李文锋
扬州中远海运重工有限公司，江苏 扬州 225211
摘要：本文综述了船用燃气轮机技术和应用的发展情况,并较为系统地介绍了燃气轮机技术在各个领域中取得的进展,对其发展和应用的趋势作了分析。论述了船舶燃气轮机在我国应用和发展的前景,探讨了开发并建立我国船用燃气轮机工业的对策。
关键词：船舶，燃气轮机，技术应用，展望
1船舶燃气轮机的技术特点和优势
现阶段船舶所使用的主要动力设备仍以低、中、高速柴油机为主，只有少部分蒸汽轮机用作液化气船的动力设备。此外，燃气轮机作为动力装置与柴油机、蒸汽轮机动力装置相比，前者具有以下优点。
（1）为了便于运输更多货物，节省船舶机舱空间，通常燃气轮机的体积比较小，并且结构紧凑，同时也可提升船舶的使用性能。与此同时，随着材料技术的发展，更为轻薄的材料应用于燃气轮机的同时，凭借航空燃气涡轮机的固有功率密度,其重量比同等柴油发动机轻74%,所占空间约是同等柴油发动机的1/3。
（2）由于燃气轮机旋转时产生较少的低频振动，因此其具有振动小、噪音低以及运动平稳等特点。此外，燃气轮机由于其特殊的箱装体结构可形成良好的噪音防护，可以明显减弱低频噪音，从而在提升机舱操作环境的同时，可以对机舱噪音等级进行更好的控制。
（3）鉴于我国对环境保护问题的逐渐关注，因此将会越来越严格的控制船舶的废气排放，例如，降低氮氧化物以及硫化物等有害气体的排放量。此外，为满足环保要求，需要对目前船舶中的柴油机进行重新设计或改造，例如，设计优化的燃烧室，改进燃油系统，采用燃油注水、乳化油或废气再循环，选择性催化还原反应处理排放废气等。由此可见，上述举措不仅增加了船舶的投资和维护成本，在增加了动力系统的容积的同时，降低了船舶的储物空间。鉴于此，可以将分级燃烧室技术、贫油预混合预蒸发燃烧技术、催化燃烧技术、直接喷射燃烧室技术、可变驻留时间燃烧室技术、富油燃烧快速淬熄贫油燃烧室等高效低污染燃烧技术等应用于船用燃气轮机中，从而确保其满足我国环保法规的要求。
（4）单机功率大，功率重量比大，起动加速性好，从冷态起动至全速工况仅需数分钟。
（5）润滑油消耗低，保养量小，管理人员少。燃气轮机的滑油消耗量普遍较低，如LM2500燃气轮机的最大滑油消耗率约0.9kg/h，平均滑油消耗率仅有0.09kg/h，与柴油机相比要小一个数量级，但由于燃气轮机工作转速高，对滑油的质量要求要远高于柴油机。燃气轮机是回转部件，主要运动部件少，又设计成模件结构，因此燃气轮机所需的船上维修量小，人员配备也相应减少。
2船舶燃气轮机的关键技术
（1）材料及制造工艺技术。提高叶片的耐温等级及综合性能，将制备工艺从传统熔模精密铸造逐步发展到了先进定向结晶及单晶制备工艺，与之对应的涡轮叶片用材发展到等轴晶铸造高温合金、定向结晶高温合金和单晶高温合金。
（2）增材制造技术。金属增材制造技术在国际和国内都取得了飞速的发展，在我国燃气轮机行业尚未进入实际装机应用阶段，但经过近十年的快速发展，目前已具备良好的设备和工艺技术基础，并已初步应用于国产军民型号的燃气轮机机组。
（3）气动设计技术。进一步提高压气机与透平部件性能，研究可控涡设计、自由涡设计、掠弯扭叶片技术、多圆弧叶型、可控扩散叶型、间隙流动控制等技术，减小各类损失。如采用压气机多级可调叶片技术，压气机附面层抽吸技术、流动稳定性被动与主动控制技术等。国外已发展到全三维非定常流动分析与优化等精细层次各异的设计方法。我国叶轮机械气动设计领域取得了较大的发展，同西方多年建立的燃气轮机研发平台相比，还存在较大的差距，理论建模及开发方法掌握不足，试验数据积累少，数据库待补充。
（4）低排放技术。国外低排放燃烧技术已经较为成熟，不仅可以实现较低的污染物排放，具有优良的燃烧稳定性，而且低排放工况范围较宽。
我国低排放燃烧技术还存在工况范围较窄（0.8~1.0）、燃烧稳定性较差等不足。
（5）冷却及热障涂层技术。多孔层板冷却等先进冷却技术、电子束物理气相沉积热障涂层及工艺等在国外不断应用。我国急需在先进冷却及热障涂层技术方面有所突破，以满足初温提升的需求，确保新研机组的性能及可靠性。
（6）双燃料技术。双燃料燃气轮机已成为海洋平台油气开采的核心动力设备，国外对于双燃料燃烧机理、污染物控制、在线稳定切换等技术已经进行了深入的研究。我国对双燃料燃烧机理、切换策略、污染物控制及稳定燃烧控制方法等未进行系统深入的研究。
3船舶燃气轮机的发展方向
近20年来，随着燃气轮机技术的发展、高性能航空发动机的改装以及在燃气轮机热力循环方面的开发研究，船用燃气轮机的性能日益先进，技术日臻完善。船用燃气轮机技术发展方向主要有以下几个方面。
3.1提高燃气轮机参数，改进部件设计，提高简单循环机组性能
由于舰船对高性能燃气轮机的需求，近20年来推出了多型大功率高效燃气轮机。通过提高初温和压比、改进部件性能等措施，在简单循环下机组效率超过40%，如GE公司的LM6000PC、R-R公司的MT30等。
在推出新机组的同时，各大公司不断提高原有机组的性能。LM2500燃气轮机的发展堪称典范。LM2500燃气轮机是GE公司研制发展最为成功的一型船用燃气轮机。从1969年问世以来，LM2500燃气轮机不断升级改进，从最初的功率16.54MW、效率36%，发展到最新的35.34MW、效率39．4%，形成了LM2500/LM2500+/LM2500+G4系列燃气轮机。
3.2采用先进的复杂循环，提高机组性能
采用回热循环、间冷-回热循环等复杂循环，是提高燃气轮机性能的另一条途径。对于低压比小功率船用燃气轮机，通过增加回热器形成回热循环来提高效率;对于高压比、三转子大功率船用燃气轮机，增加中间冷却器和回热器形成间冷回热循环，可增大功率、提高效率。
英国Rolls-Royce公司研制的WR-21是一型间冷回热循环燃气轮机。与简单循环相比，WR-21不仅输出功率增加，额定功率下具有高效率(42%)，而且在大部分功率范围内具有平坦的耗油率曲线，在30%额定负荷下也有接近额定负荷的效率，非常符合舰船燃气轮机的运行特点。据分析，采用WR-21发动机的舰艇年燃油消耗量较美国海军现役的LM2500燃气轮机舰船减少约30%。中间冷却器、回热器、动力涡轮第一级导向叶片可调是WR-21燃气轮机降低耗油率、增大功率的关键。
3.3燃气轮机发电模块是未来舰船燃气轮机的主要应用方向
综合电力系统是今后舰艇动力的发展方向，其主要特点是将推进动力与电站动力合二为一，为舰船装备高能武器奠定电能基础。综合电力系统对电站总功率的需求大幅度增加，这就要求单台发电机组的功率成倍增长，传统意义上的柴油机发电机组已不能满足这种变化要求。燃气轮机单机功率大、输出转速高，特别适合作为综合电力系统的原动力。
4结语
燃气轮机是一个涉及国家能源的战略性产业，是能源动力装备领域的最高端产品。燃气轮机有着极其广泛的应用。它不仅是国防装备中极其关键的设备，在国民经济的电力、能源开采和输送、分布式能源系统等领域中，燃气轮机也有着不可替代的战略地位和作用。发展燃气轮机对我国先进制造业和先进能源技术的研究至关重要，而且对我国国民经济的发展有很大的推动作用。
参考文献
[1]伍赛特.船用燃气轮机动力装置技术特点研究及发展趋势展望[J].交通节能与环保,2020,16(02):26-28+46.
[2]李文瑞.船舶燃气轮机发电机组干式负荷测控系统研究[J].舰船科学技术,2021,43(02):103-105.