灵活，有助于提高推进系统的生命力。在主动力系统遭受打击完全丧失功能后，电力系统推进低速航行能力进一步提高了推进系统的生命力。
3.4.3 隐身性
新型跨接形式运行时，避免了跨接齿轮箱运行的机械噪声，有助于改善舰船的声隐身性能。在在电力系统提供推进功率时，不仅能进一步降低机械噪声，而且能降低红外隐身特征，从而实现声隐身与红外隐身性能的提高。
尽管该技术使推进系统组成增加，使用工况增多，增加了推进系统和电力系统的操作和控制难度。作为跨接技术的改进，新跨接技术有助于提高舰船的综合性能，具有解决当下急需的现实意义。综合电力系统虽然具有明显的技术优势，但关键装备的某些技术仍需突破，与之相比新跨接技术所需装备的研制困难更低、风险更小。
4 结束语
新型跨接技术是机械跨接技术的改进，从上述分析可已看出新型跨接技术在多个方面对系统和舰船总体性能均有改进提高，对于舰船总体设计具有明显积极作用。该技术实现了推进系统与电力系统的功率交换，为二者共同设计提出技术途径，是推进系统与电力系统逐步实现整合统一过渡性技术。在全电力推进技术还未能全面突破的情形下，该技术作为过渡性技术具有可满足现实应用的积极意义。
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参考文献
［１］谢骏,等.水面舰艇动力装置现状与发展趋势分析[J].论证与研究,1999.
［２］邵开文,马运义.舰船技术与设计概论[M].北京:国防工业出版社,2005.
［责任编辑：邓丽丽］