国产燃气轮机的新进展.doc
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1、中国舰用燃气轮机逐渐脱离仿制 进入成熟阶段以下文章摘抄自网络。发此文非商业目的,请支持网络军事。国产QC-185燃气轮机2004年11月1日,中国航空工业第一集团公司在珠海召开国产新型QC185燃气轮机首次面世新闻发布会。 燃气轮机是清洁能源的新一代动力装置,广泛应用于发电。石油化工机械驱动坦克舰船用动力等领域,目前世界上只有少数几个发达国家具备独力研制燃气轮机的能力,其核心技术一直封锁。 我国至今尚无一型舰船用燃气轮机完成全部研制工作并投入使用,此领域仍未摆脱动力受制于人的被动局面。因此,开发有自主知识产权的动力设备,发展我国的燃气轮机产业,是解决我国经济建设国防建设的战略决策。 中国一航充
2、分利用几十年航空发动机的研发基础进经验,以及人才和物质资源,全面开展航空发动机改燃气轮机的研究燃气轮机是中国一航沈阳发动机研究所以及中国一航发动机公司在型航空发动机的基础上研制的新型燃气轮机,其输出功率为千瓦(马力),热效率为(达到国际同等功率燃气轮机先进水平),重量千克,动力涡轮转数为转分与其他燃气轮机相比,的功率档次适当,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。 我们完全有理由相信新舰会装上国产的燃气轮机,中国海军再也不会被掐脖子了,海军将更加强胜,祖国将更加安宁!解决我国经济建设、国防建设动力设备受制于人的局面我国的第一个由航空发动机改装而
3、成的用于发电的燃气轮机诞生于1984年,是由涡喷6G发动机改装而成。迄今为止,黎明一共提供了仅仅10台该型燃气轮机,数量少得可怜。目前我国燃气轮机产业分散在机械、航空、兵器、船舶、航天等工业部门,均为低水平重复。总的说来,还处在初级发展阶段。在美国的LM2500燃气轮机早在70年代就大量装舰的的时候,我们还缺少合适的国产燃气轮机,以至于不得不用柴油机或其他发动机。但是燃气轮机具有其他发动机无与伦比的优势:那就是只需占用较小的体积就可以发出巨大的动力!绝大多数航空发动机改装的轻型燃气轮机每发出1KW的功率,所需的重量不到200克,对于每一公斤重量都很宝贵的军舰等来说无疑具有巨大的吸引力。这也就是
4、为什么上世纪70年代以来燃气轮机大量取代蒸汽轮机和柴油机上舰的主要原因。在80年代曾经获得过几台LM2500,后来因为美国的制裁没有能够继续得到该型燃机,所以只有和两艘舰装有LM2500。但是海军还是感受到了燃气轮机巨大的优势。在后续舰只里即便只能使用性能稍差的乌克兰DA-80也在所不惜。无论如何,使用国外的“心脏”对我国来说总是容易受制于人的。这对于一个有几千年强大历史的国家来说也是一种羞辱。有鉴于此,国家决定:一定要下大力气解决国产舰船没有中国心的问题。所以我们才有机会看到近年来黎明在燃气轮机项目上的巨大发展。R0110重型燃气轮机(中国航空报图片)本文仅仅谈谈黎明的轻型燃机项目,重型燃机
5、如R0110,或微型燃机不在本文的讨论范围之内。所有这些轻型燃机都是由航空发动机改装的,与现役的发动机有很高的通用性,因此可以节约大量的费用。(1)QD70: 以某A型发动机为主,是“具有90年代世界先进水平的燃机”,动力涡轮输出功率7060 kW(峰值可达8000KW),热效率31.2%,燃气发生器总增压比 13.2,空气流量29 kg/s,其工作负荷比在航机上有“大幅度降低”(黎明称比国内外所有的航改燃机下降的幅度都大),这有助于提高机组的工作可靠性和寿命。该机2003年7月在中原油田与下面提到的QD128共同并网发电,投入市场运作。其后发现了一些问题并进行了改进。(2)QD128: 以“
6、昆仑”发动机为主。燃气发生器来源于昆仑(去掉加力部件),动力涡轮是以斯贝SK15HE型为原准机修改而成。输出功率11500KW(峰值功率为13200KW),热效率28%,燃气发生器总增压比12,空气流量60kg/s。动力涡轮温度1028摄氏度。其技术性能据称处于世界中等偏上水平。“昆仑”发动机于2002年5月20日通过设计定型,但QD-128燃气轮机的首台机组于2000年就已完成制造。可见“昆仑”发动机产业化的思路早就制定下来了。(3)QD168和168A: 按照黎明的说法,这两型燃机均为“在俄罗斯最先进战斗机发动机的基础上改型研制而成”。QD168A的研制工作,从1999年10月份开始设计方
7、案前期研究; 2000年2001年底进行了该项目的总体方案设计, 2001年7月份开始结构设计。2002年6月完成了验证机的全部结构设计工作并开始研制,首台验证机研制于2003年底完成验证机的调试、试车工作,2004年初将首台配SPEY动力涡轮的燃气发生器运抵试验电厂进行试验。空气流量: 64.8kg/s,涡轮前温度: 1142(比航机降了250),输出功率16800KW,热效率35%。(4)QC185: 以某A型发动机为主。额定功率可达17780KW,热效率高达37.2%,即使在世界范围内,这个数字也是非常高的。其涡轮进口温度是1265。而空气流量只有58.6kg/s,这个数字甚至小于QD1
8、28,足以说明其原型机的水平之高。QC185燃气轮机验证机燃气发生器已经于2004年2月8日正式点火成功。其综合性能指标应当位于同档功率世界先进水平之列。(5)QC70: 也以某A型发动机为主。性能不详。功率也应在7000KW左右,跟QD70相比做了一定的改进以满足进一步的要求。(6)QC260: 以“昆仑”发动机为主,是采用先进的间冷回热技术发展的新一代舰用燃机。目前所知不详。但是按照命名法,估计可达26000KW,已经达到了著名的美国LM2500燃气轮机的功率。其用途,想必大家都能想象得到,肯定是为上舰研制的。看到这里,我想很多人都会好奇:除了昆仑发动机外的其他发动机原型机到底是什么型号?
9、实际上这也是我当初追踪燃气轮机发展的初衷:那就是看看到底我们用了什么发动机?根据我所掌握的资料,实际上所谓的“俄罗斯最先进战斗机发动机”就是SU27上所用的AL-31F。黎明在介绍该发动机时提到“涡轮结构基本沿用31航空发动机涡轮”,这里31实际上就是该发动机的俄国名称。另外黎明又提到改制QD168A 燃机采用的某型航空发动机属国际第4代发动机、其涡轮前温度1392更进一步证实了这就是AL-31F,因为现役发动机中只有AL-31F是1392。这证明,我们的黎明已经具有了完全的生产和维修该发动机的能力。联想到2000年有一则新闻中提到,黎明成功的完成了某型发动机可收扩喷口的国产化,很有可能就是这
10、种发动机。这就意味着,一旦我天朝空军的苏27心脏出了问题,根本无需请俄国专家,我们自己就可以修理,这为战时飞机的高出勤率打下了坚实的基础,同时又节省了大量外汇。另一型所谓的“A”型发动机,实际上就是我们最为关注的WS10!有一篇在概括我国燃气轮机现状的文章提到QD70和QC185都是由WS10发展而来的。加上其他的证据,说明该“A”型发动机就是我们的大推力级涡扇发动机WS10。由该机同时改型成三款燃气轮机足以说明国家对它的厚爱!值得关注的是,QC185和 QD168A都是由现役第三代战斗机的心脏改装而来的。QC185的涡轮前温度比QD168A高了123,空气流量却小了6.2 kg/s,而额定推
11、力却大了6%!这足以说明我们的涡扇10有着比AL31F更为强劲的发动机,更高的涡轮前温度。假设QC185涡轮前温度的下降幅度跟AL-31F相同,则WS10的涡轮前温度可以高达1515度!与目前世界主要国家现役战斗机的主力发动机的该参数近似。更为可喜的是,我们对燃气轮机的研究已经不限于纸面上。例如海军在2020年前的舰用动力规划会上已将QC70和QC185燃气轮机这两型燃机确定为未来我军舰用动力的主要产品之一,同时,QC185燃机也可用于未来我军舰载综合电力系统的主要装备装配部队。目前QC70的上舰立项工作已经完成。可以预见,在不远的将来,装载有我国自行研制的燃气轮机的海军舰船就将驰骋在祖国的领
12、海上保卫自己的领土。我们的祖国也会越来越强大!个人觉得,在过去5年里在燃气轮机项目上的发展,比过去40年来发展的总和还要多4-5倍。如果用“迅猛”来比喻的话也毫不为过。所以,国家成立中航一集团和二集团并不仅仅是换换名称而已,而是实实在在的一种大战略包涵其中。市场化、战略化、信息化的发展战略使得我国的军工企业越来越强大QC185的新消息:2008年4月28日,国内第一型自主研制的某船用燃气轮机,在中国沈阳通过技术鉴定。该项目在3年时间里,完成了科研样机试制和陆上耐久性考核试验,综合性能指标达到世界先进水平,中国海军舰船动力国产化发展史从此掀开了新的一页,对海军舰船动力现代化建设具有重要意义。 由
13、31名专家、院士组成的技术鉴定委员会认为:该燃机研制资料齐全,内容正确;燃机主要技术指标满足研制总要求;作为国内第一型具有完全自主知识产权的航改舰船用燃气轮机,整机综合指标达到国际先进水平;此外,依托太行发动机的研制试验技术,为今后的发展提供了有力保障。鉴定委员会一致同意该舰船用燃机通过技术鉴定,并提出了关于后续工作的建议。作为总承研和总设计师单位,中国一航沈阳发动机设计研究所强调对太行发动机技术的合理继承、合理修改以及合理创新的平衡兼顾原则,特别注意风险控制,创造了重点型号研制按节点完成、性能满足指标要求的辉煌纪录。燃气轮机专家组全程参与了型号的研制工作,起到了“过程参与、阶段评审、技术把关
14、,的作用。中国舰用燃气轮机获进展 中国新型驱逐舰开工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。根据中国航空报的报道,这次应该是QC185中等功率燃气轮机在8月29日实现了首次点火(上图)和QC70小功率燃气轮机在8月22日完成第一阶段可靠性测试。目前,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
15、逐舰168、169、170、171号装备了乌克兰制的GT25000或国内仿制型号。据新华网9月7日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近日都取得阶段性进展,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,中航工业动力所近年来在发展QD128、QC185、QC70、R010四款燃气轮机,其中R010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。R010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QC18
16、5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。舰用燃气轮机:舍我其谁燃气轮机的基本结构图,它主要是由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成。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
17、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。燃气轮机基本工作原理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
18、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
19、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。在中国有着较大范围应用的德国MTU公司396系列军民两用高速柴油机(上图)和据说在167舰上使用的燃气轮机(下图)。燃气轮机相比于它们更适合军舰使用。燃气轮机作为军舰动力的优势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
20、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
21、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。“心脏病”困扰中国海军由于没有合适的舰载燃气轮机,中国有6艘驱逐舰仍然装备国外产品。其中上图112舰上使用的LM2500燃气轮机由于受美国禁运影响到使用时限后也没有获得大修。自研燃机尚未装备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
22、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
23、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。2004年在珠海航展上首次展出的国产QC185燃机,该发动机以“太行”涡扇发动机核心机为基础改进而来,但其输出功率并不能满足中国大型水面舰艇的需要。航空动力工业发展拖累舰用燃机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
24、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
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