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中国海军的心脏问题:看国产燃气轮机现状及未来

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发表于 2016-4-8 21:02:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
中国海军动力之燃气轮机危机

  80年代初期,海军决定在第二代导弹驱逐舰上使用燃气轮机。由于当时国内自研的数型燃气轮机或是可靠性无法满足要求,或是功率、效率等性能不理想,因而决定从国外引进型号。美国通用动力公司的LM2500在综合性能上优于英国同类型号,且在80年代中期,美国允诺逐步转让LM2500的技术,使中国获得仿制生产LM2500的能力,因此中国决定,在052型驱逐舰上安装LM2500燃气轮机。

  但在1989年,052型首舰“哈尔滨”号开工之时,事情已经发生了变化。西方重启对中国的武器技术、装备输出禁令,LM2500的引进受阻,中国仅获得4台成品LM2500以及1台用于培训、实验的LM2500样机。从当时的形势判断,中国已经很难再获得新的舰用型LM2500燃气轮机,技术授权与转让也不可能。甚至该机型后续的大修工作,美方很可能也不再提供帮助。

  在此情况下,中国不得不重新考虑052型舰的建造计划。燃气轮机的核心机源自航空喷气发动机,在服役期间零备件需求量较大,在美国断绝技术援助和维护帮助的情况下,052型舰继续采用LM2500燃气轮机,具有一定的风险。当时部分装备部和设计团队的专家提出了一个方案:只在052型首舰“哈尔滨”号上安装LM2500燃气轮机,一共装舰2台,剩下的2台不装舰,作为后备的零件库,在必要时拆零供应“哈尔滨”号。

  这个方案能保证“哈尔滨”号的燃气轮机零备件供应,但由此带来的一个问题是:052型的二号舰装什么作为主机?在“哈尔滨”号开工之时,二号舰“青岛”号很快就要上船台建造了,该舰所用的作战系统、舰体结构材料已有相当数量被生产出来,只待正式开工。

  难道二号舰“青岛”号的建造要取消?如取消建造,无疑是相当大的浪费,意味着此前为“青岛号”建造所生产的系统、材料基本闲置。此外,海军对第二代驱逐舰的需求也相当急迫,需求量也很大,只建造1艘第二代驱逐舰是绝对不可能满足海军需求的。二号舰也不可能改回国产蒸汽轮机动力系统,该舰的动力舱室是为燃气轮机设计的,动力舱室总容积不到051型舰的2/3,不可能容纳下051型舰的蒸汽轮机系统。

  对于二号舰如何建造的问题,部分人又提出了一个方案,即二号舰改用其他型号的燃气轮机。但由于从英美等西方国家引进燃气轮机已不可能,此时只能从苏联或东欧国家寻找适用的机型。但在1989年,中苏的军贸合作才刚刚起步,双方正在进行试探性的接触,只进行了第三代高性能战斗机的引进谈判,舰艇装备尤其是燃气轮机的引进,苏联方面暂时也未放开口子。

  即使此时开始向苏联提出购买、引进燃气轮机的计划,中国拿到产品也要到很多年之后,这意味着二号舰将长期在船台上闲置“等主机”。此外,由于动力系统的大改,全舰也势必要进行重新设计,工作量较大。考虑到海军的需求急迫,为二号舰换燃机也是不能忍受的。

  在踌躇之时,国内研制部门传来了一些好消息:经过测绘、研究,LM2500燃气轮机上一部分不太复杂的零件国内可以自行组织生产。这些零件虽小,但大多是LM2500上使用率较高、最易损坏的替换件。此外,考虑到052型舰采用柴燃交替动力装置,服役后大部分时间是采用柴油机推进,只在作战或实战演习时才需要高速航行,燃气轮机的使用率并不高。

  最终决定,4台引进的LM2500全部装舰使用,二号舰不更改设计,也安装LM2500燃气轮机。在二号舰开工后不久,美国又在一定程度上放宽了对中国的装备出口,舰用LM2500燃气轮机虽仍在禁运之列,但用于电力调峰的LM2500燃气轮机发电系统却在上世纪90年代悄悄落户中国。自此,052型舰上的燃气轮机零备件供应问题已基本解决。

  中国从苏联引进燃气轮机的谈判也在同一时间启动,作为中国二代驱逐舰动力装置的替补方案。随着苏联的解体,谈判对象改为原苏联燃气轮机的主要制造地乌克兰。中国最初选中了最大功率与引进的LM2500相似的AM-50燃气轮机,并基于AM-50燃气轮机设计了一套柴燃动力系统,最终形成了052A型舰的初步设计方案。但随着时间的推移,乌克兰允许中国引进更大功率的舰用燃气轮机,052A型舰的方案也随之中止,未进入建造,取而代之的是排水量更大的052系列驱逐舰的其他改进方案。

  建造中的意外

  052型驱逐舰在建造中应用了多项新技术,舰载武器、装备也多为新产品,因而给建造船厂提出了很高的要求。为保质保量地完成052型驱逐舰的建造,船厂抽调精英骨干,组成了最强的施工队伍,在建造中也更为严格地要求工艺和质量。但在052型首舰的建造过程中,仍然出现了一些意外情况。

  1990年,052型首舰进入主机安装阶段。但在安装过程中,发现装舰的LM2500燃气轮机尺寸比机舱的预定尺寸长出15厘米,造成2台燃气轮机无法安装上舰。这一重大事故引起了造船厂和设计方的严重关注。经调查小组的详细复查,排除了造船厂工艺问题导致的误差,最终发现,问题出在方案设计阶段。原来,052型舰开始设计时,中方向美方索要了LM2500型燃气轮机的尺寸、重量、重心等参数,以作为052型舰舰体设计的参考数据。美方很快提供了相应的数据。但是,美方提供的数据是中美开始引进谈判时最初看中的一种LM2500型号,而在最后签订合同时,中方选择的是LM2500燃气轮机的另一个亚型号。

  通用LM2500燃气轮机是一个极其庞大的家族,不但产量巨大,改型也纷繁复杂。中方最后选择的LM2500改型具有更好的可靠性,但尺寸参数也“略微”发生了一点变化。由于此时设计方与外贸引进部门的沟通有一些问题,引进型号的改变没有及时反馈到设计方,设计方依然按照原先的参数,规划了动力舱的尺寸,从而出现了机舱尺寸与燃气轮机尺寸不匹配的“乌龙”。

  动力舱位于舰体底部的中心,因而要修改尺寸很难。为保证舰艇其他系统的建造和测试,经建造方与设计单位沟通,决定首舰“哈尔滨”号先不安装燃气轮机,在装设2台柴油机后即下水开始试航,同时设计单位开始制定052型舰动力舱室的修改方案。1992年初,“哈尔滨”号完成舾装,出海试航。在使用柴油机完成了相应的试航科目后,设计单位对动力舱室的修改方案也基本确定,“哈尔滨”号再次回厂,修改动力舱的分划,增大了燃气轮机机舱的尺寸,安装LM2500燃气轮机。

  该舰动力系统的调试和磨合一直持续到1995年。相比之下,二号舰“青岛”号的问题较少,在决定按计划开工后,“青岛”号顺利建造、安装主机。在设计上,“青岛”号又略有修改,其烟囱经过了改进设计,降低了红外辐射强度,舰上的一部分武器系统和作战系统也更换成了国内刚刚仿制成功的型号。

  除燃气轮机,柴油机的制造和安装也费了很大周折。1988年,德国MTU公司向中方交付了052型舰使用的12V1163TB83型柴油机。但该柴油机运抵中国后,1988年12月,在进行车间测试时出现了较严重的共振问题,测试结果表明,该机如安装在舰体上,共振将使动力系统无法正常工作,甚至全舰的雷达、声呐设备也会受到影响。由于柴油机出现问题,中方急召MTU公司的专家来华进行会诊。

  这一批柴油机的修理和调整持续近1年,对全舰的建造也构成了一定的不利影响,为此中方向MTU公司索赔80万马克。但此次对柴油机共振缺陷的修补,对今后中方引进生产12V1163TB83型柴油机积累了宝贵的经验,在国产化的12V1163TB83型柴油机上,没有再出现类似的共振缺陷。

  中国最新锐军舰的心脏问题

  在完成了6艘052C(“中华神盾”)导弹驱逐舰的生产之后,江南造船厂今后将转产052D型驱逐舰。052D的改进是多方面的,中国舰船工业界的消息来源表示,首先是雷达,这一点已经报道过。其次就是燃气轮机系统,052C使用的乌克兰DA80(DA80 即UGT25000DCTW)在运用中并不理想。这一点从在乌克兰看到这种燃气轮机的第一眼就在意料之中,完全非模块化的设计,意味着维修相当复杂。其次过重,16吨,出力/重量比不理想,使052C/D的发展处于两难,不能大型化,排水量受到限制,大型化的相控阵雷达安放位置较低,由于地球曲线的影响,不能探测到最远的理想距离。

  其次相当耗油,这是俄罗斯、印度海军不采用DA80的主要原因,它的开发,原来是准备安装到商船上去的。外国海军武官观察到的一个现象非常有趣,052C平时、演习时的航速都较低,这可能意味着多数时间,052C是以柴油机推进的,这样经济。除此之外,辽宁舰、001A航母的最高航速能否达到西方航母标准?比较令人怀疑,传统上,乌克兰生产的动力系统在可靠性、最大速度方面都达不到西方的标准。

  因此对燃气轮机的轻量化、模块化改良是052D的重中之重。那么未来舰艇动力发展的方向在哪里呢?

  未来的方向

  目前美国、英国、德国、俄罗斯、法国和日本等国都已经掌握了先进燃气轮机的关键技术,五大联合国常任理事国中,只有中国至今没能掌握先进燃气轮机的关键技术。我国于2004年开始开展间冷器的研究工作,但由于其较高的技术要求、复杂的工艺等原因,在本产品之前没有相关燃气轮机用间冷器产品推广应用。


  燃气轮机是一个涉及国家海军动力的战略性产业,是能源动力装备领域的最高端产品,代表了装备制造业的最高技术水平,被誉为动力机械装备领域“皇冠上的明珠”。是否掌握制造燃气轮机关键技术直接关系到各国的国际地位。发达国家都把燃气轮机作为国家最重要的产业长期支持。燃气轮机相关技术是关系国家能源及国防安全的战略性新兴产业。

  采用先进复杂循环是提高燃气轮机性能的主要途径之一,在间冷回热(ICR)循环和间冷(IC)循环中,间冷器是对燃气轮机性能有重要影响的关键部件。空气经低压压气机压缩后,通过间冷器进入高压压气机,从而降低了进入高压压气机的空气温度,高压压气机的压缩耗功显著减少,整个机组功率得到明显提高。

  我国燃气轮机间冷器技术的发展起步较晚,因此,对舰船用燃气轮机间冷器的设计和优化展开研究具有重要的现实意义。新浪军事认为,综合电力系统是舰船动力未来的重点发展方向之一,其核心包括舰用发点模块,燃气轮机和柴油机,这也是我国未来新型舰艇动力发展的目标。
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