自1947年燃氣輪機被首次應用在艦船上開始，經過幾十年的發展，船用燃氣輪機取得了長足進步。一改早期船用燃氣輪機單機功率小、效率低、壽命短的缺點，現在先進的船用燃氣輪機，簡單循環的熱效率已達40%，複雜循環的熱效率已達46.2%，油耗降至200g/KW·h，大修期延長至24000小時，單機功率更是達到了50MW。按理說，發展到此種水平了，燃氣輪機是完全能勝任各類船舶的需求了，但是我們縱觀當下船用燃氣輪機的實際應用，仍以軍用艦艇為主，在民用船舶領域鮮有應用。既然燃氣輪機都那麼先進了，那為何民用船舶還是很少用呢？

採用了燃氣輪機的美國軍艦

從經濟性的角度來看

實際運營油耗高

從經濟性的角度來看，燃氣輪機上船，首先面臨初始造價高的問題，但是鑑於動力裝置如果能在運營期間取得良好的經濟性，從而降低船舶整個生命週期的成本，那麼就可以忽略初期成本高的問題，從而把經濟性的重點放在運營上。這點就像我國一些大型物流公司熱衷於進口卡車是一樣的道理。

降低運營成本，一直是民用船舶追求的重點

船舶的運營成本，最大的部分來源於燃油成本，因此，我們要搞清楚船用燃氣輪機的經濟性如何，就要先計算出它的油耗是多少。根據資料可知：現在先進的複雜循環的船用燃機的熱效率已達46.2%，油耗在200g/kW·h左右；而低速船用柴油機，近年來流行長衝程的低速機，因此我們選用170g/kW·h（實際有更低的）；至於功率段，我們選用40萬噸礦砂船的主機最大持續功率（MCR），接近30000kW（取30000kW）。計算如下：

船用燃氣輪機MCR工況下一小時油耗：30000✖200➗1000000＝6噸

船用低速柴油機MCR工況下一小時油耗：30000✖170➗1000000=5.1噸

從計算結果我們不難看出，以40萬噸礦砂船為例，如果主機以MCR工況運行，燃氣輪機和低速柴油機每小時的油耗相差近一噸，而二十四小時的油耗更是相差二十多噸。可想而知在整個運營週期，燃氣輪機要比低速柴油機多燒多少油？

滿載航行的40萬噸礦砂船

選型匹配困難，造成油耗高

事實上，燃氣輪機和低速柴油機的油耗差距遠比筆者計算的要大，這是因為低速柴油機在選型區間裡都有不錯的燃油表現。因此，船舶普遍採用降低柴油功率的方式來節約燃料，即不在MCR或SMCR（ 選定的最大持續功率），而是在CSR（常用持續功率）下運行。而反觀燃氣輪機，它的燃油消耗率僅在一定工況下才具有良好的表現，當降功率運行的話，可能會造成燃油耗量急劇增加，這樣就為選型匹配帶來了困難。倘若我們選用額定功率=CSR的燃氣輪機，當船舶為了趕班期或者應對突發情況需要提高功率時，就會出現功率不夠的問題；而倘若我們選用額定功率=MCR或SMCR的燃氣輪機，則會造成燃氣輪機實際長期在低功率下運行，燃油經濟性不好，進一步拉大和低速柴油機的油耗差距。

圖中柴油機每天油耗346噸，比同功率的燃氣輪機少不少（實際未生產）

採用輕質柴油，造成燃油成本高

理論上來說，燃氣輪機可以使用任何液體燃料，甚至連煤粉、水煤漿也可以（美國在1946年就研製出了燒煤粉的燃氣輪機）。但事實上，船用燃氣輪機仍以輕質柴油為主，這相較於以重油為主的大型低速機，又進一步拉開了經濟性的差距。

重油比輕質柴油便宜不少

從傳動效率的角度看

傳動指的是把主機的功率傳遞給螺旋槳的過程。現在民用船舶為提高推進效率，普遍採用大直徑低轉速的螺旋槳。以40萬噸礦砂船為例，其採用了一個直徑超11米，設計每分鐘轉速只有幾十轉的四葉槳。為了匹配這個槳，意味著傳動系統輸入到螺旋槳的轉速要足夠低。而實際中，40萬噸礦砂船選用了一款額定轉速只有72r/min的低速主機，這樣傳動過程中就無需減速，可以採取直接驅動的方式，大大簡化了傳動系統，提高了效率。而反觀當下主流的幾款船用燃氣輪機，額定轉速普遍在3000r/min以上，這就必須要在傳動系統中設置減速齒輪箱。

大型集裝箱船的長軸系（直接傳動）

而齒輪箱的設置，會為傳動系統帶來一系列的問題，首先要面對的就是成本的增加。以筆者曾參與的某一航速高達32節的船舶為例，僅僅是用於匹配幾千千瓦的主機，將轉速從一千多轉降到三百轉左右，齒輪箱的價格就高達幾十萬（進口齒輪箱）。可想而知，如果是用於匹配幾萬千瓦的主機，將幾千轉的轉速降到一百轉以下（大減速比），那齒輪箱的價格又該有多高？

採用了齒輪箱的動力系統一般應用在不大的船上

事實上，最致命的還不是價格高，而是在於傳動效率。對於採用直接傳動船舶，最大損失來源於摩擦；而對於採用了齒輪箱的傳動系統，則就大不一樣了，因為再好的齒輪箱也有傳動損失。雖說齒輪箱的傳動效率很高，能達到95%以上，好的甚至能達到98%~99.5%，但是以98%的傳動效率為例，在傳動過程中，它在最佳狀態下仍有2%的損失。這個傳動損失對於功率不大的小船來說可能不算什麼，但是對於功率高達30000kW的主機來說，在傳動過程就有600kW的功率損失。想想整個航程下來，這又白白浪費多少功，多消耗多少油啊！

船用燃氣輪機

維修難度大，會對船舶的運營造成影響

船用燃氣輪機，在一定程度上繼承了航空用燃氣輪機整合程度高的特點。對於這種高整合度的精密的機械，需要維修人員具有較高的專業水平；而對於一些較大的故障，甚至只有廠家才能維修，因此會對船舶的運營造成很大的影響。而反觀低速柴油機，其維修已非常成熟。在船上一般配有配有氣缸套、活塞連桿組件等重要備件，並且設置專門的機修間。這樣的話，除去斷曲軸等一些重大故障，一般船上人員都能自行維修。除此之外，低速柴油機的原理，也決定了自身具有一定“抵抗”故障的能力。如在多缸機中出現一個或兩個缸無法修復時，仍能通過封缸運行的方式保證船舶而不至於完全失去動力。

修理燃氣輪機具有一定的難度

結語

對於民用船舶，尤其是以遠洋運輸為主的大型貨船來說，經濟性是其考慮的重點，然而船用燃氣輪機恰恰是在此領域輸的最慘。除此之外，傳動效率低，維修難度大，以及一些筆者文中沒提到的因素綜合作用下，造成燃氣輪機鮮有在民用船舶中應用。當然，鮮有不代表沒有，在一些小型的民用高性能船舶上，以及一些特殊船舶上，還是有一定的應用。不過筆者覺得：燃氣輪機不應該在民用船舶領域只有這麼小的份額，同時也相信未來隨著電力推進在民用船舶領域的普及，解決主機與推進器之間的匹配問題，使燃氣輪機能在一個穩定的工況下運行（發電機組），那麼燃氣輪機在一些特定的民用船舶領域會迎來一個“春天”。（注：個人觀點，不喜勿噴！！！）

短途的水翼船非常適合採用燃氣輪機動力

作者：小船人的夢想 2019年9月1號