《舰载武器》：我国舰用燃气轮机的发展历程

  2010年第2期《舰载武器》，作者：潘文林


    2006年底服役的115号和116号051C型防空驱逐舰加入北海舰队服役。该级军舰留给世人深刻印象的不仅是基于俄罗斯S-300F（SA-N-6）导弹的区域防空系统，还有就是该级军舰作为21世纪唯一使用蒸汽动力的新一代主力战舰而格外引人注目。可以说，基于167“深圳”号改型而来的051C型导弹驱逐舰正是人民海军发展史的缩影，在它身上可以看到我国舰船用燃气轮机的坎坷发展之路。

    我国舰船用燃气轮机研发的起步并不算晚。据我国燃气轮机专家、中国工程院闻雪友院士介绍，国内有关方面根据《国防科学技术十年规划》，在1958年即着手研发计划的具体组织实施。当时决定成立南、北方两个联合设计组，先开展大、中、小三型燃气轮机的可行性论证和方案设计。1960年初，在对方案设计审查的基础上，确定重点进行4410千瓦舰船用燃气轮机的研制工作。为加强舰船用燃气轮机的设计、研制工作，决定成立专业研究所。与此同时，在1959年底，根据中苏双方的协定，苏联将其研制的第一款舰船用燃气轮机M-1的图纸运抵我国。M-1曾装于苏联183K型鱼雷快艇，功率为2940千瓦，翻修寿命100小时，在苏联已被淘汰。可见，国内燃气轮机产业的开局、布局是不错的，一开始就是自行设计和仿制两条腿走路。在当时对舰船用燃气轮机知之甚少，工艺水平也很低的状况下，从M-1图纸到达，经翻译、消化、工艺准备、试制和装配，上海汽轮机厂仅用11个月就完成了首台样机的制造。由于原机结构设计存在缺陷，加之制造、装配质量欠佳，苏方又未提供计算资料，台架试车并不顺利，历经３年才通过了验收试验。

    4410千瓦的燃气轮机则是我国自行设计、研制的首型舰船专用机，1964年完成设计。整机试验阶段曾发生涡轮叶片严重烧伤、主轴承损坏等事故，最终完成500小时耐久性试车，其后进行小批量生产。与此同时，开展了双机并车传动装置的研制，包括行星减速器、液力耦合器、自动同步离合器及其自动控制系统，整套双机并车传动装置在陆上试验站进行了150小时试车。这也是我国第一次进行并车传动装置的研制。在整机及装置试验中进行了详尽的科研性测量和试验，获取大量宝贵的数据和资料。遗憾的是，虽然整个动力装置的可靠性已满足要求，具备了装艇使用的条件，但因研制周期过长，拟装猎潜艇的计划调整而未能装舰使用。该型发动机的研制成功开创了我国舰船用燃气轮机自行设计的先河，打破了“零”的记录，从技术到材料全部立足于国内，研制中所积累的一整套设计、制造、试验、运行实践经验和技术设施、手段，为我国舰船用燃气轮机的进一步发展和应用奠定了坚实的技术基础。正因为在4410千瓦燃气轮机中完全自行研制的压气机获得成功，在该压气机前加0级、00级，使空气流量、压比增加，又将燃气初温提高到1000℃，发展出一型9190千瓦的舰船用燃气轮机。

    在自行设计、生产舰船用燃气轮机取得成功之前，国内相关企业、单位在发展工业用燃气轮机，以及引进国外的成熟技术方面取得了一定成果。我国在引进苏联燃气轮机技术的同时，还引进了瑞士BBC公司的列车发电机组。60年代至70年代初,上汽、哈汽、南汽和东方汽轮机厂都曾以厂所校联合的方式,自行设计和生产过燃气轮机,涡轮进气初温达到700℃等级,与当时的世界水平差距不大。比较典型的机型有：南京汽轮机厂于1964年制成国内第一台1500千瓦的发电用燃气轮机，哈尔滨汽轮机厂于1969年制成国内第一台机车用2205千瓦的燃气轮机。70年代中期,为配合川沪输气管线的建设,由国家计委批准,以南汽为基础,投资1.4亿,并将各地燃机专业人员200余人调入南汽,建设了我国重型燃气轮机科研生产基地。并由原第一机械工业部负责在南汽组织了由全国近百个单位参加的23兆瓦燃机大会战。于1978年成功地完成了第一台全国产化样机的试制工作并通过了国家鉴定,这是我国当时最大功率的燃气轮机,涡轮进气初温990℃等级。之后,共生产同型号机组3套用于发电,目前仍在使用。此次会战充实和壮大了重型燃气轮机设计和科研队伍,到目前为止,仍是我国重型燃气轮机工业的技术基础。70年代后期,哈汽、上汽、东汽和南汽按国家川沪输气管线计划,联合设计了17.8兆瓦驱动用燃气轮机。由于国家能源政策的调整,未能投入生产。1986年8月，中国航空技术进出口公司、成都发动机（集团）有限公司和美国联合技术公司涡轮动力部、普惠公司签署了共同开发FT8燃气轮机项目的合同。该合同于当年11月生效。在FT8燃气轮机合作项目中，美方对FT8的设计、生产技术全面负责，并承担FT8与JT8D通用零部件和控制系统的制造和国际销售。中方参加设计，承担更改设计零部件、动力涡轮和部分箱装体的制造，并负责国内、东南亚等27个地区的国际销售业务。美方在市场销售、制造、质量控制、安装调试和用户服务方面为中航技提供全面的技术支援。FT8的首台样机于1988年开始试验。根据合同规定，第一台生产型机组于1989年或1990年在中国问世；第一台舰船用机组将由中国船舶工业总公司进行试验，随后将装备海军舰艇。历时10年联合研制的FT8燃气轮机，最大功率为24.8兆瓦，热效率达38.7%，可用于发电、机械驱动和舰船动力。FT8燃气轮机技术的引进，不仅填补了中国大功率航改燃机制造业的空白，也使我国跨入世界航改燃机制造的先进行列。自1996年8月试制成功后已经在全国多个燃气电站得到应用，在使用中体现了极其优异的可靠性。90年代，上海汽轮机厂股份有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司、南京汽轮电机（集团）有限责任公司积极寻求国际合作，生产大功率燃气轮机。例如，南京汽轮机厂与通用电气公司合作生产了MS6001大型发电燃机。

    中国航空工业在七八十年代，在航改燃机方面取得了一些成就。主要有：以涡轴5为原准机改型而成的792SB，以涡桨6为基础衍生发展的涡桨6改2甲（WJ6G2A）、涡桨6改4甲（WJ6G4A）和409型，以涡喷6为基础改型的涡喷6改（WP6G），以涡扇9（国产“斯贝”）为原准机派生而来的涡扇9改1甲（WS9G1A）和410A（G2）等燃气轮机。其中，有关方面曾试图将WJ6G2A、WJ6G4、410A（G2）等航改轻型燃机用于气垫船和作战舰艇，但由于种种原因而没有最终应用。关于国产“斯贝”航改燃机，笔者再补充一下：航空工业部门在1981年底开始进行将“斯贝”派生为9560千瓦舰用燃气轮机的研制工作。1983年，国家经委等部门联合下达由中国船舶工业总公司703所与航空工业部614所（无锡航空动力控制系统研究所）,430厂（西安航空发动机公司）跨部联合,承担“斯贝”舰船用航改燃机任务。1989年完成燃气发生器耐久试验及交付试验，1992年完成整机试验。其间还进行了新研低压压气机的工作，使发动机的功率可提高至11030千瓦。在研制“斯贝”航改燃机期间，国家经委等部门于1983年确定今后轻型燃气轮机走航改的发展道路；1985年国家计委,经委批准在航空部成立中国轻型燃气轮机开发中心,统一归口轻型燃气轮机的规划、研制、生产、成套和引进工作。上述规定，对于我国轻型燃气轮机的发展具有重大的历史意义。

    进入21世纪以来，上世纪80年代制定并实施高性能航空燃机计划结出了硕果：中航工业继成功研制出“昆仑”（涡喷14）、“太行”（涡扇10）军用发动机以后，在其基础上，又先后在工业与舰船用燃气轮机领域取得成功。2002年以后，沈阳发动机设计研究所（606所）、沈阳黎明航空发动机（集团）有限公司、西安航空发动机（集团）有限公司等单位研制成功12800千瓦的QD128、7000千瓦的QD70航改燃机。不久，又推出QC185/QC185等一系列的工业与舰船用燃气轮机。

    QD128系国内首台拥有自主知识产权的中等功率的燃气轮机，主要用于发电、热电联供、管输动力及船舶动力。其主要技术指标为：输出功率12800千瓦，热效率30%，耗油率为0.27千克/千瓦·小时，空气流量62千克/秒，动力涡轮转速4700转/分。在海拔4000米以下大气温度为-45℃～+45℃条件下都能可靠工作。截至2009年10月中旬，该型机组自2006年6月开始运行以来，已在大庆北亚电厂安全运行超过4000小时。QD70是中航工业研制的小功率等级的轻型燃气轮机，可用于发电或热电联供、机械传输、船舶动力。1998年开始研制，2003年实现首台点火。截至2008年10月底，已经累计在外场并网发电3300余小时。其输出功率为7060千瓦（最大8000千瓦），热效率31％，空气流量29千克/秒，动力涡轮转速8300转/分。

    2004年11月1日，中航一集团在珠海召开的国产新型燃气轮机首次面世新闻发布会上宣布，中国在“太行”发动机基础上成功开发了新型舰船用燃气轮机QC185。该型中等功率的轻型燃气轮机可用于管输动力、发电或热电联供、船舶动力。输出功率17780千瓦，热效率36%，空气流量58千克/秒，动力涡轮转速5500转/分，重量5800千克。据研发部门称，QC185与其他燃气轮机相比，功率档次适当，热效率高，重量轻，体积小，加速性好，可靠性高，综合性能指标处于同档功率世界先进水平之列。据报道，2008年4月28日，海军用某型燃气轮机在沈阳通过技术鉴定。作为国内首型具有完全自主知识产权的海军用航改燃机，顺利地按合同规定，按期保质完成该燃机的研制任务，满足技术指标。从上述文字分析，“某型燃气轮机”即QC185。该型燃机的成功研制，对海军动力装备的发展具有重要意义。

    有关单位在“昆仑”发动机基础上，结合国内航空发动机的最新成果，研制了采用间冷回热技术的新一代舰用燃气轮机QC260。由于尚未公开其技术指标，其具体性能不详。但是按照命名法，估计其功率可达26000千瓦等级，已经达到了LM2500的功率水平。

    我国在1993年引进乌克兰的UGT-25000之后，由中航工业致力于国产化工作。有关方面介绍，在UGT-25000舰船用燃气轮机基础上改型的工业用燃气轮机名叫QD280，2007年由西安航空发动机（集团）公司开始研制，2008年底完成燃气发生器研制工作。其主要用途为发电、管道增压，在ISO条件下，输出功率为28670千瓦，热效率为37%。当然，我国引进原本作为舰船动力的UGT-25000，绝非仅仅用于工业领域，鉴于国内驱护舰缺乏国产燃气轮机的事实，国内势必加快在其基础上改进的QC280舰船用燃气轮机的国产化工作。其中，燃气发生器的国产化由西安航空发动机（集团）有限公司负责，动力涡轮由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司负责制造，中船重工703所负责成套。UGT-25000的国产化工作不仅包括提高其可靠性、可维护性，还包括：将进气罩壳改为整体箱式结构，隔热隔声效果得到明显改善；排气蜗壳由烟斗型改为矩形，并与燃气轮机安装在同一个底座上，彻底解决了排气管橡胶减震器过早老化的问题。据称，该型燃气轮机已经在169舰上进行了装船试验。2009年9月23日，西安航空发动机（集团）有限公司首台装备机燃气发生器发运。看来，首台正式使用的QC/QD280系列燃气轮机即将诞生，只是不知是工业用，还是舰船使用。

    “十五”期间，科技部863计划能源领域重大专项工程设立了重型燃气轮机和微型燃气轮机两个研制项目。中航工业所属沈阳发动机设计研究所、沈阳黎明航空发动机（集团）有限公司、哈尔滨东安发动机（集团）有限公司等大型国有企业，联合中国燃气涡轮研究院、中科院工程热物理所、清华大学等科研单位，以产学研合作方式，开展联合攻关，其结果就是R0110 重型燃气轮机。该型机在ISO条件下，输出功率114500千瓦，热效率为36%，主要用途为发电、管道增压和大型舰船的动力装置。2008年底，已经完成试车运行，各项性能数据达到世界先进水平，标志着我国在重型燃气轮机领域占有一席之地。通过多年的努力，我国已经初步形成了自主设计和制造重型燃气轮机的能力，带动了材料、先进制造等领域的创新。110兆瓦重型燃气轮机填补了国内自主知识产权重型燃气轮机的空白，并具有明确的产业化前景。通过100千瓦级微型燃气轮机的研发，培养了能够独立研发微型燃气轮机及其热电联供系统关键技术和产品的队伍，使我国成为了掌握微型燃气轮机设计，制造技术并具有成套能力的国家。