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乌克兰如何助我海军燃气轮机实现中国心

20世纪50年代末到90年代初中国燃气轮机的发展

中国发展燃气轮机的时间也较早,1958年就将燃气轮机纳入发展规划,并成立了南北两个设计所进行设计研究。1959年,中国从苏联引进M-1燃气轮机,用作国产护卫艇的加速主机。1961年,上海汽轮机厂完成首部国产燃气轮机的试制,1966年装艇,经过一系列测试之后,1971年交付东海舰队进一步试用。这是中国在水面舰艇上正式采用燃气轮机的第一次尝试,积累了宝贵的第一手实践经验,对培养舰船燃气轮机设计、制造、运行技术队伍起到了引领作用。

在引进燃气轮机的基础上,中国又自行研制了6000马力燃气轮机,主要用于国产037型猎潜艇的加速主机,以提高对抗国外先进核潜艇的能力。样机完成500小时耐久性试车后投入小批量生产,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控系统,整套双机并车传动装置在陆上试验站进行了150小时长期试车。这是中国第一次进行并车传动装置的研制,在整机及装置试验中进行了详尽的科研性测量,获取了大量宝贵的数据和资料。遗憾的是,虽然整个动力装置的可靠性已满足要求,具备了装艇使用的条件,但因研制周期过长,加之原装猎潜艇的计划有所调整,最终未能装舰使用。

6000马力燃气轮机的研制成功开创了中国舰用燃气轮机的先河,打破了零的记录,从技术到材料全部立足于国内,积累的一整套设计、制造、试验、运行实践经验以及技术设施和手段,为中国舰船用燃气轮机的进一步发展和应用奠定了坚实的技术基础。后来,有关单位在该压气机前加0级、00级,使空气流量和压比增加,又将燃气初温提高到1000度,发展出一型12500马力的船用燃气轮机。与此同时,国内其他厂家也通过引进技术和自行研制,推出了一系列燃气轮机,分别用于发电、消防、油田等不同用途。

20世纪60年代以后,中国了解到西方燃气轮机大多是采用航空发动机改进的,原因是研制费用和难度较小,因此中国也开展了相关系统的研究。1967年,着眼于国产水面舰艇未来的发展,中国在国产涡喷-8发动机的基础上开始了大功率舰用燃气轮机的研究和试制。根据舰用要求,设计人员对涡喷-8发动机的燃气发生器进行了80多项修改设计,新设计了动力涡轮及各系统,功率达到22000马力。该燃气轮机在70年代初完成样机研制,随后进行了大量的试验,1974年通过耐久试验。

从各方面来讲,国产WP-8改舰用燃气轮机接近英国的“奥林普斯”燃气轮机,但在功率、可靠性、油耗等方面的指标明显不足,因此随着配套舰艇的变化,WP-8改舰用燃气轮机的研制没有进行下去。不过,这个实践也验证了航改燃气轮机是一个多快好省的办法,可以显著降低燃气轮机的研究、设计和验证费用,因此,1983年,中国有关部门决定船用燃气轮机今后主要采用航改发展的方针。

此后,中国又发展了多型航改燃气轮机,包括以涡轴-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(WJ6G2A)、涡桨-6改4甲(WJ6G4A)和409型,以涡喷-6为基础改型的涡喷-6改 (WP6G),以涡扇-9 (国产“斯贝”)为原机派生而来的涡扇-9改1甲(WS9G1A)和 410A(G2)等燃气轮机。

409型是中国首型航空涡桨发动机派生的舰用燃气轮机。1974年,以涡桨-6航空发动机派生出409舰用燃气轮机项目出台,拟用作077型扫雷艇主动力,1982年改为装备722型气垫船。改装设计的重点是,根据海军战术技术要求和气垫船的特点,将原单轴涡桨发动机改为涡轮轴发动机,即脱开原机的第三级涡轮,将其改为动力涡轮;根据计算分析结果,调整原第三级涡轮导叶的喉部面积,使之满足高、低压涡轮间的功率匹配;发动机进气由原径向改为轴向,排气由轴向改为垂直向上,设计了新的进气装置和排气涡壳;增设发动机冷却隔热罩壳、机舱排气引射系统、行星减速齿轮箱和膜片联轴器等。

20世纪70年代,中国从英国引进了“斯贝”MK202双转子涡扇发动机,国产型号为涡扇-9。该发动机在第二代涡扇发动机中性能较好,加上考虑了舰载机要求和海洋使用环境,因此比较适合改装为舰用燃气轮机,例如英国就在其基础上研制了“斯贝”系列燃气轮机,成为英国皇家海军舰艇80年代以后的主动力系统,并且出口到日本、荷兰等国。有鉴于此,中国有关部门也决定在涡扇-9的基础上研制新一代航改燃气轮机。

涡扇航改燃气轮机的型号为GD-1000。根据相关资料,GD-1000燃气轮机的发展采取了分两步走的方针,第一步即A型,将发动机的原低压风扇在适当的半径部位上作顶切,并对低压涡轮作相应的匹配调整。此举的优点是低压压气机的结构继承性强,改装工作量相对不大,不足之处是功率相对较小,耗油率较高,变工况性能较差。另外,“斯贝”MK202的风扇多达5级,顶切难度较大。第二步是B型,完全舍弃原低压风扇,重新设计一个低压压气机,并对低压涡轮作相应的匹配调整。此举的优点是功率较大(重新设计的低压压气机为六级,压比升高,空气流量增大),耗油率较低,变工况性能较好,不足之处是需要重新设计低压压气机并使之与原高压压气机协调工作,技术难度较大,新结构的可靠性亦需验证。

1981年,有关单位提出在“斯贝”Mk202涡扇发动机的基础上研制新一代燃气轮机并且获得批准,几年内完成了概念设计,气动热力学和结构强度计算,低压压气机和透平机、燃烧室等部件的研制,燃气发生器和燃气轮机的设计和安装,并且进行了调试和试车。1989年,燃气发生器耐久试验及交付试验完成,1992年完成整机试验,1993年,A状态样机通过性能鉴定。根据相关资料,GD-1000燃气轮机A状态样机的性能指标为:功率13000马力,压比15,排气初温1050度,热效率不大于30%,油耗大约为265克/千瓦。时,这期间还进行了新研低压压气机的工作,使发动机的功率提高到15000马力。

GD-1000的研制成功,标志着中国已经掌握新一代燃气轮机的技术,其总体设计合理,机组运行平稳,保护系统可靠,主要技术指标达到了预期的要求。但是由于研制周期过长,其主要技术指标与国外先进水平相比已经落后(例如英国同样以“斯贝”涡扇发动机为核心的SM1A燃气轮机压比为19,热效率达到了35%,油耗240克/千瓦。时),加上

GD-1000的功率难以配备052系列驱逐舰,所以海军最终没有采用GD-1000,而引进了UGT-25000燃气轮机。

至此,国产燃气轮机的发展告一段落。回过头来看,国产型号走过的道路可以用“起了个大早,赶了个晚集,遍地开花,结果很少”来概括。造成这一局面的因素有很多,既有客观因素也有主观原因,客观因素主要是当时中国经济技术实力还比较薄弱,工业基础较差,因此难以完成较为先进的燃气轮机的研制:主观原因是对燃气轮机的发展规律认识不足,将燃气轮机的型号作为主机型号的附属来看待,没有从更高的髙度来看待问题,因此也没有集中本来就比较薄弱的技术力量进行攻坚,而是分散在机械、航空、造船等多个行业,无法形成合力。

UGT-25000燃气轮机进入中国

20世纪70年代以后,随着中国海军对新型舰艇性能要求的提高,采用更加先进的动力系统已经成为必需,但是国内一时并不能提供可用的型号,所以海军要求利用当时比较有利的国际环境,引进国外先进的燃气轮机,解决新型舰艇的急需。当时,英国同意向中国提供“斯贝”SM1A燃气轮机,美国则同意出售LM-2500燃气轮机,海军、造船等多个部门联合对这两个型号进行了技术分析,认为两个型号的水平相当,但是LM-2500的功率更大,超过20000马力,有利于新型舰艇以后的性能升级,所以最终决定在新一代国产驱逐舰上采用LM-2500燃气轮机。除了引进LM-2500外,中国还与美国普。惠公司达成协议,联合生产FT-8舰用燃气轮机。与LM-2500相比,FT-8的功率更大,达到30000马力,另外它的热效率也高,达到38%,压比19,油耗为217克/千瓦/时。

引进燃气轮机虽然解决了新型舰艇的燃眉之急,但却存在潜在的政治问题。1989年之后,随着美国及其盟国对中国实行禁运,中国无法继续引进LM-2500燃气轮机,FT-8项目也被迫中止。20世纪90年代以后,中国采取市场换技术的方针,将发电项目打包与国外燃气轮机厂商进行谈判,引进国外先进的燃气轮机。国外厂商虽然考虑到中国市场的利润而同意向中国出售某些生产技术,但由于燃气轮机涉及到较多的军事技术,尤其是核心机技术是美国重点对中国技术封锁的领域,所以在燃气轮机总体设计、核心机及热端技术等方面却持坚决不开放的态度,因此这个道路实际上也走不通了。

随着苏联解体,俄罗斯及独联体国家的经济下滑,军工领域由于投入不足,许多项目无以为继,因此急需“找米下锅”,其中就包括“机器设计”科研生产联合体。根据属地归属原则,“机器设计”被划归了乌克兰,但是乌克兰经济实力有限,没有能力设计、建造大型水面舰艇,也无能力继续研制UGT-25000燃气轮机。在国际市场上,UGT-25000也很难与LM-2500等西方燃气轮机竞争,而俄罗斯则考虑到动力自主,一直寻求燃气轮机的国产化,对于发展UGT-25000也不上心,所以UGT-25000的发展处于停顿之中。

从当时国内的情况来看,052型驱逐舰的建造因没有动力系统处于停顿状态,而周边国家和地区海军新型舰艇不断出现,因此中国海军要求尽快提供新一代水面舰艇,以提高制海能力。在这种情况下,中国有关部门根据乌方提供的资料,对UGT-25000进行了详细的评估,认为其技术水平较高,主要是功率大,适合大型水面舰艇使用,而且其热效率达到37%,只有采用回热技术的LM-2500R才与之相当。从这个角度讲,UGT-25000的确代表了苏联燃气轮机的最高水平。如以该型燃气轮机为基础机型,通过压气机模化设计、压气机加级等方式,形成覆盖一定功率范围的系列燃气轮机,即可满足中国舰船发展的需求。此外,该型燃气轮机为三转子结构,适合利用先进的复杂循环提高其性能,通过间冷回热循环或燃蒸联合循环等方式研制更大功率的船用燃气轮机。因此,引进UGT-25000,不但可以为中国海军新型舰艇提供急需的动力系统,还可以对其技术进行消化吸收,提高国产燃气轮机的发展起点,为中国船用燃气轮机的系列发展提供良好的基础机型。

1993年,中乌双方签署了《UGT-25000燃气轮机生产许可证及单机销售合同》。根据合同,乌方向中国出售10台UGT-25000/DA80燃气轮机,并转让相关技术,由中国进行国产化,由于UGT-25000/DA-80燃气轮机的空气流量、体积、重量都大于LM-2500,无法直接用于052型驱逐舰,中国研制了以其为动力系统的052改型驱逐舰,也就是我们熟悉的052B型驱逐舰168、169两舰和052C型驱逐舰170、171两舰。这4艘新型水面舰艇的服役,尤其是后两艘“中华神盾”舰的入列,极大地提高了中国海军的作战能力,解决了海军急需新型水面舰艇、提高远海机动作战能力的问题。

在引进UGT-25000燃气轮机的同时,中国也展开了系统国产化工作。经过前期技术摸底和准备,国产化项目于1998年正式启动,系统由703所负责抓总,西安航空发动机集团完成燃气发生器国产化,哈尔滨动力集团制造动力透平。从中国使用UGT-25000的经验来看,该燃气轮机系统还不算完善,适装性能方面也存在一定的欠缺,这些都需要在国产化的工作中进行改进。也就是说,UGT-25000的国产化并不仅仅是技术引进,还包括消化、吸收和改进、提高的过程。

从海军的实际使用经验来看,UGT-25000燃气轮机的安装措施比较简单,采用了比较简单的罩体,排气管与燃气涡轮不在同一底座上,这样导致了一系列问题:首先是机舱工作环境较差,燃气轮机的罩壳并没有将燃气轮机完全罩住,压气机部分还暴露在外,以致机舱噪声较大,同时也使机舱温度升高,工作环境变差;其次,由于罩体设计比较简单,罩体里面没有隔热、隔音措施,所以罩体表面温度较高,隔音效果也比较差;再者,罩体内没有观察窗,当系统报警的时候,必须打开工作门才能进入,不利于故障的隔离(例如发生火灾时,必须打开工作门处置,这就有可能将火灾引入机舱);另外,罩体除了没有观察窗口之外,还没有照明、加温等设施,如果燃气出现故障,不利于工作人员对其进行观察,更换故障部件也非常不便;最后,罩体内没有安装燃气轮机用的导轨,当系统需要维护的时候,就要用吊车将燃气轮机整体直接吊出,非常不方便。排气管橡胶容易老化也是UGT-25000暴露出来的一个问题,受排气管表面高温以及结构导热等因素的影响,排气管橡胶容易出现老化、鼓起和变形现象。

根据UGT-25000存在的问题,借鉴当时海军已经装备的美国LM2500的先进经验,中国对UGT-25000进行了一系列改进:罩体采用LM2500的箱体式,将燃气轮机完全罩住,从而降低了机舱的噪声及温度,改善了工作环境;在箱体上安装观察窗,方便工作人员观察燃气轮机的状态;加装照明、加温等系统,方便工作人员排除系统的故障;加装导轨,使燃气轮机的更换和维护更加容易;将排气管和燃气轮机安装在同一底座上,从根本上解决了排气管橡胶易老化的问题。经过努力,首台国产化UGT-25000燃气轮机于2004年完成试制,国产化率达到60%以上,经过长时间测试与考核,达到了设计要求,各项性能与乌克兰原产机组相当,表明中国已经初步掌握了先进舰用燃气轮机的制造技术。

此后,中国又开展了第二阶段国产化工作,主要将国产化率提高到95%以上,基本实现材料、工艺等国产化,这个阶段的工作于2011年基本完成。全面国产化的机组技术性能指标达到了技术规格书的要求,按试验大纲完成了 1000小时可靠性试验及300小时补充试验,其中一台国产化机组还替代169舰的乌克兰原产燃气轮机,远赴亚丁湾执行护航任务,经受了复杂海上环境的考验,表明国产化UGT-25000已经成熟。目前,完全国产化的机组己经批量生产,为中国新一代水面舰艇建造提供了必要的动力保障。在第二阶段国产化的基础上,中国又开展了UGT-25000燃气轮机的第三阶段国产化工作,主要提高系统的可靠性。

除了引进UGT-25000燃气轮机外,中国有关单位还利用乌克兰的技术,发展研制了R0110重型燃气轮机,输出功率150000马力,热效率36%。R0110是中国自主研制的第一型重型燃气轮机,它的研制成功预示着中国将成为世界上第五个具备重型燃气轮机研制能力的国家。

20世纪90年代之后中国燃气轮机的新发展

鉴于LM-2500和FT-8项目的教训,中国在引进UGT-25000燃气轮机时,实行了“引进技术和自行研制”两条腿走路的方针,没有放松国产燃气轮机的研制。进入20世纪90年代以后,随着国家经济技术实力的增强、工业基础的升级尤其是航空发动机核心机技术水平的提高,国产燃气轮机的发展拥有了坚实的基础。

1995年,随着国产涡喷-14发动机的问世,有关部门开始设想在它的基础上研制新一代国产燃气轮机,这就是QD128。该型燃气轮机在涡喷-14的基础上重新设计了动力涡轮、控制系统、起动系统、滑油系统、电气系统及传动系统,这些系统均按照地面燃机的要求进行重新设计。系统于1999年完成设被工作,2000年完成首部样机的试制,2002年投入使用。QD128是中国第一种具有完全自主知识产权的燃气轮机,采用三轴、后输出、轴流式结构,适用于柴油、天然气和中热值气体燃料,填补了中国

10000千瓦级燃气轮机的空白。机组主要由燃气轮机、减速齿轮箱、交流发电机三大主体设备和相关辅助系统、设备组成,可使用多种高、中热值的气体和液体燃料,其中QD128燃气轮机主要由进气道、燃气发生器、动力涡轮(含排气装置)等组成。

根据相关资料,QD128燃气轮机的功率为16000马力左右,压缩比为13,热效率大约

28%从这些数据来看,其技术水平还是较低的,所以海军并没有采用这型燃气轮机。20世纪90年代中后期,国产“太行”涡扇发动机的研制取得突破,其核心机技术比较先进,因此有关部门决定在其基础玉研制新型燃气轮机。第一型“太行”改型燃气轮机是QD70,船用型为QC70,是中国第一型7000千瓦燃气轮机,1996年开始研制,2006年投入使用。QC的燃气发生器、动力涡轮、点火系统直接取自“太行”,润滑系统基本继承自“太行”,主要将燃油喷嘴改为烧气喷嘴,利用了90%以上的“太行”部件,压比12.5,热效率

31%。目前,这种燃气轮机已经应用在国产气垫登陆艇上。

针对大中型水面舰艇的需要,中国在“太行”涡扇发动机的基础上还推出了QC185燃气轮机。该型燃气轮机为三轴、后输出、轴流式结构,采用高效率、大裕度的低压压气机以及高性能的低压涡轮和动力涡轮,燃气发生器由“太行”核心机风扇部件、低压涡轮、后机闸部件略微改装而成,主要对低压压气机的三级风扇实施切顶、静子叶片采用堵块的方式实气奔现改装,同时将压气机加级,提高压比,增加流量,以提高系统性能。

QC185的研制于I998年开始启动,2004年完成验证机测试工作,2008年完成技术鉴定,2010年投入使用。根据相关资料,QC185的功率达到25000马力,空气压缩比为甘27,热效率为38%,这些指标相当于甚至稍好于英国的“斯贝”(后者的功率大约为24000马力,空气压缩比为22,热效率为37%)。

QC185和UGT-25000的组合可以较好地适应中国海军现有和未来的舰艇谱系。UGT-25000的功率较大,但体积和重量也比较大,所以主要用于驱逐舰等大型水面舰艇,两部UGT-25000与两部柴油机的动力组合足以满足6000-8000吨级舰艇的动力需要。4部UGT-25000可满足8000吨级以上舰艇的动力需要。而QC185可作为6000吨级以下水面舰艇的动力系统,如果复杂循环技术获得突破,也可以全燃推进方式作为6000-8000吨驱逐舰提供动力。QC185体积小、重量轻的优点可以发展一系列轻型化型号,以升级轻型作战舰艇的动力系统(如

“斯贝”SM1C就发展有SM2/3两个轻型化系列,用作轻型护卫舰、导弹快艇等舰艇的动力系统)。

UGT-25000的未来改进

随着“辽宁”号航空母舰的服役,中国海军水面舰艇未来的发展将会围绕航母编队来进行,势必优先发展较大的航母编队护航舰艇,这样,UGT-25000/DA80国产化型号的改进与升级很可能是中国海军下一阶段的工作重点。海外媒体的报道称,乌克兰“机器设计”科研生产联合体曾表示协助中国对UGT-25000进行了一系列改进,以提高系统性能。

首先是增大系统的功率。近阶段,中方重视采用低成本、低费用的方法来提高UGT-25000燃气轮机的功率和效率,重点是S-S循环技术,就是在高压比燃气轮机上集中实施压气机喷水中冷技术和蒸汽回注技术。其中压气机喷水中冷技术是将具有一定初温、初速的雾化水喷入高、低压压气机过渡段流道内,利用流动过程中水的蒸发进行液相与气相间的热量和质量交换,以降低高压压气机入口的空气温度;燃气轮机蒸汽回注是将过热蒸汽注入燃烧室内,与高压空气一起被加热后进入涡轮膨胀做功。

S-S循环技术的优点是省去了庞大的中冷器及其相关系统,结构上更为简单。中国从20世纪80年代就开展了燃气轮机喷水中冷技术和蒸汽回注技术的研究,并在实际工程之中获得应用,这为在UGT-25000/DA-80国产化机组上进行应用打下了基础。根据乌方的说法,采用S-S循环技术的UGT-25000/DA-80主要是在低压级增加空气雾化喷嘴和废热收集锅炉,工作时由喷嘴向过流段内喷水,同时废热收集锅炉将燃气轮机排出的高温燃气收集起来进行做功,将生成的水蒸汽再次回补到燃烧室中,以提高系统的功率和效率。按照乌方的评估,采用S-S循环技术之后,UGT-250007/DA-80的功率可以提髙到45000马力左右,热效率接近40%。

不过,乌方专家认为,尽管中方已经完成了 UGT-25000/DA-80国产化机组S-S样机的试制,并且进行了相关实验,但对中国海军是否采取这个系统持保留态度。乌方专家以LM25000 COGAS为例称,尽管其效率比标准型LM2500要高得多,美国海军在这个项目上投入了大量的人力与物力,计划配备在“伯克”级驱逐舰上,但因重量和空间问题,最终还是决定放弃。所以乌方专家认为,采用S-S循环技术的UGT-25000/DA80国产化机组可能应用在民船、发电等领域,对其军用领域的应用并不看好。

不过,乌方专家并不推荐LM2500R的技术,因为这种技术的最大问题仍然是增加了系统的体积和重量。按照乌方的说法,LM2500R的回热器安装在烟道之中,支承在机舱甲板上,长度超过3.8米,加上管路等重量为11吨,这对于军用舰艇来说仍然难以接受。因此,乌方建议采用交叉传动技术,即在低工况下仅开1台燃气轮机,通过交叉传动装置将推进功率均分至2轴;工作功率提高了一倍,从而使燃气轮机工作点的效率明显改善,这在全燃推进动力装置中尤显重要。“机器设计”科研生产联合体从第二代燃气轮机和推进系统开始就采用这种技术,拥有比较成熟的经验。

至于更大的水面舰艇,乌方认为可以考虑COGAS技术,“机器设计”科研生产联合体对此也有着丰富的经验。苏联海军曾经广泛使用这些技术,甚至将其作为一种政策来执行”曾经规定续航能力大的军舰必须装COGAS系统,如采用全燃推进的“光荣”级巡洋舰的两台巡航用燃气轮机就配备了系统,蒸汽轮机的功率达到8000马力,提高了燃气轮机的效率,降低了油耗,改善了低工况时的性能。因此,乌方专家建议中国海军如果建造万吨级以上的水面舰艇,在空间和重量有较大冗余的情况下,COGAS应该是一种值得考虑的技术。

不过,乌方专家认为最根本的解决办法还是用中间冷却回热 (ICR)技术来提高燃气轮机的功率和效率。按照“机器设计”科研;生产联合体的观点,随着未来可能建造更大的水面舰艇(如万吨级驱逐舰、两栖攻击舰等),中国海军显然需要更大功率的动力系统,UGt-25000/DA-80以其较好的性能应在中国海军各种燃气轮机的筛选中得到重视。

根据乌方的说法,中方早在20世纪70年代就开始了401-2型间冷回热燃气轮机的研制,初步验证了间冷回热技术在燃气轮机中的运用,此后又完成了在GT-1000ICR燃气轮机和FT-8燃气轮机上应用ICR技术的研究,完成了方案认证、循环分析、变工况性能计算等科目的研究工作,进入新世纪后又针对QC185燃气轮机进行了ICR技术的应用方案研究。这些都为中方发展ICR燃气轮机打下了基础

此外,中国在燃气轮机关键器件方面也取得了突破。根据海外资料,中国有关单位已经研制出燃气轮机用间冷器,为发展间冷回热燃气轮机打下了坚实的基础。国产间冷器由换热芯体等关键部件组成,主要材料为有色金属材料铜镍合金等,应用于新一代燃气轮机后可以增加进气压力,通过加大单循环进气量,可以在不改变原有燃气轮机基本结构的情况下大幅提高总功率和效率。

在另一个关键器件回热器方面,中国也己经取得了突破。从海外报道来看,国产燃气轮机回热器与WR-21燃气轮机的回热器大致相当,都是板翅式换热器,材料为不锈钢,系统由换热芯体、进排气导管和支掸系统组成,燃气轮机排出的高温燃气从上部进入,下部样出。这种结构回热器的优点是结构紧凑,体积小,重量轻,成本较低,对于内部空间有限的军用舰艇来说非常宝贵。另外,它的单位面积传热面大,热传导效率高,而且其特殊结构可以使高温燃气在通道内部形成强大的湍流,不断破坏热边界层,从而降低热阻,提高热传导效率。当然它也有缺点,主要是内部结构比较复杂,制造、焊接比较困难,再者就是通道狭窄,易出现泄露和堵塞现象,清洗和排故也比较困难。

从“机器设计”科研生产联合体披露的信息来看,中国在发展UGT-25000/DA-80复杂循环燃气轮机的时候采取了比较稳妥的办法,海军要求最大程度地继承母型机燃气发生器的通流部分,最大程度地继承母型机部件的可靠性(尤其是高温部件),以保障海军燃气轮机后勘保陣方面的通用性。在发展方法上,相关厂所提出先发雇中间冷型(IC)燃气轮机,它最大的优点是规避了回热器及动力涡轮可调导叶两项关键技术,系统较简单,技术风险小,可明显缩短研发周期,减少研发费用,又能在总体性能上有所跃升,特别是可以迅速向海军提供先进发动机,这对于处于扩张时期的中国海军来说非常重要。

乌方将改进后的UGT-25000/DA-80命名为UGT-25000IC,在UGT-25000的低压压气机与高压压气机之间设置一个中国自行研制的中间冷却器,使得空气在进入髙压压气机前被冷却;空气经髙、低压压气机压缩后进入燃烧室,与燃料掺混燃烧后形成高温高压燃气,经高压涡轮、低压涡轮和动力涡轮膨胀做功,分别驱动高、低压压气机和负荷。与简单循环相比,间冷循环通过中间冷却器降低了高压压气机的入口温度,进而减少了其压缩空气的耗功,从而提高了发动机的输出功率。按照乌方的说法,改进后的功率由UGT-25000的40000马力提高到50000马力,热效率由37%提高到40%,可以满足近期及未来一段时间内中国海军新型舰艇对先进动力系统的需要。

不过从根本上来讲,ICR技术才是燃气轮机发展的方向。与IC技术相比,ICR技术的效率更高 (WR-21的热效率可以达到以45%,高于UGT-25000IC的40%),尤其是低工况条件下的效率有明显改善。按照“机器设计”科研生产联合体的说法,WR-21燃气轮机30%功率条件下热效率与100%功率条件大体相当,100%功率条件下的油耗大约为203克/千瓦/时,而在30%功率时为208克/千瓦/时,可见效果显著。

因此“机器设计”科研生产联合体认为,未来中国海军可能会在UGT-25000IC的基础上釆用回热器、涡轮可转导叶等先进技术,发展UGT-25000ICR中冷回热燃气轮机。根据中方的说法,在经过模拟试验之后,UGT-25000ICR的热效率可以提髙到45%左右,并且显著改善了低工况时的热效率,是中国海军未来舰艇理想的动力系统。

IC和ICR技术的应用还将极大地提高UGT-25000在中国海军综合电力推进系统中的地位。进入新世纪之后,综合电力推进(IEP)系统日益体现出其优越性,传统舰船的动力和电力系统是相对独立的,动力系统通常由常规的热机和其他机械装置构成,电力系统一般作为辅助能源,与舰船推进系统没有直接关联。而综合电力系统则是将舰船发供电与推进用电、舰载设备用电集成为一个统一的系统,实现了发电、配电与电力推进用电及其他设备用电统一调度和集中控制。

综合电力系统是舰船动力未来的重点发展方向之一,其核心包括舰用发电模块、燃气轮机和柴油机。在大中型水面舰艇上,作为发电模块的原动机,燃气轮机具有体积小、重量轻、功率密度高、模块化布置灵活、原动机使用数量少、综合运行效能高且启动并网快等特点,成为各国大中型舰艇的首选,英国45型驱逐舰的综合电力系统(IPS)及其发电模块就采用两台WR-21ICR燃气轮机。

对于中国来说,可以考虑在UGT-25000IC/ICR燃气轮机的基础上采用突变负荷适配技术、快速控制技术等,研制IPS系统的发电模块,使之成为中国海军未来新型舰艇的动力系统。

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      2015/4/7 23:19:07

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      2015/4/8 1:07:06

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