我國航改型燃氣輪機發展現狀及建議

劉培軍，李輝全，張鳳梅，谷思宇，李順勇

(1. 中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2. 青島中科國晟動力科技有限公司，山東 青島 266400；3. 中國石油管道有限公司，河北 廊坊 065000；4. 中國石油西南管道公司，昆明 650217)

燃氣輪機被譽為“制造業皇冠上的明珠”，是各種類型航空噴氣發動機及其衍生燃氣輪機、重型(發電)燃氣輪機、車輛與工業驅動燃氣輪機、艦船動力燃氣輪機及各種微型燃氣輪機的總稱[1]。燃氣輪機與航空發動機在技術上一脈相承，輕型燃氣輪機大部分由航空發動機改型研制，重型燃氣輪機移植航空發動機技術研制[2]，航改型燃氣輪機與原型航空發動機零件90%以上是相同的。

航改型燃氣輪機主要應用于管線動力、循環發電和艦船等，目前中國石油管道已經安裝的燃驅機組主要為德國西門子公司(SIEMENS)生產的RB211(原羅爾斯·羅伊斯公司生產，2014年德國西門子公司收購了其航改型燃氣輪機和壓縮機業務)和通用電氣公司(GE)生產的LM2500+SAC兩型航改型燃氣輪機。在國家發改委發布的天然氣十三五規劃中，我國的預計目標為到2020年，天然氣占一次能源消費量的比例由2015年的5.9%，提高至8.3%～10.0%，這其中的需求增量主要來自大氣污染治理重點地區的氣化工程、天然氣發電及分布式能源工程、交通領域氣化工程和節約替代工程等四大利用工程[3]。初步估計，2020年天然氣發電裝機將達到1.1億kW以上。預計到2020年，我國將在規模以上城市進行天然氣分布式能源的推廣與普及，力爭總裝機規模達到5×104MW[4]。由于中小功率的航改型燃氣輪機在啟停速度、單循環熱效率、安裝等方面都具有非常顯著的優勢，因此分布式能源主要采用中小功率的航改型燃氣輪機[5]。未來十年，僅能源電力行業，燃氣輪機的國際需求就高達5 000億美元，如果考慮船舶和制造業等領域的需求，整個市場規模有望突破萬億美元大關。

1 我國燃氣輪機發展現狀

1.1 重型燃氣輪機

二十一世紀初，我國以“打捆招標、市場換技術”的方式，先后三次共引進了F級重型燃氣輪機與E級重型燃氣輪機50多套，引進公司主要為美國通用電氣公司(GE)、日本三菱公司(MHI)和德國西門子公司(SIEMENS)，由哈汽—美國通用電氣、東汽—日本三菱、上汽—德國西門子 、南汽—美國通用電氣四個聯合體進行國產化制造，國產化機型為SGT5-2000E/4000、M701F和V94.3A等[6-8]， 由于國內主機廠商掌握的技術主要是燃氣輪機分解裝配、冷端零件代加工、部分熱端部件的代加工和外圍的輔助系統配套，引進的技術中不包括燃氣輪機的整機設計技術、熱端關鍵件制造技術和控制系統技術，所以國內重型燃氣輪機市場被國外企業壟斷的局面沒有任何改變。重型燃氣輪機的分解和裝配技術含量不高，在運行現場就能操作；冷端零件、部分熱端零件的代加工和外圍輔助系統配套也是依據外商的圖紙進行的，不掌握知識產權；熱端關鍵部件修理方面，國內目前有三家合資公司，分別是：通用電氣—哈動力—南汽輪能源服務(秦皇島)有限公司、華瑞(江蘇)燃機服務有限公司和三菱重工東方燃氣輪機(廣州)有限公司，基本實現了重型燃氣輪機熱端關鍵零件修理本地化，但維修利潤仍然主要掌握在外商手中。

2014年，上海電氣公司收購了意大利安薩爾多公司40%的股份，成立了上海電氣燃氣輪機有限公司(SGC)和上海安薩爾多燃氣輪機科技有限公司(AGT)兩家合資公司，引進了重型燃氣輪機的設計研發、制造和服務技術，為重型燃氣輪機全面國產化創造了條件，下一步的關鍵是上海電氣的技術人員能否全面消化吸收燃氣輪機的設計技術、熱端關鍵零部件的制造技術和控制技術，并在此基礎上進行創新。上海電氣公司希望用5～10年的時間，真正掌握重型燃氣輪機的設計技術、熱端關鍵部件制造技術和控制技術，具備對現有機型進行優化、改進、升級和自主開發新型燃氣輪機的能力；掌握重型燃氣輪機的服務技術，具備為用戶提供個性化定制服務的能力；具備為用戶提供燃氣-蒸汽聯合循環整體解決方案的能力。

1.2 航改型燃氣輪機

我國航改型燃氣輪機的發展起步于20世紀50年代，主要以前蘇聯的技術為基礎進行仿制、測繪、研發、設計和實驗。我國借用前蘇聯的技術仿制生產過WP5-WP8，在此基礎上自主設計過WP13A和WS13，1976年花費5億英鎊購買了英國羅爾斯·羅伊斯公司(RR)的SPEYMK202全套技術，在消化吸收的基礎上研制了WP14和WS9，借鑒俄羅斯的AL31F和SNECMA公司的CFM56發動機的技術研制了WS10和WS20，借鑒俄羅斯的技術目前正在研制的有WS15和WS18A。這些航空發動機全部用于軍用，但我國尚不能批量制造性能穩定的用于第四代和第五代戰斗機的發動機，航空發動機產業與歐美相比仍有較大差距。

目前形成批量生產的只有1993年從烏克蘭引進的艦用燃氣輪機GT25000，1998年開始以QC280型號進行國產化，在2003年裝備052B“武漢”驅逐艦試用，目前QC280已交付70多臺，返廠修理周期為5 000 h，而歐美同功率級別的燃氣輪機返廠維修周期達到25 000 h ，兩者差距較大，該型燃氣輪機的穩定性也遠不如歐美的產品。2009年4月，國家能源局在沈陽召開天然氣長輸管道關鍵設備國產化工作會議，確定開展以西氣東輸二線工程建設為依托的燃驅壓縮機組等天然氣長輸管道站場關鍵設備研制工作。對艦用GT25000的燃燒室、燃料噴嘴等進行設計改進，適用于天然氣燃料，與國產離心壓縮機及輔助系統配套使用[9]，2014年9月通過國家能源局組織的新產品專家鑒定[10]，該機組目前已安裝于煙墩壓氣站和衢州壓氣站，正在開展工業性試驗。前期出現了一臺軸流壓氣機葉片斷裂導致壓氣機全部損壞，所以還需要花大力氣研究GT25000設計存在的缺陷，因為當年烏克蘭轉讓該燃氣輪機的全套制造技術時，只生產了7臺，并沒有大規模的工業應用，還需要相關單位組織技術人員不斷掌握外商的設計思想，針對工業試驗出現的問題不斷進行改進，真正做到不僅知其然而且知其所以然，掌握燃氣輪機的設計技術。

航改型燃氣輪機國內主要用于長輸天然氣管道驅動，中國石油是LM2500和RB211兩個型號航改型燃氣輪機的最大用戶，迫于市場壓力， GE公司和RR公司分別轉讓了兩型燃氣輪機的大修技術，包括燃氣輪機的完全分解、裝配和試車技術，零件的清洗、故檢和除五大關鍵件(兩級渦輪葉片、兩級渦輪導向器葉片、燃燒室)以外的零件的修理技術。管道壓縮機組維檢修中心[11]是中國石油下屬單位，從事航改型GE LM2500+SAC和RR RB211-24G兩型30 MW級燃氣發生器大中修理、管道壓縮機組遠程監測與診斷服務、管道壓縮機組運維技術服務和壓縮機組運維人才培養任務，目前已經建立了兩條修理生產線，培養了一個燃氣輪機修理專業團隊。西氣東輸各個地區公司積累了豐富的航改型燃氣輪機的運行維護經驗，經歷了較多的故障排查過程，形成了自主的排故經驗，基本擺脫了依靠外商現場服務的局面。

2 航改型燃氣輪機發展存在的問題

2.1 缺少核心技術

燃氣輪機的設計技術和試驗技術不可能從國外企業引進，必須依靠我們自主研發。同時，燃氣輪機不完全是設計、計算出來的，更為重要的是試驗環節，主要包括渦輪、燃燒室、壓氣機等部件的性能試驗以及整機的性能試驗。這些試驗環節不僅需要花費大量的資金，而且需要花費很長的周期，我國由于沒有長時間的試驗數據積累，基礎技術薄弱制約了中國燃氣輪機的快速發展[12]。

運行溫度、運行壓力、過載等問題一直制約著燃氣輪機設計研發前進的步伐，解決這些問題的途徑為，選用最先進的材料，采用最為適當的加工工藝，科學合理的設計與匹配以及正確的使用維護。近幾年我國在材料和零件制造方面取得了一些進步，但在部件設計、系統集成和匹配、如何提高性能和可靠性方面仍然存在問題。隨著燃氣輪機燃氣初溫的提升，燃燒室的結構和材料以及排放、熱聲震蕩、回火等在較低溫度下沒有暴露出來的這一系列問題都需要進行改進，因此，完善試驗能力非常重要。要支持企業開展各個部件、單元體和整機試驗，要反復試驗、積累數據和經驗、不斷改進和完善設計，這需要大量的資金投入和長時間的試驗。一般設計一款成熟的航空發動機大概需要20～30年，投入資金大概為數十億美元。例如美國的“綜合高性能渦輪發動機技術計劃”(IHPTET計劃)，長達16年，總投資為45億美元。

2.2 研發力量分散，且沒有與實踐結合

燃氣輪機產業涵蓋多個方面的專業領域，包括研發設計能力，金屬材料制造加工能力，裝配能力，試驗能力等，需要不同專業領域人才的配合，以此形成從設備制造、材料制造到系統集成的整套產業鏈。這其中的設計、研發、制造、試驗等各環節須整合國內各專業領域資源共同攻克，才能形成具有我國自主知識產權的燃氣輪機。我國在2011年確定了燃氣輪機和航空發動機兩機專項，國內的許多企業、高校與科研院所(包括清華大學、上海交通大學、上海電氣集團、東方電氣集團等)成立了專門的燃氣輪機研究院，其他科研院校也都相繼成立了與燃氣輪機研究以及發展密切相關的技術團隊。

但是截止到目前，進行燃氣輪機研發的科研機構、高等院校、制造廠商都是分散著去努力。這些科研機構和企業分屬于不同的行業，目前并沒有具體措施將其進行整合，直接影響了“兩機專項”中燃氣輪機方面的實質性推進進程，這是目前燃氣輪機產業發展需要改進的方面。此外，一些高校和科研院所開展了燃氣輪機材料方面的課題研究，其研究成果在項目結題之后便就此擱置，并未將其應用于實際生產中，也很難找到相應的研發型號去實踐。我國的燃氣輪機主機廠商也處于競爭狀態，廠商之間沒有聯合合作，這使得原先就比較薄弱的研發力量更加分散，也造成了許多重復性工作，這是目前行業體制上亟待解決的問題。

現階段，高等科研院校和科研院所必須與生產企業緊密結合聯系才能形成合力，企業生產實踐過程中的很多難題應有組織地分解到相關的研究機構和高等院校中，與此同時高等科研院所也應該主動深入企業，從企業實踐生產所遇到的問題中提煉課題，并將科研課題成果轉化為實際生產力，才能在整機設計上有較大的改進。我國“兩機專項”的發起人師昌緒院士在研發九孔渦輪葉片的征程中，也是在貴州黎陽工廠長達一年多時間，與工廠技術人員和工人探討每一項工藝和工序的改進，在實踐中不斷總結經驗，最終成功研發制造出我國具有自主知識產權的九孔渦輪葉片。目前我國的各個科研院所與工廠是脫節的，科研人員沒有與工廠技術人員和工人形成聯動，理論和實踐是脫節的，長期下去可能阻礙燃氣輪機行業的發展，只有將這些研發力量整合起來，并且與工廠緊密結合形成推動行業前進的合力，才能推動燃氣輪機行業健康發展。

2.3 攻關機型技術落后

我國目前所發展的大部分機型是借用俄羅斯的技術，由于設計思路的不同，俄羅斯的發動機的使用壽命明顯要低于歐美的發動機，我國仿制或研制的發動機又略低于俄羅斯發動機的使用壽命。歐美的發動機中只有SPEYMK202是完整轉讓了技術，但它是RR公司二十世紀七十年代淘汰的產品，目前我國生產的WS9的使用壽命要略低于RR公司當時的水平，WS10結合了俄羅斯和歐美的技術，但是目前發動機批量生產后質量還處于不穩定狀態，還需要在使用的過程中總結經驗，不斷改進設計，確保WS10能成為我國一款成熟的航空發動機。徹底改變我國軍用航空發動機長期依賴采購俄羅斯發動機的歷史。

在民用航空發動機，我國目前還沒有一款自己生產的定型發動機，中國商發2008年成立，目前攻關的機型主要有CJ1000和CJ2000，選擇歐美的發動機為基礎的技術方向上沒有問題，需要長時間的試驗才能不斷完善設計。

燃氣輪機目前只是全部引進了烏克蘭的GT25000的制造技術，并沒有走完自主設計的全過程，加上這款機器在轉讓時只生產了7臺，沒有工業應用的長期積累，另外該款機器的效率和可靠性都較歐美的燃氣輪機有很大的差距，所以前期選擇的攻關機型技術落后也是制約我國燃氣輪機快速健康發展的原因之一。

3 國外發展燃氣輪機的先進經驗

輕型燃氣輪機通過航空改型發展的途徑進行研發設計是一種最快捷、最經濟、最可靠的發展途徑。以燃氣輪機為動力的艦船中有接近95%的燃氣輪機是航改型燃氣輪機。如美國通用電氣公司(GE)的LM2500燃氣輪機、英國羅爾斯·羅伊斯公司(RR)的WR-21間冷回熱燃氣輪機、MT30燃氣輪機等，均由航空發動機改型發展而來。由于燃氣輪機和航空發動機大部分的部件結構、整機系統、材料、裝配工藝以及設計、制造、服務等體系可共享，所以航改型燃氣輪機具有基礎好、風險低、周期短和技術升級快等優勢。這也是艦船用燃氣輪機采用航空發動機改型的原因。

美國通用電氣公司(GE)在用于B-747/767和A310/330飛機的CF6-80C2發動機基礎上，改型發展了LM6000輕型燃氣輪機、LMS100間冷循環燃氣輪機以及MS9001G、MS9001H重型燃氣輪機，充分體現出航改型燃氣輪機的“一機為本、滿足多用、縮短周期、節約成本、衍生多型、形成譜系”的特點，這使得航空發動機具有了更長久的生命力，形成了更新換代的良好發展態勢，也保證了燃氣輪機的可靠性、先進性，而且顯著縮短了燃氣輪機的研制周期，節約了設計、研發、試驗以及制造成本。

目前國際上主要的30MW級的航改型燃氣輪機見表1，其中LM2500和RB211比其他型號燃氣輪機具有明顯的優勢，不僅出力和效率較高，同時還具有高穩定性和可靠性。

表1 國際上主要的30MW級的燃氣輪機

LM2500燃氣輪機是美國通用電氣公司(GE)研制的一型航改燃氣輪機，由航空渦輪風扇發動機TF39(軍用型)及CF6-6(民用型)改制而成。自1970年裝備美國海軍后，目前已有超過700臺LM2500燃氣輪機應用于美國海軍的170余艘各類艦船中，而在全世界范圍內，被用于30多個國家海軍的推進系統，艦船和工業應用超過2 400臺。在工業中，LM2500系列機組總運行時間已超過4 000萬h；在艦船中，LM2500系列燃氣輪機機組總運行時間已超過5 000 萬h，由于該系列機組的高性能、高可靠性和高利用率，使得其他任何一型燃氣輪機都無法達到并超越LM2500系列。

由于設計研發和制造燃氣輪機的難度較大，目前的研究趨勢為在已研制成功的燃氣輪機的基礎上進行升級改進，提高其性能，目前的LM2500系列就是這一趨勢的典型案例。LM2500燃氣輪機的功率為25.1 MW，熱效率達37.5%，以LM2500燃氣輪機為基礎，逐步發展出了LM2500+和LM2500+G4燃氣輪機。LM25000+燃氣輪機的功率為30.2 MW，熱效率達38.9%；LM2500+G4燃氣輪機功率為35.3 MW，熱效率達39.1%，燃氣輪機的功率和熱效率都得到了不斷地提高。

RB211系列發動機是由英國羅爾斯·羅伊斯公司(RR)投入巨額資金研制的發動機，但這種發動機的研制進程并不順利，并導致羅爾斯·羅伊斯公司破產被收為國有，到1987年，羅爾斯·羅伊斯公司重新歸為私有。RB211發動機設計中體現了”三高”設計思想，即高涵道比、高增壓比和高渦輪前溫度，較第一代渦扇發動機(斯貝、JT3D)推力大增、耗油率大幅度降低。RB211系列發動機從研制至今，已經推出了多種型號。

1972年4月，RB211-22發動機裝備洛克希德L-1011“三星”客機，正式投入運營。經過重新設計風扇和中壓壓氣機的RB211-22發動機，形成了RB211-524系列變推力發動機。其中，RB211-524B、RB211-524C、RB211-524D 三款機型主要裝備洛克希德L-1011、波音747 經典型飛機；推力更大的RB211-524G、RB211-524H 兩款機型主要裝備波音747-400 飛機和波音767飛機。目前在役的RB211-52發動機約有480臺，其中包括440 臺RB211-524G/H 及其升級型RB211-524GT/HT。以此為原型機的RB211-24G燃氣輪機全球銷量也超過600臺。所以以RB211為原型的系列發動機不僅衍生了多款成熟的航空發動機，也衍生出多款成熟的航改型燃氣輪機，極大節約了研發經費和縮短了研制周期，讓企業的最初研發技術煥發出了強大的生命力。目前，Siemens公司正在推廣的工業燃氣輪機還有RB211-Gz和RB211-GT30等。

4 對我國航改型燃氣輪機發展的建議

燃氣輪機作為高科技的載體，國家高度重視行業發展，在2016年的全國兩會期間，發改委公布“十三五”規劃綱要，提出的100個重大項目中，航空發動機與燃氣輪機項目居于首位。2016年，在國家發展改革委、工業和信息化部、國家能源局共同組織編制的《中國制造2025-能源裝備實施方案》中對燃氣輪機的發展進行了詳細規劃。2016年8月28日，中國航空發動機集團在北京掛牌成立，將整合全國的航空發動機研發力量，在發動機設計、整機實驗驗證、關鍵零件的制造和修理等核心技術上進行科研攻關。因此，在航空發動機、航改型燃氣輪機的研發制造方面，建議以下兩點：

4.1 明確發展方向，優選攻關機型

航改型燃氣輪機可以最大程度的繼承航空發動機的資源，具有節約資金成本、縮短研發周期、降低風險等諸多優勢，是燃氣輪機發展的一個最重要方向。在已研制成功的燃氣輪機的基礎之上，通過不斷地升級改進，逐步改型派生出一系列的燃氣輪機，這樣不僅賦予了原型燃氣輪機強大的生命力， 而且也形成了更新換代的良性發展態勢，同時也保證了后續燃氣輪機研制試驗的穩定可靠性、低風險、低成本、短周期。由于俄羅斯的發動機在使用壽命和穩定性方面要明顯低于歐美發動機，從轉為民用的航改型燃氣輪機著手，借鑒歐美的先進發動機技術是更好的發展方向。國外企業升級燃氣輪機的基本策略是保留并利用原型機的先進設計、結構、高性能的材料和涂層, 在原型機的可靠性和利用率的基礎之上，采用十分保守、很低風險的設計途徑，以此來升級改進、加大功率。我們可以借鑒其先進經驗，選擇現有先進機型來攻關，并在該機型的基礎上發展我國具有自主知識產權的航空發動機與航改型燃氣輪機。

4.2 軍民融合，綜合利用國內現有資源

在2015年3月12日舉行的中國十二屆全國人大三次會議解放軍代表團全體會議上，我國第一次明確提出：“把軍民融合發展上升為國家戰略”。“十三五”規劃明確提出，“實施軍民融合發展戰略，形成全要素、多領域、高效益的軍民深度融合發展格局”。在民用領域像燃氣輪機等國產高端裝備的發展一直面臨著工業試運行機會少、市場推廣難的困境，嚴重制約了其發展，燃氣輪機在民用領域的應用及市場推廣作為國家戰略予以支持，以真正實現其軍民融合發展，是興國之舉、強軍之策。我國從事航空發動機和燃氣輪機的研發團隊可以充分利用中石油的平臺以及全國各地科研院所以及廠家的現有資源，深入消化航空發動機和燃氣輪機的的設計思想，思考已有的設計改型文件，建立壓氣機、燃燒室和渦輪的試驗臺，通過實驗積累數據，利用試車臺的試驗數據不斷摸索不同的設計改動對燃氣輪機性能和可靠性的影響，利用燃氣輪機站場應用數據對設計改進進行驗證，根據驗證結果再去總結設計經驗，爭取做到不僅知其然而且知其所以然，盡快研制出自主知識產權的航改型燃氣輪機，大幅度縮短母型機的研制時間，然后在此基礎上縮小、放大、增加燃氣初溫、改善冷卻效果、增加涂層耐高溫程度，設計出涵蓋10～50 MW不同功率等級的燃氣輪機。

5 結語

目前，我國航改型燃氣輪機產業與歐美相比仍有較大差距。現階段燃氣輪機的設計技術和試驗技術不可能從國外企業引進，必須依靠我們自主研發。我國核心技術缺乏，相關技術研發力量分散，且沒有與實踐結合，同時攻關機型技術落后等問題制約著我國燃氣輪機產業的發展。針對以上問題文中對我國發展航改型燃氣輪機提出了建議：1) 明確發展方向、優選攻關機型，2) 軍民融合、綜合利用國內現有資源。