國外艦船航改燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展特點(diǎn)

徐智珍，趙永建，張 軻

(沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽 110015)

1 引言

由于艦船航改燃?xì)廨啓C(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、起動(dòng)迅速、重量輕、可靠性高、維護(hù)方便和易于更換等突出優(yōu)勢，在1947年成功試裝后就得到了艦船工業(yè)界的高度重視和大力開發(fā)，早已廣泛地應(yīng)用在大型驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、大型巡洋艦、巡邏艇、潛艇支援船、破冰船、氣墊登陸艇與小型航空母艦上。目前，艦船航改燃?xì)廨啓C(jī)的最大功率達(dá)到了50 MW，簡單循環(huán)效率已達(dá)41%，耗油率降低到0.200 kg/(kW·h)，可靠性與可維護(hù)性也得到了明顯提高。與此同時(shí)，美英等國在完成ATS(先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng))、SMGT(超級(jí)艦船燃?xì)廨啓C(jī))、IHPTET(綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù))等技術(shù)研究之后開發(fā)和驗(yàn)證的更經(jīng)濟(jì)且更高效的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，必將推動(dòng)未來一代艦船燃?xì)廨啓C(jī)的更大發(fā)展。

2 發(fā)展歷程

由于艦船燃?xì)廨啓C(jī)源自航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，具有航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量輕、功率大、起動(dòng)快、加速性好、可靠性高等相似的技術(shù)要求，因而都由發(fā)展成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)改型研制，其產(chǎn)品研發(fā)與技術(shù)研究工作只有英國、美國和俄羅斯等為數(shù)極少的世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)國有實(shí)力開展。

2.1 產(chǎn)品發(fā)展

1947年，英國研制的G1燃?xì)廨啓C(jī)在英國皇家海軍MGB2009高速炮艇上試裝成功，揭開了艦船燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的序幕。20世紀(jì)60年代末，英國和美國等國家陸續(xù)做出“艦船以燃?xì)廨啓C(jī)做動(dòng)力”的歷史性決策。之后，英國、美國、俄羅斯等國家開始大力發(fā)展艦船燃?xì)廨啓C(jī)，并廣泛應(yīng)用在各種艦船上[1，2]。

20世紀(jì)60年代以來，英國RR公司陸續(xù)研制了Tyne RM1、Olympus TM1A、Olympus TM3B、Olympus TM3C、SPEY SM1A、SPEY SM1C/SM2C、WR-21、MT30等艦船燃?xì)廨啓C(jī)；美國GE公司研制了LM2500、LM1600、LM2500＋、LM2500＋G4 和 LM6000PC；美國PW公司研制了FT4A、FT8；美國Allison公司研制了Allison 501KF、Allison 570KF 和 Allison 571KF；美國Lycoming 公 司 研 制 了 TF25、TF40、TF50、TF80 和TFl00；前蘇聯(lián)Kuznetsov設(shè)計(jì)局研制了NK-12M、NK-12PT和NK-14PT[3，4]。表1示出了這些艦船燃?xì)廨啓C(jī)的投入使用時(shí)間、母體航機(jī)和應(yīng)用等情況。

2.2 技術(shù)發(fā)展

在研制艦船燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品的同時(shí)，美國、英國、日本等國家也在實(shí)施一些技術(shù)預(yù)研計(jì)劃以開發(fā)和驗(yàn)證更先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)。

美國能源部于1993～2000年組織一些政府部門與工業(yè)界實(shí)施了ATS研究計(jì)劃。其主要目標(biāo)是應(yīng)用先進(jìn)循環(huán)和先進(jìn)材料開發(fā)小功率工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)。與此同時(shí)，通過實(shí)施IHPTET、超高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(UEET)和多用途、經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(VAATE)等研究計(jì)劃，美國政府和工業(yè)界開發(fā)、驗(yàn)證了大量的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，為未來一代燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

由美國牽頭，美國與歐洲共22個(gè)部門和公司共同實(shí)施的聯(lián)合開發(fā)先進(jìn)航改燃?xì)廨啓C(jī)(CAGT)研究計(jì)劃，其目標(biāo)是將配裝B777飛機(jī)的GE公司的GE90、PW公司的PW4084和RR公司的 Trent800等大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)改型研制為工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)。其第1步，是利用雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的優(yōu)勢，實(shí)施中間冷卻，實(shí)現(xiàn)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1 426～1 482℃，簡單循環(huán)效率達(dá)到45%～47%；第2步，在中間冷卻的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的濕空氣渦輪循環(huán)(HAT)，使由PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)改型研制的HAT循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的效率達(dá)到61%～63%，功率達(dá)到200 MW。

日本國土交通省組織5個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)/柴油機(jī)制造商于1997～2005年聯(lián)合實(shí)施了SMGT研究計(jì)劃，開發(fā)低排放且高熱效率的未來一代艦船回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，以替換當(dāng)今的同功率級(jí)(2 590 kW)柴油機(jī)[5]。SMGT研制計(jì)劃第1階段，通過開發(fā)和驗(yàn)證干低NOx排放燃燒室、板翅式回?zé)崞?、高效冷卻轉(zhuǎn)子葉片、帶有可調(diào)導(dǎo)向葉片且能在部分負(fù)載狀態(tài)下提高效率的動(dòng)力渦輪、適應(yīng)于艦船環(huán)境的防腐涂層等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以下3個(gè)目標(biāo)：①NOx排放量顯著降低(只有高速柴油機(jī)的1/10)；②熱效率達(dá)到39.1%(與高速柴油機(jī)的熱效率相當(dāng))；③能使用A型重油。SMGT研制計(jì)劃第2階段，通過耐久性試驗(yàn)，驗(yàn)證了第1階段技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際艦船的可靠性，實(shí)現(xiàn)了輸出功率為2 300 kW，綜合能量效率為50%，CO2排放量進(jìn)一步降低20%，可靠性達(dá)到實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。

3 發(fā)展規(guī)律

3.1 熱效率逐步提高，耗油率不斷降低

表2示出了部分典型艦船航改燃?xì)廨啓C(jī)的性能參數(shù)。從表中可以清楚地發(fā)現(xiàn)，無論是簡單循環(huán)還是復(fù)雜循環(huán)，世界艦船燃?xì)廨啓C(jī)的效率都在逐步提高，耗油率都在不斷降低。

表1 典型艦船航改燃?xì)廨啓C(jī)簡介Table 1 The state of typical marine aero-derivative gas turbines

簡單循環(huán)艦船燃?xì)廨啓C(jī)主要通過提高壓比、渦輪進(jìn)口溫度、部件效率等措施來提高熱效率和降低耗油率。例如，LM2500燃?xì)廨啓C(jī)的功率為24.3MW，熱效率為 37.6%， 耗油率為 0.227 kg/(kW·h)；由LM2500燃?xì)廨啓C(jī)改進(jìn)的LM2500＋燃?xì)廨啓C(jī)采用了LM2500、LM6000燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，借鑒了F414發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤技術(shù)、CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)的無凸肩寬弦葉片技術(shù)、CF6-80E發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)密封技術(shù)等，使其流量增大20%，壓比由19.2增大到23.6，最終使其最大輸出功率達(dá)到29.8 MW，熱效率提高到39.1%。2005年由LM2500＋燃?xì)廨啓C(jī)改進(jìn)研制的LM2500＋G4燃?xì)廨啓C(jī)，采用GE公司戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和LM6000燃?xì)廨啓C(jī)的先進(jìn)技術(shù)重新設(shè)計(jì)壓氣機(jī)、高壓渦輪與動(dòng)力渦輪，采用先進(jìn)的材料與涂層，使空氣流量提高6%，壓比從23.6提高到24.2，排氣溫度提高，進(jìn)而使其在不改變外廓尺寸的情況下，額定功率提高到34.3 MW，熱效率達(dá)到39.3%。最近研制的LM6000PC燃?xì)廨啓C(jī)和MT30艦船燃?xì)廨啓C(jī)，其功率分別為42.8 MW和36 MW，熱效率分別為42.1%和 40%，耗油率分別為 0.200 kg/(kW·h)和0.207 kg/(kW·h)。也就是說，目前簡單循環(huán)艦船燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率已經(jīng)達(dá)到40%以上，耗油率已經(jīng)降低到 0.200 kg/(kW·h)級(jí)[6，7]。

復(fù)雜循環(huán)艦船燃?xì)廨啓C(jī)主要包括間冷、回?zé)?、間冷回?zé)帷⒄羝刈?、化學(xué)回?zé)?、濕空氣渦輪等復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，主要通過改進(jìn)熱力循環(huán)，提高熱效率，特別是在部分負(fù)荷下的性能，如熱效率與耗油率等。英國RR公司與美國西屋公司聯(lián)合，以RB211發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)研制的WR-21艦船燃?xì)廨啓C(jī)，采用間冷回?zé)峒夹g(shù)，降低了壓氣機(jī)的功耗，增加了渦輪的有用功，使熱效率提高到42%，油耗降低到0.200 kg/(kW·h)。特別是其油耗曲線特別平坦，在30%工況時(shí)效率可達(dá)41.16%，耗油率達(dá)0.204 kg/(kW·h)，接近中、高速柴油機(jī)水平，可以單獨(dú)取代柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置，大大節(jié)省了空間、顯著減輕了重量，明顯改善了維修性和可靠性，降低了全壽命期費(fèi)用。由于其具有優(yōu)越的性能，WR-21燃?xì)廨啓C(jī)將應(yīng)用于美國海軍DD-21級(jí)驅(qū)逐艦與新一代DDG-51級(jí)驅(qū)逐艦、英國新型航母、歐洲3國(英國、法國、意大利)的新一代通用護(hù)衛(wèi)艦(GNGF)。對(duì)于DDG-51級(jí)驅(qū)逐艦，全年每艘艦可節(jié)約費(fèi)用150萬美元，同時(shí)允許航速增加6節(jié)，航程增加1 000海里。又如，LM6000艦船燃?xì)廨啓C(jī)采用化學(xué)回?zé)嵫h(huán)后，熱效率將達(dá)到60%。

3.2 污染排放量明顯降低

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和國際艦船燃?xì)廨啓C(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的制定，艦船燃?xì)廨啓C(jī)的排放早已得到世界各國的高度重視。由于不適合采用噴水或SCR(選擇催化還原燃燒技術(shù))，艦船燃?xì)廨啓C(jī)主要通過采用貧油直接噴射燃燒系統(tǒng)(LDI)、貧油預(yù)混氣化燃燒系統(tǒng)(LPW/PY)、富油燃燒-快速摻混-貧油燃燒系統(tǒng)(RQL)、非絕熱燃燒系統(tǒng)以及內(nèi)置催化穩(wěn)定燃燒系統(tǒng)(可提供NOx排放低于1×10-6的水平)等干低排放燃燒技術(shù)，即在不對(duì)燃燒穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響的情況下降低燃燒區(qū)火焰溫度，從而降低NOx、CO和未燃燒的碳?xì)浠衔?UHC)等的排放量，并且已經(jīng)取得明顯的效果。

表2 典型艦船航改燃?xì)廨啓C(jī)的性能參數(shù)Table 2 The performance parameters of typical marine aero-derivative gas turbines

RR公司的工業(yè)RB211燃?xì)廨啓C(jī)的貧油預(yù)混軸向分級(jí)燃燒室包括9個(gè)徑向安裝的逆流環(huán)管型燃燒腔，每個(gè)腔又分為單獨(dú)供油和供氣兩級(jí)，以便在部分負(fù)荷下維持高油氣比和降低排放量，是首臺(tái)裝備干低排放燃燒室的航改燃?xì)廨啓C(jī)。PW公司的FT8燃?xì)廨啓C(jī)的貧油預(yù)混軸向分級(jí)燃燒室有3個(gè)不同的燃燒區(qū)，每個(gè)區(qū)的幾何形狀都按不同的發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍和燃料/空氣比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使NOx的排放量降到25×10-6以下，使CO和UCH排放量降到相對(duì)低的水平。GE公司的LM6000燃?xì)廨啓C(jī)的貧油預(yù)混徑向分級(jí)燃燒室采用一種獨(dú)特的三環(huán)腔設(shè)計(jì)：中環(huán)腔包括30個(gè)預(yù)燃預(yù)混器，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍內(nèi)工作；外環(huán)腔、內(nèi)環(huán)腔分別包括30個(gè)和15個(gè)燃燒器，它們分級(jí)或以可調(diào)的數(shù)量工作，以使燃燒室在窄的火焰溫度范圍內(nèi)工作。這樣，其NOx排放量降低到25×10-6以下，CO、UHC和顆粒狀物等的排放量也降到很低。

GE公司和美國空軍研究試驗(yàn)室也在共同開發(fā)與驗(yàn)證一種創(chuàng)新型駐渦燃燒室，如圖1所示，其利用燃燒室內(nèi)駐渦腔來實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定。該燃燒室具有在寬廣的工作范圍內(nèi)穩(wěn)定工作、地面/空中點(diǎn)火能力強(qiáng)、燃燒效率高、長度短、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。美國海軍首先按飛機(jī)和艦船動(dòng)力的要求設(shè)計(jì)了駐渦燃燒室，并且已經(jīng)在全尺寸環(huán)形試驗(yàn)臺(tái)和F414發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。美國能源部正在研究將駐渦燃燒室作為RQL方案，用于燃?xì)廨啓C(jī)和高速燃燒領(lǐng)域。為了達(dá)到SMGT已實(shí)現(xiàn)的NOx排放低(只有高速柴油機(jī)的1/10)這一目標(biāo)，日本開發(fā)并驗(yàn)證了貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，如圖2所示。該燃燒室中3個(gè)燃燒區(qū)域分別帶有3種不同的燃油噴嘴，其中引燃噴嘴用于點(diǎn)火和低功率狀態(tài)，并且在工況范圍內(nèi)維持燃燒穩(wěn)定性；主燃油噴嘴提供貧油、預(yù)混、預(yù)蒸發(fā)燃燒；補(bǔ)燃噴嘴在主燃燒區(qū)后，為大功率運(yùn)行提供燃油。另外，GE、PW公司等也在開發(fā)和驗(yàn)證RQL燃燒室。相信這些新型低排放燃燒室的采用，將會(huì)大大降低燃?xì)廨啓C(jī)中NOx、CO、UHC和顆粒狀物等的排放量。

圖1 駐渦燃燒室Fig.1 Trapped vortex combustor

圖2 DLN燃燒室縱剖面Fig.2 DLN combustor cross section

3.3 可靠性與維修性不斷提高

艦船燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性與維修性也是非常重要的指標(biāo)。除了降低狀態(tài)使用和進(jìn)行適當(dāng)加固外，艦船燃?xì)廨啓C(jī)主要通過采用耐高溫與抗腐蝕/疲勞部件、耐腐蝕防護(hù)涂層、先進(jìn)冷卻技術(shù)，以及嚴(yán)格、全面的部件和整機(jī)鑒定試驗(yàn)來提高可靠性，通過簡化結(jié)構(gòu)、減少零件數(shù)目、采用易維護(hù)的設(shè)計(jì)(單元體、對(duì)開機(jī)匣、設(shè)孔探口、合理的維修等級(jí))、采用視情維修、采用通用性設(shè)計(jì)等措施來提高維修性，并取得了很好的效果。

LM2500發(fā)動(dòng)機(jī)通過采用單元體設(shè)計(jì)、對(duì)開壓氣機(jī)機(jī)匣、在位葉片更換、在位熱端部件維護(hù)、易維護(hù)的外部燃油管路等措施，使得其可靠性達(dá)到0.996。在2 000臺(tái)LM2500/LM2500+燃?xì)廨啓C(jī)超過5 100×104h和 6 556臺(tái) CF6航空發(fā)動(dòng)機(jī)278×104h的使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，LM2500＋G4燃?xì)廨啓C(jī)的平圴可靠性達(dá)到了0.986，較非GE公司同等功率的燃?xì)廨啓C(jī)提高了0.034 9；平圴可用性達(dá)到了0.958 4，較非GE公司同等功率的燃?xì)廨啓C(jī)提高了0.034。

WR-21燃?xì)廨啓C(jī)始終遵循“用戶已經(jīng)為維護(hù)買單”的思想，首先確定了明確的可靠性和維修性指標(biāo)：①間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)兩次故障之間的平均時(shí)間最少為1 000 h，回?zé)崞鳛?0 000 h，間冷器為14 000 h，包括傳感器的控制系統(tǒng)為4 500 h，所有船內(nèi)部和外部修理為2 200 h，燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力渦輪的兩次大修之間的平均時(shí)間最少為10 000 h；②對(duì)于間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)的所有O級(jí)和I級(jí)維修操作，恢復(fù)系統(tǒng)的平均時(shí)間最多為24 h；③拆卸、更換一臺(tái)燃?xì)獍l(fā)生器最多用48 h，動(dòng)力渦輪為72 h，間冷器為24 h，回?zé)崞鳛?20 h；④對(duì)于修理的最大平均時(shí)間，控制系統(tǒng)為2 h，滑油系統(tǒng)和其它部件為9.75 h；⑤O級(jí)保護(hù)性維護(hù)最多為每周4.5人·時(shí)，保護(hù)性加校正性維護(hù)每周6.75人·時(shí)。然后，從方案設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)一直高度關(guān)注維修性設(shè)計(jì)，通過采取以下6項(xiàng)技術(shù)措施，在滿足低耗油率和不超過現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)尺寸要求的同時(shí)，設(shè)計(jì)出了維修性和適應(yīng)性都很好的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)：①選擇成熟的、高可靠性的單元體化部件；②設(shè)計(jì)可達(dá)性好的箱體；③保證最大可能地采用孔探儀檢查；④進(jìn)行燃?xì)饬髀吠＼嚽逑春吐?lián)機(jī)清洗；⑤將計(jì)劃維護(hù)(預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)(PMS))減至最少；⑥采用少量通用標(biāo)準(zhǔn)型保障設(shè)備進(jìn)行操作者級(jí)或船員級(jí)(美國海軍O級(jí))維護(hù)，確保采用附加的特殊工具進(jìn)行Ⅰ級(jí)維護(hù)。

MT30燃?xì)廨啓C(jī)通過采用簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(部件數(shù)較其它航改燃?xì)廨啓C(jī)的減少50%～60%)、單元體設(shè)計(jì)、預(yù)平衡、視情維護(hù)等措施和嚴(yán)格的試驗(yàn)考核，其可靠性與維修性得到了很大提高。預(yù)計(jì)熱端部件的大修時(shí)間為12 500 h，整機(jī)大修時(shí)間為24 000 h，艦上從早到晚的平均無故障時(shí)間為2 000 h，平均修理時(shí)間(冷機(jī)時(shí)間除外)為4 h。

4 結(jié)束語

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及艦船燃?xì)廨啓C(jī)使用經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，未來艦船燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品的性能會(huì)得到更大的提高，可靠性會(huì)得到進(jìn)一步的改善，維修性會(huì)越來越好，污染排放量會(huì)更低，其應(yīng)用前景也必然會(huì)更加廣闊。

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