□ 方憶平 楊子龍

對(duì)艦船燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的回顧與思考

□ 方憶平 楊子龍

圖1 艦船燃?xì)廨啓C(jī)

艦船燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展基本情況

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是使高壓高溫的空氣燃燒而膨脹作功的熱機(jī)，在20世紀(jì)30年代末開(kāi)始應(yīng)用于航空領(lǐng)域并取得了巨大的成功，由于其在設(shè)計(jì)水平、材料、制造工藝、試驗(yàn)和使用方面技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)驗(yàn)豐富，因此將其改裝發(fā)展應(yīng)用于軍用水面艦船，實(shí)現(xiàn)了艦船動(dòng)力的燃?xì)鉁u輪化（圖1）。

艦船燃?xì)廨啓C(jī)主要部件有燃?xì)獍l(fā)生器、動(dòng)力渦輪和箱裝體，其中燃?xì)獍l(fā)生器由壓氣機(jī)、燃燒室和壓氣機(jī)渦輪組成。隨著技術(shù)的日臻完善，艦船燃?xì)廨啓C(jī)呈現(xiàn)出功重比大、啟動(dòng)快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、可靠性好、部件運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、操縱人員少、污染小的特點(diǎn)，能大大增加艦船的航程和機(jī)動(dòng)性，故其成為現(xiàn)代大中型和高性能艦船的首選動(dòng)力裝置。

艦船燃?xì)廨啓C(jī)系高精尖端裝備，國(guó)外主要有美國(guó)通用電氣（GE）公司和英國(guó)羅羅（RR）公司生產(chǎn)，GE公司的LM-2500系列燃?xì)廨啓C(jī)是世界使用數(shù)量最多的艦用燃?xì)廨啓C(jī)，從20世紀(jì)70年代初正式投入使用以來(lái)，已經(jīng)銷(xiāo)售了2000臺(tái)（包括艦船和工業(yè)），RR公司生產(chǎn)的MT-30、WR-21、斯貝等型號(hào)艦船燃?xì)廨啓C(jī)也銷(xiāo)售了近500臺(tái)，兩家公司的產(chǎn)品裝備了數(shù)十個(gè)國(guó)家的軍艦。俄羅斯土星科學(xué)生產(chǎn)聯(lián)合體公司具有自主設(shè)計(jì)制造大中小型三檔功率航改型燃?xì)廨啓C(jī)的能力。日本三菱重工、川崎重工和石川島磨重工等公司可根據(jù)美國(guó)許可證生產(chǎn)組裝燃?xì)廨啓C(jī)配套設(shè)備，但不具備核心技術(shù)設(shè)計(jì)能力（和航空發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，有美國(guó)制約的因素）。

根據(jù)對(duì)近20多年來(lái)西方發(fā)達(dá)國(guó)家新研機(jī)組的分析、統(tǒng)計(jì)，艦船燃?xì)廨啓C(jī)具備以下發(fā)展趨勢(shì)（圖2）：一是熱效率提高，燃油消耗率降低，簡(jiǎn)單循環(huán)的燃機(jī)熱效率已達(dá)40%，復(fù)雜循環(huán)的燃機(jī)熱效率已達(dá)46.2%，油耗降至0.2Kg/KW.h。二是可靠性和使用壽命逐步提高，大修期可達(dá)24000小時(shí)（熱部件），平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)2000小時(shí)。三是良好的可維修性，平均故障修復(fù)時(shí)間降至4小時(shí)（含燃機(jī)冷卻時(shí)間）。四是排放水平逐步降低，LM2500+的排放指標(biāo)（NOx和CO濃度）在25ppm以下（國(guó)際上規(guī)定艦船排放標(biāo)準(zhǔn)為42ppm）。五是單機(jī)功率逐漸增大，GE公司生產(chǎn)的LM6000額定功率為58200馬力（42.75MW），RR公司生產(chǎn)的MT50額定功率達(dá)68000馬力（50MW）。

圖2 大功率船用燃?xì)廨啓C(jī)功率、效率的變化趨勢(shì)

圖3 LM2500系列艦船燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展歷程

國(guó)外艦船燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的基本經(jīng)驗(yàn)與啟示

燃?xì)廨啓C(jī)在原型機(jī)基礎(chǔ)上持續(xù)發(fā)展。

以LM2500系列燃?xì)廨啓C(jī)為例，經(jīng)過(guò)40年來(lái)持續(xù)不斷的改進(jìn)、發(fā)展，從1969年問(wèn)世時(shí)的功率22500馬力(16.54MW)，效率36%，逐步發(fā)展成為功率47400馬力(34.82MW),效率39.5%的新機(jī)型，形成LM2500/LM2500+/ LM2500+G4的系列機(jī)型（圖3），滿(mǎn)足了艦船、工業(yè)等不同應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、系列化發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于艦船、工業(yè)領(lǐng)域。

簡(jiǎn)單循環(huán)仍是燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向。

艦船燃?xì)廨啓C(jī)的空氣循環(huán)有簡(jiǎn)單和復(fù)雜兩種工作方式，簡(jiǎn)單循環(huán)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作情形一樣，空氣軸向地流動(dòng)，經(jīng)壓縮、燃燒、膨脹作功。而中冷回?zé)嵫h(huán)（ICR）是艦用燃?xì)廨啓C(jī)特別改進(jìn)的一項(xiàng)復(fù)雜循環(huán)技術(shù)，即對(duì)高、低壓氣機(jī)之間的空氣進(jìn)行冷卻（IC），減少壓縮功；利用排氣蝸殼的高溫排氣后的空氣，使高壓空氣在進(jìn)入燃燒室之前從排氣中回收部分熱量（R），進(jìn)一步提高進(jìn)入燃燒室的燃?xì)鉁囟?，提高熱效率?，F(xiàn)代 ICR循環(huán)技術(shù)的熱效率可達(dá)45% 以上。但這種中冷回?zé)嵫h(huán)需要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)緊湊的中間冷卻器和回?zé)崞?，加上燃?xì)廨啓C(jī)增壓比不斷提高，壓氣機(jī)和渦輪效率的提高，排氣溫度與壓氣機(jī)出口溫度的溫差也越來(lái)越小，這樣，使回?zé)岙a(chǎn)生的收益也不再顯著。況且，采用ICR技術(shù)還會(huì)帶來(lái)投資增加和維修不便等。近20年來(lái)新研艦船燃?xì)廨啓C(jī)只有美、英、加聯(lián)合開(kāi)發(fā)的WR-21是基于（ICR）復(fù)雜循環(huán)，其余代表燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)技術(shù)的水平的LM2500+、LM2500+G4、RB211、MT30等機(jī)型都是基于簡(jiǎn)單循環(huán)，說(shuō)明簡(jiǎn)單循環(huán)仍是燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向。

充分利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)成熟技術(shù)。

艦船燃?xì)廨啓C(jī)的核心部分是燃?xì)獍l(fā)生器，西方國(guó)家目前普遍采用成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)（高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪），然后進(jìn)行適應(yīng)性改造，發(fā)展形成成熟的艦用燃?xì)廨啓C(jī)。這具有研制周期短、投資少、效率高優(yōu)點(diǎn)，特別是長(zhǎng)壽命、低油耗、大功率的航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不斷涌現(xiàn)，其技術(shù)成熟度高并批量生產(chǎn)和長(zhǎng)期使用，為艦用化改裝創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)，在航機(jī)艦改方面，積累了許多成功的經(jīng)驗(yàn)，使航機(jī)艦改可以很好地滿(mǎn)足現(xiàn)代艦艇對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力的要求。各航空燃?xì)廨啓C(jī)制造公司也幾乎無(wú)例外地將成熟的航空燃?xì)廨啓C(jī)改型為艦用和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，在役的艦船燃?xì)廨啓C(jī)有95%是航改燃機(jī)，充分說(shuō)明了利用成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，是發(fā)展艦船燃機(jī)的一條有效途徑。

強(qiáng)化艦船燃?xì)廨啓C(jī)特有技術(shù)的提高。

艦船燃機(jī)有許多特殊的工作環(huán)境和要求，一是運(yùn)行范圍約90%的時(shí)間是在低工況下運(yùn)行（特別是作為主機(jī)）；二是工作環(huán)境在海平面，進(jìn)口空氣中含有大量的鹽分和污染物，可能遇到水下爆炸、近距離脫靶炮火等所產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊載荷(經(jīng)減振后也達(dá)15g)；三是燃料是用輕質(zhì)柴油或較重質(zhì)的餾分油；四是壽命要求長(zhǎng)達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)，可靠性要求高；五是安裝在艦船底部較為封閉的機(jī)艙內(nèi)，可維修性要求獨(dú)特。因此，艦船燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力制造商都強(qiáng)化了特有技術(shù)的改進(jìn)和提高，主要是增設(shè)多級(jí)、低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力渦輪，以輸出較大軸功率；針對(duì)低速、多次轉(zhuǎn)折的特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)進(jìn)排氣系統(tǒng)；新設(shè)大喘振裕度的多級(jí)低壓壓氣機(jī)，以保持燃機(jī)在低工況下的高低壓氣機(jī)的匹配穩(wěn)定性和高效率；改進(jìn)燃燒室設(shè)計(jì)，以適應(yīng)低價(jià)格燃料和海岸低排放要求；改變材料和鍍層，研制適用的清潔系統(tǒng)，防止鹽霧腐蝕；使用較重型的機(jī)匣和通過(guò)環(huán)形框架分散載荷，提高抗沖擊能力；采用分開(kāi)式機(jī)匣、單元體結(jié)構(gòu)以提高可維修性等。

發(fā)展我國(guó)艦船燃?xì)廨啓C(jī)的思考

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始先后研制了6型艦船燃?xì)廨啓C(jī)，專(zhuān)用化設(shè)計(jì)和航空改裝各3型，但由于其效率、功率、可靠性和壽命與相類(lèi)似的進(jìn)口機(jī)組相比差距較大，加上當(dāng)時(shí)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)條件因素影響，沒(méi)有獲得實(shí)際推廣應(yīng)用。20世紀(jì)90年代末，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)許可證進(jìn)行生產(chǎn)，并成功完成了國(guó)產(chǎn)化研制，使我國(guó)在專(zhuān)用化設(shè)計(jì)道路中站在了一個(gè)高起點(diǎn)上。同時(shí)在航機(jī)艦改技術(shù)途徑上，以我國(guó)自主研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)為基礎(chǔ)，繼承其成熟的設(shè)計(jì)技術(shù)、材料和工藝，重新設(shè)計(jì)專(zhuān)用關(guān)鍵部件，對(duì)燃燒室、燃油調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)，形成了小檔功率艦用燃?xì)廨啓C(jī)并投入使用，航改燃機(jī)的設(shè)計(jì)能力上了一個(gè)臺(tái)階。我國(guó)在專(zhuān)用化設(shè)計(jì)和航改艦船燃?xì)廨啓C(jī)這兩條技術(shù)路線(xiàn)研發(fā)設(shè)計(jì)體系建設(shè)方面均取得了豐碩的成果，初步建立了設(shè)計(jì)規(guī)范、軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，有力地支撐了艦用燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，使我國(guó)艦船燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。

我國(guó)艦船燃?xì)廨啓C(jī)研制應(yīng)繼續(xù)夯實(shí)基礎(chǔ)、建立體系，補(bǔ)充、完善和提高已建立起來(lái)的設(shè)計(jì)體系，特別是總體和核心機(jī)3大部件技術(shù)，在兩條技術(shù)途徑上，提高功率檔次和熱效率，加快形成我國(guó)艦用大、中、小檔功率燃?xì)廨啓C(jī)系列型譜，瞄準(zhǔn)前沿、跟蹤世界艦用燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù)，力爭(zhēng)盡快達(dá)到國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平。

加強(qiáng)艦船燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)體系建設(shè)。

艦船燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)體系是支撐艦船燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)過(guò)程中開(kāi)展技術(shù)研究、工程設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證等活動(dòng)時(shí)所用到的規(guī)范、工具和流程的集合。目前我們還存在設(shè)計(jì)流程不完整、設(shè)計(jì)工具水平偏低且有欠缺、先進(jìn)性技術(shù)有待突破、設(shè)計(jì)體系需進(jìn)行整機(jī)深化驗(yàn)證等主要問(wèn)題。我們必須在總體、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、換熱器、控制系統(tǒng)、裝置集成、附屬系統(tǒng)、試驗(yàn)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)體系的全面建設(shè)。

加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的突破。

應(yīng)加強(qiáng)橫向協(xié)同攻關(guān)，攻克高溫、高壓、高氣動(dòng)機(jī)械負(fù)荷3大關(guān)鍵技術(shù)，在大功率簡(jiǎn)單循環(huán)艦船燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)總體技術(shù)、高性能壓氣機(jī)技術(shù)、高性能燃燒室技術(shù)、渦輪技術(shù)、數(shù)字控制系統(tǒng)技術(shù)、集成技術(shù)，小檔功率燃機(jī)前后輸出設(shè)計(jì)技術(shù)、航改核心機(jī)改進(jìn)提升技術(shù)、復(fù)雜循環(huán)（ICR）設(shè)計(jì)技術(shù)等方面取得重點(diǎn)突破。

加強(qiáng)新技術(shù)的跟蹤與研究。

以世界艦船燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù)為目標(biāo)，跟蹤主要部件的先進(jìn)技術(shù)，探索前瞻技術(shù)，特別是新型高效先進(jìn)氣動(dòng)與冷卻技術(shù)（濕壓縮）、先進(jìn)控制技術(shù)、關(guān)鍵部件與整機(jī)壽命預(yù)測(cè)技術(shù)、爆轟燃燒增壓技術(shù)、燃燒熱聲不穩(wěn)定的主被動(dòng)抑制技術(shù)等。同時(shí)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)也應(yīng)進(jìn)行應(yīng)用性研究。（國(guó)防科工局系統(tǒng)工程司）