燃?xì)廨啓C(jī)在船舶動(dòng)力方面的應(yīng)用

1、燃?xì)廨啓C(jī)在船用動(dòng)力方面的應(yīng)用與發(fā)展邵高鵬（清華大學(xué)汽車系，北京 10008-4）摘要，介紹船用燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理和特點(diǎn)，對(duì)比燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)性能的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用F 船用動(dòng)力的現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展方向.關(guān)權(quán)詞：船用燃?xì)廨啓C(jī)：原理：應(yīng)用:發(fā)展方向:1.引言燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置在50年代開始用于船舶，在此之前，水面艦艇都己蒸汽輪機(jī)和內(nèi)燃 機(jī)作為其動(dòng)力裝置，大型艦船以蒸汽輪機(jī)為其主要的動(dòng)力裝置，蒸汽輪機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)相 對(duì)簡(jiǎn)單，制造相對(duì)容易，但是其同樣存在油耗大，占用空間大等等劣勢(shì)，而柴油機(jī)的單機(jī)功 率有限，必須采用多機(jī)并用。并且由于燃?xì)廨啓C(jī)汽固有的一些優(yōu)點(diǎn)，使得它逐漸向柴油機(jī)動(dòng) 力在船舶動(dòng)力上的統(tǒng)

2、治地位發(fā)起了挑戰(zhàn)。故初的燃?xì)廨啓C(jī)還只能應(yīng)用與軍用艦艇，但是隨著 燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)在商船上也逐步得到了推廣。2. 船用燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理船用內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)模式町以分為簡(jiǎn)單開式循壞，其工作過程同內(nèi)燃機(jī)類似，也町以分 為吸氣、壓縮、做功及排氣四個(gè)工作行程，但是與內(nèi)燃機(jī)又有很人的不同，卜圖中是-種 燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。但0t_譏軸流壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子高速回轉(zhuǎn)，在壓氣機(jī)的進(jìn)II處產(chǎn)生吸力，將新鮮空氣吸入壓氣機(jī)，對(duì) 應(yīng)著吸氣的過程?？諝庠谳S流壓氣機(jī)中增樂，壓力和溫度都有升高，空氣繼續(xù)流動(dòng)經(jīng)過擴(kuò)壓 器，減速增壓進(jìn)入燃燒室屮，此時(shí)的空氣溫度和壓力都較高，比容很小，這就實(shí)現(xiàn)了空氣的 壓縮過程。在空氣進(jìn)入燃

3、燒室的同時(shí)，燃油同時(shí)噴入與空氣混合形成可燃混合氣，點(diǎn)燃后迅 速燃燒，溫度繼續(xù)升高，而壓力變化不大（由于流動(dòng)損失的存在）：高溫高壓的燃?xì)?，?jīng)過 渦輪的靜葉的導(dǎo)向之后沖擊渦輪的動(dòng)葉葉片，推動(dòng)葉片使渦輪轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。渦 輪常分為兩級(jí)，第一級(jí)渦輪（高壓渦輪）上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩用于驅(qū)動(dòng)與之聯(lián)動(dòng)的壓氣機(jī)，第二級(jí) 渦輪（動(dòng)力渦輪）上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過傳動(dòng)軸和減速箱輸出，這就是燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒和做工過 程。經(jīng)過兩級(jí)渦輪的燃?xì)饨?jīng)廢氣箱和煙囪排入大氣，是燃?xì)廨啓C(jī)的排氣過程，這部分氣體中 仍然含有一些能量，可以把這部分能量加以利用來(lái)提高整機(jī)的工作效率。除了簡(jiǎn)單開式循環(huán)外，船用燃?xì)廨啓C(jī)還有一些更為復(fù)雜的循環(huán)型式，包括回

4、熱機(jī)組和中 冷機(jī)組等等。回?zé)釞C(jī)組中排氣溫度高，經(jīng)回?zé)崞鳎磽Q熱器）先把壓氣機(jī)出II的空氣加熱，然 后空氣再進(jìn)入燃燒室，優(yōu)點(diǎn)是可以提高熱效率，但是會(huì)増加機(jī)屢的直量和尺寸；中冷機(jī)組在 壓縮過程中采用中間冷卻，這樣M以減小高壓壓氣機(jī)的壓縮功，使單位流量工質(zhì)的輸出功增 大。3. 船用燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)燃?xì)廨啓C(jī)雖然發(fā)展比內(nèi)燃機(jī)和蒸汽輪機(jī)稍晚,但是很快便在航空領(lǐng)域取得了絕對(duì)的統(tǒng)治 地位，并在船用動(dòng)力系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力和蒸汽輪機(jī)等相比, 燃?xì)廨啓C(jī)能夠克服很多它們的缺點(diǎn)，但是也有一些自身慣有的不足。與柴油機(jī)相比，船用燃?xì)廨啓C(jī)有以下特點(diǎn):1. 燃/（輪機(jī)工作時(shí)雖然同樣經(jīng)歷吸氣、壓縮、做功和

5、排氣四個(gè)壞節(jié)，但是這些環(huán)節(jié)是分 別在不同位置同時(shí)、連續(xù)地進(jìn)行的，并裝置的工作過程互不干擾而且又同時(shí)進(jìn)行，而柴油機(jī) 要等一個(gè)沖程結(jié)束后才能開始另一個(gè)沖程。2. 燃（輪機(jī)以高速回轉(zhuǎn)方式工作，它的主要運(yùn)動(dòng)部件壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪轉(zhuǎn)子等都經(jīng)過精 確地調(diào)節(jié)平衡，岡此燃?xì)廨啓C(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中沖擊小，平穩(wěn)性好。而活塞式內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng) 方式為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)有較強(qiáng)的沖擊。3. 相比內(nèi)燃機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)有更高的工作溫度，而燃燒膨脹壓力較低。4. 燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)需要強(qiáng)制點(diǎn)火，而正常運(yùn)行之后則町以自燃，而內(nèi)燃機(jī)一般只有一種 固定的著火方式。5. 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)沒有時(shí)間和角度的要求，也沒有正時(shí)的問題，燃?xì)廨啓C(jī)的燃油噴射是 連續(xù)

6、不間斷的，而內(nèi)燃機(jī)只在一個(gè)循壞中的某個(gè)階段進(jìn)行噴油。一般來(lái)說，與船用柴油機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要有：1. 比功率人，重量輕，體積小。在同等功率的各種內(nèi)燃機(jī)中，燃?xì)廨啓C(jī)具有最輕的重屋 和最小的體枳。船用燃?xì)廨啓C(jī)單位功率重量，只有高速柴油機(jī)的十五分之一或更小。2. 船用燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)功率指令反應(yīng)迅速，低溫起動(dòng)性，加速性良好，且起動(dòng)后立即町投入 全負(fù)荷工作。不必“暖車”，不必慢慢提速，何利于提高艦船的機(jī)動(dòng)性。3. 燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)有充足的空氣來(lái)滿足燃油燃燒所需。由于燃燒完善，從而保證在起動(dòng)、 加速、變速及正常運(yùn)行等不同工況下排氣都不會(huì)冒黑煙。這個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了軍用 船艦的隱蔽性。4. 燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)

7、構(gòu)緊揍，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)校少，工作極為平穩(wěn)，不震動(dòng)，工作噪音。尤其是高頻 噪音較小。便于安裝対閉式機(jī)罩而對(duì)機(jī)組實(shí)行整體隔音、降噪，從而使機(jī)艙工作條件得到改 善。在一定程度上也能提高船艦的隱蔽性。5. 燃?xì)廨啓C(jī)工作町靠性高，故障較少發(fā)生。同時(shí)拆卸、維修、安裝都較方便。與船用柴汕機(jī)相比，船用燃?xì)廨啓C(jī)具有以下缺點(diǎn)：1. 耗油率偏高，尤其是小型船用燃?xì)廨啓C(jī)。但隨著技術(shù)的發(fā)展，已得到很人改善。2. 燃?xì)廨啓C(jī)的工作轉(zhuǎn)速很高，但輸出扭矩較小，必須通過減速箱降速提高扭矩才能輸出 作功。然而配套的減速箱減速比都比較人，其重最茯至人于燃?xì)廨啓C(jī)本身，增加了結(jié)構(gòu)的復(fù) 雜性。3. 燃?xì)廨啓C(jī)工作當(dāng)中耗氣量特別人。故進(jìn)氣通道及排氣

8、煙囪尺寸都較人，占用了船 艙的部分空間容積在小噸位船上布置起來(lái)有些不便。4. 燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)造較復(fù)雜精細(xì),制造材料和工藝要求都很高，因而它的造價(jià)較柴油機(jī)高, 維修配件也比較貴。5. 為滿足燃?xì)廨啓C(jī)高速、高溫工作所需，對(duì)使用的潤(rùn)滑油有校嚴(yán)格的要求，必須具有良 好的潤(rùn)滑性及抗高溫的熱穩(wěn)定性。燃料則用熱值高，含雜質(zhì)、水分少，尤其是含硫分低的優(yōu) 質(zhì)輕柴油，因而在一定程度上限制了使用范闈并增加了營(yíng)運(yùn)成本。4. 燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用于船舶的狀況1. 軍爭(zhēng)方面：英國(guó)于1967年率先提出實(shí)行水面戰(zhàn)艦全燃汽輪機(jī)推進(jìn)的動(dòng)力政策。1969 年以后，高性能船舶燃?xì)廨啓C(jī)LM2500研制成功，美國(guó)海軍動(dòng)力裝置迅速走上了全燃推進(jìn)的

9、道路，并在裝艦數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了英國(guó)。原蘇聯(lián)一直是船舶燃?xì)廨啓C(jī)的故人使用國(guó)，其海 軍裝用燃機(jī)的艦艇數(shù)、燃機(jī)臺(tái)數(shù)和裝機(jī)總功率均占世界第一位。80年代初，口本海軍步英 國(guó)、美國(guó)和原蘇聯(lián)后塵也走上了全燃推進(jìn)的道路。最近十多年，其燃機(jī)裝艦的速度和規(guī)模 均超過了英國(guó)。目前的護(hù)衛(wèi)艦，尤其是裝備現(xiàn)代罠器的人型護(hù)衛(wèi)艦，采用燃機(jī)（含柴燃聯(lián) 合裝豐）推進(jìn)口益增多；在驅(qū)逐艦和巡洋艦中，燃汽輪機(jī)將取代蒸汽機(jī)，成為兩艦種的動(dòng) 力裝亂 輕型航母也傾向于采用燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。我國(guó)第-艘裝備燃?xì)廨唲?dòng)力的“舷號(hào)452”氣墊 登陸艇于1989年服役，成為我海軍發(fā)展史上的一個(gè)朿要里程碑。后來(lái)又在一些中大型軍 艦，如舷號(hào)112、113、168

10、、169等驅(qū)逐艦上,裝備了多種不同型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力,為海 軍的現(xiàn)代化建設(shè)奠總了牢固基礎(chǔ)。2001年，以沈陽(yáng)黎明公司為研制總成單位、六O六所為 總設(shè)計(jì)單位，聯(lián)介清華人學(xué)、中科院、上海交通大學(xué)等科研院所和有關(guān)企業(yè)，組成設(shè)計(jì)研 制項(xiàng)冃聯(lián)合體，借鑒國(guó)外技術(shù)，引進(jìn)國(guó)外智力，共同研制R0110m型燃?xì)廨啓C(jī)。這一項(xiàng)目被 列為國(guó)家“十五”期間“863”能源領(lǐng)域重人專項(xiàng)。2009年，重型燃?xì)廨啓C(jī)己進(jìn)入最后聯(lián)調(diào) 及試驗(yàn)驗(yàn)證階段。輸出功率預(yù)計(jì)可達(dá)U4500kW.町以作為中型常規(guī)航空母艦的主動(dòng)力。這 對(duì)于提高我國(guó)的綜合國(guó)力貝有積極推動(dòng)作用。2. 民用船舶：近十年來(lái)，燃?xì)廨啓C(jī)在高速渡船中得到人最應(yīng)用。具有代表性的是瑞

11、士 斯坦納航運(yùn)公司營(yíng)運(yùn)的三艘HSS1500X型高速渡船。人型旅游船和高速集裝箱船釆用燃機(jī) 推進(jìn)是船用燃機(jī)在商船應(yīng)用領(lǐng)域中的又一個(gè)重大突破。在商船推進(jìn)領(lǐng)域中，船舶燃?xì)廨啓C(jī) 正在向船用柴油機(jī)的世襲地位挑戰(zhàn)。5. 船用燃?xì)廨啓C(jī)的未來(lái)發(fā)展方向近20年來(lái)，隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展、高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝以及在燃?xì)廨啓C(jī)熱力 循環(huán)方面的開發(fā)研究，船用燃?xì)廨啓C(jī)的性能口益先進(jìn)，技術(shù)口臻完善。船用燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā) 展方向主要有以下幾個(gè)方面。1. 提高燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)，改進(jìn)部件設(shè)計(jì)，提高簡(jiǎn)單循環(huán)機(jī)組性能，由于艦船對(duì)高性能燃?xì)?輪機(jī)的需求，近20年來(lái)推出了多型人功率高效燃（輪機(jī)組。通過提高初溫和壓比、改進(jìn)部 性能等措施，在簡(jiǎn)

12、單循環(huán)卜機(jī)組效率超過40$,如GE公司的LM6000PC.R-R公司的MT30等。 在推出新機(jī)組的同時(shí)，各大公司不斷提高原有機(jī)組的性能。2. 采用先進(jìn)的復(fù)朵循環(huán)，提高機(jī)組性能采用回?zé)嵫瓑?、間冷一回?zé)嵫瓑牡葟?fù)雜循壞，是 捉高燃?xì)廨啓C(jī)性能的另?xiàng)l途徑。v： r低爪比小功率船用燃?xì)廨啓C(jī),通過增加冋熱器形成回 熱循環(huán)來(lái)提高效率：對(duì)于高壓比三轉(zhuǎn)子大功率船用燃?xì)廨啓C(jī)，增加中間冷卻器和回?zé)崞餍纬?間冷回?zé)嵫h(huán)，可增大功率、提高效率。3. 采用燃蒸聯(lián)合循環(huán)，提高裝宣的功率和效率在燃?xì)廨啓C(jī)后增加一個(gè)利用排（熱量的余 熱利用回路，用來(lái)產(chǎn)生蒸汽并使它在蒸汽輪機(jī)中做功，然后蒸汽輪機(jī)9燃P輪機(jī)并車驅(qū)動(dòng)螺 旋槳。這種燃蒸聯(lián)

13、合裝置町明顯地提高裝置的輸出功率和效率。燃蒸聯(lián)合循壞的效率將達(dá)到 45%50%,在使用低壓蒸汽時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的能屋利用率高達(dá)80$。4. 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊是未來(lái)艦船燃?xì)廨啓C(jī)的主要應(yīng)用方向綜介電力系統(tǒng)是今后艦艇動(dòng) 力的發(fā)展方向，其主要特點(diǎn)是將推進(jìn)動(dòng)力與電站動(dòng)力合二為一，為艦船裝備高能武器奠定電 能基礎(chǔ)。綜合電力系統(tǒng)對(duì)電站總功率的需求人幅度增加，這就要求單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的功率成倍 增長(zhǎng)，傳統(tǒng)盤義上的柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組已不能滿足這種變化要求。燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)功率大、輸出 轉(zhuǎn)速高，特別適合作為綜合電力系統(tǒng)的原動(dòng)力.5. 低NOx排放燃燒室的研制對(duì)陸地和空中推進(jìn)裝置口益嚴(yán)格的排放要求，未來(lái)艦船的主 動(dòng)力裝置應(yīng)滿足今后的排放法規(guī)，以保證艦船在世界各國(guó)港I I均能噸利入港。通常用于陸基 燃(輪機(jī)的干式低排放系統(tǒng)采用貧預(yù)混燃燒室，但是這些裝置大多數(shù)是以氣態(tài)燃料運(yùn)行而不 是使用餉出油。英國(guó)羅爾斯羅伊斯公司正承擔(dān)一項(xiàng)計(jì)劃，根據(jù)貧預(yù)混預(yù)氣化(LPP)原理生 產(chǎn)使用館出燃油的液體干式低排放系