《艦載武器》：我國艦用燃氣輪機的發展曆程

  2010年第2期《艦載武器》，作者：潘文林


    2006年底服役的115號和116號051C型防空驅逐艦加入北海艦隊服役。該級軍艦留給世人深刻印象的不僅是基於俄羅斯S-300F（SA-N-6）導彈的區域防空係統，還有就是該級軍艦作為21世紀唯一使用蒸汽動力的新一代主力戰艦而格外引人注目。可以說，基於167“深圳”號改型而來的051C型導彈驅逐艦正是人民海軍發展史的縮影，在它身上可以看到我國艦船用燃氣輪機的坎坷發展之路。

    我國艦船用燃氣輪機研發的起步並不算晚。據我國燃氣輪機專家、中國工程院聞雪友院士介紹，國內有關方麵根據《國防科學技術十年規劃》，在1958年即著手研發計劃的具體組織實施。當時決定成立南、北方兩個聯合設計組，先開展大、中、小三型燃氣輪機的可行性論證和方案設計。1960年初，在對方案設計審查的基礎上，確定重點進行4410千瓦艦船用燃氣輪機的研製工作。為加強艦船用燃氣輪機的設計、研製工作，決定成立專業研究所。與此同時，在1959年底，根據中蘇雙方的協定，蘇聯將其研製的第一款艦船用燃氣輪機M-1的圖紙運抵我國。M-1曾裝於蘇聯183K型魚雷快艇，功率為2940千瓦，翻修壽命100小時，在蘇聯已被淘汰。可見，國內燃氣輪機產業的開局、布局是不錯的，一開始就是自行設計和仿製兩條腿走路。在當時對艦船用燃氣輪機知之甚少，工藝水平也很低的狀況下，從M-1圖紙到達，經翻譯、消化、工藝準備、試製和裝配，上海汽輪機廠僅用11個月就完成了首台樣機的製造。由於原機結構設計存在缺陷，加之製造、裝配質量欠佳，蘇方又未提供計算資料，台架試車並不順利，曆經３年才通過了驗收試驗。

    4410千瓦的燃氣輪機則是我國自行設計、研製的首型艦船專用機，1964年完成設計。整機試驗階段曾發生渦輪葉片嚴重燒傷、主軸承損壞等事故，最終完成500小時耐久性試車，其後進行小批量生產。與此同時，開展了雙機並車傳動裝置的研製，包括行星減速器、液力耦合器、自動同步離合器及其自動控製係統，整套雙機並車傳動裝置在陸上試驗站進行了150小時試車。這也是我國第一次進行並車傳動裝置的研製。在整機及裝置試驗中進行了詳盡的科研性測量和試驗，獲取大量寶貴的數據和資料。遺憾的是，雖然整個動力裝置的可靠性已滿足要求，具備了裝艇使用的條件，但因研製周期過長，擬裝獵潛艇的計劃調整而未能裝艦使用。該型發動機的研製成功開創了我國艦船用燃氣輪機自行設計的先河，打破了“零”的記錄，從技術到材料全部立足於國內，研製中所積累的一整套設計、製造、試驗、運行實踐經驗和技術設施、手段，為我國艦船用燃氣輪機的進一步發展和應用奠定了堅實的技術基礎。正因為在4410千瓦燃氣輪機中完全自行研製的壓氣機獲得成功，在該壓氣機前加0級、00級，使空氣流量、壓比增加，又將燃氣初溫提高到1000℃，發展出一型9190千瓦的艦船用燃氣輪機。

    在自行設計、生產艦船用燃氣輪機取得成功之前，國內相關企業、單位在發展工業用燃氣輪機，以及引進國外的成熟技術方麵取得了一定成果。我國在引進蘇聯燃氣輪機技術的同時，還引進了瑞士BBC公司的列車發電機組。60年代至70年代初,上汽、哈汽、南汽和東方汽輪機廠都曾以廠所校聯合的方式,自行設計和生產過燃氣輪機,渦輪進氣初溫達到700℃等級,與當時的世界水平差距不大。比較典型的機型有：南京汽輪機廠於1964年製成國內第一台1500千瓦的發電用燃氣輪機，哈爾濱汽輪機廠於1969年製成國內第一台機車用2205千瓦的燃氣輪機。70年代中期,為配合川滬輸氣管線的建設,由國家計委批準,以南汽為基礎,投資1.4億,並將各地燃機專業人員200餘人調入南汽,建設了我國重型燃氣輪機科研生產基地。並由原第一機械工業部負責在南汽組織了由全國近百個單位參加的23兆瓦燃機大會戰。於1978年成功地完成了第一台全國產化樣機的試製工作並通過了國家鑒定,這是我國當時最大功率的燃氣輪機,渦輪進氣初溫990℃等級。之後,共生產同型號機組3套用於發電,目前仍在使用。此次會戰充實和壯大了重型燃氣輪機設計和科研隊伍,到目前為止,仍是我國重型燃氣輪機工業的技術基礎。70年代後期,哈汽、上汽、東汽和南汽按國家川滬輸氣管線計劃,聯合設計了17.8兆瓦驅動用燃氣輪機。由於國家能源政策的調整,未能投入生產。1986年8月，中國航空技術進出口公司、成都發動機（集團）有限公司和美國聯合技術公司渦輪動力部、普惠公司簽署了共同開發FT8燃氣輪機項目的合同。該合同於當年11月生效。在FT8燃氣輪機合作項目中，美方對FT8的設計、生產技術全麵負責，並承擔FT8與JT8D通用零部件和控製係統的製造和國際銷售。中方參加設計，承擔更改設計零部件、動力渦輪和部分箱裝體的製造，並負責國內、東南亞等27個地區的國際銷售業務。美方在市場銷售、製造、質量控製、安裝調試和用戶服務方麵為中航技提供全麵的技術支援。FT8的首台樣機於1988年開始試驗。根據合同規定，第一台生產型機組於1989年或1990年在中國問世；第一台艦船用機組將由中國船舶工業總公司進行試驗，隨後將裝備海軍艦艇。曆時10年聯合研製的FT8燃氣輪機，最大功率為24.8兆瓦，熱效率達38.7%，可用於發電、機械驅動和艦船動力。FT8燃氣輪機技術的引進，不僅填補了中國大功率航改燃機製造業的空白，也使我國跨入世界航改燃機製造的先進行列。自1996年8月試製成功後已經在全國多個燃氣電站得到應用，在使用中體現了極其優異的可靠性。90年代，上海汽輪機廠股份有限公司、哈爾濱汽輪機廠有限責任公司、南京汽輪電機（集團）有限責任公司積極尋求國際合作，生產大功率燃氣輪機。例如，南京汽輪機廠與通用電氣公司合作生產了MS6001大型發電燃機。

    中國航空工業在七八十年代，在航改燃機方麵取得了一些成就。主要有：以渦軸5為原準機改型而成的792SB，以渦槳6為基礎衍生發展的渦槳6改2甲（WJ6G2A）、渦槳6改4甲（WJ6G4A）和409型，以渦噴6為基礎改型的渦噴6改（WP6G），以渦扇9（國產“斯貝”）為原準機派生而來的渦扇9改1甲（WS9G1A）和410A（G2）等燃氣輪機。其中，有關方麵曾試圖將WJ6G2A、WJ6G4、410A（G2）等航改輕型燃機用於氣墊船和作戰艦艇，但由於種種原因而沒有最終應用。關於國產“斯貝”航改燃機，筆者再補充一下：航空工業部門在1981年底開始進行將“斯貝”派生為9560千瓦艦用燃氣輪機的研製工作。1983年，國家經委等部門聯合下達由中國船舶工業總公司703所與航空工業部614所（無錫航空動力控製係統研究所）,430廠（西安航空發動機公司）跨部聯合,承擔“斯貝”艦船用航改燃機任務。1989年完成燃氣發生器耐久試驗及交付試驗，1992年完成整機試驗。其間還進行了新研低壓壓氣機的工作，使發動機的功率可提高至11030千瓦。在研製“斯貝”航改燃機期間，國家經委等部門於1983年確定今後輕型燃氣輪機走航改的發展道路；1985年國家計委,經委批準在航空部成立中國輕型燃氣輪機開發中心,統一歸口輕型燃氣輪機的規劃、研製、生產、成套和引進工作。上述規定，對於我國輕型燃氣輪機的發展具有重大的曆史意義。

    進入21世紀以來，上世紀80年代製定並實施高性能航空燃機計劃結出了碩果：中航工業繼成功研製出“昆侖”（渦噴14）、“太行”（渦扇10）軍用發動機以後，在其基礎上，又先後在工業與艦船用燃氣輪機領域取得成功。2002年以後，沈陽發動機設計研究所（606所）、沈陽黎明航空發動機（集團）有限公司、西安航空發動機（集團）有限公司等單位研製成功12800千瓦的QD128、7000千瓦的QD70航改燃機。不久，又推出QC185/QC185等一係列的工業與艦船用燃氣輪機。

    QD128係國內首台擁有自主知識產權的中等功率的燃氣輪機，主要用於發電、熱電聯供、管輸動力及船舶動力。其主要技術指標為：輸出功率12800千瓦，熱效率30%，耗油率為0.27千克/千瓦·小時，空氣流量62千克/秒，動力渦輪轉速4700轉/分。在海拔4000米以下大氣溫度為-45℃～+45℃條件下都能可靠工作。截至2009年10月中旬，該型機組自2006年6月開始運行以來，已在大慶北亞電廠安全運行超過4000小時。QD70是中航工業研製的小功率等級的輕型燃氣輪機，可用於發電或熱電聯供、機械傳輸、船舶動力。1998年開始研製，2003年實現首台點火。截至2008年10月底，已經累計在外場並網發電3300餘小時。其輸出功率為7060千瓦（最大8000千瓦），熱效率31％，空氣流量29千克/秒，動力渦輪轉速8300轉/分。

    2004年11月1日，中航一集團在珠海召開的國產新型燃氣輪機首次麵世新聞發布會上宣布，中國在“太行”發動機基礎上成功開發了新型艦船用燃氣輪機QC185。該型中等功率的輕型燃氣輪機可用於管輸動力、發電或熱電聯供、船舶動力。輸出功率17780千瓦，熱效率36%，空氣流量58千克/秒，動力渦輪轉速5500轉/分，重量5800千克。據研發部門稱，QC185與其他燃氣輪機相比，功率檔次適當，熱效率高，重量輕，體積小，加速性好，可靠性高，綜合性能指標處於同檔功率世界先進水平之列。據報道，2008年4月28日，海軍用某型燃氣輪機在沈陽通過技術鑒定。作為國內首型具有完全自主知識產權的海軍用航改燃機，順利地按合同規定，按期保質完成該燃機的研製任務，滿足技術指標。從上述文字分析，“某型燃氣輪機”即QC185。該型燃機的成功研製，對海軍動力裝備的發展具有重要意義。

    有關單位在“昆侖”發動機基礎上，結合國內航空發動機的最新成果，研製了采用間冷回熱技術的新一代艦用燃氣輪機QC260。由於尚未公開其技術指標，其具體性能不詳。但是按照命名法，估計其功率可達26000千瓦等級，已經達到了LM2500的功率水平。

    我國在1993年引進烏克蘭的UGT-25000之後，由中航工業致力於國產化工作。有關方麵介紹，在UGT-25000艦船用燃氣輪機基礎上改型的工業用燃氣輪機名叫QD280，2007年由西安航空發動機（集團）公司開始研製，2008年底完成燃氣發生器研製工作。其主要用途為發電、管道增壓，在ISO條件下，輸出功率為28670千瓦，熱效率為37%。當然，我國引進原本作為艦船動力的UGT-25000，絕非僅僅用於工業領域，鑒於國內驅護艦缺乏國產燃氣輪機的事實，國內勢必加快在其基礎上改進的QC280艦船用燃氣輪機的國產化工作。其中，燃氣發生器的國產化由西安航空發動機（集團）有限公司負責，動力渦輪由哈爾濱汽輪機廠有限責任公司負責製造，中船重工703所負責成套。UGT-25000的國產化工作不僅包括提高其可靠性、可維護性，還包括：將進氣罩殼改為整體箱式結構，隔熱隔聲效果得到明顯改善；排氣蝸殼由煙鬥型改為矩形，並與燃氣輪機安裝在同一個底座上，徹底解決了排氣管橡膠減震器過早老化的問題。據稱，該型燃氣輪機已經在169艦上進行了裝船試驗。2009年9月23日，西安航空發動機（集團）有限公司首台裝備機燃氣發生器發運。看來，首台正式使用的QC/QD280係列燃氣輪機即將誕生，隻是不知是工業用，還是艦船使用。

    “十五”期間，科技部863計劃能源領域重大專項工程設立了重型燃氣輪機和微型燃氣輪機兩個研製項目。中航工業所屬沈陽發動機設計研究所、沈陽黎明航空發動機（集團）有限公司、哈爾濱東安發動機（集團）有限公司等大型國有企業，聯合中國燃氣渦輪研究院、中科院工程熱物理所、清華大學等科研單位，以產學研合作方式，開展聯合攻關，其結果就是R0110 重型燃氣輪機。該型機在ISO條件下，輸出功率114500千瓦，熱效率為36%，主要用途為發電、管道增壓和大型艦船的動力裝置。2008年底，已經完成試車運行，各項性能數據達到世界先進水平，標誌著我國在重型燃氣輪機領域占有一席之地。通過多年的努力，我國已經初步形成了自主設計和製造重型燃氣輪機的能力，帶動了材料、先進製造等領域的創新。110兆瓦重型燃氣輪機填補了國內自主知識產權重型燃氣輪機的空白，並具有明確的產業化前景。通過100千瓦級微型燃氣輪機的研發，培養了能夠獨立研發微型燃氣輪機及其熱電聯供係統關鍵技術和產品的隊伍，使我國成為了掌握微型燃氣輪機設計，製造技術並具有成套能力的國家。