舰用燃气轮机动力装置的前景展望

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

舰船动力装置是保证舰船航行能力、机动性和安全的关键要素[1-3]。作为舰船核心设备，舰船动力装置的发展一直受到各国海军的高度重视。近些年，性能优越的燃气轮机动力装置与其他动力装置组合成联合动力装置，在科研与生产领域不断取得了良好成绩。

1 舰用燃气轮机

燃气轮机动力装置是20世纪50年代开始发展起来的。目前，燃气轮机是大中型水面舰艇的主动力装置，已有数十个国家海军舰船使用燃气轮机，其中美、英和俄国使用数量最多，世界主要海军国家舰用燃气轮机研制生产已经形成完善体系，大功率舰用燃气轮机已经发展得非常成熟，在各类舰艇上发挥着重要作用。燃气轮机动力装置具有单位功率重量尺寸小、机组功率较大以及机动性能良好等优点。

同时燃气轮机动力装置也存在一些缺点：第一，主机不可反转，必须为其专门设置倒车机构或使用调距桨；第二，叶片材料所使用的合金钢昂贵，可靠性差，寿命短；第三，由于燃气轮机工作时空气流量很大，因此进、排气管道尺寸大，舱内布置相对困难，甲板上较大管道通过切口会影响船体强度；第四，燃料消耗率相比柴油机更高；第五，由于排气温度高，需要建立复杂的余热利用系统[4-5]。

2 舰用燃气轮机的技术要求

舰用燃气轮机总体技术要求可分为以下几部分内容。

首先，要具备抗盐雾、抗海水腐蚀、抗风暴等能力。燃气轮机的叶片需能承受因盐雾引起的腐蚀，并防止海水从进气道进入燃气轮机。同时在舰艇颠簸、横摇和纵倾状态下、燃气轮机能正常运行。并且在水下爆炸和空中爆炸冲击波作用下，燃气轮机仍能正常运行。

其次，要具备抗浸水、降噪声、红外抑制以及倒车功能。当舰艇遭到破坏出现机舱进水时，燃气轮机要能保持运行。另外舰用燃气轮机要具备降低机舱内的噪声、经机组进气道和排气道向外辐射噪声的能力。同时，为防止红外导弹袭击，舰用燃气轮机要具备将大气烟气温度降至200℃以下的能力，动力装置必须能倒车，采用燃气轮机作为主机的舰船主要靠变距桨来实现，还可采用配备有倒车齿轮的齿轮箱来实现。

最后，燃气轮机尤其是其部分负荷下油耗率应该控制在较低水平；输出转速能在宽广范围内变化，并在任何工况下机组能够保持运行平稳、且振动小、不喘振，负荷能快速变化来满足舰船航行需求；为了实现燃气轮机操纵方便，可采用集散控制系统（DCS），并设有三级控制，即舰桥控制台，集中控制室，机旁就地操纵台三级。正常情况下由舰桥控制台操纵运行，而机组的起动、停机和改变运行方式由集中控制室操纵，当舰桥控制台出现故障时由集中控制室操纵；就地操纵台为紧急备用，在上述两级控制发生故障时启用。

综合来看，舰船使用条件对燃气轮机有着较高的使用要求，需在满足这些条件下来研制和生产舰用燃气轮机，从而使舰船达到良好的战术性能。

3 舰用燃气轮机的发展

燃气轮机用于舰艇最突出的优点就是质量轻，比同功率高速柴油机轻得多；其次是单位体积功率大，在同样空间内燃气轮机可提供更大功率，使舰艇达到更高航速；还有就是燃气轮机具备起动快、振动小、运行平稳、可燃用多种液体燃料、维护保养方便、可靠性高、操作简单和便于远距离操纵等有点，用作舰艇动力设备非常合适。

上个世纪60年代，西方许多国家开始对舰用推进动力燃气轮机化展开研究：1962年，前苏联“卡辛”级驱逐舰下水，该舰排水量5200t，最大航速64.8km/h，用4台燃气轮机双桨推进，总功率71600kW，这是世界上首次应用燃气轮机作为推进动力的大型水面舰船。由此前苏联率先走上了舰用动力燃气轮机化道路；1968年英国确定了舰用动力全燃化方针，研制了Olympus TM系列等舰用燃气轮机并用于军舰中；1975年美国LM2500燃气轮机的问世，标志着其正式进入全燃化时代；1980年后，日本也走上了舰用动力全燃化道路。

我国在动力燃气轮机研究初期，舰用燃气轮机研制途径有航机改型轻型机组、按重型结构设计舰用机组和专为船用研制轻型机组三种。经过多年发展，按重型结构设计的机组由于质量和尺寸均较大，且零部件厚重不能满足负荷快速变化的要求而被淘汰；由航机经舰用化改型的机组由于质量轻、尺寸紧凑、能快速加载和减载，机组效率高等优势，被证明是舰用燃气轮机最合适的发展途径。

4 舰用燃气轮机动力装置前景展望

4.1 其他单一舰用动力装置

4.1.1 舰用柴油机

船舶柴油机因热效率高、功率范围大、机动性好、尺寸小、重量轻以及可直接反转等特点，在海军中小型水面舰船和常规潜艇推进系统中占有重要地位[6-7]。柴油机动力装置相比燃气轮机动力装置有以下优点：第一，耗油率较低，有较高的经济性；第二，操作简单，启动方便，正倒车迅速。与此同时，柴油机动力装置还具备以下缺点：第一，工作中噪声、振动比较大，降低了舰船隐蔽性；第二，中、高速柴油机运动部件磨损比较严重；第三，柴油机在低转速时稳定性差，影响舰船低速航行性能；第四，柴油机过载能力较差，在超过负荷10%时，仅能运行1h。

4.1.2 舰用汽轮机

汽轮机动力装置由高温高压蒸汽作为工质推动汽轮机叶轮，使舰船获得推进的动力[8]。汽轮机动力装置相比燃气轮机动力装置具有以下几个优点：第一，单机功率大；第二，可以使用煤以及劣质燃料油等成本低廉燃料。汽轮机动力装置同样也具备以下几个缺点：第一，装置的尺寸、总重量大；第二，燃油消耗较大，在相同燃料储备下续航力低；第三，机动性能差，启动、暖机、转换工况消耗时间较长[9-10]。

4.2 联合动力装置

联合动力装置中目前应用最多的是CODOG、COGOG和COGAG三种。由于燃气轮机效率提高很快，已高于汽轮机，故COSAG已不再应用，CODAG由于并车装置复杂，且并车后加力功率增加不多，航速提高有限，故应用较少。

此外，还有COGAS装置。余热锅炉型联合循环在舰船上的应用，能有效地降低燃油消耗。但由于余热锅炉尺寸较大，又需凝汽设备，系统较复杂，整个装置所需空间较大，后来停止发展，改为发展间冷回热舰用燃气轮机。

4.3 舰用燃气轮机动力装置前景展望

目前，舰用燃气轮机已广泛应用于大型水面舰船中，如巡洋舰、驱逐舰、护卫舰以及轻型航空母舰等，并且正在取代汽轮机的原有地位。燃气轮机作为动力装置，相比于柴油机及汽轮机等动力装置，既有其优势亦有其劣势。相比于柴油机在动力性能方面优势显著，而相比于汽轮机又有着机动性及效率方面的长处。

考虑到燃气轮机动力装置在部分负荷工况下效率较低的问题，为有效解决战时对动力性的高要求及巡航工况下对经济性的高要求两大矛盾，因此不同于普通民用商船，大中型水面舰艇通常会优先采用燃气轮机作为加力机组联合动力装置，而不采用单一机型动力装置。

总体而言，燃气轮机目前已被确认为综合性最优越的舰用动力装置，在排水量数千吨的军舰中，燃气轮机将具有良好的发展趋势，并保持现有在舰用动力装置中的优势地位。在民用船舶领域，由于燃料经济性，燃气轮机不及柴油机，特别是大型远洋商船应用燃用重油低速柴油机经济性，还处于试用阶段[11]。近年来，以燃气轮机为动力的喷水推进高速船已逐渐投运，并具有较好的经济效益，成为一个新的发展亮点。

5 舰用燃气轮机的技术发展趋势

舰用燃气轮机主要通过改进热力循环、提高压比、燃气初温和部件效率等措施，提高功率与热效率。未来采用复杂循环舰用燃气轮机，其热效率有望进一步提高。另外，舰用燃气轮机的可靠性与可维护性也是非常重要的指标，能够提升舰用燃气轮机燃烧效率与可靠性，进而降低总费用，提升舰船作战有效性。

以航空燃气轮机为基础机型，不断研制不同类型、不同功率舰用机型，保证了其可靠性、先进性以及周期短、风险低和成本低等特点。由于研制和生产新机型难度较高，要以成熟机型为基础不断升级改进，提高汽轮机性能，在是燃气轮机产品系列化发展的另一条有效途径。

6 结论

大中型水面舰船动力装置燃气轮机化趋势日益明显。舰用燃气轮机将继续奉行“航空派生”为主政策，在航空燃气轮机基础上进行技术改进，不断向系列化、谱系化方向发展。为满足巡航工况高经济性要求及战时工况高动力性要求，要优先采用燃气轮机作为加力机组联合动力装置。舰用燃气轮机发展，将本着提高功率、降低油耗与排放以及提升紧凑性、可靠性与可维性的目标不断发展。