主啊 我真的好累歌词:一统江湖——舰用燃气轮机简介

本文原载于《现代舰船》

舰船动力装置主要有:蒸汽动力装置、柴油机动力装置、核动力装置、燃气动力装置和联合动力装置。前两种装置发展得比较早，广泛应用于各类舰船，后面三种，系近十多年来迅速发展起来的新型动力装置。舰船燃气轮机动力装置是指以燃气轮机为主机的全燃化动力装置。它自五十年代末期起，尤其是六十年代中期以来，已得到了极其广泛的应用。功率总数日益增长，装舰使用范围日益扩大，已由快艇发展到了护卫舰、导弹驱逐舰、巡洋舰和直升机航空母舰等，可谓是一统江湖。

舰载燃机基本工作原理：燃气轮机是以空气为介质，靠高温燃气推动涡轮机械连续做功的大功率、高性能动力机械。它主要是由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成，再配以进气、排气、控制、传动和其他辅助系统。当燃气轮机机组起动成功后，燃气轮机就会开始进入稳定的热力学循环过程。压气机连续不断地从外界大气中吸入空气并增压，被压气机多级增压后的空气，一方面氧气密度较高有利于组织燃料燃烧，另外一方面空气受到压气机做功，这个过程可以认为是压气机动能向空气热能和势能的转换，被压缩后的空气温度升高有利于与燃料进行更猛烈的化学反应（化学反应速度和程度与温度成正比），更大的膨胀比也有利于压缩空气燃烧后释放更大的能量。压缩空气从压气机出来后即进入燃烧室，首先会在燃烧室进口被喷入燃料进行掺混，然后就会点火燃烧。这个过程可以认为是燃料化学能向空气热能和势能的转换，在短短几十厘米的距离内空气的温度上升数百甚至上千度，压力也会激增。高温高压的燃气从燃烧室出口喷出，就开始膨胀，在膨胀的同时推动涡轮叶片做功。这个过程就是燃气热能和势能向动能的转化。涡轮将燃气的能量转化为动能后，一方面用于压气机压缩空气持续进行热力学循环，另外一方面由主轴将转子的扭矩输出，经过减速器减速以后用于推动军舰。整个热力学循环完成使得燃气轮机实现了燃料化学能向机械能转换的最终目的。

    舰载燃机优缺点：在军舰动力方案选择上，燃机轮机的主要竞争对手是舰用柴油机和舰用蒸汽轮机，但是由于燃气轮机先天优势与军舰动力系统性能要求更为吻合，燃气轮机成为了各国军舰动力系统发展的唯一选择。

    燃气轮机第一个优势是功率密度极大。一般情况下，同等功率的燃机体积是柴油机的三分之一到五分之一，是蒸汽轮机的五分之一到十分之一左右。这是由于燃气轮机本身精巧的连续转动热力学循环结构造成的，而柴油机必须进行复杂的往返活塞运动并且要使用多个气缸实现能量转换，蒸汽轮机虽然在轮机部分类似于燃机，但是其需要将燃料化学能首先在锅炉里转化为水蒸气的机械能，这套庞大的锅炉结构使得蒸汽轮机在体积和重量方面基本被排除在高性能水面舰艇动力系统选择之外。这给空间本来就紧张的军舰很大的空间裕度。燃气轮机的第二个优势是启动速度快。虽然燃机的转速是三种动力系统中最高的，但是由于整个转子十分轻巧，在启动机帮助下在1-2分钟就可以达到最高转速。而柴油机由于转子运动源于活塞的往复，加速较慢，蒸汽轮机更是“反应迟钝”，由于整个能量转化链很长，从点火到加热水蒸气再到推动轮机转动是个非常漫长的过程，整个系统达到最高功率输出可能需要长达一小时的时间。对于军舰来讲，在执行作战任务时，时间就是战斗力，启动速度和加速性能都是非常关键的指标。因而选择燃机更符合任务特性的需要。燃气轮机第三个优势是噪声低频分量很低。由于燃气轮机本身处于高速稳定转动当中，产生的噪声更多是高频啸声。而柴油机的活塞往复产生了大量低频机械振动噪声，恰好迎合了海洋容易传播低频噪声的特点，导致军舰容易被敌方声纳探测。所以柴油机动力尤为不适合给反潜军舰作动力系统。当然，燃气轮机也绝对不是十全十美的。由于其自身转速较高，非常不利于军舰低速航行时的工作状况，导致军舰低速航行耗油高、易停车。为了解决这个问题，各国采用了各种动力搭配方案。将各种动力系统有机的结合在一起。比如柴燃交替，就是低速使用柴油机，中高速使用燃机，柴燃联合就是高速时柴油机和燃机一起输出功率并且通过一个功率合成系统将功率分配到螺旋桨上。目前舰船动力的热点是全电动力，不管是柴油机还是燃机，他们的功率都用于发电，然后使用一个全舰电力分配网络为军舰提供动力和各种设备的电力。

工业王冠：根据前文舰载燃气轮机基本原理介绍我们可以发现燃机轮机的基本结构与航空发动机是相当类似的，主要的区别在于燃气轮机是将转子的扭矩输出作为动力，而航空发动机依靠的是向后高速喷出的燃气。不过航空发动机里也有大涵道比涡扇发动机和涡桨发动机，这两种发动机与燃气轮机就愈加相近了。大涵道比涡扇发动机的风扇已经成为主要动力来源，燃气本身产生的推力只有百分之十左右，而涡桨发动机就已经基本上都是由发动机输出的扭矩驱动螺旋桨产生推力了。根据航空发动机以及燃气轮机研制经验以及其内在的技术相关性，现在的舰用燃气轮机基本上都是由航空发动机改进过来的，就是俗称的“航改燃”。因而，燃气轮机研制的瓶颈和难点其实就是航空发动机研制的难点。实质上说，燃气轮机的研制难度主要集中在核心机上，它是航空发动机和燃气轮机的核心结构，又称燃气发生器。

不管是航空发动机还是燃气轮机，本质上都是将燃料的化学能转化为燃气的热能和势能，再利用燃气冲击涡流和膨胀做功来最终将能量转变为飞机或者军舰的推力。所以如何组织燃料燃烧和进行热力学循环就是核心机的难点。首先核心机需要将空气通过压气机压缩进燃烧室。为了高效迅速的将大量空气进行高强度压缩，压气机叶片气动设计需要复杂气动分析理论的突破、先进理论指导下的气动设计和能够将三维复杂气动设计加工成实际部件的先进工艺。由于核心机转子高速运转，每片压气机叶片都承受着数吨的离心力，这对于叶片本身的强度结构设计提出了极高的要求。为了减轻重量提高效率，压气机叶片也经常做成空心的，这进一步提高了优秀压气机设计难度。空气通过压气机以后就会进入燃烧室。在燃烧室短短几十厘米的距离内，压缩空气与燃油充分混合燃烧，温度上升数百甚至上千度。燃烧室内燃料与空气如何掺混、掺混后油气混合物质的特殊气动特性、耐高温特殊合金材料和燃烧室复杂冷却技术都需要大量理论计算和工程实践。

燃烧室喷出的高温高压高速的燃气流只有通过冲击涡轮做功才能够将能量转化为燃气轮机能够利用的形式。与压气机相比，涡轮需要增加一条非常重要的性能，那就是耐高温。压气机叶片在对空气做功的时候，空气也会升温，但是一般只会升高不大的幅度，比如200K左右。但是从燃烧室喷出的燃气温度高达上千度，涡轮不仅仅能够利用自身先进的气动设计高效率的转化能量，还必须能够在极端的工作环境中保证工作的可靠性。为了保证涡轮材料不被高温燃气所融化，涡轮通常都要采取复杂的冷却手段，比如气膜冷却、冲击冷却和对流冷却。这些冷却手段都是通过空心涡轮内部释放出来的冷空气实现的。需要铸造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空工业的大难题，这项技术至今被人称作是工业王冠上的宝石。另外在航空发动机领域大行其道的单晶涡轮叶片也逐渐在舰用燃气轮机逐渐普及使用。单晶叶片就是只有一个晶粒的铸造叶片，整个叶片在内部晶体结构上没有应力集中和容易断裂的薄弱点。美国从1976年开始生产单晶叶片，到了1986年十年间共生产400000片单晶叶片，而在1987-1988年一年间就上升到500000片单晶叶片，一年的生产总量超过前10年的总和还多，发晨速度极为迅速美国于1980年正式把单晶叶片用于燃气轮机，到1985年总运转时间已达到百万小时。美国Howmet公司生产的单晶叶片就具有复杂冷却通道、前后缘由气膜冷却，冷却效果可达300℃-400℃。现在又在开发更高冷却水平的单晶叶片，如对开叶片、扩散连接的叶片及多孔层板叶片，预计冷却效果可达400℃-500℃。高性能水平的叶片已是集先进的材料、先进的成型工艺和先进的冷却技术以及先进的涂层于一体。研制的难度非常大，而现代舰船燃气轮机叶片的应用与发展正是朝着这个方向推进。

总之，要想研制装备一型先进可靠的燃气轮机必须具备研制先进航空发动机的能力。而具备这种能力的国家世界上屈指可数，主要有美国、英国和乌克兰，我国最近逐渐具备了这种能力。其中美国和英国实力最强，俄罗斯由于苏联解体，主要燃机研制生产基地留在了乌克兰。法国航空发动机一直萎靡，后来在美国授权部分F404发动机技术以后才有较大起色，不过其舰用燃机一直以进口为主。

突破瓶颈迎接未来：我国舰用燃气轮机研发的起步并不算晚。根据“中国舰用燃气轮机总师访谈录”的介绍，1958年我国开始着手研发计划的具体组织实施，决定成立南、北方两个联合设计组，先开展大、中、小三型机组的可行性论证和方案设计。1959年底，前苏联向我国转让了M-1舰用燃气轮机技术，我国对该机组进行了以技术练兵为目的的仿制工作。仅用了11个月，上海轮机厂就完成了该型燃机的首台样机制造。不过由于各种原因，仿制样机经过3年才排除大量故障通过验收试验。后来该型燃机在一艘高速炮艇上进行了试验并且装备了部队。1964年完成设计的6000马力燃机组是我国第一次自行设计研制的舰用燃机，但是由于研制周期过长加之原装配对象计划调整未能装备部队。

与世界上其他国家主要依靠航空发动机改燃机不同，我国由于航空发动机水平落后，采取的是改进和专用研制并举的道路。1967年我国决定将轰六轰炸机上的涡喷8发动机改进为大功率舰载燃气轮机，这是我国首次进行“航改燃”实践，但是最终因为发达国家同意进口相应型号受到冲击无果而终。后来我国一直在舰用燃机方面不断尝试，但是一直没能拿出一款成熟可靠性能优良的舰载燃气轮机。目前我国先进作战舰艇装备的舰用燃机应当是进口燃机以及仿制型号。

我国在舰载燃气轮机方面一直没能突破技术瓶颈的主要原因有很多，既有航空动力方面的问题也有舰用燃机工业本身的体制问题。其中最主要的一个原因是我国航空动力工业缺乏长期发展规划。我国航空动力工业像很多落后国家一样是从仿制和修理开始的。在老大哥的帮助下，我国迅速建立起一个能够和世界一流水平比肩的航空工业体系，但是我国并没有为航空工业以及航空动力工业制定一个从仿制到研制的长远发展规划，而是将航空工业本身的任务局限于仿制、生产和修理，确定了以生产为主的“遍地批量厂”发展方针。我国航空工业的运行状态就是，仿制生产再仿制再生产，长期处于这种发展状态下，我国航空动力工业对于现代航空动力系统的研究发展客观规律认识极为不足。

航空发动机研制没能突破相关技术瓶颈，与航空发动机技术相通的舰用燃机更是无从谈起。航空强国的动力发展经验是进行核心机预研，然后在同一个核心机上再衍生出航空发动机和舰用燃气轮机。世界著名的舰用燃机LM2500就是核心机预研工程的衍生产品。LM2500燃气轮机衍生自美国GE公司的GE9核心机。GE9核心机衍生出F101大涵道比军用加力涡扇发动机用于B1B超音速战略轰炸机，将GE9的换算流量进一步减小发展出了GE15核心机。GE15核心机衍生出的涡喷型号YJ101参与竞争F-15和轻型战斗机计划（F-16研制计划）但是输给了普惠的F100发动机。后来竞争YF-17也就是今天的F/A-18舰载机项目时，GE将YJ101的低压压气机放大成为风扇研制出了F404中推涡扇发动机。而将F404的风扇放大并于F101的小涵道比型号结合，就是F-15和F-16的著名动力F110。在GE9核心机基础上衍生的舰用燃气轮机LM2500是世界上最成功的舰用燃气轮机，装备了美国阿里伯克级等多个国家的军舰。而通用电气与法国斯奈克玛公司联合研制的CMF56大涵道比涡扇发动机也是以GE9核心机为基础的，CMF56发动机装备了空客A320等多种民航发动机，也是第三带民用涡扇发动机的典型代表。这就是说，GE9一个核心机解决了F15，F16，F18这些世界知名战斗机、以阿里伯克级驱逐舰为代表的各类舰艇乃至民航客机所有动力问题，这不得不说是核心机预研的巨大效益。可以说，一型核心机的研制成功，意味着整个国家从天空到海洋的全面突破。美国从上世纪五十年代末就开始核心机预研计划，而我国晚了大概30年，由于起步晚，经验和工业基础不足，至今未能拿出一款大规模实用的核心机型号。我国目前航改燃工程没有合适的核心机选用。

航空航海都是动力先行，在长期规划指导下进行不间断的技术研制才是突破我国海空军动力系统的唯一途径。我国的核心机预研计划虽然起步较晚，但是已经初步结出胜利的果实，航改燃工程也取得了一定成就。在我国新近研制的昆仑和太行发动机上改装的工业用燃机也取得成功。希望本国动力工业能够吸取发达国家的先进经验，踏实发展，早日实现国产燃气轮机的突破。