燃气动力装置

第四节　燃气动力装置

游艇燃气动力装置是指以航空燃气轮机作推进主机的动力系统。燃气轮机因其体积小、重量轻，是高速艇理想的动力装置。但其耗油率高、使用寿命短为其致命缺点。近年来，随着技术的进步，燃气动力装置在游艇上的应用又崭露头角。

一、早期的应用

燃气动力在船艇上的应用最早出现于20世纪50年代末。

英国Vosper公司于1958年1月推出全新的燃气动力军用艇，首制艇命名为Brave Bor-derer号（“勇敢的拓疆者”号，属于“勇敢”级）（图6-15），加入英国海军作新型巡逻艇。该型艇由于突破了许多传统观念，所以一问世就引起轰动。其最大特点是采用全燃气动力。主机为3台经过改装的Proteus型航空燃气轮机。每台最大功率2 573kW；连续使用功率2 059kW。燃气动力装置的布局如图6-16所示，这种V形布局传动形式在当时来说是一种创新。燃气轮机布置在艇的尾部，燃气轮机的废气直接从尾板排出舷外以获得部分推力。由于燃气轮机输出转速高，所以经过初级减速后再通过V型传动减速装置（可反转的角形减速齿轮箱）向后驱动3个超空泡螺旋桨。全功率时，最高航速超过50kn。全燃气动力最大的优点是重量轻，连同初级齿轮箱在内的功率重量比超过1.95kW/kg。若包含V形反转齿轮箱在内则为1.0kW/kg。这个指标几乎高出柴油机动力装置一倍以上。供应全船电力的40kW发电机也由Rover燃气轮机带动。这两种燃气轮机均燃用劣质柴油。

图6-15　首次采用燃气动力的“勇敢”级快艇

图6-16　英国“勇敢”级燃气动力装置布置图

其后在1960年，英国又推出较小一些的燃气动力艇“凶猛级”（Ferocity）。动力装置的主要改进是去掉1台燃气轮机，代之以2台小功率柴油机作巡航用动力。说明全燃气动力低速巡航时不经济，使用寿命低也是致命的缺点。但巡航柴油机功率小，每台仅110kW，单独使用柴油机巡航时，速度只有9kn，显得慢了些，不符合军用艇的要求。1966年，Vosper公司又推出了综合这两种快艇特点的新一代高速巡逻艇。动力装置改为3台Proteus燃气轮机和2台巡航柴油机。总功率达到9 375kW，最大航速57kn。这种动力装置称为柴油机燃气轮机组合（CODAG）动力装置。

Higgins公司于1959年推出了全燃气动力的高速交通艇，用于运送墨西哥湾海上油井的工作人员。艇的主要尺度为：艇长16.12m；艇宽4.84m；舷高2.41m；最大吃水1.22m；空船排水量12.70t；满载排水量18.18t；船员2人；载客30人；主机为2台Solar公司的燃气轮机，功率各为367.65kW；巡航速度达到34.75kn。

这艘全燃气动力交通艇可谓燃气动力民用艇的先驱者。两台Solar航空公司的燃气轮机为船用而进行了改装，每台各通过减速齿轮箱和V形传动装置来驱动螺旋桨。燃气动力装置总重为2 000kg，只有同等功率柴油机重量的1/5；每台燃气轮机所占体积仅为2m³，大大节约了机舱所占用的空间。

二、航空燃气轮机及其船用改装

高速艇上使用的燃气轮机都是利用航空燃气涡轮发动机经过改装后使用到艇上的。图6-17为Lycoming T-53燃气轮机的构造。燃气涡轮机主要由压缩机、燃烧室、涡轮等部分构成。新鲜空气由进气道进入燃气轮机后，首先由压缩机加压成高压气体，接着在燃烧室中同喷油嘴喷出的燃油混合后进行燃烧，成为高温高压的燃气，然后进入涡轮段推动涡轮旋转，将热能转换成机械能输出，最后的废气由排气管排出。而由涡轮输出的机械能中，一部分用来驱动前段的压缩机，另一部分则经由传动轴输出，用以驱动发电机、喷泵、螺旋桨等。船用改装主要有两个方面：一是冷却方式由空气冷却改为水冷；二是在空气进入端加装减速机构和功率输出轴，用来驱动下一级的减速齿轮箱，带动螺旋桨或喷水推进装置。

图6-17　Lycoming T-53航空燃气轮机构造

据报道，澳大利亚的国际双体船（Incat）公司已采用GE LM2500型燃气轮机（图6-18）作为一艘99m长高速渡船的动力，它经过改进后可以燃用液化天然气（LNG）和船用馏分燃料。

这艘以LNG为燃料的客运滚装双体船将在2012年交付使用。

图6-18　GE LM2500型燃气轮机

三、燃气轮机在游艇上的应用

意大利博星（Pershing）游艇是法拉帝旗下的一个品牌，从诞生之日起便有了“水上保时捷”的称号，将速度表现视为终极目标的顶级豪华游艇。2006年该公司推出了装有柴油机燃气轮机组合动力装置的Pershing 115型超级游艇（图6-19），不仅长度达到35m，而且首次在两台柴油机驱动两台喷水推进器的基础上，增加了一台燃气轮机，驱动中间的喷水推进器，使这艘超级游艇达到了惊人的55kn最高航速。

图6-19　Pershing 115CODAG动力游艇

它的发动机是2台MTU 16V4000M90型高速柴油机（每台2 720kW）加一台TAG Ver-icor Power Systems TF50型燃气轮机（3 676kW），可以组合成两种工况运行：一种是只使用柴油机工况，巡航速度在37～38kn之间，最大航程有400mile，最大航速可以达到42kn；另一种是在这个速度上，将燃气轮机并入运行，就可以轻松地把航速提高到55kn的最高水平。这样的速度在一艘重133t的艇上是很难实现的，因为增加功率的同时意味着增加重量，往往得不偿失，而燃气轮机的轻重量功率比却能做到这一点。

这种组合动力装置，英文名称为Combined Diesel And Gas Turbine，缩写为CODAG，早在20世纪50年代就出现在军用快艇上。这种燃气轮机也称为加速机，由于其耗油率大大高于柴油机，所以平时不会经常使用。游艇使用高速工况的时间是不多的，大约只有百分之一的时间使用。在这种需求下，燃气轮机是一个可以彻底改变普通游艇面貌的解决方案。它可以使艇变得不同寻常，能够显著地提高速度和灵敏度，其性能不仅令驾驶者疯狂，而且保证能将激情带给船上任何人！