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摘要：随着科技的进步，复杂循环燃气轮机和其他先进技术的发展，明显改善低负荷时耗油率，进而改善其经济性，使得燃气轮机在各类船舶动力中的应用越来越广泛。燃气轮机是一个涉及国家能源的战略性产业，是能源动力装备领域的高端产品。燃气轮机有着极其广泛的应用。它不仅是国防装备中极其关键的设备，在国民经济的电力、能源开采和船舶航运等领域中，燃气轮机也有着不可替代的战略地位和作用。
关键词：船舶；燃气轮机；动力装置；应用
1船舶燃气轮机概况
船舶燃气轮机是一种以空气为介质，依靠高温燃气（如沼气、天然气、煤层气等），推动涡轮机械做功的高性能、大功率动力机械。船舶燃气轮机主要由压气机、燃烧器、涡轮机、转动轴等构成，并配以进/排气、控制/调节、连接等辅助系统。
我国对船舶燃气轮机的研究最早开始于20世纪50 年代，1983年，第一台燃气轮机研制成功，1989年，基于燃气轮机动力系统的气垫登陆舰试航成功。虽然在船舶燃气轮机方面的起步不算晚，也取得了一定的成绩，但船用燃气轮机后续的发展却较为缓慢，特别是大型舰船上的燃气轮机，还需要借助国外技术的支持。
2燃气轮机动力装置
燃气轮机工作原理主要是：在燃烧室内混合燃烧压缩空气和燃料，在燃气涡轮中放入燃烧产生的高温燃气使其出现膨胀现象，这样可以对涡轮叶轮进行驱动，从而推动压气机叶轮的旋转。船用燃气轮机一般与其它动力装置配合使用，如柴-燃交替动力和柴-燃联合动力等，其主要目的是将其可靠性和灵活性进一步提高，对耗油量高的缺陷进行弥补。
与柴油机、蒸汽机等传统船舶动力推进设备相比，燃气轮机的优势表现：①功率密度大，同等功率情况下，燃气涡轮机体积为柴油机的1/3～1/5，为蒸汽轮机的1/5～1/10；其次，启动速度快，在启动机的协助下，1～2 min 即可达到最高转速，而柴油机和蒸汽轮机则需要1h 甚至数小时才能使系统的输出功率达到最大；②噪声低频分量较低。另外，燃气轮机还具备较大的单机功率、较轻的重量、较长的使用寿命和较低的NOX 排放量等，但是由于其具有较大的耗油量和较差的燃油经济性，在一定程度上限制了燃气轮机的使用。当前不断探索与应用新材料在很大程度上提高了燃气轮机的性能，同时将设备的结构利用新的设计和制造工艺进行了优化。燃气轮机动力装置未来的发展趋势主要是大型化、高性能和燃料多元化。
3燃气轮机在船舶上的应用
3.1燃气轮机在军舰上用作推进动力装置
（1）柴燃联合动力装置
柴-燃联合动力装置又分为交替工作柴-燃联合动力装置CODOG 和共同工作柴-燃联合动力装置CODAG。
柴-燃交替工作联合动力装置CODOG，巡航机为柴油机，加速机为燃气轮机。当柴油机带动螺旋桨处于巡航工况时，柴油机运行，燃气轮机自动脱开。同样，当燃气轮机带动推进器高速航行时，柴油机必须自动脱开。采用这种动力装置的舰船有俄罗斯的猎豹级护卫舰，日本的石狩/夕张级护卫舰，意大利的西北风级护卫舰、地平线级驱逐舰，韩国的KDX-1 型驱逐舰、仁川级护卫舰等等。
柴-燃共同工作联合动力装置CODAG，相对于CODOG，其需要用到较为复杂的共同式并车装置，对控制系统要求高，所以早期大多采用CODOG 形式。随着相关技术的发展，CODAG 开始得到广泛应用。德国的F124 护卫舰由F122 和F123 护卫舰的CODOG 型改为CODAG 形式，在保证原有生命力的基础上，其燃油费下降18～23%，维修费用下降25～65%。
（2）燃-燃联合动力装置
随着燃气轮机技术的不断发展与完善，水面舰艇动力装置不断向全燃化方向发展。同样，燃-燃联合动力装置也分为交替工作式和共同工作式，即COGOG 与COGAG形式。
燃-燃交替工作联合动力装置COGOG，巡航时采用小功率燃气轮机，加速时采用大功率燃气轮机，不同时使用。这种动力推进装置主要用于驱逐舰和护卫舰上，主要有英国的42 型驱逐舰、21 型护卫舰、22 型护卫舰，俄罗斯的卡拉级巡洋舰，日本的初雪级驱逐舰，荷兰的科顿艾尔级护卫舰等。
燃-燃共同工作联合动力装置COGAG，主要应用于排水量较大的大型驱逐舰和巡洋舰。小功率燃气轮机不能满足其巡航功率要求，故选择大功率燃气轮机。美国的提康加德罗级巡洋舰、阿利伯克级驱逐舰，英国的无敌级航空母舰，俄罗斯的光荣级巡洋舰、无畏级驱逐舰，日本的金刚级、村雨级驱逐舰以及日向级直升机驱逐舰等均采用COGAG 动力装置。
（3）气垫艇燃气动力装置
燃气轮机因其高速性、高机动性以及极低的比重量，还应用于气垫船动力装置。气垫船动力装置包括推进系统和垫升系统，燃气轮机带动空气螺旋桨和垫升风扇。典型的有美国的LCAC 气垫艇和乌克兰的野牛级气垫艇。
3.2 燃气轮机在民用船舶上的应用
在民用船舶上，燃气轮机不仅应用于主动力装置，也会用于船舶电力系统发电机的原动机。例如，世界上最大的豪華邮轮“玛丽女王二世”就采用2 台LM2500+燃气轮机和4 台瓦特西瓦柴油机作为发电机的原动机。
4燃气轮机技术发展趋势
（1）燃气轮机发展趋势：进一步提高温度、压力，从而进一步提高机组的功率效率等性能；满足燃料的多样性需求；优化基本热力循环，利用新工艺，完善控制系统，优化整体性能。
（2）重型燃气轮机将朝着高参数、高性能、低污染的方向发展。经过研发运用新技术和新工艺，专家预测到2020年最高初温可到1700℃，联合循环效率可达65%。
（3）探索用于未来级燃气轮机的新一代高温材料与冷却技术。研究新一代超级合金、粉末冶金材料、金属基/陶瓷基复合材料，研究单晶合金、超级冷却叶片、热障涂层（TBC）、抗氧化和热蚀的涂层等技术。研究综合应用冲击/气膜复合冷却、多孔层板发散冷却、发汗冷却、闭式蒸汽冷却等新型冷却技术，适应新一代燃气轮机更高进口温度的苛刻要求。如德国正在研究以超级合金为骨架、表面为粉末冶金多孔材料和发散冷却的下一代透平叶片，日本曾经研究过透平静/动叶片以及转子的蒸汽冷却，并已经取得了阶段性成果。
（4）采用先进的气动设计技术，进一步提高压气机与透平部件性能。研究可控涡设计、自由涡设计、掠弯扭叶片技术、多圆弧叶型、可控扩散叶型、间隙流动控制等技术，减小各类损失。如采用压气机多级可调叶片技术，以保证宽广范围内压气机能够高效工作；如压气机附面层抽吸技术、流动稳定性被动与主动控制技术，大幅度减少多级轴流压气机的级数/轴向长度/重量，大幅度扩大压气机稳定工作范围等。
（5）拓宽燃料适应范围，进一步降低NOx等污染物排放。高效低污染稳定燃烧技术始终是燃气轮机的前沿技术。世界各燃气轮机制造商都发展了各自的控制污染排放的技术，投入了很大的力量研究开发干式低污染（DLN）燃烧室，并应用于各自的现代燃气轮机产品中。
（6）优化整体性能以及强化控制系统。如利用先进湿空气透平循环等新型热力循环以及新工质，优化整体的运行能力，使控制系统得到加强，使燃气轮机的发电机组得到提升。每一次技术突破都将带动叶轮机械在动热力学方面实现革命性的进步，都将使得燃气轮机的运作能力得到显著的提高。
结语：
在船舶动力推进设备中，燃气轮机以功率大、体积小、能源利用率高、污染少等优势成为动力设备的核心，特别是在大型舰船中，燃气轮机能够满足相关的高性能要求，使得燃气轮机在军舰和各类民用船舶上的应用也越来越广泛。
参考文献：
[1]张伟明，张远刚.船舶动力装置发展研究[J].内燃机与配件，2017（17）：39-40.
[2]刘毅敏.浅谈重型燃气轮机现状与发展展望[J].中国设备工程，2017（10）：155-156.
关键词：船舶；燃气轮机；动力装置；应用
1船舶燃气轮机概况
船舶燃气轮机是一种以空气为介质，依靠高温燃气（如沼气、天然气、煤层气等），推动涡轮机械做功的高性能、大功率动力机械。船舶燃气轮机主要由压气机、燃烧器、涡轮机、转动轴等构成，并配以进/排气、控制/调节、连接等辅助系统。
我国对船舶燃气轮机的研究最早开始于20世纪50 年代，1983年，第一台燃气轮机研制成功，1989年，基于燃气轮机动力系统的气垫登陆舰试航成功。虽然在船舶燃气轮机方面的起步不算晚，也取得了一定的成绩，但船用燃气轮机后续的发展却较为缓慢，特别是大型舰船上的燃气轮机，还需要借助国外技术的支持。
2燃气轮机动力装置
燃气轮机工作原理主要是：在燃烧室内混合燃烧压缩空气和燃料，在燃气涡轮中放入燃烧产生的高温燃气使其出现膨胀现象，这样可以对涡轮叶轮进行驱动，从而推动压气机叶轮的旋转。船用燃气轮机一般与其它动力装置配合使用，如柴-燃交替动力和柴-燃联合动力等，其主要目的是将其可靠性和灵活性进一步提高，对耗油量高的缺陷进行弥补。
与柴油机、蒸汽机等传统船舶动力推进设备相比，燃气轮机的优势表现：①功率密度大，同等功率情况下，燃气涡轮机体积为柴油机的1/3～1/5，为蒸汽轮机的1/5～1/10；其次，启动速度快，在启动机的协助下，1～2 min 即可达到最高转速，而柴油机和蒸汽轮机则需要1h 甚至数小时才能使系统的输出功率达到最大；②噪声低频分量较低。另外，燃气轮机还具备较大的单机功率、较轻的重量、较长的使用寿命和较低的NOX 排放量等，但是由于其具有较大的耗油量和较差的燃油经济性，在一定程度上限制了燃气轮机的使用。当前不断探索与应用新材料在很大程度上提高了燃气轮机的性能，同时将设备的结构利用新的设计和制造工艺进行了优化。燃气轮机动力装置未来的发展趋势主要是大型化、高性能和燃料多元化。
3燃气轮机在船舶上的应用
3.1燃气轮机在军舰上用作推进动力装置
（1）柴燃联合动力装置
柴-燃联合动力装置又分为交替工作柴-燃联合动力装置CODOG 和共同工作柴-燃联合动力装置CODAG。
柴-燃交替工作联合动力装置CODOG，巡航机为柴油机，加速机为燃气轮机。当柴油机带动螺旋桨处于巡航工况时，柴油机运行，燃气轮机自动脱开。同样，当燃气轮机带动推进器高速航行时，柴油机必须自动脱开。采用这种动力装置的舰船有俄罗斯的猎豹级护卫舰，日本的石狩/夕张级护卫舰，意大利的西北风级护卫舰、地平线级驱逐舰，韩国的KDX-1 型驱逐舰、仁川级护卫舰等等。
柴-燃共同工作联合动力装置CODAG，相对于CODOG，其需要用到较为复杂的共同式并车装置，对控制系统要求高，所以早期大多采用CODOG 形式。随着相关技术的发展，CODAG 开始得到广泛应用。德国的F124 护卫舰由F122 和F123 护卫舰的CODOG 型改为CODAG 形式，在保证原有生命力的基础上，其燃油费下降18～23%，维修费用下降25～65%。
（2）燃-燃联合动力装置
随着燃气轮机技术的不断发展与完善，水面舰艇动力装置不断向全燃化方向发展。同样，燃-燃联合动力装置也分为交替工作式和共同工作式，即COGOG 与COGAG形式。
燃-燃交替工作联合动力装置COGOG，巡航时采用小功率燃气轮机，加速时采用大功率燃气轮机，不同时使用。这种动力推进装置主要用于驱逐舰和护卫舰上，主要有英国的42 型驱逐舰、21 型护卫舰、22 型护卫舰，俄罗斯的卡拉级巡洋舰，日本的初雪级驱逐舰，荷兰的科顿艾尔级护卫舰等。
燃-燃共同工作联合动力装置COGAG，主要应用于排水量较大的大型驱逐舰和巡洋舰。小功率燃气轮机不能满足其巡航功率要求，故选择大功率燃气轮机。美国的提康加德罗级巡洋舰、阿利伯克级驱逐舰，英国的无敌级航空母舰，俄罗斯的光荣级巡洋舰、无畏级驱逐舰，日本的金刚级、村雨级驱逐舰以及日向级直升机驱逐舰等均采用COGAG 动力装置。
（3）气垫艇燃气动力装置
燃气轮机因其高速性、高机动性以及极低的比重量，还应用于气垫船动力装置。气垫船动力装置包括推进系统和垫升系统，燃气轮机带动空气螺旋桨和垫升风扇。典型的有美国的LCAC 气垫艇和乌克兰的野牛级气垫艇。
3.2 燃气轮机在民用船舶上的应用
在民用船舶上，燃气轮机不仅应用于主动力装置，也会用于船舶电力系统发电机的原动机。例如，世界上最大的豪華邮轮“玛丽女王二世”就采用2 台LM2500+燃气轮机和4 台瓦特西瓦柴油机作为发电机的原动机。
4燃气轮机技术发展趋势
（1）燃气轮机发展趋势：进一步提高温度、压力，从而进一步提高机组的功率效率等性能；满足燃料的多样性需求；优化基本热力循环，利用新工艺，完善控制系统，优化整体性能。
（2）重型燃气轮机将朝着高参数、高性能、低污染的方向发展。经过研发运用新技术和新工艺，专家预测到2020年最高初温可到1700℃，联合循环效率可达65%。
（3）探索用于未来级燃气轮机的新一代高温材料与冷却技术。研究新一代超级合金、粉末冶金材料、金属基/陶瓷基复合材料，研究单晶合金、超级冷却叶片、热障涂层（TBC）、抗氧化和热蚀的涂层等技术。研究综合应用冲击/气膜复合冷却、多孔层板发散冷却、发汗冷却、闭式蒸汽冷却等新型冷却技术，适应新一代燃气轮机更高进口温度的苛刻要求。如德国正在研究以超级合金为骨架、表面为粉末冶金多孔材料和发散冷却的下一代透平叶片，日本曾经研究过透平静/动叶片以及转子的蒸汽冷却，并已经取得了阶段性成果。
（4）采用先进的气动设计技术，进一步提高压气机与透平部件性能。研究可控涡设计、自由涡设计、掠弯扭叶片技术、多圆弧叶型、可控扩散叶型、间隙流动控制等技术，减小各类损失。如采用压气机多级可调叶片技术，以保证宽广范围内压气机能够高效工作；如压气机附面层抽吸技术、流动稳定性被动与主动控制技术，大幅度减少多级轴流压气机的级数/轴向长度/重量，大幅度扩大压气机稳定工作范围等。
（5）拓宽燃料适应范围，进一步降低NOx等污染物排放。高效低污染稳定燃烧技术始终是燃气轮机的前沿技术。世界各燃气轮机制造商都发展了各自的控制污染排放的技术，投入了很大的力量研究开发干式低污染（DLN）燃烧室，并应用于各自的现代燃气轮机产品中。
（6）优化整体性能以及强化控制系统。如利用先进湿空气透平循环等新型热力循环以及新工质，优化整体的运行能力，使控制系统得到加强，使燃气轮机的发电机组得到提升。每一次技术突破都将带动叶轮机械在动热力学方面实现革命性的进步，都将使得燃气轮机的运作能力得到显著的提高。
结语：
在船舶动力推进设备中，燃气轮机以功率大、体积小、能源利用率高、污染少等优势成为动力设备的核心，特别是在大型舰船中，燃气轮机能够满足相关的高性能要求，使得燃气轮机在军舰和各类民用船舶上的应用也越来越广泛。
参考文献：
[1]张伟明，张远刚.船舶动力装置发展研究[J].内燃机与配件，2017（17）：39-40.
[2]刘毅敏.浅谈重型燃气轮机现状与发展展望[J].中国设备工程，2017（10）：155-156.