国产燃气轮机获突破 真正实现自主生产

舰船动力装置主要有:蒸汽动力装置、柴油机动力装置、核动力装置、燃气动力装置和联合动力装置。前两种装置发展得比较早,广泛应用于各类舰船,后面三种,系近十多年来迅速发展起来的新型动力装置。舰船燃气轮机动力装置是指以燃气轮机为主机的全燃化动力装置。它自五十年代末期起,尤其是六十年代中期以来,已得到了极其广泛的应用。功率总数日益增长,装舰使用范围日益扩大,已由快艇发展到了护卫舰、导弹驱逐舰、巡洋舰和直升机航空母舰等,可谓是舍我其谁。

燃气轮机是以空气为介质,靠高温燃气推动涡轮机械连续做功的大功率、高性能动力机械。它主要是由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成,再配以进气、排气、控制、传动和其他辅助系统。当燃气轮机机组起动成功后,燃气轮机就会开始进入稳定的热力学循环过程。压气机连续不断地从外界大气中吸入空气并增压,这个过程可以认为是压气机动能向空气热能和势能的转换,被压缩后的空气温度升高有利于与燃料进行更猛烈的化学反应(化学反应速度和程度与温度成正比),更大的膨胀比也有利于压缩空气燃烧后释放更大的能量。压缩空气从压气机出来后即进入燃烧室,首先会在燃烧室进口被喷入燃料进行掺混,然后就会点火燃烧。这个过程可以认为是燃料化学能向空气热能和势能的转换,在短短几十厘米的距离内空气的温度上升数百甚至上千度,压力也会激增。高温高压的燃气从燃烧室出口喷出,就开始膨胀,在膨胀的同时推动涡轮叶片做功。这个过程就是燃气热能和势能向动能的转化。涡轮将燃气的能量转化为动能后,一方面用于压气机压缩空气持续进行热力学循环,另外一方面由主轴将转子的扭矩输出,经过减速器减速以后用于推动军舰。整个热力学循环完成使得燃气轮机实现了燃料化学能向机械能转换的最终目的。

在军舰动力方案选择上,燃机轮机的主要竞争对手是舰用柴油机和舰用蒸汽轮机,但是由于燃气轮机先天优势与军舰动力系统性能要求更为吻合,燃气轮机成为了各国军舰动力系统发展的唯一选择。老牌海军强国如美国海军、英国海军、日本海上自卫队的主力水面作战舰只早已完成动力燃气轮机化。

燃气轮机第一个优势是功率密度极大。一般情况下,同等功率的燃机体积是柴油机的三分之一到五分之一,是蒸汽轮机的五分之一到十分之一左右。这是由于燃气轮机本身精巧的连续转动热力学循环结构造成的,体积小、功率大,非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点。

燃气轮机的第二个优势是启动速度快。虽然燃机的转速是三种动力系统中最高的,但是由于整个转子十分轻巧,在启动机帮助下在1-2分钟就可以达到最高转速。而柴油机由于转子运动源于活塞的往复,加速较慢,蒸汽轮机更是“反应迟钝”,整个系统达到最高功率输出可能需要长达一小时的时间。而启动速度,对于军舰的战时出动和反潜作战时加减速性能有着直接的影响。

燃气轮机第三个优势是噪声低频分量很低。由于燃气轮机本身处于高速稳定转动当中,产生的噪声更多是高频啸声。而柴油机的活塞往复产生了大量低频机械振动噪声,恰好迎合了海洋容易传播低频噪声的特点,导致军舰容易被敌方声纳探测。所以柴油机动力尤为不适合给反潜军舰作动力系统。

发达国家尤其是美国早就认识到舰用燃气轮机的巨大优势,研制大量燃气轮机型号为自己的海军提供充裕的动力,其中LM2500燃机基本统一了美国海军大中型作战舰艇的动力系统,还装备了24个国家海军、350艘军舰,号称“驱动半个地球的海军”。LM2500燃气轮机是美国GE公司于20世纪60年代末研制的高效大功率船用燃气轮机, 由TF39航空涡轮风扇发动机(民用型为CF6)改装而成,是第一型第二代船用燃气轮机。最初的 LM2500燃气轮机的输出动力为25500马力。

LM2500燃气轮机为双转子结构,由单转子燃气发生器和自由动力涡轮转子组成。燃气发生器由压气机、燃烧室和压气机涡轮组成;压气机共16级,进口导叶和1-6级静叶可调,压气机转子为鼓形结构;燃烧室为单环燃烧室,装有30个燃油喷嘴和2个点火器,内、外壁采用气膜冷却;压气机涡轮为二级轴流式,两级动叶和静叶均采用空气冷却,第一级和第二级静叶为冲击和气膜冷却,第二级动叶为冲击和对流冷却,由于采用了先进冷却技术,虽然燃烧室出口温度为1170℃,但涡轮叶片金属表面的温度仍不超过846℃;动力涡轮原为TF39中驱动风扇的涡轮,采用了低负荷设计,级数多达6级。

LM2500在不断发展改进,实现了功率级别的跨越式发展。LM2500+是给LM2500增加零级压气机的功率加大的改进型机组,燃烧室出口温度从1170℃增加到1205℃,压比从18.8增加到23.3,空气流量从70.3 kg/s增加到85.7 kg/s;额定连续功率29788kW;在上述功率下的热效率37.8%。美国海军的LHD1“黄蜂”级大型两栖攻击舰的动力装置,本来采用的是两台共7万马力的蒸汽轮机,从第8艘“马金岛”号(LHD8)起,已经改为使用两台LM2500+燃气轮机推进。

2005年GE公司开始对最新一代的LM2500+G4燃气轮机进行试验,LM2500+G4是具有增加压气机、压气机涡轮和动力涡轮流动能力的LM2500+,升级改进基于适度的增加燃气初温和压比,空气质量流量增加5%,其最大功率达到了47370马力,效率进一步提高到39.3%。从最初的25500马力到G4的47370马力,LM2500连续跨越了两个功率等级的台阶,充分显示美国在复杂工业产品研制上强大的预研和工程能力。

中国舰用燃气轮机研发的起步并不算晚。根据“中国舰用燃气轮机总师访谈录”的介绍,1958年中国开始着手研发计划的具体组织实施,决定成立南、北方两个联合设计组,先开展大、中、小三型机组的可行性论证和方案设计。1959年底,前苏联向中国转让了M-1舰用燃气轮机技术,中国对该机组进行了以技术练兵为目的的仿制工作。仅用了11个月,上海轮机厂就完成了该型燃机的首台样机制造。不过由于各种原因,仿制样机经过3年才排除大量故障通过验收试验。后来该型燃机在一艘高速炮艇上进行了试验并且装备了部队。1964年完成设计的6000马力燃机组是中国第一次自行设计研制的舰用燃机,但是由于研制周期过长加之原装配对象计划调整未能装备部队。与世界上其他国家主要依靠航空发动机改燃机不同,中国由于航空发动机水平落后,采取的是改进和专用研制并举的道路。

1967年中国决定将轰六轰炸机上的涡喷8发动机改进为大功率舰载燃气轮机,这是中国首次进行“航改燃”实践,但是最终因为发达国家同意进口相应型号受到冲击无果而终。后来中国一直在舰用燃机方面不断尝试,但是一直没能拿出一款成熟可靠性能优良的舰载燃气轮机。这就是中国6艘装备燃气轮机的驱逐舰都采用外国产品的原因,其中112、113两艘驱逐舰因为受到美国禁运影响,其装备的LM2500燃气轮机到了使用时限也难以获得大修。这同时也使得052型驱逐舰在建造完成2艘以后,就不得不停止建造。

中国在舰载燃气轮机方面一直没能突破技术瓶颈的主要原因有很多,既有航空动力方面的问题也有舰用燃机工业本身的体制问题。其中最主要的一个原因是中国航空动力工业缺乏长期发展规划。中国航空动力工业像很多落后国家一样是从仿制和修理开始的。在老大哥的帮助下,中国迅速建立起一个能够和世界一流水平比肩的航空工业体系,但是中国并没有为航空工业以及航空动力工业制定一个从仿制到研制的长远发展规划,而是将航空工业本身的任务局限于仿制、生产和修理,确定了以生产为主的“遍地批量厂”发展方针。中国航空工业的运行状态就是,仿制生产再仿制再生产,长期处于这种发展状态下,中国航空动力工业对于现代航空动力系统的研究发展客观规律认识极为不足。

航空发动机研制没能突破相关技术瓶颈,与航空发动机技术相通的舰用燃机更是无从谈起。在2004年,中国一航开发研制的国产新型燃气轮机QC185在珠海航展上首次面世。而该机就是以太行核心机为基础改进的轻型燃机,不过输出功率17兆瓦的水平也不足于中国目前发展大型水面舰艇的需要。另外,中国舰用燃机轮机主要研制和生产单位存在于航空工业之外,在体制方面非常不利于航空发动机向燃气轮机的改进工程。

航空强国的动力发展经验是进行核心机预研,然后在同一个核心机上再衍生出航空发动机和舰用燃气轮机。世界著名的舰用燃机LM2500就是核心机预研工程的衍生产品。LM2500燃气轮机衍生自美国GE公司的GE9核心机。GE9核心机衍生出F101大涵道比军用加力涡扇发动机用于B1B超音速战略轰炸机,将GE9的换算流量进一步减小发展出了GE15核心机。GE15核心机衍生出的涡喷型号YJ101参与竞争F-15和轻型战斗机计划(F-16研制计划)但是输给了普惠的F100发动机。后来竞争YF-17也就是今天的F/A-18舰载机项目时,GE将YJ101的低压压气机放大成为风扇研制出了F404中推涡扇发动机。而将F404的风扇放大并与F101的小涵道比型号结合,就是F-15和F-16的著名动力F110。

在GE9核心机基础上衍生的舰用燃气轮机LM2500是世界上最成功的舰用燃气轮机,装备了美国阿里伯克级等多个国家的军舰。而通用电气与法国斯奈克玛公司联合研制的CMF56大涵道比涡扇发动机也是以GE9核心机为基础的,CMF56发动机装备了空客A320等多种民航发动机,也是第三带民用涡扇发动机的典型代表。这就是说,GE9一个核心机解决了F-15,F-16,F-18这些世界知名战斗机、以伯克级驱逐舰为代表的各类舰艇乃至民航客机所有动力问题,这不得不说是核心机预研的巨大效益。可以说,一型核心机的研制成功,意味着整个国家从天空到海洋的全面突破。美国从上世纪五十年代末就开始核心机预研计划,而我国晚了大概30年,由于起步晚,经验和工业基础不足,至今未能拿出一款大规模实用的核心机型号。

在国产燃气轮机短时间难以成熟量产的情况下,中国不得不寻找新的舰艇动力系统,乌克兰在解体前是前苏联的燃气轮机研制、生产基地,当时其刚刚完成第四代GT-25000型燃气轮机的研制工作,该机功率为33000马力,除了重量和体积略大于LM-2500以外,在油耗、效率等方面都与LM-2500相当,是一型性能较好的舰用燃气轮机,中国除引进成品外用于建造052B/C两型驱舰外,还从舰用动力立足国内的角度考虑,与乌克兰签署了技术引进协议,引进技术自行生产。

根据国外媒体报道,中国船舶工业集团公司从乌克兰进口了4台GT25000型25MW船舶燃气轮机。这四台燃气轮机于2001年6月(第一对)和2001年12月(第二对)交付,用于装备中国新下水的052B型驱逐舰。除此之外,根据海军资深士官朱桂全在解放军报发表的文章,可以分析得出至少在169舰、170舰、171舰上都已安装了国产化的GT25000舰用燃气轮机。这说明该燃机已经被仿制成功并且已经在索马里进行实战检验,中国自此进入了舰用动力发展的新时代。

GT25000燃气轮机额定功率29000kW、效率36%,在额定功率上比LM2500基本型稍高。该机对应不同的结构方案具有不同的热效率,三轴GT25000效率可以达到37%,但是依然低于采用更简单的双轴结构的LM2500+燃气轮机,显示出该燃机与世界先进水平的差距。不过该机充足的功率保证了中国新型大中型舰艇的动力。

目前中国区域防空驱逐舰依然处于一种小步快跑的状态,没有达到所谓最终“目标舰”的完整作战性能。其主要原因是动力不足和通用导弹垂直发射装置尚未研制成功。而GT25000燃机完成仿制之后,中国则无需再受到进口燃机数量的限制,突破动力瓶颈,开始新一轮的造舰热潮。GT25000舰用燃气轮机额定功率29兆瓦,实际输出功率在23兆瓦左右。四台GT25000燃机实际总功率可以达到90兆瓦左右。日本爱宕级防空驱逐舰和韩国KDX3级驱逐舰虽然都是万吨的满排,但也不过是70兆瓦的总功率水平。

中国海军编队长期在非洲亚丁湾执行护航任务,
更多精彩尽在这里,详情点击:http://yunheseed.com/,英联杯莱顿东方每批舰艇都要在海外连续执行任务数月之久,从未听说过GT25000燃气轮机在护航过程中动力出现过问题。朱桂全在解放军报发表的文章中也这样写道“在五年里,作为海军新一代主力战舰的169舰、170舰、171舰,在亚丁湾护航任务中表现抢眼,115舰、116舰多次完成出访、出岛链远航任务。它们在远航、护航、联合军演中的出色表现,折射的正是人民海军装备建设的飞速发展。”这说明GT25000燃机仿制型号的可靠性和经济性适合中国国情,能够满足现阶段中国海军需要。但需要看到,中国主力舰只也仅仅是可以放心使用国外燃气轮机的仿制改进型号。

现阶段立足于GT25000的动力系统,可以通过对动力方案的调整做到中国将来各类主力舰只都有适合的动力可用。在驱逐舰方面,继续深挖GT25000燃机的功率潜力,采用两台GT25000和两台舰用柴油机交替工作的方式可以为满排在7000吨左右的驱逐舰使用。将GT25000功率降低从而增加寿命和经济性,然后采用四台方案为9000吨满排驱逐舰提供动力,这就可以突破以往军舰排水量限制达到和阿里伯克级驱逐舰相当的水平,意味着中国主力防空舰综合性能达到美国主力舰的水平。9000吨的防空驱逐舰和同级别反潜通用驱逐舰已经能够支撑起一个航母编队的防空反潜反舰等综合任务。

另外考虑到将来海军对陆远程精确打击和驱逐舰单舰独立执行任务的需求,直接采用四台GT25000燃机驱动满排在11000-13000吨的大型综合驱逐舰。该舰采用大容量垂直发射系统容纳独立作战自卫所需的远中近防空反导导弹和用于攻击的反舰导弹对陆巡航导弹,并在综合完善雷达电子设备支持下,在一定海域执行综合性任务具有相当高的效费比。该级别驱逐舰参与舰队作战时该舰可以作为火力加强性节点,负责舰队中需要强火力支援的作战任务。

目前根据朱桂全在解放军报发表的文章看来,军方内部已对国产化的GT25000燃气轮机予以了肯定。中国自研中等功率燃机项目也正在稳定推进,中等功率燃机QC185也完成了试制并且第一次点火开始试车工作,预计数年之内就能设计定型[

]。从此前国产驱逐舰已经开工的情况来看,由于国产燃气轮机已经基本解决问题,中国海军新一波的造舰高潮也业已展开。但我们仍要看到中国虽然拥有了第一种国产大功率舰载燃气轮机,但它不仅是一款仿制型号,而且相比LM2500这些世界知名的舰用燃气轮机仍然差距明显。而中国燃气轮机在下一阶段要取得新的实质进展,就必须取决于中国航空动力业在核心机预研上能否获得关键性突破。由于中国航空动力工业是众所周知的“老大难”,目前看来相关研究机构的下一步工作可谓任重而道远。

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