江蘇泰來機械科技有限公司
Jiangsu Tailai Machinery Technology Co., Ltd.
客戶統(tǒng)一服務熱線
15961008888
13852848699
0523-87565988
15961008888
13852848699
0523-87565988
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。
燃氣輪機是以空氣為介質，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，勢能的轉換，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換，在短短幾十厘米的距離內空氣的溫度上升數百甚至上千度，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化。渦輪將燃氣的能量轉化為動能后，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子的扭矩輸出，經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換的終目的。
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)轉動熱力學循環(huán)結構造成的，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。雖然燃機的轉速是三種動力系統(tǒng)中的，但是由于整個轉子十分輕巧，在啟動機幫助下在1-2分鐘就可以達到轉速。而柴油機由于轉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)定轉動當中，產生的噪聲更多是高頻嘯聲。而柴油機的活塞往復產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)。
發(fā)達國家尤其是美國早就認識到艦用燃氣輪機的巨大優(yōu)勢，研制大量燃氣輪機型號為自己的海軍提供充裕的動力，其中LM2500燃機基本統(tǒng)一了美國海軍大中型作戰(zhàn)艦艇的動力系統(tǒng)，還裝備了24個國家海軍、350艘軍艦，號稱“驅動半個地球的海軍”。LM2500燃氣輪機是美國GE于20世紀60年代末研制的高效大功率船用燃氣輪機， 由TF39航空渦輪風扇發(fā)動機(民用型為CF6)改裝而成，是型第二代船用燃氣輪機。初的 LM2500燃氣輪機的輸出動力為25500馬力。
LM2500燃氣輪機為雙轉子結構，由單轉子燃氣發(fā)生器和自由動力渦輪轉子組成。燃氣發(fā)生器由壓氣機、燃燒室和壓氣機渦輪組成；壓氣機共16級，進口導葉和1-6級靜葉可調，壓氣機轉子為鼓形結構；燃燒室為單環(huán)燃燒室，裝有30個燃油噴嘴和2個點火器，內、外壁采用氣膜冷卻；壓氣機渦輪為二級軸流式，兩級動葉和靜葉均采用空氣冷卻，級和第二級靜葉為沖擊和氣膜冷卻，第二級動葉為沖擊和對流冷卻，由于采用了先進冷卻技術，雖然燃燒室出口溫度為1170℃，但渦輪葉片金屬表面的溫度仍不超過846℃；動力渦輪原為TF39中驅動風扇的渦輪，采用了低負荷設計，級數多達6級。
LM2500在不斷發(fā)展改進，實現(xiàn)了功率級別的跨越式發(fā)展。LM2500+是給LM2500增加零級壓氣機的功率加大的改進型機組，燃燒室出口溫度從1170℃增加到1205℃，壓比從18.8增加到23.3，空氣流量從70.3 kg/s增加到85.7 kg/s；額定連續(xù)功率29788kW;在上述功率下的熱效率37.8%。美國海軍的LHD1“黃蜂”級大型兩棲攻擊艦的動力裝置，本來采用的是兩臺共7萬馬力的蒸汽輪機，從第8艘“馬金島”號（LHD8）起，已經改為使用兩臺LM2500＋燃氣輪機推進。
2005年GE開始對一代的LM2500＋G4燃氣輪機進行試驗，LM2500+G4是具有增加壓氣機、壓氣機渦輪和動力渦輪流動能力的LM2500+，升級改進基于適度的增加燃氣初溫和壓比，空氣質量流量增加5%，其功率達到了47370馬力，效率進一步提高到39.3％。從初的25500馬力到G4的47370馬力，LM2500連續(xù)跨越了兩個功率等級的臺階，充分顯示美國在復雜工業(yè)產品研制上強大的預研和工程能力。
中國艦用燃氣輪機研發(fā)的起步并不算晚。根據“中國艦用燃氣輪機總師訪談錄”的介紹，1958年中國開始著手研發(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)向中國轉讓了M-1艦用燃氣輪機技術，中國對該機組進行了以技術練兵為目的的仿制工作。僅用了11個月，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馬力燃機組是中國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，中國由于航空發(fā)動機水平落后，采取的是改進和專用研制并舉的道路。
1967年中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，這是中國首次進行“航改燃”實踐，但是終因為發(fā)達國家同意進口相應型號受到沖擊無果而終。后來中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逐艦都采用外國產品的原因，其中112、113兩艘驅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。這同時也使得052型驅逐艦在建造完成2艘以后，就不得不停止建造。
中國在艦載燃氣輪機方面一直沒能突破技術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。其中主要的一個原因是中國航空動力工業(yè)缺乏長期發(fā)展規(guī)劃。中國航空動力工業(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，中國迅速建立起一個能夠和世界水平比肩的航空工業(yè)體系，但是中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、生產和修理，確定了以生產為主的“遍地批量廠”發(fā)展方針。中國航空工業(yè)的運行狀態(tài)就是，仿制生產再仿制再生產，長期處于這種發(fā)展狀態(tài)下，中國航空動力工業(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技術瓶頸，與航空發(fā)動機技術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改進的輕型燃機，不過輸出功率17兆瓦的水平也不足于中國目前發(fā)展大型水面艦艇的需要。另外，中國艦用燃機輪機主要研制和生產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品。LM2500燃氣輪機衍生自美國GE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的小涵道比型號結合，就是F-15和F-16的著名動力F110。
在GE9核心機基礎上衍生的艦用燃氣輪機LM2500是世界上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，經驗和工業(yè)基礎不足，至今未能拿出一款大規(guī)模實用的核心機型號。
在國產燃氣輪機短時間難以成熟量產的情況下，中國不得不尋找新的艦艇動力系統(tǒng)，烏克蘭在解體前是前蘇聯(lián)的燃氣輪機研制、生產基地，當時其剛剛完成第四代GT-25000型燃氣輪機的研制工作，該機功率為33000馬力，除了重量和體積略大于LM-2500以外，在油耗、效率等方面都與LM-2500相當，是一型性能較好的艦用燃氣輪機，中國除引進成品外用于建造052B/C兩型驅艦外，還從艦用動力立足國內的角度考慮，與烏克蘭簽署了技術引進協(xié)議，引進技術自行生產。
根據國外媒體報道，中國船舶工業(yè)集團從烏克蘭進口了4臺GT25000型25MW船舶燃氣輪機。這四臺燃氣輪機于2001年6月(對)和2001年12月(第二對)交付，用于裝備中國新下水的052B型驅逐艦。除此之外，根據海軍資深士官朱桂全在解放軍報發(fā)表的文章，可以分析得出至少在169艦、170艦、171艦上都已安裝了國產化的GT25000艦用燃氣輪機。這說明該燃機已經被仿制成功并且已經在索馬里進行實戰(zhàn)檢驗，中國自此進入了艦用動力發(fā)展的新時代。
GT25000燃氣輪機額定功率29000kW、效率36%，在額定功率上比LM2500基本型稍高。該機對應不同的結構方案具有不同的熱效率，三軸GT25000效率可以達到37%，但是依然低于采用更簡單的雙軸結構的LM2500+燃氣輪機，顯示出該燃機與世界先進水平的差距。不過該機充足的功率保證了中國新型大中型艦艇的動力。
目前中國區(qū)域防空驅逐艦依然處于一種小步快跑的狀態(tài)，沒有達到所謂終“目標艦”的完整作戰(zhàn)性能。其主要原因是動力不足和通用導彈垂直發(fā)射裝置尚未研制成功。而GT25000燃機完成仿制之后，中國則無需再受到進口燃機數量的限制，突破動力瓶頸，開始新一輪的造艦熱潮。GT25000艦用燃氣輪機額定功率29兆瓦，實際輸出功率在23兆瓦左右。四臺GT25000燃機實際總功率可以達到90兆瓦左右。日本愛宕級防空驅逐艦和韓國KDX3級驅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。
中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)行任務數月之久，從未聽說過GT25000燃氣輪機在護航過程中動力出現(xiàn)過問題。朱桂全在解放軍報發(fā)表的文章中也這樣寫道“在五年里，作為海軍新一代主力戰(zhàn)艦的169艦、170艦、171艦，在亞丁灣護航任務中表現(xiàn)搶眼，115艦、116艦多次完成出訪、出島鏈遠航任務。它們在遠航、護航、聯(lián)合軍演中的出色表現(xiàn)，折射的正是人民海軍裝備建設的飛速發(fā)展。”這說明GT25000燃機仿制型號的可靠性和經濟性適合中國國情，能夠滿足現(xiàn)階段中國海軍需要。但需要看到，中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。
現(xiàn)階段立足于GT25000的動力系統(tǒng)，可以通過對動力方案的調整做到中國將來各類主力艦只都有適合的動力可用。在驅逐艦方面，繼續(xù)深挖GT25000燃機的功率潛力，采用兩臺GT25000和兩臺艦用柴油機交替工作的方式可以為滿排在7000噸左右的驅逐艦使用。將GT25000功率降低從而增加壽命和經濟性，然后采用四臺方案為9000噸滿排驅逐艦提供動力，這就可以突破以往軍艦排水量限制達到和阿里伯克級驅逐艦相當的水平，意味著中國主力防空艦綜合性能達到美國主力艦的水平。9000噸的防空驅逐艦和同級別反潛通用驅逐艦已經能夠支撐起一個航母編隊的防空反潛反艦等綜合任務。
另外考慮到將來海軍對陸遠程打擊和驅逐艦單艦獨立執(zhí)行任務的需求，直接采用四臺GT25000燃機驅動滿排在11000-13000噸的大型綜合驅逐艦。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)所需的遠中近防空反導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的效費比。該級別驅逐艦參與艦隊作戰(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的作戰(zhàn)任務。
目前根據朱桂全在解放軍報發(fā)表的文章看來，軍方內部已對國產化的GT25000燃氣輪機予以了肯定。中國自研中等功率燃機項目也正在穩(wěn)定推進，中等功率燃機QC185也完成了試制并且次點火開始試車工作，預計數年之內就能設計定型[
]。從此前國產驅逐艦已經開工的情況來看，由于國產燃氣輪機已經基本解決問題，中國海軍新一波的造艦高潮也業(yè)已展開。但我們仍要看到中國雖然擁有了種國產大功率艦載燃氣輪機，但它不僅是一款仿制型號，而且相比LM2500這些世界知名的艦用燃氣輪機仍然差距明顯。而中國燃氣輪機在下一階段要取得新的實質進展，就必須取決于中國航空動力業(yè)在核心機預研上能否獲得關鍵性突破。由于中國航空動力工業(yè)是眾所周知的“老大難”，目前看來相關研究機構的下一步工作可謂任重而道遠。
更多內容請訪問：http://balharbor.cn/
手機網站
微信