浅谈重型燃气轮机现状与发展展望

刘毅敏

（广州打捞局，广东 广州 510260）

浅谈重型燃气轮机现状与发展展望

刘毅敏

（广州打捞局，广东 广州 510260）

重型燃气轮机作为一种符合绿色环保要求的动力装置在船舶上的应用已有数十年的历史。船舶制造水平可通过重型燃气轮机的研发与制造水平来直观体现。鉴于此，本文以船舶燃气轮机的技术特点和优势为切入角度，着重阐述船用重型燃气轮机在我国的发展现状和现有水平，并对其在我国的发展趋势加以探究。

船舶；重型燃气轮机；现状；发展展望

由于燃气轮机因具有极高的发电热效率，在船舶中得到了广泛的应用。经过几十年的开发、研制和应用，普遍认为燃气轮机已成为大、中型水面轮船首选发动机。随着燃气轮机技术的逐渐成熟，越来越多的船舶开始装备燃气轮机作为其主动力装置。

1 燃气轮机的技术特点和优势

现阶段船舶所使用的主要动力设备仍以低、中、高速柴油机为主，只有少部分蒸汽轮机用作液化气船的动力设备。此外，燃气轮机作为动力装置与柴油机、蒸汽轮机动力装置相比，前者具有以下优点。

（1）为了便于运输更多货物，节省船舶机舱空间，通常燃气轮机的体积比较小，并且结构紧凑，同时也可提升船舶的使用性能。与此同时，随着材料技术的发展，更为轻薄的材料应用于燃气轮机的同时，凭借航空燃气涡轮机的固有功率密度,其重量比同等柴油发动机轻74%,所占空间约是同等柴油发动机的1/3。

（2）由于燃气轮机旋转时产生较少的低频振动，因此其具有振动小、噪音低以及运动平稳等特点。此外，燃气轮机由于其特殊的箱装体结构可形成良好的噪音防护，可以明显减弱低频噪音，从而在提升机舱操作环境的同时，可以对机舱噪音等级进行更好的控制。

（3）鉴于我国对环境保护问题的逐渐关注，因此将会越来越严格的控制船舶的废气排放，例如，降低氮氧化物以及硫化物等有害气体的排放量。此外，为满足环保要求，需要对目前船舶中的柴油机进行重新设计或改造，例如，设计优化的燃烧室，改进燃油系统，采用燃油注水、乳化油或废气再循环，选择性催化还原反应处理排放废气等。由此可见，上述举措不仅增加了船舶的投资和维护成本，在增加了动力系统的容积的同时，降低了船舶的储物空间。鉴于此，可以将变几何燃烧室技术、分级燃烧室技术、贫油预混合预蒸发燃烧技术、催化燃烧技术、直接喷射燃烧室技术、可变驻留时间燃烧室技术、富油燃烧快速淬熄贫油燃烧室等高效低污染燃烧技术等应用于船用燃气轮机中，从而确保其满足我国环保法规的要求。

（4）单机功率大，功率重量比大，起动加速性好，从冷态起动至全速工况仅需数分钟。

（5）润滑油消耗低，保养量小，管理人员少。燃气轮机的滑油消耗量普遍较低，如LM2500燃气轮机的最大滑油消耗率约0.9kg/h，平均滑油消耗率仅有0.09kg/h，与柴油机相比要小一个数量级，但由于燃气轮机工作转速高，对滑油的质量要求要远高于柴油机。燃气轮机是回转部件，主要运动部件少，又设计成模件结构，因此燃气轮机所需的船上维修量小，人员配备也相应减少。

2 国内船用重型燃气轮机的发展现状和水平

2.1 国内船用重型燃气轮机产业发展与研发现状

为了降低燃气轮机的造价，提升船舶制造企业经济效益，我国在21世纪初期引进国外船舶用燃气轮机的生产制造工艺，并且在我国本土实现了厂内空负荷试运行以及总装作业，进而从根本上提升燃气轮机装备的本土制造水平。尽管上述措施极大的弥补了我国船用燃气轮机生产制造中的不足，但是与国外先进燃气轮机制造技术相比尚有不小距离。此外，维修燃气轮机中的热端零部件、提供备品、备件以及售卖各种类型技术服务，使得外国燃气轮机制造商获得了大量的经济利益。目前，我国燃气轮机的设计、制造以及试运转试验已经取得了不错的试验结果，并且制定出了船用重型燃气轮机的设计、制造、材料选购等一系列生产制造规程。

2.2 国内基础及应用基础研究现状

在船用重型燃气轮机的基础研究领域，“燃气轮机的高性能热—功转换关键科学技术问题研究”以及“大型动力装备制造基础研究”项目纳入我国973科研计划当中。其中，前者科研项目的实施使得具有先进技术的机理性实验研究平台在我国建成并投入应用。其中，实验研究平台的建设极大的促进我国船用燃气轮机的基础研究工作，从而确保基础实验研究数据的准确性，从而为今后研究工作打下坚实基础。此外，实验研究平台的建立可以很好的解决多级轴流压气机、燃烧室和空气冷却透平的流动、燃烧、传热机理以及设计理论等方面问题，从而减小与外国的技术差距。后者则主要是通过研究蒸汽/空气双工质超强冷却机理，进而开发并设计出透平高温动叶片，从而将拉杆组合透平转子系统的设计体系构建出来，进而完成重型燃气轮机转子综合系统的建立工作。目前，上述两个研究项目取得的成果离国际先进燃气轮机技术尚有不小差距，因此，在船舶燃气轮机研究领域还有很大的发展空间需要探索。

2.3 国内船用燃气轮机试验设施建设现状

与世界发达国家的船用燃气轮机试验设施相比，我国与其在现阶段仍有不小的距离，从而难以满足自主设计、制造的要求。此外，我国各大院校和相关设计院所在过去几十年中的研究工作主要以小型低参数的机理性基础研究实验设施为主，因此，难以获得更多的资金投入，从而难以提升科研水平。与此同时，各个科研机构存在重复建设基础实验设施的现象发生，严重缺乏用于关键技术验证实验研究的科研设施。如果需要验证燃烧室、压气机等关键部件的设计性能，需要我国船舶燃气轮机制造企业投入大量的资金来建设和维护各种试验设施，对企业来讲是一项不小的挑战。

3 我国船用重型燃气轮机发展展望

3.1 基础和应用基础研究是核心技术自主创新体系的内核

由于我国船用燃气轮机的基础研究工作起步较晚，缺乏专业人才以及核心工艺技术，难以支撑燃气轮机行业更快、更好的向前发展，因此，燃气轮机基础研究领域应是未来我国重点完成的目标，以便建立我国自主创新体系的同时，增强我国燃气轮机的市场竞争力。从船用燃气轮机的发展历史可以看出，如要获得自主开发产品的能力，必须在基础研究工作上获得提升，从而获得船用重型燃气轮机中的关键专利技术。此外，燃气轮机基础研究计划的制定应科学合理，并有效的落实，并最终实现与产业化应用的对接。并且在体现科学研究价值的同时，做好人才储备和核心专利技术的申报工作。与此同时，随着社会需求的不断变化，燃气轮机的创新设计也应随之深化，力争在技术、材料等方面有所创新和突破。

3.2 加快建设我国船用燃气轮机基础研究重大设施

《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012—2030年)》在2013年由国务院颁布并实施，其中，将要在“十二五”计划中启动的项目中便有“洁净高效燃气轮机实验装置”。该实验项目在结合我国国情的前提下有以下几项内容：（1）为研究船用重型燃气轮机中的各类关键部件的工作机理与制造技术，应尽快建立各大部件的基础研究实验设施。其中，为储备后备科研人才，还应重点发展计算流体力学以及叶轮机械内流气动热力学等学科；（2）为促进燃气轮机系统和工程热力学、控制科学、材料科学、机械制造工艺等学科的全面发展，燃气轮机多学科与交叉学科的基础应用实验设施的建设刻不容缓；（3）为达到我国自主研发设计、制造重型燃气轮机产品的目标，各大造船企业将会相继建立船用燃气轮机关键结构部件级性能试验验证平台。

3.3 构建具有竞争力的重型燃气轮机产业体系

我国经济与船用重型燃气轮机的研发制造具有密不可分的关系，因此，我国应加强船用重型燃气轮机的自主研发能力，突破世界发达国家的技术壁垒，参考外国产品的结构与特点，发挥自身的优势，从而快速建立船用重型燃气轮机产品研制、加工制造、售后服务等全套产业体系，增强我国在船用重型燃气轮机领域的竞争力，从而确保船用重型燃气轮机的性能和质量满足我国船舶制造业的发展需求。

4 结语

综观世界各国船舶制造业的发展情况可知，大力开发并应用船用燃气轮机是我国船舶制造领域未来发展的主要方向。如要扩大我国船舶制造规模，需要大力开展船舶重型燃气轮机的研发工作。因此，我们的立足点必须是坚持自主创新，尽快开发并建立我国的船用燃气轮机工业体系，对于推动我国船用重型燃气轮机发展具有非常重要的现实意义。

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1671-0711（2017）05（下）-0155-02