| 导读：自冷战巅峰时代，红海军“饱和攻击”理论提出以后，来自于空中各类飞行器与导弹的袭击，逐渐发展成为制导时代里作战舰艇的首要威胁。进入21世纪以来，随着各类空对面武器的发展，战机性能的进一步提升，这一威胁也愈发凸显。2013年，随着“辽宁”号航空母舰的建成和服役，全面撑开中国舰队的海上防空圈保障舰队的安全，已成为了当前时期中国海军军事建设的首要任务。 美国海军提康德罗加级巡洋舰，一直到目前都还是世界上最好的防空舰之一 中国海军需要发展一种媲美美国海军阿利·伯克级驱逐舰、提康德罗加级巡洋舰的，装备有强大的相控阵雷达“宙斯盾”系统的防空舰。而这种新时代战舰的身影，其实早在世纪初的2003年，就已经出现。 由于“心脏病”问题，170和171舰曾在长达7年的时间内，成为中国海军舰队仅有的远程防空力量，独挑大梁 海军的170号“兰州”舰与171号“海口”舰，以其卓尔不凡的身子，一度成为国内军迷的宠儿。然而因为种种问题，自2005年末两舰服役后，建造工程一度中断了5年之久。直到2010年末，才恢复建造任务。 是什么原因导致海军紧缺的新锐战舰被迫停工5年之久？究其原因，是战舰因为患上了“心脏病”。 搭载先进雷达系统和大量防空导弹，需要更大的船体。而更庞大的船体，也就必须更为强劲的动力系统来加以驱动。进入21世纪以后，燃气轮机已成为各大国主力战舰的标准动力装置。其兼顾蒸汽轮机启动便捷动力响应迅速等优点，同时又以震动小噪音低，功重比大体积小等优势，成为战舰的不二选择！ 但是，直到2005年中国第一批配备了相控阵系统与垂直发射系统的战舰服役，我们尚不能自产大型船用燃气轮机！ 中国攻克国产燃气轮机的历程，堪称是中国工业发展史的一段浓缩写照。那么让我们来了解一下其曲折历程。 燃气轮机发展简史 燃气轮机，是一种以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料化学能转变为有用功的内燃式动力机械。其具备冲程式内燃机特有的启动迅速、动力强劲等优点，更因其旋转作功的设计，在运转时不存在活塞式热机那样的不输出功率，仅靠惯性维持运作做完冲程的状态。此外，由于运转不需要连杆与活塞部件进行往复的冲程动作，燃气轮机的运转震动小磨损耗，可靠性远远优于各类活塞式热机。 安装在英国新一代航空母舰中的MT30燃气轮机，由劳斯莱斯公司依托特伦特800型航空发动机为基础研制，是目前世界上最大的船用燃气轮机。目前，英国海军最新的伊丽莎白二世级航空母舰，以及美国的DDG1000型驱逐舰，均采用该主机作为动力。其代表着当今船用燃气轮机动力的顶尖水平 由于上述优点，在第二次世界大战以后，随着材料技术和设计、加工技术的逐渐成熟，燃气轮机逐渐成为现代工业、军事领域的重要构成部分。在军用船舶、民用发电等领域占据重要地位。 大约在18世纪末，欧洲有人提出了现代燃气轮机的热力循环原理，但由于当时的冶金工业不能提供适应高温、高速工作条件的涡轮叶片材料，对空气动力学的认识也接近空白，无法设计效率较高的压气机；高速工作机械要求的较高制造精度，当时的工艺水平也不能满足。最重要的是，在石油工业大发展之前，缺乏合适的燃料。这些不利因素综合起来，使得在20世纪之前，不存在设计、制造实用的燃气轮机的可能性。 由于构造特殊性以及材料问题等制约，燃气轮机的理论虽然很早就被提出，但直到第二次世界大战前夕，才由瑞士BBC公司首次试制成功 现代实用化燃气轮机诞生于第二次世界大战前夕。1939年，瑞士的BBC公司制成了功率为4000kW、装置效率为18%的发电用工业燃气轮机；同年，德国亨克尔公司制造出了第一台涡轮喷气发动机——亨克尔S3B。1940年，BBC公司又制成了燃气轮机机车，功率达2200kW，效率为16%。由于第二次世界大战的影响，各大国在燃气涡轮发动机研究方面，优先保障了航空涡轮喷气发动机的研制。 德国亨克尔公司制造的S3B涡轮喷气发动机 二战结束后，英国海军于1947年首次在一艘只有100吨的摩托炮艇MGB-2009号上安装了一台燃气轮机，这也是有史以来第一台舰船用燃气轮机。试验取得了极大的成功，英国海军随即决定大力发展燃气轮机作为舰船动力，以美国、苏联为首的其他工业大国也紧随其后，纷纷推出了自己的新型舰船燃气轮机。 1958年，鉴于常规蒸汽动力装置已经不能满足现代舰船对动力的要求，苏联提出大力发展舰用燃气轮机和核动力装置的计划，1962年，世界上第一型全燃气轮机动力主战舰艇——苏联的卡辛级驱逐舰投入了使用；1968年，英国海军决定，在新建造的大中型水面舰艇上，要全部采用燃气轮机作为动力装置；美国自1941年通用电气仿制英国惠特尔喷气发动机起，奏响了美国燃气涡轮发动机大发展的序曲。在这些早期发展的基础上，美国借助强大的科研实力和商业实力，美国迅速成为了世界燃气涡轮发动机的主要产地。 LM2500系列燃气轮机是美国通用动力公司于上世纪六十年代以TF39涡轮风扇发动机为蓝本研制的航改式燃气轮机。该系列燃气轮机有着非常广泛的用途，可应用于船舶动力，发电，石油开采等多种目的。最为主要的用途是作为军用舰艇的动力装置。由于该型燃气轮机性能优秀，所以美国与其他海军均采购LM2500燃气轮机作为作战舰艇的动力装置 美国通用动力公司于上世纪六十年代以TF39涡扇发动机为蓝本研制的航改式燃气轮机LM2500。目前，该系列燃气轮机有着非常广泛的用途，可应用于船舶动力，发电，石油开采等多种目的。最为主要的用途是作为军用舰艇的动力装置。由于该型燃气轮机性能优秀，所以美国与其他海军均采购LM2500燃气轮机作为作战舰艇的动力装置。 美国海军阿利·伯克级ⅡA型“史托戴尔”号驱逐舰。采用LM2500系列燃气轮机的伯克级驱逐舰，目前已俨然和航母一起，成为了美国海军乃至是国家力量的象征 从上世纪70年代初正式投入使用以来，LM2500系列燃气轮机已经销售了2000多台(包括工业和舰船)，占据了世界舰船燃气轮机的绝大部分份额。在中美蜜月期，我国曾引进过数台该型燃气轮机，配备了052型112号驱逐舰，并一直使用至今。其可靠性与性能稳定性，令中国海军充分领略了通用动力公司在该领域内的绝对优势。但由于一些历史原因，随着蜜月期的结束，中国船用燃气轮机发展，再次回到自主研发的道路上。 配备通用动力LM2500型燃气轮机的052型“哈尔滨”号导弹驱逐舰。其主机运行近20年一直稳定可靠，从未有过重大故障，深受海军信赖 中国燃气轮机的研发历史 我国舰船用燃气轮机研发的起步并不算晚。据我国燃气轮机专家、中国工程院闻雪友院士介绍，国内有关方面根据《国防科学技术十年规划》，在1958年即着手研发计划的具体组织实施。根据最初的规划，中国的燃气轮机采用仿制苏联M-1与自研4410千瓦两型同时实施的方案。 从1953年至1958年间，苏联援助中国的156个工业项目，曾对新中国的建设起到了积极作用 在1959年底，根据中苏双方的协定，苏联将其研制的第一款舰船用燃气轮机M-1的图纸运抵我国。M-1曾装于苏联183K型鱼雷快艇，功率为2940千瓦，翻修寿命100小时，当时在苏联已被淘汰。我国科研人员在当时对舰船用燃气轮机知之甚少，工艺水平也很低的状况下，从M-1图纸到达，经翻译、消化、工艺准备、试制和装配，上海汽轮机厂仅用11个月就完成了首台样机的制造。但由于原机结构设计存在缺陷，加之制造、装配质量欠佳，苏方又未提供计算资料，台架试车并不顺利，历经3年才通过了验收试验。 苏联183K型鱼雷艇，是苏联海军第一种采用燃气轮机动力的作战舰艇。但是其配备的M-1型燃气轮机功率小、可靠性差、设计也有缺陷，并不能算是一种成熟的船用动力装置 4410千瓦的燃气轮机则是我国自行设计、研制的首型舰船专用机。1960年初，在确定重点进行4410千瓦舰船用燃气轮机的研制工作后，为加强舰船用燃气轮机的设计、研制工作，决定成立专业研究所。1964年4410千瓦燃气轮机完成设计，整机试验阶段曾发生涡轮叶片严重烧伤、主轴承损坏等事故，最终完成500小时耐久性试车，其后进行小批量生产。与此同时，开展了双机并车传动装置的研制，包括行星减速器、液力耦合器、自动同步离合器及其自动控制系统，整套双机并车传动装置在陆上试验站进行了150小时试车。这也是我国第一次进行并车传动装置的研制。 在自行设计、生产舰船用燃气轮机取得成功之前，国内相关企业、单位在发展工业用燃气轮机，以及引进国外的成熟技术方面也取得了一定成果。我国在引进苏联燃气轮机技术的同时，还引进了瑞士BBC公司的列车发电机组。60年代至70年代初,上汽、哈汽、南汽和东方汽轮机厂都曾以厂所校联合的方式,自行设计和生产过燃气轮机,涡轮进气初温达到700℃等级,与当时的世界水平差距不大。比较典型的机型有：南京汽轮机厂于1964年制成国内第一台1500千瓦的发电用燃气轮机，哈尔滨汽轮机厂于1969年制成国内第一台机车用2205千瓦的燃气轮机。 70年代中期,为配合川沪输气管线的建设，由国家计委批准，以南汽为基础，投资1.4亿，并将各地燃机专业人员200余人调入南汽，建设了我国重型燃气轮机科研生产基地。并由原第一机械工业部负责在南汽组织了由全国近百个单位参加的23兆瓦燃机大会战。于1978年成功地完成了第一台全国产化样机的试制工作并通过了国家鉴定，这是我国当时最大功率的燃气轮机,涡轮进气初温990℃等级。之后，共生产同型号机组3套用于发电，目前仍在使用。 1963年，中国铁道科学院、哈铁科研所、清华大学、哈尔滨汽轮机厂、大同机车厂等单位共同开始研制，长征型001号燃汽轮机车，主机额定输出功率2205千瓦（3000马力），被定为全国重型机车之一。长征一号机车的动力装置，为一台单轴开口式简单循环的燃气轮机。轮机由压气机、燃烧室及涡轮三部分组成，额定功率为3000马力，额定转速为每分钟6700转，满负荷燃烧温度为650℃，燃料为重油，实测热效率为14.4%。平心而论，撇开这个填补空白的“第一”，该主机的各项数据用今天的角度来看，都只能用“悲催”来评价 中国航空工业在七八十年代，在航改燃机方面取得了一些成就。主要有：以涡轴5为原准机改型而成的792SB，以涡桨6为基础衍生发展的涡桨6改2甲、涡桨6改4甲和409型，以涡喷6为基础改型的涡喷6改，以涡扇9（国产劳斯莱斯“斯贝”涡扇发动机）为原准机派生而来的涡扇9改1甲和410A等燃气轮机。其中，有关方面曾试图将WJ6G2A、WJ6G4、410A（G2）等航改轻型燃机用于气垫船和作战舰艇，但由于种种原因而没有最终应用。 新时代的中国燃气轮机 进入21世纪以来，中航工业继成功研制出“昆仑”（涡喷14）、“太行”（涡扇10）军用发动机以后，在其基础上，又先后在工业与舰船用燃气轮机领域取得成功。2002年以后，沈阳发动机设计研究所（606所）、沈阳黎明航空发动机（集团）有限公司、西安航空发动机（集团）有限公司等单位研制成功12800千瓦的QD128、7000千瓦的QD70航改燃机。不久，又推出QC185等系列的工业与舰船用燃气轮机。 QD128型燃气轮机，其作为首台自主知识产权的中等功率燃气轮机，热效率达到了30%。较之上世纪那些自产燃气轮机，在技术和性能上均实现了飞跃 QD128系国内首台拥有自主知识产权的中等功率的燃气轮机，主要用于发电、热电联供、管输动力及船舶动力。其主要技术指标为：输出功率12800千瓦，热效率30%，耗油率为0.27千克/千瓦·小时，空气流量62千克/秒，动力涡轮转速4700转/分。在海拔4000米以下大气温度为-45℃～+45℃条件下都能可靠工作。截至2009年10月中旬，该型机组自2006年6月开始运行以来，已在大庆北亚电厂安全运行超过4000小时。QD70是中航工业研制的小功率等级的轻型燃气轮机，可用于发电或热电联供、机械传输、船舶动力。1998年开始研制，2003年实现首台点火。截至2008年10月底，已经累计在外场并网发电3300余小时。其输出功率为7060千瓦（最大8000千瓦），热效率31%，空气流量29千克/秒，动力涡轮转速8300转/分。 QD70型小型燃气轮机性能中规中矩，虽谈不上先进，但足以满足其设计需求，是一种非常重要的小型燃气轮机 2004年11月1日，中航一集团在珠海召开的国产新型燃气轮机首次面世新闻发布会上宣布，中国在“太行”发动机基础上成功开发了新型舰船用燃气轮机QC185。该型中等功率的轻型燃气轮机可用于管输动力、发电或热电联供、船舶动力。输出功率17780千瓦，热效率36%，空气流量58千克/秒，动力涡轮转速5500转/分，重量5800千克。据研发部门称，QC185与其他燃气轮机相比，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。 根据2008年4月28日的一篇报道，海军用某型燃气轮机在沈阳通过技术鉴定。作为国内首型具有完全自主知识产权的海军用航改燃机，顺利地按合同规定，按期保质完成该燃机的研制任务，满足技术指标。从上述文字分析，“某型燃气轮机”即QC185。该型燃机的成功研制，对海军动力装备的发展具有重要意义。也正是因为该型燃气轮机完全国产化的实现，目前成为中国海军主心骨的主力防空舰，被誉为“中华宙斯盾”的052C与052D型驱逐舰，才能和“下饺子”一样划入水中，推动中国海军装备现代化的大踏步前进。 目前中国海军的新锐主力，“中华宙斯盾”舰052C（上图）和052D型（下图）防空驱逐舰。其实，早于本世纪初，最初两条052C型驱逐舰“兰州“号与“海口“号（舷号分别为170、171）就已建成。但两舰主机均为进口乌克兰进口的DA/DN80系列，无法国产。直到2010年以后，随着QC185型国产燃气轮机的成熟和量产，解决了”心脏病“的中国海军终于能够像“下饺子”建造大量新锐主力舰，去完成早就应该展开的中国海军主力舰换代工作 当然，燃气轮机的价值不仅仅是船用动力。有关单位同时也在“昆仑”发动机基础上结合国内航空发动机的最新成果，研制了采用间冷回热技术的新一代舰用燃气轮机QC260。由于尚未公开其技术指标，其具体性能不详。但是按照命名法，估计其功率可达26000千瓦等级，已经达到了LM2500的功率水平。 解燃眉之急的QC185型燃气轮机。然而纵观中国燃气轮机的发展史，目前“中国心”的集中“爆发”，很大程度上也是基于进入新世纪以后国内材料技术实现突破的结果 我国在1993年引进乌克兰的UGT-25000之后，由中航工业致力于国产化工作。有关方面介绍，在UGT-25000舰船用燃气轮机基础上改型的工业用燃气轮机名叫QD280，2007年由西安航空发动机（集团）公司开始研制，2008年底完成燃气发生器研制工作。其主要用途为发电、管道增压，在ISO条件下，输出功率为28670千瓦，热效率为37%，性能居于世界领先地位。 乌克兰的GT-25000型燃气轮机。其热效率接近通用动力第三代燃气轮机LM2500＋水平 当然，我国引进原本作为舰船动力的UGT-25000，绝非仅仅用于工业领域，鉴于国内驱护舰缺乏国产燃气轮机的事实，国内势必加快在其基础上改进的QC280舰船用燃气轮机的国产化工作。 说“结语”为时尚早，因为这不过是起点和开始 由于燃气轮机属于高技术产品，研发必须具备雄厚的工业基础和长期不断的投入，是强大的综合国力的象征。目前世界上真正能设计、制造船用大功率燃气轮机的国家，其数一手可尽数。 一款优秀的燃气轮机的开发不单单只是其本身所带来的产值及效益，更可以带动带动材料、先进制造等领域创新，使一个国家的工业基础整体上升一个台阶。幸喜，通过长达半个多世纪的努力，我国也已拥有了自主设计和制造重型燃气轮机的能力。以QC185、QC260和QD70、QD128等系列为开始，碧波之间中国心，开始了它的脉动。 来源：飞天众智 |
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