脚痛偏偏要医头：中国舰用燃气轮机该如何发展

对于军队来讲，机动性无疑是战斗力的第一保证，无论是飞机，坦克，车辆，还是舰船，要想拥有强大的机动性，就得有动力澎湃的发动机，倘若没有一颗强健的心脏，机动根本就无人谈起，更不要说投入战斗了。拥有较高的航速是海军舰队整体行动的基本保障，没有哪个国家能接受自己的舰队缓慢得像乌龟一样。对于现代舰艇来说，高航速还能在近程防御系统被突破后为水面舰艇提供最后的“绝命机动”，这就要发动机能在短时间内达到大功率输出，对发动机的要求很高。

海军是个有着千年历史的军种，航行在大海上的舰船，动力经历了从人力、风力到核动力的巨大转变，由“靠天航行”变为随心所欲，发动机的进步功不可没。现代军舰上普遍装备的发动机是燃气轮机，相比于过去的蒸汽机、汽油机和柴油机，燃气轮机具有体积小，功率密度大等优点，是水面舰艇的首先动力装置，然而正是在这方面，中国军舰有着与航空领域一样的“心脏病”，曾经困扰了海军很多年。

要以此原理驱动数千乃至上万吨的大船并非易事

近代以来，水面舰艇最初的动力装置是蒸汽轮机和内燃机，蒸汽轮机技术简单，制造容易，但占用空间大、加减速性能不佳、红外辐射明显。柴油机大量用于水面舰船是50年代以后的事，但单机功率有限制，一般采用多机并车推进。从60年代开始，军用舰船动力系统开始逐渐燃气轮机化，这是舰艇动力发展方面的一件大事。

▲这是一个涡轮喷气发动机的剖面，燃

气轮机的基本构造和原理其实是一样的

燃气轮机是以空气为介质，依靠高温燃气推动涡轮机械连续做功的大功率、高性能动力机械，主要由燃气发生器、动力涡轮组成，另配以进气、排气、控制、传动和其他辅助系统。与内燃机和蒸汽轮机相比，燃气轮机的功率体积比和功率重量比高，结构紧凑，系统简单；热效率比蒸汽动力装置先进，由“冷”到“热”只需要数分钟；耗油只及蒸汽轮机的一半，也不需要锅炉和锅炉水，重量几乎减少六成；易于遥控，检修方便，操作人员少；适用多种燃料，污染排放量也较小。

虽然燃气轮机有这么多好处，但最早把它装到军舰上只是因为噪音小和加速快这两个优点。早期利用水面舰艇反潜劳师动众，却往往效果不佳，除了探潜、反潜装备的因素外，反潜舰艇的动力装置也是一个重要的原因。二战时的舰艇动力不外乎柴油机或蒸汽轮机，柴油机加速性能好，但产生的噪音，尤其是能在水中远距离传播的低频噪音大，往往反潜舰还没有发现潜艇，就已经先被潜艇察觉，潜艇自然可以先行逃遁。蒸汽轮机的噪音倒是不大、单机功率也足够，但是加速性能差，油耗大。战后各国海军普遍规模缩小，必须有一种能够综合柴油机和蒸汽轮机优点的新型动力装置，才能满足新一代反潜舰艇的需求。

燃气轮机正是能够满足这些苛刻要求的新型动力装置。作为一种持续回转式工作的热机，其噪声、振动远远小于柴油机，在加装了防振、隔音设施后，甚至优于同为持续回转式工作的蒸汽轮机。不过，燃气轮机也不是没有缺点，它对设计、材料、制造的要求都比较高，没点科技实力根本搞不了。

首先将燃气轮机作为舰艇动力的是英国，1947年，英国将由航空喷气发动机改型而来的G1型燃气轮机装到了100吨级的摩托炮艇MGB-2009上进行试验，该机功率为1839千瓦，发动机重1830公斤，就是耗油率高，达到了639克/千瓦•时。随后出现的“海神”燃气轮机有了改善，功率3310千瓦，重1400公斤，耗油率下降到了347克/千瓦•时，已经达到了与蒸汽轮机相当的水平。由于燃气轮机的尝试很成功，从六十年代末开始，英国就宣布皇家海军此后的大中型水面舰艇将全面采用燃气轮机。

▲美国LM2500燃气轮机在西方国家

海军中应用广泛，后来也被中国引进

除英国外，美苏等国也相继从六十年代中期开始陆续进入燃气轮机的时代。英国有“奥林普斯”（由火神轰炸机上的MK201发动机发展而来）、“太因”和“斯贝”（均由罗•罗公司出品）系列，美国的通用电气以F-104、F-4和A-5等飞机使用的J79涡喷发动机为原型研制了LM1500、LM2500、LM5000系列，普惠以J57和J75航空发动机为基础推出了FTB、FT9、ST18A、ST40等燃气轮机型号，尽管起步比英国稍晚，却是世界上当之无愧的燃气轮机老大。

美国在冷战中的对手苏联不甘落后，从50年代就开始研制燃气轮机，与英美不同的是，苏联的燃气轮机基本上采用了专门研发的方式，到了60年代末期，苏联已先后完成其第一代的M-1、M-2、M-3和第二代的M-5、M-6、M-7舰船用燃气轮机的研制，在鼎盛时期，苏联生产的舰船燃气轮机按总功率计算约占全世界同类机械总量的三分之一。苏联解体后，因为苏联时期工业布局的原因，乌克兰获得了包括燃气轮机在内的大量实物及科研资源，除了继续生产UGT-8000、UGT-16000、UGT-15000等燃气轮机外，还研制了UGT-25000燃气轮机。

▲中国最早的燃气轮机就安在这么一个小艇上

新中国燃气轮机的起步并不晚，根据《国防科学技术十年规划》，从1958年开始，燃气轮机的预研工作就已经展开了，当时决定成立南北两个设计组，进行大、中、小各层次的型号论证，但以当时的工业和人员基础，要从零开始搞出这种极具难度的发动机并不现实，先引进再自研是一条比较稳妥的路线。1959年，根据中苏达成的协定，苏联提供了其第一种舰用燃气轮机M-1型的图纸，这是一种苏联当时已经淘汰的产品，翻修寿命也只有100小时，但这些依然是难得的资料，是中国燃气轮机的起点。民用方面，水电部于1959年从瑞士BBC公司引进2套功率为620kw的简单循环燃气轮机列车发电站，用于大庆油田发电。

由于是初创摸索，M-1的原始设计也不尽合理，新中国第一次燃气轮机的试制工作进行得磕磕绊绊，持续了3年方才通过验收。为了验证效果，军方将一艘高速炮艇改装为试验艇，采用2台12V180柴油机作巡航机，1台M-1型燃气轮机作加速机，从1966年底开始，在吴淞、舟山、青岛、旅大等海域进行了试验，共运行了106小时，达到了原设计性能，返厂检查后发现各部件良好，复装后继续使用，仿制的成功使设计和制造单位获得了最初的技术积累和经验，起到了入门的作用。

在此基础上，1964年中国设计出了第一种自产6000马力舰用燃气轮机，由于是首次自行设计，曾发生叶片被严重烧伤，主轴承损坏等事故，当年那些满怀激情的年青人在不利条件下克服种种困难，一一解决了技术难题，使产品达到了实用要求，只是因为研制时间太长而未能装备到原定的猎潜舰上去。虽然功败垂成，但这一型号从设计到制造均由“全华班”完成，开创了自行研制燃气轮机的先河，意义重大。

在从苏联搞到燃气轮机技术的同时，中国还曾引进过瑞士BBC公司的列车发电机组，60年代至70年代初，上汽、哈汽、南汽和东方汽轮机厂都曾以厂、所、校联合的方式自行设计和生产过燃气轮机，南京汽轮机厂于1964年研制成功的国内第一台1500千瓦发电用燃气轮机，哈尔滨汽轮机厂于1969年研制成功的国内第一台机车用2205千瓦燃气轮机，这些民用领域的燃气轮机与当时的世界水平差距不大，但在军用领域还存在较大的差距，再加上由于搞政治运动的影响，在中苏交恶后，就无法再从苏联获得资料和实物，军用燃气轮机的发展受到很大影响。

1962年，英国开始在“火神”战略轰炸机所配备的“奥林普斯”200发动机（其改进型593型被用于协和式客机）基础上开始研制舰用燃气轮机，到了1973年，“奥林普斯”TM3B型舰船燃气轮机投入使用，装备到了英国21型护卫舰上。“奥林普斯”舰船燃气轮机是一个成功的系列，受此启发，中国于1967年开始决定在大型轰炸机的喷气发动机基础上研制舰用燃气轮机。

当时可选的航空发动机原型只有轰-6上装备的涡喷-8，这是从苏联引进的图-16轰炸机发动机的国产化型号。涡喷-8的空气流量、最大推力都与“火神”上的“奥林普斯”相当，但是推重比明显不如后者，耗油率也高。设计单位对根据舰用要求，对涡喷-8的燃气发生器进行了80多项修改，同时新设计了用于输出功率的动力涡轮，其它各系统也按照海上使用环境重新设计。到了1974年，“涡喷-8改”型舰船燃气轮机完成耐久试验，已经准备转入装备生产阶段。

▲055的想像图，七十年代不会设想出

如此科幻的外形，不过大小是差不多了

长期以来，中国研制发动机基本上是附属于某个具体型号，“涡喷-8改”是为了055大型驱逐舰而研制的。1968年2月，军工行业根据海军《关于建造远洋护航舰船的建议》的报告，下达了开展大型火炮导弹舰战术技术和方案论证的任务，代号为055，大致指标是：

其大致指标如下：

1）排水量近8000吨

2）装备对海和对空火炮系统和导弹系统

3）装备火箭深弹、火箭助飞鱼雷、常规反潜鱼雷、反潜直升机的完整反潜系统

4）装备对海雷达、对空预警雷达、三坐标雷达、综合通信系统等较完善的电子系统

5）动力装置为两台单机功率23530千瓦的舰用加速燃气轮机和两台单机功率8824千瓦的柴油机共同组成的柴燃联合系统

单从指标看，055的战斗力将达到1艘051型驱逐舰加1艘053K型护卫舰、再添加完整立体反潜系统的作战能力。但这些指标定的有些不切实际，不要说在七十年代，就是三十年后也不容易达到，其中很多装备国内都无研制经历，总体方案远远超越了中国当时的现实能力，这无疑给军工行业制造了许多难以克服的困难。

单从动力装置上讲，055要求燃气轮机单机功率23530千瓦，而“涡喷-8改”的实际功率只达到了16170千瓦，差距太大，不可能驱动8000吨级的军舰达到30节以上的航速。而且“涡喷-8改”的寿命仅能达到200小时，而大、中型军舰的自持力一般要达到20～30天，约480～720小时才行。如果055一直使用国产燃气轮机，到不了10天主机就会坏掉，倘若没有巡航柴油机辅助，军舰就只能“海上漂”了，也就是说，即使把“涡喷-8改”勉强上舰，也只能当个花瓶偶尔用一下。考虑当年的技术水平、工业基础和外部环境，要把这个寿命大幅提高如同镜花水月，这无异于宣判了“涡喷-8改”的死刑。更加要命的是，后来连大功率柴油机的研制也出了问题，055驱逐舰的研发陷于停滞。

“航改燃”的另一个尝试是“斯贝”——70年代，中国从英国引进了“斯贝”MK202涡扇发动机，国产化后的型号为涡扇-9，在其基础上研制的燃气轮机为GD-1000，但直到1993年，GD-1000的样机才通过了性能鉴定，功率为13000马力，由于研制周期的过长，GD-1000的性能指标已经落后于国际先进水平，也不可能用于055。

▲“奥林普斯”舰用燃气轮机

与协和式的发动机系出同源

眼看新驱逐舰无发动机可用时，一个机会出现了。1972年尼克松访华后，为了“联中抗苏”，西方阵营放松了对华军备出口的限制，从西方引进先进装备成为可能。英国罗•罗公司表示愿意出口“奥林普斯”舰用燃气轮机，海军认为，“奥林普斯”已经使用十年，成熟可靠，直接引进全燃动力系统可一举解决055的动力问题，罗•罗公司也愿意配合，并提出了三套方案供中方选择。从1978年到1979年，中国先后数次与英方磋商，看上去这事似乎要成。然而055还是因为整体指标太高，难度太大，以及国家把发展经济作为主要方向的原因而下马，1981年，国防科工委和国家机械委联合决定，055不再列入正式型号，改为预先研究，055最终被长期搁置起来。

▲LM2500装备了24个国家，号称“驱动了

半个地球的海军”，这是“哈尔滨”舰上

的LM2500，可见其尺寸确定小巧

美国通用电气公司听到罗•罗公司企图进军中国的消息后，不愿意将这个潜在市场拱手相让，拿出拳头产品LM2500型燃气轮机向中国推销，这是一款比“奥林普斯”更为先进的机型，罗•罗公司当时并无能与之抗衡的产品，在竞争中败下阵来，通用电气得到向中国销售的机会，中国采购的LM2500被装备到了052型驱逐舰“哈尔滨”号（112舰）和“青岛”号（113舰）上。“哈尔滨”号于1991年8月28日下水，该舰以其优良的动力装置、作战系统和建造水准而在当时被称为“中华第一舰”。然而，随着苏联解体，美国一纸禁令掐断了这条来源，虽然通用电气并不情愿失去中国这个市场，但也无可奈何。

相比于通用，中国海军则受害更深，失去美国这个燃气轮机来源后，中国海军的新舰研制工作被迫推后，后来的“深圳”号不得不回到了蒸汽轮机的老路上，甚至连LM2500的维护都成问题，这也是一个大大的教训——发动机依赖外援是很危险的。此后中国重新开始了自研燃气轮机的进程，同时也开始寻找替代来源。苏联解体后，原苏联各国多陷入困顿之中，许多军工企业和专家连饭都快吃不上了，这给中国提供了一个绝好的“挖墙角”机会，1997年4月，中国和乌克兰机械设计联合体签订了购买4台UGT-25000燃气轮机的合同，2000年又进一步取得生产许可证。从乌克兰搞到设备，解了燃眉之急后，052B和052C两型驱逐舰终于有了动力装置。

把美国换成乌克兰，只是外购换了个渠道，本质并没有变，拥有自主知识产权的东西才是真正管用的。由于有前面自研留下的经验，中美关系尚好时从美国拿到的实物，以及从乌克兰搞到的技术，按照由“航改燃”的思路，相关企业开始了对舰用燃气轮机的攻关。2004年11月1日，中航一集团在珠海召开新闻发布会，宣布在“太行”发动机基础上成功开发了新型舰船用燃气轮机QC185。这是一种中等功率的轻型燃气轮机，重5800千克，效率36%，热空气流量58千克/秒，动力涡轮转速5500转/分，输出功率17780千瓦，可用于发电或船舶动力。这是一个突破性的进展，但这台发动机尚不足以用来驱动大型军舰。

1995年，涡喷-14“昆仑”问世，在其基础上派生燃气轮机（QD128）的工作也随之展开。2003年7月，中国拥有完全自主知识产权的QD128和QD70航改燃气轮机机组在中原油田相继点火成功,并网发电。但其功率还是满足不了海军的需求，主要用于发电并实现了出口。从乌克兰引进的UGT-25000后，中航工业公司就开始了将其国产化的努力，从2007年开始，西安航空发动机集团历时一年多，在UGT-25000舰船用燃气轮机基础上研制出了燃气轮机QD280，其主要用途是发电和管道增压。而仿制舰用版本的任务则落到了中船重工703所、西安航空发动机集团和哈尔滨动力集团等企业身上，2004年，完成了首台国产版本的试制，性能与乌原产机组性能相当，国产化率达到了60%，此后的第二阶段工作又将国产化率提高到95%以上。

▲LM2500封得是比较严实的，工作环境比俄

式强，国产化UGT-25000时借鉴了这一点

UGT-25000国产化并不只是简单的模仿，而是有针对性的弥补了乌克兰原型机的不足。UGT-25000苏式装备色彩浓重，只采用了没有将燃气轮机完全罩住的简单罩体，压气机部分暴露，造成噪声很大（可达110分贝），机舱温度高（机体附近可达100℃），工作环境差，也没有隔热、隔音措施，轮机兵难以持续工作。设计单位借鉴了LM2500的做法，用箱体式罩体将燃气轮机完全罩住，从而降低机舱温度噪声，改善轮机兵的工作环境；增加了观察窗、照明、加温和导轨等设施，使日常维护和故障排查更为便利。国产化的UGT-25000也成为中国目前可以投入使用的成熟型号，装备国产UGT-25000的军舰前往亚丁湾护航，动力装置未曾发生问题，证明了该型燃气轮机的可靠性。

随着“太行”发动机的有了突破，将“太行”改为船用型有了可能。第一型“太行”改型燃气轮机是QD70，船用型为QC70，这是中国第一种7000千瓦级的燃气轮机，1996年开始研制，2006年投入使用。针对大中型水面舰艇的需要，相关单位在“太行”的基础上还推出了功率达25000马力的QC185燃气轮机，但目前尚无应用的消息。2009年，原来被搁置的055驱逐舰工程再次启动，这其中一个原因便是动力装置问题能够得以解决，据悉055将采用全燃动力设计，估计仍会是国产UGT-25000，首舰可能会于今年下水，这种万吨大舰将进一步缩小中国海军与发达国家海军的差距。

▲国内外航改燃气轮机的对比（上图中

GTD8000的数据应向右移一位看）

中国军舰长期以来存在着与航空界一样的“心脏病”，动力装置的落后曾使海军舰艇的设计和制造举步维艰，虽然一度通过进口西方先进燃气轮机减小了差距，但又因后来的政治因素而难以为继。究其原因，盖因建国初期师从苏联，走了一条单独设计舰船用燃气轮机的道路，终因相关基础欠缺而进展缓慢，后来转到西方国家“航改燃”的思路上去以后，又因为航空发动机的薄弱而少有所成，六七十年代又盲目地上高指标，超出国力和工业能力的后果就是项目下马，发动机的研制又会被拖后腿……。说到底，军舰“心脏病”的根子，还在于航空——水上的问题要在天上解决，没有好的航空发动机，就不会有先进的燃气轮机。

▲一核多用，天上海上通吃，中国应走这种航空

与舰用发动机统一开发的高效之路

尽管眼下舰用燃气轮机的问题暂时得以解决，但仍然属于引进后消化吸收，UGT-25000的原始性能距离LM2500也存在差距，追赶世界先进水平尚需时日。在这方面，应借鉴美国的经验，以LM2500为例，它衍生自美国通用电气公司的GE9核心机，以GE9为基础衍生出的各型发动机一举解决了F-15，F-16，F-18这些世界知名战机、以阿利•伯克级驱逐舰为代表的各类舰艇乃至民航客机的动力问题，效益巨大。

要实现这一点，就要将航空与舰用发动机的研发做统筹安排。2016年5月，中国航空发动机集团成立，标志着集中力量研发航空发动机成为可能，改变了以往发动机研制分散在机械、航空、造船等多个行业的状况，虽然还冠以“航空”二字，但相信走核心机之路，把舰用发动机归纳其中也是顺理成章的事情，“中国航发”成为名符其实的中国“通用”，已经不再遥远了。

参考资料

《21世纪的澎湃动力 从新型水面舰艇看舰用燃气轮机的发展》 舰载武器 2010第2期

《失落的心 中国海军引进英国舰用燃气轮机的前后》 现代兵器 2009年第12期

《中国航改燃气轮机的现状及发展》 航空发动机 2004年第30卷第2期

163军情观察室

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