【行业动态】MARPOWER推进船用氢燃气轮机关键技术集成与验证

导读：欧洲MARPOWER项目在实施两年后完成燃气轮机能源转换系统总体循环和主要部件设计，多项技术已进入制造与试验阶段。项目已使用100%氢气完成首个燃烧室原型试验，并在涡轮机械、余热利用、主动磁悬浮轴承和数字孪生方面取得阶段进展。

海上运输能源需求高、长期依赖化石燃料，船舶的服役周期又往往较长，因此被视为较难脱碳的行业之一。MARPOWER项目正在开发一种先进的船用燃气轮机能源转换系统，用于船上发电和热电联供。该系统拟使用多种可持续燃料，在降低排放的同时提高整体效率。

项目开展两年后，总体循环和系统设计已经完成，主要部件也形成了详细设计。若干关键技术已进入制造和实验测试阶段，数字孪生模型所包含的部件和运行信息也在持续增加。目前取得的进展包括压气机与涡轮优化、100%氢燃料燃烧室原型试验、热回收技术、主动磁悬浮轴承以及逐步集成的数字模型。

在涡轮机械方面，低压压气机和高压压气机的设计均已完成，高压涡轮的气动和冷却设计以及低压涡轮的设计与优化也已完成。MARPOWER采用双转子结构，两根转轴以相同角速度运行；主动磁悬浮轴承（AMB）的采用要求气动设计预留更大间隙。不同燃料还会造成涡轮进口温度变化，设计工作必须同时考虑这些因素。

项目为高压涡轮建立了新的内部冷却通道优化方法。经过先进的共轭传热仿真评估，优化设计所需冷却空气流量比依据标准文献关联式得到的估算值低约15%。低压涡轮则使用与自身几何特征相匹配的全三维叶片造型完成优化。获得详细三维构型后，后续工作将评估涡轮机械在非设计点、瞬态和多燃料工况下的性能。

燃料适应性是MARPOWER概念的核心。系统计划在燃烧装置只需有限改动的情况下使用氢、氨、可再生甲醇和可再生甲烷等可持续或净零燃料。首个MARPOWER燃烧室原型已经完成制造和仪表安装，并在常压试验台上使用100%氢气成功运行。该试验建立在大量计算流体力学仿真以及氢气供应、分配基础设施建设之上。

首轮试验结果与后续仿真正在支持第二个燃烧室原型的设计。新原型将采用灵活的空气分配系统并进一步优化几何形状，以提高燃烧系统对不同燃料的适应能力。

提高系统总效率不仅取决于燃气轮机本身，还需要更充分地利用循环内部和排气中携带的热能。项目已制造并装配缩比回热器原型，完成无损检测，并通过22.3巴压力试验，试验压力约为大气压力的22倍。

回热器用于回收燃气轮机循环内部的热量。容量按1∶100缩比的原型采用新的换热表面结构，制造过程中还引入机器人自动激光焊接。准备性试验已经完成，试验设施正在进行最终调整，随后将开展进一步实验验证。

MARPOWER还把回热与另一套废热回收系统结合，以进一步利用排气热量。废热回收锅炉及配套循环的设计已经完成，范围包括蒸汽轮机、泵、发电机、主动磁悬浮轴承和转子动力学设计。这两种余热利用路径的目标是提高总效率并减少燃料消耗。

项目的高速旋转机械需要能够支承转子、减少机械磨损并主动控制转子位置的轴承与控制技术。新型轴向主动磁悬浮轴承已完成设计、制造，并集成到现有飞轮试验台，初步完成转子碰撞和恢复试验。研究人员还建立了综合转子动力学、电磁学和轴承热行为的多物理场数学模型，为考虑温度影响的模型控制策略奠定基础。

MARPOWER还在研究如何模拟船舶运动条件下2.7兆瓦转子系统的工作状态。项目依据相似理论开发缩比转子，使其能够重现全尺寸转子的主要动力学特征，并配套建设可模拟纵荡、纵摇和横摇的液压运动平台。这样可以在可控尺度下研究代表性船舶运动中的转子动力学和主动磁悬浮轴承控制，并与全尺寸系统进行比较。高压轴原型目前正进行机械设计、有限元分析、转子动力学和轴承建模，随后将进入制造和实验验证。

为分析各项技术在系统层面的相互作用，项目已围绕选定设计点建立首个经过校准的数字孪生总体模型，并逐步加入更详细的部件信息。自动化仿真流程能够系统研究部分负荷、非额定运行和燃料切换等工况。首次系统级敏感性分析已识别出涡轮进口温度、环境温度和低压压气机效率等对输出功率和热效率影响较大的参数。

主动磁悬浮轴承子模型已经封装为功能模拟单元（FMU），使转子动力学模型和热力学模型能够交换数据并进行联合仿真。随着各项试验数据陆续取得，这些数据将用于完善并交叉验证数字孪生模型。

项目后半程将转向更具代表性条件下的试验、系统集成和验证。近期工作包括继续测试燃烧室和回热器，制造并装配第二个燃烧室原型，继续开发和测试转轴及主动磁悬浮轴承构型，并利用更高保真的部件模型和实验数据改进数字孪生。

完整能源转换系统还将放到实际船舶应用环境中评估。项目将选择集装箱船和邮轮作为两类参考对象，研究基本机舱布置，并通过数字仿真评估不同运行情景下的能源和排放表现。这些研究也将考虑现有船舶改装，因为船舶寿命较长，而把新技术装入现有船队面临技术和经济双重挑战。

除技术性能外，项目还将依据适用的安全法规、标准和工程实践进行合规评估，其中包括考虑原则批准（AiP）和技术鉴定流程（TQP），为未来认证提供依据。后续研究还将覆盖安全与风险、维修、生命周期评价和生命周期成本。

项目协调人、拉彭兰塔—拉赫蒂理工大学教授尤西·索帕宁（Jussi Sopanen）表示，项目上半程已经推进系统设计和关键技术并开始取得实验结果，下一阶段的任务是逐步把各项成果集成起来，在更有代表性的条件下扩大试验，并形成评估完整系统及其船上集成所需的证据。

MARPOWER由六个欧洲国家的11家单位参与，协调方为拉彭兰塔—拉赫蒂理工大学。合作方包括奥雷利亚技术公司、阿法拉伐、米兰理工大学、里纳咨询公司、里纳服务公司、维戈大学、德国航空航天中心、丹麦技术大学、大西洋船厂和萨巴拉创新公司。项目计划持续至2028年8月。

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