徐智珍，趙永建，張 軻

(沈陽發(fā)動機設計研究所，遼寧 沈陽 110015)

1 引言

由于艦船航改燃氣輪機具有結(jié)構(gòu)緊湊、起動迅速、重量輕、可靠性高、維護方便和易于更換等突出優(yōu)勢，在1947年成功試裝后就得到了艦船工業(yè)界的高度重視和大力開發(fā)，早已廣泛地應用在大型驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦、大型巡洋艦、巡邏艇、潛艇支援船、破冰船、氣墊登陸艇與小型航空母艦上。目前，艦船航改燃氣輪機的最大功率達到了50 MW，簡單循環(huán)效率已達41%，耗油率降低到0.200 kg/(kW·h)，可靠性與可維護性也得到了明顯提高。與此同時，美英等國在完成ATS(先進燃氣輪機系統(tǒng))、SMGT(超級艦船燃氣輪機)、IHPTET(綜合高性能渦輪發(fā)動機技術)等技術研究之后開發(fā)和驗證的更經(jīng)濟且更高效的燃氣輪機技術，必將推動未來一代艦船燃氣輪機的更大發(fā)展。

2 發(fā)展歷程

由于艦船燃氣輪機源自航空渦輪發(fā)動機技術，具有航空發(fā)動機質(zhì)量輕、功率大、起動快、加速性好、可靠性高等相似的技術要求，因而都由發(fā)展成熟的航空發(fā)動機改型研制，其產(chǎn)品研發(fā)與技術研究工作只有英國、美國和俄羅斯等為數(shù)極少的世界航空發(fā)動機強國有實力開展。

2.1 產(chǎn)品發(fā)展

1947年，英國研制的G1燃氣輪機在英國皇家海軍MGB2009高速炮艇上試裝成功，揭開了艦船燃氣輪機發(fā)展的序幕。20世紀60年代末，英國和美國等國家陸續(xù)做出“艦船以燃氣輪機做動力”的歷史性決策。之后，英國、美國、俄羅斯等國家開始大力發(fā)展艦船燃氣輪機，并廣泛應用在各種艦船上[1，2]。

20世紀60年代以來，英國RR公司陸續(xù)研制了Tyne RM1、Olympus TM1A、Olympus TM3B、Olympus TM3C、SPEY SM1A、SPEY SM1C/SM2C、WR-21、MT30等艦船燃氣輪機；美國GE公司研制了LM2500、LM1600、LM2500＋、LM2500＋G4 和 LM6000PC；美國PW公司研制了FT4A、FT8；美國Allison公司研制了Allison 501KF、Allison 570KF 和 Allison 571KF；美國Lycoming 公 司 研 制 了 TF25、TF40、TF50、TF80 和TFl00；前蘇聯(lián)Kuznetsov設計局研制了NK-12M、NK-12PT和NK-14PT[3，4]。表1示出了這些艦船燃氣輪機的投入使用時間、母體航機和應用等情況。

2.2 技術發(fā)展

在研制艦船燃氣輪機產(chǎn)品的同時，美國、英國、日本等國家也在實施一些技術預研計劃以開發(fā)和驗證更先進的燃氣輪機技術。

美國能源部于1993～2000年組織一些政府部門與工業(yè)界實施了ATS研究計劃。其主要目標是應用先進循環(huán)和先進材料開發(fā)小功率工業(yè)用燃氣輪機。與此同時，通過實施IHPTET、超高效發(fā)動機技術(UEET)和多用途、經(jīng)濟可承受的先進渦輪發(fā)動機(VAATE)等研究計劃，美國政府和工業(yè)界開發(fā)、驗證了大量的先進燃氣輪機技術，為未來一代燃氣輪機的發(fā)展奠定了堅實的技術基礎。

由美國牽頭，美國與歐洲共22個部門和公司共同實施的聯(lián)合開發(fā)先進航改燃氣輪機(CAGT)研究計劃，其目標是將配裝B777飛機的GE公司的GE90、PW公司的PW4084和RR公司的 Trent800等大涵道比渦扇發(fā)動機改型研制為工業(yè)燃氣輪機。其第1步，是利用雙轉(zhuǎn)子壓氣機的優(yōu)勢，實施中間冷卻，實現(xiàn)渦輪進口溫度達到1 426～1 482℃，簡單循環(huán)效率達到45%～47%；第2步，在中間冷卻的基礎上，進一步實現(xiàn)更先進的濕空氣渦輪循環(huán)(HAT)，使由PW4084發(fā)動機改型研制的HAT循環(huán)燃氣輪機的效率達到61%～63%，功率達到200 MW。

日本國土交通省組織5個燃氣輪機/柴油機制造商于1997～2005年聯(lián)合實施了SMGT研究計劃，開發(fā)低排放且高熱效率的未來一代艦船回熱循環(huán)燃氣輪機，以替換當今的同功率級(2 590 kW)柴油機[5]。SMGT研制計劃第1階段，通過開發(fā)和驗證干低NOx排放燃燒室、板翅式回熱器、高效冷卻轉(zhuǎn)子葉片、帶有可調(diào)導向葉片且能在部分負載狀態(tài)下提高效率的動力渦輪、適應于艦船環(huán)境的防腐涂層等技術，實現(xiàn)了以下3個目標：①NOx排放量顯著降低(只有高速柴油機的1/10)；②熱效率達到39.1%(與高速柴油機的熱效率相當)；③能使用A型重油。SMGT研制計劃第2階段，通過耐久性試驗，驗證了第1階段技術應用于實際艦船的可靠性，實現(xiàn)了輸出功率為2 300 kW，綜合能量效率為50%，CO2排放量進一步降低20%，可靠性達到實際應用標準的目標。

3 發(fā)展規(guī)律

3.1 熱效率逐步提高，耗油率不斷降低

表2示出了部分典型艦船航改燃氣輪機的性能參數(shù)。從表中可以清楚地發(fā)現(xiàn)，無論是簡單循環(huán)還是復雜循環(huán)，世界艦船燃氣輪機的效率都在逐步提高，耗油率都在不斷降低。

表1 典型艦船航改燃氣輪機簡介Table 1 The state of typical marine aero-derivative gas turbines

簡單循環(huán)艦船燃氣輪機主要通過提高壓比、渦輪進口溫度、部件效率等措施來提高熱效率和降低耗油率。例如，LM2500燃氣輪機的功率為24.3MW，熱效率為 37.6%， 耗油率為 0.227 kg/(kW·h)；由LM2500燃氣輪機改進的LM2500＋燃氣輪機采用了LM2500、LM6000燃氣輪機的技術和經(jīng)驗，借鑒了F414發(fā)動機的整體葉盤技術、CF6-80C2發(fā)動機的無凸肩寬弦葉片技術、CF6-80E發(fā)動機的先進密封技術等，使其流量增大20%，壓比由19.2增大到23.6，最終使其最大輸出功率達到29.8 MW，熱效率提高到39.1%。2005年由LM2500＋燃氣輪機改進研制的LM2500＋G4燃氣輪機，采用GE公司戰(zhàn)斗機發(fā)動機和LM6000燃氣輪機的先進技術重新設計壓氣機、高壓渦輪與動力渦輪，采用先進的材料與涂層，使空氣流量提高6%，壓比從23.6提高到24.2，排氣溫度提高，進而使其在不改變外廓尺寸的情況下，額定功率提高到34.3 MW，熱效率達到39.3%。最近研制的LM6000PC燃氣輪機和MT30艦船燃氣輪機，其功率分別為42.8 MW和36 MW，熱效率分別為42.1%和 40%，耗油率分別為 0.200 kg/(kW·h)和0.207 kg/(kW·h)。也就是說，目前簡單循環(huán)艦船燃氣輪機的熱效率已經(jīng)達到40%以上，耗油率已經(jīng)降低到 0.200 kg/(kW·h)級[6，7]。

復雜循環(huán)艦船燃氣輪機主要包括間冷、回熱、間冷回熱、蒸汽回注、化學回熱、濕空氣渦輪等復雜循環(huán)燃氣輪機，主要通過改進熱力循環(huán)，提高熱效率，特別是在部分負荷下的性能，如熱效率與耗油率等。英國RR公司與美國西屋公司聯(lián)合，以RB211發(fā)動機為基礎研制的WR-21艦船燃氣輪機，采用間冷回熱技術，降低了壓氣機的功耗，增加了渦輪的有用功，使熱效率提高到42%，油耗降低到0.200 kg/(kW·h)。特別是其油耗曲線特別平坦，在30%工況時效率可達41.16%，耗油率達0.204 kg/(kW·h)，接近中、高速柴油機水平，可以單獨取代柴燃聯(lián)合動力裝置，大大節(jié)省了空間、顯著減輕了重量，明顯改善了維修性和可靠性，降低了全壽命期費用。由于其具有優(yōu)越的性能，WR-21燃氣輪機將應用于美國海軍DD-21級驅(qū)逐艦與新一代DDG-51級驅(qū)逐艦、英國新型航母、歐洲3國(英國、法國、意大利)的新一代通用護衛(wèi)艦(GNGF)。對于DDG-51級驅(qū)逐艦，全年每艘艦可節(jié)約費用150萬美元，同時允許航速增加6節(jié)，航程增加1 000海里。又如，LM6000艦船燃氣輪機采用化學回熱循環(huán)后，熱效率將達到60%。

3.2 污染排放量明顯降低

隨著人們環(huán)保意識的增強和國際艦船燃氣輪機排放標準的制定，艦船燃氣輪機的排放早已得到世界各國的高度重視。由于不適合采用噴水或SCR(選擇催化還原燃燒技術)，艦船燃氣輪機主要通過采用貧油直接噴射燃燒系統(tǒng)(LDI)、貧油預混氣化燃燒系統(tǒng)(LPW/PY)、富油燃燒-快速摻混-貧油燃燒系統(tǒng)(RQL)、非絕熱燃燒系統(tǒng)以及內(nèi)置催化穩(wěn)定燃燒系統(tǒng)(可提供NOx排放低于1×10-6的水平)等干低排放燃燒技術，即在不對燃燒穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響的情況下降低燃燒區(qū)火焰溫度，從而降低NOx、CO和未燃燒的碳氫化合物(UHC)等的排放量，并且已經(jīng)取得明顯的效果。

表2 典型艦船航改燃氣輪機的性能參數(shù)Table 2 The performance parameters of typical marine aero-derivative gas turbines

RR公司的工業(yè)RB211燃氣輪機的貧油預混軸向分級燃燒室包括9個徑向安裝的逆流環(huán)管型燃燒腔，每個腔又分為單獨供油和供氣兩級，以便在部分負荷下維持高油氣比和降低排放量，是首臺裝備干低排放燃燒室的航改燃氣輪機。PW公司的FT8燃氣輪機的貧油預混軸向分級燃燒室有3個不同的燃燒區(qū)，每個區(qū)的幾何形狀都按不同的發(fā)動機功率范圍和燃料/空氣比進行優(yōu)化設計，使NOx的排放量降到25×10-6以下，使CO和UCH排放量降到相對低的水平。GE公司的LM6000燃氣輪機的貧油預混徑向分級燃燒室采用一種獨特的三環(huán)腔設計：中環(huán)腔包括30個預燃預混器，在整個發(fā)動機工作范圍內(nèi)工作；外環(huán)腔、內(nèi)環(huán)腔分別包括30個和15個燃燒器，它們分級或以可調(diào)的數(shù)量工作，以使燃燒室在窄的火焰溫度范圍內(nèi)工作。這樣，其NOx排放量降低到25×10-6以下，CO、UHC和顆粒狀物等的排放量也降到很低。

GE公司和美國空軍研究試驗室也在共同開發(fā)與驗證一種創(chuàng)新型駐渦燃燒室，如圖1所示，其利用燃燒室內(nèi)駐渦腔來實現(xiàn)火焰穩(wěn)定。該燃燒室具有在寬廣的工作范圍內(nèi)穩(wěn)定工作、地面/空中點火能力強、燃燒效率高、長度短、結(jié)構(gòu)簡單等特點。美國海軍首先按飛機和艦船動力的要求設計了駐渦燃燒室，并且已經(jīng)在全尺寸環(huán)形試驗臺和F414發(fā)動機上進行了試驗驗證。美國能源部正在研究將駐渦燃燒室作為RQL方案，用于燃氣輪機和高速燃燒領域。為了達到SMGT已實現(xiàn)的NOx排放低(只有高速柴油機的1/10)這一目標，日本開發(fā)并驗證了貧油預混預蒸發(fā)燃燒室，如圖2所示。該燃燒室中3個燃燒區(qū)域分別帶有3種不同的燃油噴嘴，其中引燃噴嘴用于點火和低功率狀態(tài)，并且在工況范圍內(nèi)維持燃燒穩(wěn)定性；主燃油噴嘴提供貧油、預混、預蒸發(fā)燃燒；補燃噴嘴在主燃燒區(qū)后，為大功率運行提供燃油。另外，GE、PW公司等也在開發(fā)和驗證RQL燃燒室。相信這些新型低排放燃燒室的采用，將會大大降低燃氣輪機中NOx、CO、UHC和顆粒狀物等的排放量。

圖1 駐渦燃燒室Fig.1 Trapped vortex combustor

圖2 DLN燃燒室縱剖面Fig.2 DLN combustor cross section

3.3 可靠性與維修性不斷提高

艦船燃氣輪機的可靠性與維修性也是非常重要的指標。除了降低狀態(tài)使用和進行適當加固外，艦船燃氣輪機主要通過采用耐高溫與抗腐蝕/疲勞部件、耐腐蝕防護涂層、先進冷卻技術，以及嚴格、全面的部件和整機鑒定試驗來提高可靠性，通過簡化結(jié)構(gòu)、減少零件數(shù)目、采用易維護的設計(單元體、對開機匣、設孔探口、合理的維修等級)、采用視情維修、采用通用性設計等措施來提高維修性，并取得了很好的效果。

LM2500發(fā)動機通過采用單元體設計、對開壓氣機機匣、在位葉片更換、在位熱端部件維護、易維護的外部燃油管路等措施，使得其可靠性達到0.996。在2 000臺LM2500/LM2500+燃氣輪機超過5 100×104h和 6 556臺 CF6航空發(fā)動機278×104h的使用經(jīng)驗的基礎上，LM2500＋G4燃氣輪機的平圴可靠性達到了0.986，較非GE公司同等功率的燃氣輪機提高了0.034 9；平圴可用性達到了0.958 4，較非GE公司同等功率的燃氣輪機提高了0.034。

WR-21燃氣輪機始終遵循“用戶已經(jīng)為維護買單”的思想，首先確定了明確的可靠性和維修性指標：①間冷回熱燃氣輪機系統(tǒng)兩次故障之間的平均時間最少為1 000 h，回熱器為20 000 h，間冷器為14 000 h，包括傳感器的控制系統(tǒng)為4 500 h，所有船內(nèi)部和外部修理為2 200 h，燃氣發(fā)生器和動力渦輪的兩次大修之間的平均時間最少為10 000 h；②對于間冷回熱燃氣輪機的所有O級和I級維修操作，恢復系統(tǒng)的平均時間最多為24 h；③拆卸、更換一臺燃氣發(fā)生器最多用48 h，動力渦輪為72 h，間冷器為24 h，回熱器為120 h；④對于修理的最大平均時間，控制系統(tǒng)為2 h，滑油系統(tǒng)和其它部件為9.75 h；⑤O級保護性維護最多為每周4.5人·時，保護性加校正性維護每周6.75人·時。然后，從方案設計到詳細設計一直高度關注維修性設計，通過采取以下6項技術措施，在滿足低耗油率和不超過現(xiàn)有燃氣輪機尺寸要求的同時，設計出了維修性和適應性都很好的燃氣輪機系統(tǒng)：①選擇成熟的、高可靠性的單元體化部件；②設計可達性好的箱體；③保證最大可能地采用孔探儀檢查；④進行燃氣流路停車清洗和聯(lián)機清洗；⑤將計劃維護(預防性維護系統(tǒng)(PMS))減至最少；⑥采用少量通用標準型保障設備進行操作者級或船員級(美國海軍O級)維護，確保采用附加的特殊工具進行Ⅰ級維護。

MT30燃氣輪機通過采用簡化結(jié)構(gòu)設計(部件數(shù)較其它航改燃氣輪機的減少50%～60%)、單元體設計、預平衡、視情維護等措施和嚴格的試驗考核，其可靠性與維修性得到了很大提高。預計熱端部件的大修時間為12 500 h，整機大修時間為24 000 h，艦上從早到晚的平均無故障時間為2 000 h，平均修理時間(冷機時間除外)為4 h。

4 結(jié)束語

隨著航空發(fā)動機和燃氣輪機技術的飛速發(fā)展，以及艦船燃氣輪機使用經(jīng)驗的不斷豐富，未來艦船燃氣輪機產(chǎn)品的性能會得到更大的提高，可靠性會得到進一步的改善，維修性會越來越好，污染排放量會更低，其應用前景也必然會更加廣闊。

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