艦用航改燃氣輪機技術(shù)應用及發(fā)展思路

■ 李敏 / 中國航發(fā) 吳賽峰 / 中國航發(fā)動力所

燃氣輪機是繼蒸汽機和內(nèi)燃機之后的艦用動力裝置，具有質(zhì)量輕、尺寸小、功率大、起動快等諸多優(yōu)點。航空發(fā)動機技術(shù)的進步帶動了艦用航改燃氣輪機的迅速發(fā)展，目前已廣泛應用于航空母艦、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦、兩棲攻擊艦和氣墊登陸艇等水面艦船，成為艦船的主要動力裝置。

航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機是20世紀40年代在同一起跑線上各自獨立并行向前發(fā)展的。由于政治、軍事和經(jīng)濟等方面的原因，航空發(fā)動機技術(shù)率先獲得飛速發(fā)展，利用航空發(fā)動機技術(shù)改進改型的燃氣輪機具有投資少、周期短、見效快、效率高、經(jīng)濟性好、可靠性高、使用維護方便等特點。20世紀90年代以來，以大型渦扇發(fā)動機CF6-80C2/E1、RB211和遄達800等為基礎改型研制出的第4代航改燃氣輪機，取得了“可靠性更高、維修性更好、污染更低、功率范圍更寬、應用前景更廣”的效果，其中航改簡單循環(huán)燃氣輪機的總壓比最高已達40∶1以上，熱效率已達40%以上，耗油率已經(jīng)降到0.2kg / (kW·h)級。

艦用航改燃氣輪機的技術(shù)特點

艦用航改燃氣輪機主要有以下幾個技術(shù)特點。

一是采用成熟的航空發(fā)動機作為母型機進行改裝設計。航改燃氣輪機大多由發(fā)展成熟的航空發(fā)動機（尤其是民用航空發(fā)動機）改型研制，盡可能地繼承了航空發(fā)動機母型機的技術(shù)和硬件（尤其核心機部分，基本保持不變），在滿足艦用燃氣輪機的工作環(huán)境和任務要求的前提下，實現(xiàn)高性能、高可靠性、長壽命和低成本的目標。

美國朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦及其動力MT30艦用航改燃氣輪機

二是開展了適海性等改進設計。艦用航改燃氣輪機要求在嚴苛的高溫、高濕、高鹽霧海洋環(huán)境下能長期安全可靠地工作，因此需要采用抗腐蝕/疲勞材料、耐腐蝕防護涂層等先進的材料和工藝，以提升零部件抗高溫腐蝕和抗氧化腐蝕的能力，確保不出現(xiàn)性能過早衰減或效率明顯降低等問題。

三是經(jīng)過了長壽命、高可靠性、維修性等改進設計。艦用燃氣輪機作為水面艦船的核心動力，要求與艦船同壽，一般為30 年，翻修期為25000h。因此與航空發(fā)動機相比，艦用燃氣輪機具有更高的壽命和可靠性要求。為此，在航改燃機設計改進時，除降低母型機渦輪前溫度、工作轉(zhuǎn)速外，還需進行優(yōu)化冷卻設計、對傳力路線、主要承力框架改進設計，同時采用簡化結(jié)構(gòu)、減少零件數(shù)目、采用易維護設計（單元體、對開機匣、孔探口）、采用視情維修、通用性設計等措施使整機可靠性與維修性得到大大提高。為保證整機的可靠性，所有改進設計需通過嚴格、全面的整機/部件的鑒定試驗進行驗證，同時在艦用燃氣輪機實際使用過程中，還要進行壽命管理。

四是采用緊湊型箱裝體設計。為保證艦用燃氣輪機和其附件系統(tǒng)在艦船航行條件下的工作可靠性、維修性，以及減振、隔聲、通風、防火等要求，一般需新研制緊湊型箱裝體來滿足艦船的安裝要求，包括進排氣與艦船進排氣裝置連接、底座與船體承力結(jié)構(gòu)相連接，船艙空間限制等要求。箱裝體強調(diào)空間整體概念，需開展人機工程設計，在保證箱體尺寸最小的同時，留有足夠的現(xiàn)場維修空間。

MT30艦用航改燃氣輪機的母型機遄達800

艦用航改燃氣輪機的發(fā)展趨勢

隨著先進航空發(fā)動機和燃氣輪機技術(shù)的不斷發(fā)展，航改燃氣輪機的性能、環(huán)保性、可靠性、維修性和經(jīng)濟性等不斷提升，在產(chǎn)業(yè)方面已經(jīng)實現(xiàn)譜系化和系列化發(fā)展，在艦船動力領域得到廣泛應用，整體呈現(xiàn)以下發(fā)展特點。

一機多用

目前，各國海軍裝艦使用的燃氣輪機主要集中在少數(shù)幾個型號，如TF40B、LM2500、MT30 等。 這些燃機既可用作機械推進，也可用于發(fā)電，通過不同的搭配組合，適用于不同艦船的動力需求，見表1。

表1 水面艦船燃機裝備情況

性能不斷提高

從近20多年來世界新研艦用燃氣輪機情況分析可見，艦用燃氣輪機的發(fā)展主要集中在大功率級（20MW及以上）和小功率級（10MW及以下）機組上，其中裝艦最多、應用最廣泛的是大功率艦用燃氣輪機。由此可以預見，功率10 ～50MW、效率39%～42%（標準條件下）的艦用燃氣輪機是未來15 ～20年內(nèi)世界各國海軍艦船采用的主流動力。

現(xiàn)役MT30艦用燃氣輪機的單機功率達到40MW，效率達到40%以上，功率密度達1.2kW/kg，該機是由英國羅羅公司以20世紀90年代末研發(fā)的遄達800發(fā)動機為母型機衍生發(fā)展而來，2008年進行了局部優(yōu)化。MT30得到廣泛應用的原因，除效率高外，很重要的一點是在標準天氣下，發(fā)電型能夠保持36MW的輸出功率、推進型能保持40MW的輸出功率，與LM2500系列拉開了功率級次（幾型常見艦用燃氣輪機參數(shù)見表2）。

表2 常見艦用燃氣輪機參數(shù)

系列化發(fā)展

由于研制和生產(chǎn)艦用燃氣輪機的技術(shù)門檻高，難度大，世界上真正能設計、制造艦用燃氣輪機的廠商為數(shù)極少，逐步形成了TF40系列、斯貝系列、LM2500系列、UGT系列等艦用燃氣輪機。

艦用燃氣輪機發(fā)展圖譜

LM2500艦用燃氣輪機的系列化發(fā)展

這些燃氣輪機基本都是在原型發(fā)動機基礎上，依托航空發(fā)動機材料、冷卻和涂層等基礎技術(shù)的發(fā)展，以及壓氣機與渦輪部件性能的提高，進一步提升渦輪初溫，提高整機性能，且朝著高度集中、系列化的方向發(fā)展。其中，美國GE公司的LM2500燃氣輪機最為典型，已發(fā)展形成3個型號的系列產(chǎn)品，廣泛應用于艦船、工業(yè)領域。

航改燃氣輪機發(fā)展思路

21 世紀以來，隨著我國工業(yè)技術(shù)體系的大幅完善，航空發(fā)動機技術(shù)和產(chǎn)品得到快速發(fā)展，為航改燃氣輪機的研制奠定了良好的技術(shù)基礎和工業(yè)基礎。我國根據(jù)需求、結(jié)合國情、拓展航空發(fā)動機技術(shù)，堅持自主創(chuàng)新研發(fā)燃氣輪機產(chǎn)品，走出了一條系列化自主發(fā)展的道路。結(jié)合航改燃氣輪機技術(shù)特點和發(fā)展道路，未來應在以下幾個方面繼續(xù)加強投入力度。

核心機是基礎

航改燃氣輪機的技術(shù)和硬件繼承自航空發(fā)動機母型機，尤其是核心機部分盡量保持不變，因此選用一款在一定時期內(nèi)具有競爭力的高性能航空發(fā)動機核心機非常重要。高性能的核心機具有較低的燃油消耗率、較低的比空氣流量、較長的壽命以及合適的功率等級等優(yōu)點，能保證航改燃氣輪機研制成功后10年或更長時間仍具有競爭力；同時高性能核心機的高溫耐久強度儲備和抗腐蝕能力，可以在改裝過程中減少關(guān)鍵部件的改動，以保持較高的通用性。

可靠性是關(guān)鍵

艦用燃氣輪機的可靠性是動力系統(tǒng)頂用、好用的關(guān)鍵，是近年來艦用燃氣輪機的關(guān)鍵指標。目前我國的艦用燃氣輪機基本滿足了海軍對燃氣動力的急需，但在可靠性及其長時間的運行能力方面與國際領先的艦用燃氣輪機仍有差距。在未來一段時間內(nèi)的可靠性提升將是我國艦用燃氣輪機研制的重點工作。

系列化是趨勢

由于研制和生產(chǎn)燃氣輪機的難度大，以成功的燃氣輪機為基礎，通過升級改進實現(xiàn)艦用航改燃氣輪機產(chǎn)品系列化發(fā)展，可以降低艦用航改燃氣輪機的研制費用、縮短研制周期，是艦用燃氣輪機發(fā)展的趨勢。

智能化是方向

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化逐漸應用到航改燃氣輪機研發(fā)中，創(chuàng)造了越來越多的價值，因此必須加快艦用燃氣輪機研發(fā)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。借助信息化的力量，“智能發(fā)動機”概念應運而生。在發(fā)動機領域，以智能故障診斷、智能制造、智能控制、虛擬現(xiàn)實培訓、機器人檢修等為代表的智能化正在重塑設計、測試、生產(chǎn)和服務等各項工作，國際先進航空發(fā)動機和燃氣輪機制造商已經(jīng)著手開始“智能發(fā)動機”的研制，并在一些關(guān)鍵項目中取得一定效果。我國在此領域尚處于起步階段，必須加快人工智能在艦用燃氣輪機上的工程化應用，奮力直追。

結(jié)束語

目前我國正在大力研制CJ1000、CJ2000等先進大涵道比航空發(fā)動機，其推力、耗油率等性能指標可與世界先進水平的LEAP-1C、GEnx發(fā)動機相當。隨著這些先進航空發(fā)動機技術(shù)成熟度的提高及大量應用，以航空發(fā)動機為母型機，可研制出多型先進可靠的艦用航改燃氣輪機，改進現(xiàn)役艦用燃氣輪機產(chǎn)品的性能，提高現(xiàn)役艦用燃氣輪機的適裝性，使其達到世界先進水平，從而滿足我國未來艦船發(fā)展的動力需求。