国外舰船航改燃气轮机的发展特点

徐智珍，赵永建，张 轲

(沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015)

1 引言

由于舰船航改燃气轮机具有结构紧凑、起动迅速、重量轻、可靠性高、维护方便和易于更换等突出优势，在1947年成功试装后就得到了舰船工业界的高度重视和大力开发，早已广泛地应用在大型驱逐舰、护卫舰、大型巡洋舰、巡逻艇、潜艇支援船、破冰船、气垫登陆艇与小型航空母舰上。目前，舰船航改燃气轮机的最大功率达到了50 MW，简单循环效率已达41%，耗油率降低到0.200 kg/(kW·h)，可靠性与可维护性也得到了明显提高。与此同时，美英等国在完成ATS(先进燃气轮机系统)、SMGT(超级舰船燃气轮机)、IHPTET(综合高性能涡轮发动机技术)等技术研究之后开发和验证的更经济且更高效的燃气轮机技术，必将推动未来一代舰船燃气轮机的更大发展。

2 发展历程

由于舰船燃气轮机源自航空涡轮发动机技术，具有航空发动机质量轻、功率大、起动快、加速性好、可靠性高等相似的技术要求，因而都由发展成熟的航空发动机改型研制，其产品研发与技术研究工作只有英国、美国和俄罗斯等为数极少的世界航空发动机强国有实力开展。

2.1 产品发展

1947年，英国研制的G1燃气轮机在英国皇家海军MGB2009高速炮艇上试装成功，揭开了舰船燃气轮机发展的序幕。20世纪60年代末，英国和美国等国家陆续做出“舰船以燃气轮机做动力”的历史性决策。之后，英国、美国、俄罗斯等国家开始大力发展舰船燃气轮机，并广泛应用在各种舰船上[1，2]。

20世纪60年代以来，英国RR公司陆续研制了Tyne RM1、Olympus TM1A、Olympus TM3B、Olympus TM3C、SPEY SM1A、SPEY SM1C/SM2C、WR-21、MT30等舰船燃气轮机；美国GE公司研制了LM2500、LM1600、LM2500＋、LM2500＋G4 和 LM6000PC；美国PW公司研制了FT4A、FT8；美国Allison公司研制了Allison 501KF、Allison 570KF 和 Allison 571KF；美国Lycoming 公 司 研 制 了 TF25、TF40、TF50、TF80 和TFl00；前苏联Kuznetsov设计局研制了NK-12M、NK-12PT和NK-14PT[3，4]。表1示出了这些舰船燃气轮机的投入使用时间、母体航机和应用等情况。

2.2 技术发展

在研制舰船燃气轮机产品的同时，美国、英国、日本等国家也在实施一些技术预研计划以开发和验证更先进的燃气轮机技术。

美国能源部于1993～2000年组织一些政府部门与工业界实施了ATS研究计划。其主要目标是应用先进循环和先进材料开发小功率工业用燃气轮机。与此同时，通过实施IHPTET、超高效发动机技术(UEET)和多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)等研究计划，美国政府和工业界开发、验证了大量的先进燃气轮机技术，为未来一代燃气轮机的发展奠定了坚实的技术基础。

由美国牵头，美国与欧洲共22个部门和公司共同实施的联合开发先进航改燃气轮机(CAGT)研究计划，其目标是将配装B777飞机的GE公司的GE90、PW公司的PW4084和RR公司的 Trent800等大涵道比涡扇发动机改型研制为工业燃气轮机。其第1步，是利用双转子压气机的优势，实施中间冷却，实现涡轮进口温度达到1 426～1 482℃，简单循环效率达到45%～47%；第2步，在中间冷却的基础上，进一步实现更先进的湿空气涡轮循环(HAT)，使由PW4084发动机改型研制的HAT循环燃气轮机的效率达到61%～63%，功率达到200 MW。

日本国土交通省组织5个燃气轮机/柴油机制造商于1997～2005年联合实施了SMGT研究计划，开发低排放且高热效率的未来一代舰船回热循环燃气轮机，以替换当今的同功率级(2 590 kW)柴油机[5]。SMGT研制计划第1阶段，通过开发和验证干低NOx排放燃烧室、板翅式回热器、高效冷却转子叶片、带有可调导向叶片且能在部分负载状态下提高效率的动力涡轮、适应于舰船环境的防腐涂层等技术，实现了以下3个目标：①NOx排放量显著降低(只有高速柴油机的1/10)；②热效率达到39.1%(与高速柴油机的热效率相当)；③能使用A型重油。SMGT研制计划第2阶段，通过耐久性试验，验证了第1阶段技术应用于实际舰船的可靠性，实现了输出功率为2 300 kW，综合能量效率为50%，CO2排放量进一步降低20%，可靠性达到实际应用标准的目标。

3 发展规律

3.1 热效率逐步提高，耗油率不断降低

表2示出了部分典型舰船航改燃气轮机的性能参数。从表中可以清楚地发现，无论是简单循环还是复杂循环，世界舰船燃气轮机的效率都在逐步提高，耗油率都在不断降低。

表1 典型舰船航改燃气轮机简介Table 1 The state of typical marine aero-derivative gas turbines

简单循环舰船燃气轮机主要通过提高压比、涡轮进口温度、部件效率等措施来提高热效率和降低耗油率。例如，LM2500燃气轮机的功率为24.3MW，热效率为 37.6%， 耗油率为 0.227 kg/(kW·h)；由LM2500燃气轮机改进的LM2500＋燃气轮机采用了LM2500、LM6000燃气轮机的技术和经验，借鉴了F414发动机的整体叶盘技术、CF6-80C2发动机的无凸肩宽弦叶片技术、CF6-80E发动机的先进密封技术等，使其流量增大20%，压比由19.2增大到23.6，最终使其最大输出功率达到29.8 MW，热效率提高到39.1%。2005年由LM2500＋燃气轮机改进研制的LM2500＋G4燃气轮机，采用GE公司战斗机发动机和LM6000燃气轮机的先进技术重新设计压气机、高压涡轮与动力涡轮，采用先进的材料与涂层，使空气流量提高6%，压比从23.6提高到24.2，排气温度提高，进而使其在不改变外廓尺寸的情况下，额定功率提高到34.3 MW，热效率达到39.3%。最近研制的LM6000PC燃气轮机和MT30舰船燃气轮机，其功率分别为42.8 MW和36 MW，热效率分别为42.1%和 40%，耗油率分别为 0.200 kg/(kW·h)和0.207 kg/(kW·h)。也就是说，目前简单循环舰船燃气轮机的热效率已经达到40%以上，耗油率已经降低到 0.200 kg/(kW·h)级[6，7]。

复杂循环舰船燃气轮机主要包括间冷、回热、间冷回热、蒸汽回注、化学回热、湿空气涡轮等复杂循环燃气轮机，主要通过改进热力循环，提高热效率，特别是在部分负荷下的性能，如热效率与耗油率等。英国RR公司与美国西屋公司联合，以RB211发动机为基础研制的WR-21舰船燃气轮机，采用间冷回热技术，降低了压气机的功耗，增加了涡轮的有用功，使热效率提高到42%，油耗降低到0.200 kg/(kW·h)。特别是其油耗曲线特别平坦，在30%工况时效率可达41.16%，耗油率达0.204 kg/(kW·h)，接近中、高速柴油机水平，可以单独取代柴燃联合动力装置，大大节省了空间、显著减轻了重量，明显改善了维修性和可靠性，降低了全寿命期费用。由于其具有优越的性能，WR-21燃气轮机将应用于美国海军DD-21级驱逐舰与新一代DDG-51级驱逐舰、英国新型航母、欧洲3国(英国、法国、意大利)的新一代通用护卫舰(GNGF)。对于DDG-51级驱逐舰，全年每艘舰可节约费用150万美元，同时允许航速增加6节，航程增加1 000海里。又如，LM6000舰船燃气轮机采用化学回热循环后，热效率将达到60%。

3.2 污染排放量明显降低

随着人们环保意识的增强和国际舰船燃气轮机排放标准的制定，舰船燃气轮机的排放早已得到世界各国的高度重视。由于不适合采用喷水或SCR(选择催化还原燃烧技术)，舰船燃气轮机主要通过采用贫油直接喷射燃烧系统(LDI)、贫油预混气化燃烧系统(LPW/PY)、富油燃烧-快速掺混-贫油燃烧系统(RQL)、非绝热燃烧系统以及内置催化稳定燃烧系统(可提供NOx排放低于1×10-6的水平)等干低排放燃烧技术，即在不对燃烧稳定产生不利影响的情况下降低燃烧区火焰温度，从而降低NOx、CO和未燃烧的碳氢化合物(UHC)等的排放量，并且已经取得明显的效果。

表2 典型舰船航改燃气轮机的性能参数Table 2 The performance parameters of typical marine aero-derivative gas turbines

RR公司的工业RB211燃气轮机的贫油预混轴向分级燃烧室包括9个径向安装的逆流环管型燃烧腔，每个腔又分为单独供油和供气两级，以便在部分负荷下维持高油气比和降低排放量，是首台装备干低排放燃烧室的航改燃气轮机。PW公司的FT8燃气轮机的贫油预混轴向分级燃烧室有3个不同的燃烧区，每个区的几何形状都按不同的发动机功率范围和燃料/空气比进行优化设计，使NOx的排放量降到25×10-6以下，使CO和UCH排放量降到相对低的水平。GE公司的LM6000燃气轮机的贫油预混径向分级燃烧室采用一种独特的三环腔设计：中环腔包括30个预燃预混器，在整个发动机工作范围内工作；外环腔、内环腔分别包括30个和15个燃烧器，它们分级或以可调的数量工作，以使燃烧室在窄的火焰温度范围内工作。这样，其NOx排放量降低到25×10-6以下，CO、UHC和颗粒状物等的排放量也降到很低。

GE公司和美国空军研究试验室也在共同开发与验证一种创新型驻涡燃烧室，如图1所示，其利用燃烧室内驻涡腔来实现火焰稳定。该燃烧室具有在宽广的工作范围内稳定工作、地面/空中点火能力强、燃烧效率高、长度短、结构简单等特点。美国海军首先按飞机和舰船动力的要求设计了驻涡燃烧室，并且已经在全尺寸环形试验台和F414发动机上进行了试验验证。美国能源部正在研究将驻涡燃烧室作为RQL方案，用于燃气轮机和高速燃烧领域。为了达到SMGT已实现的NOx排放低(只有高速柴油机的1/10)这一目标，日本开发并验证了贫油预混预蒸发燃烧室，如图2所示。该燃烧室中3个燃烧区域分别带有3种不同的燃油喷嘴，其中引燃喷嘴用于点火和低功率状态，并且在工况范围内维持燃烧稳定性；主燃油喷嘴提供贫油、预混、预蒸发燃烧；补燃喷嘴在主燃烧区后，为大功率运行提供燃油。另外，GE、PW公司等也在开发和验证RQL燃烧室。相信这些新型低排放燃烧室的采用，将会大大降低燃气轮机中NOx、CO、UHC和颗粒状物等的排放量。

图1 驻涡燃烧室Fig.1 Trapped vortex combustor

图2 DLN燃烧室纵剖面Fig.2 DLN combustor cross section

3.3 可靠性与维修性不断提高

舰船燃气轮机的可靠性与维修性也是非常重要的指标。除了降低状态使用和进行适当加固外，舰船燃气轮机主要通过采用耐高温与抗腐蚀/疲劳部件、耐腐蚀防护涂层、先进冷却技术，以及严格、全面的部件和整机鉴定试验来提高可靠性，通过简化结构、减少零件数目、采用易维护的设计(单元体、对开机匣、设孔探口、合理的维修等级)、采用视情维修、采用通用性设计等措施来提高维修性，并取得了很好的效果。

LM2500发动机通过采用单元体设计、对开压气机机匣、在位叶片更换、在位热端部件维护、易维护的外部燃油管路等措施，使得其可靠性达到0.996。在2 000台LM2500/LM2500+燃气轮机超过5 100×104h和 6 556台 CF6航空发动机278×104h的使用经验的基础上，LM2500＋G4燃气轮机的平圴可靠性达到了0.986，较非GE公司同等功率的燃气轮机提高了0.034 9；平圴可用性达到了0.958 4，较非GE公司同等功率的燃气轮机提高了0.034。

WR-21燃气轮机始终遵循“用户已经为维护买单”的思想，首先确定了明确的可靠性和维修性指标：①间冷回热燃气轮机系统两次故障之间的平均时间最少为1 000 h，回热器为20 000 h，间冷器为14 000 h，包括传感器的控制系统为4 500 h，所有船内部和外部修理为2 200 h，燃气发生器和动力涡轮的两次大修之间的平均时间最少为10 000 h；②对于间冷回热燃气轮机的所有O级和I级维修操作，恢复系统的平均时间最多为24 h；③拆卸、更换一台燃气发生器最多用48 h，动力涡轮为72 h，间冷器为24 h，回热器为120 h；④对于修理的最大平均时间，控制系统为2 h，滑油系统和其它部件为9.75 h；⑤O级保护性维护最多为每周4.5人·时，保护性加校正性维护每周6.75人·时。然后，从方案设计到详细设计一直高度关注维修性设计，通过采取以下6项技术措施，在满足低耗油率和不超过现有燃气轮机尺寸要求的同时，设计出了维修性和适应性都很好的燃气轮机系统：①选择成熟的、高可靠性的单元体化部件；②设计可达性好的箱体；③保证最大可能地采用孔探仪检查；④进行燃气流路停车清洗和联机清洗；⑤将计划维护(预防性维护系统(PMS))减至最少；⑥采用少量通用标准型保障设备进行操作者级或船员级(美国海军O级)维护，确保采用附加的特殊工具进行Ⅰ级维护。

MT30燃气轮机通过采用简化结构设计(部件数较其它航改燃气轮机的减少50%～60%)、单元体设计、预平衡、视情维护等措施和严格的试验考核，其可靠性与维修性得到了很大提高。预计热端部件的大修时间为12 500 h，整机大修时间为24 000 h，舰上从早到晚的平均无故障时间为2 000 h，平均修理时间(冷机时间除外)为4 h。

4 结束语

随着航空发动机和燃气轮机技术的飞速发展，以及舰船燃气轮机使用经验的不断丰富，未来舰船燃气轮机产品的性能会得到更大的提高，可靠性会得到进一步的改善，维修性会越来越好，污染排放量会更低，其应用前景也必然会更加广阔。

[1]侯志兴.世界燃气轮机手册[K].北京：航空工业出版社，1994.

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