2.1 人跑得快要靠心脏，那船要跑得快，靠什么？

最初，人们“刳木为舟”，单纯靠自然力和人力，缓慢划入水中的。经过漫长的发展，如今人类已经有了几十万吨的超级轮船，钢铁身躯，动力庞大，可以在地球上自由航行。

那么，驱动钢铁巨轮的动力从哪里来？

我们知道，人要靠心脏泵血供全身运行，其实，船也要靠船的“心脏”来提供强大动力，这个“心脏”就是轮机，也就是船舶动力装置。它们一般安装在船靠近底部的机舱里，将易于储存的能源（比如柴油）转化成动能，直接驱动船舶或作为发电设备的原动力机。

简单说，轮机的动力越强，就相当于船舶“心脏”更强，可以驱动船跑得更快，航行距离更远。

一、船舶 “心脏”越来越强

轮机是工业革命后才出现的。

在这之前，人们摇着木质的桨、橹或者竹篙，靠人力航行。除了人力，也靠风力，靠风力的帆船早在公元前就出现了，15世纪到19世纪中叶是它的鼎盛时期。中国明朝的郑和下西洋和美洲地理大发现，使用的就是帆船。

18世纪中叶，英国人瓦特（James Watt）改良了往复式蒸汽机，引发了从手工劳动到动力机器生产转变的重大飞跃，第一次工业革命开始。工业革命改变了很多领域，当然也包括船舶。

1807年，世界上第一艘往复式蒸汽机船“克莱蒙特（Clermont）”号在美国建成并试航成功，这是第一个可以称为近现代意义的船舶动力装置。“克莱蒙特”号的动力装置，主要由三部分组成：为蒸汽机提供高温高压的蒸汽的主锅炉，为推进器提供动力的往复式蒸汽机，以及推着船舶前进的推进器。

图片说明：“克莱蒙特”号 / 出处：Detroit Publishing Company

“克莱蒙特”号的推进器采用的是明轮。轮船之所以叫“轮船”，就是因为装有明轮，而“轮机”这个专业术语也由此而来：“轮”代表船舶的推进器；机即往复式蒸汽机，代表船舶主发动机。另外，为了控制船舶航向，“克莱蒙特”号在船尾还装有舵和舵机，它们也是轮机的组成部分。

1829年，奥地利人约瑟夫·莱塞尔（Joseph Ressel）发明了船舶螺旋桨，克服了明轮推进效率低，易受风浪损坏的缺点。此后，螺旋桨推进器逐渐取代了明轮。1839年，蒸汽机首次装船驱动螺旋桨。

1896年，英国人帕森斯（Charles Parsons）成功地发明了旋转式汽轮机并用在一艘快艇上。这种汽轮机可以将蒸汽的能量转换为机械功，试航速度达每小时34.5海里（1海里相当于1852米）。此后，汽轮机被广泛应用在大功率船上。

19世纪初，蒸汽机逐渐取代人力、风力作为船舶动力，标志着船舶动力的第一次革命开始。

1897年，德国发明家鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）成功制造了一台能安全运转的柴油机，热机领域一次新的科技革命从此诞生了。英文中的柴油机一词“Diesel Engine”就是以他的姓氏来命名的，他也被称为“柴油机之父”。

柴油机有很明显的优点：单机功率高、可靠性强、耗油低，它逐渐取代了汽轮机。

到了20世纪初，柴油机开始用于运输类船舶。1914年，柴油机船舶占全世界船舶总吨位的0.5%，到1940年上升为20%以上。现在，柴油机在船舶动力系统中占有统治地位，大部分商船都用柴油机。

20世纪60年代，从航空燃气轮机中衍生出了船用的燃气轮机。早期开发的这种燃气轮机主要用于军用舰艇，目前舰艇动力燃气化已成为各国海军发展的既定方针。

经过长期的实践，燃气轮机也用在了民用船舶中。在某些领域，比如高速喷射水翼船、高速双体船、气垫船等高性能船舶，燃气轮动力已扮演了重要的角色，显露出独特的优异性和无穷的生命力，被公认为是一种优良的、大有发展前途的机种。

能量惊人的核动力也被开发使用在了船舶上。到目前为止，核动力船舶已有60多年的发展历史。冷战期间，美苏两个超级大国竞相研建各型核动力军舰，还致力于开发破冰船、商船等民用核动力船舶，取得了诸多成就。1954年，美国建成世界上第一艘核动力潜艇。

1957年，苏联成功建造了核动力破冰船，开启了民用船舶的核动力时代。1959年，美国成功建造了世界首艘核动力商船。使用核动力装置以后，船舶的推进能源又进入了一个崭新的阶段。

20世纪中叶以来，内燃机、燃气轮机、核动力汽轮机逐步发展成熟并被应用于船舶动力，船舶动力的第二次革命由此开启。

用上核动力之后，动力系统并没有停止前进的脚步。20世纪末以来，随着各国海洋开发和海防建设的快速发展，船舶电能需求大幅增加，并且，对船舶动力的机动性、安静性和燃油经济性等性能要求也都显著提高。同时，石油资源日益短缺，环境污染不断恶化，各国正积极倡导发展绿色船舶，促进可再生能源在船舶动力中的应用。

在这样的背景下，产生了船舶综合电力系统。这种系统集成了船舶推进系统和电力系统，更容易实现全船能量的精确高效控制以及多种再生能源的灵活接入，降低船舶动力对传统化石燃料的依赖度；而且污染也低，提升了船舶的机动性、隐蔽性，能精准高效地分配船舶的能量。由此，综合电力系统成为船动力系统的第三次革命。

二、谁才是最佳“心脏”？

那么问题来了，既然有这么多种动力系统，可怎么选？不同的船有不同的“标配”吗？可以混着用吗？

事实上，在选“心脏”方面，船舶也有经济性到功能性的各种考虑。接下来就为大家分别介绍下不同的船舶“心脏”。

1.“市场占有率”一哥——柴油机

目前使用最广泛的船舶心脏是柴油机。在现代舰船中，柴油机动力装置占90%以上。尤其是在中小型军用舰艇上，高速、中高速及中速柴油机仍然是主要的动力源之一。

图片说明：柴油机工作示意图

柴油机的工作原理是这样的：压缩的空气产生高温高压，使喷入雾化的柴油后爆炸膨胀，压力直接作用在活塞上，推动活塞沿气缸做高速直线往复运动，然后经过曲柄连杆机构将活塞的直线运动转化为曲柄的旋转运动，从而输出机械功。

扫码实地探访机舱里的柴油机（无噪音版）

柴油机最显著的优点就是省钱。比如LM2500燃气轮机的千瓦小时耗油量约300克左右，而MTU956TB92型柴油机的千瓦小时耗油量只需210克左右。此外，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。

当然，柴油机的缺点也很明显：震动剧烈，噪音大。对军舰来说，噪音意味着危险，因为会更容易被潜艇发现。此外，柴油机的功率范围较小，抗过载能力低，当比额定功率（机器效率最高、工作状态最好的功率）提高10%时，柴油机只能维持1小时左右；而且最低稳定转速比较高，从而影响到舰船的低速航行性能。

总体来看，因为具有良好的经济性和机动性，柴油机还是成了绝大多数船舶动力要求的最佳选择。不过，由于噪音和功率范围不够大，它在高性能舰船里难堪大任，目前主要作为中小型水面舰艇的主机、大型舰艇的巡航主机、发电机组的原动机等等。我国的054护卫舰、071船坞登陆舰、075两栖攻击舰等均使用柴油机。

我国的054护卫舰、071船坞登陆舰、075两栖攻击舰等均使用柴油机。图为我国075两栖攻击舰海南舰 / 南海舰队

2.大块头有大力量——蒸汽轮机

蒸汽机的原理其实就是将热能转化为机械能。首先用燃料在锅炉的炉腔内燃烧，加热水形成水蒸汽，水蒸汽进入蒸汽轮机后膨胀做功，驱动蒸汽轮机叶轮转动，从而带动螺旋桨工作产生动力。

蒸汽轮机最突出的优点就是单机功率比较大，一般的航母蒸汽轮机单机输出功率在兆瓦以上，可以推动十万吨的庞然大物跑出30节（节是轮船航行速度单位，“一节”指每小时航行一海里）的高速。而且，因为发展历史悠久，技术成熟，所以很可靠，使用寿命也较长。同时蒸汽轮机是外燃机，只要能把水烧开就可以用，可以使用劣质燃油，能节省成本。

图片说明：我国的辽宁号航母、山东号航母、051各型号驱逐舰、现代级驱逐舰均使用蒸汽轮机。图为我国首艘航空母舰辽宁舰。/来源：央广军事

不过，也是因为要把水烧开慢慢“憋压力”，蒸汽轮机的缺点就是启动时间非常长。像柴油机启动时间可以在半小时左右，启动速度最快的燃气轮机最快只需要几分钟甚至数十秒，而蒸汽轮机往往需要几个小时。因此，我国辽宁舰航母在战备状态时，就算是靠泊也不会关闭主机，为的就是一旦需要出任务，可以迅速启动离开港口。

此外，蒸汽轮机的能量转换过程比较复杂。首先是燃油的化学能转化为蒸汽的热能，然后是热能转化为机械能，需要两次能量转换，这也意味着过程中损耗的能量更多，经济性比较差；而且二次能量转化导致附属设备比较多，装置比较复杂，所以使用和维护管理的难度也更大。

3.军舰上蓬勃发展——燃气轮机

燃气轮机与汽轮机原理大致相似，只是此“气”非彼“汽”——要从热能转化成机械能，汽轮机是用燃料加热水，用水蒸汽推动叶轮；而燃气轮机则直接利用高温燃气推动叶轮。

很多先进的驱护舰都是用燃气轮机做动力来源，因为燃气轮机虽然更耗油，但好处是启动快，而且能满足现代舰艇航速高、变速转向快以及主机重量轻且功率大等多方面的需求。

我国的052、055型驱逐舰都是使用燃气轮机。图为我国自主研制的055型驱逐舰大连舰 /南海舰队

不过，燃气轮机的缺点也比较明显，就是费钱。因为它不仅耗油量大，而且对燃料的品质要求也很高，柴油机烧水可以用劣质燃油，燃气轮机在油上可是省不得，特别是偏离额定工况（相当于偏离了机器工作性能最佳的一个状态）时，耗油率更是猛增。这么费钱的轮机，就不太适合商船使用。

需要注意的是，燃气轮机排气排温高，热辐射强，这种很强的热信号特征会影响我们舰船的红外隐身行为，所以在军舰上的使用也有限制。而且，有足够高的工业水准来生产燃气轮机的国家屈指可数，很多国家要用这种动力就需要付出很大代价。

舰行万里不加油——核动力

核动力与蒸汽轮机的工作原理类似，只是用核反应堆代替了锅炉。核动力船舶的工作原理是：利用核反应堆工作产生热量，烧开水产生蒸汽，蒸汽轮机带动发电机产生电能，或者直接通过变速箱传递给螺旋桨，获得船舶运动的动力。

核动力装置主要用于大型军舰和潜艇。以核动力航母为例，航母上的核反应堆发生核裂变，相当于一个锅炉产生高温，高温加热一回路的水达到过饱和状态；高温过饱和水进入交换器，将热量传递给二回路；二回路的水经过热交换，也达到高温高压状态，并且不带辐射（为保证辐射安全，一回路是一个封闭回路，二回路与一回路是相互隔离的，不发生介质交换。通过一台“共用的”设备，比如蒸汽发生器来进行能量交换）；二回路的高温高压水，通过喷嘴变成高速蒸汽喷出，推动蒸汽轮机运转；蒸汽轮机将动力输送到减速箱，经过减速箱减速后，再去带动螺旋桨。

图片说明：核动力装置工作示意图

核动力装置功率大，续航力强，能够支持船舶航行几十万海里。但是，核反应会放出大量放射性物质，所以，为了避免危害人体健康，污染水域、海洋和码头，需要在船上设置重量达数百吨甚至上千吨的铅屏蔽物，来阻止和节流放射性物质的外泄，导致整个装置尺寸庞大，而且笨重。因此，只有一些空间宽裕，续航需求大的大型舰船，比如航空母舰、巡洋舰以及大型破冰船等，会配置核动力装置。另外，核动力装置不依赖空气，所以最先应用在水下航行、不能提供空气的潜艇上。

5.团结起来力量大——联合动力

动力设备各有优缺点。在选择动力系统时，也会根据船舶的特性和需求使用联合动力装置，也就是由两种不同主机型号或者同一主机型号的多台发动机构成的动力装置，这样可以起到优势互补、扬长避短的效果。

为什么一台主机不够，需要几台动力设备？这是由舰船的运行情况来决定的。

舰船有两种常用的航速，一种称为巡航工况，另外一种称为全速工况。根据相关统计数据，任何一艘舰船在其服役周期内，至少有80%的时间航行在巡航航速下，即为较低航速航行。如果采用单一形式的主机，主机的功率必须满足舰船最大航速的要求。那么，在低航速航行的过程中，主机至少有80%的时间工作在低负荷工况下，这将严重影响主机工作的可靠性、经济性乃至使用寿命。我们熟悉的汽车经常在市区低速行驶，容易造成积碳，影响发动机的使用寿命，也是一样的道理。

在巡航航速时，我们追求的是经济性好，在加速工况中，我们要求的是功率大。采用联合动力装置就能同时满足两种不同工况下的需求。

联合动力装置的主机形式搭配比较多样。比如柴燃联合动力装置，它包括柴燃交替工作形式，是指巡航的时候使用柴油机工作，加速的时候使用燃气轮机工作；或者是柴燃共同工作：巡航时用柴油机工作，加速时用柴油机和燃气轮机共同工作，这样既能发挥柴油机经济性好的特点，同时也充分发挥了燃气轮机单机功率大的优点。此外，联合动力装置还有柴柴联合、燃燃联合、燃蒸联合动力等。

当然，联合动力系统也会有系统复杂、增加维护难度等问题。

实际上，舰船采用何种动力装置形式，还主要取决于每个国家发动机工业的发展水平。

比如，美国、英国的燃气轮机工业比较发达，因此其舰船采用燃气轮机动力装置形式的就比较多。法国、德国的柴油机工业比较发达，所以他们的舰船采用柴油机来作为主机就比较多。我国目前柴油机工业比较发达的，在商船和军舰上，较多使用国产柴油机，不过，燃气轮机发展形势也很可喜，燃气轮机目前也已经实现了国产化，并实现了装备应用。

6.联合动力还不够，综合电力来推进

综合电力推进是目前非常先进的一种动力形式。它是把舰船推进系统与电力系统合为一个整体，将全舰所需的能源以电力的形式集中提供，统一调度、分配和管理。可以说，综合电力推进代表了当前世界海军舰艇最先进的推进形式。

为什么需要采用综合电子推进系统呢？

这也是为了适应舰船不断发展的需求。传统舰船中80%的燃料用于推进，20%的能量用于武器、生活等方面。但未来舰船的武器配置会更多更先进，比如说电磁弹射器、高能激光武器、微波武器、电化学炮功率等，对大功率电力的要求也更高。所以必须统筹全舰的能源，才能满足武器能量所需。

综合电力推进系统的优势较多，比如推进电机与螺旋桨匹配易于控制，当需要改变船舶进退，只要改变电流方向就可以控制电机反转，从而控制螺旋桨的方向。但综合电力推进系统也存在初期投资比较大，需要二次能量转换导致效率较低等等的问题。

此外，还有一些特种动力装置，比如热能动力、小型核能装置、水下化学电源、蓄热式非传统能源等，但因为技术和其固有缺点，没能大面积推广应用。

舰船心脏多种多样，发展至今，除了人力以外，各种船舶动力类型都有发展和应用。

俗话说，适合自己的才是最好的。其实这句话不但适用于生活里的关系，也适用于船和轮机，也就是船和“心脏”的关系。对船舶而言，没有最好的“心脏”类型，只有最适合自己的“心脏”类型——比如燃气轮机虽然耗油厉害，但启动快，动力强，所以适合用在军舰上。

而且，“适合”并非终点，只是一个好的起点。比方说，蒸汽轮机比较慢，但单机功率大，适合用在航母上，而航母在靠泊时也不关主机，以便一有任务就能迅速启动，也是为了适应蒸汽轮机“慢”的特点。可见，好的关系，不仅需要适合，也需要彼此磨合，主动去适应对方——或许，世间的关系都脱不开相似的道理。

来源: 海军大连舰艇学院

内容资源由项目单位提供