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燃气轮机是一种以空气为介质、内部连续回转燃烧、依靠高温燃气推动涡轮机械连续做功的大功率、高性能热机.
与其它常规动力装置相比,燃气轮机功率更高,最高超过38%；启动快,全冷机启动到全速状态最快仅需2分钟；油耗只有同等功率蒸汽轮机的一半,重量只有蒸汽轮机的三分之一左右；且操作简单,维护方便.正因为如此,从20世纪60年代中期开始,燃气轮机逐渐成为美国等西方发达国家现役舰艇的首选动力,其研制和发展一直受到各国的高度关注.
燃气轮机和航空喷气发动机在技术上存在很大程度上的通用性,现实中多数燃气轮机是从航空喷气发动机改进而来.燃气轮机可分为专门设计的工业用燃气轮机（又称重型燃气轮机）和由航空喷气发动机改进而来的航空改型燃气轮机两个类型.航改而来的燃气轮机是以航空发动机为基础,做针对性的改造,在保证原型机的高可靠性、高维护性的同时,要求在比较宽广的功率范围内有良好的动力性和经济性.
目前世界上燃气轮机工业强国有两派四国.两派指的是以英美为代表的欧美西方流派,另一派是以前苏联为代表的东方流派.四国是指英国、美国、俄罗斯、乌克兰.这些国家的代表性燃气轮机有“奥林巴斯”、“斯贝”、LM2500、FT8、UGT－25000、WR－21、MT30等.
英 国
英国是第一个将燃气轮机作为舰船动力的国家,也是第一个将航空喷气发动机改为舰船用燃气轮机的国家.1968年英国海军决定以后发展的大中型水面舰艇全部以燃气轮机为主动力.英国具有代表性的燃气轮机有“奥林巴斯”、“斯贝”、WR－21和MT－30型号,分别用在护卫舰、驱逐舰、巡洋舰甚至是航母上.英国的舰用燃气轮机始终处于世界领先水平.
凭借强大的科技实力,1962年罗罗公司在1956年7月定型的“奥林巴斯”航空发动机的基础上研制成功“奥林巴斯”舰船专用燃气轮机,并由此奠定了该燃气轮机作为世界舰用三大动力机型之一,英国的“无敌”级航母动力就是4台“奥林巴斯”燃气轮机.
继“奥林巴斯”燃气轮机之后,“斯贝”燃气轮机是罗罗公司的另一力作.“斯贝”燃气轮机1981年研制成功,首先在英国海军22型“大刀”级护卫舰上进行试验,经过严格测试后最终定型.之后罗罗公司对“斯贝”燃气轮机屡次升级.进入21世纪后“斯贝”凭借优良的性能、适当的功率、高可靠性受到多国海军青睐,日本就是其中之一.
新世纪后,为了迎战老对手LM－2500燃气轮机的挑战,罗罗公司决定在已经成熟的“特伦特”800航空发动机的基础上研制性能更好的燃气轮机,即MT30燃气轮机,该发动机于2005年2月正式投产,刚一问世就具独霸天下的风范,屡次上演从老对手通用电气公司虎口夺食的好戏.英法未来的大中型航母也计划采用该发动机.
但燃气轮机在低速小功率运转时的高油耗是其致命弱点,为彻底解决这个问题,罗罗公司利用在1946年开发的间冷回热TCR技术,在RB211系列航空发动机基础上进行升级改造,联合美国西屋公司共同开发TCR方案,这就是大名鼎鼎的WR21燃气轮机.
WR21燃气轮机兼具巡航机和加速机特点,有望取代原来的4—8兆瓦左右的巡航柴油机/燃气轮机,WR21燃气轮机已成为新一代舰艇动力的代表.
美 国
美国的燃气轮机工业是建立在英德两国的基础上,其中最具代表性的就是通用电气公司的LM－2500燃气轮机.
美国于上世纪60年代初开始研发舰用燃气轮机,1969年以后美国的海军大中型舰艇多数已装备燃气轮机,时至今日美国舰船燃气轮机的装机数量已大大超越其他国家,其中主力战舰装备的都是LM－2500系列燃气轮机.
LM－2500燃气轮机是美国通用电气公司于1968年在FT39核心机的基础上研发而来的工业和舰艇用燃气轮机.1980年生产型LM－2500燃气轮机研制成功.迄今为止LM－2500燃气轮机共销售了约2500多台（包括工业和舰船用）,占据世界舰船用燃气轮机的大部分份额,列装在轻型航母、巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、两栖登陆舰、巡逻艇、气垫船等舰船上,号称“驱动半个地球的海军”.新世纪后,通用电气公司在LM－2500燃气轮机的基础上开发出了功率增强的LM－2500+、LM－2500+G4型燃气轮机.
普·惠公司是美国的第二大航空发动机制造商,主要从事军民用航空发动机的研制和生产.普·惠公司在成熟的JT8D发动机的基础上于上世纪80年代末开发了FT－8燃气轮机,该机以单机功率大、重量轻、尺寸小、机动性好、系统简单、易于维护、可靠性好、振动噪声小等突出特点,在世界工业用方面占据很大的份额.
前苏联（俄罗斯、乌克兰）
早在1957年前苏联就制定了舰船燃气轮机发展规划,是世界上首先采用全燃气轮机动力装置等技术的国家.到1960年,苏联已先后完成第一代M－1、M－2、M－3及第二代M－5、M－6、M－7两代舰船用燃气轮机的研制、生产并大量装舰.
到冷战末期前苏联在AL－31F军用发动机（SU－27系列战斗机的动力）、PS－90A高涵道涡扇发动机（图－204/214客机、伊尔－96－300客机和伊尔－76MF军用大型飞机的主动力）基础上改进生产了AL－31、GTU－25PER工业用燃气轮机.前苏联解体后,俄罗斯国力大幅下降,至今在新型舰船用燃气轮机研发方面也没有什么建树.
乌克兰因前苏联时代的工业布局原因,继承了安东诺夫设计局等前苏联遗产,在研制燃气轮机方面实力雄厚.乌克兰除了继续生产前苏联时代的UGT－8000、UGT－16000、UGT－15000等燃气轮机外,还自主研制了UGT－25000燃气轮机.
UGT－25000燃气轮机因和我国新世纪下水的第3代导弹驱逐舰的特殊渊源深受国人关注.该机是乌克兰在第三代UGT－15000燃气轮机的基础上研制的第四代三转子25000千瓦的大功率舰船用的燃气轮机（UGT－25000又称DA－80或M－80）.该发动机额定功率25000—29000千瓦；热效率为35.8—37.5%；转速3000—3600转/分；重16吨；长6.4米,宽2.5米、高2.7米,是乌克兰生产的最大功率的燃气轮机.我国在引进该机后即组织相关科研机构和企业对其进行仿制生产,根据大量资料显示国产版DA－80已经研制成功,这也是近期第3代导弹驱逐舰能陆续下水的基本前提.纵观先进国家燃气轮机的发展轨迹,可以看到：
第一：地面用燃气轮机和航空部门紧密结合
由于军事上的需要,先进国家对航空发动机的研究和发展投入巨大,技术长期处于领先地位.在发展燃气轮机工业时无一例外的都大量移植了航空发动机的最新技术.这些燃气轮机都是在保持传统可靠的重要结构（主要是转子、涡轮）基础上在气动设计、燃烧、传热、隔热涂层、维护等方面,或采用航空技术进行设计,或直接用航空发动机部件（主要是压气机,也是最难研制的部件）按比例缩放.和航空工业紧密结合是世界先进燃气轮机发展的必然趋势.
第二：核心机的研制放在首位
航空强国的动力发展的主要经验就是进行核心机的预研,然后在同一核心机上再衍生出航空发动机和舰用燃气轮机,可从当今世界主要燃气轮机发展模式和过程印证.LM－2500燃气轮机是通用电气公司从GE9核心机演化而来的；在GE9的基础上加装了加力风扇就演化出了B－1B轰炸机的发动机F101发动机；将GE9的换算流量进一步减小发展出了GE15核心机；在GE15的基础上将低压压气机放大成为风扇就演化成F404中型涡扇发动机,成为F/A－18舰载机的动力系统；将F404的风扇放大并与F101的小涵道比型号结合就是F－15和F－16的著名动力F110；后来通用电气公司和法国斯奈克玛公司合作研制的CMF56大涵道比涡扇发动机也是以GE9核心机为基础开发的.
第三：坚持渐进改造方法
由于全新设计一款新型发动机费用昂贵,即使发动机公司具有丰富的经验、高水平的研制人员、先进的生产与实验设备也需要10—15亿美元,耗时数年甚至更长.因而对经过考验、使用可靠的发动机,利用新技术和新结构、材料、工艺等进行改进,发展成一种新的型号和系列是一条捷径.这种改进发展经验不仅能降低新机研制的成本和缩短研制周期,而且技术上稳妥可靠,并能很快达到定型标准和投产使用.
中国燃气轮机工业发展道路
长期以来,无论是舰船用的燃气轮机,还是航空用的动力装置都严重制约着我国军用和民用工业的发展.
1958年我国在制定《国防科学技术十年规划》中明确提出有关单位着手燃气轮机的开发,并组建了南、北方两个联合设计组,开启了我国燃气轮机的研制大幕.1959年根据中苏双方协定,苏联向我国提供其研制的第一代舰船用燃气轮机M－1的资料.由此可见我国的燃机工业起步在开局上还不算太晚,跟上了时代的潮流.更重要的是制定了自行设计和仿制改进两条腿走路的国策.只因国家长期动荡,工业基础薄弱,对舰船用燃气轮机知之甚少,虽有苏联提供的帮助,M－1的仿制也是历时3年后才通过各种严格的测试.
在仿制的同时,自行设计的4000千瓦的燃气轮机于1960年上马.在研发过程中,曾因涡轮叶片烧伤、主轴承损坏等原因险些夭折.后在决策者强有力的支持下,历经千辛终于完成500小时耐久性试车,随之进行小批量生产.正是由于该机的研制,积累了一整套有效的经验,锻炼了一批设计人员队伍.
1967年受英国研制“奥林巴斯”舰船用燃气轮机的启发,我国决定在国产涡喷－8（WP－8）型发动机的基础上研制大功率舰船用燃气轮机.“WP－8改”型舰船燃气轮机的设计者们根据舰用要求,对其燃气发生器进行有针对性的80多项的改进设计.1974年“WP－8改”型舰船用燃气轮机完成耐久试验,准备转入装备生产阶段.但就在此时高层对该机的批量生产投了反对票,某发达国家答应向中国出口舰船用燃气轮机应是主因,这款有可能成为首款“航改燃”的国产舰船用燃气轮机被扼杀在襁褓中.
1970年之后决定集全国之力进行23兆瓦燃气轮机会战,1978年成功研制出第一台样机并通过各种测试,正式投产.正是这次会战,进一步充实壮大了我国的重型燃气轮机的科研队伍.“十五”期间国家重启重型燃气轮机的研制计划,以产学研合作方式开展联合攻关,研制R0110重型燃气轮机.R0110的最大功率114500千瓦,热效率36%,主要用于发电、管道增压和大型舰船的动力装置.该机于2008年定型投产,各项性能数据达到世界先进水平,标志着我国在重型燃气轮机领域占据一席之地.
冷战后期,由于国际大环境的变化,我国和西方国家的关系得到很大程度的缓和,我国有关企业从1986年8月起与美国普·惠公司合作,共同生产FT－8燃气轮机,1989年第一台生产型FT－8问世.然后第一台舰船用机组正式投入试验.历经十年,至1996年8月各个型号投入批量生产.FT－8燃气轮机最大功率24.8兆瓦,热效率38.7%,主要用于发电、机械驱动和舰船动力.FT－8燃气轮机填补了我国大功率“航改燃”的空白.由于核心机技术和生产工艺严格保密,受美国制约,FT－8燃气轮机无法装备我国海军舰艇.
1989年根据中美两国政府间相关协议,引进了通用电气公司5台LM－2500燃气轮机,装备在我国两艘第2代导弹驱逐舰上.FT－8生产和LM－2500引进,对我国舰船用燃气轮机的普及并没太多的直接帮助,这足以说明,在核心机方面没有实现突破或者掌握核心技术,纵然国外转让全部燃气轮机设计资料,也无实现
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燃气轮机的完全自主生产.从长远发展考虑,我国只能下定决心自主研制核心机,否则只能陷入“引进—仿制—装备—再引进”的恶性循环中,将永远受制于人.在十四届五中全会通过“九五”计划和2010年远景目标的建议之后,我国航空技术及相关产业长期游离于国家科研重点领域之外的局面终于结束.根据建议,我国确定了重点抓新一代核心机预研的思路.新世纪后我国的燃气轮机工业硕果累累,中航工业相继研制成功“昆仑”、“太行”发动机；“斯贝”发动机国产化工作也顺利完成；舰船用燃气轮机也初步形成系列.
QD70燃气轮机1998年由中航工业某所在“太行”发动机基础上设计,2003年投产,可用于工业、机械传输、舰船动力.该机最大功率8000千瓦,热效率31%.
QD128燃机是以我国拥有自主知识产权的“昆仑”发动机为基础改进而来的中等功率燃气轮机.该机的燃气发生机源于“昆仑”发动机,动力涡轮是依“斯贝”发动机为样本修改而来,输出功率为128000千瓦,热效率为30%.2002年5月正式定型.QD－128燃气轮机在国际竞标中打败了众多强手,于2011年8月成功打入伊拉克发电项目市场,实现我国燃气轮机走向世界的突破.
QD185燃气轮机是以“太行”发动机（WS－10）为基础,进一步提高该核心机的潜力研制而来的舰船用燃气轮机.该机的输出功率为17780千瓦,热效率36%,重量5800千克.该机在2004年研制成功,功率档次适中,热效率高,重量轻,体积小,加速性好,可靠性高,综合性能指标位于同档功率世界先进水平之列.是理想的舰船动力装置.
QD260燃气轮机是我国航空工业紧跟世界燃气轮机潮流研制的新型燃气轮机.该机是采用了先进的间冷回热技术发展的新一代舰船用燃气轮机.该机因保密原因,我们至今不得其详细资料,但根据命名习惯,功率应该在26000千瓦左右.这个水平已经达到LM－2500的功率水平.
QD280的研发到2002年取得阶段性成果.该机经过制造工艺和质量的严格控制,热效率有了一定提高,最大输出功率28000千瓦,可靠性、可维护性、大修周期时间、总寿命等都有较大的提高.据我国一些知名的军事期刊报道,2003年第一台舰用QC280安装在169号“武汉”舰上进行测试.2008年12月26日“武汉”舰从三亚起航,参加亚丁湾护航,到2009年4月12日出色地完成任务,在120多天里“武汉”舰上的QC280经过实战考验,证明了QC280的可靠性、可维护性.至此,长期困扰我国海军舰艇“心脏病”问题基本解决.
燃气轮机的研发生产装备,关系到我国的能源、交通、环保等国计民生,关系到我国海军的长远发展,关系到我国在一些国际重大突发事件的话语权.我国政府相关职能部门应高度重视有关政策的制定和引导,充分利用国内已有的研发基础和研发团队,调动各方面的积极因素给予大力支持,把燃气轮机产业作为我国未来的高科技产业的支柱之一,提升我国的综合国力.