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燃气轮机代表当前世界海军舰艇动力系统的发展方向,与航空涡扇发动机并称为制造业的“皇冠”。回顾我国燃气轮机发展历程,起步虽然很早,但发展相对滞后,用“起个大早,赶个晚集”来形容还是很贴切的。
燃气轮机其实也是历史悠久,最远可追溯到中国南宋高宗年间,当时出现的“走马灯”,就被认为是现代涡轮机的雏形。此后,意大利的列奥纳多·达芬奇、英国人巴伯等都对燃气轮机的原理进行了更加完善的设想。1872年,德国人施托尔策设计了世界上第一台燃气轮机;1905年,法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功率的燃气轮机;1920年,德国人霍尔茨瓦特制成第一台效率为13%、功率370千瓦的燃气轮机,但令人遗憾的是,他们的这些努力最后都因不完善而放弃。直到1939年,瑞士制成了效率达18%的发电用燃气轮机,同年世界上最早的喷气式飞机在德国试飞成功后,燃气轮机才逐渐进入了实用化阶段。
大家都知道,二战后世界海军舰艇的动力系统大致有四种:蒸汽轮机、核动力、柴油机和燃气轮机,另外还有柴油机+燃气轮机联合动力系统等,这几种动力系统优缺点各异。但综合看,燃气轮机的噪声、振动、加速性等均优于柴油机、蒸汽轮机,此外还具有体积小、重量轻、比功率大、单机功率较大、启动迅速等优点,虽然低负荷运行时耗油较多,但全负荷运转时油耗却与柴油机稍高或相当,因而得到重视。
1947年,英国首先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。据记载,这种燃气轮机功率1839千瓦,重1830公斤,虽然耗油率较高,达639克/千瓦时,仍算是世界舰船燃气轮机发展的先行者。
1962年12月,苏联海军61型导弹驱逐舰,即著名的“卡辛”级驱逐舰首舰“乌克兰共青团员”号服役,这是世界上第一型使用全燃气轮机推进的舰艇,舰上装载的M2型燃气轮机具备直接倒车、横向交叉传动等功能,比西方国家领先了近十年。
与此同时,苏、美、英、日等国新造舰艇陆续开始采用燃气轮机动力系统。苏联继61型驱逐舰之后建造的“卡拉”级巡洋舰、“勇敢”级驱逐舰、“光荣”级巡洋舰等;美国“斯普鲁恩斯”级驱逐舰、“佩里”级护卫舰、“提康德罗加”级巡洋舰等;英国的21型护卫舰、42型驱逐舰等都采用了全燃动力系统。鉴于当时燃气轮机油耗较高,一些国家还将柴油机+燃气轮机组合起来,形成柴燃联合动力系统,即巡航时使用柴油机,加速时启动燃气轮机。
目前,在世界各国已服役的航空母舰、巡详舰、驱逐舰及护卫舰中,约有3/4采用燃气轮机或柴燃联合动力,当前世界上著名的燃气轮机,有美国的LM2500型、乌克兰的UGT15000型和英国的SMIC型等。
我国燃气轮机起步并不晚,早在1958年国家就将其纳入发展规划。1959年,苏联将M1型燃气轮机制造技术转让给中国。M1型是苏联早期舰用燃气轮机,功率2941千瓦,后来曾用于鱼雷快艇。但向中国转让时,苏联本身也在不断完善,技术并不成熟,翻修寿命仅100小时。1961年,上海汽轮机厂完成了M1型首台样机试制和装配,但因接下来的台架试车不顺,用时3年才通过试验。
对于M1型燃气轮机,当时中国海军的想法也简单,就是将其作为国产62型护卫艇的加速主机。为此,对东海舰队的一艘62型护卫艇进行了改造,将原来4台12V180型柴油机拆除两台,腾出位置装上1台国产化后的M1型燃气轮机。据记载,该机累计运行时间106小时,取得了宝贵原始数据,这是中国燃气轮机上舰的第一次尝试。1971年,该艇交付东海舰队做进一步的试用。
从上世纪60年代开始,中国陆续仿制和自行研制了多种各种类型的燃气轮机。1964年,我国开始自行设计、研制首型舰船专用燃气轮机,计划作为037型猎潜艇的动力系统,当时样机完成500小时耐久性试车后,已经投入小批量生产,但因装配对象调整未能装舰使用。不过,这一机型的研制成功,不仅技术到材料全部立足于国内,还积累了一整套设计、制造、试验、运行实践经验以及技术设施和手段,开创了中国舰用燃气轮机先河。
此外,中国还发展了4500千瓦燃气轮机,原计划作为053型护卫舰配套动力,但后因问题较多无法解决被迫下马,053型护卫舰只得改用柴油机。
上世纪60年代中期,中国了解到西方国家为降低燃气轮机研制费用和技术难度,大多选择航空发动机进行改进,发展“航改型”燃气轮机。我国有关院所和厂家以轰6型轰炸机使用的涡喷8型喷气发动机为基础,着手发展2万千瓦大功率舰用燃气轮机。为此,技术人员对涡喷8型发动机燃气发生器进行了80多项修改设计,新设计了动力涡轮及各系统,在上世纪70年代初完成了样机研制,并于1974年通过耐久试验。但在功率、可靠性、油耗等方面仍存明显不足,后来因配套舰艇下马,这一机型的研制没有进行下去。
在这一期间,我国还先后以涡轴5、涡桨6、涡喷6等航空发动机为基础,发展了多型燃气轮机。其中以涡桨5型发动机为基础,发展的2000千瓦燃气轮机,因原计划发展的燃机火车下马而作罢。还有一种原计划用于天然气管道工程的2万千瓦工业燃气轮机,研制出来后也莫名其妙地放弃了。
在这里我们就说说409型燃气轮机吧,这种以涡桨6型发动机为基础发展的燃气轮机,后来作为722Ⅱ型全垫升气垫登陆艇的主动力,装备了海军。
1975年,海军委托708研究所设计722型中型全垫升式气垫登陆试验艇。该艇采用铝合金艇体结构,总重65吨,设有首、尾大门及跳板;载重量为15吨,可装载1辆军用卡车或1个步兵加强连执行登陆任务;主机最初为4台航空活塞式汽油发动机,单台功率1100千瓦。1979年该艇建成后,试验航速达89.8公里/小时。
1983年,以涡桨6型发动机为基础发展的、使用轻柴油的409型燃气轮机研制成功后,708研究所将722型气垫登陆艇上原来的活塞发动机,替换成两台409型燃气轮机,改进设计了722Ⅱ型气垫登陆艇。1988年,722Ⅱ型在大沽船厂建成,完成试航后顺利交付海军。722Ⅱ型完全具备现代气垫登陆艇的基本特征,409型燃气轮机功率也较匹配,总的来说是成功的,但722Ⅱ型后来没有批量建造。
总之,从上世纪60年代至70年代,我国自主研发了一系列燃气轮机,除舰用外,还有用于发电、机车、车载等多种型号燃气轮机,整体水平与当时世界先进水平虽有差距但不大。
但到20世纪70年代末至80年代初,石油危机波及全球,全国油气供应严重短缺,国家出台政策不允许使用燃油、燃气发电,国内所有已投产的燃气轮机停机封存,许多正在研制中的燃气轮机项目也纷纷下马,人员、技术和经验出现流失,就连很多大学燃机专业也改行了,我国燃气轮机行业发展沦为低谷,与世界先进水平差距越拉越大。而此时正是世界燃气轮机技术飞速发展的阶段。等我国再次提出重视发展燃气轮机,已是上世纪90年代中后期了。(本文图片来自网络)