■ 李敏 / 中國(guó)航發(fā) 吳賽峰 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

燃?xì)廨啓C(jī)是繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的艦用動(dòng)力裝置，具有質(zhì)量輕、尺寸小、功率大、起動(dòng)快等諸多優(yōu)點(diǎn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)了艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)的迅速發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于航空母艦、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、兩棲攻擊艦和氣墊登陸艇等水面艦船，成為艦船的主要?jiǎng)恿ρb置。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)是20世紀(jì)40年代在同一起跑線上各自獨(dú)立并行向前發(fā)展的。由于政治、軍事和經(jīng)濟(jì)等方面的原因，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)率先獲得飛速發(fā)展，利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改進(jìn)改型的燃?xì)廨啓C(jī)具有投資少、周期短、見效快、效率高、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。20世紀(jì)90年代以來，以大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)CF6-80C2/E1、RB211和遄達(dá)800等為基礎(chǔ)改型研制出的第4代航改燃?xì)廨啓C(jī)，取得了“可靠性更高、維修性更好、污染更低、功率范圍更寬、應(yīng)用前景更廣”的效果，其中航改簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的總壓比最高已達(dá)40∶1以上，熱效率已達(dá)40%以上，耗油率已經(jīng)降到0.2kg / (kW·h)級(jí)。

艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)主要有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)。

一是采用成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為母型機(jī)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)。航改燃?xì)廨啓C(jī)大多由發(fā)展成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)（尤其是民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)）改型研制，盡可能地繼承了航空發(fā)動(dòng)機(jī)母型機(jī)的技術(shù)和硬件（尤其核心機(jī)部分，基本保持不變），在滿足艦用燃?xì)廨啓C(jī)的工作環(huán)境和任務(wù)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性、長(zhǎng)壽命和低成本的目標(biāo)。

美國(guó)朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦及其動(dòng)力MT30艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)

二是開展了適海性等改進(jìn)設(shè)計(jì)。艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)要求在嚴(yán)苛的高溫、高濕、高鹽霧海洋環(huán)境下能長(zhǎng)期安全可靠地工作，因此需要采用抗腐蝕/疲勞材料、耐腐蝕防護(hù)涂層等先進(jìn)的材料和工藝，以提升零部件抗高溫腐蝕和抗氧化腐蝕的能力，確保不出現(xiàn)性能過早衰減或效率明顯降低等問題。

三是經(jīng)過了長(zhǎng)壽命、高可靠性、維修性等改進(jìn)設(shè)計(jì)。艦用燃?xì)廨啓C(jī)作為水面艦船的核心動(dòng)力，要求與艦船同壽，一般為30 年，翻修期為25000h。因此與航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，艦用燃?xì)廨啓C(jī)具有更高的壽命和可靠性要求。為此，在航改燃機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)，除降低母型機(jī)渦輪前溫度、工作轉(zhuǎn)速外，還需進(jìn)行優(yōu)化冷卻設(shè)計(jì)、對(duì)傳力路線、主要承力框架改進(jìn)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減少零件數(shù)目、采用易維護(hù)設(shè)計(jì)（單元體、對(duì)開機(jī)匣、孔探口）、采用視情維修、通用性設(shè)計(jì)等措施使整機(jī)可靠性與維修性得到大大提高。為保證整機(jī)的可靠性，所有改進(jìn)設(shè)計(jì)需通過嚴(yán)格、全面的整機(jī)/部件的鑒定試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)在艦用燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際使用過程中，還要進(jìn)行壽命管理。

四是采用緊湊型箱裝體設(shè)計(jì)。為保證艦用燃?xì)廨啓C(jī)和其附件系統(tǒng)在艦船航行條件下的工作可靠性、維修性，以及減振、隔聲、通風(fēng)、防火等要求，一般需新研制緊湊型箱裝體來滿足艦船的安裝要求，包括進(jìn)排氣與艦船進(jìn)排氣裝置連接、底座與船體承力結(jié)構(gòu)相連接，船艙空間限制等要求。箱裝體強(qiáng)調(diào)空間整體概念，需開展人機(jī)工程設(shè)計(jì)，在保證箱體尺寸最小的同時(shí)，留有足夠的現(xiàn)場(chǎng)維修空間。

MT30艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)的母型機(jī)遄達(dá)800

艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，航改燃?xì)廨啓C(jī)的性能、環(huán)保性、可靠性、維修性和經(jīng)濟(jì)性等不斷提升，在產(chǎn)業(yè)方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)譜系化和系列化發(fā)展，在艦船動(dòng)力領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，整體呈現(xiàn)以下發(fā)展特點(diǎn)。

一機(jī)多用

目前，各國(guó)海軍裝艦使用的燃?xì)廨啓C(jī)主要集中在少數(shù)幾個(gè)型號(hào)，如TF40B、LM2500、MT30 等。 這些燃機(jī)既可用作機(jī)械推進(jìn)，也可用于發(fā)電，通過不同的搭配組合，適用于不同艦船的動(dòng)力需求，見表1。

表1 水面艦船燃機(jī)裝備情況

性能不斷提高

從近20多年來世界新研艦用燃?xì)廨啓C(jī)情況分析可見，艦用燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展主要集中在大功率級(jí)（20MW及以上）和小功率級(jí)（10MW及以下）機(jī)組上，其中裝艦最多、應(yīng)用最廣泛的是大功率艦用燃?xì)廨啓C(jī)。由此可以預(yù)見，功率10 ～50MW、效率39%～42%（標(biāo)準(zhǔn)條件下）的艦用燃?xì)廨啓C(jī)是未來15 ～20年內(nèi)世界各國(guó)海軍艦船采用的主流動(dòng)力。

現(xiàn)役MT30艦用燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)功率達(dá)到40MW，效率達(dá)到40%以上，功率密度達(dá)1.2kW/kg，該機(jī)是由英國(guó)羅羅公司以20世紀(jì)90年代末研發(fā)的遄達(dá)800發(fā)動(dòng)機(jī)為母型機(jī)衍生發(fā)展而來，2008年進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化。MT30得到廣泛應(yīng)用的原因，除效率高外，很重要的一點(diǎn)是在標(biāo)準(zhǔn)天氣下，發(fā)電型能夠保持36MW的輸出功率、推進(jìn)型能保持40MW的輸出功率，與LM2500系列拉開了功率級(jí)次（幾型常見艦用燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)見表2）。

表2 常見艦用燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)

系列化發(fā)展

由于研制和生產(chǎn)艦用燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)門檻高，難度大，世界上真正能設(shè)計(jì)、制造艦用燃?xì)廨啓C(jī)的廠商為數(shù)極少，逐步形成了TF40系列、斯貝系列、LM2500系列、UGT系列等艦用燃?xì)廨啓C(jī)。

艦用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展圖譜

LM2500艦用燃?xì)廨啓C(jī)的系列化發(fā)展

這些燃?xì)廨啓C(jī)基本都是在原型發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，依托航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料、冷卻和涂層等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，以及壓氣機(jī)與渦輪部件性能的提高，進(jìn)一步提升渦輪初溫，提高整機(jī)性能，且朝著高度集中、系列化的方向發(fā)展。其中，美國(guó)GE公司的LM2500燃?xì)廨啓C(jī)最為典型，已發(fā)展形成3個(gè)型號(hào)的系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于艦船、工業(yè)領(lǐng)域。

航改燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展思路

21 世紀(jì)以來，隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)體系的大幅完善，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品得到快速發(fā)展，為航改燃?xì)廨啓C(jī)的研制奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)和工業(yè)基礎(chǔ)。我國(guó)根據(jù)需求、結(jié)合國(guó)情、拓展航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，堅(jiān)持自主創(chuàng)新研發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品，走出了一條系列化自主發(fā)展的道路。結(jié)合航改燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展道路，未來應(yīng)在以下幾個(gè)方面繼續(xù)加強(qiáng)投入力度。

核心機(jī)是基礎(chǔ)

航改燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)和硬件繼承自航空發(fā)動(dòng)機(jī)母型機(jī)，尤其是核心機(jī)部分盡量保持不變，因此選用一款在一定時(shí)期內(nèi)具有競(jìng)爭(zhēng)力的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)非常重要。高性能的核心機(jī)具有較低的燃油消耗率、較低的比空氣流量、較長(zhǎng)的壽命以及合適的功率等級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，能保證航改燃?xì)廨啓C(jī)研制成功后10年或更長(zhǎng)時(shí)間仍具有競(jìng)爭(zhēng)力；同時(shí)高性能核心機(jī)的高溫耐久強(qiáng)度儲(chǔ)備和抗腐蝕能力，可以在改裝過程中減少關(guān)鍵部件的改動(dòng)，以保持較高的通用性。

可靠性是關(guān)鍵

艦用燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性是動(dòng)力系統(tǒng)頂用、好用的關(guān)鍵，是近年來艦用燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)。目前我國(guó)的艦用燃?xì)廨啓C(jī)基本滿足了海軍對(duì)燃?xì)鈩?dòng)力的急需，但在可靠性及其長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行能力方面與國(guó)際領(lǐng)先的艦用燃?xì)廨啓C(jī)仍有差距。在未來一段時(shí)間內(nèi)的可靠性提升將是我國(guó)艦用燃?xì)廨啓C(jī)研制的重點(diǎn)工作。

系列化是趨勢(shì)

由于研制和生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的難度大，以成功的燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)，通過升級(jí)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品系列化發(fā)展，可以降低艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)的研制費(fèi)用、縮短研制周期，是艦用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。

智能化是方向

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化逐漸應(yīng)用到航改燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)中，創(chuàng)造了越來越多的價(jià)值，因此必須加快艦用燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。借助信息化的力量，“智能發(fā)動(dòng)機(jī)”概念應(yīng)運(yùn)而生。在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，以智能故障診斷、智能制造、智能控制、虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)、機(jī)器人檢修等為代表的智能化正在重塑設(shè)計(jì)、測(cè)試、生產(chǎn)和服務(wù)等各項(xiàng)工作，國(guó)際先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)制造商已經(jīng)著手開始“智能發(fā)動(dòng)機(jī)”的研制，并在一些關(guān)鍵項(xiàng)目中取得一定效果。我國(guó)在此領(lǐng)域尚處于起步階段，必須加快人工智能在艦用燃?xì)廨啓C(jī)上的工程化應(yīng)用，奮力直追。

結(jié)束語

目前我國(guó)正在大力研制CJ1000、CJ2000等先進(jìn)大涵道比航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力、耗油率等性能指標(biāo)可與世界先進(jìn)水平的LEAP-1C、GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)。隨著這些先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟度的提高及大量應(yīng)用，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為母型機(jī)，可研制出多型先進(jìn)可靠的艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)，改進(jìn)現(xiàn)役艦用燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品的性能，提高現(xiàn)役艦用燃?xì)廨啓C(jī)的適裝性，使其達(dá)到世界先進(jìn)水平，從而滿足我國(guó)未來艦船發(fā)展的動(dòng)力需求。