燃气轮机在船舶动力方面的应用

燃气轮机在船用动力方面的应用与发展

邵高鹏

（清华大学汽车系，北京 100084）

摘要：介绍船用燃气轮机的工作原理和特点，对比燃气轮机和内燃机性能的优缺点，总结燃气轮机应用于船用动力的现状和未来的发展方向。

关键词：船用燃气轮机；原理；应用；发展方向；

1．引言

燃气轮机动力装置在50年代开始用于船舶，在此之前，水面舰艇都已蒸汽轮机和内燃机作为其动力装置，大型舰船以蒸汽轮机为其主要的动力装置，蒸汽轮机的优势在于技术相对简单，制造相对容易，但是其同样存在油耗大，占用空间大等等劣势，而柴油机的单机功率有限，必须采用多机并用。并且由于燃气轮机汽固有的一些优点，使得它逐渐向柴油机动力在船舶动力上的统治地位发起了挑战。最初的燃气轮机还只能应用与军用舰艇，但是随着燃气轮机技术的发展，燃气轮机在商船上也逐步得到了推广。

2．船用燃气轮机的工作原理

船用内燃机的循环模式可以分为简单开式循环，其工作过程同内燃机类似，也可以分为吸气、压缩、做功及排气四个工作行程，但是与内燃机又有很大的不同，下图中是一种燃气轮机的结构示意图。

轴流压气机的转子高速回转，在压气机的进口处产生吸力，将新鲜空气吸入压气机，对应着吸气的过程。空气在轴流压气机中增压，压力和温度都有升高，空气继续流动经过扩压器，减速增压进入燃烧室中，此时的空气温度和压力都较高，比容很小，这就实现了空气的压缩过程。在空气进入燃烧室的同时，燃油同时喷入与空气混合形成可燃混合气，点燃后迅速燃烧，温度继续升高，而压力变化不大（由于流动损失的存在）；高温高压的燃气，经过涡轮的静叶的导向之后冲击涡轮的动叶叶片，推动叶片使涡轮转子高速转动而产生转矩。涡轮常分为两级，第一级涡轮（高压涡轮）上产生的转矩用于驱动与之联动的压气机，第二级涡轮（动力涡轮）上产生的转矩经过传动轴和减速箱输出，这就是燃气轮机的燃烧和做工过

程。经过两级涡轮的燃气经废气箱和烟囱排入大气，是燃气轮机的排气过程，这部分气体中仍然含有一些能量，可以把这部分能量加以利用来提高整机的工作效率。

除了简单开式循环外，船用燃气轮机还有一些更为复杂的循环型式，包括回热机组和中冷机组等等。回热机组中排气温度高，经回热器(即换热器)先把压气机出口的空气加热，然后空气再进入燃烧室，优点是可以提高热效率，但是会增加机器的重量和尺寸；中冷机组在压缩过程中采用中间冷却，这样可以减小高压压气机的压缩功，使单位流量工质的输出功增大。

3．船用燃气轮机的特点

燃气轮机虽然发展比内燃机和蒸汽轮机稍晚，但是很快便在航空领域取得了绝对的统治地位，并在船用动力系统中也得到了广泛的应用，与传统的内燃机动力和蒸汽轮机等相比，燃气轮机能够克服很多它们的缺点，但是也有一些自身惯有的不足。

与柴油机相比，船用燃气轮机有以下特点：

1.燃气轮机工作时虽然同样经历吸气、压缩、做功和排气四个环节，但是这些环节是分别在不同位置同时、连续地进行的，各装置的工作过程互不干扰而且又同时进行，而柴油机要等一个冲程结束后才能开始另一个冲程。

2.燃气轮机以高速回转方式工作，它的主要运动部件压气机转子和涡轮转子等都经过精确地调节平衡，因此燃气轮机在高速转动的过程中冲击小，平稳性好。而活塞式内燃机运动方式为往复运动，工作时有较强的冲击。

3.相比内燃机，燃气轮机有更高的工作温度，而燃烧膨胀压力较低。

4.燃气轮机启动时需要强制点火，而正常运行之后则可以自燃，而内燃机一般只有一种固定的着火方式。

5.燃气轮机运行时没有时间和角度的要求，也没有正时的问题，燃气轮机的燃油喷射是连续不间断的，而内燃机只在一个循环中的某个阶段进行喷油。

一般来说，与船用柴油机相比，燃气轮机的优点主要有：

1.比功率大，重量轻，体积小。在同等功率的各种内燃机中，燃气轮机具有最轻的重量和最小的体积。船用燃气轮机单位功率重量，只有高速柴油机的十五分之一或更小。

2.船用燃气轮机对功率指令反应迅速，低温起动性，加速性良好，且起动后立即可投入全负荷工作。不必“暖车”，不必慢慢提速，有利于提高舰船的机动性。

3.燃气轮机工作时有充足的空气来满足燃油燃烧所需。由于燃烧完善，从而保证在起动、加速、变速及正常运行等不同工况下排气都不会冒黑烟。这个突出的优点，大大提高了军用船舰的隐蔽性。

4.燃气轮机结构紧凑，传动机构较少，工作极为平稳，不震动，工作噪音。尤其是高频噪音较小。便于安装封闭式机罩而对机组实行整体隔音、降噪，从而使机舱工作条件得到改善。在一定程度上也能提高船舰的隐蔽性。

5.燃气轮机工作可靠性高，故障较少发生。同时拆卸、维修、安装都较方便。

与船用柴油机相比，船用燃气轮机具有以下缺点:

1.耗油率偏高，尤其是小型船用燃气轮机。但随着技术的发展，已得到很大改善。

2.燃气轮机的工作转速很高，但输出扭矩较小，必须通过减速箱降速提高扭矩才能输出作功。然而配套的减速箱减速比都比较大，其重量甚至大于燃气轮机本身，增加了结构的复杂性。

3.燃气轮机工作当中耗气量特别大。故进气通道及排气烟囱尺寸都较大，占用了船

舱的部分空间容积在小吨位船上布置起来有些不便。

4.燃气轮机的构造较复杂精细，制造材料和工艺要求都很高，因而它的造价较柴油机高，维修配件也比较贵。

5.为满足燃气轮机高速、高温工作所需，对使用的润滑油有较严格的要求，必须具有良好的润滑性及抗高温的热稳定性。燃料则用热值高，含杂质、水分少，尤其是含硫分低的优质轻柴油，因而在一定程度上限制了使用范围并增加了营运成本。

4．燃气轮机应用于船舶的状况

1.军事方面：英国于1967 年率先提出实行水面战舰全燃汽轮机推进的动力政策。1969年以后，高性能船舶燃气轮机LM2500 研制成功，美国海军动力装置迅速走上了全燃推进的道路，并在装舰数量上远远超过了英国。原苏联一直是船舶燃气轮机的最大使用国，其海军装用燃机的舰艇数、燃机台数和装机总功率均占世界第一位。80 年代初，日本海军步英国、美国和原苏联后尘也走上了全燃推进的道路。最近十多年，其燃机装舰的速度和规模均超过了英国。目前的护卫舰，尤其是装备现代武器的大型护卫舰，采用燃机( 含柴燃联合装置) 推进日益增多；在驱逐舰和巡洋舰中，燃汽轮机将取代蒸汽机，成为两舰种的动力装置；轻型航母也倾向于采用燃机驱动。我国第一艘装备燃气轮动力的“舷号452”气垫登陆艇于1989年服役，成为我海军发展史上的一个重要里程碑。后来又在一些中大型军舰，如舷号112、113、168、169等驱逐舰上，装备了多种不同型号的燃气轮机动力，为海军的现代化建设奠定了牢固基础。2001年，以沈阳黎明公司为研制总成单位、六〇六所为总设计单位，联合清华大学、中科院、上海交通大学等科研院所和有关企业，组成设计研制项目联合体，借鉴国外技术，引进国外智力，共同研制R0110重型燃气轮机。这一项目被列为国家“十五”期间“863”能源领域重大专项。2009年，重型燃气轮机己进入最后联调及试验验证阶段。输出功率预计可达114500kW，可以作为中型常规航空母舰的主动力。这对于提高我国的综合国力具有积极推动作用。

2.民用船舶：近十年来，燃气轮机在高速渡船中得到大量应用。具有代表性的是瑞士斯坦纳航运公司营运的三艘HSS1500大型高速渡船。大型旅游船和高速集装箱船采用燃机推进是船用燃机在商船应用领域中的又一个重大突破。在商船推进领域中，船舶燃气轮机正在向船用柴油机的世袭地位挑战。

5．船用燃气轮机的未来发展方向

近20 年来，随着燃气轮机技术的发展、高性能航空发动机的改装以及在燃气轮机热力循环方面的开发研究，船用燃气轮机的性能日益先进，技术日臻完善。船用燃气轮机技术发展方向主要有以下几个方面。

1.提高燃气轮机参数，改进部件设计，提高简单循环机组性能，由于舰船对高性能燃气轮机的需求，近20 年来推出了多型大功率高效燃气轮机组。通过提高初温和压比、改进部性能等措施，在简单循环下机组效率超过40%，如GE公司的LM6000PC、R-R公司的MT30等。在推出新机组的同时，各大公司不断提高原有机组的性能。

2.采用先进的复杂循环，提高机组性能采用回热循环、间冷－回热循环等复杂循环，是提高燃气轮机性能的另一条途径。对于低压比小功率船用燃气轮机，通过增加回热器形成回热循环来提高效率；对于高压比三转子大功率船用燃气轮机，增加中间冷却器和回热器形成间冷回热循环，可增大功率、提高效率。

3.采用燃蒸联合循环，提高装置的功率和效率在燃气轮机后增加一个利用排气热量的余热利用回路，用来产生蒸汽并使它在蒸汽轮机中做功，然后蒸汽轮机与燃气轮机并车驱动螺

旋桨。这种燃蒸联合装置可明显地提高装置的输出功率和效率。燃蒸联合循环的效率将达到45%～50%，在使用低压蒸汽时，整个系统的能量利用率高达80%。

4.燃气轮机发电模块是未来舰船燃气轮机的主要应用方向综合电力系统是今后舰艇动力的发展方向，其主要特点是将推进动力与电站动力合二为一，为舰船装备高能武器奠定电能基础。综合电力系统对电站总功率的需求大幅度增加，这就要求单台发电机组的功率成倍增长，传统意义上的柴油机发电机组已不能满足这种变化要求。燃气轮机单机功率大、输出转速高，特别适合作为综合电力系统的原动力.

5.低NOx排放燃烧室的研制对陆地和空中推进装置日益严格的排放要求，未来舰船的主动力装置应满足今后的排放法规，以保证舰船在世界各国港口均能顺利入港。通常用于陆基燃气轮机的干式低排放系统采用贫预混燃烧室，但是这些装置大多数是以气态燃料运行而不是使用馏出油。英国罗尔斯·罗伊斯公司正承担一项计划，根据贫预混预气化(LPP)原理生产使用馏出燃油的液体干式低排放系统。此项工作已证明，在高功率下可以使NOx排放减少到是常规扩散火焰技术的10%。

参考文献：

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