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万博体育3.0国产燃气轮机
作者: 万博体育3.0 来源: 未知 发布时间:2020-04-15 06:01

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  《中国航空报》近日报道,中航工业动力所研制的两款燃气轮机近日都取得阶段性进展,这说明中国在装备自主研制生产的舰用燃气轮机道路上迈进了关键一步。而且从新型国产驱逐舰已经开工的情况来判断,国产燃气轮机已经基本解决问题,中国海军将展开新一波的造舰高潮。

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  据新华网转发《中国航空报》的报道,中航工业动力所研制的两款燃气轮机都取得阶段性进展,其中一款是中档功率燃气轮机、另外一款是小功率燃气轮机。而根据《航空发动机》杂志的公开报道,中航工业动力所在发展QD128、QC185、QC70、R0110四款燃气轮机,其中R0110为重型燃气轮机、QD128和QC185是中档功率燃气轮机,QC70是小功率燃气轮机。R0110因为体积、重量过大,只适合用于陆上发电用途;QC128则已经通过新品鉴定,并实现了两套发电机组销售,可以说已研制成功。所以,这次取得进展的,应该是QC185和QC70两个型号。

  按照《中国航空报》的报道,QC185中等功率燃气轮机在8月29日实现了首次点火,并在慢车状态实现稳定运行。而QC70小功率燃气轮机则在8月22日完成第一阶段可靠性测试,即历时13个月的长期试车任务。从两者的体积、功率来看,两者都可以用于军舰动力,QC185可用于大型驱逐舰,QC70则可用于气垫船。这标志着我国在装备自主研制生产的舰用燃气轮机道路上迈进了关键一步。

  中国海军仅有6艘驱逐舰采用了燃气轮机作为动力。根据外媒报道,其中052型驱逐舰112、113号装备了美制LM2500燃气轮机,052B、052C型驱逐舰168、169、170、171号装备了乌克兰制的GT25000或国内仿制型号。为什么燃气轮机对于海军建设如此重要?网易军事为您作出独家分析。

  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。

  燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备,是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体,燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平,是21世纪的先导技术。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业,是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一,具有十分突出的战略地位。

  由于多方面的原因,我国燃气轮机同国际先进水平相比仍存在很大差距,尚未形成真正的产业。诸多领域动力落后的状态,已成为制约国民经济发展的“瓶颈”,其技术仅被世界上少数几个发达国家所控制,先进的燃气轮机在西方国家仍然限制对华出口。

  燃气轮机属于重大核心装备,如果长期依赖进口,在关键技术上受制于人,不利于我国燃气轮机动力产业及相关产业的健康、快速发展。从市场容量看,我国新世纪四大工程中“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”等三大工程均需要大量30兆瓦级工业型燃气轮机,同时我国舰船制造业的健康快速发展需要大量30兆瓦级舰船燃气轮机,我国已成为世界最大的燃气轮机潜在市场。

  面对经济全球化、国际燃气轮机市场激烈竞争和国外高度垄断的新形势,国家对我国民族燃机产业的发展非常重视,国家发改委和科技部已经将我国燃气轮机市场发展的思路和对策纳入“十二五”及长期发展规划中,重型燃气轮机是国家优先发展的10项重大技术装备之一。是国家装备制造业重点发展的领域,特别是燃气-蒸汽联合循环机组和整体煤气化燃气-蒸汽联合循环机组。随着中国能源需求迅猛增长以及天然气资源进入大规模开发利用阶段,燃气轮机正在形成一个“爆发性增长”的市场。到2020年,全国燃气轮机联合循环装机容量将达到5500万千瓦,是2000年之前50年已建成同类装机容量的25倍。保守估计,仅中石油一家,每年需要的燃气轮机价值就达到了30亿元。到2015年,国内燃气轮机的市场容量能达到300亿元,而国际市场容量则能达到2700亿元。

  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,燃气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。

  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。

  我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年我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,前苏联向我国转让了M-1舰用燃气轮机技术,我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马力燃机组是我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,我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年我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,这是我国首次进行“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。后来我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。

  我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我国航空动力工业缺乏长期发展规划。我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,我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,但是我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。我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,我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我国发展大型水面舰艇的需要。另外,我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。

  网络上开始流传所谓我国新驱逐舰分段开始建造的照片,网友和军迷们对于我国驱逐舰发展的热情随之更加高涨起来。后来出现了很多我国未来驱逐舰的想象图和技术分析,万博体育3.0还有的朋友认为我国将来会建造满载排水量9000吨的防空驱逐舰,并且给它起了一个亲切的名字叫“九千岁”。

  本国唯一可以立刻使用的舰载燃机是乌克兰GT25000舰用燃气轮机的仿制品,额定功率29兆瓦,实际输出功率在23兆瓦左右。据加拿大《汉和》杂志介绍,该国产燃气轮机已装在052B型驱逐舰上。2台GT25000燃机实际总功率在45兆瓦左右,而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。我国海军编队长期在非洲亚丁湾执行护航任务,每批舰艇都要在海外连续执行任务数月之久,从未听说过052B型驱逐舰在护航过程中出现过动力问题。这说明国产GT25000燃机的可靠性和经济性都是适合我国国情的。现阶段,立足于GT25000的动力系统一方面应该继续改进其工艺和性能上不足之处,一方面完全可以通过对动力方案的调整做到我国将来各类主力舰只都有适合的动力可用。可以认为制约我国水面舰艇的中型舰用燃气轮机瓶颈已经突破。但是需要看到的是,我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。

  网友制作的中国万吨级驱逐舰想像图,中国海军新型驱逐舰仍将是使用仿制动力。

  在驱逐舰方面,继续深挖GT25000燃机的功率潜力,采用两台GT25000和两台舰用柴油交替工作的方式可以为满排在7000吨左右的驱逐舰使用,这很可能就是网络盛传的052C+防空驱逐舰,也就是分段照片流出的舰型。将QC280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,这就可以突破以往限制达到网友心目中“九千岁”大驱的境界,这个水平也和阿里伯克级驱逐舰相当,意味着我国主力防空舰综合性能达到美国主力舰的基本水平。9000吨的防空驱逐舰和同级别反潜通用驱逐舰已经完全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作战任务

  图说明:052B型的169舰在亚丁湾执行护航任务,小图为其所配装的国产化的GT25000燃气轮机。该燃气轮机经受住了亚丁湾护航行动的考验,表现出可靠的性能。

  结束语:根据情况来看,虽然我国一定时期内海军主力舰只采用仿制GT25000燃机作为动力,但是这次新闻表明我国自研中等功率燃机项目正在稳定推进。为了避免以往航空发动机和燃机可靠性和持久性不足的问题,我国特别在小功率燃机试车中增加了长久试验特殊项目。而中等功率燃机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。

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