對艦船燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的回顧與思考

□ 方憶平 楊子龍

對艦船燃?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)計水平、材料、制造工藝、試驗和使用方面技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)驗豐富，因此將其改裝發(fā)展應(yīng)用于軍用水面艦船，實現(xiàn)了艦船動力的燃?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、啟動快、機(jī)動性強(qiáng)、可靠性好、部件運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、操縱人員少、污染小的特點，能大大增加艦船的航程和機(jī)動性，故其成為現(xiàn)代大中型和高性能艦船的首選動力裝置。

艦船燃?xì)廨啓C(jī)系高精尖端裝備，國外主要有美國通用電氣（GE）公司和英國羅羅（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，已經(jīng)銷售了2000臺（包括艦船和工業(yè)），RR公司生產(chǎn)的MT-30、WR-21、斯貝等型號艦船燃?xì)廨啓C(jī)也銷售了近500臺，兩家公司的產(chǎn)品裝備了數(shù)十個國家的軍艦。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)計能力（和航空發(fā)動機(jī)一樣，有美國制約的因素）。

根據(jù)對近20多年來西方發(fā)達(dá)國家新研機(jī)組的分析、統(tǒng)計，艦船燃?xì)廨啓C(jī)具備以下發(fā)展趨勢（圖2）：一是熱效率提高，燃油消耗率降低，簡單循環(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（熱部件），平均無故障時間可達(dá)2000小時。三是良好的可維修性，平均故障修復(fù)時間降至4小時（含燃機(jī)冷卻時間）。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

圖3 LM2500系列艦船燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展歷程

國外艦船燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的基本經(jīng)驗與啟示

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40年來持續(xù)不斷的改進(jìn)、發(fā)展，從1969年問世時的功率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），滿足了艦船、工業(yè)等不同應(yīng)用需求，實現(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)有簡單和復(fù)雜兩種工作方式，簡單循環(huán)與航空發(fā)動機(jī)工作情形一樣，空氣軸向地流動，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)的一項復(fù)雜循環(huán)技術(shù)，即對高、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)鉁囟龋岣邿嵝省，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)需要開發(fā)設(shè)計性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)緊湊的中間冷卻器和回?zé)崞鳎由先細(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)還會帶來投資增加和維修不便等。近20年來新研艦船燃?xì)廨啓C(jī)只有美、英、加聯(lián)合開發(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)型都是基于簡單循環(huán)，說明簡單循環(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，西方國家目前普遍采用成熟的航空發(fā)動機(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，特別是長壽命、低油耗、大功率的航空渦扇發(fā)動機(jī)不斷涌現(xiàn)，其技術(shù)成熟度高并批量生產(chǎn)和長期使用，為艦用化改裝創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，同時，在航機(jī)艦改方面，積累了許多成功的經(jīng)驗，使航機(jī)艦改可以很好地滿足現(xiàn)代艦艇對燃?xì)廨啓C(jī)動力的要求。各航空燃?xì)廨啓C(jī)制造公司也幾乎無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)，充分說明了利用成熟的航空發(fā)動機(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，一是運行范圍約90%的時間是在低工況下運行（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；四是壽命要求長達(dá)到幾萬小時，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)，可維修性要求獨特。因此，艦船燃?xì)廨啓C(jī)動力制造商都強(qiáng)化了特有技術(shù)的改進(jìn)和提高，主要是增設(shè)多級、低轉(zhuǎn)速的動力渦輪，以輸出較大軸功率；針對低速、多次轉(zhuǎn)折的特點重新設(shè)計進(jìn)排氣系統(tǒng)；新設(shè)大喘振裕度的多級低壓壓氣機(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，以適應(yīng)低價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)匣和通過環(huán)形框架分散載荷，提高抗沖擊能力；采用分開式機(jī)匣、單元體結(jié)構(gòu)以提高可維修性等。

發(fā)展我國艦船燃?xì)廨啓C(jī)的思考

我國從20世紀(jì)60年代開始先后研制了6型艦船燃?xì)廨啓C(jī)，專用化設(shè)計和航空改裝各3型，但由于其效率、功率、可靠性和壽命與相類似的進(jìn)口機(jī)組相比差距較大，加上當(dāng)時的社會和經(jīng)濟(jì)條件因素影響，沒有獲得實際推廣應(yīng)用。20世紀(jì)90年代末，我國從國外引進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)許可證進(jìn)行生產(chǎn)，并成功完成了國產(chǎn)化研制，使我國在專用化設(shè)計道路中站在了一個高起點上。同時在航機(jī)艦改技術(shù)途徑上，以我國自主研制的航空發(fā)動機(jī)核心機(jī)為基礎(chǔ)，繼承其成熟的設(shè)計技術(shù)、材料和工藝，重新設(shè)計專用關(guān)鍵部件，對燃燒室、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)計能力上了一個臺階。我國在專用化設(shè)計和航改艦船燃?xì)廨啓C(jī)這兩條技術(shù)路線研發(fā)設(shè)計體系建設(shè)方面均取得了豐碩的成果，初步建立了設(shè)計規(guī)范、軟件和數(shù)據(jù)庫，有力地支撐了艦用燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，使我國艦船燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。

我國艦船燃?xì)廨啓C(jī)研制應(yīng)繼續(xù)夯實基礎(chǔ)、建立體系，補(bǔ)充、完善和提高已建立起來的設(shè)計體系，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)，力爭盡快達(dá)到國際先進(jìn)技術(shù)水平。

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

艦船燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計體系是支撐艦船燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)過程中開展技術(shù)研究、工程設(shè)計、試驗驗證等活動時所用到的規(guī)范、工具和流程的集合。目前我們還存在設(shè)計流程不完整、設(shè)計工具水平偏低且有欠缺、先進(jìn)性技術(shù)有待突破、設(shè)計體系需進(jìn)行整機(jī)深化驗證等主要問題。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)、試驗等方面進(jìn)行設(shè)計體系的全面建設(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、高氣動機(jī)械負(fù)荷3大關(guān)鍵技術(shù)，在大功率簡單循環(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)計技術(shù)等方面取得重點突破。

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)測技術(shù)、爆轟燃燒增壓技術(shù)、燃燒熱聲不穩(wěn)定的主被動抑制技術(shù)等。同時對燃?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。（國防科工局系統(tǒng)工程司）