劉毅敏

（廣州打撈局，廣東 廣州 510260）

淺談重型燃氣輪機現(xiàn)狀與發(fā)展展望

劉毅敏

（廣州打撈局，廣東 廣州 510260）

重型燃氣輪機作為一種符合綠色環(huán)保要求的動力裝置在船舶上的應用已有數(shù)十年的歷史。船舶制造水平可通過重型燃氣輪機的研發(fā)與制造水平來直觀體現(xiàn)。鑒于此，本文以船舶燃氣輪機的技術特點和優(yōu)勢為切入角度，著重闡述船用重型燃氣輪機在我國的發(fā)展現(xiàn)狀和現(xiàn)有水平，并對其在我國的發(fā)展趨勢加以探究。

船舶；重型燃氣輪機；現(xiàn)狀；發(fā)展展望

由于燃氣輪機因具有極高的發(fā)電熱效率，在船舶中得到了廣泛的應用。經(jīng)過幾十年的開發(fā)、研制和應用，普遍認為燃氣輪機已成為大、中型水面輪船首選發(fā)動機。隨著燃氣輪機技術的逐漸成熟，越來越多的船舶開始裝備燃氣輪機作為其主動力裝置。

1 燃氣輪機的技術特點和優(yōu)勢

現(xiàn)階段船舶所使用的主要動力設備仍以低、中、高速柴油機為主，只有少部分蒸汽輪機用作液化氣船的動力設備。此外，燃氣輪機作為動力裝置與柴油機、蒸汽輪機動力裝置相比，前者具有以下優(yōu)點。

（1）為了便于運輸更多貨物，節(jié)省船舶機艙空間，通常燃氣輪機的體積比較小，并且結構緊湊，同時也可提升船舶的使用性能。與此同時，隨著材料技術的發(fā)展，更為輕薄的材料應用于燃氣輪機的同時，憑借航空燃氣渦輪機的固有功率密度,其重量比同等柴油發(fā)動機輕74%,所占空間約是同等柴油發(fā)動機的1/3。

（2）由于燃氣輪機旋轉時產生較少的低頻振動，因此其具有振動小、噪音低以及運動平穩(wěn)等特點。此外，燃氣輪機由于其特殊的箱裝體結構可形成良好的噪音防護，可以明顯減弱低頻噪音，從而在提升機艙操作環(huán)境的同時，可以對機艙噪音等級進行更好的控制。

（3）鑒于我國對環(huán)境保護問題的逐漸關注，因此將會越來越嚴格的控制船舶的廢氣排放，例如，降低氮氧化物以及硫化物等有害氣體的排放量。此外，為滿足環(huán)保要求，需要對目前船舶中的柴油機進行重新設計或改造，例如，設計優(yōu)化的燃燒室，改進燃油系統(tǒng)，采用燃油注水、乳化油或廢氣再循環(huán)，選擇性催化還原反應處理排放廢氣等。由此可見，上述舉措不僅增加了船舶的投資和維護成本，在增加了動力系統(tǒng)的容積的同時，降低了船舶的儲物空間。鑒于此，可以將變幾何燃燒室技術、分級燃燒室技術、貧油預混合預蒸發(fā)燃燒技術、催化燃燒技術、直接噴射燃燒室技術、可變駐留時間燃燒室技術、富油燃燒快速淬熄貧油燃燒室等高效低污染燃燒技術等應用于船用燃氣輪機中，從而確保其滿足我國環(huán)保法規(guī)的要求。

（4）單機功率大，功率重量比大，起動加速性好，從冷態(tài)起動至全速工況僅需數(shù)分鐘。

（5）潤滑油消耗低，保養(yǎng)量小，管理人員少。燃氣輪機的滑油消耗量普遍較低，如LM2500燃氣輪機的最大滑油消耗率約0.9kg/h，平均滑油消耗率僅有0.09kg/h，與柴油機相比要小一個數(shù)量級，但由于燃氣輪機工作轉速高，對滑油的質量要求要遠高于柴油機。燃氣輪機是回轉部件，主要運動部件少，又設計成模件結構，因此燃氣輪機所需的船上維修量小，人員配備也相應減少。

2 國內船用重型燃氣輪機的發(fā)展現(xiàn)狀和水平

2.1 國內船用重型燃氣輪機產業(yè)發(fā)展與研發(fā)現(xiàn)狀

為了降低燃氣輪機的造價，提升船舶制造企業(yè)經(jīng)濟效益，我國在21世紀初期引進國外船舶用燃氣輪機的生產制造工藝，并且在我國本土實現(xiàn)了廠內空負荷試運行以及總裝作業(yè)，進而從根本上提升燃氣輪機裝備的本土制造水平。盡管上述措施極大的彌補了我國船用燃氣輪機生產制造中的不足，但是與國外先進燃氣輪機制造技術相比尚有不小距離。此外，維修燃氣輪機中的熱端零部件、提供備品、備件以及售賣各種類型技術服務，使得外國燃氣輪機制造商獲得了大量的經(jīng)濟利益。目前，我國燃氣輪機的設計、制造以及試運轉試驗已經(jīng)取得了不錯的試驗結果，并且制定出了船用重型燃氣輪機的設計、制造、材料選購等一系列生產制造規(guī)程。

2.2 國內基礎及應用基礎研究現(xiàn)狀

在船用重型燃氣輪機的基礎研究領域，“燃氣輪機的高性能熱—功轉換關鍵科學技術問題研究”以及“大型動力裝備制造基礎研究”項目納入我國973科研計劃當中。其中，前者科研項目的實施使得具有先進技術的機理性實驗研究平臺在我國建成并投入應用。其中，實驗研究平臺的建設極大的促進我國船用燃氣輪機的基礎研究工作，從而確保基礎實驗研究數(shù)據(jù)的準確性，從而為今后研究工作打下堅實基礎。此外，實驗研究平臺的建立可以很好的解決多級軸流壓氣機、燃燒室和空氣冷卻透平的流動、燃燒、傳熱機理以及設計理論等方面問題，從而減小與外國的技術差距。后者則主要是通過研究蒸汽/空氣雙工質超強冷卻機理，進而開發(fā)并設計出透平高溫動葉片，從而將拉桿組合透平轉子系統(tǒng)的設計體系構建出來，進而完成重型燃氣輪機轉子綜合系統(tǒng)的建立工作。目前，上述兩個研究項目取得的成果離國際先進燃氣輪機技術尚有不小差距，因此，在船舶燃氣輪機研究領域還有很大的發(fā)展空間需要探索。

2.3 國內船用燃氣輪機試驗設施建設現(xiàn)狀

與世界發(fā)達國家的船用燃氣輪機試驗設施相比，我國與其在現(xiàn)階段仍有不小的距離，從而難以滿足自主設計、制造的要求。此外，我國各大院校和相關設計院所在過去幾十年中的研究工作主要以小型低參數(shù)的機理性基礎研究實驗設施為主，因此，難以獲得更多的資金投入，從而難以提升科研水平。與此同時，各個科研機構存在重復建設基礎實驗設施的現(xiàn)象發(fā)生，嚴重缺乏用于關鍵技術驗證實驗研究的科研設施。如果需要驗證燃燒室、壓氣機等關鍵部件的設計性能，需要我國船舶燃氣輪機制造企業(yè)投入大量的資金來建設和維護各種試驗設施，對企業(yè)來講是一項不小的挑戰(zhàn)。

3 我國船用重型燃氣輪機發(fā)展展望

3.1 基礎和應用基礎研究是核心技術自主創(chuàng)新體系的內核

由于我國船用燃氣輪機的基礎研究工作起步較晚，缺乏專業(yè)人才以及核心工藝技術，難以支撐燃氣輪機行業(yè)更快、更好的向前發(fā)展，因此，燃氣輪機基礎研究領域應是未來我國重點完成的目標，以便建立我國自主創(chuàng)新體系的同時，增強我國燃氣輪機的市場競爭力。從船用燃氣輪機的發(fā)展歷史可以看出，如要獲得自主開發(fā)產品的能力，必須在基礎研究工作上獲得提升，從而獲得船用重型燃氣輪機中的關鍵專利技術。此外，燃氣輪機基礎研究計劃的制定應科學合理，并有效的落實，并最終實現(xiàn)與產業(yè)化應用的對接。并且在體現(xiàn)科學研究價值的同時，做好人才儲備和核心專利技術的申報工作。與此同時，隨著社會需求的不斷變化，燃氣輪機的創(chuàng)新設計也應隨之深化，力爭在技術、材料等方面有所創(chuàng)新和突破。

3.2 加快建設我國船用燃氣輪機基礎研究重大設施

《國家重大科技基礎設施建設中長期規(guī)劃(2012—2030年)》在2013年由國務院頒布并實施，其中，將要在“十二五”計劃中啟動的項目中便有“潔凈高效燃氣輪機實驗裝置”。該實驗項目在結合我國國情的前提下有以下幾項內容：（1）為研究船用重型燃氣輪機中的各類關鍵部件的工作機理與制造技術，應盡快建立各大部件的基礎研究實驗設施。其中，為儲備后備科研人才，還應重點發(fā)展計算流體力學以及葉輪機械內流氣動熱力學等學科；（2）為促進燃氣輪機系統(tǒng)和工程熱力學、控制科學、材料科學、機械制造工藝等學科的全面發(fā)展，燃氣輪機多學科與交叉學科的基礎應用實驗設施的建設刻不容緩；（3）為達到我國自主研發(fā)設計、制造重型燃氣輪機產品的目標，各大造船企業(yè)將會相繼建立船用燃氣輪機關鍵結構部件級性能試驗驗證平臺。

3.3 構建具有競爭力的重型燃氣輪機產業(yè)體系

我國經(jīng)濟與船用重型燃氣輪機的研發(fā)制造具有密不可分的關系，因此，我國應加強船用重型燃氣輪機的自主研發(fā)能力，突破世界發(fā)達國家的技術壁壘，參考外國產品的結構與特點，發(fā)揮自身的優(yōu)勢，從而快速建立船用重型燃氣輪機產品研制、加工制造、售后服務等全套產業(yè)體系，增強我國在船用重型燃氣輪機領域的競爭力，從而確保船用重型燃氣輪機的性能和質量滿足我國船舶制造業(yè)的發(fā)展需求。

4 結語

綜觀世界各國船舶制造業(yè)的發(fā)展情況可知，大力開發(fā)并應用船用燃氣輪機是我國船舶制造領域未來發(fā)展的主要方向。如要擴大我國船舶制造規(guī)模，需要大力開展船舶重型燃氣輪機的研發(fā)工作。因此，我們的立足點必須是堅持自主創(chuàng)新，盡快開發(fā)并建立我國的船用燃氣輪機工業(yè)體系，對于推動我國船用重型燃氣輪機發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義。

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