对舰船燃气轮机发展的回顾与思考

□ 方忆平 杨子龙

对舰船燃气轮机发展的回顾与思考

□ 方忆平 杨子龙

图1 舰船燃气轮机

舰船燃气轮机发展基本情况

燃气涡轮发动机是使高压高温的空气燃烧而膨胀作功的热机，在20世纪30年代末开始应用于航空领域并取得了巨大的成功，由于其在设计水平、材料、制造工艺、试验和使用方面技术先进，经验丰富，因此将其改装发展应用于军用水面舰船，实现了舰船动力的燃气涡轮化（图1）。

舰船燃气轮机主要部件有燃气发生器、动力涡轮和箱装体，其中燃气发生器由压气机、燃烧室和压气机涡轮组成。随着技术的日臻完善，舰船燃气轮机呈现出功重比大、启动快、机动性强、可靠性好、部件运转平稳、操纵人员少、污染小的特点，能大大增加舰船的航程和机动性，故其成为现代大中型和高性能舰船的首选动力装置。

舰船燃气轮机系高精尖端装备，国外主要有美国通用电气（GE）公司和英国罗罗（RR）公司生产，GE公司的LM-2500系列燃气轮机是世界使用数量最多的舰用燃气轮机，从20世纪70年代初正式投入使用以来，已经销售了2000台（包括舰船和工业），RR公司生产的MT-30、WR-21、斯贝等型号舰船燃气轮机也销售了近500台，两家公司的产品装备了数十个国家的军舰。俄罗斯土星科学生产联合体公司具有自主设计制造大中小型三档功率航改型燃气轮机的能力。日本三菱重工、川崎重工和石川岛磨重工等公司可根据美国许可证生产组装燃气轮机配套设备，但不具备核心技术设计能力（和航空发动机一样，有美国制约的因素）。

根据对近20多年来西方发达国家新研机组的分析、统计，舰船燃气轮机具备以下发展趋势（图2）：一是热效率提高，燃油消耗率降低，简单循环的燃机热效率已达40%，复杂循环的燃机热效率已达46.2%，油耗降至0.2Kg/KW.h。二是可靠性和使用寿命逐步提高，大修期可达24000小时（热部件），平均无故障时间可达2000小时。三是良好的可维修性，平均故障修复时间降至4小时（含燃机冷却时间）。四是排放水平逐步降低，LM2500+的排放指标（NOx和CO浓度）在25ppm以下（国际上规定舰船排放标准为42ppm）。五是单机功率逐渐增大，GE公司生产的LM6000额定功率为58200马力（42.75MW），RR公司生产的MT50额定功率达68000马力（50MW）。

图2 大功率船用燃气轮机功率、效率的变化趋势

图3 LM2500系列舰船燃气轮机的发展历程

国外舰船燃气轮机发展的基本经验与启示

燃气轮机在原型机基础上持续发展。

以LM2500系列燃气轮机为例，经过40年来持续不断的改进、发展，从1969年问世时的功率22500马力(16.54MW)，效率36%，逐步发展成为功率47400马力(34.82MW),效率39.5%的新机型，形成LM2500/LM2500+/ LM2500+G4的系列机型（图3），满足了舰船、工业等不同应用需求，实现一机多用、系列化发展，已广泛应用于舰船、工业领域。

简单循环仍是燃气轮机技术发展的主要方向。

舰船燃气轮机的空气循环有简单和复杂两种工作方式，简单循环与航空发动机工作情形一样，空气轴向地流动，经压缩、燃烧、膨胀作功。而中冷回热循环（ICR）是舰用燃气轮机特别改进的一项复杂循环技术，即对高、低压气机之间的空气进行冷却（IC），减少压缩功；利用排气蜗壳的高温排气后的空气，使高压空气在进入燃烧室之前从排气中回收部分热量（R），进一步提高进入燃烧室的燃气温度，提高热效率。现代 ICR循环技术的热效率可达45% 以上。但这种中冷回热循环需要开发设计性能优异、结构紧凑的中间冷却器和回热器，加上燃气轮机增压比不断提高，压气机和涡轮效率的提高，排气温度与压气机出口温度的温差也越来越小，这样，使回热产生的收益也不再显著。况且，采用ICR技术还会带来投资增加和维修不便等。近20年来新研舰船燃气轮机只有美、英、加联合开发的WR-21是基于（ICR）复杂循环，其余代表燃气轮机研发技术的水平的LM2500+、LM2500+G4、RB211、MT30等机型都是基于简单循环，说明简单循环仍是燃气轮机技术发展的主要方向。

充分利用航空发动机成熟技术。

舰船燃气轮机的核心部分是燃气发生器，西方国家目前普遍采用成熟的航空发动机核心机（高压压气机、燃烧室、高压涡轮），然后进行适应性改造，发展形成成熟的舰用燃气轮机。这具有研制周期短、投资少、效率高优点，特别是长寿命、低油耗、大功率的航空涡扇发动机不断涌现，其技术成熟度高并批量生产和长期使用，为舰用化改装创造了良好的基础，同时，在航机舰改方面，积累了许多成功的经验，使航机舰改可以很好地满足现代舰艇对燃气轮机动力的要求。各航空燃气轮机制造公司也几乎无例外地将成熟的航空燃气轮机改型为舰用和工业燃气轮机，在役的舰船燃气轮机有95%是航改燃机，充分说明了利用成熟的航空发动机技术，是发展舰船燃机的一条有效途径。

强化舰船燃气轮机特有技术的提高。

舰船燃机有许多特殊的工作环境和要求，一是运行范围约90%的时间是在低工况下运行（特别是作为主机）；二是工作环境在海平面，进口空气中含有大量的盐分和污染物，可能遇到水下爆炸、近距离脱靶炮火等所产生的强烈冲击载荷(经减振后也达15g)；三是燃料是用轻质柴油或较重质的馏分油；四是寿命要求长达到几万小时，可靠性要求高；五是安装在舰船底部较为封闭的机舱内，可维修性要求独特。因此，舰船燃气轮机动力制造商都强化了特有技术的改进和提高，主要是增设多级、低转速的动力涡轮，以输出较大轴功率；针对低速、多次转折的特点重新设计进排气系统；新设大喘振裕度的多级低压压气机，以保持燃机在低工况下的高低压气机的匹配稳定性和高效率；改进燃烧室设计，以适应低价格燃料和海岸低排放要求；改变材料和镀层，研制适用的清洁系统，防止盐雾腐蚀；使用较重型的机匣和通过环形框架分散载荷，提高抗冲击能力；采用分开式机匣、单元体结构以提高可维修性等。

发展我国舰船燃气轮机的思考

我国从20世纪60年代开始先后研制了6型舰船燃气轮机，专用化设计和航空改装各3型，但由于其效率、功率、可靠性和寿命与相类似的进口机组相比差距较大，加上当时的社会和经济条件因素影响，没有获得实际推广应用。20世纪90年代末，我国从国外引进燃气轮机许可证进行生产，并成功完成了国产化研制，使我国在专用化设计道路中站在了一个高起点上。同时在航机舰改技术途径上，以我国自主研制的航空发动机核心机为基础，继承其成熟的设计技术、材料和工艺，重新设计专用关键部件，对燃烧室、燃油调节和控制系统等关键部件进行改进，形成了小档功率舰用燃气轮机并投入使用，航改燃机的设计能力上了一个台阶。我国在专用化设计和航改舰船燃气轮机这两条技术路线研发设计体系建设方面均取得了丰硕的成果，初步建立了设计规范、软件和数据库，有力地支撑了舰用燃气轮机的发展，使我国舰船燃气轮机进入了一个新的发展阶段。

我国舰船燃气轮机研制应继续夯实基础、建立体系，补充、完善和提高已建立起来的设计体系，特别是总体和核心机3大部件技术，在两条技术途径上，提高功率档次和热效率，加快形成我国舰用大、中、小档功率燃气轮机系列型谱，瞄准前沿、跟踪世界舰用燃气轮机先进技术，力争尽快达到国际先进技术水平。

加强舰船燃气轮机设计体系建设。

舰船燃气轮机设计体系是支撑舰船燃气轮机研发过程中开展技术研究、工程设计、试验验证等活动时所用到的规范、工具和流程的集合。目前我们还存在设计流程不完整、设计工具水平偏低且有欠缺、先进性技术有待突破、设计体系需进行整机深化验证等主要问题。我们必须在总体、压气机、燃烧室、涡轮、换热器、控制系统、装置集成、附属系统、试验等方面进行设计体系的全面建设。

加强关键技术的突破。

应加强横向协同攻关，攻克高温、高压、高气动机械负荷3大关键技术，在大功率简单循环舰船燃气轮机先进总体技术、高性能压气机技术、高性能燃烧室技术、涡轮技术、数字控制系统技术、集成技术，小档功率燃机前后输出设计技术、航改核心机改进提升技术、复杂循环（ICR）设计技术等方面取得重点突破。

加强新技术的跟踪与研究。

以世界舰船燃气轮机先进技术为目标，跟踪主要部件的先进技术，探索前瞻技术，特别是新型高效先进气动与冷却技术（湿压缩）、先进控制技术、关键部件与整机寿命预测技术、爆轰燃烧增压技术、燃烧热声不稳定的主被动抑制技术等。同时对燃气轮机与蒸汽轮机联合循环技术也应进行应用性研究。（国防科工局系统工程司）