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中國艦用燃氣輪機獲進展

字體: 放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-11-05  瀏覽次數(shù):883
     9月7日轉(zhuǎn)發(fā)《中國航空報》的報道,中航工業(yè)動力所研制的兩款燃氣輪機近日都取得階段性進展,其中一款是中檔功率燃氣輪機、另外一款是小功率燃氣輪機。而根據(jù)《航空發(fā)動機》雜志的公開報道,中航工業(yè)動力所近年來在發(fā)展QD128、QC185、QC70、R010四款燃氣輪機,其中R010為重型燃氣輪機、QD128和QC185是中檔功率燃氣輪機,QC70是小功率燃氣輪機。R010因為體積、重量過大,只適合用于陸上發(fā)電用途;QC128則已經(jīng)通過新品鑒定,并實現(xiàn)了兩套發(fā)電機組銷售,可以說已研制成功。所以,這次取得進展的,應該是QC185和QC70兩個型號。

按照《中國航空報》的報道,QC185中等功率燃氣輪機在8月29日實現(xiàn)了首次點火,并在慢車狀態(tài)實現(xiàn)穩(wěn)定運行。而QC70小功率燃氣輪機則在8月22日完成第一階段可靠性測試,即歷時13個月的長期試車任務。從兩者的體積、功率來看,兩者都可以用于軍艦動力,QC185可用于大型驅(qū)逐艦,QC70則可用于氣墊船。這標志著我國在裝備自主研制生產(chǎn)的艦用燃氣輪機道路上邁進了關(guān)鍵一步。

目前,中國海軍僅有6艘驅(qū)逐艦采用了燃氣輪機作為動力。根據(jù)外媒報道,其中052型驅(qū)逐艦112、113號裝備了美制LM2500燃氣輪機,052B、052C型驅(qū)逐艦168、169、170、171號裝備了烏克蘭制的GT25000或國內(nèi)仿制型號。為什么燃氣輪機對于海軍建設(shè)如此重要?網(wǎng)易軍事為您作出獨家分析。

燃氣輪機作為軍艦動力的優(yōu)勢

在軍艦動力方案選擇上,燃機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)。

艦用燃氣輪機:舍我其誰

艦船動力裝置主要有:蒸汽動力裝置、柴油機動力裝置、核動力裝置、燃氣動力裝置和聯(lián)合動力裝置。前兩種裝置發(fā)展得比較早,廣泛應用于各類艦船,后面三種,系近十多年來迅速發(fā)展起來的新型動力裝置。艦船燃氣輪機動力裝置是指以燃氣輪機為主機的全燃化動力裝置。它自五十年代末期起,尤其是六十年代中期以來,已得到了極其廣泛的應用。功率總數(shù)日益增長,裝艦使用范圍日益擴大,已由快艇發(fā)展到了護衛(wèi)艦、導彈驅(qū)逐艦、巡洋艦和直升機航空母艦等,可謂是舍我其誰。

燃氣輪機基本工作原理

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。

自研燃機尚未裝備

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(shè)計組,先開展大、中、小三型機組的可行性論證和方案設(shè)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(shè)計的6000馬力燃機組是我國第一次自行設(shè)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。

美國經(jīng)驗:核心機預研是關(guān)鍵

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。可以說,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。

最近網(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”。

GT25000仿制品已通過亞丁灣實戰(zhàn)檢驗

目前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。四臺GT25000燃機實際總功率在90兆瓦左右,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。最近,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。現(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。

萬噸級大型驅(qū)逐艦不是夢想

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,這很可能就是最近網(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(shè)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。

根據(jù)目前情況來看,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(shè)計定型。從國產(chǎn)驅(qū)逐艦已經(jīng)開工的情況來判斷,國產(chǎn)燃氣輪機已經(jīng)基本解決問題,中國海軍將展開新一波的造艦高潮。


 
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