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3.燃气轮机是21世纪动力设备的核心

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的2200daN发展到\阿塔\的地面不加力达到5000daN,全加力推力达到7200daN。为满足多种用途的需要,SNECMA公司在M88-2核心机基础上研制推力范围5000~7000daN的不加力型和7500~10500daN的加力型发动机系列。在M88高压核心机的基础上发展的还有50~105KN级的涡喷发动机M88-X、80~110KN级涡桨发动机和15MW的地面燃气轮机。

美国GE公司在原F101发动机基础上改进发展。GE公司为了争夺战斗机发动机市场,使F101核心机上成熟的技术得到广泛的应用,减少了涵道比,提高了增压比,改进发展成一种在性能、结构上都属一流的F110发动机。此外,为满足F-15、F-16增强型未来推力的需要以及多用途战斗机和舰载轰炸机的需求,GE公司制定了面向2000年的发展规划,重点是在F110核心机的基础上研制F110X和F110XX。F110系列改进发展的成功说明,走成熟核心机改进、改型发展的途径是一条起点高、风险小、周期短的高效道路。

\渐改\发展模式在英国、前苏联和俄罗斯等许多国家也都广泛采用。考虑到我国的经济实力和技术基础的实际情况,航空发动机\渐改\发展模式对我国更具有特殊的现实意义。

另一个令人信服的例子是GE公司一种先进航空TF39/CF6叱咤国际工业燃气轮机风云五十年的事实。TF39是由GE先进燃气发生器发展起来的,1969年定型,用于美国CSA战略运输机。CF6是TF39的民用型,1970年取得适航证,先用于DC-10、波音747、空中客车A310、A320、A330等多种客机,已生产2000余台。LM-2500是用TF39的核心机和低压涡轮改型而成的。1970年投放市场,功率为25000马力,效率为36~38%,与PW公司的FT-8同为这一功率等级中最先进的工业燃气轮机,是美国和西方海军的主要动力,已生产1000余台。LM-5000是在1977年把CF-6的核心机去掉风扇,低压压气机加级并新设计动力涡轮改型而成,功率为50000马力,效率为38%,有蒸汽回注等型别。LM-6000是在1992年由CF6-80C2核心机加5级压气机和5级动力涡轮改型而成,功率为43000kw,效率为41%,是当前这一功率等级最先进的燃气轮机之一。MS-9001H为美国面向21世纪的先进透平计划(Advanced Turbine System ATS)的首选机组,压气机是由CF6-80C2的高压压气机放大加级而成的单转子重型机组,采用多项目前最的航空技术。此机组的功率为32万kW,效率为39.5%,由其组成的联合循环功率为48万kW,效率达60%,号称21世纪的燃气轮机。

上述事实说明\渐改法\的潜力和生命力,从航空到地面,使GE公司一直处于领先地位。同时也说明,有一台先进的核心机是何等重要。

IV. \多快好省\发展我国燃气轮机的道路

从上面分析可以看出,在目前情况下,只要全国一盘棋,统筹规划,建立有自主知识产权、有相当的市场竞争力的燃气轮机工业仍为时不晚,这是因为:

l 我国已有一台自行研制的、先进的A型核心机,其性能指标不亚于前面举的例子。压气机为9级,压比12,压气机效率为85~86%,若是1:1地应用该核心机,功率大约为7000kW。我国航空部门已为此机花费了20多亿研制费。在此基础上,通过加级和模化,可以派生出一系列不同功率等级的先进燃气轮机。先进的核心机是我国发展燃气轮机的基石,是关键中的关键。

l 我国已与美国PW公司合作设计和制造了功率为25000kW的FT-8工业燃气轮机(燃气发生器由PW提供),性能良好,由我国与PW公司联合设计、制造的动力透平效率高达93%,堪称世界先进。

l 我国航空部门已拥有相当水平的试验研究设备和制造技术,可以制造定向结晶和单晶透平叶片,它们可以承担新机型的研制和关键零部件的制造。

l 我国机械工业部门具有与GE公司合作生产MS-6001系列重型燃气轮机的经验。

l 我国在航空部门、机械部门、高等院校和科学院所仍保留了一支对发展燃气轮机怀有极大热情的技术队伍。

目前,核心机已基本成熟,我国燃气轮机工业可以为我国西气东输工程提供一定数量的高质量燃气轮机,其功率为7000kW~12500kW,这是首先要保证的。有了7000kW的批量生产就可以打开局面,建立信誉,积累经验和资金。与此同时,在核心机上加级、模化,不失时机地推进18500kW机组的研制。输气管线这个市场不能丧失,即使一时供货时间不能满足进度要求的话,也应该象长江三峡工程那样,在天然气西气东输工程中通过国家统一安排,应有一定数量的我国制造的燃气轮机份额,而不能把这些机会全部都让给外商。这是牵涉到我国燃气轮机生死攸关的全局问题,国家应有明确认识和全力支持。

V. 两条具体实施途径

综上所述,我国的燃气轮机工业宜从以下两条平行的技术途径发展:

1. 第一条路是组织全国的科技力量,以A型核心机为基础,用\渐改法\开发拥有自主知识产权的燃气轮机。可以分以下几步走;

l 用A型核心机及低压涡轮改型成为在周围大气温度为35℃仍有7000kW~12500kW输出的工业用燃气轮机,压比13~16.75,效率为31%~34%。 此发动机的主要用来带动天然气输气管线的压缩机,亦可用于海军的两栖登陆艇及青藏高原的大功率机车动力。由于航空部门对此已进行了大量工作,故应在机械工业部门的密切配合下,在1~2年那争取拿出小批量考核样机,以便\赶上\新疆-上海西气东输工程的需要,国家有关部门应集中力量,重点抓好,这是一个我国自己的燃气轮机工业是否能真正起步的关键。

l 用A型核心机加级,提高压比,增加流量,改造低压涡轮机成为18500kW级先进燃气轮机,压比为23,效率为37%。这样的燃气轮机已具有同等功率机组的国际先进水平。此机组亦可用于天然气输运,包括从西伯利亚和哈萨克斯坦到韩国、中国的国际天然气管线。通过此机型的研制,掌握压气机加级的关键技术。

l 用A型核心机加风扇顶切及FT-8的动力透平改型,形成功率为23900kW,效率为41%的,具有同等效率国际先进水平的先进燃气轮机。此机组可用于天然气管线以及海军的护卫舰和导弹驱逐舰。我国在把英国Spey发动机用于海军时已具有风扇顶切的经验,而FT-8动力透平为我国自己设计、制造,已生产多台,得到了考核。

L 用A型核心机,单转子,其压气机是A型机的高压气机放大加级(压比18),燃烧室要新设计。总体结构类似MS-6001FA方案,功率为82000kW,效率为37.1%,联合循环效率可达55%。这是一个过渡型中档功率机组。因为我国机械工业系统,多年来仅制造过一些重型机组的零部件,还缺乏自行设计重型机组的经验。在此情况下,一步跨得太\远\,技术

风险太大,此中档功率机组,由于其尺寸略小,可基本依靠国内机械工业和航空工业系统已有的制造技术和设备加工。研制这种中档功率的机组有两种意义:一是作为大功率机组的模型试验机组,目的是以较低投入突破大功率重型机组的技术关键,掌握压气机加级,模化放大的规律。中档功率机组研制成功后,就可以严格地按比例放大设计出大功率机组(200MW);二是80MW中档功率机组,本身也是一种商品化机组,有广阔的国内、国际市场(包括IGCC和多联产)

l 用A型核心机,在前面中档功率机组的基础上加以相似放大,结构为单转子,功率为200MW,效率为37.6%,联合循环功率300MW,效率为55%,主要用于发电。

这几步都以A型核心机为基础,尽量利用A型核心机已有的实验设备与加工装置,以求技术风险小、投资少、周期短。

2. 第二条路是通过与国外大公司合作生产国际上成熟的机组,以提高我国重型燃气轮机制造能力。这个途径已经实施,如南京汽轮电机厂与GE公司合作生产MS6001系列机组。但必须扩大合作生产的机型和零部件种类。这样做,不仅会取得经济效益,而且可以逐步学习掌握国外先进的设计、制造和管理经验。我国的大型汽轮机厂,随着21世纪可持续发展对动力和发电设备所提出的要求,一定会逐步走向汽、燃并举,甚至燃机部分逐步超过蒸汽轮机部分。为适应这种发展趋势,这种国际合作是十分必要的。

上述两条途径是相互支援、相互补充的。自行研究开发,主要目标是充分利用航空部门已有的先进核心机和先进制造技术,打破国际垄断,形成自主开发能力。合作生产的主要目标在于发展制造能力,形成制造中、大型燃气轮机的规模。二者的总目标是相同的,都是为了我国能在重型燃机这个大市场中占有一席之地。尤其要占据潜力巨大的国内市场,结束国外燃机几乎独占我国市场的局面,形成我国的燃气轮机工业。

VI.政府作用,政策措施与机制

1.发展燃气轮机(尤其是大功率燃气轮机)是有关我国能源、环境可持续发展的重大国家目标,是一个艰巨、复杂、及长期的工程,国家必须要总体规划,统一领导,统一安排。即使象美国这样的高度市场经济国家,仍作为国家意志安排投资数十亿美元ATS计划和CAGT计划,来促进燃气轮机技术的发展,以争夺世界市场。美国的Clean Coal technology CCT计划也是国家意志的表现,在美国能源部的2001-2005安排中,集中很大一部分资金用来进行有关Vision 21中的关键技术研究,其中也包括燃气轮机。

我国在燃气轮机技术方面起点比较低,更应该作为重点来安排。建议由国家计委牵头,搞一个我国的10-15年的ATS计划。这是振兴我国动力机械生命攸关的大事。作为当务之急,首先应拨出专项资金来支持A型核心机的转为地面型(约7000~12500kw),使之尽快投入应用。然后在\十五\十一五\的各种计划中,在S-863,攻关和国家重点基础研究规划(973)中都需要从不同角度作为重点项目来安排。

2.以A型核心机\渐改\发展作为契机,一定要打破部门的界限,使航空部门和机械工业部门联合起来,各自发挥自己的特长。同时,把有优势的高等学校和科学院所的研究力量组织进来,组成一个\产、学、研\的联合体。但是,即使这样,政府的作用仍然是十分关键的,应是政府集中领导下统一安排,风险共担,利益共享的联合体,决不是松散的\联邦\。严格地说,应是\产、学、研、政\的联合体。

3.在全国统一安排,或是在我国ATS计划指导下,结合A型核心机的\渐改\需要,有明确目的、有计划地开展必要的深入科研工作,例如,压气机的气动力学(扩压的三元不定常流动,可控扩压,喘振,脱离,加级和模化放大的机理和规律;高热容量,高效率,低污染,能燃用合成气的燃烧室,稳定燃烧机理;高温部件(尤其是透平叶片的强化传热和隔热机理,冷却系统的设计;材料方面的应用基础研究;先进加工工艺方面的研究??)。在研究工作中充分开展国际合作,利用各种机会派遣年轻的专家定向学习与工作。这些研究工作一定要和A型核心机的\渐改\需要相结合,千万不能流于\泛泛\。

4.发展大功率燃气轮机,作为国家意志必须持之以恒(规划,投入,组织,管理,研制,生产,市场,信息反馈...一条龙)。研制工作本身要循序渐进,由小到大,先易后难,在整个发展过程中与国民经济和国防需要紧密相结合(具体步骤本文已有详述)。

VII结论

充分利用目前市场驱动的大好时机;航空部门与机械制造工业紧密结合;核心机改型与合作生产相辅相成;政府集中领导大力支持;燃气轮机科技和制造技术人员聪明才智的充分发挥,...。我国将会迎来燃气轮机工业的蓬勃发展,为我国的能源,环境可持续发展作出重大贡献。

中航工业黎明系列报道之六

技术市场并重 黎明燃机产业跨越前行 发布日期: 2010-7-08

5月,中航工业召开了振兴航空发动机产业委员会第二次会议,会议通过了大力发展燃气轮机等议题。中航工业总经理林左鸣在会上强调:“中航工业的燃气轮机产业已经到了发展的关键时刻,必须集中力量、主动出击,应对挑战,大力发展燃气轮机产业。集团公司将把燃气轮机产业作为战略产业加以扶持,中航工业和中航工业发动机对燃气轮机产业的投入要再大一些,使燃机产业发展再快一些。”林左鸣总经理的讲话使中航工业黎明干部职工群情振奋、信心倍增,《中航工业集团公司关于大力发展燃气轮机产业的决定》更为黎明发展燃气轮机产业增添了新动力。

从R0110重型燃气轮机被确定为国家“863”项目,到取得重大突破;从QD128燃气轮机的生产,到成功走向市场,中航工业黎明自确立燃机产业战略以来,得到了中航工业领导的高度关注,获得了兄弟单位和科研院所的鼎力支持。黎明项目团队经过多年艰苦卓绝的拼搏,谱写了燃机产业发展的华美篇章。

R0110 实现重型燃机 自主研制“零”的突破 国家“十五”“863”项目——R0110重型燃气轮机于2008年12月28日在沈阳顺利通过国家科技部阶段验收。验收的圆满通过,宣告了R0110重型燃气轮机研制在中航工业黎明取得了阶段胜利。国内首台R0110重型燃气轮机研制取得的成功,实现了我国自主设计研发重型燃气轮机“零”的突破。2010年,在每两年举办一次的中国专利奖评选活动中,中航工业黎明申报的《一种重型燃气轮机》发明专利,荣获第十一届中国专利优秀奖,这也是中航工业唯一获此殊荣的专利。

国外研制一台重型燃机往往需要8至10年,而中航工业黎明只用了5年的时间就实现了整机台架试车点火成功;国外研制一台重型燃机经费需要几十亿美元的资金,而黎明公司只用了6亿多人民币。在此之前曾有专家断言:“用这样短的时间和如此少的资金研制一台

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