舰用燃气轮机动力装置现存主要问题及技术发展研究

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司， 上海 200438）

引言

用于驱动舰船的燃气轮机通常采用双轴或三轴的结构型式[1]。其中，由改进的航空发动机构成的燃气发生器与串接在后方的动力涡轮通常以气动方式相连接[2]。同柴油机等动力装置相似，燃气轮机也会配备所有运行时所必备的辅助设备，以此可用于驱动螺旋桨、发电机、空气及燃气压气机或泵等其他设备。

1 舰用燃气轮机及其循环过程

内燃机在同一个缸内不断重复热力循环过程，并以此调整温度，使平均温度不至过高而损坏零部件，而燃气轮机工作时的循环过程会相应在该装置的各个部件内同时进行：在压气机内进行压缩，在燃烧室内燃烧，在涡轮内进行膨胀。

燃气轮机的主要技术优势如下：其功率密度高、质量轻、体积小、工作时振幅较低。同时，燃气轮机还可以通过配备回热器及散热器等专用装置以优化整机性能。其弊端在于：在机组运行时的最高温度范围内，必须维持燃烧室、涡轮等设备的持续运行。为此必须采用如镍合金等高品质合金材料制造长期承受高温气体冲刷的部件，为此必须采用一套完善、有效的冷却方法。当时技术发展的水平限制了其所能达到的最高温度，而其最高温度恰好为影响单位功率和效率的一项重要因素。

以陆地发电用燃气轮机动力装置为例，其技术水平的优劣一定程度上可通过其经济性来进行评估。换言之，可根据其单位发电成本价格、运行费用、运行性能和维修性能来判定某台燃气轮机装置是否适用于当前的发电要求。相对于陆地发电用燃气轮机而言，舰用燃气轮机更注重其比功率、质量、体积和操纵性等技术指标。

与柴油机相比，燃气轮机由于受气体温度的限制，一定程度上影响了其经济性的提升，并限制了其在民用船舶领域的应用。尽管如此，对于部分要求动力装置动力性强、体积小、质量小、起动快、操纵性好、维修简便的船舶而言，燃气轮机则有着更好的应用前景。

如上文所述，燃气轮机更适用于巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、巡逻艇、登陆艇等军用舰艇及部分高性能船舶（如水翼艇、气垫船等）[3]。通过持续提高循环参数并采用复杂循环，燃气轮机的效率已逐步接近柴油机，特别是在一些具有较高动力性要求的船舶上，燃气轮机更具竞争力。因此，除了军用舰艇之外，越来越多的快速渡船、快速货轮业配装了燃气轮机。

与柴油机相比，燃气轮机功率密度更高，排放性更佳，目前也有越来越多的民用船舶开始使用燃气轮机。以联合动力装置为例，舰船在战时所需的最高功率比巡航工况时的功率通常要高出数倍。为此，可进行如下设置，舰船在巡航工况时由柴油机驱动，而在战时要求的最高功率则由燃气轮机单独驱动，或者也可由燃气轮机与柴油机共同驱动。

不仅如此，还可分别配装低功率燃气轮机和高功率燃气轮机，通过减速齿轮传动到轴上。前者用于巡航工况，后者用于战时的高机动工况。此外，还可以将燃气轮机和柴油机与电动机组合成一电一燃联合推进装置。

2 舰用燃气轮机当前存在的主要技术问题

燃气轮机虽然有着明显的技术优势，但是依然存在一定弊端，现有舰用燃气轮机主要存在下列问题：

2.1 油耗率较高，特别是变工况的经济性较差

现有的舰用燃气轮机的油耗率通常比中速柴油机的油耗率更高.其主要原因是：一方面因受到材料和冷却技术的限制，不能选用过高的燃气初温；另一方面排气温度过高，造成较大的余热损失。

舰用燃气轮机的变工况经济性较差，使得舰船续航力明显下降。一般军用舰艇以20%～40%的总功率巡航，民用船舶通常以85%～90%的总功率航行，可见变工况的经济性对舰船而言有着较高重要性。燃气轮机变工况经济性较差的原因：其一是压气机在变工况时性能恶化[4]，其二是燃气初温在低负荷时也会出现降低的现象。

2.2 舰用燃气轮机的寿命及翻修周期较短

现有舰用燃气轮机的寿命明显短于舰用汽轮机的寿命，舰用燃气轮机的寿命较短是由于逐步提升的燃气初温，以及高温热腐蚀等现象所致。

2.3 舰用燃气轮机的进、排气道尺寸过大

由于燃气轮机的进排气压力低、流量大，由此使得进排气道尺寸过大。这不仅过多地占用舰船的宝贵容积，而且在甲板上过大的开口，将引起舰船结构强度的降低[5]。

2.4 舰用燃气轮机的倒车、传动装置较复杂

现有的舰用燃气轮机自身无法实现倒车，全燃推进的舰船倒车广泛采用倒车齿轮箱或变螺距桨，其构造和控制均较复杂[6]。

3 舰用燃气轮机的发展历程

3.1 基于舰用燃气轮机的部件特征分析其发展历程

若将气体膨胀时产生的功率分别施加在压气机驱动涡轮轴和动力涡轮轴上，则可有效改善压气机转速与动力涡轮转速无法进行充分耦合的现象。与此相反的情况是，如果通过低压涡轮驱动压气机，那么在部分负荷及相对较慢的压气机转速情况下，涡轮驱动的压气机的压缩比会迅速下降，使压气机中的气体温度过高，甚至可能超过额定值，并使得涡轮热负荷过高，以此会破坏压气机的功率平衡状态。

在部分负荷工况下的工作曲线更接近于喘振界限，从而燃气轮机只能在较低的部分负荷工况下运行或处于不稳定运转的状态。特别是在作战工况下负荷快速变化时，为了提高压气机组的功率和速度，必须持续提升工质的温度。

3.2 基于舰用燃气轮机的运行过程及可靠性等相关问题分析其发展历程

一般而言，进入燃气轮机压气机的液体中通常含有杂质微粒、煤屑微粒及盐微粒等物质。在压气机运转时，随着机内温度的持续上升，这些微粒会逐步黏附在叶片表面。叶型粗糙的表面会导致较高的摩擦损耗，叶片的振动增加了其开裂的可能性及压气机所承受的机械负荷，所以要求对压气机进行定期清洗。清洗时，可在燃气轮机进行高负荷运行并停机后，通过起动装置使其达到清洗转速，同时起动转轴，通过上方的喷嘴以较大的角度喷射清洁用水和清洁剂对叶片组进行清洗。

同时，动力推进设备会面临着自然损耗，而燃气轮机装置的部件对工况变化较为敏感。除了燃气轮机动力装置会受到污染之外，还会产生腐蚀、氧化、磨蚀、以及其他原因造成的磨损。其他原因造成的磨损可能是由于叶片爆裂、燃烧室过热、喷嘴故障、点火电压下降或者在滚动轴承上岀现磨损。通常可利用辅助系统如燃料系统或者控制系统来使设备停止运转。在设计时，可采用多种起动方式，并储备一定数量的备用零件，以此将系统停机时间限制在一定范围内。

从历史发展而言，航空发动机的发展趋势与舰用燃气轮机动力装置的发展有着紧密联系。虽然舰用燃气轮机从航空发动机中沿用了诸多先进技术[7]，但其优势主要是减少了研发成本。舰用燃气轮机仍需要根据其自身的特点，以对相关设备系统进行额外的匹配及优化过程。

以航空发动机为例，其较高的动力性及可靠性必须基于先进的维修保养体系而逐步发展[8]。源于航空发动机的经验可沿用至舰用燃气轮机动力装置，并以此优化维护及保养过程[9]。同时，可使用监测系统来多方位检测燃气轮机装置的各个部件，以此能迅速地发现舰用燃气轮机装置当前存在的误差及其他技术性问题，从而可对运行过程进行干预，或基于维护过程而进行趋势分析。

舰用燃气轮机的总使用寿命及耐高温件和检修间隔的等效运行时长，主要取决于过程温度、设备使用的原材料、机组实际负荷、运行管理及制造商的经验等方面，而且各个设备之间的差别较为显著。一般而言，舰用燃气轮机前几级的转子叶片的使用寿命约为48 000～80 000 h。根据实际的燃气温度和由此产生的设备部件温度及机械应力，并针对原材料的蠕变和交变的热应力进行研究，才能合理推测出设备各个部件的使用寿命。同时，对设备的坚固性、使用寿命进行计算和损害分析时还涉及到了概率分析等领域，其中还考虑到统计离散，并对其进行评估和限定。

从燃气轮机动力装置近年来的发展情况可知，包括压气机、燃烧室、涡轮和动力涡轮，其技术水平已得以飞速发展，燃气轮机部件的技术水平亦得到了长足发展，但在不同的运行工况下，其技术参数对此仍有着较高敏感性。燃气轮机未来的发展，即为持续提高各类部件的参数及可靠性。

3.3 基于舰用燃气轮机的技术分析其发展历程

在现代舰用高功率推进装置中，燃气轮机长期以来起着重要作用。在过去，由于燃气轮机装置的功率高、质量轻、结构紧凑、操作性及机动性好等特点，以及具有低振动等特性，使得其相比柴油机具有更显著的优势，由此其在军用舰艇上得到了广泛应用。除此以外，燃气轮机目前在民用船舶领域也有一定应用，因为相比柴油机，其高功率及低排放的特性仍具有更为显著的优势。

目前，功率及效率的持续提升已非制约现阶段燃气轮机发展的主要因素。而整机功率及效率的优化可通过提高压缩比及燃气入口温度来实现。在燃烧时，可采用耐高温性能更为优越的材料和更先进的冷却技术，来改善设备中高温部件温度的骤然上升现象。就该方面而言，采用耐热材料已取得了显著进步，而采用陶瓷部件及全新的冷却工艺则为燃气轮机技术领域的一大飞跃，由此使得燃气轮机装置已完全达到了实用阶段。在压缩比的提升过程中应尽量避免设备整机级数、质量和总长度的显著增加。由于机组内燃气流动速度接近音速甚至会超过音速，叶型设计方案必须实现低损耗的目标，并通过中间冷却、中间再热和预热等方式来改善整个运转流程，但要求相对较大的设备空间。

在舰用燃气轮机的发展过程中，一定数量的辅助设备也是必不可少的。以余热锅炉为代表的辅助设备可使燃气轮机运行过程中产生的废气得以充分利用，并产生蒸汽推动发电机，采用该类技术方案可以使整机效率达到约58%。但对燃烧过程的要求会相应提升，针对燃烧过程及燃烧室结构的优化设计是最主要的技术环节。在燃料消耗方面，可对舰用燃气轮机开展进一步优化，使其相比柴油机具有更高的技术竞争力。不仅可在燃烧室以更高的温度进行燃烧，并使温度分布更为稳定及均匀，而且通过对燃料预热及燃烧方式的改良可使原本已较低的污染物排放降至最低。不仅如此，通过降低冷却空气含量可使燃烧室内分布有充足的可燃混合气，以此改善燃烧的稳定性。

近年来，舰用燃气轮机发展的重点领域主要在延长整机使用寿命及降低成本等方面。为此需要对舰用燃气轮机运转及维护的成本问题进行重点考虑。由于原材料和燃料价格持续上升，设备及运转成本也在相应增加。为此，可燃用廉价的燃料，并为设备选用更合理的运行方式，同时延长整机使用寿命和检修周期。

随着对整机动力性能要求的与日俱增，燃气发生器仅通过数量的增加已无法满足该类需求。燃气轮机的动力性能对高速船舶而言，可谓举足轻重。对军用舰艇而言，速度对全舰战斗力也有着重要影响。为此，巡洋舰、高速渡轮和快速货轮均可采用具有较高功率密度的燃气轮机推进装置。同时，燃气轮机也在巡逻艇及气垫船等高速小型船舶上有所应用[10-11]。

对于大部分民用船舶而言，高速和高功率密度就意味着经济性更佳，设备成本更低，而减少燃料消耗成本则为重中之重。如上文所述，燃气轮机的动力性明显优于柴油机，而可燃用价廉重油的柴油机则在经济性方面具有更显著的优势。由于目前军用舰艇多采用航改型燃气轮机，更倾向于采用柴油、煤油等轻质燃油，柴油机所燃用的重油比其更为廉价。然而，舰用燃气轮机如果燃用重油，则可能会使排气口被重油中的灰尘堵塞。为了避免排气口被污染物所堵塞，则会要求相应减少冷却过程，致使燃气轮机必须在燃气及材料温度较低的情况下运转，以此会大幅降低燃气轮机的效率，降低了其技术竞争力。但目前，仍有部分舰用燃气轮机会采用重油，以此作为代替方案[12-14]。

4 舰用燃气轮机的未来发展趋势

4.1 采用高初参数的简单热力循环，不断提高燃气初温，相应地提高压比

如上文所述，燃气轮机在舰船上得以应用时，主要以航空发动机作为母机，并进行舰用化改装，以此可保证机组具有结构紧凑、重量轻，尺寸小、操纵和维修简便、起动加速性能好等技术优势。目前，燃气轮机的燃气初温与压比还将继续提高，提高燃气初温的主要办法如下。

4.1.1 发展先进的冷却技术

承受燃气冲刷的高温涡轮叶片、轮盘和燃烧室都需要进行冷却。采用气膜、发散等气冷技术后[15-16]，可以降温约数百摄氏度以上。近年来气冷技术的改善平均每年使燃气初温提高约数十摄氏度，由于压比也相应有所提高，致使压气机出口的空气温度同样有所提高，要以此来冷却高温零件，就须先进行冷却。

4.1.2 研制耐热性更佳的高强度材料

涡轮转子叶片在高温高转速下运转，叶片材料将遇到热应力、热疲劳、热腐蚀和蠕变等严重影响强度和寿命的问题。目前主要有两种解决办法[17-18]：一种是采用叶片表面保护层及复合材料来提高其抗高温腐蚀性能，另一种是研制工程陶瓷材料，而且使其具有良好的抗热性能，目前已在静叶片和燃烧室的高温零件上试用。近年来，随着高温材料的发展及应用，平均每年可使燃气初温提高数十摄氏度。

4.2 充分利用燃气轮机排气热量以提高机组的总效率

涡轮较高的排气温度会浪费大量的余热。为了充分利用余热，可以采用回热循环燃气轮机和燃气-蒸汽联合循环装置。

4.2.1 采用回热循环燃气轮机

利用涡轮高温排气加热进入燃烧室的空气，回收一部分余热，可显著提升燃气轮机的效率，采用轻小的回热器能进一步提升效率。

4.2.2 应用燃气-蒸汽复合循环装置（COGAS）

利用涡轮排气的余热，可在余热锅炉内产生蒸汽以推动汽轮机，并输出额外功率[19]，以此可使机组功率提升，油耗率下降。因此，目前COGAS 装置不仅在火力发电领域中得以应用，而且在舰船动力装置领域上也有所应用。

在舰船上采用COGAS 装置，在技术层面上并无过多困难，采用现有技术即可实现，并可获得多方面的收益。采用COGAS 循环的机组，在变工况时经济性可得到明显改善，这对舰船用巡航机组而言，是一项重要优势。

4.3 进一步完善燃气轮机各主要部件的性能

轴流式压气机性能好坏是发展燃气轮机的关键。整机压比提高后，应改善级间匹配，采用可转导叶和双转子结构，可使高压比的压气机仍有较宽的工作范围。燃气初温的不断提高，为此必须使高压涡轮采用更为先进的冷却方法，但强烈的冷却会使涡轮效率有所降低。目前在舰用燃气轮机中，随着压比的进一步提高，全环形燃烧室是一类重要发展方向。

4.4 发展舰船专用小功率巡航燃气轮机

在燃气轮机用于舰船的初始阶段，其主要作为加速机组，而用柴油机作为低速巡航机组。随后，英国等国采用COGOG 的装舰方式，用小功率燃气轮机进行巡航，大功率燃气轮机进行加速。考虑到石油等传统化石燃料的日渐稀缺，为此也需对专用小功率巡航机组开展进一步研制工作。

4.5 改进舰用燃气轮机的倒车技术

由于燃气轮机无法直接实现反转，因此当其用作舰船动力装置时，多采用变距螺旋桨或倒车齿轮箱以进行倒车，前者过于复杂，后者过于笨重。以行星齿轮减速倒车装置为代表的设备可实现大功率倒车，并大幅减小整机尺寸和重量，但摩擦制动发热的问题尚未解决。近年来的全电推进装置采用电力传动，布置灵活且易于控制，为此有着较好的应用前景。

5 结论与展望

燃气轮机以其较高的动力性、较好的机动性、轻小紧凑的尺寸等技术优势，目前已在军用舰艇领域得以广泛应用。考虑到其经济性依然有待提升，目前其主要与其他类型的动力装置组成联合动力装置，并以其作为加速机组。除此之外，燃气轮机在部分高性能船舶，如水翼艇及气垫船上也有一定应用。随着其自身参数及运行性能的不断优化，燃气轮机在军用舰艇及民用船舶领域仍会有较好的应用前景。