燃气轮机的现状及展望

燃气轮机被誉为“工业皇冠”，作为高科技的载体，其代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是工程热物理学界、材料学界最顶尖技术的体现，是21世纪的先导技术。燃气轮机分类及发展作者：范晓明日期：2015年10月什么是燃气轮机？有何优点？燃气轮机（GasTurbine）是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。燃气轮机第一个优势是功率密度极大；（一般情况下，同等功率的燃机体积是柴油机的三分之一到五分之一，是蒸汽轮机的五分之一到十分之一左右。）燃气轮机的第二个优势是启动速度快；燃气轮机第三个优势是噪声低频分量很低。1目录燃气轮机分类世界燃气轮机发展中国燃气轮机发展2一、燃气轮机分类燃气轮机分类结构形式重型燃气轮机轻型燃气轮机微型燃气轮机用途电站燃气轮机舰船燃气轮机航空燃气轮机功率大小大中型燃气轮机小型燃气轮机微型燃气轮机31、按结构形式分类重型燃气轮机设计特点：零部件较为厚重，设计时不以减轻质量为主要目标，而是在应用不太好的材料情况下能够达到长期安全工作的目的，单位功率的质量为2～5千克/千瓦。结构特点：1）机组的静子水平分为上下两半，称水平中分结构，可在现场装拆分解和大修；2）转子采用滑动轴承支承，已达到很长的工作寿命。主要用作陆地上固定的发电机组。45西门子SGT5—8000H重型燃气轮机轻型燃气轮机设计特点：用较好的材料制造，结构紧凑，质量轻，单位功率的质量小于2千克/千瓦。结构特点：1）采用轴向装配方式，即整个静子不是水平中分的，仅局部静子例如压气机气缸分为两半以便拆装；2）转子一律采用滚动轴承支承。大修：可将其拆下返回制造厂或者维修中心。航空燃气轮机是最轻的轻型结构机组，单位功率的质量一般低于0.2千克/千瓦。67英国“奥林普斯”型涡轮喷气发动机微型燃气轮机设计特点：将燃气轮机与发电机设计成整体，体积很小，质量很轻。结构特点：1）采用径流式叶轮机械；2）一些机组还采用了空气轴承，不需要润滑油系统。82、按用途分类电站燃气轮机用于陆地固定电站、移动电站（列车电站、卡车电站或船舶电站）。9中国QD128电站用燃气轮机中国R0110电站用燃气轮机10舰船燃气轮机用于水翼艇、远洋船、油船、护卫舰、驱逐舰、巡洋舰、直升机航母等。11中国QC185舰船用燃气轮机中国QC280舰船用燃气轮机12航空燃气轮机用于涡轮喷气式、涡轮风扇式、涡轮螺桨式、涡轮轴式、涡轮桨扇式飞机上。13中国大涵道比航空发动机CJ-1000A中国“太行”航空发动机WS-10143、按功率大小分类大中型燃气轮机：功率大于20MW的燃气轮机归类为大中型燃气轮机。小型燃气轮机：功率范围在0.3MW—20MW的燃气轮机归类为小型燃气轮机。微型燃气轮机：功率范围在30-300kW或更小的燃气轮机归类为微型燃气轮机。补充：（1）功率为几十至数百千瓦，主要替代柴油机用于机车、坦克；（2）功率在1兆瓦以上，40兆瓦以下，应用于发电，石油、天然气的管道运输，钢厂的焦炉废气再次燃烧和舰船应用等；（3）功率在40兆瓦以上，几乎全部用于发电。15二、世界燃气轮机发展诞生•1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；•1872年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于1900～1904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败。实用•1939年，在瑞士制成了4MW发电用燃气轮机，效率达18%；•1939年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功；•从此，燃气轮机进入实用阶段，并开始迅速发展。发展•在1941—1950年期间，应用扩展到舰艇、机车、汽车；•在1970年代中期出现了数种100MW级的燃气轮机，最高能达到130MW。•随着材料和冷却技术的不断进步,现如今简单循环单机输出功率已在340MW以上。16例：德国西门子燃气轮机发展17三、中国燃气轮机发展二十世纪50年代至70年代，以前苏联技术为基础自主研发、设计、实验；二十世纪80年代至90年代，仿制、合作生产，不再自己研究、设计、实验；二十一世纪，在2001—2007年期间，我国以三次“打捆招标、市场换技术”方式，引进通用（GE）、三菱重工（MHI）、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。补充说明：外方坚持不转让燃气轮机任何设计技术、热端部件制造技术，更不可能转让先进级（G/H级）燃气轮机的任何技术。181、航空发动机发展史仿制生产涡喷5（苏联BK-1φ）,1956年量产，用于歼5；涡喷6（苏联PⅡ-9B）,1961年量产，用于歼6；涡喷7（苏联P-Ⅱ-300）,1966年量产，用于歼7；涡喷8（苏联РД-3М）,1967年定型，用于轰6；自主设计涡扇6，1964年初设完成，1982年地面试验完成，1983年歼9、强6项目下马，研制工作随之取消；涡喷13A，1991年量产，用于歼8B（我国从仿制改型向自行设计制造的重要转变）；涡喷14（英国斯贝MK202），代号：昆仑，2002年定型，用于歼7、歼8（我国独立研制航空发动机的开始）；19涡扇9（英国斯贝MK202），代号：秦岭，2003年定型，用于“飞豹”歼轰机（结束我国国产涡扇发动机装备上的空白）；涡扇10（俄罗斯AL-31F），代号：太行，2005年定型，用于歼10、歼11，美国80年代水平；涡扇13（俄罗斯RD33或RD93），代号：泰山，2006年定型，用于“枭龙”战机；涡扇15（俄罗斯P-79B-300),代号：峨嵋，预计2020年定型，用于歼20；涡扇18A（俄罗斯D-30KP），2012年定型，用于轰-6k轰油-6、运-20、运警-20、运油-20；涡扇20，以WS10为基础借鉴俄罗斯D30、美国CFM56大涵道比发动机技术研制，试飞阶段，用于大运-20、伊尔-76、大型客机；2022212322技术落后的原因我国的问题在于，专利引进或测绘仿制的发动机型号过多，延续时间过长；在仿制过程中，又没有安排足够的经费和精力认真抓好消化吸收，虽然搞了一轮又一轮的引进和仿制，但许多关键技术并没有吃透，往往是“知其然而不知其所以然”，因而对促进自主研发的作用较为有限。而且许多引进项目往往挤掉或者削弱了国内的自主研制工作，占用了大量的人力、物力和资金。长期的测绘仿制思维，在某种程度上阻碍和束缚了自主发展。23如何发展及现状航空发动机的关键技术是花大钱也买不来的，必须坚定不移地走自主创新发展之路。坚持动力先行，加强预先研究；坚持核心机派生系列化发展，军民两用。2012年底，航空发动机和燃气轮机“两机”科技重大专项已经顺利成为国家第20个重大技术专项，与空天飞机和高超音速飞行器专项一起成为国家航空航天领域的重要突破。242、舰船燃气轮机发展史1959年底，前苏联向我国转让了M-1舰用燃气轮机技术，仿制成功后装备在一艘高速炮艇上。1967年，我国决定将轰涡喷8发动机改进为大功率舰载燃气轮机，这是我国首次进行“航改燃”实践，1974年完成耐久试验，但是最终因为英国同意出口“奥林普斯”TM3B舰用燃气轮机受到冲击无果而终。1993年，引进乌克兰舰用燃气轮机GT25000；1998年开始国产化，国产型号QC280；2003年装备052B“武汉”驱逐舰试用。251996年，开始研制“太行”涡扇发动机改型舰用燃气轮机QC70，投入使用，应用于国产气垫登陆艇上。1998年，开始研制“太行”涡扇发动机改型舰用燃气轮机QC185，2010年投入使用。263、电站燃气轮机1995年，开始研制“昆仑”涡喷发动机改型电站燃气轮机QD128，2002年投入使用。1996年，开始研制“太行”涡扇发动机改型电站燃气轮机QD70，2002年投入使用。2002年，开始立项研制R0110重型燃气轮机，2012年完成试验运行考核。2008年，完成研制微型燃气轮机WD-95。27据统计，目前中国几乎所有已建、在建的天然气发电机组均来自国外巨头，美国GE、德国西门子及日本三菱公司凭借先进的技术和设备已垄断中国市场。更为严重的是，垄断将长期持续，甚至十多年都无法解决。上海临港燃机的修理费全年平均为1.2亿元，其中备品备件一般占合同总额的50%~60%，燃烧热通道部件返修费用约占20%~30%，人工费用约占10%~20%。2829