艦用燃氣輪機動力裝置的前景展望

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

艦船動力裝置是保證艦船航行能力、機動性和安全的關鍵要素[1-3]。作為艦船核心設備，艦船動力裝置的發展一直受到各國海軍的高度重視。近些年，性能優越的燃氣輪機動力裝置與其他動力裝置組合成聯合動力裝置，在科研與生產領域不斷取得了良好成績。

1 艦用燃氣輪機

燃氣輪機動力裝置是20世紀50年代開始發展起來的。目前，燃氣輪機是大中型水面艦艇的主動力裝置，已有數十個國家海軍艦船使用燃氣輪機，其中美、英和俄國使用數量最多，世界主要海軍國家艦用燃氣輪機研制生產已經形成完善體系，大功率艦用燃氣輪機已經發展得非常成熟，在各類艦艇上發揮著重要作用。燃氣輪機動力裝置具有單位功率重量尺寸小、機組功率較大以及機動性能良好等優點。

同時燃氣輪機動力裝置也存在一些缺點：第一，主機不可反轉，必須為其專門設置倒車機構或使用調距槳；第二，葉片材料所使用的合金鋼昂貴，可靠性差，壽命短；第三，由于燃氣輪機工作時空氣流量很大，因此進、排氣管道尺寸大，艙內布置相對困難，甲板上較大管道通過切口會影響船體強度；第四，燃料消耗率相比柴油機更高；第五，由于排氣溫度高，需要建立復雜的余熱利用系統[4-5]。

2 艦用燃氣輪機的技術要求

艦用燃氣輪機總體技術要求可分為以下幾部分內容。

首先，要具備抗鹽霧、抗海水腐蝕、抗風暴等能力。燃氣輪機的葉片需能承受因鹽霧引起的腐蝕，并防止海水從進氣道進入燃氣輪機。同時在艦艇顛簸、橫搖和縱傾狀態下、燃氣輪機能正常運行。并且在水下爆炸和空中爆炸沖擊波作用下，燃氣輪機仍能正常運行。

其次，要具備抗浸水、降噪聲、紅外抑制以及倒車功能。當艦艇遭到破壞出現機艙進水時，燃氣輪機要能保持運行。另外艦用燃氣輪機要具備降低機艙內的噪聲、經機組進氣道和排氣道向外輻射噪聲的能力。同時，為防止紅外導彈襲擊，艦用燃氣輪機要具備將大氣煙氣溫度降至200℃以下的能力，動力裝置必須能倒車，采用燃氣輪機作為主機的艦船主要靠變距槳來實現，還可采用配備有倒車齒輪的齒輪箱來實現。

最后，燃氣輪機尤其是其部分負荷下油耗率應該控制在較低水平；輸出轉速能在寬廣范圍內變化，并在任何工況下機組能夠保持運行平穩、且振動小、不喘振，負荷能快速變化來滿足艦船航行需求；為了實現燃氣輪機操縱方便，可采用集散控制系統（DCS），并設有三級控制，即艦橋控制臺，集中控制室，機旁就地操縱臺三級。正常情況下由艦橋控制臺操縱運行，而機組的起動、停機和改變運行方式由集中控制室操縱，當艦橋控制臺出現故障時由集中控制室操縱；就地操縱臺為緊急備用，在上述兩級控制發生故障時啟用。

綜合來看，艦船使用條件對燃氣輪機有著較高的使用要求，需在滿足這些條件下來研制和生產艦用燃氣輪機，從而使艦船達到良好的戰術性能。

3 艦用燃氣輪機的發展

燃氣輪機用于艦艇最突出的優點就是質量輕，比同功率高速柴油機輕得多；其次是單位體積功率大，在同樣空間內燃氣輪機可提供更大功率，使艦艇達到更高航速；還有就是燃氣輪機具備起動快、振動小、運行平穩、可燃用多種液體燃料、維護保養方便、可靠性高、操作簡單和便于遠距離操縱等有點，用作艦艇動力設備非常合適。

上個世紀60年代，西方許多國家開始對艦用推進動力燃氣輪機化展開研究：1962年，前蘇聯“卡辛”級驅逐艦下水，該艦排水量5200t，最大航速64.8km/h，用4臺燃氣輪機雙槳推進，總功率71600kW，這是世界上首次應用燃氣輪機作為推進動力的大型水面艦船。由此前蘇聯率先走上了艦用動力燃氣輪機化道路；1968年英國確定了艦用動力全燃化方針，研制了Olympus TM系列等艦用燃氣輪機并用于軍艦中；1975年美國LM2500燃氣輪機的問世，標志著其正式進入全燃化時代；1980年后，日本也走上了艦用動力全燃化道路。

我國在動力燃氣輪機研究初期，艦用燃氣輪機研制途徑有航機改型輕型機組、按重型結構設計艦用機組和專為船用研制輕型機組三種。經過多年發展，按重型結構設計的機組由于質量和尺寸均較大，且零部件厚重不能滿足負荷快速變化的要求而被淘汰；由航機經艦用化改型的機組由于質量輕、尺寸緊湊、能快速加載和減載，機組效率高等優勢，被證明是艦用燃氣輪機最合適的發展途徑。

4 艦用燃氣輪機動力裝置前景展望

4.1 其他單一艦用動力裝置

4.1.1 艦用柴油機

船舶柴油機因熱效率高、功率范圍大、機動性好、尺寸小、重量輕以及可直接反轉等特點，在海軍中小型水面艦船和常規潛艇推進系統中占有重要地位[6-7]。柴油機動力裝置相比燃氣輪機動力裝置有以下優點：第一，耗油率較低，有較高的經濟性；第二，操作簡單，啟動方便，正倒車迅速。與此同時，柴油機動力裝置還具備以下缺點：第一，工作中噪聲、振動比較大，降低了艦船隱蔽性；第二，中、高速柴油機運動部件磨損比較嚴重；第三，柴油機在低轉速時穩定性差，影響艦船低速航行性能；第四，柴油機過載能力較差，在超過負荷10%時，僅能運行1h。

4.1.2 艦用汽輪機

汽輪機動力裝置由高溫高壓蒸汽作為工質推動汽輪機葉輪，使艦船獲得推進的動力[8]。汽輪機動力裝置相比燃氣輪機動力裝置具有以下幾個優點：第一，單機功率大；第二，可以使用煤以及劣質燃料油等成本低廉燃料。汽輪機動力裝置同樣也具備以下幾個缺點：第一，裝置的尺寸、總重量大；第二，燃油消耗較大，在相同燃料儲備下續航力低；第三，機動性能差，啟動、暖機、轉換工況消耗時間較長[9-10]。

4.2 聯合動力裝置

聯合動力裝置中目前應用最多的是CODOG、COGOG和COGAG三種。由于燃氣輪機效率提高很快，已高于汽輪機，故COSAG已不再應用，CODAG由于并車裝置復雜，且并車后加力功率增加不多，航速提高有限，故應用較少。

此外，還有COGAS裝置。余熱鍋爐型聯合循環在艦船上的應用，能有效地降低燃油消耗。但由于余熱鍋爐尺寸較大，又需凝汽設備，系統較復雜，整個裝置所需空間較大，后來停止發展，改為發展間冷回熱艦用燃氣輪機。

4.3 艦用燃氣輪機動力裝置前景展望

目前，艦用燃氣輪機已廣泛應用于大型水面艦船中，如巡洋艦、驅逐艦、護衛艦以及輕型航空母艦等，并且正在取代汽輪機的原有地位。燃氣輪機作為動力裝置，相比于柴油機及汽輪機等動力裝置，既有其優勢亦有其劣勢。相比于柴油機在動力性能方面優勢顯著，而相比于汽輪機又有著機動性及效率方面的長處。

考慮到燃氣輪機動力裝置在部分負荷工況下效率較低的問題，為有效解決戰時對動力性的高要求及巡航工況下對經濟性的高要求兩大矛盾，因此不同于普通民用商船，大中型水面艦艇通常會優先采用燃氣輪機作為加力機組聯合動力裝置，而不采用單一機型動力裝置。

總體而言，燃氣輪機目前已被確認為綜合性最優越的艦用動力裝置，在排水量數千噸的軍艦中，燃氣輪機將具有良好的發展趨勢，并保持現有在艦用動力裝置中的優勢地位。在民用船舶領域，由于燃料經濟性，燃氣輪機不及柴油機，特別是大型遠洋商船應用燃用重油低速柴油機經濟性，還處于試用階段[11]。近年來，以燃氣輪機為動力的噴水推進高速船已逐漸投運，并具有較好的經濟效益，成為一個新的發展亮點。

5 艦用燃氣輪機的技術發展趨勢

艦用燃氣輪機主要通過改進熱力循環、提高壓比、燃氣初溫和部件效率等措施，提高功率與熱效率。未來采用復雜循環艦用燃氣輪機，其熱效率有望進一步提高。另外，艦用燃氣輪機的可靠性與可維護性也是非常重要的指標，能夠提升艦用燃氣輪機燃燒效率與可靠性，進而降低總費用，提升艦船作戰有效性。

以航空燃氣輪機為基礎機型，不斷研制不同類型、不同功率艦用機型，保證了其可靠性、先進性以及周期短、風險低和成本低等特點。由于研制和生產新機型難度較高，要以成熟機型為基礎不斷升級改進，提高汽輪機性能，在是燃氣輪機產品系列化發展的另一條有效途徑。

6 結論

大中型水面艦船動力裝置燃氣輪機化趨勢日益明顯。艦用燃氣輪機將繼續奉行“航空派生”為主政策，在航空燃氣輪機基礎上進行技術改進，不斷向系列化、譜系化方向發展。為滿足巡航工況高經濟性要求及戰時工況高動力性要求，要優先采用燃氣輪機作為加力機組聯合動力裝置。艦用燃氣輪機發展，將本著提高功率、降低油耗與排放以及提升緊湊性、可靠性與可維性的目標不斷發展。