中国引进舰用燃气轮机的失败经历与国产机发展过程

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中国引进舰用燃气轮机的失败经历与国产机发展过程

21型护卫舰是第一型使用英国皇家海军指定的舰船燃气轮机“标准动力单元”的军舰,该型舰早已退役。


中国引进舰用燃气轮机的失败经历与国产机发展过程

著名的“奥林普斯”舰船燃气轮机现在仍在英国皇家海军大量使用

2007年,中国舰船燃气轮机研制带头人之一、中国工程院院士闻雪友教授接受了采访,在访问中说了这么一段话:“(WP-8改燃气轮机)样机研制成功,准备转入装备生产时,有意思的事情发生了。向来受限不能向中国出口舰船燃气轮机的某海军大国著名公司主动表示,可卖给中国某型船用燃气轮机。”其实,这里面的某海军大国,就是一度成为全球海上霸主的老牌海军强国——英国;某著名公司,就是大名鼎鼎的罗尔斯罗伊斯公司;而某型船用燃气轮机,就是当时英国海军最主要的舰船动力之一——著名的“奥林普斯”舰船燃气轮机。


中西方蜜月期的收获


人民海军草创之初,装备多为起义或缴获之国民党海军舰艇,后通过香港等渠道陆续购进部分英、美作为二战剩余物资出售的老旧舰艇。这些舰艇里,除其中部分美制登陆舰艇尚属较为先进、堪用之外,其余以老、旧、残、小居多,甚至有用民船加装火炮充数者。建国以后,由于中国受到以美国为首的西方国家的联合封锁,急需壮大海军力量。在苏联的帮助下,我国不但通过购入部分急用舰艇(例如驱逐舰)初步充实了海军规模,而且通过两次较大规模的技术引进,在国内建立了较为完善的舰艇研制体系,中、小型舰艇的装备基本上保证了立足于国内生产。但由于本身基础薄弱,再加上“大跃进”等活动的不良影响,在两国关系恶化、无法再从苏联获得进一步的技术交流之后,中国的舰船科研水平便流于停滞了。


1972年,尼克松闪电访华、确定了北约“联华抗苏”的行动基调。随后,中国跟美、英、法、德等北约主要科技大国开始了频繁的接触、交流,意图引进部分国内暂时无法解决的先进技术、装备,加速追赶先进发达国家的步伐。而为了在一定程度上加强中国的国防和科技实力,从而增加与苏联对抗的筹码,这些国家也在不威胁北约利益的前提下,大力推动此类交流活动,同时期望能够在中国的现代化进程中分一杯羹。这一点对于英、法、德等与中国没有直接的地缘政治联系的国家来说,可能是其主要目的之一。仅在动力装置现代化方面,到了1980年代初,中国就已经从英国引进了中等推力涡轮风扇发动机技术,从法国引进了舰船柴油机技术,从西德引进了舰船、车用柴油机技术,如此等等,不一而足。通过这些技术的引进、吸收,中国的动力装置技术得到了长足进步,从仿造苏联的四五十年代水平一举跃进到了西欧先进工业国家的六七十年代水平。


西方舰船燃气轮机的发展


西欧国家是燃气轮机动力装置实用化的先行者,最早的实用案例可以追溯到1940年,当时瑞士试制了燃气轮机动力的铁道机车。在二战中的大西洋战区,德军潜艇一度严重威胁盟军的海上生命线,盟军为此付出了高昂的代价;在太平洋战区,美军潜艇掐断了日本的海上生命线,为日本帝国主义的覆灭立下了不可磨灭的功劳。由此,潜艇被当时各国海军视为最严重的海上威胁之一。而战后苏联海军在获得了德国先进潜艇技术的基础上,也开始大量建造远洋潜艇。固然红海军有填补主力舰战力真空的无奈,但是对北约诸国海军施加的反潜压力也是显而易见的。


早期反潜战常常劳师动众,却往往劳而无功,除了探潜、反潜装备不尽人意之外,反潜舰艇的动力装置不能满足要求也是一个重要的原因。二战时的主要舰艇动力不外乎柴油机和蒸汽轮机两种。柴油机动力装置省油、加速性能好,但是自身噪音较大,特别是在水中能够远距离传播的低频噪音比较大,往往反潜舰艇还没有发现潜艇,就已经先被潜艇发现了。而且当年的舰艇柴油机功率普遍不高,导致柴油机动力舰艇的最大航速也偏低,追击潜艇时往往力有不逮。蒸汽轮机动力装置刚好相反,自身噪音较低、单机功率大,但是加速性能比较差,也比较耗油。因此,使用蒸汽轮机推进的舰艇不太适合担任低速运输船队的护航任务。在战后各国海军已经普遍缩小规模的情况下,必须采用一种能够综合柴油机和蒸汽轮机优点的新型动力装置,才能满足新一代反潜舰艇的需求。


燃气轮机正是能够满足这些苛刻要求的新型动力装置。作为一种持续回转式工作的热机,其噪声、振动远远小于柴油机,在加装了防振、隔音设施后,甚至优于同为持续回转式工作的蒸汽轮机。油门变化时,其燃气量的变化能够接近实时地作用在输出轴上,加速性不仅远优于蒸汽轮机,也优于最好的舰船柴油机。燃气轮机动力装置还有体积小、重量轻、比功率大、单机功率较大、启动迅速等等优点。这使得燃气轮机在经过各工业大国海军的试验后,迅速获得了推广。


当然,燃气轮机也不是没有缺点,其首要缺点就是设计、材料、制造的要求都比较高,缺乏科研实力的国家基本无力自行研发。第二个缺点对于海军来说不算大缺点,但总是令负责预算审定的官员们不满,就是在部分负荷时燃气轮机的耗油率比较高。因为燃气轮机需要消耗满负荷约60%的燃油来维持压气机工作,降低输出功率时,压气机的转速一般下降得不多,耗油量也没有明显下降。通过采用现代化的设计和材料,或者采用回热器等辅助设备,最新型的燃气轮机不但耗油率有了明显下降,部分负荷的油耗也降低了,从而基本上解决了低负荷油耗偏高的问题。

凭借老牌帝国的强大科技实力,英国成为第一个将燃气轮机作为舰艇动力的国家,同时也是第一个将航空喷气发动机改为舰艇燃气轮机的国家。1947年,英国将由航空喷气发动机改型而来的G1型燃气轮机装到了100吨级的摩托炮艇MGB-2009上进行试验,该机功率为1839千瓦,发动机重1830公斤,耗油率较高,达到了639克/千瓦时。随后出现的同为航空改型的“海神”舰艇燃气轮机已经有了极大的改善,功率3310千瓦,发动机重1400公斤,耗油率大幅度下降到了347 克/千瓦时,已经达到了与蒸汽轮机相当的水平。在经历了多年试用,并通过专门设计和航空改型两种途径发展的机型进行对比后,1968年,英国海军做出了一个令世界主要国家海军大为震动的决定:此后皇家海军设计、建造的大、中型水面舰艇,将全部采用燃气轮机作为推进装置,同时把由两台“太因”RM1A(单机功率3000千瓦)和两台“奥林普斯”TM3B(单机功率20880千瓦)组合而成的燃-燃交替动力装置,确定为未来一段时间内中型舰艇的“标准动力单元”。第一型采用这套新标准动力装置组合的新型军舰,是1973年开始服役的21型护卫舰(此时已经把巡航机换成了功率更大的“太因”RM1C)。皇家海军随后建造的42型驱逐舰、22型护卫舰也继续沿用了这套标准动力装置组合。日本海上自卫队在1970年代末开始服役的“初雪”级新型通用驱逐舰,也引进装备了这套动力装置组合。


中国引进舰用燃气轮机的失败经历与国产机发展过程


“奥林普斯”燃气轮机的燃气发生器剖视图


中国引进舰用燃气轮机的失败经历与国产机发展过程

“奥林普斯”型涡轮喷气发动机是“火神”战略轰炸机的动力,也是“奥林普斯”燃气轮机的改装原型机。


“奥林普斯”的由来


从1947年开始,著名的罗尔斯罗伊斯公司就已经启动了“奥林普斯”型涡轮喷气发动机的研制计划。到1950年5月,“奥林普斯”涡轮喷气发动机的第一台原型机开始进行台架试验。按照研制计划,该型发动机将作为新型高速、远程轰炸机的动力装置,要求发动机推力大、工作稳定、耗油率低。原有的单级离心式或轴流式压气机的第一代喷气发动机已经不能满足性能要求,为此采用了结构比较复杂的双转子结构,其低压压气机及低压涡轮、高压压气机及高压涡轮共轴分置,没有直接的机械联系,可以分别在各自的最佳转速下运行,效率高、压比大,是英国第一种采用双转子结构的燃气涡轮发动机。因为研制中遇到的技术困难比较多,该型发动机直到1956年7月才正式定型交付使用。开始交付使用的定名为“奥林普斯”100系列涡轮喷气发动机,各具体型号间的区别主要是空气流量和涡轮前温度的不同。经过一段时间的实际应用之后,在100系列的基础上进行了较大幅度的修改,空气流量以及推力进一步增加,发展出了新的200系列和300系列,成为了当时英国“3V”轰炸机计划中“火神”战略轰炸机的动力。其中,“奥林普斯”301最大推力9072公斤,属于当时世界上先进的大推力喷气发动机之一。1962年,在“奥林普斯”320的基础上,罗尔斯罗伊斯公司与法国斯奈克玛公司共同开始研发“协和”式超音速客机的发动机,1973年定型为“奥林普斯”593型涡轮喷气发动机,并于1976年1月推动白天鹅般优雅的“协和”式客机进行了人类历史上第一次超音速民航飞行。


“奥林普斯”型舰船燃气轮机的研制工作始于1962年,试验机首先装备在皇家海军的一艘炮艇上进行测试。与航空发动机原型相比,“奥林普斯”型舰船燃气轮机主要由燃气发生器和动力涡轮两大部分组成。燃气发生器在总体结构方案上的改动不大,主要是选用了更好的耐热合金和抗腐蚀材料,以适应舰船动力装置长时间大负荷运行、以及抵抗海上盐雾侵蚀的要求。同时,在涡轮叶片等关键部件上,采用了当时先进的气冷技术,不但提高了性能,而且延长了部件的使用寿命。动力涡轮为新设计的长寿命结构,可以承受较大的冲击负荷。主轴承设计为无需拆卸整个组件即可检修,大大提高了舰上的维护效率。1966年,罗尔斯罗伊斯公司推出了“奥林普斯”TM1A型舰船燃气轮机,但该机型没有大量生产。1967年,“奥林普斯”TM3B型舰船燃气轮机开始研制,由“奥林普斯”B型燃气轮机和寿命达10000小时的TM3型动力涡轮组合而成,于1969年投入试运行。1973年,装备“奥林普斯”TM3B型舰船燃气轮机的21型护卫舰投入使用,开始了“奥林普斯”型舰船燃气轮机三分天下的辉煌历程。


中国引进舰用燃气轮机的失败经历与国产机发展过程

1959年底,中国获得了苏联第一型舰用燃气轮机M-1的图纸资料,后来用国产M-1型燃气轮机改装了1艘62型高速护卫艇,这是中国在舰艇上采用燃气轮机动力装置的第一次尝试。

中国引进舰用燃气轮机的失败经历与国产机发展过程

1967年,受英国人研制成功“奥林普斯”舰船燃气轮机的启发,中国也在涡喷8(WP8)型发动机的基础上,改装设计了“WP8改”型大功率舰船燃气轮机。该型发动机目前仍然配装在中国空军现役轰-6系列轰炸机上。


中国舰艇燃气轮机的早期研发


解放前,中国的工厂、院校科研实力十分有限,对燃气轮机基本上没有研究。新中国成立后,从苏联引进了一套比较完整的现代工业体系和科研、教学体系。1956年,中国自制的第一批喷气式飞机升空,随之建立了相应的航空发动机工厂和航空发动机设计、研究机构。1957年,我国试制了小功率陆用燃气轮机。自1958年起,中国分别以仿制、航机改型和自行设计几种方式,开展了舰船燃气轮机的研究工作。


1959年底,根据中苏双方的协定,中国获得了苏联第一型舰用燃气轮机M-1的图纸资料。该型机功率2941千瓦,曾用于苏联183K型鱼雷快艇,由于翻修寿命仅100小时,已经被苏联淘汰。经过图纸翻译、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,加之厂方缺乏经验,制造、装配的质量没有满足要求,导致接下来的台架试车相当不顺。用了3年时间、进行了大量的改进设计后,才通过了验收试验。此后,用国产M-1型燃气轮机改装了1艘62型高速护卫艇。该艇动力装置原为4台轻12V180高速柴油机,总功率3529千瓦,改装后用1台M-1燃气轮机取代了中间两台轻12V180柴油机,并对进气、排气、燃油等管路进行重新布置,总功率增加到4706千瓦,从1966年底开始进行海上试验,该燃气轮机的累计运行时间达到了106小时,取得了大量的一手数据。这是中国在舰艇上采用燃气轮机动力装置的第一次尝试,对舰船燃气轮机设计、制造和运行管理的技术人员培养起到了很大的作用。


在引进M-1后不久,中国几乎同时启动了自行设计舰船燃气轮机的计划,该设计为4410千瓦加速机,于1964年完成设计工作。经过设计、制造技术人员的努力攻关,解决了诸如涡轮叶片烧伤、主轴承损坏等问题,最终完成了500小时耐久性试车。其后,该型燃气轮机进行了小批量生产,但由于研制周期过长,原计划装备的猎潜艇进行了方案调整,导致最终未能装船实用。该型燃气轮机的研制成功,开创了中国自行设计舰艇燃气轮机的先河,从技术到材料全部立足于国内,研制过程中积累的一整套设计、制造、试验、运行的经验以及相关的技术设施和手段,为中国舰船燃气轮机动力装置的进一步发展和应用奠定了坚实的技术基础。

1967年,受英国人研制成功“奥林普斯”舰船燃气轮机的启发,中国也决定在大型轰炸机的喷气发动机基础上研制大功率舰船燃气轮机,以供海军大、中型舰艇使用。当时,中国已经从苏联引进了图-16中程轰炸机的成套技术,国产化机型命名为轰-6,其涡轮喷气发动机的国产化型号为涡喷-8(WP-8)型发动机。其空气流量、最大推力都与“奥林普斯”舰船燃气轮机的原型——装在“火神”战略轰炸机上的“奥林普斯”涡喷发动机相当,但是推重比明显不如后者,耗油率也相对较高。“WP-8改”型舰船燃气轮机的设计者们根据舰用要求,对其燃气发生器进行了80多项修改设计,以适应舰船在海上运行的恶劣环境。同时,新设计了用于输出功率的动力涡轮,附件及各系统也按照舰上使用环境重新进行了设计。1974年,“WP-8改”型舰船燃气轮机完成耐久试验,已经准备转入装备生产阶段。此时,发生了闻院士所讲的变故。在内外交困中,海军装备国产舰船燃气轮机的梦想再次化为了泡影。


中国引进舰用燃气轮机的失败经历与国产机发展过程

英国人早就已经考虑到了可以使用4台“奥林普斯”系列燃气轮机组成大型舰船的动力系统,“皇家方舟”级轻型航母就采用了4台“奥林普斯”燃气轮机组成的燃-燃联合动力装置。


中国引进舰用燃气轮机的失败经历与国产机发展过程

日本海上自卫队几乎与中国海军同步开始了主战舰艇燃气轮机化的步伐,与中国海军务求先进的做法不同的是,谨小慎微的日本人走的是完全照抄英国人的路线,这是海上自卫队第一型采用燃气轮机动力的“初雪”级通用驱逐舰



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