俄羅斯船用及工業(yè)燃氣輪機的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

，，

(1.中船重工集團公司第七○三研究所，哈爾濱 150078；2.黑龍江大學(xué)，哈爾濱 150086)

蘇聯(lián)的國有企業(yè)“曙光-機械設(shè)計”燃氣輪機科研生產(chǎn)聯(lián)合體(ГУ НПО“Зоря-Машпроект”)與美國GE公司和英國Rolls-Royce公司并列為世界三大主要船用燃氣輪機研制生產(chǎn)企業(yè)，設(shè)計制造了大量船用燃氣輪機。自20世紀(jì)60年代以來，一直到1991年，俄羅斯一直是船用燃氣輪機的最大使用國。到1990年，蘇聯(lián)海軍已安裝使用燃氣輪機近千臺。但是，在蘇聯(lián)解體后，前蘇聯(lián)惟一的船用燃氣輪機研制企業(yè)劃歸烏克蘭，致使俄羅斯海軍不得不依靠外國生產(chǎn)企業(yè)來供應(yīng)船用燃氣輪機。為此，俄羅斯一些設(shè)計局開始加緊研制國產(chǎn)船用燃氣輪機。

為滿足簡單循環(huán)燃氣輪機電站和聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機電站對中等功率和大功率發(fā)電用燃氣輪機裝置提出的巨大需求，俄羅斯許多發(fā)動機設(shè)計局和渦輪機制造工廠正在積極開發(fā)相應(yīng)功率的國產(chǎn)燃氣輪機[1]。

根據(jù)所掌握的資料，本文試圖對俄羅斯船用及工業(yè)燃氣輪機的發(fā)展現(xiàn)狀作一綜述和分析，力圖展示俄羅斯燃氣輪機工業(yè)發(fā)展概貌。

1 俄羅斯主要燃氣輪機產(chǎn)品

與西方國家一樣，俄羅斯發(fā)展工業(yè)燃氣輪機基本上也是通過兩種途徑：利用技術(shù)成熟的航空發(fā)動機進行改裝以及移植航空技術(shù)設(shè)計專用的工業(yè)燃氣輪機。

蘇聯(lián)作為世界超級大國，擁有非常雄厚的航空工業(yè)基礎(chǔ)和許多著名的航空發(fā)動機設(shè)計局，下面僅就其中幾家主要設(shè)計局在開發(fā)船用及工業(yè)燃氣輪機方面所作的工作做一簡單介紹。

1.1 彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產(chǎn)聯(lián)合體——ОАО “Авиадвигатель”Пермь

彼爾姆航空發(fā)動機科研生產(chǎn)聯(lián)合體是俄羅斯最早的航空設(shè)計局之一[2]。該企業(yè)生產(chǎn)的索洛維也夫型渦輪風(fēng)扇發(fā)動機裝備了俄羅斯民航總局所屬的絕大多數(shù)民航飛機。最新的索洛維也夫型渦輪風(fēng)扇發(fā)動機是PS-90A型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機，推力為156.5 kN。該設(shè)計局已將其選作系列工業(yè)改型燃氣輪機的設(shè)計基礎(chǔ)。

20世紀(jì)90年代，彼爾姆“航空發(fā)動機”股份公司確立了新的設(shè)計方向，以航空發(fā)動機為基礎(chǔ)制造工業(yè)燃氣輪機裝置。彼爾姆“航空發(fā)動機”股份公司為俄羅斯天然氣工業(yè)總公司設(shè)計并制造了2.5～25 MW多功率檔次的燃氣輪機電站和燃氣輪機天然氣壓縮機組，以滿足國內(nèi)巨大的天然氣輸送管道和電站建設(shè)需求。該設(shè)計局所設(shè)計的最主要的工業(yè)型燃氣輪機是驅(qū)動壓縮機用的GTU-12P燃氣輪機(12 MW)。該機以PS-90A單軸高壓核心機為基礎(chǔ)增加了二級動力渦輪，在ISO條件下的熱效率可達到34.6%。該設(shè)計局所擁有的另一型輸氣管線用燃氣輪機為GTU-16P燃氣輪機，功率為16 MW。該型機裝有經(jīng)過改裝的低壓轉(zhuǎn)子和高壓渦輪，并采用三級動力渦輪，熱效率可達37%[3]。

公司在已有的系列燃氣輪機基礎(chǔ)上進行了一系列的改造和創(chuàng)新，設(shè)計并生產(chǎn)了功率為2.5、4.0和6.0 MW的“烏拉爾(Урал)”系列模塊化輕型燃氣輪機移動電站和增壓站，完成以石油伴生氣為燃料的燃氣輪機裝置GTU-12PG-2的設(shè)計工作。到2008年6月，以航空發(fā)動機ПС-90А為基礎(chǔ)建造的全部燃氣輪機動力裝置已經(jīng)累計運行達到300×104h。截止2011年7月27日，彼爾姆“航空發(fā)動機”股份公司已經(jīng)生產(chǎn)并交付使用了600余臺各型燃氣輪機動力裝置。

1.2 薩瑪拉庫茲涅佐夫科學(xué)技術(shù)聯(lián)合體——СНТК (NK Engines)

自20世紀(jì)60年代開始，薩瑪拉庫茲涅佐夫科學(xué)技術(shù)聯(lián)合體作為俄羅斯第一家將航空燃氣輪機改裝成工業(yè)燃氣輪機的設(shè)計局，陸續(xù)將其所屬航空渦輪螺槳發(fā)動機、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機和螺槳風(fēng)扇發(fā)動機通過改裝途徑發(fā)展成為供天然氣輸送和發(fā)電機驅(qū)動用的工業(yè)燃氣輪機系列產(chǎn)品。

在航改機研制方面，薩瑪拉庫茲涅佐夫科學(xué)技術(shù)聯(lián)合體擁有許多優(yōu)勢。其設(shè)計生產(chǎn)的航空發(fā)動機主要用于裝備運輸機或者轟炸機。與其他設(shè)計局為直升機或殲擊機配備的發(fā)動機相比，其優(yōu)點在于核心發(fā)動機具有更大的質(zhì)量流量和更長的總飛行時數(shù)。由世界上功率最大的HK-12渦輪螺槳發(fā)動機(11 MW)改裝而成的工業(yè)型壓縮機驅(qū)動用HK-12ST(NK-12ST)燃氣輪機是庫茲涅佐夫系列的第一型航改機。

HK-12ST在ISO條件下基本負荷額定功率為6.3 MW，熱效率為26.1%。帶有安裝機架時，該燃氣輪機的重量約為3 500 kg，規(guī)定的大修壽命約為15 000 h。自1964年第一臺HK-12ST安裝在輸氣管線上使用以來，至今已經(jīng)交付1 800多臺，主要安裝在西伯利亞、保加利亞、波蘭、阿根廷和中東的輸氣管線上，天然氣泵送的總時數(shù)已經(jīng)超過3 000×104h。以該型燃氣輪機及該設(shè)計局其它航空發(fā)動機為基礎(chǔ)，該企業(yè)發(fā)展出了HK-14ST(NK-14ST)(8 MW)、HK-36ST和HK-37(NK-36ST/NK-37)(25 MW)、HK-16ST(NK-16ST)和HK-17(16 MW)、HK-91(20 MW)、HK-38ST(NK-38ST)和HK-39(NK-39)(16 MW)、 HK-40ST(10 MW)系列工業(yè)燃氣輪機。由于采用了通用性設(shè)計理念，這些燃氣輪機具有很高的模塊化程度，這使其更便于生產(chǎn)、運輸、裝配和維修。

1.3 土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體——НПО Сатурн

以設(shè)計殲擊機、強擊機發(fā)動機而著稱的土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體，選擇其推力為122.5 kN帶加力燃燒的AL-31F雙軸航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(蘇霍伊Su-27殲擊機的發(fā)動機)作為改型設(shè)計發(fā)電機和輸氣管線壓縮機驅(qū)動用的系列工業(yè)燃氣輪機的母型機。針對不同的額定功率需求，燃氣輪機分別配裝三級、四級或者五級由土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體自行設(shè)計的自由動力渦輪。這些燃氣輪機的額定功率主要集中在0.7～20 MW范圍內(nèi)，但通過注水可將功率提高到40 MW。該企業(yè)自行研制了用于驅(qū)動發(fā)電機和輸氣管線壓縮機的額定功率為16 MW的AL-31ST燃氣輪機。

2 船用燃氣輪機裝置

蘇聯(lián)在船用燃氣輪機的研制和應(yīng)用領(lǐng)域一直都處于世界領(lǐng)先水平。在蘇聯(lián)解體后，由于各種資源按屬地原則劃分，蘇聯(lián)惟一的船用燃氣輪機研制企業(yè)歸屬了烏克蘭，致使俄羅斯海軍失去了惟一的船用燃氣輪機動力裝置設(shè)計生產(chǎn)單位。

為此，“土星”科研生產(chǎn)聯(lián)合體著手設(shè)計并成功推出了三型第四代高效自動化船用燃氣輪機：功率為4.5～5.2 MW、耗油率為0.254 kg/(kW·h)的M75РУ、功率為9.0～10.4 MW、耗油率為0.231 kg/(kW·h)的М70ФРУ和功率為20.5 MW的M90ФР[4-5]。這些燃氣輪機的全壽命可達到40 000 h，大修壽命為20 000 h。2006年底， M75РУ型燃氣輪機通過第一階段車臺試驗。2007年，M70ФРУ燃氣輪機已經(jīng)通過國家試驗。該型機被確定為俄羅斯第四代船用燃氣輪機的基礎(chǔ)型號動力設(shè)備?！巴列恰笨蒲猩a(chǎn)聯(lián)合企業(yè)未來還要對該燃氣輪機進行一系列的改進，以滿足俄海軍和海岸警衛(wèi)隊艦艇對不同功率動力設(shè)備的需求。至此，俄羅斯終于結(jié)束了依賴外國同類發(fā)動機供貨的時代，開始用國產(chǎn)船用燃氣輪機動力裝置裝備波羅的海、北海、里海和太平洋艦隊的新建艦艇?！巴列恰笨蒲猩a(chǎn)聯(lián)合企業(yè)終于成為繼美國GE公司、英國R·R公司和烏克蘭國有企業(yè)“曙光-機械設(shè)計”燃氣輪機制造科研生產(chǎn)聯(lián)合體之后第四家可以設(shè)計和生產(chǎn)船用燃氣輪機動力裝置的企業(yè)。

彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產(chǎn)聯(lián)合體目前已經(jīng)完成了GTD-8PM、GTD-12PM和GTD-16PM三型船用燃氣輪機的設(shè)計工作，并有意將其推廣成為軍艦和商船的主動力裝置。這三型發(fā)動機都是基于該聯(lián)合體自有的ПС-90А型航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機經(jīng)過改型研制而成，與該型發(fā)動機具有很高的通用性。這三型燃氣輪機都是由單轉(zhuǎn)子燃氣發(fā)生器和不可倒車的自由動力渦輪組成，包括有12個火焰筒的管環(huán)式低排放燃燒室和單獨的過渡段，都配備有全權(quán)限數(shù)字控制和監(jiān)控系統(tǒng)，可在啟動、穩(wěn)態(tài)和瞬變狀態(tài)下對發(fā)動機實施控制。這些船用燃氣輪機的技術(shù)規(guī)范見于表1。

3 發(fā)電用燃氣輪機裝置

3.1 小功率發(fā)電用燃氣輪機

在工業(yè)燃氣輪機發(fā)展的歷程中，發(fā)電用燃氣輪機裝置一直是俄羅斯陸用燃氣輪機中的弱項。成熟的產(chǎn)品主要是一些功率不超過30MW的小功率燃氣輪機。

薩瑪拉庫茲涅佐夫科學(xué)技術(shù)聯(lián)合體向國際市場推出的系列發(fā)電用燃氣輪機裝置的技術(shù)規(guī)范見于表2和表3[6]13-24,27-36。

彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產(chǎn)聯(lián)合體向國際市場推出的發(fā)電用燃氣輪機的技術(shù)規(guī)范見于表4。

表2 簡單循環(huán)技術(shù)規(guī)范(ISO條件)

表3 聯(lián)合循環(huán)技術(shù)規(guī)范(ISO條件)

表4 簡單循環(huán)技術(shù)規(guī)范(ISO條件)

3.2 中等功率發(fā)電用燃氣輪機

中等功率發(fā)電用燃氣輪機是指額定功率在50～80 MW范圍內(nèi)的燃氣輪機。

以ГТУ-16П驅(qū)動用燃氣輪機裝置14級?；瘔簹鈾C為基礎(chǔ)，彼爾姆航空發(fā)動機科研生產(chǎn)聯(lián)合體設(shè)計了在ISO條件下額定功率達到68 MW的ГТЭ-65П發(fā)電用燃氣輪機裝置。該單軸燃氣輪機裝置的技術(shù)水準(zhǔn)相當(dāng)于“F”級技術(shù)等級，其主要技術(shù)特性見于表5，NOx/CO排放量中的體積為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

表5 ГТЭ-65П發(fā)電用燃氣輪機裝置主要技術(shù)特性指標(biāo)

在成立150周年之際，俄羅斯首屈一指的渦輪機(燃氣輪機和汽輪機)制造工廠——列寧格勒金屬工廠(ЛМЗ)制造出了相當(dāng)于“F”級技術(shù)等級的中等功率ГТЭ-65發(fā)電用燃氣輪機裝置[7]。在該燃氣輪機裝置設(shè)計中，壓氣機采用了全?；O(shè)計方法，選用中央航空發(fā)動機研究所(ЦИАМ)—中央鍋爐渦輪機研究所(ЦКТИ)的壓氣機、薩瑪拉庫茲涅佐夫科學(xué)技術(shù)聯(lián)合體的壓氣機和ГТ-100的壓氣機作為ГТЭ-65燃氣輪機16級壓氣機的設(shè)計原型。鑒于國有企業(yè)《伊夫欽科—前進》(ГП 《Ивченко-Прогресс》)在建造低排放燃燒室(НЭКС)方面積累的大量經(jīng)驗，列寧格勒金屬工廠與該企業(yè)合作完成了ГТЭ-65低排放環(huán)形燃燒室的設(shè)計與制造。ГТЭ-65燃氣輪機裝置已經(jīng)交付俄羅斯電站正式投入運行。其主要技術(shù)特性見于表6。

3.3 大功率發(fā)電用燃氣輪機裝置

大功率發(fā)電用燃氣輪機裝置始終是俄羅斯燃氣輪機制造業(yè)中最薄弱的一個環(huán)節(jié)。但是，隨著老式汽輪機電站改造，以及高效率低排放燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電站的建造需求，研制大功率燃氣輪機裝置已成為俄羅斯燃氣輪機制造業(yè)必須要面對和完成的一項重要任務(wù)。

列寧格勒金屬工廠已經(jīng)從Siemens公司獲得了ISO條件下基本負荷額定功率168MW、效率34.7%的V94.2燃氣輪機(ГТЭ-160)的生產(chǎn)許可證。土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體也已經(jīng)研制出ГТЭ-110(110 MW)發(fā)電用燃氣輪機裝置，并已經(jīng)成功將其應(yīng)用到300 MW燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電站上[8]?；讧抱?9A航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機13級?；邏簤簹鈾C，彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產(chǎn)聯(lián)合體和列寧格勒金屬工廠還聯(lián)合設(shè)計了ГТЭ-180發(fā)電用燃氣輪機裝置[9]。該單軸燃氣輪機裝置主要技術(shù)特性指標(biāo)見于表7。該型燃氣輪機裝置的方案設(shè)計、工藝設(shè)計和施工設(shè)計已經(jīng)完成，并已進入生產(chǎn)準(zhǔn)備階段。但由于資金問題，該裝置的生產(chǎn)計劃被迫擱置。這明顯拖延了俄羅斯在世界燃氣輪機市場中搶占45～220 MW單機功率燃氣輪機市場份額的腳步。

表6 ГТЭ-65燃氣輪機裝置主要技術(shù)特性指標(biāo)

表7 ГТЭ-180燃氣輪機裝置主要技術(shù)特性指標(biāo)

4 機械驅(qū)動用燃氣輪機裝置

由于天然氣的開采、應(yīng)用和輸送一直是俄羅斯工業(yè)中的重要領(lǐng)域，因此在工業(yè)燃氣輪機的發(fā)展歷史中機械驅(qū)動用燃氣輪機裝置始終是俄羅斯陸用燃氣輪機制造業(yè)的一個重要組成部分。機械驅(qū)動用燃氣輪機的功率通常不超過40 MW，屬于輕型燃氣輪機范疇。基于前蘇聯(lián)強大的航空工業(yè)基礎(chǔ)，通過航空發(fā)動機改裝，俄羅斯已擁有多型該功率等級的燃氣輪機，而其中一些燃氣輪機就是性能極為優(yōu)良的機械驅(qū)動用燃氣輪機裝置[10]。

薩瑪拉庫茲涅佐夫科學(xué)技術(shù)聯(lián)合體向國際市場推出的機械驅(qū)動用燃氣輪機的技術(shù)規(guī)范見表8[6]39-44。

彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產(chǎn)聯(lián)合體向國際市場推出的機械驅(qū)動用燃氣輪機的技術(shù)規(guī)范見于表9。

表8 機械驅(qū)動用燃氣輪機裝置技術(shù)規(guī)范(ISO條件)

表9 彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產(chǎn)聯(lián)合體機械驅(qū)動用燃氣輪機的技術(shù)規(guī)范(ISO條件)

應(yīng)用復(fù)雜循環(huán)技術(shù)，彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制出了ГТУ-30ПС機械驅(qū)動用燃氣輪機裝置。在循環(huán)回路中，與燃氣輪機裝置通過機械方式連接在一起的余熱利用回路能使ГТУ-30ПС的效率與簡單循環(huán)裝置相比提高12%～14%。ГТУ-30ПС還可用于更高功率的天然氣泵送裝置以及燃氣輪機電站。該裝置的主要技術(shù)特性指標(biāo)見表10。

表10 ГТУ-30ПС機械驅(qū)動用燃氣輪機裝置主要技術(shù)特性指標(biāo)

5 對中國燃氣輪機技術(shù)發(fā)展的借鑒意義

我國現(xiàn)今的經(jīng)濟高速發(fā)展，正快速地融入全球一體化的經(jīng)濟當(dāng)中，如何推動燃氣輪機技術(shù)的快速發(fā)展，并培養(yǎng)和打造中國的燃氣輪機核心設(shè)計和制造能力，同時如何選擇正確的發(fā)展道路來趕超世界先進國家，這些問題始終牽動著中國“燃氣輪機人”的心。為了滿足我國目前電力生產(chǎn)、輸氣/油管線和艦船動力對燃氣輪機動力設(shè)備的需求，制定最佳的開發(fā)途徑、確定正確的開發(fā)方針、組織優(yōu)勢力量建立起本國燃氣輪機工業(yè)是我國當(dāng)前動力工程領(lǐng)域必須要解決的一項緊迫任務(wù)。

世界上很多發(fā)展中國家建立和發(fā)展本國燃氣輪機工業(yè)的經(jīng)驗表明，走與國外先進燃氣輪機制造企業(yè)建立合資企業(yè)的道路是開發(fā)、建立本國燃氣輪機工業(yè)的一條又快、又好、又省的途徑。通過對俄羅斯主要燃氣輪機設(shè)計制造企業(yè)的科研生產(chǎn)狀況、業(yè)績及產(chǎn)品進行比對，可以看出，俄羅斯的彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產(chǎn)聯(lián)合體具有非常優(yōu)越的條件，可以作為我國燃氣輪機工業(yè)企業(yè)發(fā)展的首選合作伙伴。

該企業(yè)已有多型發(fā)電用和機械驅(qū)動用燃氣輪機推行于國際市場，其中包括性能極為優(yōu)良的GTU-25P型燃氣輪機(機械驅(qū)動用功率為25 610 kW、效率為40.0%；發(fā)電用功率為23 000 kW、效率為36.7%)。該企業(yè)已設(shè)計完成的船用燃氣輪機GTD-8PM(功率8 200 kW，效率33.8%)和GTD-12PM(功率12 600，效率34.6%)可作為我國海軍裝備氣墊登陸艇和護衛(wèi)艦的備選動力設(shè)備機型。此外，彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產(chǎn)聯(lián)合體與列寧格勒金屬廠聯(lián)合設(shè)計的ГТЭ-180重型發(fā)電用燃氣輪機(功率180 MW，效率37.1%)的性能達到世界先進水平，可以滿足我國簡單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機電站的建設(shè)需求。同時該企業(yè)技術(shù)力量雄厚，科研活動十分活躍，創(chuàng)新能力強，是值得我國燃氣輪機工業(yè)企業(yè)作為選擇合作的首選對象。

6 結(jié)論

1)隨著前蘇聯(lián)的解體，俄羅斯燃氣輪機制造業(yè)的發(fā)展步伐一度呈現(xiàn)減緩的趨勢，表現(xiàn)為中等功率和大功率燃氣輪機發(fā)展遲緩，并且沒有可供選擇和應(yīng)用的國產(chǎn)船用燃氣輪機。

2)一些航空發(fā)動機設(shè)計局，已經(jīng)通過航機改裝的途徑開發(fā)和研制出滿足俄羅斯海軍需求的船用燃氣輪機，填補了本國空白。

3)由于已有的航空發(fā)動機研制基礎(chǔ)，俄羅斯在小功率范疇的機械驅(qū)動和發(fā)電用工業(yè)燃氣輪機方面發(fā)展勢頭良好，擁有一系列性能優(yōu)良的機組。與美國和英國同類機組相比，其性能毫不遜色。

4)目前，俄羅斯許多設(shè)計單位正在加緊開發(fā)研制既能滿足本國電力生產(chǎn)需求，又能在世界市場上具有良好競爭力的中等功率和大功率發(fā)電用燃氣輪機裝置。

5)在制造具有世界先進水平的新一代國產(chǎn)燃氣輪機裝置時，俄羅斯應(yīng)堅持內(nèi)外兼修，不僅要充分利用在大功率燃氣輪機裝置許可證生產(chǎn)過程中積累的外國先進技術(shù)和經(jīng)驗，而且還要有效地利用本國已有的航空發(fā)動機制造業(yè)的成就。

6)中國燃氣輪機制造業(yè)必須建立中長期發(fā)展戰(zhàn)略，對整個行業(yè)進行整體規(guī)劃和統(tǒng)籌發(fā)展，走自主研發(fā)與對外合作齊頭并進的道路。

7)彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產(chǎn)聯(lián)合體擁有良好的技術(shù)基礎(chǔ)和成熟的型號產(chǎn)品，可以作為我國燃氣輪機制造企業(yè)的長期合作伙伴。

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