引言：燃气轮机是一种在国民经济建设和国防领域中得到了广泛应用的热能发动机。除了飞机推进领域外,它在舰船的驱动设备领域也有扮演着关键角色。和柴油机、汽油机一样,燃气轮机既包含了所有运转时所需要的机器辅助设备,同时也需驱动汽轮机、乘载工具、压气机或泵等工作机械设备。船用燃气轮机驱动设备一般是双轴或三轴安装。它一般由进行了全面改良的航空发电机部件所组成的燃油发电机和串接到最后部的另一个发动机,涡轮之间采用了气动方法实现直接相连。本文将通过对船用燃气轮机动力装置的主要技术特性进行剖析,进而推断船用燃气轮机动力装置的未来。
一、燃气轮机的循环过程与技术特点
活塞式内燃机在工作缸内进行顺次的热力循环工作过程,并由此调节操作温度,使平均温度不会过高而导致零件的磨损,如燃气涡轮发动机工作时的热循环工作过程,就是在设备的不同部位内同时完成――压气机(加压)、点燃室(供给热量)、涡轮机(膨胀)。相对于传统柴油机,燃气轮机的主要技术优点包括:能量密度系数较高、产品质量轻、容积小、运行时振幅较低,同时燃气轮机还能够利用连接设备(例如热转导器,散热器)实现用途的优化。
而其技术的主要缺点在于:在工作时间的最大温度范围内,必须持续推进燃料室、涡轮装置的进口部分以及静止和正在运转的叶片组件的工作。所以不但要尽量用一些高品质的合金材料制作引流高温气体的机械元件,还需要有一种更高效的制冷方式[1]。其实燃气轮机能到达的最高温度一直是被以前的科技水平所限制，而最大工作温度又恰恰是影响单位输出功率和能效的一个主要原因，所以需要克服技术劣势，进一步促进其发展。
二、燃气轮机对船舶装置的重要性
2.1燃气轮机组成与原理
燃气轮机工艺技术和设备随着技术水平的日益提高,已逐步由早期引进状态发展到融入现代设计状态,比较常见的应用是在舰船动力系统中加入燃油涡轮发动机,而比较深层的则是燃气轮机动力装置,尽管其各自构造不同但工作机理却基本一致,以目前普遍在舰船动力设备中所使用的燃油涡轮发动机为例,它主要由压气机、燃油室、升压燃气涡轮和动力燃气涡轮等构成,工作机理为压气机利用抽气和吸气等设备,将外部压缩空气运送至空间内并完成相应容积的压力,在加压完成后送入燃油室和燃煤室体内燃油混匀并点燃,此工作过程中会形成高热燃油,而这种燃油也将会被运送到升压涡轮和动力涡轮中通过做功,从而将一些零部件完成转动和能源运输。
2.2燃气轮机的重要性
对于舰船的动力装置而言,燃气轮机加入后不但维护工作更加稳定,并且效率高、能量利用度高、工作稳定性高,给舰船企业技术人员创造更为优良和舒适的工作环境。但是目前主要的动力装置，比如内燃动力装置或者蒸汽动力装置,都面临着能量利用率低下、线路复杂、使用寿命短等问题,从而导致动力装置长期无法正常工作,或者发生了不可避免的设备损毁和安全事故[2]。所以,由于燃气轮机技术水平对舰船动力装置发展具有关键性的影响,因此舰船企业需要更注重对燃气轮机技术水平的研究与改进,并针对燃气轮机在实际使用中出现的翻修寿命较短、气压机工作质量不平衡以及人员技术管理水平低下等问题加以完善,优化燃气轮机工作质量,提高舰船企业的整体综合实力。
三、燃气轮机在船舶动力装置中的应用
3.1优化动力装置
3.1.1柴燃联合动力装置
柴油动力装置与燃气动力装置设计进行组合,并利用二者特点互相补充,是目前世界造船业界比较先进和流行的动力装置设计,鉴于这二类动力装置设计与操作条件的差异,可根据各种舰船相对动力设备的特点,将其分成联合工作和交替工作二类,以提高在不同运作状况下对动力系统工作的稳定性,从而提高了船舶公司的经营效益。
3.1.2燃燃联合动力装置
按照实际工作情况,燃燃联合动力装置同样也包括了联合工作与交替工作二类情况,但无论哪一类工作线路,其最基本的燃料装换、工作能量供给和效率均是另外几类动力装置的数倍,所以,它主要应用于对动力装置工作能量、运作功率都有很大需求的舰船,以优化船用动力装置体系,推进舰船总体工作速度[3]。
3.1.3气垫艇燃气动力装置
上述两类的联合驱动既可应用于传统舰船型式,又可应用于较高级的特种舰船型式,而气垫艇燃油驱动则一般是应用于气垫艇动力装置,运用燃油轮机的内层空气螺杆桨和垫升风机相匹配气垫艇动力装置的内层推动、垫升体系,以保持舰船运动的需要,对气垫艇动力装置优点提高和延伸。
3.2作为船舶原动机
舰船的动力装置最主要用途是为舰船正常工作提供能量,但由于传统舰船的动力装置存在着低效率、低转换率等问题,极大耗费了本来就有限的能量,也提高了造船企业基础工作成本,再加上,由于舰船的动力设备长期处在高负荷状态,再加上内部燃烧室高温的特殊工作环境,以及污染物积累、内部结构疏松等都很容易导致装置出现质量问题,如果遇到外部的强影响时,也会导致动力设备无法正常工作,而燃气轮机的加入,不但可以有效缓解上述潜在问题,还保证了舰船工作的稳定性,优化了电力系统设备,提高了舰船效率和产品质量,而且随着燃气涡轮发动机技术的提高,还可以广泛应用于舰船发电模块的原动机上。这对燃气轮机和船用动力装置一直都是一种新兴科学技术,以燃气轮机工作原理为基础,使其与推进电动机、螺旋桨等结构互相融合,以提高对能量的装换与可连续供给,系统运行简便、线路技术易于掌控,大大增强了造船企业的综合能力。
3.3保障运行稳定
除了上述燃气轮机在舰船动力装置中的主要使用内容,另外就是它还可以保证舰船工作稳定性,它不仅指的是舰船动力装置工作的稳定性,还涉及到了舰船结构、机械装置工作及其有关人员工作环境的稳定性。由于燃气轮机整体体型设计较小,内部工作环境稳定,震动、噪声较小,对于相关的检查维修人员而言，是一个极为优良的工作环境;放弃传统柴油动力装置的对能量处理和燃烧技术,通过引入变几何燃烧器技术、分级燃烧器技术等,在合理的降低了由高能量燃烧所形成的大量硫氧化物、氮氧化物污染,这种方法是一举两得的，既可以降低了对空气质量和周围环境的污染,还可以通过对有限能量高效使用,更少的利用动力装置润滑剂,节约了船舶运营的基础成本,同时提高了发动机设置整体的技术含量,从而可以保障更大功率装置的正常运转,从而带动了造船公司的整体经济发展四、船用燃气轮机所面临的关键技术问题。
四、船用燃气轮机面临的技术问题
4.1工作状态
如果把高温气体膨胀时的压强下降布置在与压气机驱动透平和发动机涡轮安装之间的单独间隔的轴线上,则可以减少单轴装置(即压气机-涡轮机的高效输出功率消耗在单轴上)的技能劣势。而且又能防止低压气机速度和发动机涡轮设备速度之间的不完全耦合现象。当转换到高压涡轮机或低温涡轮设备时都可将它用来作为动力涡轮设备[4]。低压涡轮机,不仅因为气体的流动方法简便而且机械布置也合理,因此作为首选的实用解决方案,而且,在部分负载时也可提高装置工作的稳定性。与此相反的情形则是,假设由低温涡轮驱动压气机,则在部分负荷或相当缓慢的压气机速度状况下,由涡轮驱动的压气机的压缩比会急剧降低,压气机中的废气温度过高,甚至可以高于最大额定值,从而导致涡轮的热负载过高,由此就会打破了压气机的输出功率均衡。从而在部分载荷下的工作曲线也类似于喘振界限,因此可以在相对较小的部分载荷下管理工作,并保持不平衡运行状况。尤其当工作点的迅速改变(如军事演习,战斗状况)时因为增加压气机组的输出功率和转速需要使高温气体的工作温度得到进一步提高,而这时的工况曲线通常近乎于稳定或者达到了稳性极限。所以,低压汽轮机并不适合直接驱动船用式螺旋桨。
4.2匹配机组
当高压涡轮机、中低压涡轮机和低温涡轮装置,分别成为高压压气机、中低温压气机以及其他工作机械的主要动力源时,则必须各自安装有其各自适合的匹配机组,当部分负载时就不会出现喘振运转的现象。而通常,燃气涡轮机会直接利用空心套轴承来驱动压气机的运行。一台航空发动机的高效运行性能和安全可靠,也应依靠先进的维修保养系统。源自航空发动机的经验,能够使之更有效地应于船用驱动设备的维修保养。同时通过检测系统来全方位检查设备的所有部件,以此也能更快速地找到设备当前出现的偏差或者故障,进而对正常操作流程做出有效干预或者为未来的维修流程做出趋势分析。
4.3使用寿命
总使用期限,以及耐高温条件下和检修间隔内的等效运转小时数,取决于过程环境温度、所用的原料、实际工作载荷、操作管理方式以及制造商的经验,以及在不同装置间的差异而比较显著[5]。前几级的转动叶片的总使用期限,大约为48000~80000h。当中,通常的启动、停止小时算为10~20h;而一次满负载的高速关机由于高负载,则被计算为100~150h。但通过比较现实的燃料工作温度,和因此形成的机械设备元件工作温度和机械设备应力,以及由于原料形成的蠕变应力和热交变应力,可以判断装置中各个部分的总使用期限。对电子设备的坚固性能、使用寿命等进行估计和影响,分析同时还更多地涉及到了概率分析,同时还要考虑到的数据离散,从而对其加以评价和限制。
4.4装置的清洗以及磨损
流入压气机的液态中通常会存在着杂物微粒、煤屑微粒和盐微粒,而这些微粒又会在压气机运行时会随高温的上升而附着于叶片表面。这样一来,对叶片型粗糙的表面就产生了更多的摩擦损失,同时叶片的震动也增大了其破裂(分离)的可能性,并且压气机的机械载荷。所以需要定时清洁压气机,清洁时,当装置在高负荷下工作之后通过启动装置使之超过正常清洁速度,同时启动机械转臂,并利用上方的喷头用最大的散开角度水和清洗剂对叶片组实施喷洗。虽然动能推进装置也会产生自然损耗,但是燃气轮机装置的一些较精密的机械元件,对工况改变的反映也是相当灵敏的。除装置遭到环境污染以外,还会形成锈蚀(叶片材质与燃油中的络盐化学反应)、抗氧化、磨蚀(吸收空气及燃油中的硬粒子对叶片材质的磨蚀)、擦碰损坏(转动部分和静态部分相互之间的碰擦)或者外部物品引起的损坏(铁、破碎的机器部件等)。
五、船用燃气轮机的技术发展趋势
5.1机器匹配度更高
尽管船用燃气轮机在航空发动机中得益匪浅,但船用燃气轮机仍需要针对其本身的特性完成若干的设备系统配套工作。首先是高压气机和低压涡轮机的提供功率必须和联轴节的使用功率相匹配,还有发动机中的空气压低对动力涡轮装置转速的影响等[6]。在现代高功率推进体系中,由于燃油涡轮发动机装置所具有的超高功率密度、相对轻小的质量、较小的空间布局要求,及降低了运转振动和良好的操作性和机动性,使之比较汽油引擎的独特优点,使之已在军事舰艇领域中广泛得到了应用。
5.2陶瓷元件以及新的冷却工艺日益纯熟
目前,燃油轮机科技也被运用于部分民生船只,并且由于其输出功率密集程度较高的特点和低污染排放的优点,有着相当的实用价值和相对优越性。而以前所强调的功率和能效的提升,已不仅仅是当前燃油轮机科技发展的重点考量因素了。而功率和能效的提升,往往在于通过采用增加燃料入口温度、吸入比等方法来达到的。从燃料室和涡轮装置中,选择最适宜的金属材料以及制冷工艺技术,来控制装置中热导元件的工作温度上升,从该点来说,选择最耐热的金属材料也是一种进步,而同时采用陶瓷部件和最新型的制冷工艺(蒸汽冷却工艺技术)的发展纯熟也是当前燃气轮机技术的重要发展方向,它也使燃油轮机装置技术已全面地超过了实用阶段。在压缩比的增加过程中,应尽量避免装置级数、产品质量和总长度的显著提高。
5.4节能减排
因为燃气运动方式更接近声速或超音速,叶型设计要求实现最低损耗,同时采用中间冷却、中间再热以及预热方式来完善整体运行过程,并需要相对大的系统安装空间。因此对于燃气轮机燃烧技术的要求也与日俱增,燃烧过程和燃烧器结构设计成为了相当关键的技术环节。在能源消耗方面,对燃油涡轮发动机的进一步提升使之与传统汽油发动机具有高度竞争性,不但使得燃烧器内的温度可获得更高的指标而且其分布也更加均衡平稳,同时又通过对传统燃油加热方式和燃烧方法的进一步改进,使原来已经较小的污染排放量减至了最低程度,并在燃气轮机的研发过程中一直坚持着这一宗旨[7]。通过降低冷却空气浓度,使燃烧器内部分配有足够的燃油和混合气体,并以此来提高燃烧的稳定性。
5.5设备使用寿命延长
后来燃气轮机科技发展的目标则主要在延长装置使用寿命以及成本等方面。以至军事舰艇都必须顾及发动机购买、运行和维修的成本问题。随着原料和能源价值的增加,装置及运行成本将迅速增加。通过选择适当的便宜的能源使装置拥有更加合理的工作方案和采用建设性的安全措施以延长使用寿命和大修周期由于对功率需求的日益增加,燃油发电机仅通过增加数量已无法赶上相应输出功率要求增加的速率,其应用也在日益稀缺。
5.6输出功率提升
燃气轮机的输出功率对高速度轮船和军用船舶都至关重要。因而在战列巡洋舰、高速度轮船和快速货轮上均使用输出功率集中的燃气轮机推进设备,而对输出功率比单位较小的舰船来讲,如在巡护艇、游轮和气垫艇等中都有具体使用。但对于民用商轮中的部分货轮来讲,高速和大功率密度就意味更经济运行,而且配备生产成本也更低廉,而降低燃油耗费成本即是关键。因为燃气轮机的动力特性与发动机有着高度竞争性,而发动机所用的较为价廉的重油则对整机经济效益有更大的负面影响。因此发动机所用的重质原油相比于燃气轮机所用的昂贵的轻质燃料、柴油、生物汽油和煤气来讲比较便宜。但是,若燃气轮机采用了重质原油则可能会使涡轮叶片上的冷排风嘴被重油中的灰尘阻塞。要防止热排气口被油污弄脏而阻塞,则需要不使用制冷过程,从而使得燃气轮机在燃气和材料中温度相比较低的状况下正常运行,以此也会大大减低燃气轮机的工作效率。不过目前仍有部分燃气轮机使用了重质原油作为替代方案,比如在渡船上也得以使用的GT35机型。
六、结语
在20世纪八九十年代,燃气轮机技术一度得到了蓬勃发展,但时至今日,针对其所进行的研究进程还将持续下去。从其目前在军事舰船上的实际使用状况来看,单一推动装置的使用将被联合动力装置所替代。而燃气轮机推动设备的主要应用前景就在于它将具备较强的综合生产能力,利用燃气轮机与汽轮机以及与发动机的共同推进系统能够明显减少运行的成本,并能完全适应较多工况功率的要求。尽管高功率密度和较低空间要求的优点将得到进一步削弱,但通过利用燃气轮机排出的高温尾气和废热锅炉所形成的蒸汽却将得到进一步利用,以达到对能源的梯级使用,从而提高系统综合效益。从目前来看,虽然中国船用燃气轮机的生产技术与全球最先进技术水平仍存在相当的技术距离,但随着有关技术和体系的进一步优化和完善,中国终将能够迎头赶上。
参考文献：
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[5]徐汇涛.船舶动力装置发展研究[J].机电技术,2015(2):3.
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