船用燃氣輪機發展趨勢分析

閆大海，張 晗

(中國艦船研究院，北京 100192)

0 引 言

燃氣輪機由于其具有結構簡單、單機功率大、功率密度高、起動快、可靠性高等優點，自20世紀30年代研制成功后發展迅速，廣泛應用于航空、發電、輸氣管道、艦船動力等領域，應用范圍越來越廣，產品譜系越來越全，產業規模越來越大。燃氣輪機技術水平是反映一個國家科技和工業實力的重要標志。自主研發燃氣輪機裝備，對保護能源與國防安全、改善能源結構、實現環境可持續發展意義重大。我國船用燃氣輪機的研制水平與世界先進水平差距較大，借鑒世界先進燃氣輪機研制規律與經驗，梳理燃氣輪機關鍵技術，對研制具有自主知識產權的船用燃氣輪機意義重大。

與船用柴油機相比，船用燃氣輪機優勢明顯：單位功率重量只有高速柴油機的1/15或更小；起動性，特別是低溫起動性好，加速性好；排放性能好，振動小，噪聲低[1]。這些優點推動燃氣輪機在20世紀40年代后迅速在世界各國海軍艦船上推廣應用。通用公司研制的LM2500等艦用燃氣輪機一般都由成熟的航空發動機改型而來，形成船用系列化發展。燃氣輪機已逐步成為各國水面艦艇的主要動力裝置和海軍裝備現代化的重要標志之一[2]。

主要考慮經濟性，民用船舶一般使用油耗較低的柴油機，較少使用燃氣輪機。近年來，隨著民用船舶對高航速和低排放的需求不斷增加，同時燃氣輪機技術不斷進步，燃氣輪機在民船上的應用逐步增加[3]。

1 燃氣輪機技術發展趨勢

燃氣輪機的發展方向主要包括：不斷提高功率、效率；不斷提高經濟性，包括降低制造維護成本，降低油耗，拓寬燃料適應范圍等；不斷提高環境友好性，包括降低噪聲和減排；不斷提高可靠性等。

提高燃氣輪機的功率主要是通過增加燃油供給量和空氣質量流量。提高燃氣初溫和壓氣機的壓縮比，是提高燃氣輪機效率的主要途徑。燃氣輪機效率的提高必然帶來燃油利用率的提高。各國不斷采用新方法、新材料、新工藝，提高燃氣輪機的經濟性、環境友好性和可靠性。

1.1 壓氣機

未經壓縮的空氣中氧含量低，在有限空間內只能支持少量燃油燃燒，熱力循環效率和功率低，沒有實用價值。壓氣機是燃氣輪機的核心部件之一，其技術水平直接決定了燃氣輪機性能的好壞。壓氣機從大氣中吸入空氣并將其壓縮升壓，小部分進入燃燒室進行燃燒，大部分用來冷卻和封嚴[4]。壓氣機按結構和工作原理可分為離心式壓氣機和軸流式壓氣機。軸流式壓氣機具有體積小、流量大、效率高的優點，雖然單級壓縮比不大（約1.2～1.5），但可以將很多壓氣機葉片串聯起來，一級一級增壓，其乘積就是總增壓比。壓氣機的發展趨勢是提高單級增壓比，以更少的級數實現更高的壓比。

壓氣機的設計水平隨著空氣動力學、熱力學、計算流體力學的發展而不斷提高。20世紀初采用螺旋槳理論設計壓氣機葉片，20世紀50年代開始采用二維設計技術。90年代以來，以三維CFD技術為核心的壓氣機設計技術發展迅速，取代部分風洞試驗，減少了研發成本和研制周期[5]。壓氣機的主要設計難點在于保證壓比、效率和喘振裕度滿足要求。壓比是壓氣機出口氣壓與進口氣壓之比，是決定燃氣輪機功率和效率高低的重要參數。喘振是發動機不正常的工作狀態，是由于壓氣機內的空氣流量和壓氣機轉速偏離設計狀態（比如空氣流量減少）過多而引發的。喘振嚴重時可導致停車甚至發動機損壞。為提高壓氣機工作效率并增加發動機喘振裕度，可采用雙轉子或三轉子方案，低壓渦輪帶動低壓壓氣機，高壓渦輪帶動高壓壓氣機。高負荷壓氣機內部流動復雜，存在強逆壓梯度，多級匹配困難，激波、轉捩、流動分離等問題突出，效率損失顯著。一般通過三維葉片設計、先進葉型、多排可調葉片等技術保證壓比、效率和喘振裕度滿足要求[6]。

1.2 燃燒室

燃燒室是燃氣輪機的另一核心部件。經過壓氣機的高壓高溫空氣在這里與燃料混合燃燒，將燃料的化學能轉化為熱能，供渦輪膨脹做功。目前民用燃氣輪機燃燒室的發展趨勢主要是在保證高效燃燒的情況下，確保在很寬的工作范圍內穩定燃燒和低排放。

燃氣輪機排放的氣態污染物主要是一氧化碳（CO）、未燃碳氫（UHC）、氮氧化物（NOX）和硫化物（SOX），顆粒污染物主要是燃燒室的煙塵。大氣污染物中的氮氧化物和未燃碳氫由于光化學反應生成的二次污染物，對環境的破壞更加嚴重[7]。

傳統燃燒室為提高效率，不斷提高燃氣初溫，難以全面減少各種廢氣污染物生成。氮氧化物在高溫燃燒時增加明顯。目前控制燃氣輪機的排放主要有2個技術方向：一個是針對燃燒過程，主要通過降低燃燒區溫度，減少污染物的形成；一個是針對燃燒產物，主要通過使用催化劑來促進污染物還原，實現污染物的低排放[8]。

根據燃燒機理，CO和NOx在1 670 K～1900 K范圍內時生成量均較少，通過控制主燃區溫度，可以控制CO和NOX排放。主燃區溫度主要取決于燃燒反應的當量比（Equivalence Ratio，EQR）。當量比是燃料完全燃燒理論上所需要的空氣量與實際供給空氣量之比，當量比大于1，表示空氣量不足，反之則過剩。燃燒時不僅要控制整個燃燒區的總當量比，更重要的是控制局部當量比，即當量比的均勻性。

燃料靈活性是燃氣輪機發展趨勢之一。雙燃料燃燒技術是燃氣輪機在不停機工況下，實現不同燃料的無擾動在線切換。目前，我國海上平臺用燃氣輪機幾乎全部采用雙燃料燃燒技術，全部依賴進口，國內尚未突破雙燃料燃燒技術[9]。

不管燃氣輪機發展的方向是低排放還是高溫升，都需要顯著提高參與燃燒的空氣的分配比例，冷卻空氣分配比例要減少到總空氣量的20%～30%。傳統的縫槽氣膜冷卻方式需要30%～40%的空氣量，難以滿足要求。解決這一問題主要有2個辦法：一是大幅度提高火焰筒材料的許用溫度，但目前實現起來比較困難[10]；二是發展更先進的冷卻技術，有2個技術方向，一是將原有的縫槽氣膜冷卻方式改進為沖擊/氣膜冷卻、氣膜/發散冷卻等，二是發展多斜孔冷卻、沖擊/多斜孔冷卻、層板冷卻等新型高效冷卻技術。目前燃燒室火焰筒冷卻技術已由純氣膜冷卻發展到沖擊、發散、氣膜、層板等多種復合形式，冷卻結構也由單層壁發展到雙層壁、浮動壁等形式[11]。

1.3 燃氣透平

提高燃氣輪機效率和功率的最有效的方法是提高渦輪前溫度。近些年來燃氣輪機渦輪前溫度以每年10 K～20 K的速度不斷增加，燃氣透平處于高溫、高壓、高負荷的惡劣工作環境，發展耐高溫材料和隔熱保護涂料，采用更先進的渦輪冷卻技術，是不斷提高透平性能的主要技術途徑。渦輪冷卻技術主要有2個發展方向：一是提高強化換熱冷卻技術、氣膜冷卻技術、沖擊冷卻技術等現有冷卻方式的冷卻效果；二是發展發散冷卻等新型冷卻方式[12]。

1.4 控制系統

燃氣輪機除了本體（壓氣機、燃燒室和燃氣透平）外，還包括控制系統、進排氣系統、起動系統、燃料系統、發電系統、消防系統、通風系統、齒輪箱等各類輔助裝置。其中控制系統在燃氣輪機的發展過程中地位越來越重要，已成為與壓氣機、燃燒室和透平并列的燃氣輪機四大部件之一。燃氣輪機控制系統經歷了機械液壓控制、模擬電子控制和數字電子控制3個階段，逐步發展成為高度復雜、分布式、多冗余、非線性、多功能，集光、機、電、信息與控制技術為一體的數字電子控制系統，具備測量、控制、順控、保護、維護、故障診斷等功能[13]，向標準化、系列化、網絡化、綜合控制、主動控制、容錯控制和智能控制等方向發展。預計最有應用價值的控制技術包括：低排放燃燒控制技術、主動間隙控制技術、延壽控制技術、自適應控制技術、在線實時故障診斷和健康管理技術、遠程網絡控制技術、智能傳感器和執行機構技術等[14]。

1.5 復雜循環

技術進步促進簡單循環燃氣輪機的功率和效率不斷提高，但簡單循環在低負荷工況下燃燒效率下降明顯[15]。采用復雜循環是提高燃氣輪機性能的主要途徑之一。復雜循環主要包括間冷、回熱、間冷回熱、蒸汽回注、化學回熱、濕空氣渦輪等循環方法[16]，可增加單機功率、提高全工況循環熱效率。

間冷回熱循環燃氣輪機的工作原理如圖1所示。間冷器布置在燃氣輪機低、高壓壓氣機之間，空氣經低壓壓氣機壓縮后進入間冷器冷卻，這樣既降低了進入高壓壓縮機進口的空氣溫度，減少了高壓壓氣機的壓縮功，又降低了高壓壓氣機的出口溫度，較低的燃燒室進口溫度可簡化燃燒室結構，降低NOx排放量。回熱器布置在動力渦輪出口和燃燒室進口之間，用動力渦輪排氣余熱加熱燃燒室進口空氣，以減少燃料消耗量，提高循環效率。間冷回熱循環可降耗減排，但結構復雜，效率提高幅度有限。噴水冷卻蒸汽回流循環、化學回熱循環等復雜循環技術具有結構簡單、循環效率高、功率大等優點，但目前尚未在艦船上得到應用[17]。

圖1 間冷回熱循環燃氣輪機工作原理圖Fig. 1 Schematic diagram of an inter - cooled recuperative cycle gas turbine

1.6 聯合循環

目前燃氣輪機初溫一般可達到1 370 ℃～1 500 ℃，排氣溫度約為450 ℃～600 ℃。蒸汽動力循環中，汽輪機的進汽溫度一般只有540 ℃～560 ℃，排氣蒸汽溫度很低，接近環境溫度[18]。由燃氣輪機和蒸汽輪機組成的燃氣-蒸汽聯合循環，是熱-功轉換效率最高的大規模商業化發電模式，近年來全球每年增長的發電容量中，約有36%為燃氣輪機聯合循環機組提供[19]。聯合循環發電系統（見圖2）主要由燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機和發電機組組成，充分利用了燃氣輪機發電機組的排氣余熱，系統有較高的吸熱溫度和較低的放熱溫度，循環效率可達到60%以上，碳排放量減少50%，基本不產生二氧化硫和粉塵[20]。

圖2 燃氣-蒸汽聯合循環發電系統結構圖Fig. 2 Structure diagram of gas and steam combined cycle power generation system

1.7 材料和工藝技術

燃氣輪機從采用高溫合金和簡單空冷技術，發展到采用超級合金、保護涂層，以及先進的空冷技術，到采用更有效的蒸汽冷卻技術，以及定向結晶、單晶葉片，部分靜部件采用陶瓷材料[21]的發展歷程，充分說明高溫材料及其制造工藝技術是燃氣輪機不斷發展，性能參數不斷提高的基礎。燃氣輪機高效率、大功率、低排放的發展趨勢，要求不斷提高渦輪進氣溫度，對燃氣輪機渦輪葉片、燃燒室和渦輪盤等熱端部件的材料性能、制造工藝、冷卻技術，以及熱障涂層可靠性等提出了嚴峻考驗。

目前，先進單晶高溫合金使用溫度基本達到極限，而承溫能力更好的連續纖維陶瓷基復合材料尚未成熟應用，采用熱障涂層技術是目前燃氣輪機實現高效率、低排放和長壽命的有效途徑[22]。

2 船用燃氣輪機技術發展趨勢

燃氣輪機已廣泛地應用于美英等國輕型航母、巡洋艦、驅逐艦、護衛艦、氣墊船，以及各型快艇上，顯著提高了艦艇的戰技指標，成為各國海軍大中型水面艦船的主要動力裝置。目前燃氣輪機在民船上的應用也在逐步增加。船用燃氣輪機一般長時間在低工況下運行，所吸入的空氣中含有大量鹽分，一般使用輕質柴油或較重質的餾分油，對使用壽命、可靠性和維修性要求高[23]。船用燃氣輪機發展方向是經濟、可靠、環保。

2.1 提高功率效率和可靠性，降低油耗

對于簡單循環船用燃氣輪機，主要通過提高壓比、提高渦輪進口溫度、提高部件效率等措施提高功率效率，降低耗油率。對于簡單循環在低負荷工況下燃燒效率下降明顯等問題，采用間冷回熱等復雜循環，可增加單機功率、提高全工況循環熱效率。

以LM2500系列燃氣輪機為例，通過不斷的技術改造，從1969年問世時的功率16.54 MW、效率36%，逐步提高到功率34.82 MW、效率39.5%。MT30艦船燃氣輪機采用三維設計的壓氣機葉片、8級變幾何中壓壓氣機靜子葉片、高可靠性軸承等先進技術，功率、熱效率和耗油率分別達到36 MW，40%和0.207 kg/（kW·h）。采用間冷回熱技術的WR-21艦船燃氣輪機，在30%工況時，效率可達41.16%，接近中、高速柴油機水平，可以取代柴燃聯合動力裝置。MT30艦船燃氣輪機采用簡化結構設計、單元體設計、預平衡、視情維護等措施，顯著提高了燃機可靠性與維修性，熱端部件和整機的大修時間分別達到12 500 h和24 000 h，平均修理時間為4 h[24]。

2.2 節能減排

目前，燃氣輪機主要通過采用貧燃直接噴射燃燒系統（LDI）等低污染排放燃燒技術，即在穩定燃燒的情況下，通過降低燃燒區火焰溫度，實現氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和未燃燒碳氫化合物（UHC）等的低排放。隨著國際上對船舶排放要求越來越嚴格，這些減排措施將逐步應用于船用燃氣輪機。

聯合循環節能減排效果明顯。美國皇家加勒比航運公司建造的大型郵輪采用燃氣輪機、蒸汽輪機和電力驅動組合系統（COGES），結構見圖3。每艘船的推進裝置包括2臺LM2500+型燃機和1臺汽輪機。燃蒸聯合循環的效率為45%～50%。在使用低壓蒸汽時，整個系統的能量利用率高達80%。分析表明，大型郵輪采用COGES動力裝置，其綜合性能明顯優于船用柴油機[18]。

3 結 語

燃氣輪機是集新技術、新材料、新工藝于一體的典型的高技術密集型產品，其技術水平是國家科技實力的重要標志之一。燃氣輪機的研制涉及工程熱力學、流體力學、傳熱學、燃燒學、聲學、固體力學、控制科學、材料科學，以及冶金、鑄造、鍛造、焊接、熱處理、機加工、無損檢測、性能評價等多個學科和專業，周期長、投資大，其發展進步有科學客觀的規律。既需要以先進燃氣輪機為目標，跟蹤主要部件的先進技術，探索先進熱障涂層技術、先進冷卻技術、定向（單）晶高溫葉片精密制造技術、高溫高負荷高效透平技術、高溫低NOx排放燃燒室技術[25]、爆轟燃燒增壓技術、燃燒熱聲不穩定的主被動抑制技術等前沿技術，也需要在基礎學科、制造工藝、材料研發、試驗測試等基礎研究領域持續不斷地深入研究，為研制具有我國自主知識產權的具有世界先進水平的船用燃氣輪機奠定堅實基礎。

圖3 美國郵輪COGES系統Fig. 3 The COGES system of American cruise ship