干货！我国航改型燃气轮机发展现状及建议

Alexandria2020

干货！我国航改型燃气轮机发展现状及建议

摘要

针对我国航改型燃气轮机的发展问题，首先从航改型燃气轮机和重型燃气轮机两个方面介绍了我国燃气轮机发展现状，分析了我国燃气轮机发展存在的问题，借鉴国外燃气轮机发展的经验，对我国发展航改型燃气轮机提出了建议：1、明确发展方向、优选攻关机型，2、军民融合、综合利用国内现有资源。

燃气轮机被誉为“制造业皇冠上的明珠”，是各种类型航空喷气发动机及其衍生燃气轮机、重型(发电)燃气轮机、车辆与工业驱动燃气轮机、舰船动力燃气轮机及各种微型燃气轮机的总称。燃气轮机与航空发动机在技术上一脉相承，轻型燃气轮机大部分由航空发动机改型研制，重型燃气轮机移植航空发动机技术研制，航改型燃气轮机与原型航空发动机零件90%以上是相同的。

航改型燃气轮机主要应用于管线动力、循环发电和舰船等，目前中国石油管道已经安装燃驱机组主要使用SIEMENS公司生产的RB211和GE公司生产的LM2500+SAC两型航改型燃气轮机。根据国家十三五规划，到2020年，天然气占一次能源消费量的比重力争提高到8.3％～10.0％，需求增量主要来自大气污染治理重点地区的气化工程、天然气发电及分布式能源工程、交通领域气化工程和节约替代工程。初步估计，2020年天然气发电装机将达到1.1亿千瓦以上。计划到2020年，全国规模以上城市将普及推广天然气分布式能源，总装机规模达到5 000×104 kW,由于具有启停速度快、单循环热效率高、安装方便等优势，所以分布式能源主要使用的是中小功率的航改型燃气轮机。未来十年，仅能源电力行业，燃气轮机的国际需求就高达5000亿美元，如果考虑船舶和制造业等领域的需求，整个市场规模有望突破万亿美元大关。

1 我国燃气轮机发展现状

1.1 重型燃气轮机

二十世纪初，我国先后三次以“打捆招标、市场换技术”方式引进美国通用电气（GE）、日本三菱（MHI）和德国西门子（Siemens）公司的F/E级重型燃气轮机50多套，由哈汽—GE、东汽—MHI、上汽—Siemens 、南汽—GE四个联合体国产化制造，国产化机型为SGT5-2000E／4000、M701F和V94.3A等， 由于国内主机厂商掌握的技术主要是燃气轮机分解装配、冷端零件代加工、部分热端部件的代加工和外围的辅助系统配套，引进的技术中不包括燃气轮机的整机设计技术、热端关键件制造技术和控制系统技术，所以国内重型燃气轮机市场被国外企业垄断的局面没有任何改变。重型燃气轮机的分解和装配技术含量不高，在运行现场就能操作；冷端零件、部分热端零件的代加工和外围辅助系统配套也是依据外商的图纸进行的，不掌握知识产权；热端关键部件修理方面，国内目前有三家合资公司，分别是：通用电气-哈动力-南汽轮能源服务（秦皇岛）有限公司、华瑞（江苏）燃机服务有限公司和三菱重工东方燃气轮机（广州）有限公司，基本实现了重型燃机热端关键零件修理本地化，但维修利润仍然主要掌握在外商手中。

2014年,上海电气收购了意大利安萨尔多公司40%的股份，成立了上海电气燃气轮机有限公司（SGC）和上海安萨尔多燃气轮机科技有限公司（AGT）两家合资公司，引进了重型燃气轮机的设计、制造和服务技术，为重型燃气全面国产化创造了条件，下一步的关键是上海电气的技术人员能否全面消化吸收燃气轮机的设计技术、热端关键零部件的制造技术和控制技术，并在此基础上进行创新。希望上海电气用5-10年的时间，真正掌握重型燃气轮机的设计技术、热端关键部件制造技术和控制技术。具备对现有机型进行优化、改进、升级和自主开发新型燃气轮机的能力；掌握重型燃气轮机的服务技术，具备为用户提供个性化定制服务的能力；具备为用户提供燃气—蒸汽联合循环整体解决方案的能力。

1.2　航改型燃气轮机

我国借用前苏联的技术仿制生产过WP5-WP8,在此基础上自主设计过WP13A和WS13,1976年花费5亿英镑购买了英国RR公司的SPEYMK202全套技术，在消化吸收的基础上研制了WP14和WS9，借鉴俄罗斯的AL31F和SNECMA公司的CFM56发动机的技术研制了WS10和WS20，借鉴俄罗斯的技术目前正在研制的有WS15和WS18A。这些航空发动机全部用于军用，但我国尚不能批量制造性能稳定的用于第四代和第五代战斗机的发动机，航空发动机产业与欧美相比仍有较大差距。

我国航改型燃气轮机的发展起步于20世纪50年代，主要以前苏联的技术为基础进行仿制、测绘、研发、设计和实验。目前形成批量生产的只有1993年从乌克兰引进的舰用燃气轮机GT25000，1998年开始国产化，国产型号为QC280，2003年装备052B“武汉”驱逐舰试用，目前已交付70多台，返厂修理周期是5000小时，而欧美同功率级别的燃机返厂维修周期达到25000小时，两者差距较大，该型燃气轮机的稳定性也远不如欧美的产品。2009年4月17日，国家能源局召开天然气长输管道关键设备国产化工作会议，确定以西气东输二线工程建设为依托，开展燃驱压缩机组等天然气长输管道站场关键设备研制工作。对舰用GT25000的燃烧室、燃料喷嘴等进行设计改进，适用于天然气燃料，与国产离心压缩机及辅助系统配套使用，2014年9月通过国家能源局组织的新产品专家鉴定，该机组目前已安装于烟墩压气站和衢州压气站，正在开展工业性试验，前期出现了两台轴流压气机叶片断裂导致压气机基本全部损坏，所以还需要花大力气研究GT25000设计存在的缺陷，因为当年乌克兰转让该燃机的全套制造技术时，只生产的7台，并没有大规模的工业应用，还需要相关单位组织技术人员不断掌握外商的设计思想，针对工业试验出现的问题不断进行改进，真正做到不仅知其然而且知其所以然，掌握燃气轮机的设计技术。

2 燃气轮机发展存在的问题

2.1 缺少核心技术

燃气轮机的设计技术和试验技术不可能从国外企业引进，必须靠自己研发。燃气轮机不完全是计算出来的，更重要的是试验环节，包括涡轮、燃烧室、压气机等部件的性能试验以及整机的性能试验。这些试验不仅需要花费大量的资金，而且需要花费很长的周期，我国由于没有长时间的试验数据积累，基础技术薄弱制约了中国燃气轮机的快速发展。

燃气轮机的设计研发，面临着温度、压力、过载等一系列严峻问题，只有最为先进的材料，最为合适的加工方法，科学的设计，合理的匹配，正确的使用维护，才能解决这些难题。近些年我国在材料和零件制造方面取得了一些进步，但在部件设计、系统集成和匹配、如何提高性能和可靠性方面仍然存在问题。随着燃气轮机的燃气初温提升，包括燃烧室的结构和材料以及排放、热声震荡、回火等在较低温度下没有暴露出来的问题都需要改进，所以完善试验能力非常重要。要支持企业开展各个部件、单元体和整机试验，要反复试验、积累数据和经验、不断改进和完善设计，这需要大量的资金投入和长时间的试验。一般设计一款成熟的航空发动机大概需要20-30年，投入资金大概为数十亿美元。例如美国的IHPTET计划，长达16年，总投资为45亿美元。

2.2研发力量分散，且没有与实践结合

燃气轮机产业涵盖多个方面，包括设计能力，金属制造能力，加工工艺，装配能力，试验能力等，需要不同专业的配合，形成从设备制造、材料制造到系统集成的整套产业链。这其中的诸多环节需要整合国内各方面资源集体攻克，才能形成具有自主知识产权的燃气轮机。自从2011年我国确定了燃气轮机和航空发动机两机专项后，清华大学、上海交通大学、上海电气集团、东方电气集团等纷纷成立燃气轮机研究院,其他高校和科研院所也都有着与燃气轮机发展密切相关的技术研发团队。

但是目前，进行燃气轮机研发的科研机构、高等院校、制造厂商是分散着去努力。这些科研机构和企业分属于不同的行业，并没有具体措施将其进行整合，直接影响了“两机专项”中燃气轮机方面的实质性推进，这是目前产业发展需要改进的方面。一些高校和科研院所开展的燃气轮机材料方面的研究课题成果在项目结题后便闲置了，并未在实际生产中加以应用，也很难找到研发型号去实践。我国的燃气轮机主机厂商也处于竞争状态，没有联合合作，让本来就不多的研发力量更为分散，形成很多重复性的工作，这是行业体制上存在的问题。

高等院校和科研院所必须与生产企业紧密结合才能形成合力，企业里的很多生产问题应有组织地分解到相关的研究机构和高等院校中，而这些科研机构也应该主动深入企业，从企业生产问题中提炼课题，并将科研结果转化为实际生产力，才能在整机设计上有较大的改进，我国“两机专项”的发起人师昌绪院士在研发九孔涡轮叶片的征程中，也是在贵州黎阳工厂长达一年多时间，与工厂技术人员和工人探讨每一项工艺和工序的改进，在实践中不断总结经验，最后成功制造出我国具有自主知识产权的九孔涡轮叶片。目前我国的各个科研院所与工厂是脱节的，科研人员没有与工厂技术人员和工人形成联动，理论和实践是脱节的，长期下去可能阻碍燃气轮机行业的发展，只有将这些研发力量整合起来，并且与工厂紧密结合形成推动行业前进的合力，才能推动燃气轮机行业健康发展。

2.3攻关机型技术落后

我国目前所发展的大部分机型是借用俄罗斯的技术，由于设计思路的不同，俄罗斯的发动机的使用寿命明显要低于欧美的发动机，我国仿制或研制的发动机又略低于俄罗斯发动机的使用寿命；欧美的发动机中只有SPEYMK202是完整转让了技术，但它是RR公司二十世纪七十年代淘汰的产品，目前我国生产的WS9的使用寿命要略低于RR公司当时的水平，WS10结合了俄罗斯和欧美的技术，但是目前发动机批量生产后质量还处于不稳定状态，还需要在使用的过程中总结经验，不断改进设计，确保WS10能成为我国一款成熟的航空发动机。彻底改变我国军用航空发动机长期依赖采购俄罗斯发动机的历史。

在民用航空发动机，我国目前还没有一款自己生产的定型发动机，中国商发2008年成立，目前攻关的机型主要有CJ1000和CJ2000，选择欧美的发动机为基础的技术方向上没有问题，需要长时间的试验才能不断完善设计。

燃气轮机目前只是全部引进了乌克兰的GT25000的制造技术，并没有走完自主设计的全过程，加上这款机器在转让时只生产了7台，没有工业应用的长期积累，另外该款机器的效率和可靠性都较欧美的燃气轮机有很大的差距，所以前期选择的攻关机型技术落后也是制约我国燃气轮机快速健康发展的原因之一。

3、国外发展燃气轮机的先进经验

3.1航空发动机改型

轻型燃气轮机走航空改型发展的道路是一种最快捷、最经济、最可靠的发展途径。以燃气轮机为动力的舰船中有95%是航改燃气轮机。如GE公司的LM2500燃气轮机、RR公司的WR-21间冷回热燃气轮机、MT30燃气轮机等，均是由航空发动机改型发展而来。舰船燃气轮机采用航空发动机改型绝非偶然，而是由其内在的经济、技术规律决定的。由于燃气轮机和航空发动机大部分的部件、系统、材料、工艺以及设计、制造、服务等体系可共享，所以航改燃气轮机具有基础好、风险低、周期短和技术升级快等优势。

3.2航空发动机派生

美国GE公司在用于B-747/767和A310/330飞机的CF6-80C2发动机基础上，分别派生发展了LM6000轻型燃气轮机、LMS100间冷循环燃气轮机以及MS9001G（H）重型燃气轮机，充分体现出航改燃气轮机的“一机为本、满足多用、缩短周期、降低成本、衍生多型、形成谱系”的特点，不仅赋予发动机顽强的生命力，达成更新换代的良性发展态势，保证了燃气轮机的可靠性、先进性，而且极大地缩短了研制周期，成功地降低了设计、研制、试验以及制造成本。

3.3持续升级改进、系列化发展

由于研制和生产燃气轮机的难度大，通常在一型成功的燃气轮机基础上不断升级改进，提高性能，其中以LM2500系列最为典型。LM2500燃气轮机功率25.1MW，热效率37.5%，在此基础上逐步发展出LM2500+和LM2500+G4燃气轮机。LM25000+功率为30.2MW，热效率为38.9%；LM2500+G4功率为35.3MW，热效率为39.1%，燃气轮机的功率和热效率不断提高。

4 对我国燃气轮机发展的建议

燃气轮机作为高科技的载体，国家高度重视行业发展，2016年全国两会期间，发改委公布“十三五”规划纲要，提出的100个重大项目中，航空发动机及燃气轮机居于首位。2016年，在国家发展改革委、工业和信息化部、国家能源局共同组织编制的《中国制造2025-能源装备实施方案》中对燃气轮机的发展进行了详细规划。2016年8月28日，中国航空发动机集团在北京挂牌成立，将整合全国的研发力量，在发动机设计、整机实验验证、关键零件的制造和修理等核心技术上进行科研攻关。因此，在航空发动机及航改型燃气轮机研制方面，建议以下两点：

4.1 明确发展方向，优选攻关机型

航改燃机可以最大程度继承航机的资源，具有节约资金、缩短研发周期、降低风险等诸多优势，是燃机发展的一个最重要方向。以一款成功的燃机为基础，经过不断升级改进，可以逐步衍生发展出一系列燃机，这不仅赋予原形燃机强大的生命力， 而且形成更新换代的良性发展态势，同时也保证了后续燃机的可靠性、低风险、低成本、短周期。由于俄罗斯的发动机在使用寿命和稳定性方面要明显低于欧美发动机，而涉及军工的航空发动机核心技术，欧美国家是不会转让给我国的，从转为民用的航改型燃气轮机着手，借鉴欧美的先进发动机技术是更好的发展方向。国外企业升级燃气轮机的基本策略是保留并利用原型机的先进设计、结构、高性能的材料和涂层, 基于原型机的可靠性和利用率并采用十分保守、很低风险的设计途径来升级改进、加大功率。我们可以借鉴其先进经验，选择现有先进机型来攻关，并在该机型的基础上发展我国具有自主知识产权的航空发动机与航改型燃气轮机。

目前国际上主要的30MW级的航改型燃气轮机见表1，其中LM2500和RB211比其他型号燃机具有明显的优势，不仅出力和效率较高，同时还具有高稳定性和可靠性。

表1 国际上主要的30MW级的燃气轮机

型号	RB211-24G	LM2500+SAC	GT25000	FT8	GTU-25P
生产厂家	Siemens	美国GE	乌克兰	美国PW	俄罗斯
增压比	21	23	21.8	20.4	28.5
压气机级数	7+6	17	9+9	8+7	6+11
输出功率Mw	29.542	30.7	26.7	26.3	25
热效率	38%	39.7%	36.5%	37%	39.5%
空气流量kg/s	94.5	91.2	89.8	87.1	85
排气温度℃	491	497	465	450	451
销售业绩（台）	600多	2000多	100多	400多	200多

LM2500是美国GE公司研制的一型航改燃气轮机，由航空涡轮风扇发动机TF39（军用型）及CF6-6（民用型）改制而成。自20世纪70年代装备美国海军后，目前已有700余台LM2500发动机在美国海军170余艘各类舰船中使用，而在全世界范围内，被用于30多个国家海军的推进系统，舰船和工业应用超过2400台。在工业中，LM2500系列机组总运行时间已超过4000万小时；在舰船中，LM2500系列机组总运行时间已超过5000万小时，是任何一种燃机都难以企及的。这主要归功于该系列机组的高性能、高可靠性和高利用率。

RB211系列发动机是由英国罗尔斯·罗伊斯公司投入巨额资金研制的发动机，但这种发动机的研制并不顺利，并导致罗尔斯·罗伊斯公司破产被收为国有，随后破产改组，政府将航空发动机部分独立出来，不断投入研发费用进行升级改进，后来重新恢复生机，到1987年，罗尔斯·罗伊斯公司重新归为私有。RB211发动机设计中体现了”三高”设计思想，即高涵道比、高增压比和高涡轮前温度，较第一代涡扇发动机（斯贝、JT3D）推力大增、耗油率大幅度降低。RB211系列发动机从研制至今，已经推出了多种型号。

RB211-22发动机于1972年4月装备洛克希德L-1011“三星”客机，正式投入运营。后经重新设计风扇和中压压气机，形成了RB211-524系列变推力发动机。其中，RB211-524B/C/D 三款机型主要装备洛克希德L-1011、波音747 经典型飞机；推力更大的RB211-524G/H 两款机型主要装备波音747-400 飞机和波音767 飞机。在研发遄达发动机的过程中，RB211 发动机通过采用遄达发动机的高压涡轮、燃烧室和压气机等许多先进技术，推出了RB211-524GT/HT 两款发动机。此外，还通过缩小RB211风扇直径并取消第一级中压压气机级，推出了专为波音757系列飞机设计的RB211-535 发动机。目前在役的RB211-524 发动机约有480 台， 其中包括440 台RB211-524G/H 及其升级型RB211-524GT/HT。约有420 台RB211-524 发动机装备于波音747 飞机，其余的装备于波音767 飞机。RB211-535 在役发动机约有1110 台，且全部装备于波音757 飞机。以此为原型机的RB211-24G燃气轮机全球销量也超过600台。目前，Siemens公司正在推广的工业燃气轮机还有RB211-Gz和RB211-GT30等。所以以RB211为原型的系列发动机不仅衍生了多款成熟的航空发动机，也衍生出多款成熟的航改型燃气轮机，极大节约了研发经费和缩短了研制周期，让企业的最初研发技术焕发出了强大的生命力！

4.2 军民融合，综合利用国内现有资源

航改型燃气轮机国内主要用于长输天然气管道驱动，中国石油是LM2500和RB211两个型号航改型燃气轮机的最大用户，迫于市场压力， GE公司和RR公司分别转让了两型燃机的大修技术，包括燃机的完全分解、装配和试车技术，零件的清洗、故检和除五大关键件（两级涡轮叶片、两级涡轮导向器叶片、燃烧室）以外的零件的修理技术，管道压缩机组维检修中心是中国石油下属单位，从事航改型GE-LM2500+SAC和RR-RB211-24G两型30Mw级燃气发生器大中修理、管道压缩机组远程监测与诊断服务、管道压缩机组运维技术服务和压缩机组运维人才培养任务，目前已经建立了两条修理生产线，修理流程见图1，培养了一个燃气轮机修理专业团队。西气东输各个地区公司积累了丰富的航改型燃气轮机的运行维护经验，经历了较多的故障排查过程，形成了自主的排故经验，基本摆脱了依靠外商现场服务的局面。

我国从事航空发动机和燃气轮机的研发团队应充分利用中石油的平台，深入消化该系列的航空发动机和燃气轮机的的设计思想，思考已有的设计改型文件，建立压气机、燃烧室和涡轮的试验台，通过实验积累数据，利用试车台的试验数据不断摸索不同的设计改动对燃机性能和可靠性的影响，利用燃气轮机站场应用数据对设计改进进行验证，根据验证结果再去总结设计经验，争取尽快做到不仅知其然而且知其所以然，尽快研制出自主知识产权的航改型燃气轮机，这是我国研制航改型燃气轮机的快速通道，将大幅度缩短母型机的研制时间，然后在此基础上缩小、放大、增加燃气初温、改善冷却效果、增加涂层耐高温程度，设计出涵盖10-50Mw不同功率等级的燃气轮机。

图1  燃气发生器修理流程

内容来源： 燃气轮机聚焦