航空發動機用于水面艦船動力裝置的改型研究

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

目前，燃氣輪機在陸上發電、天燃氣輸送、石油、鐵路、航空和造船工業中得到了廣泛應用。在艦船動力領域，燃氣輪機同樣有著廣泛的應用。

1 艦用燃氣輪機的技術要求

根據海洋環境條件和艦船使用特點，艦用燃氣輪機需滿足以下要求。第一，抗鹽霧和海水腐蝕。燃氣輪機的零部件應能經受海洋空氣中的鹽霧和海水的侵蝕或沉積。第二，抗風暴，防止浪花和海水從艦船的進氣道濺入燃氣輪機[1]。第三，抗顛簸。燃氣輪機應能在艦船顛簸、橫搖和縱傾的狀態下正常工作。通常，在艦船橫搖和縱傾的一定條件下，機組仍能持續運轉。第四，抗沖擊。在水下爆炸和空氣爆炸的沖擊波作用下，燃氣輪機仍然運轉。第五，抗浸水。當艦船遭受破壞致使機艙進水的情況下，燃氣輪機仍能運行。一般規定在機艙浸水達到燃氣輪機排氣蝸殼下部之前，機組應能夠持續運行。第六，防噪音。為降低機艙內的噪音和溫度，燃氣輪機的噪音應控制在一定的水平之下，并對燃氣輪機的散熱裝備采取防護措施。第七，由于海平面的大氣壓力大于高空的大氣壓力，因此與航空發動機相比，艦用燃氣輪機所承受的軸向力有所增大。第八，與航空發動機相比，艦用燃氣輪機不能使用煤油，必須改燒柴油，同時必須裝有輸出軸，以便將功率傳給螺旋槳或推進器。第九，艦用燃氣輪機主要是控制螺旋槳的轉速和功率，而調距槳還要控制螺距，以便直接控制艦船的航速，飛機則主要是控制航空發動機的轉速和功率。第十，艦船主機的巡航功率通常是最大航速功率的10%～40%，巡航速度的運行時間一般占整個航行時間的90%～95%，最大航速的運行時間只占整個航行時間的6%～10%。因此，人們對艦用燃氣輪機的變工況性能提出了嚴格要求，即從最低轉速到最大轉速都要運行穩定，不能發生喘振，同時在強度和振動方面也要給予特殊考慮。第十一，艦船主機的功率通常與艦船航速的3次方成正比，即螺旋槳負荷與螺旋槳轉速的立方成正比。第十二，倒車運行。目前，艦用燃氣輪機主要采用調距槳、電力推進以及倒車齒輪箱等途徑解決倒車運行。其中，調距槳不僅能解決倒車運行，還能改善低負荷的性能，因此目前使用最廣泛。

2 將航空發動機改型為艦用燃氣輪機的技術優勢

艦用燃氣輪機應該基于現有航空發動機改型設計還是需要重新設計已爭論已久，經過反復實踐終于得出了明確的結論，即應當走航空發動機艦用化改裝的道路。究其原因，在于這一技術發展道路具有諸多優勢。

2.1 研制周期短

航空發動機的艦用化改裝設計周期相比艦船專用燃氣輪機的研制周期通常較短。這是因為艦用化改裝可以充分利用航空發動機現成的科研成果、實驗條件和生產設施。如果重新設計艦用燃氣輪機，通常需要4～5年的時間，而航空發動機艦用化改裝僅需2～3年的時間。

2.2 研制經費少

研制艦船專用機組的費用通常是航空發動機艦用化改裝費用的幾倍，甚至十幾倍。以FT9艦用燃氣輪機為例，若重新設計研制，需要7.5×108美元的費用，而利用航空發動機JT9D艦用化改裝，則僅需要2×108美元的費用。

2.3 能充分滿足艦船的技術要求

艦船在海洋中航行時，燃氣輪機作為艦船的動力，應當滿足海洋環境和艦船使用特點所提出的各項要求。這些要求與飛機對航空發動機的要求不同。因海洋環境條件比較惡劣，所以艦船使用時應遵循其自身的特點。

隨著長壽命、低油耗和大功率的航空發動機的不斷涌現，航空發動機技術也相繼成熟并可批量生產和長期使用，為艦用化改裝創造了良好的基礎。此外，航空發動機艦用化改裝技術水平不斷提高，可充分滿足現代艦船對燃氣輪機動力的各項要求。

3 航空發動機的艦用化改裝過程

3.1 主要參數的選擇

航空發動機的種類和型號繁多，其性能、結構和特點各不相同。因此，在進行艦用化改裝前要選擇用作燃氣發生器的母型機，并初步確定燃氣發生器的設計參數。

艦用化改裝的母型機通常選用具有高增壓比、高燃氣初溫以及高性能指標的渦輪噴氣發動機和渦輪風扇發動機。根據艦船的要求，選擇技術性能先進的航空發動機作為母型機。母型機必須是成批生產、經過長期使用考驗且技術成熟的航空發動機。此外，艦用化改裝的工作量應盡可能減少。

燃氣發生器的設計參數通常根據最高效率和使用壽命來確定，調整航空發動機的設計參數，并將其確定為改裝后的設計點。

高參數航空發動機的平均切線速度可達450m/s，可見它的工作轉速較高。此外，它的燃氣初溫高達1260℃。艦用燃氣輪機的工作條件比航空發動機更加惡劣，主要體現在以下兩個方面。一方面，工況變化更頻繁，特別是對全工況推進主機，幾乎在全部負荷范圍內進行變化；另一方面，在高負荷下持續使用時間較長，一般不小于1h。而航空發動機運行工況變化范圍小，一般在0.7～1.0工況范圍內變化，高負荷持續時間一般為5～10min。在海平面工作時，空氣密度大、壓強高以及氣動負荷大，要求有更長的翻修壽命。因此，在航空發動機艦用化改裝時，應降低轉子的工作轉速和燃氣初溫，即適度調整設計點。雖然會降低燃氣輪機的效率和功率，但可大幅降低轉子和主要零部件的工作應力和熱負荷，從而改善軸承工作條件[2]，以保障燃氣輪機工作的可靠性和壽命。此外，它降低燃氣初溫比降低轉速的效果更顯著。

3.2 壓氣機和渦輪部件的改裝

采用渦輪風扇發動機進行艦用化改裝時，往往要對低壓壓氣機和低壓渦輪作較大的改裝設計。而高壓部分的核心機組通常維持不變或進行較小的調整。低壓部分改裝設計的工作量較大，從而使性能匹配和調試的工作量很大，且研制周期較長。

將渦輪噴氣發動機改裝設計成艦用燃氣輪機的燃氣發生器，例如把奧林普斯201機型改裝成奧林普斯TM3B機型，設計和調試的工作量相比較少，改裝過程更簡易。

3.3 燃燒室的改裝

艦用燃料主要為柴油。為了適應改燒柴油的要求，必須對燃燒室進行改裝設計。這種改裝設計包括：加強火焰筒體，特別是對火焰筒頭部的冷卻、噴油嘴的改進、燃料霧化和空氣混合的改善、火焰筒摻混孔布局的變動以及氣膜冷卻的加強；火焰筒材料的更動和涂層的變換等；燃油泵和燃油自動調節系統的相應變化等。

3.4 加裝動力渦輪和排氣蝸殼

艦用燃氣輪機以軸功率方式輸出動力，因此航空發動機進行艦用化改裝時，必須去掉其加力燃燒室、尾噴管或反推力裝置，并配上符合技術要求的動力渦輪。同時，動力渦輪和排氣蝸殼的設計要綜合考慮性能、結構強度、剛性、熱應力以及熱補償等方面的問題。

3.5 改換材料和涂層

航空發動機主要在高空潔凈的空氣環境中運作，因此通流部分元件受環境污染而產生腐蝕的問題并不突出。但是，艦用燃氣輪機在海洋環境條件下工作，吸入的空氣含有大量的鹽分，有時還會吸入柴油機的排氣煙塵或鍋爐煙氣及油污，會產生燃氣輪機通流部分不能抵抗嚴重污染和被腐蝕的問題。因此，航空發動機進行艦用化改裝時，必須加強零件的抗污染和抗腐蝕能力。此外，某些零件必須更換成對海面環境適應性較強的材料。同時，零件表面也應更換高性能鍍層或覆蓋新的防護涂層。例如，為了減輕質量，航空發動機壓氣機的機匣常采用鋁合金。進行艦用化改裝時，應當把機匣材料改成鐵合金或不銹鋼，且不銹鋼葉片表面最好覆蓋耐鹽霧和海水腐蝕的表面涂層。對于渦輪葉片，為了避免發生硫化腐蝕，應更換更高檔次的高級耐熱合金，并覆蓋熱障涂層。此外，為延長燃氣發生器的使用壽命，有時還要加大燃氣發生器零件的耐磨涂層厚度進行表面硬化處理（如噴丸處理），甚至噴鍍碳化錫等。

3.6 軸向力的減小和支承的加強

海平面上的空氣密度和壓力比高空明顯更高。因此，在高工況下工作時，艦用燃氣輪機止推軸承上的軸向力數值明顯高于航空發動機止推軸承上的軸向力數值，從而降低了軸承壽命。為解決該問題，一方面應采用更有效的卸荷措施減小止推軸承上的軸向力，另一方面應加大軸承尺寸、增加軸承數量或者加大軸承的承載能力，同時應加強相應軸承的支承。

3.7 相關控制系統的調整

現代艦用燃氣輪機的動力裝置提出了三級監控的自動化要求，如機旁操作、機艙操縱室操縱以及艦橋中央控制臺遙控等方式。因此，燃油自動調節系統、狀態操縱系統、變距調節系統以及與三級監控有關的附屬系統、電氣系統、參數測量和監控報警系統等應相互聯結和協調工作。可知，要實現高層次的三級監控，設計改裝的工作量較大，實際上包含了調節、保安、參數測量以及報警等全部內容。對于功率的調節（如主機工況調節、多機功率的合并和分車以及推進螺旋槳的槳距調節等方面）、倒車以及順車的實施，燃氣輪機的保安和預警后的控制調節（如火警、超速軸斷保護、滑油壓力和溫度的報警以及預警后的自動調節等方面）均與航空發動機不同，因此要重新調整。

3.8 輔助系統的要求

為了適應艦船、海洋環境條件和特定的使用特點，以航空發動機為母型機的艦用化改裝設計包含了許多豐富而具體的技術內容。除了滿足艦船和海洋環境條件特有的抗鹽霧、抗海水腐蝕、抗風浪和水下爆炸的沖擊、抗顛簸、抗浸水、防機艙噪音、防機艙溫度過高、防核、防生物化學污染以及防紅外輻射外，還應滿足動力裝置、進氣和排氣裝置、空氣濾清、通流清洗、隔振減振、熱補償、機座和箱裝體的連接以及裝箱體的設計等方面的要求。這些輔助系統也要做相應的設計工作。

4 艦用航改燃氣輪機的發展歷程及相關問題

4.1 艦用航改燃氣輪機的發展歷程

艦用航改燃氣輪機是在航空發動機和汽輪機這兩類截然不同的動力裝置的傳統設計和生產的基礎上發展起來的，分為輕型和重型兩種結構形式。這兩種結構形式直接影響艦用燃氣輪機的發展。實踐證明，重型機組已被淘汰，輕型機組得到了長足發展。第一，重型機組的體積過于龐大，布置分散，操作不便。輕型機組則裝置簡單，布置緊湊，質量慣性、容積慣性和熱量慣性都較小，有利于實現快速起動和工況變動。第二，重型機組采用粗厚的零件，構件在高溫作用下易變形和破壞。輕型機組的零件細薄，尺寸小，可采用浮動差脹結構，熱膨脹間隙大，且熱應力較小。第三，重型機組通常難以解決熱力氣動方面的高效率問題。輕型機組由于能采用較高的燃氣初溫和壓比，且聯接通道中的空氣流動損耗小，因此效率比重型機組高。

艦用燃氣輪機主要在采取改裝的重型結構還是采取航空改裝的輕型結構上存在爭議，經過多年實踐已得到充分解決，但在輕型結構艦用燃氣輪機的發展方向上又產生了新的分歧，即是利用現有航空發動機進行艦用化改裝還是另行研制艦船專用的燃氣輪機。英國從20世紀40年代初期開始就從事航空發動機艦用化的改裝研究。例如，由航空發動機改裝的G1型艦用燃氣輪機取得了一定成功，并在裝艇試用期內有著較好的效果，從而開創了燃氣輪機在艦船上應用的紀元，但是油耗過高[3]，大修期過短，且無法解決部分工況的運行問題，因此研制了專用的燃氣輪機，如RM60型和G6型燃氣輪機。由于此類機型結構復雜，操作不便，生產成本高，并未得到進一步發展。直到20世紀60年代，人們再次將研發重心調整到航空發動機的艦用化改裝工作上來，出現了海神和奧林普斯兩種艦用燃氣輪機。1968年，英國海軍作出決定，今后設計和建造的大中型水面艦船將全部采用燃氣輪機作為動力裝置[4]。

美國曾于20世紀40年代起開始研制艦用燃氣輪機，主要是發展小型非戰斗艦船的動力裝置。在引進英國海神艦用燃氣輪機的同時，它加強了航空發動機艦用化改裝的研制工作，并取得了一些進展，但主要用于高速炮艇、反潛水翼艇和海岸警備艦。直到后期階段，艦用燃氣輪機才有了明顯進展，并在各種水面艦船上得以大量使用。

前蘇聯在第二次世界大戰以后開始研制艦用燃氣輪機，并于20世紀50年代初期裝艇使用。M1型艦用燃氣輪機是在P-20航空發動機的基礎上進行艦用化改裝，并用于183TK型水翼艇、P8型快艇和P10型快艇。在M1型艦用燃氣輪機的基礎上進行改進設計，發展成M2型艦用燃氣輪機，提高了功率，降低了耗油率。1957年，艦隊技術委員會的決議規定，鑒于常規汽輪機裝置已不能滿足現代艦船對動力的要求，必須發展核動力和艦用燃氣輪機。事實表明，他們已按照1957年制訂的技術政策，大力發展了艦用燃氣輪機。

由此可知，英國艦用燃氣輪機的發展在幾經反復后，才走上航空發動機艦用化改裝的道路；美國艦用燃氣輪機的發展則以航空發動機改裝為主；前蘇聯以航空發動機改裝和艦船專用燃氣輪機同時并舉。

目前，業界普遍認為航空發動機的艦用化改裝時間少、費用低且技術成熟可行。因此，西方發達國家幾乎無例外地采用由航空發動機改型的輕型燃氣輪機作為艦船的動力裝置，而各航空發動機制造公司也幾乎無例外地將成熟的航空發動機改裝設計成為工業和艦用燃氣輪機，使業界普遍認為航空燃氣輪機的發展可促進整個燃氣輪機工業的迅速發展。

航空發動機技術向重型燃氣輪機上逐步轉移，促進了重型燃氣輪機的迅猛發展。以美國Garrett公司為代表的世界知名企業，也充分利用現成航空發動機的先進技術進行了艦用燃氣輪機的設計，其壓氣機和高溫部件均采用了航空發動機的相應部件。這種研制方式獲得了成功，開創了艦用燃氣輪機發展的另一種新的且有成效的途徑——以局部移植航空技術代替整機改裝技術。重型燃氣輪機的迅猛發展也證明了該發展途徑的可能性。

由此可知，艦用燃氣輪機的發展基礎主要是基于現有航空發動機的艦用化改裝技術。

4.2 艦用化改裝問題

航空發動機艦用化改裝雖然是國外艦用燃氣輪機發展的前沿趨勢和重要途徑，但必須具備兩個前提。一是要有適宜于改裝的航空發動機，并非任何航空發動機均可用于艦用化改裝。壽命短和耗油率高的航空發動機作為艦用化改裝的母型機并不合適，如部分殲擊機用的發動機，由于壽命較短、油耗過高，不適宜艦用化改裝。二是要能提供足夠數量的航空發動機用于艦用化改裝，因此要有專門從事航空發動機改裝的研究和生產部門。國外航空發動機制造廠為了獲得更大的利潤，爭奪艦船動力的市場，不但提供足夠數量的航空發動機用于艦用化改裝，而且成立了專門從事航空發動機改裝的分部，以負責艦用化改裝的研究、設計試驗和制造[5]。例如，美國通用電氣公司設有船用和工業分部，普拉特·惠特尼公司設有動力分部，英國羅爾斯·羅依斯公司設有工業和艦船用分部。

5 艦用燃氣輪機未來的發展趨勢

燃氣輪機發展迅速，技術經濟指標提高幅度較大，廣泛應用于各類艦船。與艦用汽輪機和柴油機相比，艦用燃氣輪機具有許多優越性。在動力裝置總功率相同的情況下，汽輪機動力裝置的重量約為燃氣輪機動力裝置的2倍。汽輪機動力裝置過于復雜，管理人員多，且其起動和加速性能較差。艦用柴油機雖然耗油率低且熱效率高，但其單機功率小，噪音大，低轉速性能差。

隨著艦用燃氣輪機機型的不斷改進，新機型已相繼出現。為了滿足艦船不斷增長的戰術技術要求，燃氣輪機制造廠一方面重視研制性能更好的新機型，另一方面致力于改進現有的生產機型。研制新機型往往需要一個較長的過程，包括方案論證、科研試驗、設計試制、陸上試驗和海上試驗等環節。此外，不斷改進現有的生產機型，也相繼出現了一系列改型機組。

艦用燃氣輪機的發展過程中，由于燃氣輪機、汽輪機和柴油機有著各自的優缺點。因此，經常把這些動力設備聯合起來，揚長避短并組成聯合動力裝置。燃氣輪機在艦船上的推進方式多種多樣[6]。

艦用燃氣輪機的發展過程中，各國都比較重視產品的系列化、通用化和標準化，力求以最少的機型來滿足各種艦船的需要，從而可以減少產品型號，有利于批量生產，提高自動化生產水平，并降低成本。這樣還可以減少備品備件，有利于使用和維修保養[7]。

艦用燃氣輪機發展過程中，應高度重視燃氣輪機推進裝置的相關配套設備。這些配套設備包括聯軸節、扭力管、自動同步離合器、單機減速齒輪箱、并車減速齒輪箱、進排氣裝置（過濾器、消音器、應急空氣旁通門和進排氣道等）、調距槳以及控制系統等。美國海軍在制訂第二代燃氣輪機計劃時安排了推進裝置相關配套設備的研制工作，并將其作為燃氣輪機發展計劃的一個重要組成部分。英國海軍在發展艦用燃氣輪機的同時安排了自動同步離合器、減速齒輪箱、進排氣裝置、調距槳以及控制系統等研制工作[8]。

艦用燃氣輪機的設計工作中，箱裝體和單元體的設計思想已經被普遍采用。箱裝體設計是將燃氣輪機裝在一個完整而獨立的箱體內的設計，可以節省維修費用，縮短維修時間，提高艦船的在航率和延長整機回廠的翻修期限。

6 結語

燃氣輪機作為一類性能優越的動力裝置，在艦船動力領域中將長期處于優勢地位。此外，以航空發動機為母型機的改型過程也將大力推動艦用燃氣輪機的發展。通過沿用先進航空發動機技術并對其進行優化調整，不僅可以節約艦用化改裝的時間和成本，還可以推動燃氣輪機技術領域的興盛與繁榮。