055大驅澎湃的心臟——QC280燃氣輪機

軍情 08-17

2017年6月28日我國的首艘055型萬噸級導彈驅逐艦「南昌」號下水，萬眾矚目，目前其正進行各種線纜和管道的鋪設及武器的安裝調試等工作，其中最重要的當然是四台QC280燃氣輪機的調試作業了。

我國的艦用燃氣輪機起步並不晚，早在1958年就開始了，但由於自身基礎薄弱和同時遭到美蘇兩大陣營的雙重封鎖，一直沒有什麼建樹，直至九十年代後，才在太行核心機基礎上，發展了QC185燃氣輪機，又以崑崙核心機為基礎，研發了QC128燃氣輪機，但這些項目一直處於試驗狀態，未能大規模裝艦使用，看來我國發動機的基本功還是不紮實，系列化之路並不簡單，只有仿製的QC280獲得了完全的成功，2010年赴亞丁灣護航的052B型2號艦169艦混裝一台QC280進行航行試驗，經受了極端環境的考驗，QC280在可維護性及熱帶使用性能等方面均比UGT25000有較大提高。後來大量裝備第二批次的052C型導彈驅逐艦，名聲大噪，成為我國唯一實用化的艦用燃氣輪機，QC280經過了十多年的裝艦使用，不斷成熟完善，動力的成熟使我國終於迎來了造艦高潮。

我國在1985年曾引進過四台LM2500用於112和113兩艦，當時沒有選擇同斯貝發動機一脈相承的英國SM1A燃氣輪機看來是個失誤，美製發動機太過精密，不適合當時的中國，反之，日本仿製SM1A燃氣輪機卻獲得了成功。

與我國失之交臂的SM1A燃氣輪機

QC280源自烏克蘭機器設計科研生產聯合體的UGT25000燃氣輪機，秉承了蘇式的專門設計路線，體積、重量，空氣流量都要大於美制LM2500，蘇式編號是DA80，是蘇聯的第四代燃氣輪機，其發展自M80燃機，通過在後者基礎上加裝零級壓氣機，提高初溫，功率達到32000馬力。我國於1993年引進10台，先是授權組裝，後因緣際會獲全套資料，項目進展得以加速。

UGT25000燃氣輪機的簡易外罩，可以看到壓氣機外露

首台國產化UGT-25000燃氣輪機於2004年完成試製，國產化率達到60%以上，完成了第一階段的國產化工作。到2011年完成第二階段的國產化，國產化率達到95%以上，基本實現材料、工藝的自主，第三個階段實現完全國產，暫時依賴進口的元件至少可以國貨替代，進行大規模量產，並提高可靠性和壽命。這三個階段已經基本完成，截至2019年5月10日，隨著第19、20艘052D的下水，我國已下水的盾艦數量達到了30艘！這就是明證！

海上暴兵

對UGT25000仿製的過程也是消化、吸收和改進的過程，繼承蘇式裝備一貫風格的UGT25000也有噪音大，維護性差這些通病，因此借鑒LM2500豐富的使用維護經驗，對其簡易的罩體進行了改進，採用類似LM2500的箱體將主機完全罩住，降低了主機向外輻射的熱量和噪音，將排氣管和機體安裝到同一底座上，解決了不同基座共振導致的排氣管橡膠老化問題，優化了可維護性和機艙工作環境。

更為重大的改進是我國研發多年的噴水-回注循環得到了應用，UGT25000為三轉子結構，較易採取複雜循環的改進，在QC280低壓壓氣機和高壓壓氣機之間加了一個中間噴水冷卻裝置，使UGT25000由簡單循環變為間冷循環，減少了空氣的熱膨脹，進而減小了壓縮空氣的功耗，但只有很高的空氣壓縮比，才能使節省的壓縮功耗大於間冷對燃氣初溫的負面影響，看來QC280的壓比很高。

這還只是間冷循環(IC)，廢熱並未充分利用，進一步的改進方向就是間冷-回熱循環(ICR)。

就QC280而言就是蒸汽回注，把過熱蒸汽中的廢熱儲存於鍋爐中用於提高燃氣初溫，又循環利用了一把。燃氣初溫是燃氣輪機的重要指標，它每提高100度，效率能提高1.25%，效果非常明顯。QC280在運用噴水-回注循環之後，熱效率由37%提高到40%，也就是燃燒產生的能量有40%用於驅動螺旋槳，功率達到45000馬力。噴水-回注循環技術的優點是省去了龐大的中冷器及其相關係統，結構上更為簡單。下一步QC280的目標是繼續改進，達到45%的熱效率，與WR21持平。

當然，燃氣輪機也並非沒有缺點，由於其自身轉速較高，低速時效率下降很快，燃料消耗量高，而且易停車，象騎自行車一樣，太慢了容易摔倒。通常將其與柴油機共用來解決這個問題，有兩種方式，一種是柴燃交替，就是低速使用柴油機，中高速使用燃機，我國的052C型驅逐艦就是這種驅動方式；另一種是柴燃聯合，就是高速時柴油機和燃機一起輸出功率並且通過一個功率合成系統將功率分配到螺旋槳上。

間冷回熱循環也能改善燃機的低速性能，在低工況性能方面，WR21無出其右，在30%功率運行時的油耗與100%功率時相當，這也是QC280努力的方向。

青島艦上的LM2500燃氣輪機

但畢竟QC280僅是一種仿製品，只是解決了海軍的燃眉之急，我國航發的設計本來就考慮了向燃機拓展的問題，航改燃的系列化之路還要走下去， LM2500 已經指明了方向，其發展了幾十種變型，裝艦1900多台，佔據了世界燃氣輪機的絕大部分市場份額，它由TF39大推力渦扇發動機衍生而來，後者是C5「銀河」大型軍用運輸機的動力。

C5「銀河」大型運輸機的動力TF39

航改燃上艦要降低工作參數，提高可靠性，為適應海上的高濕、高鹽、高腐蝕以及用有污染的空氣作為工質，航發必須經過大量改進，才能發展為艦用燃氣輪機。

燃氣輪機連續轉動的高頻雜訊，能在海洋環境中自然衰減，不同於柴油機的多個汽缸內活塞往複運動低頻雜訊，低頻雜訊容易與海洋背景雜訊疊加放大，燃氣直接驅動方式也比柴油機氣缸的活塞-連桿-飛輪方式效率高，蒸汽輪機先要燒鍋爐把燃燒的熱能轉化為蒸汽，再由其驅動汽輪主機，效率更低。

巧奪天工的MT30燃氣輪機

燃氣輪機與航空發動機是一脈相承的，航空發動機的落後會制約燃氣輪機的發展，當今世界燃機的最高水平是英國的MT30，它衍生自波音777的「特倫托」發動機，為三轉子結構，分別是低壓壓氣機、高壓壓氣機、自由動力渦輪三根軸，動力渦輪不受制於壓氣機，處於最佳轉速，達到了36兆瓦的功率，油耗卻只有207克/千瓦時，與全功率運行的中高速柴油機相當，用於6.5萬噸的伊麗莎白級航母，但受制儲能技術，航速只有25節，英國的在研型號是MT50，功率達到50兆瓦，我國與MT30的差距主要在渦輪葉片的材料及工藝方面，如高溫陶瓷材料的燃氣透平，能耐1360度的高溫，而且不用複雜的冷卻系統，還有太行發動機的單晶渦輪葉片也未能在燃氣輪機上得到應用，因此我國燃機在可靠性和油耗方面仍有欠缺。