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艦船燃?xì)廨啓C(jī)具有尺寸小、重量輕、機(jī)動(dòng)性好、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、操縱人員少等特點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代大中型和高性能艦船的主要?jiǎng)恿ρb置。世界上大多數(shù)艦船燃?xì)廨啓C(jī)主要是走航改道路，它是一種最快捷、最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)途徑，在燃?xì)廨啓C(jī)作動(dòng)力的艦船中有95%是航改燃機(jī)。

雖然航改燃機(jī)大量繼承了原航機(jī)成熟的設(shè)計(jì)技術(shù)、材料和工藝，但是作為艦船燃?xì)廨啓C(jī)有其獨(dú)特要求，航機(jī)和燃機(jī)在設(shè)計(jì)上存在著一定的差異。

1 航改艦船燃機(jī)與航機(jī)的特性對(duì)比

1) 運(yùn)行范圍。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)基本上是在額定功率下運(yùn)行的，而艦船燃?xì)廨啓C(jī)( 特別是作為主機(jī))90%～95%時(shí)間是在低工況下工作。

2) 工作環(huán)境。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間是在高空很潔凈的大氣中運(yùn)行，而艦船燃?xì)廨啓C(jī)則要在海平面上工作，進(jìn)口空氣中含有大量的鹽分和污染物。

同時(shí)由于工作環(huán)境的不同，所受的沖擊載荷也不同，航空發(fā)動(dòng)機(jī)僅在飛機(jī)著陸時(shí)承受沖擊載荷和機(jī)動(dòng)過載( 一般不大于10g)，而艦船燃機(jī)則要經(jīng)受

水下爆炸引起的巨大沖擊( 經(jīng)減振后也要達(dá)到15g)。

3) 燃料。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用精煉的航空煤油作為燃料，艦船燃?xì)廨啓C(jī)則一般燃用輕柴油或較重質(zhì)的餾分油。

4) 壽命、可靠性和可維修性。

軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命一般為一千或幾千小時(shí)，但艦船燃?xì)廨啓C(jī)的壽命一般需要達(dá)到幾萬小時(shí)，同時(shí)由于艦船燃?xì)廨啓C(jī)受安裝條件的限制，要求燃機(jī)必須具有良好的可維修性。

5) 設(shè)計(jì)部件和系統(tǒng)。

對(duì)于艦船燃?xì)廨啓C(jī)，一般來說還需要重新設(shè)計(jì)動(dòng)力渦輪、進(jìn)排氣系統(tǒng)等。

6) 采用先進(jìn)循環(huán)。

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)都是簡(jiǎn)單循環(huán)。采用先進(jìn)循環(huán)是艦船燃?xì)廨啓C(jī)重要的發(fā)展方向，可以大幅度提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能，間冷回?zé)嵫h(huán)的艦船燃?xì)廨啓C(jī)WR21 已經(jīng)投入使用。 

2 航改艦船燃機(jī)與航機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的差異

由于航改燃機(jī)的高繼承性和航機(jī)、燃機(jī)使用對(duì)象、工作環(huán)境的不同，決定了燃機(jī)、航機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)既有相同的地方，也有不同的地方。航改艦船燃機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)與航機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的差別主要有如下幾個(gè)方面。

2.1 低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外廣泛使用的大中型航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)改為燃?xì)廨啓C(jī)如果保留低壓系統(tǒng)的話，低壓壓氣機(jī)在氣動(dòng)上需要進(jìn)行較

大的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以解決高低壓壓氣機(jī)匹配問題和高效率問題，主要原因如下:

1)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具有內(nèi)、外涵道，在發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)的過程中，通過涵道比的變化，解決了內(nèi)涵道高、低壓壓氣機(jī)間流量匹配的問題。改為燃?xì)廨啓C(jī)后為

單涵道，沒有自主進(jìn)行高、低壓匹配的特點(diǎn)，在中低轉(zhuǎn)速低壓壓氣機(jī)容易發(fā)生喘振。由于艦船燃?xì)廨啓C(jī)(特別是作為主機(jī)) 大部分時(shí)間是在低工況下工作，需要保持燃機(jī)在低工況下的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，燃機(jī)在一定工況范圍內(nèi)不能喘振和放氣，航改燃機(jī)通常重新設(shè)計(jì)大喘振裕度的低壓壓氣機(jī)。

2) 航機(jī)追求高推重比，燃機(jī)追求高效率長(zhǎng)壽命。與航機(jī)相比，燃機(jī)對(duì)效率的要求和對(duì)低工況穩(wěn)定邊界的要求要比航機(jī)高得多，而對(duì)重量的要求不

是很嚴(yán)格，所以燃機(jī)低壓壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)可以多一些。航改燃機(jī)如SM1A、LM6000、NK－86A等燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)為5級(jí)，平均級(jí)壓比一般約為1.2，相近壓比的航機(jī)風(fēng)扇一般為2級(jí)，平均級(jí)壓比可達(dá)到1.4～1.5。 

此外，為了滿足燃機(jī)低壓壓氣機(jī)大裕度和高效率的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)低壓壓氣機(jī)時(shí)，在級(jí)加功系數(shù)、流量系數(shù)、輪轂比、D因子等參數(shù)的選取和擴(kuò)穩(wěn)措施的采取上也和風(fēng)扇設(shè)計(jì)不同。因此，根據(jù)燃機(jī)低壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，必須開展相關(guān)技術(shù)研究。

2.2 燃燒室改進(jìn)設(shè)計(jì)

1) 燒柴油后適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料為航空煤油，而在艦船上使用的燃?xì)廨啓C(jī)，考慮到燃料的價(jià)格和可獲得性，通常采用輕柴油。采用輕柴油作為燃料給燃燒性能帶來了一系列不利影響，加上海洋環(huán)境及長(zhǎng)時(shí)間的低工況運(yùn)行，使用原航機(jī)的燃燒室會(huì)出現(xiàn)許多問題，如排氣冒煙、起動(dòng)點(diǎn)火困難、火焰筒壁溫增加、壽命降低等。因此，將航機(jī)用于船用時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)燃燒室進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。

2) 低排放設(shè)計(jì)技術(shù)。

目前軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)大多未對(duì)排放進(jìn)行控制，尤其是具有加力燃燒室的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。我國(guó)在降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)排放的研究方面仍處于起步階段。

為了避免燃?xì)廨啓C(jī)成為海上大氣環(huán)境的主要污染源，一些國(guó)家已經(jīng)把海岸排放控制也列入陸地環(huán)境法規(guī)的條款內(nèi)，國(guó)際上規(guī)定艦船用燃機(jī)排放的標(biāo)準(zhǔn)為42ppm。同時(shí)，低排放也是艦船燃?xì)廨啓C(jī)拓寬使用范圍( 陸上發(fā)電) 的重要前提，有必要開展相關(guān)技術(shù)的研究工作。

2.3 動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)

航機(jī)中的渦噴和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是利用噴射氣體產(chǎn)生推力，沒有動(dòng)力渦輪，其改燃機(jī)的動(dòng)力渦輪一般是新設(shè)計(jì)的，少數(shù)是將航機(jī)中原有的低壓渦輪稍加改型，例如LM500、LM2500等。新設(shè)計(jì)的動(dòng)力渦輪大多數(shù)按照工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)的要求設(shè)計(jì)，和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪相比，動(dòng)力渦輪主要有如下特點(diǎn):

1)為了滿足較高的效率，燃機(jī)動(dòng)力渦輪一般設(shè)計(jì)為多級(jí)，尺寸和重量較大;

2)大多數(shù)動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速較低，一般在3000～5000r/min，但壓氣機(jī)渦輪通常在10000r/min左右;

3)輸出功率大，滿足10000t以上水面艦船用大功率燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力渦輪功率達(dá)到40000kW級(jí);

4)動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)壽命一般要求為10萬h以上，是軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪壽命的幾十倍;

5)動(dòng)力渦輪與燃?xì)獍l(fā)生器之間需設(shè)計(jì)截面尺寸變化較大的擴(kuò)壓段，以解決流量、流道、流場(chǎng)的匹配問題。

由于動(dòng)力渦輪具有效率高、轉(zhuǎn)速低、功率大、壽命長(zhǎng)、對(duì)重量要求低等特點(diǎn)，所以動(dòng)力渦輪的設(shè)計(jì)技術(shù)和航機(jī)渦輪的設(shè)計(jì)技術(shù)相差很大。

2.4 進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)主要指進(jìn)氣道，航機(jī)的進(jìn)氣道分亞音速進(jìn)氣道、超音速進(jìn)氣道，超音速進(jìn)氣道又分外壓式進(jìn)氣道、內(nèi)壓式進(jìn)氣道、混合式進(jìn)氣道。

航機(jī)在高速飛行時(shí)，進(jìn)氣道對(duì)氣流有減速擴(kuò)壓作用，內(nèi)有激波，進(jìn)氣道不僅會(huì)造成進(jìn)氣畸變，而且會(huì)喘振。排氣系統(tǒng)主要指噴管，噴管一般分收斂噴管和收擴(kuò)噴管，噴管內(nèi)氣流速度高，一般臨界或亞臨界，噴管的膨脹比也很高，以便產(chǎn)生推力。艦船燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)氣流的速度都比較低，設(shè)計(jì)相對(duì)航機(jī)來說簡(jiǎn)單一些，但也有其特點(diǎn)。

艦船上可利用的空間有限，而氣流在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)前大多需多次轉(zhuǎn)折，因此發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氣流難以均勻，容易產(chǎn)生進(jìn)口畸變，進(jìn)口畸變除了能降低發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作裕度及性能外，還可能激發(fā)壓氣機(jī)葉片共振，從而導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。所以，進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)必須保證壓氣機(jī)能夠得到良好的進(jìn)口流場(chǎng)。

對(duì)于前輸出的燃?xì)廨啓C(jī)，必須設(shè)計(jì)合適的進(jìn)氣蝸殼。燃機(jī)的排氣系統(tǒng)主要指排氣蝸殼，其尺寸較大，以降低氣流速度，減少排氣總壓損失，蝸殼出口氣流速度一般只有50～60m/s。同時(shí)，根據(jù)艦船的需要還要增加引射系統(tǒng)，這是航機(jī)所沒有的。

可見，航改艦船燃機(jī)與航機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)工作原理和設(shè)計(jì)理念是完全不同的，必須進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究。

2.5 燃油調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)艦船用燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)而言，由于采用動(dòng)力渦輪作功率輸出，其控制對(duì)象特性、負(fù)載特性和控制規(guī)律均與航機(jī)顯著不同，機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境和操

縱方式也不同。

因此，由航機(jī)改裝的艦船用燃?xì)廨啓C(jī)，雖然可以利用原航機(jī)的一部分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，但又有一系列新的控制功能和技術(shù)要求，同時(shí)還要滿足抗腐蝕、抗沖擊等惡劣環(huán)境，需要針對(duì)艦船用燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)燃油調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)。

2.6 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)技術(shù)包括總體性能設(shè)計(jì)技術(shù)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，燃機(jī)和航機(jī)在總體設(shè)計(jì)技術(shù)上區(qū)別較大。

在總體性能方案設(shè)計(jì)方面，航改燃機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選取不僅要考慮高性能，同時(shí)還要兼顧使用壽命，這與航機(jī)不同，同時(shí)航改燃機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的壓氣

機(jī)喘振裕度可以較航機(jī)低一些; 在節(jié)流狀態(tài)，航改燃機(jī)總體方案設(shè)計(jì)不僅要考慮喘振裕度，還要考慮其效率，而航機(jī)對(duì)此狀態(tài)耗油率要求不高; 高、低壓壓比相差大的航改燃機(jī)，高、低壓匹配是一個(gè)難點(diǎn)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓匹配相對(duì)容易些; 燃機(jī)對(duì)加減速性較航機(jī)要求低; 由于燃機(jī)有動(dòng)力渦輪，在整機(jī)匹配設(shè)計(jì)上和航機(jī)比也存在一些差異。另外，總體性能設(shè)計(jì)中還要考慮燃機(jī)用于綜合電力推進(jìn)時(shí)甩負(fù)荷對(duì)燃機(jī)的影響。

在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，航改艦船燃機(jī)除原機(jī)內(nèi)的承力系統(tǒng)要適當(dāng)改動(dòng)外，機(jī)外承力系統(tǒng)要作全面改動(dòng)設(shè)計(jì)，航機(jī)安裝簡(jiǎn)單，只通過吊耳吊裝在發(fā)動(dòng)

機(jī)機(jī)艙內(nèi)，但艦船燃?xì)廨啓C(jī)前接進(jìn)氣裝置，后接排氣系統(tǒng)，上有煙道接口，下有底座與船體承力結(jié)構(gòu)相接，整個(gè)空間都在溫度、干擾力( 靜力、振動(dòng)力)之下，要求承力系統(tǒng)有足夠的強(qiáng)度、剛性、抗沖擊能力和完善的補(bǔ)償、吸振機(jī)構(gòu)。

2.7 整機(jī)試車調(diào)試

航改燃?xì)廨啓C(jī)與航機(jī)整機(jī)調(diào)試技術(shù)有一定的區(qū)別，首先是試車臺(tái)架的不同，航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車時(shí)，在航機(jī)試車臺(tái)進(jìn)行，測(cè)量尾噴口噴射的高速氣流產(chǎn)生的推力。燃機(jī)試車臺(tái)必須有水力測(cè)功器、壓氣機(jī)或發(fā)電機(jī)等負(fù)載，來吸收動(dòng)力渦輪產(chǎn)生的功率并測(cè)量。

其次，航機(jī)對(duì)起動(dòng)和加速要求嚴(yán)格，調(diào)整起動(dòng)和加減速性能是整機(jī)調(diào)試的重要內(nèi)容，對(duì)于低速狀態(tài)的整機(jī)性能要求不高。航改燃?xì)廨啓C(jī)與其相反，由于燃機(jī)大部分時(shí)間在低負(fù)荷工作，需匹配優(yōu)化部分負(fù)荷狀態(tài)性能，繼承的航機(jī)起動(dòng)和加減速性通常能夠滿足艦船需要。

另外，由于燃機(jī)有動(dòng)力渦輪，不同狀態(tài)下動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速對(duì)燃機(jī)性能影響較大，需調(diào)整負(fù)載，錄取不同動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速和不同燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速下燃機(jī)的性能。同時(shí)為了滿足燃機(jī)長(zhǎng)期工作，測(cè)試參數(shù)較多，控制系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警參數(shù)較多，確定控制系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警參數(shù)和檢查保護(hù)功能也是整機(jī)調(diào)試的一項(xiàng)重要工作。

2.8 先進(jìn)循環(huán)

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)都是簡(jiǎn)單循環(huán)，國(guó)外正進(jìn)行間冷回?zé)岷娇?ICRA)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究工作，我國(guó)先進(jìn)循環(huán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究只是處于概念階段。

采用先進(jìn)循環(huán)是艦船燃?xì)廨啓C(jī)重要的發(fā)展方向，可以大幅度提高燃?xì)廨啓C(jī)性能。間冷回?zé)嵫h(huán)(ICR)的艦船燃?xì)廨啓C(jī)WR21 已經(jīng)作為綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的原動(dòng)力在英國(guó)45型驅(qū)逐艇上投入使用。由于采用間冷回?zé)嵫h(huán)，設(shè)計(jì)狀態(tài)燃機(jī)功率提高了25%，年燃油消耗量降低了30%，性能改善顯著。另外，濕壓縮技術(shù)、燃蒸聯(lián)合循環(huán)也是先進(jìn)的循環(huán)技術(shù)。我國(guó)目前也開展了大功率間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的研究工作，并取得了一定的進(jìn)展。

2.9 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

由于航機(jī)和燃機(jī)使用環(huán)境差別很大，所以必須進(jìn)行航改艦船燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)研究。主要內(nèi)容包括抗腐蝕、抗沖擊技術(shù)研究等。

1) 抗腐蝕技術(shù)。

海洋工作環(huán)境帶來的首要問題是進(jìn)口空氣中的鹽分對(duì)燃機(jī)的腐蝕。含鹽空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后，鹽分在壓氣機(jī)葉片上沉積，從而引起壓氣機(jī)性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生喘振，還會(huì)引起其他部件的嚴(yán)重腐蝕。

解決上述問題的途徑為: 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行定期清洗，除去壓氣機(jī)通流部件上的積鹽; 發(fā)動(dòng)機(jī)通流部件要采用耐腐蝕的材料、涂層或滲層。為了進(jìn)行壓氣機(jī)的清洗，必須研制出適應(yīng)燃機(jī)工作環(huán)境、滿足清洗要求的清洗設(shè)備，確定有效、安全的清洗劑、清洗方法、清洗規(guī)程等。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所用的鍍層，主要是為了抗氧化，對(duì)于抗腐蝕效果不大。所以對(duì)于艦船燃?xì)廨啓C(jī)，必須專門研制和采用與航空燃?xì)廨啓C(jī)完全不同的涂層，葉片材料也需視情況更換。

2) 抗沖擊。

艦船燃機(jī)在工作過程中可能遇到水下爆炸、近距離脫靶炮火等所產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊，其沖擊強(qiáng)度是航機(jī)的4～5倍。為滿足抗沖擊的要求，燃?xì)廨啓C(jī)要有減震支承，但是即使經(jīng)過減震后的沖擊值也是一般航機(jī)難以接受的，特別是機(jī)匣、軸承支架等簿弱環(huán)節(jié)。因此，必須對(duì)航改艦船燃機(jī)抗沖擊性進(jìn)行計(jì)算分析，如有需要，加固相應(yīng)結(jié)構(gòu)，使用較重型的機(jī)匣和通過環(huán)形框架來分散載荷，以改善發(fā)動(dòng)機(jī)本身抗沖擊負(fù)荷的能力，并進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)考核。

2.10 提高壽命、可靠性和可維修性改進(jìn)設(shè)計(jì)

航改艦船燃機(jī)的壽命一般是原航機(jī)(軍機(jī))壽命的幾十倍，雖然航改燃機(jī)采用了降溫、降負(fù)荷等措施，但仍難以滿足艦船要求。因此，還要開展研究工作，并對(duì)一些部件相應(yīng)的做些改動(dòng)，使其壽命和可靠性有大幅度增加。

艦船燃?xì)廨啓C(jī)一般安裝于艦船底部較為封閉的機(jī)艙內(nèi)，燃機(jī)更換和維修困難，為了提高燃機(jī)可維修性，在航改燃機(jī)設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，采用減少零件數(shù)目、分開式機(jī)匣、單元體結(jié)構(gòu)等方式，以提高可維修性。

3 結(jié)語

從成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)到成功的艦船燃?xì)廨啓C(jī)，其間還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。它不僅僅是配裝動(dòng)力渦輪輸出軸功率，還包括新設(shè)計(jì)低壓壓氣機(jī)、動(dòng)力渦輪、控制系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃燒室改進(jìn)設(shè)計(jì)、研制適用的清洗系統(tǒng)、改變材料和鍍層，防止鹽霧腐蝕以及進(jìn)行抗沖擊改進(jìn)設(shè)計(jì)等。一個(gè)艦船燃?xì)廨啓C(jī)裝船使用的成功與否，在很大程度上取決于這些關(guān)鍵技術(shù)解決得如何。所以，必須加大投入，在航機(jī)設(shè)計(jì)成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行航改艦船燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，提高設(shè)計(jì)能力，為船舶動(dòng)力的跨越式發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。