□ 方憶平 楊子龍

對艦船燃氣輪機發(fā)展的回顧與思考

□ 方憶平 楊子龍

圖1 艦船燃氣輪機

艦船燃氣輪機發(fā)展基本情況

燃氣渦輪發(fā)動機是使高壓高溫的空氣燃燒而膨脹作功的熱機，在20世紀30年代末開始應用于航空領域并取得了巨大的成功，由于其在設計水平、材料、制造工藝、試驗和使用方面技術先進，經(jīng)驗豐富，因此將其改裝發(fā)展應用于軍用水面艦船，實現(xiàn)了艦船動力的燃氣渦輪化（圖1）。

艦船燃氣輪機主要部件有燃氣發(fā)生器、動力渦輪和箱裝體，其中燃氣發(fā)生器由壓氣機、燃燒室和壓氣機渦輪組成。隨著技術的日臻完善，艦船燃氣輪機呈現(xiàn)出功重比大、啟動快、機動性強、可靠性好、部件運轉平穩(wěn)、操縱人員少、污染小的特點，能大大增加艦船的航程和機動性，故其成為現(xiàn)代大中型和高性能艦船的首選動力裝置。

艦船燃氣輪機系高精尖端裝備，國外主要有美國通用電氣（GE）公司和英國羅羅（RR）公司生產(chǎn)，GE公司的LM-2500系列燃氣輪機是世界使用數(shù)量最多的艦用燃氣輪機，從20世紀70年代初正式投入使用以來，已經(jīng)銷售了2000臺（包括艦船和工業(yè)），RR公司生產(chǎn)的MT-30、WR-21、斯貝等型號艦船燃氣輪機也銷售了近500臺，兩家公司的產(chǎn)品裝備了數(shù)十個國家的軍艦。俄羅斯土星科學生產(chǎn)聯(lián)合體公司具有自主設計制造大中小型三檔功率航改型燃氣輪機的能力。日本三菱重工、川崎重工和石川島磨重工等公司可根據(jù)美國許可證生產(chǎn)組裝燃氣輪機配套設備，但不具備核心技術設計能力（和航空發(fā)動機一樣，有美國制約的因素）。

根據(jù)對近20多年來西方發(fā)達國家新研機組的分析、統(tǒng)計，艦船燃氣輪機具備以下發(fā)展趨勢（圖2）：一是熱效率提高，燃油消耗率降低，簡單循環(huán)的燃機熱效率已達40%，復雜循環(huán)的燃機熱效率已達46.2%，油耗降至0.2Kg/KW.h。二是可靠性和使用壽命逐步提高，大修期可達24000小時（熱部件），平均無故障時間可達2000小時。三是良好的可維修性，平均故障修復時間降至4小時（含燃機冷卻時間）。四是排放水平逐步降低，LM2500+的排放指標（NOx和CO濃度）在25ppm以下（國際上規(guī)定艦船排放標準為42ppm）。五是單機功率逐漸增大，GE公司生產(chǎn)的LM6000額定功率為58200馬力（42.75MW），RR公司生產(chǎn)的MT50額定功率達68000馬力（50MW）。

圖2 大功率船用燃氣輪機功率、效率的變化趨勢

圖3 LM2500系列艦船燃氣輪機的發(fā)展歷程

國外艦船燃氣輪機發(fā)展的基本經(jīng)驗與啟示

燃氣輪機在原型機基礎上持續(xù)發(fā)展。

以LM2500系列燃氣輪機為例，經(jīng)過40年來持續(xù)不斷的改進、發(fā)展，從1969年問世時的功率22500馬力(16.54MW)，效率36%，逐步發(fā)展成為功率47400馬力(34.82MW),效率39.5%的新機型，形成LM2500/LM2500+/ LM2500+G4的系列機型（圖3），滿足了艦船、工業(yè)等不同應用需求，實現(xiàn)一機多用、系列化發(fā)展，已廣泛應用于艦船、工業(yè)領域。

簡單循環(huán)仍是燃氣輪機技術發(fā)展的主要方向。

艦船燃氣輪機的空氣循環(huán)有簡單和復雜兩種工作方式，簡單循環(huán)與航空發(fā)動機工作情形一樣，空氣軸向地流動，經(jīng)壓縮、燃燒、膨脹作功。而中冷回熱循環(huán)（ICR）是艦用燃氣輪機特別改進的一項復雜循環(huán)技術，即對高、低壓氣機之間的空氣進行冷卻（IC），減少壓縮功；利用排氣蝸殼的高溫排氣后的空氣，使高壓空氣在進入燃燒室之前從排氣中回收部分熱量（R），進一步提高進入燃燒室的燃氣溫度，提高熱效率?，F(xiàn)代 ICR循環(huán)技術的熱效率可達45% 以上。但這種中冷回熱循環(huán)需要開發(fā)設計性能優(yōu)異、結構緊湊的中間冷卻器和回熱器，加上燃氣輪機增壓比不斷提高，壓氣機和渦輪效率的提高，排氣溫度與壓氣機出口溫度的溫差也越來越小，這樣，使回熱產(chǎn)生的收益也不再顯著。況且，采用ICR技術還會帶來投資增加和維修不便等。近20年來新研艦船燃氣輪機只有美、英、加聯(lián)合開發(fā)的WR-21是基于（ICR）復雜循環(huán)，其余代表燃氣輪機研發(fā)技術的水平的LM2500+、LM2500+G4、RB211、MT30等機型都是基于簡單循環(huán)，說明簡單循環(huán)仍是燃氣輪機技術發(fā)展的主要方向。

充分利用航空發(fā)動機成熟技術。

艦船燃氣輪機的核心部分是燃氣發(fā)生器，西方國家目前普遍采用成熟的航空發(fā)動機核心機（高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪），然后進行適應性改造，發(fā)展形成成熟的艦用燃氣輪機。這具有研制周期短、投資少、效率高優(yōu)點，特別是長壽命、低油耗、大功率的航空渦扇發(fā)動機不斷涌現(xiàn)，其技術成熟度高并批量生產(chǎn)和長期使用，為艦用化改裝創(chuàng)造了良好的基礎，同時，在航機艦改方面，積累了許多成功的經(jīng)驗，使航機艦改可以很好地滿足現(xiàn)代艦艇對燃氣輪機動力的要求。各航空燃氣輪機制造公司也幾乎無例外地將成熟的航空燃氣輪機改型為艦用和工業(yè)燃氣輪機，在役的艦船燃氣輪機有95%是航改燃機，充分說明了利用成熟的航空發(fā)動機技術，是發(fā)展艦船燃機的一條有效途徑。

強化艦船燃氣輪機特有技術的提高。

艦船燃機有許多特殊的工作環(huán)境和要求，一是運行范圍約90%的時間是在低工況下運行（特別是作為主機）；二是工作環(huán)境在海平面，進口空氣中含有大量的鹽分和污染物，可能遇到水下爆炸、近距離脫靶炮火等所產(chǎn)生的強烈沖擊載荷(經(jīng)減振后也達15g)；三是燃料是用輕質(zhì)柴油或較重質(zhì)的餾分油；四是壽命要求長達到幾萬小時，可靠性要求高；五是安裝在艦船底部較為封閉的機艙內(nèi)，可維修性要求獨特。因此，艦船燃氣輪機動力制造商都強化了特有技術的改進和提高，主要是增設多級、低轉速的動力渦輪，以輸出較大軸功率；針對低速、多次轉折的特點重新設計進排氣系統(tǒng)；新設大喘振裕度的多級低壓壓氣機，以保持燃機在低工況下的高低壓氣機的匹配穩(wěn)定性和高效率；改進燃燒室設計，以適應低價格燃料和海岸低排放要求；改變材料和鍍層，研制適用的清潔系統(tǒng)，防止鹽霧腐蝕；使用較重型的機匣和通過環(huán)形框架分散載荷，提高抗沖擊能力；采用分開式機匣、單元體結構以提高可維修性等。

發(fā)展我國艦船燃氣輪機的思考

我國從20世紀60年代開始先后研制了6型艦船燃氣輪機，專用化設計和航空改裝各3型，但由于其效率、功率、可靠性和壽命與相類似的進口機組相比差距較大，加上當時的社會和經(jīng)濟條件因素影響，沒有獲得實際推廣應用。20世紀90年代末，我國從國外引進燃氣輪機許可證進行生產(chǎn)，并成功完成了國產(chǎn)化研制，使我國在專用化設計道路中站在了一個高起點上。同時在航機艦改技術途徑上，以我國自主研制的航空發(fā)動機核心機為基礎，繼承其成熟的設計技術、材料和工藝，重新設計專用關鍵部件，對燃燒室、燃油調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)等關鍵部件進行改進，形成了小檔功率艦用燃氣輪機并投入使用，航改燃機的設計能力上了一個臺階。我國在專用化設計和航改艦船燃氣輪機這兩條技術路線研發(fā)設計體系建設方面均取得了豐碩的成果，初步建立了設計規(guī)范、軟件和數(shù)據(jù)庫，有力地支撐了艦用燃氣輪機的發(fā)展，使我國艦船燃氣輪機進入了一個新的發(fā)展階段。

我國艦船燃氣輪機研制應繼續(xù)夯實基礎、建立體系，補充、完善和提高已建立起來的設計體系，特別是總體和核心機3大部件技術，在兩條技術途徑上，提高功率檔次和熱效率，加快形成我國艦用大、中、小檔功率燃氣輪機系列型譜，瞄準前沿、跟蹤世界艦用燃氣輪機先進技術，力爭盡快達到國際先進技術水平。

加強艦船燃氣輪機設計體系建設。

艦船燃氣輪機設計體系是支撐艦船燃氣輪機研發(fā)過程中開展技術研究、工程設計、試驗驗證等活動時所用到的規(guī)范、工具和流程的集合。目前我們還存在設計流程不完整、設計工具水平偏低且有欠缺、先進性技術有待突破、設計體系需進行整機深化驗證等主要問題。我們必須在總體、壓氣機、燃燒室、渦輪、換熱器、控制系統(tǒng)、裝置集成、附屬系統(tǒng)、試驗等方面進行設計體系的全面建設。

加強關鍵技術的突破。

應加強橫向協(xié)同攻關，攻克高溫、高壓、高氣動機械負荷3大關鍵技術，在大功率簡單循環(huán)艦船燃氣輪機先進總體技術、高性能壓氣機技術、高性能燃燒室技術、渦輪技術、數(shù)字控制系統(tǒng)技術、集成技術，小檔功率燃機前后輸出設計技術、航改核心機改進提升技術、復雜循環(huán)（ICR）設計技術等方面取得重點突破。

加強新技術的跟蹤與研究。

以世界艦船燃氣輪機先進技術為目標，跟蹤主要部件的先進技術，探索前瞻技術，特別是新型高效先進氣動與冷卻技術（濕壓縮）、先進控制技術、關鍵部件與整機壽命預測技術、爆轟燃燒增壓技術、燃燒熱聲不穩(wěn)定的主被動抑制技術等。同時對燃氣輪機與蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)技術也應進行應用性研究。（國防科工局系統(tǒng)工程司）