《中國航空報》近日報導，中航工業動力所研製的兩款燃氣輪機近日都取得階段性進展，這說明中國在裝備自主研製生產的艦用燃氣輪機道路上邁進了關鍵一步。而且從新型國產驅逐艦已經開工的情況來判斷，國產燃氣輪機已經基本解決問題，中國海軍將展開新一波的造艦高潮。
基本介紹
- 中文名：國產燃氣輪機
- 外文名：Gas turbine
- 工作原理：靠高溫燃氣推動渦輪機械連續做功
- 用途：作為軍艦動力
- 仿製品：已通過亞丁灣實戰檢驗
- 自研燃機：尚未裝備
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最新進展
《 中國航空報》報導，中航工業動力所研製的兩款燃氣輪機都取得階段性進展，這說明中國在裝備自主研製生產的艦用燃氣輪機道路上邁進了關鍵一步。而且從新型國產驅逐艦已經開工的情況來判斷，國產燃氣輪機已經基本解決問題，中國海軍將展開新一波的造艦高潮。
據新華網轉發《中國航空報》的報導，中航工業動力所研製的兩款燃氣輪機都取得階段性進展，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《航空發動機》雜誌的公開報導，中航工業動力所在發展QD128、QC185、QC70、R0110四款燃氣輪機，其中R0110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。R0110因為體積、重量過大，只適合用於陸上發電用途；QC128則已經通過新品鑑定，並實現了兩套發電機組銷售，可以說已研製成功。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》的報導，QC185中等功率燃氣輪機在8月29日實現了首次點火，並在慢車狀態實現穩定運行。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，兩者都可以用於軍艦動力，QC185可用於大型驅逐艦，QC70則可用於氣墊船。這標誌著我國在裝備自主研製生產的艦用燃氣輪機道路上邁進了關鍵一步。中國海軍僅有6艘驅逐艦採用了燃氣輪機作為動力。根據外媒報導，其中052型驅逐艦112、113號裝備了美制LM2500燃氣輪機，052B、052C型驅逐艦168、169、170、171號裝備了烏克蘭制的GT25000或國內仿製型號。為什麼燃氣輪機對於海軍建設如此重要？網易軍事為您作出獨家分析。
QC185中等功率和QC70小功率燃氣輪機
QC185中等功率和QC70小功率燃氣輪機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、燃氣動力裝置和聯合動力裝置。前兩種裝置發展得比較早，廣泛套用於各類艦船，後面三種，系近十多年來迅速發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套用。功率總數日益增長，裝艦使用範圍日益擴大，已由快艇發展到了護衛艦、飛彈驅逐艦、巡洋艦和直升機航空母艦等，可謂是捨我其誰。
國內現狀
燃氣輪機是一種先進而複雜的成套動力機械裝備，是典型的高新技術密集型產品。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域發展的綜合水平，是21世紀的先導技術。發展集新技術、新材料、新工藝於一身的燃氣輪機產業，是國家高技術水平和科技實力的重要標誌之一，具有十分突出的戰略地位。
由於多方面的原因，我國燃氣輪機同國際先進水平相比仍存在很大差距，尚未形成真正的產業。諸多領域動力落後的狀態，已成為制約國民經濟發展的“瓶頸”，其技術僅被世界上少數幾個已開發國家所控制，先進的燃氣輪機在西方國家仍然限制對華出口。
燃氣輪機屬於重大核心裝備，如果長期依賴進口，在關鍵技術上受制於人，不利於我國燃氣輪機動力產業及相關產業的健康、快速發展。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”等三大工程均需要大量30兆瓦級工業型燃氣輪機，同時我國艦船製造業的健康快速發展需要大量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業的發展非常重視，國家發改委和科技部已經將我國燃氣輪機市場發展的思路和對策納入“十二五”及長期發展規劃中，重型燃氣輪機是國家優先發展的10項重大技術裝備之一。是國家裝備製造業重點發展的領域，特別是燃氣-蒸汽聯合循環機組和整體煤氣化燃氣-蒸汽聯合循環機組。隨著中國能源需求迅猛增長以及天然氣資源進入大規模開發利用階段，燃氣輪機正在形成一個“爆發性增長”的市場。到2020年，全國燃氣輪機聯合循環裝機容量將達到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。
工作原理
燃氣輪機是以空氣為介質，靠高溫燃氣推動渦輪機械連續做功的大功率、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。當燃氣輪機機組起動成功後，燃氣輪機就會開始進入穩定的熱力學循環過程。壓氣機連續不斷地從外界大氣中吸入空氣並增壓，這個過程可以認為是壓氣機動能向空氣熱能和勢能的轉換，被壓縮後的空氣溫度升高有利於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於壓縮空氣燃燒後釋放更大的能量。壓縮空氣從壓氣機出來後即進入燃燒室，首先會在燃燒室進口被噴入燃料進行摻混，然後就會點火燃燒。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，在短短几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後，一方面用於壓氣機壓縮空氣持續進行熱力學循環，另外一方面由主軸將轉子的扭矩輸出，經過減速器減速以後用於推動軍艦。整個熱力學循環完成使得燃氣輪機實現了燃料化學能向機械能轉換的最終目的。
優勢
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，但是由於燃氣輪機先天優勢與軍艦動力系統性能要求更為吻合，燃氣輪機成為了各國軍艦動力系統發展的唯一選擇。老牌海軍強國如美國海軍、英國海軍、日本海上自衛隊的主力水面作戰艦隻早已完成動力燃氣輪機化。
燃氣輪機第一個優勢是功率密度極大。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。這是由於燃氣輪機本身精巧的連續轉動熱力學循環結構造成的，體積小、功率大，非常適合軍艦分艙小、航速要求高的特點。
德國MTU公司396系列軍民兩用高速柴油機
德國MTU公司396系列軍民兩用高速柴油機燃氣輪機的第二個優勢是啟動速度快。雖然燃機的轉速是三種動力系統中最高的，但是由於整個轉子十分輕巧，在啟動機幫助下在1-2分鐘就可以達到最高轉速。而柴油機由於轉子運動源於活塞的往復，加速較慢，蒸汽輪機更是“反應遲鈍”，整個系統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，對於軍艦的戰時出動和反潛作戰時加減速性能有著直接的影響。
燃氣輪機第三個優勢是噪聲低頻分量很低。由於燃氣輪機本身處於高速穩定轉動當中，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。
自研燃機
我國艦用燃氣輪機研發的起步並不算晚。根據“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計畫的具體組織實施，決定成立南、北方兩個聯合設計組，先開展大、中、小三型機組的可行性論證和方案設計。1959年底，前蘇聯向我國轉讓了M-1艦用燃氣輪機技術，我國對該機組進行了以技術練兵為目的的仿製工作。僅用了11個月，上海輪機廠就完成了該型燃機的首台樣機製造。不過由於各種原因，仿製樣機經過3年才排除大量故障通過驗收試驗。後來該型燃機在一艘高速炮艇上進行了試驗並且裝備了部隊。1964年完成設計的6000馬力燃機組是我國第一次自行設計研製的艦用燃機，但是由於研製周期過長加之原裝配對象計畫調整未能裝備部隊。與世界上其他國家主要依靠航空發動機改燃機不同，我國由於航空發動機水平落後，採取的是改進和專用研製並舉的道路。
112艦上使用的LM2500燃氣輪機
112艦上使用的LM2500燃氣輪機1967年我國決定將轟六轟炸機上的渦噴8發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，但是最終因為已開發國家同意進口相應型號受到衝擊無果而終。後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採用外國產品的原因，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。
艦用燃機
我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缺乏長期發展規劃。我國航空動力工業像很多落後國家一
樣是從仿製和修理開始的。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體系，但是我國並沒有為航空工業以及航空動力工業制定一個從仿製到研製的長遠發展規劃，而是將航空工業本身的任務局限於仿製、生產和修理，確定了以生產為主的“遍地批量廠”發展方針。我國航空工業的運行狀態就是，仿製生產再仿製再生產，長期處於這種發展狀態下，我國航空動力工業對於現代航空動力系統的研究發展客觀規律認識極為不足。
航空發動機研製沒能突破相關技術瓶頸，與航空發動機技術相通的艦用燃機更是無從談起。在2004年，中國一航開發研製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於我國發展大型水面艦艇的需要。另外，我國艦用燃機輪機主要研製和生產單位存在於航空工業之外，在體制方面非常不利於航空發動機向燃氣輪機的改進工程。
美國經驗
航空強國的動力發展經驗是進行核心機預研，然後在同一個核心機上再衍生出航空發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動機用於B1B超音速戰略轟炸機，將GE9的換算流量進一步減小發展出了GE15核心機。GE15核心機衍生出的渦噴型號YJ101參與競爭F-15和輕型戰鬥機計畫（F-16研製計畫）但是輸給了普惠的F100發動機。後來競爭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製出了F404中推渦扇發動機。而將F404的風扇放大並與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合研製的CMF56大涵道比渦扇發動機也是以GE9核心機為基礎的，CMF56發動機裝備了空客A320等多種民航發動機，也是第三帶民用渦扇發動機的典型代表。這就是說，GE9一個核心機解決了F-15，F-16，F-18這些世界知名戰鬥機、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。可以說，一型核心機的研製成功，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畫，而我國晚了大概30年，由於起步晚，經驗和工業基礎不足，至今未能拿出一款大規模實用的核心機型號。
網路上開始流傳所謂我國新驅逐艦分段開始建造的照片，網友和軍迷們對於我國驅逐艦發展的熱情隨之更加高漲起來。後來出現了很多我國未來驅逐艦的想像圖和技術分析，還有的朋友認為我國將來會建造滿載排水量9000噸的防空驅逐艦，並且給它起了一個親切的名字叫“九千歲”。
實戰檢驗
本國唯一可以立刻使用的艦載燃機是烏克蘭GT25000艦用燃氣輪機的仿製品，額定功率29兆瓦，實際輸出功率在23兆瓦左右。據加拿大《漢和》雜誌介紹，該國產燃氣輪機已裝在052B型驅逐艦上。2台GT25000燃機實際總功率在45兆瓦左右，而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。我國海軍編隊長期在非洲亞丁灣執行護航任務，每批艦艇都要在海外連續執行任務數月之久，從未聽說過052B型驅逐艦在護航過程中出現過動力問題。這說明國產GT25000燃機的可靠性和經濟性都是適合我國國情的。現階段，立足於GT25000的動力系統一方面應該繼續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整做到我國將來各類主力艦隻都有適合的動力可用。可以認為制約我國水面艦艇的中型艦用燃氣輪機瓶頸已經突破。但是需要看到的是，我國主力艦隻也僅僅是可以放心使用國外燃氣輪機的仿製改進型號。
網友製作的中國萬噸級驅逐艦想像圖，中國海軍新型驅逐艦仍將是使用仿製動力。
萬噸級
在驅逐艦方面，繼續深挖GT25000燃機的功率潛力，採用兩台GT25000和兩台艦用柴油交替工作的方式可以為滿排在7000噸左右的驅逐艦使用，這很可能就是網路盛傳的052C+防空驅逐艦，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濟性，然後採用四台方案為9000噸滿排驅逐艦提供動力，這就可以突破以往限制達到網友心目中“九千歲”大驅的境界，這個水平也和阿里伯克級驅逐艦相當，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噸的防空驅逐艦和同級別反潛通用驅逐艦已經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。
圖說明：052B型的169艦在亞丁灣執行護航任務，小圖為其所配裝的國產化的GT25000燃氣輪機。該燃氣輪機經受住了亞丁灣護航行動的考驗，表現出可靠的性能。
結束語：根據情況來看，雖然我國一定時期內海軍主力艦隻採用仿製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定推進。為了避免以往航空發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也完成了試製並且第一次點火開始試車工作，預計數年之內就能設計定型。
