輕量複合材料於軍艦燃氣渦輪之優勢
2023.05.12
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壹、新聞重點
美國海軍於2023年4月2日在加州懷尼米港（Port Hueneme）舉辦了獨立級濱海戰鬥艦「聖塔芭芭拉號」（USS Santa Barbara）之服役儀式，其為美國海軍首艘以「輕量複合材料」作為「奇異LM2500」燃氣渦輪引擎（General Electric LM2500）外殼之濱海戰鬥艦，具有降噪、降低引擎溫度、減輕船艦重量等多項功能，未來此類輕量複合燃氣渦輪模組亦將被陸續安裝至美國海軍之「星座級」巡防艦（Constellation-class Frigates）與伯克級「Flight III」飛彈驅逐艦（DDG-51 Flight 3 Destroyers），芬蘭海軍之「波哈馬級」巡邏艦（Pohjanmaa-class Corvettes）。[1] 以下分析輕量複合材料應用於軍艦燃氣渦輪之優勢。
貳、安全意涵
一、輕量複合材料外殼可降低燃氣渦輪運轉噪音與溫度
由於海上作業環境多變，船舶結構及元件須具備堅固、耐腐蝕與易維修等特性，引擎推進系統與船舶移動性則分別朝為節能、敏捷等方向演進。而相較於單一材料，複合材料結合兩種以上不同材料之物理、化學與機械性質，可滿足軍用船舶之多樣需求。自二戰後美、英與部分歐洲國家逐漸以玻璃與碳纖維等輕量複合材料，取代軍艦船體或俥葉之鋼鐵或其他金屬元件。[2] 與金屬相比，輕量複合材料作為船艦燃氣渦輪外殼有重量較輕、抗震、降噪與降溫等優點。因此自2014年起，美國海軍聯合「奇異公司」、「通用電力公司」（General Dynamics）子公司「巴斯鋼鐵廠」，針對奇異燃氣渦輪模組研擬碳纖維複合材料外殼，歷時四年研發後於2019年正式推出產品。其較鋼製外殼的原機減輕近50%之重量（2500公斤）與運轉所產生之餘熱（攝氏14至28度），另外亦可降低將近六成（4dBA）之噪音，有助於提升軍艦之移動與情監偵能力。[3]
二、輕量複合材料外殼抗侵蝕易檢修有助提升引擎維修效益
複合材料除了可減輕重量之外，其中尤以「纖維強化聚合物」（fiber-reinforced polymer）具有比鋼鐵、鋁以及木頭製品更好的抗侵蝕性及耐撞擊性，而被廣泛運用在海事工業中，而「奇異LM2500」燃氣渦輪引擎所採用的碳纖維外殼則是一體成形、減少螺栓使用，降低外殼本身及內部引擎被侵蝕的機會，此外與原鋼鐵機型相比，該碳纖維外殼上檢修門重量亦減輕60%，門的高度增加15公分，門上並附有一扇長45公分、寬20公分的透明窗戶便於檢視內部引擎運作，再加上碳纖維材料有較佳的降溫散熱效果，從而改善整體檢修環境，以及提升艦上人員的維修效益。[4]
參、趨勢研判
一、複合材料外殼可於美國國內製造而較無海外供應鏈壓力
對美國海軍而言，「奇異LM2500」燃氣渦輪引擎之碳纖維外殼可於美國境內製造，供應鏈較不容易受到跨國物流或貿易壁壘等因素衝擊，例如「聖塔芭芭拉號」濱海戰鬥艦所採用之碳纖維複合材料外殼，可於距離燃氣渦輪製廠僅八公里之鄰近地區進行生產及組裝。[5]
值得關注的是，合作企業的生產配置計畫亦深刻影響複合材料供應鏈之運作，例如波音航空在打造以碳纖維複合材料為主之「波音787夢幻客機」（Dreamliner）時，將八成的組件開發與生產任務外包予來自20餘個國家的供應商，雖然剛開始生產成本得以降低，然而研發與生產之地理位置過度分散，也使供應鏈運作之效度及可靠性下降，衍伸問題包括：碳纖維機體架構過於脆弱無法支撐機翼，而需不斷地強化支撐力，甚至重新修正飛機模型，飛機組裝完成後在測試過程亦出現各樣狀況，最終導致交付時間大幅延後；相對地，奇異航空則將複合材料事業發展重點聚焦於渦輪機開發，針對陶瓷基複合材料（Ceramic Matrix Composites, CMCs）應用由渦輪機「冷段」（Cold Section），亦即進氣道與壓縮機等，擴展到「熱段」（Hot Section），例如高壓壓縮機渦輪護罩等元件，此外並與法國「賽峰」（Safran）、「日本炭素」（Nippon Carbon）等企業合資，將此複合材料產線進行垂直整合、內包至美國境內工廠生產，以減少海外因素影響。[6] 由於「奇異LM2500」為全球最被廣泛採用、將飛機引擎轉為海事或民生發電用途的「航改燃氣輪機」（aero-derivative gas turbines）型號，也為美國海軍軍艦所仰賴，90年代迄今美國海軍已使用近300座同款燃氣渦輪引擎。[7] 因此其碳纖維複合材料外殼之國造供應鏈優勢，亦對於美國軍艦日後進行引擎維修與升級極有助益。
[1]“US Navy Commissions First Ship With GE Marine’s Lightweight Gas Turbine Enclosure,” Naval News, April 3, 2023, https://reurl.cc/GeyZpW.
[2]Suchart Siengchin, “A Review on Lightweight Materials for Defence Applications: Present and Future Developments,” Defence Technology, March 12 2023, https://reurl.cc/EG97Q1.
[3]TMI Staff & Contributors, “Carbon Fibre Enclosure Reduces LM2500 Package Noise by 60%,” Turbomachinery International, April 10, 2018, https://reurl.cc/lv64o6；
[4]Felice Rubino, Antonio Nisticò, Fausto Tucci and Pierpaolo Carlone, “Marine Application of Fiber Reinforced Composites: A Review,” MDPI, January 6, 2020, https://reurl.cc/Y8Aqa4；“LM2500+G4 Marine Gas Turbine,” GE Aerospace, 2021, https://reurl.cc/b7O35X.
[5]“Navy Commissions First LCS with New GE Composite Engine Enclosure,” Seapower, April 4, 2023, https://reurl.cc/V8dnOY.
[6]Delphine Knab, Samih Coskun Baban, Andreas Schlosser, Philipp Seidel, Can Lök and Thomas Knoblinger, “What’s Next for Aerospace Composites?” Arthur Little, 2018, https://reurl.cc/4QKb7X；Cole Massie, “Meet the Super Material Helping GE’s Adaptive Cycle Engine Deliver Transformational Performance,” GE Aerospace, May 30, 2022, https://reurl.cc/Q4r2AM.
[7]“The Market for Gas Turbine Marine Engines,” Forecast International, November 2010, https://reurl.cc/Y8g51X; “GE Ships LM2500 Marine Gas Turbine for US Navy Destroyer DDG 125,” Naval Technology, January 16, 2018, https://reurl.cc/o0kb9M.