高思阳1 孙雅慧2
1中国船舶集团有限公司第七〇三研究所 黑龙江 哈尔滨 150078
2哈尔滨东安汽车动力股份有限公司 黑龙江 哈尔滨 150066
摘要：船用燃气轮机是大中型水面舰艇的重要能源类型，是海军现代化建设的重要标志。 本文考察了船用燃气轮机的发展状况，分析了船用燃气轮机的发展方向，并介绍了船舶燃气轮机的关键技术。
关键词：舰船燃气轮机；发展现状；方向；关键技术
引言
船用燃气轮机具有功率大、体积小、重量轻、启动快、速度快、移动速度快等优点，可提高船舶的技术性能和航速。 世界上所有军舰通常都使用全燃料或柴油联合循环发电厂，装舰范围包括船舶、游轮、制导机枪、潜艇、鱼雷艇、登陆艇、海军援助舰、沉船和测量船等。
一 舰船燃气轮机的发展现状
我国曾经较早开始使用船用燃气轮机，1958年被列入国家发展计划。1959年，从前苏联引进M-1型燃气轮机，在主发动机速度快于航母的情况下，为舰船生产各种电动机。1961年，上海蒸汽电厂建造了国产燃气轮机，安装在了我国建造的062型高速运输船上，并对该船的燃气轮机进行了检验，这是我国首次尝试将其用于水面舰艇。1964年，我国成功建造并建成了第一台4.4型舰船用燃气轮机。
然后，我国在舰船燃气轮机的发展上走西方技术道路，升级舰船燃气轮机，并进行舰船燃气轮机国产涡喷-8的研发。此后，我国先后研制了各种型号的舰船燃气轮机。其中，涡轮螺旋桨6型航空发动机中的409型汽油发动机成功用作722型气垫船的主要电气部件。20世纪70年代，我国从英国进口了 Spey MK202 涡轮发动机。 20世纪80年代新一代GT-1000汽轮机进入市场，1993年通过样机性能审查。这表明我国对新一代电动机技术已经很熟悉。1996年研制的第一型“太行”涡轮增压发动机转为QD70涡轮增压发动机，船用型为QC70，2006年上市。在“太行”涡轮增压发动机的基础上，研制出QC185燃气发动机，功率为18兆瓦，设备试验于2004年完成，2010年启动。 QC185燃气轮机是中等功率输出，是装载飞机和军舰的主要动力。很明显，我国在发展自主和蒸汽动力装置方面取得了长足的进步。
我国于20世纪90年代从乌克兰引进了 UGT-25000 燃气轮机，通过技术的消化吸收，极大的支持了我国燃气轮机的技术进步，促进了我国燃气轮机的持续发展。燃气轮机的效率在UGT-25000的探测和改进深度上得到了有效地提升。使用4艘UGT-25000的组合，不仅帮助国产驱逐舰突破了目前的高排水量限制，达到阿里伯克级驱逐舰的排水量水平，还可以满足大型11000~13000t级驱逐舰的需求。 .
总的来说，我国经历了舰船燃气轮机仿真、专业化设计、飞机和舰船改装、技术引进、消化吸收自主创新等发展历程。 进口燃气轮机已完成研发国产化，批量生产安装。
显著提高了我国舰船燃气轮机的自主研发水平，为舰船燃气轮机的持续发展提供了良好的基础模型。
二 舰船燃气轮机的发展方向
目前，船用燃气轮机的发展目标是大型（高性能船用燃气轮机）和小型（低性能船用燃气轮机），特别是型号集中的高性能燃气轮机。 船用燃气轮机的发展方向主要集中在以下几个方面。
2.1 提高功率与热效率，降低耗油率
世界各地舰船燃气轮机70多年的发展历程表明，随着技术的进步，舰船燃气轮机生产不断升级，功率和效率进一步提高，油耗不断降低。简单的循环燃气轮机主要通过增加压力比、初始空气温度和组件效率来提高能量和热效率。目前，舰船单循环燃气轮机热效率已达到40%以上，燃料消耗率已降至0.200公斤/（千瓦时）。此外，使用先进的复杂循环舰船燃气轮机是未来的发展方向，有望进一步提高舰船燃气轮机的热效率。复杂的燃气轮机循环主要包括间接冷却、再生加热、间接可再生冷却（ICR）、蒸汽回注、燃烧和蒸汽组合以及混合动力装置等燃气轮机循环。热循环改进提高热效率，特别是提高燃气轮机在半负荷下的效率。对改变实际发动机 IC 循环的设计分析表明，仔细调整可以提高其效率和功率。但在国外船舶上使用间接冷却循环的燃气轮机尚无先例，可谓“有中国特色的大功率船用燃气轮机”。
2.2 提高可靠性与可维护性
海上燃气轮机的安全和维护是满足海上船舶安装要求和成功交付的关键指标。发达国家对燃气轮机技术方案进行先进的技术预研究和广泛验证，提高海上燃气轮机的燃烧效率和安全性，提高维修能力，最大限度地减少对环境的影响，从而降低海军燃气轮机动力装置的总费用。例如，WR-21 燃气轮机在整个设计过程中始终致力于提高可靠性和易维护性。
三 舰船燃气轮机的关键技术
3.1 材料及制造工艺技术
提高叶片的耐温性能和综合性能，从传统的精密铸造制备工艺逐步向取向结晶和单晶制备的先进工艺发展，相应的涡轮叶片材料将发展成等轴晶铸造高温合金，研制取向结晶合金和单晶高温合金。
3.2 增材制造技术
金属增材制造技术在国际和国内都得到了快速发展，我国燃气轮机行业尚未达到实际安装使用的阶段。但经过近十年的快速发展，现已具备良好的装备和工艺工程，已初步应用于国内军用和民用燃气轮机机组。
3.3气动设计技术
通过寻找可控涡流设计、自由涡流设计、后掠和扭曲叶片技术、多弧叶片轮廓、可控扩压器的叶片轮廓、释放流量控制等技术，不断提高压气机和涡轮部件的性能。减少各种损失，如采用压缩机的多级可调叶片技术、压缩机表面吸气技术、被动流动稳定和主动控制技术。国外已经开发了广泛地三维不稳定流动分析和优化等不同层次的详细设计方法。我国桨机空气动力学设计领域虽然取得了长足的进步，但与西方建立多年的燃气轮机研发平台相比，还有较大差距。理论建模和开发手段不足，测试数据积累低，需要补充数据库。
结束语
本文概述了舰船燃气轮机的发展现状，分析了燃气轮机的技术特性和性能，提出了船用燃气轮机最重要的发展方向和关键技术。可以预见，经过15年左右的不断努力，将建成我国完整的自主燃气轮机自主创新研发体系，为转型升级提供强有力的技术支撑。真正实现自主创新，实现舰船燃气轮机独立发展，坚持自主开发，跻身世界领先的燃气轮机强国之列。
参考文献
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