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舰船燃气轮机发展现状、方向及关键技术孙惠洋

发表时间：2021/6/7 来源：《基层建设》2021年第2期作者：孙惠洋

[导读] 摘要：随着船舶工业的发展，现代化船舶正呈现出快速化、大型化、以及自动化发展趋势，动力系统如何提升其可靠性以及经济性，已受到业内人士的高度关注。

        中国船舶集团有限公司第703研究所黑龙江哈尔滨 150000
        摘要：随着船舶工业的发展，现代化船舶正呈现出快速化、大型化、以及自动化发展趋势，动力系统如何提升其可靠性以及经济性，已受到业内人士的高度关注。船舶动力系统作为整船的核心部位，其运行质量不仅关系着船舶航行的动力性，同时还与航行的稳定性、可靠性、经济性水平存在密切的关联。因此，对船舶动力系统研究现状以及发展趋势进行深入分析，有着非常积极的现实意义与价值。
        关键词：舰船燃气轮机；发展现状；关键技术
        1我国舰船燃气轮机的发展历程
        我国舰船燃气轮机起步并不晚，1958年就纳入国家发展规划，1959年从前苏联引进M-1型燃气轮机，生产了首型舰用燃气轮机，作为加速主机列装于某国产护卫艇。1961年，上海汽轮机厂成功试制首台国产燃气轮机，并在我国自行设计研制的062型高速护卫艇上列装，开展了舰船燃气轮机测试与试用，这也是我国第一次尝试在水面舰艇上正式采用燃气轮机。1964年，我国自行设计、研制成功首型4.4MW舰船用燃气轮机，但由于研制周期过长、预定列装对象037型猎潜艇的调整，未能装备部队。
        随后，我国跟踪西方采用航空发动机改进的燃气轮机研制技术路线，基于国产涡喷-8进行大功率燃气轮机的研发和试制。此后，我国又在涡轴-5，涡桨-6，涡喷-6，涡扇-9等基础上研制了多型航改燃气轮机。其中基于涡桨-6航空发动机研制的409型燃气轮机，作为主动力装置成功应用于722型气垫船。20世纪70年代，我国从英国引进了“斯贝”MK202-涡扇发动机，经国产化后定型为涡扇-9。20世纪80年代，在涡扇-9基础上启动新一代航改燃气轮机GT-1000的研制，于1993年通过了样机性能鉴定，功率为10MW，是我国掌握了新一代燃气轮机技术的标志。1996年开始研制第一型“太行”涡扇发动机改型燃气轮机QD70，船用型为QC70（功率7MW),2006年投入使用。基于“太行”涡扇发动机又开展了QC185燃气轮机的研制，功率达18MW，在2004年完成验证机测试，并于2010年正式投入使用。QC185燃气轮机具有中档功率，适用于作为主动力装载于驱护舰，这也标志着我国在舰用燃气轮机装备自主研制生产道路上取得了重要的进展。
        总体上看，我国舰船燃气轮机走过了仿制、专用化设计、航机舰改、技术引进、消化吸收自主创新等发展过程，引进的燃气轮机已经完成了国产化研制，正在进行批量生产和列装，大大提高了我国舰用燃气轮机自主研制水平，为我国舰用燃气轮机的系列化发展提供了良好的基础机型。
        2燃气轮机的发展方向
        进一步提高功率与热效率，降低耗油率。世界舰船燃气轮机七十多年的发展表明，随着技术进步，舰船燃气轮机产品更新换代，功率与效率进一步提高，耗油率不断降低。简单循环舰船燃气轮机主要通过提高压比、燃气初温和部件效率等措施提高功率与热效率。目前简单循环的大功率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0.200kg/（kW•h）级。此外，采用先进复杂循环舰船燃气轮机代表了未来的发展方向，有望进一步提高舰船燃气轮机的热效率。复杂循环舰船燃气轮机主要包括间冷、回热、间冷回热（ICR）、蒸汽回注、燃-蒸联合、湿空气涡轮（HAT）、燃料电池混合动力等循环燃气轮机，主要通过改进热力循环来提高热效率，尤其是可以改善部分负荷下的燃气轮机性能。对实际发动机进行的IC循环改造方案分析表明，通过精心匹配，有可能在增大功率的同时提高其效率。但是，间冷循环燃气轮机在国外舰船上也无应用先例，因此可以称之为“有中国特色的大功率船用燃气轮机”。
        可靠性与可维护性不断提高。舰船燃气轮机的可靠性和可维护性是满足海军舰船列装要求、实现成功装船的关键指标。发达国家通过实施先进技术预研和综合的燃气轮机技术方案验证，有力支撑了舰船燃气轮机燃烧效率与可靠性提高，改善了可维护性、减少环境影响，进而降低海军燃气轮机动力装置的总费用。如WR-21燃气轮机在设计全过程中始终将可靠性与可维护性设计放在重要的位置。

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        3燃气轮机的关键技术
        3.1LNG动力系统
        在相同的能量功率输出下，天然气的二氧化碳排放只有石油二氧化碳排放量的71.34%，氮氧化物排放比石油减少了80%，硫氧化物排放比石油减少了100%，微小颗粒排放比石油减少了92%。选用天然气作为船舶动力可以大大提高船舶的环保性能。除了环保优势，价格上较传统燃料便宜，天然气发动机较柴油机更加经济。此外，天然气发动机一般寿命为700000小时，大大超出船舶使用寿命。换言之，天然气发动机具有很高的保值率。
        3.2燃料电池动力系统
        燃料电池动力系统应用于船舶动力系统中的核心是指基于燃料电池装置为船舶推进提供主动力或辅助动力支持。期间所涉及到的燃料电池装置是指基于电化学反应实现化学物质自电能转换的装置。燃料电池装置的能量转换率水平高，供电保证持续性，因此体现出了良好的节能环保特点，在船舶航运系统乃至船舶动力系统模块中应用相当广泛。当前技术条件支持下，船舶动力系统中对燃料电池装置技术的应用已经进入实践化阶段，凭借其高能效、无污染以及低噪音等一系列特点与优势被广泛应用于中小规模游览船舶、军事传播、LNG船舶、以及科学考察船舶动力系统中。但随着应用经验的不断累积，燃料电池成本偏高、燃料供应难度较大、技术成熟度不足等问题开始凸现出来，在一定程度上限制了燃料电池动力系统的进一步推广。
        3.3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排放水平较高（3.24×10-5）、低排放工况范围较窄（0.8～1.0）、燃烧稳定性较差等不足。
        3.4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。
        3.5燃气轮机智能化
        与国外相比，我国燃气轮机智能化技术起步较晚、落后于国际先进水平。未来的燃气轮机控制系统应该是一个综合智能管理系统，因此应具有基于运行优化、寿命管理、环保要求、投入产出效益、以及运行安全可靠性、舰船管理等的一体化控制的特点。
        3.6燃气轮机智能化
        与国外相比，我国燃气轮机智能化技术起步较晚、落后于国际先进水平。未来的燃气轮机控制系统应该是一个综合智能管理系统，因此应具有基于运行优化、寿命管理、环保要求、投入产出效益、以及运行安全可靠性、舰船管理等的一体化控制的特点。
        总之，在船舶航行推进过程当中，动力系统作为整船推进的核心技术，当前多数研究围绕动力系统性能开展。船舶动力系统的主要构成涉及到推进器、主机以及轴系这三个部分。从成本方面来看，船舶动力系统的建造成本占船舶设备总成本的1/3以上，其重要意义可见一斑。当前，船舶动力系统主要以柴油机动力系统与燃气轮机动力系统这两类为主，其运行性能关系着全球贸易的运输效率与安全，因此有关其应用现状以及发展趋势的研究也成为了造船行业技术研究的核心内容。上述分析中围绕船舶动力系统的应用现状以及发展趋势展开分析与探讨，仅供业内人士参考与关注。
        参考文献：
        [1]张忠文.舰船燃气轮机技术的发展途径[J].航空发动机，2009,35(6):49-52.
        [2] 翁史烈，王永鸿，宋华芬，等.燃气轮机总体性能[M].上海：上海交通大学出版社，2016.