伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

引言

以柴油機、汽輪機及燃?xì)廨啓C等熱力發(fā)動機作為動力來源是艦船推進(jìn)裝置發(fā)展過程中的一次革命[1-4]，也是古代戰(zhàn)船向近代艦船飛躍中的關(guān)鍵一環(huán)。在相當(dāng)長的一段歷史時期，風(fēng)帆一直是船舶的主要推進(jìn)方式。以風(fēng)帆為動力裝置的戰(zhàn)船的優(yōu)勢是只要裝載足夠的食品、淡水和作戰(zhàn)物資，就能在海上隨風(fēng)逐浪航行達(dá)數(shù)月之久，但同時其最大劣勢是對風(fēng)能依賴性較高，缺乏作戰(zhàn)機動性，很難捕捉到戰(zhàn)機，而且一旦其風(fēng)帆或桅桿受損，會使全艦就失去前進(jìn)動力。因此，一直在對艦船推進(jìn)方式開展相關(guān)研究。

1 艦用蒸汽動力裝置、螺旋槳及其腐蝕防護(hù)要求研究

自1768 年蒸汽機問世后，立即引起造船界的廣泛關(guān)注，并逐步將其作為船舶的動力來源。到19 世紀(jì)30 年代后期，由半螺旋面組成的螺旋槳研制成功，引發(fā)了船舶推進(jìn)器的變革。隨后，美國方面建造了世界第一艘由螺旋槳推進(jìn)的蒸汽機戰(zhàn)船。在1853 年的錫諾普海戰(zhàn)中，土耳其16 艘軍船中唯一的蒸汽巡洋艦幸免于難并重創(chuàng)一艘俄國戰(zhàn)列艦，使人們真正認(rèn)識到了以熱力發(fā)動機作為動力來源的重要性。

1897 年，汽輪機被首次用于“透平尼亞”號船上。1900年，第一艘由汽輪機驅(qū)動的戰(zhàn)船——英國海軍“蝮蛇”號魚雷驅(qū)逐艦正式服役。此后，該類功率大、轉(zhuǎn)速高、重量輕的新型機器開始代替往復(fù)式蒸汽機作為艦船的主要動力裝置。目前，蒸汽動力裝置的關(guān)鍵技術(shù)有：增壓鍋爐的設(shè)計技術(shù)、主汽輪機組的長葉片技術(shù)，以及大功率齒輪減速器的制造技術(shù)等方面。

艦用汽輪機與電廠汽輪機不同，其經(jīng)常在變工況條件下工作，在啟動、停車、變速、正倒車等工況條件下來回變化，同時其受力情況更復(fù)雜。故一般在機組用材上更偏重于鉻鎳鋼，其在設(shè)計上的安全系數(shù)也相對較高。

在腐蝕防護(hù)方面，螺旋槳要求能耐海生物腐蝕及空泡腐蝕。機組主軸和轉(zhuǎn)子在高溫、高壓、蒸汽介質(zhì)中工作[5]，并在高速旋轉(zhuǎn)下承受較復(fù)雜的應(yīng)力，要求耐磨蝕、高溫腐蝕及應(yīng)力腐蝕。葉輪和輪盤承受巨大的切向應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力[6]，對于長期工作溫度超過400℃的輪盤或葉輪還要考慮蠕變及持久強度，需要較好的耐高溫腐蝕和應(yīng)力腐蝕的性能。汽輪機葉片主要承受氣流的沖擊力、彎曲力，高速運轉(zhuǎn)時的離心力[7]，以及由各種原因形成的振動作用，葉片材料要求具有較好的高溫力學(xué)性、耐蝕性、減振性、耐磨性，以及良好的工藝性能。汽缸、隔板、噴嘴室、閥殼等靜子零部件，視其工作條件及工作溫度之不同，往往要求更高的熱強性。為對汽缸、隔板、輪盤等的螺釘、螺帽、鉚釘?shù)攘慵M(jìn)行固定，要求材料在高溫條件下具有較好的抗松弛性能、較小的缺口敏感性、較小的蠕變脆化傾向，以及一定的耐蝕性等[8]。

2 艦用柴油機動力裝置及其腐蝕防護(hù)要求研究

1896 年10 月5 日，德國制造了世界上第一臺柴油機。由于柴油機效率高[9]、重量輕，被首先用于潛艇上。通過采用柴油機與蓄電池相結(jié)合的動力形式，使常規(guī)潛艇很快進(jìn)入了柴-電推進(jìn)時代，大幅提高了全艇機動性。自1925 年以后，美國、德國開始在水面艦船，特別是小型艦艇上采用柴油機推進(jìn)動力，同樣也提高了全艦的作戰(zhàn)能力。柴油機動力裝置的關(guān)鍵技術(shù)主要有：燃油噴射技術(shù)、渦輪增壓技術(shù)、柴油機電控技術(shù)等。柴油機是艦艇上的主要動力裝置之一，由于其體積小、重量輕、啟動簡便迅速，故輕型及快速艦船多以其作為主機。柴油機燃燒室內(nèi)的溫度可高達(dá)1400℃以上，同時通過連桿、曲軸、齒輪、軸等來傳遞動力，這些零件的受力情況、工作條件各不相同，因而需要選用各種不同的材料來滿足它們的使用要求。曲軸的功能是將連桿的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，其受到周期變化的扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮和沖擊等多種載荷的作用[10]。尤其是在變工況情況（改變轉(zhuǎn)速、正倒車、啟停等情況）下的受力情況更復(fù)雜。因此，要求曲軸材料應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能、抗疲勞性能和軸頸部位的耐磨性。

連桿是將活塞的往復(fù)運動為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動的重要傳動零件，其所承受的是方向會發(fā)生變化并周期性出現(xiàn)的力，除拉壓作用外還有彎曲作用，其主要破壞形式是拉壓疲勞破壞，因此要求連桿材料應(yīng)有較高的屈服強度和疲勞強度，制作連桿的合金鋼則均采用調(diào)質(zhì)處理。

應(yīng)用于柴油機的齒輪種類繁多且大小不同。柴油機在工作時，齒輪除承受交變的彎曲載荷外，其表面還要承受強烈的摩擦作用及交變壓應(yīng)力。在柴油機啟動及停機時，其受到較大的沖擊載荷，因此齒輪應(yīng)選用具有高疲勞強度的材料。為了提高齒面的接觸疲勞極限、耐磨性和抗點腐蝕性，還要采用滲碳、氮化、高頻淬火等熱處理工藝。

氣閥是柴油機配氣機構(gòu)中的重要零件之一。進(jìn)、排氣閥處于不同的工作條件下。進(jìn)氣閥的工作溫度一般為300～400℃，排氣閥的工作溫度最高可達(dá) 750～800℃。排氣閥不僅工作溫度高，而且受到高溫氣體的沖刷，以此其耐蝕條件比進(jìn)氣閥更為惡劣。閥盤不僅需要具有在高溫下抵抗腐蝕、蠕變和疲勞的性能，而且應(yīng)具有能抵抗熱沖擊的較高強度和耐磨性。氣閥的桿部不僅受頸部彎曲疲勞的影響，而且會在潤滑不良的條件下與導(dǎo)管發(fā)生摩擦，故需要有較高的減摩和耐磨性能。氣閥的頂端與挺桿撞擊，必須有足夠的硬度以防止閥面塌陷。

3 艦用燃?xì)廨啓C動力裝置及其腐蝕防護(hù)要求研究

針對蒸汽動力裝置效率低、啟動加速慢、裝置重量大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、管理使用較麻煩和柴油機單機功率小、裝置重量較大等問題，開始加快了對艦用燃?xì)廨啓C的研究工作。曾于1947 年制造出第一臺艦用燃?xì)廨啓C——英國加特里克（G1）燃?xì)廨啓C，并配裝于MGB2009 高速炮艇。燃?xì)廨啓C是一類以空氣為工質(zhì)，并將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，繼而再轉(zhuǎn)換成機械功的回轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機。

磷含量在121.25～195.36mg/100g之間，平均含量高達(dá)158.12mg/100g，不同部位含量的平均高低依次為后腿肉含量162.43mg/100g、臀腿肉含量160.98mg/100g、前腿肉含量157.05mg/100g、頸肩肉含量155.12mg/100g、背肌肉含量145.06mg/100g。

自主研發(fā)燃?xì)廨啓C有著較高的技術(shù)要求，其涵蓋了空氣動力學(xué)、工程熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、冶金、材料、工藝、機械加工、試驗測試等多項學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。目前，燃?xì)廨啓C的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高壓比高效率壓氣機設(shè)計制造技術(shù)、持續(xù)提高燃?xì)獬鯗氐募夹g(shù)、中冷回?zé)峒夹g(shù)。高溫燃?xì)庵苯幼饔糜跍u輪葉片上以推動渦輪運轉(zhuǎn)，因此葉片的材料必須具有耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、抗熱疲勞的性能。同時，葉片還需要采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，包括對流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻和發(fā)散冷卻等方式，以降低葉片表面的實際工作溫度[11-12]。因此，葉片的表面和內(nèi)部需要配備有用于冷卻的氣孔和通道，這又給葉片的加工制造帶來了難度。目前燃?xì)廨啓C葉片的制造過程已采用無余量精密鑄造技術(shù)、定向結(jié)晶技術(shù)和單晶鑄造技術(shù)等。燃?xì)廨啓C的主要部件均在高溫條件下運作，因此，對燃?xì)廨啓C零件材料的要求主要是強調(diào)高溫性能。燃?xì)廨啓C主要部件所選用的材料大多為耐熱鋼和高溫合金。

4 艦用核動力裝置及其腐蝕防護(hù)要求研究

潛艇的作戰(zhàn)威力和生命力在于其別具一格的隱蔽性。因此，潛艇從誕生之日起，就一直在逐步提高其水下續(xù)航力和快速性。1949 年，美國海軍針對第一艘攻擊型核潛艇而開展了研制工作。至1954 年，第一艘核動力潛艇“鸚鵡螺”號正式下水。將核動力裝置用作潛艇推進(jìn)動力后，大幅提高了其水下作戰(zhàn)時的航速，并有效提升了其水下續(xù)航力，使?jié)撏С蔀檎嬲饬x上的潛艇。

自核潛艇得以成功研制之后，美國方面看到了艦用核動力裝置的優(yōu)越性，由此及彼，將核動力裝置運用至航空母艦上，同樣大幅提升了航空母艦的續(xù)航力，擴大了其作戰(zhàn)區(qū)域。核動力裝置上艦后，還消除了常規(guī)動力裝置排放的廢氣在飛行甲板末端的空氣湍流，改善了艦載機著艦條件，提高了艦載機著艦的安全性。同時，使航空母艦上無需裝載大量艦用燃油，并可提高航空燃油和彈藥的裝載量，改良艦載機的持續(xù)作戰(zhàn)能力。

艦用核動力反應(yīng)堆及一回路用材料按其作用可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料幾乎全部是金屬材料[13]。功能材料主要有核燃料、中子吸收材料等與反應(yīng)性相關(guān)的材料，以及屏蔽材料、隔熱材料等與安全防護(hù)相關(guān)的材料?？紤]到核燃料舉足輕重的作用與性能的獨特性，往往將其置于與所有其他材料并行的位置。

核動力裝置對材料使用中的共性要求主要體現(xiàn)在力學(xué)性能、抗輻照性能、耐蝕性和焊接性能等四方面。材料的服役工況普遍為高溫高壓、輻照、腐蝕和動靜態(tài)載荷等多場耦合作用環(huán)。因此，要求所用材料有著較高的性能指標(biāo)，并對其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格要求。在其研發(fā)過程具有牽涉面廣、綜合性強、周期長、難度大、驗證過程復(fù)雜等特點。

5 潛艇用AIP 系統(tǒng)及其腐蝕防護(hù)要求研究

常規(guī)潛艇因蓄電池容量有限，需要經(jīng)常上浮到通氣管狀態(tài)進(jìn)行充電，暴露率高，生命力容易受到威脅。因此，從20 世紀(jì)80 年代以后，開始發(fā)展不依賴空氣的動力裝置（AIP）。按能量轉(zhuǎn)換裝置不同，AIP 有多種形式，主要有熱氣機、閉式循環(huán)柴油機、燃料電池，閉式循環(huán)汽輪機和小型核動力裝置等[14]。

潛艇用閉式循環(huán)柴油機AIP 系統(tǒng)的工作原理主要如下：液氧汽化后與柴油機排氣中的部分廢氣混合，送到柴油機汽缸內(nèi)燃燒，形成固定循環(huán)，同時使燃?xì)庵苯幼龉Αｉ]式循環(huán)柴油機通常是在普通柴油機的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝。如上文所述，柴油機本身技術(shù)較為成熟，且應(yīng)用廣泛，因此在改裝過程中需要重點解決閉式循環(huán)柴油機的系統(tǒng)問題。閉式循環(huán)柴油機系統(tǒng)的關(guān)鍵材料技術(shù)主要有：空氣再生技術(shù)、液氧儲存及汽化、CO2吸收器材料等，以及液氧在整個過程中的密封、腐蝕與安全問題。

燃料電池具有效率高、振動噪聲小、熱輻射低、可靠性強、環(huán)保清潔和民用市場巨大等優(yōu)勢。潛艇用燃料電池AIP 系統(tǒng)主要由氫源系統(tǒng)、氧源系統(tǒng)、電堆系統(tǒng)及為確保系統(tǒng)正常運行的輔助系統(tǒng)組成。從目前的技術(shù)狀況看，除氧源技術(shù)與熱氣機AIP 系統(tǒng)相同，燃料電池仍面臨著一系列的研究難關(guān)，其關(guān)鍵技術(shù)主要有：甲醇重整制氫和金屬吸附儲氫材料及技術(shù)、電堆密封技術(shù)等。

潛艇如配置有小型核動力裝置AIP 系統(tǒng)，能有效解決常規(guī)潛艇通氣管狀態(tài)航行充電隱蔽性差的問題，因而是真正意義上的不依賴空氣的AIP 系統(tǒng)。如上文所述，潛艇裝有小型核動力裝置后，其水下續(xù)航力將有效提升，從而大幅度提高了全艇的隱蔽性[15]。小型核動力AIP 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：低溫低壓反應(yīng)堆材料及技術(shù)及能量轉(zhuǎn)換材料技術(shù)等。由于涉及反應(yīng)堆技術(shù)，核輻射及腐蝕防護(hù)也是關(guān)鍵技術(shù)之一[16]。

6 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)及其腐蝕防護(hù)要求研究

綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)可將艦船推進(jìn)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)融合為統(tǒng)一體，將全艦所需的能源以電力的形式集中，并統(tǒng)一調(diào)度、分配和管理[17]。這種全新的系統(tǒng)將使全艦系統(tǒng)和設(shè)備的布置更加靈活，并可為激光、電磁武器提供能源，是近年來艦船動力系統(tǒng)的重要革命，也將為艦載武器系統(tǒng)帶來革命性的變化。

綜合全電力推進(jìn)技術(shù)從20 世紀(jì)80 年代末期開始發(fā)展，美國從1988 年即已推行艦船綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展。綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢有經(jīng)濟性好、可提升全艦戰(zhàn)斗力、增強全艦生命力，并改善全艦維修性等方面[18]。

艦船綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高壓大功率電力電子器件設(shè)計制造技術(shù)、艦用高壓大容量變頻調(diào)速器設(shè)計制造技術(shù)、多相推進(jìn)電機設(shè)計制造技術(shù)、高溫超導(dǎo)材料技術(shù)、永磁材料技術(shù)、儲能材料技術(shù)等[19]。為確保各類材料的壽命和材料可靠性，為此針對其腐蝕防護(hù)而開展的研究不可或缺。

7 結(jié)論與展望

艦船動力裝置的更新?lián)Q代直接推動了艦船技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展。就目前而言，以動力裝置為基礎(chǔ)的艦船領(lǐng)域重大技術(shù)飛躍主要有三點。一是以蒸汽機用作動力裝置、以螺旋槳作為推進(jìn)器，并應(yīng)用鋼鐵材料，同時結(jié)合火炮技術(shù)的優(yōu)化，大幅提升了水面艦船的作戰(zhàn)能力。第二是潛艇的發(fā)明，并以內(nèi)燃機和電能用于推進(jìn)，同時以魚雷作為攻擊方式，使其成為了一類重要的艦船類型。第三是核動力裝置的問世，并將其應(yīng)用于航空母艦及潛艇，大幅提升了海防力量。就目前而言，針對艦船動力裝置腐蝕防護(hù)工作的研究可使艦船有效避免重大事故，并提升全艦的壽命和在航率，因此有著重要而深遠(yuǎn)的意義。