閆大海，張 晗

(中國艦船研究院，北京 100192)

0 引 言

燃氣輪機由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、單機功率大、功率密度高、起動快、可靠性高等優(yōu)點，自20世紀30年代研制成功后發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于航空、發(fā)電、輸氣管道、艦船動力等領(lǐng)域，應(yīng)用范圍越來越廣，產(chǎn)品譜系越來越全，產(chǎn)業(yè)規(guī)模越來越大。燃氣輪機技術(shù)水平是反映一個國家科技和工業(yè)實力的重要標(biāo)志。自主研發(fā)燃氣輪機裝備，對保護能源與國防安全、改善能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展意義重大。我國船用燃氣輪機的研制水平與世界先進水平差距較大，借鑒世界先進燃氣輪機研制規(guī)律與經(jīng)驗，梳理燃氣輪機關(guān)鍵技術(shù)，對研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的船用燃氣輪機意義重大。

與船用柴油機相比，船用燃氣輪機優(yōu)勢明顯：單位功率重量只有高速柴油機的1/15或更??；起動性，特別是低溫起動性好，加速性好；排放性能好，振動小，噪聲低[1]。這些優(yōu)點推動燃氣輪機在20世紀40年代后迅速在世界各國海軍艦船上推廣應(yīng)用。通用公司研制的LM2500等艦用燃氣輪機一般都由成熟的航空發(fā)動機改型而來，形成船用系列化發(fā)展。燃氣輪機已逐步成為各國水面艦艇的主要動力裝置和海軍裝備現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一[2]。

主要考慮經(jīng)濟性，民用船舶一般使用油耗較低的柴油機，較少使用燃氣輪機。近年來，隨著民用船舶對高航速和低排放的需求不斷增加，同時燃氣輪機技術(shù)不斷進步，燃氣輪機在民船上的應(yīng)用逐步增加[3]。

1 燃氣輪機技術(shù)發(fā)展趨勢

燃氣輪機的發(fā)展方向主要包括：不斷提高功率、效率；不斷提高經(jīng)濟性，包括降低制造維護成本，降低油耗，拓寬燃料適應(yīng)范圍等；不斷提高環(huán)境友好性，包括降低噪聲和減排；不斷提高可靠性等。

提高燃氣輪機的功率主要是通過增加燃油供給量和空氣質(zhì)量流量。提高燃氣初溫和壓氣機的壓縮比，是提高燃氣輪機效率的主要途徑。燃氣輪機效率的提高必然帶來燃油利用率的提高。各國不斷采用新方法、新材料、新工藝，提高燃氣輪機的經(jīng)濟性、環(huán)境友好性和可靠性。

1.1 壓氣機

未經(jīng)壓縮的空氣中氧含量低，在有限空間內(nèi)只能支持少量燃油燃燒，熱力循環(huán)效率和功率低，沒有實用價值。壓氣機是燃氣輪機的核心部件之一，其技術(shù)水平直接決定了燃氣輪機性能的好壞。壓氣機從大氣中吸入空氣并將其壓縮升壓，小部分進入燃燒室進行燃燒，大部分用來冷卻和封嚴[4]。壓氣機按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為離心式壓氣機和軸流式壓氣機。軸流式壓氣機具有體積小、流量大、效率高的優(yōu)點，雖然單級壓縮比不大（約1.2～1.5），但可以將很多壓氣機葉片串聯(lián)起來，一級一級增壓，其乘積就是總增壓比。壓氣機的發(fā)展趨勢是提高單級增壓比，以更少的級數(shù)實現(xiàn)更高的壓比。

壓氣機的設(shè)計水平隨著空氣動力學(xué)、熱力學(xué)、計算流體力學(xué)的發(fā)展而不斷提高。20世紀初采用螺旋槳理論設(shè)計壓氣機葉片，20世紀50年代開始采用二維設(shè)計技術(shù)。90年代以來，以三維CFD技術(shù)為核心的壓氣機設(shè)計技術(shù)發(fā)展迅速，取代部分風(fēng)洞試驗，減少了研發(fā)成本和研制周期[5]。壓氣機的主要設(shè)計難點在于保證壓比、效率和喘振裕度滿足要求。壓比是壓氣機出口氣壓與進口氣壓之比，是決定燃氣輪機功率和效率高低的重要參數(shù)。喘振是發(fā)動機不正常的工作狀態(tài)，是由于壓氣機內(nèi)的空氣流量和壓氣機轉(zhuǎn)速偏離設(shè)計狀態(tài)（比如空氣流量減少）過多而引發(fā)的。喘振嚴重時可導(dǎo)致停車甚至發(fā)動機損壞。為提高壓氣機工作效率并增加發(fā)動機喘振裕度，可采用雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子方案，低壓渦輪帶動低壓壓氣機，高壓渦輪帶動高壓壓氣機。高負荷壓氣機內(nèi)部流動復(fù)雜，存在強逆壓梯度，多級匹配困難，激波、轉(zhuǎn)捩、流動分離等問題突出，效率損失顯著。一般通過三維葉片設(shè)計、先進葉型、多排可調(diào)葉片等技術(shù)保證壓比、效率和喘振裕度滿足要求[6]。

1.2 燃燒室

燃燒室是燃氣輪機的另一核心部件。經(jīng)過壓氣機的高壓高溫空氣在這里與燃料混合燃燒，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，供渦輪膨脹做功。目前民用燃氣輪機燃燒室的發(fā)展趨勢主要是在保證高效燃燒的情況下，確保在很寬的工作范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒和低排放。

燃氣輪機排放的氣態(tài)污染物主要是一氧化碳（CO）、未燃碳氫（UHC）、氮氧化物（NOX）和硫化物（SOX），顆粒污染物主要是燃燒室的煙塵。大氣污染物中的氮氧化物和未燃碳氫由于光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物，對環(huán)境的破壞更加嚴重[7]。

傳統(tǒng)燃燒室為提高效率，不斷提高燃氣初溫，難以全面減少各種廢氣污染物生成。氮氧化物在高溫燃燒時增加明顯。目前控制燃氣輪機的排放主要有2個技術(shù)方向：一個是針對燃燒過程，主要通過降低燃燒區(qū)溫度，減少污染物的形成；一個是針對燃燒產(chǎn)物，主要通過使用催化劑來促進污染物還原，實現(xiàn)污染物的低排放[8]。

根據(jù)燃燒機理，CO和NOx在1 670 K～1900 K范圍內(nèi)時生成量均較少，通過控制主燃區(qū)溫度，可以控制CO和NOX排放。主燃區(qū)溫度主要取決于燃燒反應(yīng)的當(dāng)量比（Equivalence Ratio，EQR）。當(dāng)量比是燃料完全燃燒理論上所需要的空氣量與實際供給空氣量之比，當(dāng)量比大于1，表示空氣量不足，反之則過剩。燃燒時不僅要控制整個燃燒區(qū)的總當(dāng)量比，更重要的是控制局部當(dāng)量比，即當(dāng)量比的均勻性。

燃料靈活性是燃氣輪機發(fā)展趨勢之一。雙燃料燃燒技術(shù)是燃氣輪機在不停機工況下，實現(xiàn)不同燃料的無擾動在線切換。目前，我國海上平臺用燃氣輪機幾乎全部采用雙燃料燃燒技術(shù)，全部依賴進口，國內(nèi)尚未突破雙燃料燃燒技術(shù)[9]。

不管燃氣輪機發(fā)展的方向是低排放還是高溫升，都需要顯著提高參與燃燒的空氣的分配比例，冷卻空氣分配比例要減少到總空氣量的20%～30%。傳統(tǒng)的縫槽氣膜冷卻方式需要30%～40%的空氣量，難以滿足要求。解決這一問題主要有2個辦法：一是大幅度提高火焰筒材料的許用溫度，但目前實現(xiàn)起來比較困難[10]；二是發(fā)展更先進的冷卻技術(shù)，有2個技術(shù)方向，一是將原有的縫槽氣膜冷卻方式改進為沖擊/氣膜冷卻、氣膜/發(fā)散冷卻等，二是發(fā)展多斜孔冷卻、沖擊/多斜孔冷卻、層板冷卻等新型高效冷卻技術(shù)。目前燃燒室火焰筒冷卻技術(shù)已由純氣膜冷卻發(fā)展到?jīng)_擊、發(fā)散、氣膜、層板等多種復(fù)合形式，冷卻結(jié)構(gòu)也由單層壁發(fā)展到雙層壁、浮動壁等形式[11]。

1.3 燃氣透平

提高燃氣輪機效率和功率的最有效的方法是提高渦輪前溫度。近些年來燃氣輪機渦輪前溫度以每年10 K～20 K的速度不斷增加，燃氣透平處于高溫、高壓、高負荷的惡劣工作環(huán)境，發(fā)展耐高溫材料和隔熱保護涂料，采用更先進的渦輪冷卻技術(shù)，是不斷提高透平性能的主要技術(shù)途徑。渦輪冷卻技術(shù)主要有2個發(fā)展方向：一是提高強化換熱冷卻技術(shù)、氣膜冷卻技術(shù)、沖擊冷卻技術(shù)等現(xiàn)有冷卻方式的冷卻效果；二是發(fā)展發(fā)散冷卻等新型冷卻方式[12]。

1.4 控制系統(tǒng)

燃氣輪機除了本體（壓氣機、燃燒室和燃氣透平）外，還包括控制系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、齒輪箱等各類輔助裝置。其中控制系統(tǒng)在燃氣輪機的發(fā)展過程中地位越來越重要，已成為與壓氣機、燃燒室和透平并列的燃氣輪機四大部件之一。燃氣輪機控制系統(tǒng)經(jīng)歷了機械液壓控制、模擬電子控制和數(shù)字電子控制3個階段，逐步發(fā)展成為高度復(fù)雜、分布式、多冗余、非線性、多功能，集光、機、電、信息與控制技術(shù)為一體的數(shù)字電子控制系統(tǒng)，具備測量、控制、順控、保護、維護、故障診斷等功能[13]，向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合控制、主動控制、容錯控制和智能控制等方向發(fā)展。預(yù)計最有應(yīng)用價值的控制技術(shù)包括：低排放燃燒控制技術(shù)、主動間隙控制技術(shù)、延壽控制技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)、在線實時故障診斷和健康管理技術(shù)、遠程網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、智能傳感器和執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)等[14]。

1.5 復(fù)雜循環(huán)

技術(shù)進步促進簡單循環(huán)燃氣輪機的功率和效率不斷提高，但簡單循環(huán)在低負荷工況下燃燒效率下降明顯[15]。采用復(fù)雜循環(huán)是提高燃氣輪機性能的主要途徑之一。復(fù)雜循環(huán)主要包括間冷、回?zé)?、間冷回?zé)?、蒸汽回注、化學(xué)回?zé)?、濕空氣渦輪等循環(huán)方法[16]，可增加單機功率、提高全工況循環(huán)熱效率。

間冷回?zé)嵫h(huán)燃氣輪機的工作原理如圖1所示。間冷器布置在燃氣輪機低、高壓壓氣機之間，空氣經(jīng)低壓壓氣機壓縮后進入間冷器冷卻，這樣既降低了進入高壓壓縮機進口的空氣溫度，減少了高壓壓氣機的壓縮功，又降低了高壓壓氣機的出口溫度，較低的燃燒室進口溫度可簡化燃燒室結(jié)構(gòu)，降低NOx排放量?；?zé)崞鞑贾迷趧恿u輪出口和燃燒室進口之間，用動力渦輪排氣余熱加熱燃燒室進口空氣，以減少燃料消耗量，提高循環(huán)效率。間冷回?zé)嵫h(huán)可降耗減排，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率提高幅度有限。噴水冷卻蒸汽回流循環(huán)、化學(xué)回?zé)嵫h(huán)等復(fù)雜循環(huán)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、循環(huán)效率高、功率大等優(yōu)點，但目前尚未在艦船上得到應(yīng)用[17]。

圖1 間冷回?zé)嵫h(huán)燃氣輪機工作原理圖Fig. 1 Schematic diagram of an inter - cooled recuperative cycle gas turbine

1.6 聯(lián)合循環(huán)

目前燃氣輪機初溫一般可達到1 370 ℃～1 500 ℃，排氣溫度約為450 ℃～600 ℃。蒸汽動力循環(huán)中，汽輪機的進汽溫度一般只有540 ℃～560 ℃，排氣蒸汽溫度很低，接近環(huán)境溫度[18]。由燃氣輪機和蒸汽輪機組成的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，是熱-功轉(zhuǎn)換效率最高的大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電模式，近年來全球每年增長的發(fā)電容量中，約有36%為燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組提供[19]。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（見圖2）主要由燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機和發(fā)電機組組成，充分利用了燃氣輪機發(fā)電機組的排氣余熱，系統(tǒng)有較高的吸熱溫度和較低的放熱溫度，循環(huán)效率可達到60%以上，碳排放量減少50%，基本不產(chǎn)生二氧化硫和粉塵[20]。

圖2 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of gas and steam combined cycle power generation system

1.7 材料和工藝技術(shù)

燃氣輪機從采用高溫合金和簡單空冷技術(shù)，發(fā)展到采用超級合金、保護涂層，以及先進的空冷技術(shù)，到采用更有效的蒸汽冷卻技術(shù)，以及定向結(jié)晶、單晶葉片，部分靜部件采用陶瓷材料[21]的發(fā)展歷程，充分說明高溫材料及其制造工藝技術(shù)是燃氣輪機不斷發(fā)展，性能參數(shù)不斷提高的基礎(chǔ)。燃氣輪機高效率、大功率、低排放的發(fā)展趨勢，要求不斷提高渦輪進氣溫度，對燃氣輪機渦輪葉片、燃燒室和渦輪盤等熱端部件的材料性能、制造工藝、冷卻技術(shù)，以及熱障涂層可靠性等提出了嚴峻考驗。

目前，先進單晶高溫合金使用溫度基本達到極限，而承溫能力更好的連續(xù)纖維陶瓷基復(fù)合材料尚未成熟應(yīng)用，采用熱障涂層技術(shù)是目前燃氣輪機實現(xiàn)高效率、低排放和長壽命的有效途徑[22]。

2 船用燃氣輪機技術(shù)發(fā)展趨勢

燃氣輪機已廣泛地應(yīng)用于美英等國輕型航母、巡洋艦、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦、氣墊船，以及各型快艇上，顯著提高了艦艇的戰(zhàn)技指標(biāo)，成為各國海軍大中型水面艦船的主要動力裝置。目前燃氣輪機在民船上的應(yīng)用也在逐步增加。船用燃氣輪機一般長時間在低工況下運行，所吸入的空氣中含有大量鹽分，一般使用輕質(zhì)柴油或較重質(zhì)的餾分油，對使用壽命、可靠性和維修性要求高[23]。船用燃氣輪機發(fā)展方向是經(jīng)濟、可靠、環(huán)保。

2.1 提高功率效率和可靠性，降低油耗

對于簡單循環(huán)船用燃氣輪機，主要通過提高壓比、提高渦輪進口溫度、提高部件效率等措施提高功率效率，降低耗油率。對于簡單循環(huán)在低負荷工況下燃燒效率下降明顯等問題，采用間冷回?zé)岬葟?fù)雜循環(huán)，可增加單機功率、提高全工況循環(huán)熱效率。

以LM2500系列燃氣輪機為例，通過不斷的技術(shù)改造，從1969年問世時的功率16.54 MW、效率36%，逐步提高到功率34.82 MW、效率39.5%。MT30艦船燃氣輪機采用三維設(shè)計的壓氣機葉片、8級變幾何中壓壓氣機靜子葉片、高可靠性軸承等先進技術(shù)，功率、熱效率和耗油率分別達到36 MW，40%和0.207 kg/（kW·h）。采用間冷回?zé)峒夹g(shù)的WR-21艦船燃氣輪機，在30%工況時，效率可達41.16%，接近中、高速柴油機水平，可以取代柴燃聯(lián)合動力裝置。MT30艦船燃氣輪機采用簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計、單元體設(shè)計、預(yù)平衡、視情維護等措施，顯著提高了燃機可靠性與維修性，熱端部件和整機的大修時間分別達到12 500 h和24 000 h，平均修理時間為4 h[24]。

2.2 節(jié)能減排

目前，燃氣輪機主要通過采用貧燃直接噴射燃燒系統(tǒng)（LDI）等低污染排放燃燒技術(shù)，即在穩(wěn)定燃燒的情況下，通過降低燃燒區(qū)火焰溫度，實現(xiàn)氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和未燃燒碳氫化合物（UHC）等的低排放。隨著國際上對船舶排放要求越來越嚴格，這些減排措施將逐步應(yīng)用于船用燃氣輪機。

聯(lián)合循環(huán)節(jié)能減排效果明顯。美國皇家加勒比航運公司建造的大型郵輪采用燃氣輪機、蒸汽輪機和電力驅(qū)動組合系統(tǒng)（COGES），結(jié)構(gòu)見圖3。每艘船的推進裝置包括2臺LM2500+型燃機和1臺汽輪機。燃蒸聯(lián)合循環(huán)的效率為45%～50%。在使用低壓蒸汽時，整個系統(tǒng)的能量利用率高達80%。分析表明，大型郵輪采用COGES動力裝置，其綜合性能明顯優(yōu)于船用柴油機[18]。

3 結(jié) 語

燃氣輪機是集新技術(shù)、新材料、新工藝于一體的典型的高技術(shù)密集型產(chǎn)品，其技術(shù)水平是國家科技實力的重要標(biāo)志之一。燃氣輪機的研制涉及工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、聲學(xué)、固體力學(xué)、控制科學(xué)、材料科學(xué)，以及冶金、鑄造、鍛造、焊接、熱處理、機加工、無損檢測、性能評價等多個學(xué)科和專業(yè)，周期長、投資大，其發(fā)展進步有科學(xué)客觀的規(guī)律。既需要以先進燃氣輪機為目標(biāo)，跟蹤主要部件的先進技術(shù)，探索先進熱障涂層技術(shù)、先進冷卻技術(shù)、定向（單）晶高溫葉片精密制造技術(shù)、高溫高負荷高效透平技術(shù)、高溫低NOx排放燃燒室技術(shù)[25]、爆轟燃燒增壓技術(shù)、燃燒熱聲不穩(wěn)定的主被動抑制技術(shù)等前沿技術(shù)，也需要在基礎(chǔ)學(xué)科、制造工藝、材料研發(fā)、試驗測試等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域持續(xù)不斷地深入研究，為研制具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的具有世界先進水平的船用燃氣輪機奠定堅實基礎(chǔ)。

圖3 美國郵輪COGES系統(tǒng)Fig. 3 The COGES system of American cruise ship