伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司， 上海 200438）

引言

用于驅動艦船的燃氣輪機通常采用雙軸或三軸的結構型式[1]。其中，由改進的航空發(fā)動機構成的燃氣發(fā)生器與串接在后方的動力渦輪通常以氣動方式相連接[2]。同柴油機等動力裝置相似，燃氣輪機也會配備所有運行時所必備的輔助設備，以此可用于驅動螺旋槳、發(fā)電機、空氣及燃氣壓氣機或泵等其他設備。

1 艦用燃氣輪機及其循環(huán)過程

內(nèi)燃機在同一個缸內(nèi)不斷重復熱力循環(huán)過程，并以此調(diào)整溫度，使平均溫度不至過高而損壞零部件，而燃氣輪機工作時的循環(huán)過程會相應在該裝置的各個部件內(nèi)同時進行：在壓氣機內(nèi)進行壓縮，在燃燒室內(nèi)燃燒，在渦輪內(nèi)進行膨脹。

燃氣輪機的主要技術優(yōu)勢如下：其功率密度高、質量輕、體積小、工作時振幅較低。同時，燃氣輪機還可以通過配備回熱器及散熱器等專用裝置以優(yōu)化整機性能。其弊端在于：在機組運行時的最高溫度范圍內(nèi)，必須維持燃燒室、渦輪等設備的持續(xù)運行。為此必須采用如鎳合金等高品質合金材料制造長期承受高溫氣體沖刷的部件，為此必須采用一套完善、有效的冷卻方法。當時技術發(fā)展的水平限制了其所能達到的最高溫度，而其最高溫度恰好為影響單位功率和效率的一項重要因素。

以陸地發(fā)電用燃氣輪機動力裝置為例，其技術水平的優(yōu)劣一定程度上可通過其經(jīng)濟性來進行評估。換言之，可根據(jù)其單位發(fā)電成本價格、運行費用、運行性能和維修性能來判定某臺燃氣輪機裝置是否適用于當前的發(fā)電要求。相對于陸地發(fā)電用燃氣輪機而言，艦用燃氣輪機更注重其比功率、質量、體積和操縱性等技術指標。

與柴油機相比，燃氣輪機由于受氣體溫度的限制，一定程度上影響了其經(jīng)濟性的提升，并限制了其在民用船舶領域的應用。盡管如此，對于部分要求動力裝置動力性強、體積小、質量小、起動快、操縱性好、維修簡便的船舶而言，燃氣輪機則有著更好的應用前景。

如上文所述，燃氣輪機更適用于巡洋艦、驅逐艦、護衛(wèi)艦、巡邏艇、登陸艇等軍用艦艇及部分高性能船舶（如水翼艇、氣墊船等）[3]。通過持續(xù)提高循環(huán)參數(shù)并采用復雜循環(huán)，燃氣輪機的效率已逐步接近柴油機，特別是在一些具有較高動力性要求的船舶上，燃氣輪機更具競爭力。因此，除了軍用艦艇之外，越來越多的快速渡船、快速貨輪業(yè)配裝了燃氣輪機。

與柴油機相比，燃氣輪機功率密度更高，排放性更佳，目前也有越來越多的民用船舶開始使用燃氣輪機。以聯(lián)合動力裝置為例，艦船在戰(zhàn)時所需的最高功率比巡航工況時的功率通常要高出數(shù)倍。為此，可進行如下設置，艦船在巡航工況時由柴油機驅動，而在戰(zhàn)時要求的最高功率則由燃氣輪機單獨驅動，或者也可由燃氣輪機與柴油機共同驅動。

不僅如此，還可分別配裝低功率燃氣輪機和高功率燃氣輪機，通過減速齒輪傳動到軸上。前者用于巡航工況，后者用于戰(zhàn)時的高機動工況。此外，還可以將燃氣輪機和柴油機與電動機組合成一電一燃聯(lián)合推進裝置。

2 艦用燃氣輪機當前存在的主要技術問題

燃氣輪機雖然有著明顯的技術優(yōu)勢，但是依然存在一定弊端，現(xiàn)有艦用燃氣輪機主要存在下列問題：

2.1 油耗率較高，特別是變工況的經(jīng)濟性較差

現(xiàn)有的艦用燃氣輪機的油耗率通常比中速柴油機的油耗率更高.其主要原因是：一方面因受到材料和冷卻技術的限制，不能選用過高的燃氣初溫；另一方面排氣溫度過高，造成較大的余熱損失。

艦用燃氣輪機的變工況經(jīng)濟性較差，使得艦船續(xù)航力明顯下降。一般軍用艦艇以20%～40%的總功率巡航，民用船舶通常以85%～90%的總功率航行，可見變工況的經(jīng)濟性對艦船而言有著較高重要性。燃氣輪機變工況經(jīng)濟性較差的原因：其一是壓氣機在變工況時性能惡化[4]，其二是燃氣初溫在低負荷時也會出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。

2.2 艦用燃氣輪機的壽命及翻修周期較短

現(xiàn)有艦用燃氣輪機的壽命明顯短于艦用汽輪機的壽命，艦用燃氣輪機的壽命較短是由于逐步提升的燃氣初溫，以及高溫熱腐蝕等現(xiàn)象所致。

2.3 艦用燃氣輪機的進、排氣道尺寸過大

由于燃氣輪機的進排氣壓力低、流量大，由此使得進排氣道尺寸過大。這不僅過多地占用艦船的寶貴容積，而且在甲板上過大的開口，將引起艦船結構強度的降低[5]。

2.4 艦用燃氣輪機的倒車、傳動裝置較復雜

現(xiàn)有的艦用燃氣輪機自身無法實現(xiàn)倒車，全燃推進的艦船倒車廣泛采用倒車齒輪箱或變螺距槳，其構造和控制均較復雜[6]。

3 艦用燃氣輪機的發(fā)展歷程

3.1 基于艦用燃氣輪機的部件特征分析其發(fā)展歷程

若將氣體膨脹時產(chǎn)生的功率分別施加在壓氣機驅動渦輪軸和動力渦輪軸上，則可有效改善壓氣機轉速與動力渦輪轉速無法進行充分耦合的現(xiàn)象。與此相反的情況是，如果通過低壓渦輪驅動壓氣機，那么在部分負荷及相對較慢的壓氣機轉速情況下，渦輪驅動的壓氣機的壓縮比會迅速下降，使壓氣機中的氣體溫度過高，甚至可能超過額定值，并使得渦輪熱負荷過高，以此會破壞壓氣機的功率平衡狀態(tài)。

在部分負荷工況下的工作曲線更接近于喘振界限，從而燃氣輪機只能在較低的部分負荷工況下運行或處于不穩(wěn)定運轉的狀態(tài)。特別是在作戰(zhàn)工況下負荷快速變化時，為了提高壓氣機組的功率和速度，必須持續(xù)提升工質的溫度。

3.2 基于艦用燃氣輪機的運行過程及可靠性等相關問題分析其發(fā)展歷程

一般而言，進入燃氣輪機壓氣機的液體中通常含有雜質微粒、煤屑微粒及鹽微粒等物質。在壓氣機運轉時，隨著機內(nèi)溫度的持續(xù)上升，這些微粒會逐步黏附在葉片表面。葉型粗糙的表面會導致較高的摩擦損耗，葉片的振動增加了其開裂的可能性及壓氣機所承受的機械負荷，所以要求對壓氣機進行定期清洗。清洗時，可在燃氣輪機進行高負荷運行并停機后，通過起動裝置使其達到清洗轉速，同時起動轉軸，通過上方的噴嘴以較大的角度噴射清潔用水和清潔劑對葉片組進行清洗。

同時，動力推進設備會面臨著自然損耗，而燃氣輪機裝置的部件對工況變化較為敏感。除了燃氣輪機動力裝置會受到污染之外，還會產(chǎn)生腐蝕、氧化、磨蝕、以及其他原因造成的磨損。其他原因造成的磨損可能是由于葉片爆裂、燃燒室過熱、噴嘴故障、點火電壓下降或者在滾動軸承上岀現(xiàn)磨損。通?？衫幂o助系統(tǒng)如燃料系統(tǒng)或者控制系統(tǒng)來使設備停止運轉。在設計時，可采用多種起動方式，并儲備一定數(shù)量的備用零件，以此將系統(tǒng)停機時間限制在一定范圍內(nèi)。

從歷史發(fā)展而言，航空發(fā)動機的發(fā)展趨勢與艦用燃氣輪機動力裝置的發(fā)展有著緊密聯(lián)系。雖然艦用燃氣輪機從航空發(fā)動機中沿用了諸多先進技術[7]，但其優(yōu)勢主要是減少了研發(fā)成本。艦用燃氣輪機仍需要根據(jù)其自身的特點，以對相關設備系統(tǒng)進行額外的匹配及優(yōu)化過程。

以航空發(fā)動機為例，其較高的動力性及可靠性必須基于先進的維修保養(yǎng)體系而逐步發(fā)展[8]。源于航空發(fā)動機的經(jīng)驗可沿用至艦用燃氣輪機動力裝置，并以此優(yōu)化維護及保養(yǎng)過程[9]。同時，可使用監(jiān)測系統(tǒng)來多方位檢測燃氣輪機裝置的各個部件，以此能迅速地發(fā)現(xiàn)艦用燃氣輪機裝置當前存在的誤差及其他技術性問題，從而可對運行過程進行干預，或基于維護過程而進行趨勢分析。

艦用燃氣輪機的總使用壽命及耐高溫件和檢修間隔的等效運行時長，主要取決于過程溫度、設備使用的原材料、機組實際負荷、運行管理及制造商的經(jīng)驗等方面，而且各個設備之間的差別較為顯著。一般而言，艦用燃氣輪機前幾級的轉子葉片的使用壽命約為48 000～80 000 h。根據(jù)實際的燃氣溫度和由此產(chǎn)生的設備部件溫度及機械應力，并針對原材料的蠕變和交變的熱應力進行研究，才能合理推測出設備各個部件的使用壽命。同時，對設備的堅固性、使用壽命進行計算和損害分析時還涉及到了概率分析等領域，其中還考慮到統(tǒng)計離散，并對其進行評估和限定。

從燃氣輪機動力裝置近年來的發(fā)展情況可知，包括壓氣機、燃燒室、渦輪和動力渦輪，其技術水平已得以飛速發(fā)展，燃氣輪機部件的技術水平亦得到了長足發(fā)展，但在不同的運行工況下，其技術參數(shù)對此仍有著較高敏感性。燃氣輪機未來的發(fā)展，即為持續(xù)提高各類部件的參數(shù)及可靠性。

3.3 基于艦用燃氣輪機的技術分析其發(fā)展歷程

在現(xiàn)代艦用高功率推進裝置中，燃氣輪機長期以來起著重要作用。在過去，由于燃氣輪機裝置的功率高、質量輕、結構緊湊、操作性及機動性好等特點，以及具有低振動等特性，使得其相比柴油機具有更顯著的優(yōu)勢，由此其在軍用艦艇上得到了廣泛應用。除此以外，燃氣輪機目前在民用船舶領域也有一定應用，因為相比柴油機，其高功率及低排放的特性仍具有更為顯著的優(yōu)勢。

目前，功率及效率的持續(xù)提升已非制約現(xiàn)階段燃氣輪機發(fā)展的主要因素。而整機功率及效率的優(yōu)化可通過提高壓縮比及燃氣入口溫度來實現(xiàn)。在燃燒時，可采用耐高溫性能更為優(yōu)越的材料和更先進的冷卻技術，來改善設備中高溫部件溫度的驟然上升現(xiàn)象。就該方面而言，采用耐熱材料已取得了顯著進步，而采用陶瓷部件及全新的冷卻工藝則為燃氣輪機技術領域的一大飛躍，由此使得燃氣輪機裝置已完全達到了實用階段。在壓縮比的提升過程中應盡量避免設備整機級數(shù)、質量和總長度的顯著增加。由于機組內(nèi)燃氣流動速度接近音速甚至會超過音速，葉型設計方案必須實現(xiàn)低損耗的目標，并通過中間冷卻、中間再熱和預熱等方式來改善整個運轉流程，但要求相對較大的設備空間。

在艦用燃氣輪機的發(fā)展過程中，一定數(shù)量的輔助設備也是必不可少的。以余熱鍋爐為代表的輔助設備可使燃氣輪機運行過程中產(chǎn)生的廢氣得以充分利用，并產(chǎn)生蒸汽推動發(fā)電機，采用該類技術方案可以使整機效率達到約58%。但對燃燒過程的要求會相應提升，針對燃燒過程及燃燒室結構的優(yōu)化設計是最主要的技術環(huán)節(jié)。在燃料消耗方面，可對艦用燃氣輪機開展進一步優(yōu)化，使其相比柴油機具有更高的技術競爭力。不僅可在燃燒室以更高的溫度進行燃燒，并使溫度分布更為穩(wěn)定及均勻，而且通過對燃料預熱及燃燒方式的改良可使原本已較低的污染物排放降至最低。不僅如此，通過降低冷卻空氣含量可使燃燒室內(nèi)分布有充足的可燃混合氣，以此改善燃燒的穩(wěn)定性。

近年來，艦用燃氣輪機發(fā)展的重點領域主要在延長整機使用壽命及降低成本等方面。為此需要對艦用燃氣輪機運轉及維護的成本問題進行重點考慮。由于原材料和燃料價格持續(xù)上升，設備及運轉成本也在相應增加。為此，可燃用廉價的燃料，并為設備選用更合理的運行方式，同時延長整機使用壽命和檢修周期。

隨著對整機動力性能要求的與日俱增，燃氣發(fā)生器僅通過數(shù)量的增加已無法滿足該類需求。燃氣輪機的動力性能對高速船舶而言，可謂舉足輕重。對軍用艦艇而言，速度對全艦戰(zhàn)斗力也有著重要影響。為此，巡洋艦、高速渡輪和快速貨輪均可采用具有較高功率密度的燃氣輪機推進裝置。同時，燃氣輪機也在巡邏艇及氣墊船等高速小型船舶上有所應用[10-11]。

對于大部分民用船舶而言，高速和高功率密度就意味著經(jīng)濟性更佳，設備成本更低，而減少燃料消耗成本則為重中之重。如上文所述，燃氣輪機的動力性明顯優(yōu)于柴油機，而可燃用價廉重油的柴油機則在經(jīng)濟性方面具有更顯著的優(yōu)勢。由于目前軍用艦艇多采用航改型燃氣輪機，更傾向于采用柴油、煤油等輕質燃油，柴油機所燃用的重油比其更為廉價。然而，艦用燃氣輪機如果燃用重油，則可能會使排氣口被重油中的灰塵堵塞。為了避免排氣口被污染物所堵塞，則會要求相應減少冷卻過程，致使燃氣輪機必須在燃氣及材料溫度較低的情況下運轉，以此會大幅降低燃氣輪機的效率，降低了其技術競爭力。但目前，仍有部分艦用燃氣輪機會采用重油，以此作為代替方案[12-14]。

4 艦用燃氣輪機的未來發(fā)展趨勢

4.1 采用高初參數(shù)的簡單熱力循環(huán)，不斷提高燃氣初溫，相應地提高壓比

如上文所述，燃氣輪機在艦船上得以應用時，主要以航空發(fā)動機作為母機，并進行艦用化改裝，以此可保證機組具有結構緊湊、重量輕，尺寸小、操縱和維修簡便、起動加速性能好等技術優(yōu)勢。目前，燃氣輪機的燃氣初溫與壓比還將繼續(xù)提高，提高燃氣初溫的主要辦法如下。

4.1.1 發(fā)展先進的冷卻技術

承受燃氣沖刷的高溫渦輪葉片、輪盤和燃燒室都需要進行冷卻。采用氣膜、發(fā)散等氣冷技術后[15-16]，可以降溫約數(shù)百攝氏度以上。近年來氣冷技術的改善平均每年使燃氣初溫提高約數(shù)十攝氏度，由于壓比也相應有所提高，致使壓氣機出口的空氣溫度同樣有所提高，要以此來冷卻高溫零件，就須先進行冷卻。

4.1.2 研制耐熱性更佳的高強度材料

渦輪轉子葉片在高溫高轉速下運轉，葉片材料將遇到熱應力、熱疲勞、熱腐蝕和蠕變等嚴重影響強度和壽命的問題。目前主要有兩種解決辦法[17-18]：一種是采用葉片表面保護層及復合材料來提高其抗高溫腐蝕性能，另一種是研制工程陶瓷材料，而且使其具有良好的抗熱性能，目前已在靜葉片和燃燒室的高溫零件上試用。近年來，隨著高溫材料的發(fā)展及應用，平均每年可使燃氣初溫提高數(shù)十攝氏度。

4.2 充分利用燃氣輪機排氣熱量以提高機組的總效率

渦輪較高的排氣溫度會浪費大量的余熱。為了充分利用余熱，可以采用回熱循環(huán)燃氣輪機和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置。

4.2.1 采用回熱循環(huán)燃氣輪機

利用渦輪高溫排氣加熱進入燃燒室的空氣，回收一部分余熱，可顯著提升燃氣輪機的效率，采用輕小的回熱器能進一步提升效率。

4.2.2 應用燃氣-蒸汽復合循環(huán)裝置（COGAS）

利用渦輪排氣的余熱，可在余熱鍋爐內(nèi)產(chǎn)生蒸汽以推動汽輪機，并輸出額外功率[19]，以此可使機組功率提升，油耗率下降。因此，目前COGAS 裝置不僅在火力發(fā)電領域中得以應用，而且在艦船動力裝置領域上也有所應用。

在艦船上采用COGAS 裝置，在技術層面上并無過多困難，采用現(xiàn)有技術即可實現(xiàn)，并可獲得多方面的收益。采用COGAS 循環(huán)的機組，在變工況時經(jīng)濟性可得到明顯改善，這對艦船用巡航機組而言，是一項重要優(yōu)勢。

4.3 進一步完善燃氣輪機各主要部件的性能

軸流式壓氣機性能好壞是發(fā)展燃氣輪機的關鍵。整機壓比提高后，應改善級間匹配，采用可轉導葉和雙轉子結構，可使高壓比的壓氣機仍有較寬的工作范圍。燃氣初溫的不斷提高，為此必須使高壓渦輪采用更為先進的冷卻方法，但強烈的冷卻會使渦輪效率有所降低。目前在艦用燃氣輪機中，隨著壓比的進一步提高，全環(huán)形燃燒室是一類重要發(fā)展方向。

4.4 發(fā)展艦船專用小功率巡航燃氣輪機

在燃氣輪機用于艦船的初始階段，其主要作為加速機組，而用柴油機作為低速巡航機組。隨后，英國等國采用COGOG 的裝艦方式，用小功率燃氣輪機進行巡航，大功率燃氣輪機進行加速?？紤]到石油等傳統(tǒng)化石燃料的日漸稀缺，為此也需對專用小功率巡航機組開展進一步研制工作。

4.5 改進艦用燃氣輪機的倒車技術

由于燃氣輪機無法直接實現(xiàn)反轉，因此當其用作艦船動力裝置時，多采用變距螺旋槳或倒車齒輪箱以進行倒車，前者過于復雜，后者過于笨重。以行星齒輪減速倒車裝置為代表的設備可實現(xiàn)大功率倒車，并大幅減小整機尺寸和重量，但摩擦制動發(fā)熱的問題尚未解決。近年來的全電推進裝置采用電力傳動，布置靈活且易于控制，為此有著較好的應用前景。

5 結論與展望

燃氣輪機以其較高的動力性、較好的機動性、輕小緊湊的尺寸等技術優(yōu)勢，目前已在軍用艦艇領域得以廣泛應用。考慮到其經(jīng)濟性依然有待提升，目前其主要與其他類型的動力裝置組成聯(lián)合動力裝置，并以其作為加速機組。除此之外，燃氣輪機在部分高性能船舶，如水翼艇及氣墊船上也有一定應用。隨著其自身參數(shù)及運行性能的不斷優(yōu)化，燃氣輪機在軍用艦艇及民用船舶領域仍會有較好的應用前景。