國產(chǎn)燃氣輪機

燃氣輪機是以空氣為介質(zhì)，靠高溫燃氣推動渦輪機械連續(xù)做功的大功率、高性能動力機械。它主要是由壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件組成，再配以進氣、排氣、控制、傳動和其他輔助系統(tǒng)。當燃氣輪機機組起動成功后，燃氣輪機就會開始進入穩(wěn)定的熱力學循環(huán)過程。壓氣機連續(xù)不斷地從外界大氣中吸入空氣并增壓，這個過程可以認為是壓氣機動能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，被壓縮后的空氣溫度升高有利于與燃料進行更猛烈的化學反應（化學反應速度和程度與溫度成正比），更大的膨脹比也有利于壓縮空氣燃燒后釋放更大的能量。壓縮空氣從壓氣機出來后即進入燃燒室，首先會在燃燒室進口被噴入燃料進行摻混，然后就會點火燃燒。這個過程可以認為是燃料化學能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，在短短幾十厘米的距離內(nèi)空氣的溫度上升數(shù)百甚至上千度，壓力也會激增。高溫高壓的燃氣從燃燒室出口噴出，就開始膨脹，在膨脹的同時推動渦輪葉片做功。這個過程就是燃氣熱能和勢能向動能的轉(zhuǎn)化。渦輪將燃氣的能量轉(zhuǎn)化為動能后，一方面用于壓氣機壓縮空氣持續(xù)進行熱力學循環(huán)，另外一方面由主軸將轉(zhuǎn)子的扭矩輸出，經(jīng)過減速器減速以后用于推動軍艦。整個熱力學循環(huán)完成使得燃氣輪機實現(xiàn)了燃料化學能向機械能轉(zhuǎn)換的最終目的。

國產(chǎn)燃氣輪機優(yōu)勢

在軍艦動力方案選擇上，燃氣輪機的主要競爭對手是艦用柴油機和艦用蒸汽輪機，但是由于燃氣輪機先天優(yōu)勢與軍艦動力系統(tǒng)性能要求更為吻合，燃氣輪機成為了各國軍艦動力系統(tǒng)發(fā)展的唯一選擇。老牌海軍強國如美國海軍、英國海軍、日本海上自衛(wèi)隊的主力水面作戰(zhàn)艦只早已完成動力燃氣輪機化。

燃氣輪機第一個優(yōu)勢是功率密度極大。一般情況下，同等功率的燃機體積是柴油機的三分之一到五分之一，是蒸汽輪機的五分之一到十分之一左右。這是由于燃氣輪機本身精巧的連續(xù)轉(zhuǎn)動熱力學循環(huán)結(jié)構(gòu)造成的，體積小、功率大，非常適合軍艦分艙小、航速要求高的特點。

燃氣輪機的第二個優(yōu)勢是啟動速度快。雖然燃機的轉(zhuǎn)速是三種動力系統(tǒng)中最高的，但是由于整個轉(zhuǎn)子十分輕巧，在啟動機幫助下在1-2分鐘就可以達到最高轉(zhuǎn)速。而柴油機由于轉(zhuǎn)子運動源于活塞的往復，加速較慢，蒸汽輪機更是“反應遲鈍”，整個系統(tǒng)達到最高功率輸出可能需要長達一小時的時間。而啟動速度，對于軍艦的戰(zhàn)時出動和反潛作戰(zhàn)時加減速性能有著直接的影響。

燃氣輪機第三個優(yōu)勢是噪聲低頻分量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動當中，產(chǎn)生的噪聲更多是高頻嘯聲。而柴油機的活塞往復產(chǎn)生了大量低頻機械振動噪聲，恰好迎合了海洋容易傳播低頻噪聲的特點，導致軍艦容易被敵方聲納探測。所以柴油機動力尤為不適合給反潛軍艦作動力系統(tǒng)。

國產(chǎn)燃氣輪機自研燃機

我國艦用燃氣輪機研發(fā)的起步并不算晚。根據(jù)“中國艦用燃氣輪機總師訪談錄”的介紹，1958年我國開始著手研發(fā)計劃的具體組織實施，決定成立南、北方兩個聯(lián)合設計組，先開展大、中、小三型機組的可行性論證和方案設計。1959年底，前蘇聯(lián)向我國轉(zhuǎn)讓了M-1艦用燃氣輪機技術(shù)，我國對該機組進行了以技術(shù)練兵為目的的仿制工作。僅用了11個月，上海輪機廠就完成了該型燃機的首臺樣機制造。不過由于各種原因，仿制樣機經(jīng)過3年才排除大量故障通過驗收試驗。后來該型燃機在一艘高速炮艇上進行了試驗并且裝備了部隊。1964年完成設計的6000馬力燃機組是我國第一次自行設計研制的艦用燃機，但是由于研制周期過長加之原裝配對象計劃調(diào)整未能裝備部隊。與世界上其他國家主要依靠航空發(fā)動機改燃機不同，我國由于航空發(fā)動機水平落后，采取的是改進和專用研制并舉的道路。

1967年我國決定將轟六轟炸機上的渦噴8發(fā)動機改進為大功率艦載燃氣輪機，這是我國首次進行“航改燃”實踐，但是最終因為發(fā)達國家同意進口相應型號受到?jīng)_擊無果而終。后來我國一直在艦用燃機方面不斷嘗試，但是一直沒能拿出一款成熟可靠性能優(yōu)良的艦載燃氣輪機。這就是中國6艘裝備燃氣輪機的驅(qū)逐艦都采用外國產(chǎn)品的原因，其中112、113兩艘驅(qū)逐艦因為受到美國禁運影響，其裝備的LM2500燃氣輪機到了使用時限也難以獲得大修。

國產(chǎn)燃氣輪機艦用燃機

我國在艦載燃氣輪機方面一直沒能突破技術(shù)瓶頸的主要原因有很多，既有航空動力方面的問題也有艦用燃機工業(yè)本身的體制問題。其中最主要的一個原因是我國航空動力工業(yè)缺乏長期發(fā)展規(guī)劃。我國航空動力工業(yè)像很多落后國家一

樣是從仿制和修理開始的。在老大哥的幫助下，我國迅速建立起一個能夠和世界一流水平比肩的航空工業(yè)體系，但是我國并沒有為航空工業(yè)以及航空動力工業(yè)制定一個從仿制到研制的長遠發(fā)展規(guī)劃，而是將航空工業(yè)本身的任務局限于仿制、生產(chǎn)和修理，確定了以生產(chǎn)為主的“遍地批量廠”發(fā)展方針。我國航空工業(yè)的運行狀態(tài)就是，仿制生產(chǎn)再仿制再生產(chǎn)，長期處于這種發(fā)展狀態(tài)下，我國航空動力工業(yè)對于現(xiàn)代航空動力系統(tǒng)的研究發(fā)展客觀規(guī)律認識極為不足。

航空發(fā)動機研制沒能突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，與航空發(fā)動機技術(shù)相通的艦用燃機更是無從談起。在2004年，中國一航開發(fā)研制的國產(chǎn)新型燃氣輪機QC185在珠海航展上首次面世。而該機就是以太行核心機為基礎(chǔ)改進的輕型燃機，不過輸出功率17兆瓦的水平也不足于我國發(fā)展大型水面艦艇的需要。另外，我國艦用燃機輪機主要研制和生產(chǎn)單位存在于航空工業(yè)之外，在體制方面非常不利于航空發(fā)動機向燃氣輪機的改進工程。

航空強國的動力發(fā)展經(jīng)驗是進行核心機預研，然后在同一個核心機上再衍生出航空發(fā)動機和艦用燃氣輪機。世界著名的艦用燃機LM2500就是核心機預研工程的衍生產(chǎn)品。LM2500燃氣輪機衍生自美國GE公司的GE9核心機。GE9核心機衍生出F101大涵道比軍用加力渦扇發(fā)動機用于B1B超音速戰(zhàn)略轟炸機，將GE9的換算流量進一步減小發(fā)展出了GE15核心機。GE15核心機衍生出的渦噴型號YJ101參與競爭F-15和輕型戰(zhàn)斗機計劃（F-16研制計劃）但是輸給了普惠的F100發(fā)動機。后來競爭YF-17也就是今天的F/A-18艦載機項目時，GE將YJ101的低壓壓氣機放大成為風扇研制出了F404中推渦扇發(fā)動機。而將F404的風扇放大并與F101的小涵道比型號結(jié)合，就是F-15和F-16的著名動力F110。

在GE9核心機基礎(chǔ)上衍生的艦用燃氣輪機LM2500是世界上最成功的艦用燃氣輪機，裝備了美國阿里伯克級等多個國家的軍艦。而通用電氣與法國斯奈克瑪公司聯(lián)合研制的CMF56大涵道比渦扇發(fā)動機也是以GE9核心機為基礎(chǔ)的，CMF56發(fā)動機裝備了空客A320等多種民航發(fā)動機，也是第三帶民用渦扇發(fā)動機的典型代表。這就是說，GE9一個核心機解決了F-15，F(xiàn)-16，F(xiàn)-18這些世界知名戰(zhàn)斗機、以伯克級驅(qū)逐艦為代表的各類艦艇乃至民航客機所有動力問題，這不得不說是核心機預研的巨大效益?？梢哉f，一型核心機的研制成功，意味著整個國家從天空到海洋的全面突破。美國從上世紀五十年代末就開始核心機預研計劃，而我國晚了大概30年，由于起步晚，經(jīng)驗和工業(yè)基礎(chǔ)不足，至今未能拿出一款大規(guī)模實用的核心機型號。

網(wǎng)絡上開始流傳所謂我國新驅(qū)逐艦分段開始建造的照片，網(wǎng)友和軍迷們對于我國驅(qū)逐艦發(fā)展的熱情隨之更加高漲起來。后來出現(xiàn)了很多我國未來驅(qū)逐艦的想象圖和技術(shù)分析，還有的朋友認為我國將來會建造滿載排水量9000噸的防空驅(qū)逐艦，并且給它起了一個親切的名字叫“九千歲”。

國產(chǎn)燃氣輪機實戰(zhàn)檢驗

本國唯一可以立刻使用的艦載燃機是烏克蘭GT25000艦用燃氣輪機的仿制品，額定功率29兆瓦，實際輸出功率在23兆瓦左右。據(jù)加拿大《漢和》雜志介紹，該國產(chǎn)燃氣輪機已裝在052B型驅(qū)逐艦上。2臺GT25000燃機實際總功率在45兆瓦左右，而日本愛宕級防空驅(qū)逐艦和韓國KDX3級驅(qū)逐艦雖然都是萬噸的滿排，但也不過是70兆瓦的總功率水平。我國海軍編隊長期在非洲亞丁灣執(zhí)行護航任務，每批艦艇都要在海外連續(xù)執(zhí)行任務數(shù)月之久，從未聽說過052B型驅(qū)逐艦在護航過程中出現(xiàn)過動力問題。這說明國產(chǎn)GT25000燃機的可靠性和經(jīng)濟性都是適合我國國情的?，F(xiàn)階段，立足于GT25000的動力系統(tǒng)一方面應該繼續(xù)改進其工藝和性能上不足之處，一方面完全可以通過對動力方案的調(diào)整做到我國將來各類主力艦只都有適合的動力可用?？梢哉J為制約我國水面艦艇的中型艦用燃氣輪機瓶頸已經(jīng)突破。但是需要看到的是，我國主力艦只也僅僅是可以放心使用國外燃氣輪機的仿制改進型號。

網(wǎng)友制作的中國萬噸級驅(qū)逐艦想像圖，中國海軍新型驅(qū)逐艦仍將是使用仿制動力。

國產(chǎn)燃氣輪機萬噸級

在驅(qū)逐艦方面，繼續(xù)深挖GT25000燃機的功率潛力，采用兩臺GT25000和兩臺艦用柴油交替工作的方式可以為滿排在7000噸左右的驅(qū)逐艦使用，這很可能就是網(wǎng)絡盛傳的052C 防空驅(qū)逐艦，也就是分段照片流出的艦型。將QC280功率降低從而增加壽命和經(jīng)濟性，然后采用四臺方案為9000噸滿排驅(qū)逐艦提供動力，這就可以突破以往限制達到網(wǎng)友心目中“九千歲”大驅(qū)的境界，這個水平也和阿里伯克級驅(qū)逐艦相當，意味著我國主力防空艦綜合性能達到美國主力艦的基本水平。9000噸的防空驅(qū)逐艦和同級別反潛通用驅(qū)逐艦已經(jīng)完全能夠支撐起一個航母編隊的防空反潛反艦等綜合任務。

另外考慮將來海軍對陸遠程精確打擊和驅(qū)逐艦單艦獨立執(zhí)行任務的需求，直接采用四臺GT25000燃機驅(qū)動滿排在11000-13000噸的大型綜合驅(qū)逐艦。該艦采用大容量垂直發(fā)射系統(tǒng)容納獨立作戰(zhàn)自衛(wèi)所需的遠中近防空導彈和用于攻擊的反艦導彈對陸巡航導彈，并在綜合完善雷達電子設備支持下，在一定海域執(zhí)行綜合性任務具有相當高效費比。該級別驅(qū)逐艦參與艦隊作戰(zhàn)時該艦可以作為火力加強性節(jié)點，負責艦隊中需要強火力支援作戰(zhàn)任務

圖說明：052B型的169艦在亞丁灣執(zhí)行護航任務，小圖為其所配裝的國產(chǎn)化的GT25000燃氣輪機。該燃氣輪機經(jīng)受住了亞丁灣護航行動的考驗，表現(xiàn)出可靠的性能。

結(jié)束語：根據(jù)情況來看，雖然我國一定時期內(nèi)海軍主力艦只采用仿制GT25000燃機作為動力，但是這次新聞表明我國自研中等功率燃機項目正在穩(wěn)定推進。為了避免以往航空發(fā)動機和燃機可靠性和持久性不足的問題，我國特別在小功率燃機試車中增加了長久試驗特殊項目。而中等功率燃機QC185也完成了試制并且第一次點火開始試車工作，預計數(shù)年之內(nèi)就能設計定型。

燃氣輪機是一種先進而復雜的成套動力機械裝備，是典型的高新技術(shù)密集型產(chǎn)品。作為高科技的載體，燃氣輪機代表了多理論學科和多工程領(lǐng)域發(fā)展的綜合水平，是21世紀的先導技術(shù)。發(fā)展集新技術(shù)、新材料、新工藝于一身的燃氣輪機產(chǎn)業(yè)，是國家高技術(shù)水平和科技實力的重要標志之一，具有十分突出的戰(zhàn)略地位。

由于多方面的原因，我國燃氣輪機同國際先進水平相比仍存在很大差距，尚未形成真正的產(chǎn)業(yè)。諸多領(lǐng)域動力落后的狀態(tài)，已成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的“瓶頸”，其技術(shù)僅被世界上少數(shù)幾個發(fā)達國家所控制，先進的燃氣輪機在西方國家仍然限制對華出口。

燃氣輪機屬于重大核心裝備，如果長期依賴進口，在關(guān)鍵技術(shù)上受制于人，不利于我國燃氣輪機動力產(chǎn)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的健康、快速發(fā)展。從市場容量看，我國新世紀四大工程中“西氣東輸”、“西電東送”、“南水北調(diào)”等三大工程均需要大量30兆瓦級工業(yè)型燃氣輪機，同時我國艦船制造業(yè)的健康快速發(fā)展需要大量30兆瓦級艦船燃氣輪機，我國已成為世界最大的燃氣輪機潛在市場。

面對經(jīng)濟全球化、國際燃氣輪機市場激烈競爭和國外高度壟斷的新形勢，國家對我國民族燃機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常重視，國家發(fā)改委和科技部已經(jīng)將我國燃氣輪機市場發(fā)展的思路和對策納入“十二五”及長期發(fā)展規(guī)劃中，重型燃氣輪機是國家優(yōu)先發(fā)展的10項重大技術(shù)裝備之一。是國家裝備制造業(yè)重點發(fā)展的領(lǐng)域，特別是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組和整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組。隨著中國能源需求迅猛增長以及天然氣資源進入大規(guī)模開發(fā)利用階段，燃氣輪機正在形成一個“爆發(fā)性增長”的市場。到2020年，全國燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)裝機容量將達到5500萬千瓦，是2000年之前50年已建成同類裝機容量的25倍。保守估計，僅中石油一家，每年需要的燃氣輪機價值就達到了30億元。到2015年，國內(nèi)燃氣輪機的市場容量能達到300億元，而國際市場容量則能達到2700億元。