按照《中國航空報》的報道，QC185中等功率燃氣輪機在8月29日實現(xiàn)了首次點火，并在慢車狀態(tài)實現(xiàn)穩(wěn)定運行。而QC70小功率燃氣輪機則在8月22日完成第一階段可靠性測試，即歷時13個月的長期試車任務(wù)。從兩者的體積、功率來看，兩者都可以用于軍艦動力，QC185可用于大型驅(qū)逐艦，QC70則可用于氣墊船。這標(biāo)志著我國在裝備自主研制生產(chǎn)的艦用燃氣輪機道路上邁進了關(guān)鍵一步。
目前，中國海軍僅有6艘驅(qū)逐艦采用了燃氣輪機作為動力。根據(jù)外媒報道，其中052型驅(qū)逐艦112、113號裝備了美制LM2500燃氣輪機，052B、052C型驅(qū)逐艦168、169、170、171號裝備了烏克蘭制的GT25000或國內(nèi)仿制型號。為什么燃氣輪機對于海軍建設(shè)如此重要？網(wǎng)易軍事為您作出獨家分析。
燃氣輪機作為軍艦動力的優(yōu)勢
在軍艦動力方案選擇上，燃機輪機的主要競爭對手是艦用柴油機和艦用蒸汽輪機，但是由于燃氣輪機先天優(yōu)勢與軍艦動力系統(tǒng)性能要求更為吻合，燃氣輪機成為了各國軍艦動力系統(tǒng)發(fā)展的唯一選擇。老牌海軍強國如美國海軍、英國海軍、日本海上自衛(wèi)隊的主力水面作戰(zhàn)艦只早已完成動力燃氣輪機化。
燃氣輪機第一個優(yōu)勢是功率密度極大。一般情況下，同等功率的燃機體積是柴油機的三分之一到五分之一，是蒸汽輪機的五分之一到十分之一左右。這是由于燃氣輪機本身精巧的連續(xù)轉(zhuǎn)動熱力學(xué)循環(huán)結(jié)構(gòu)造成的，體積小、功率大，非常適合軍艦分艙小、航速要求高的特點。
燃氣輪機的第二個優(yōu)勢是啟動速度快。雖然燃機的轉(zhuǎn)速是三種動力系統(tǒng)中最高的，但是由于整個轉(zhuǎn)子十分輕巧，在啟動機幫助下在1-2分鐘就可以達到最高轉(zhuǎn)速。而柴油機由于轉(zhuǎn)子運動源于活塞的往復(fù)，加速較慢，蒸汽輪機更是“反應(yīng)遲鈍”，整個系統(tǒng)達到最高功率輸出可能需要長達一小時的時間。而啟動速度，對于軍艦的戰(zhàn)時出動和反潛作戰(zhàn)時加減速性能有著直接的影響。
燃氣輪機第三個優(yōu)勢是噪聲低頻分量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動當(dāng)中，產(chǎn)生的噪聲更多是高頻嘯聲。而柴油機的活塞往復(fù)產(chǎn)生了大量低頻機械振動噪聲，恰好迎合了海洋容易傳播低頻噪聲的特點，導(dǎo)致軍艦容易被敵方聲納探測。所以柴油機動力尤為不適合給反潛軍艦作動力系統(tǒng)。
艦用燃氣輪機：舍我其誰
艦船動力裝置主要有:蒸汽動力裝置、柴油機動力裝置、核動力裝置、燃氣動力裝置和聯(lián)合動力裝置。前兩種裝置發(fā)展得比較早，廣泛應(yīng)用于各類艦船，后面三種，系近十多年來迅速發(fā)展起來的新型動力裝置。艦船燃氣輪機動力裝置是指以燃氣輪機為主機的全燃化動力裝置。它自五十年代末期起，尤其是六十年代中期以來，已得到了極其廣泛的應(yīng)用。功率總數(shù)日益增長，裝艦使用范圍日益擴大，已由快艇發(fā)展到了護衛(wèi)艦、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、巡洋艦和直升機航空母艦等，可謂是舍我其誰。
燃氣輪機基本工作原理
燃氣輪機是以空氣為介質(zhì)，靠高溫燃氣推動渦輪機械連續(xù)做功的大功率、高性能動力機械。它主要是由壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件組成，再配以進氣、排氣、控制、傳動和其他輔助系統(tǒng)。當(dāng)燃氣輪機機組起動成功后，燃氣輪機就會開始進入穩(wěn)定的熱力學(xué)循環(huán)過程。壓氣機連續(xù)不斷地從外界大氣中吸入空氣并增壓，這個過程可以認(rèn)為是壓氣機動能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，被壓縮后的空氣溫度升高有利于與燃料進行更猛烈的化學(xué)反應(yīng)（化學(xué)反應(yīng)速度和程度與溫度成正比），更大的膨脹比也有利于壓縮空氣燃燒后釋放更大的能量。壓縮空氣從壓氣機出來后即進入燃燒室，首先會在燃燒室進口被噴入燃料進行摻混，然后就會點火燃燒。這個過程可以認(rèn)為是燃料化學(xué)能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，在短短幾十厘米的距離內(nèi)空氣的溫度上升數(shù)百甚至上千度，壓力也會激增。高溫高壓的燃氣從燃燒室出口噴出，就開始膨脹，在膨脹的同時推動渦輪葉片做功。這個過程就是燃氣熱能和勢能向動能的轉(zhuǎn)化。渦輪將燃氣的能量轉(zhuǎn)化為動能后，一方面用于壓氣機壓縮空氣持續(xù)進行熱力學(xué)循環(huán)，另外一方面由主軸將轉(zhuǎn)子的扭矩輸出，經(jīng)過減速器減速以后用于推動軍艦。整個熱力學(xué)循環(huán)完成使得燃氣輪機實現(xiàn)了燃料化學(xué)能向機械能轉(zhuǎn)換的最終目的。
自研燃機尚未裝備
我國艦用燃氣輪機研發(fā)的起步并不算晚。根據(jù)“中國艦用燃氣輪機總師訪談錄”的介紹，1958年我國開始著手研發(fā)計劃的具體組織實施，決定成立南、北方兩個聯(lián)合設(shè)計組，先開展大、中、小三型機組的可行性論證和方案設(shè)計。1959年底，前蘇聯(lián)向我國轉(zhuǎn)讓了M-1艦用燃氣輪機技術(shù)，我國對該機組進行了以技術(shù)練兵為目的的仿制工作。僅用了11個月，上海輪機廠就完成了該型燃機的首臺樣機制造。不過由于各種原因，仿制樣機經(jīng)過3年才排除大量故障通過驗收試驗。后來該型燃機在一艘高速炮艇上進行了試驗并且裝備了部隊。1964年完成設(shè)計的6000馬力燃機組是我國第一次自行設(shè)計研制的艦用燃機，但是由于研制周期過長加之原裝配對象計劃調(diào)整未能裝備部隊。與世界上其他國家主要依靠航空發(fā)動機改燃機不同，我國由于航空發(fā)動機水平落后，采取的是改進和專用研制并舉的道路。
1967年我國決定將轟六轟炸機上的渦噴8發(fā)動機改進為大功率艦載燃氣輪機，這是我國首次進行“航改燃”實踐，但是最終因為發(fā)達國家同意進口相應(yīng)型號受到?jīng)_擊無果而終。后來我國一直在艦用燃機方面不斷嘗試，但是一直沒能拿出一款成熟可靠性能優(yōu)良的艦載燃氣輪機。這就是中國6艘裝備燃氣輪機的驅(qū)逐艦都采用外國產(chǎn)品的原因，其中112、113兩艘驅(qū)逐艦因為受到美國禁運影響，其裝備的LM2500燃氣輪機到了使用時限也難以獲得大修。
美國經(jīng)驗：核心機預(yù)研是關(guān)鍵
航空強國的動力發(fā)展經(jīng)驗是進行核心機預(yù)研，然后在同一個核心機上再衍生出航空發(fā)動機和艦用燃氣輪機。世界著名的艦用燃機LM2500就是核心機預(yù)研工程的衍生產(chǎn)品。LM2500燃氣輪機衍生自美國GE公司的GE9核心機。GE9核心機衍生出F101大涵道比軍用加力渦扇發(fā)動機用于B1B超音速戰(zhàn)略轟炸機，將GE9的換算流量進一步減小發(fā)展出了GE15核心機。GE15核心機衍生出的渦噴型號YJ101參與競爭F-15和輕型戰(zhàn)斗機計劃（F-16研制計劃）但是輸給了普惠的F100發(fā)動機。后來競爭YF-17也就是今天的F/A-18艦載機項目時，GE將YJ101的低壓壓氣機放大成為風(fēng)扇研制出了F404中推渦扇發(fā)動機。而將F404的風(fēng)扇放大并與F101的小涵道比型號結(jié)合，就是F-15和F-16的著名動力F110。
在GE9核心機基礎(chǔ)上衍生的艦用燃氣輪機LM2500是世界上最成功的艦用燃氣輪機，裝備了美國阿里伯克級等多個國家的軍艦。而通用電氣與法國斯奈克瑪公司聯(lián)合研制的CMF56大涵道比渦扇發(fā)動機也是以GE9核心機為基礎(chǔ)的，CMF56發(fā)動機裝備了空客A320等多種民航發(fā)動機，也是第三帶民用渦扇發(fā)動機的典型代表。這就是說，GE9一個核心機解決了F-15，F(xiàn)-16，F(xiàn)-18這些世界知名戰(zhàn)斗機、以伯克級驅(qū)逐艦為代表的各類艦艇乃至民航客機所有動力問題，這不得不說是核心機預(yù)研的巨大效益?？梢哉f，一型核心機的研制成功，意味著整個國家從天空到海洋的全面突破。美國從上世紀(jì)五十年代末就開始核心機預(yù)研計劃，而我國晚了大概30年，由于起步晚，經(jīng)驗和工業(yè)基礎(chǔ)不足，至今未能拿出一款大規(guī)模實用的核心機型號。
最近網(wǎng)絡(luò)上開始流傳所謂我國新驅(qū)逐艦分段開始建造的照片，網(wǎng)友和軍迷們對于我國驅(qū)逐艦發(fā)展的熱情隨之更加高漲起來。后來出現(xiàn)了很多我國未來驅(qū)逐艦的想象圖和技術(shù)分析，還有的朋友認(rèn)為我國將來會建造滿載排水量9000噸的防空驅(qū)逐艦，并且給它起了一個親切的名字叫“九千歲”。
GT25000仿制品已通過亞丁灣實戰(zhàn)檢驗
目前本國唯一可以立刻使用的艦載燃機是烏克蘭GT25000艦用燃氣輪機的仿制品，額定功率29兆瓦，實際輸出功率在23兆瓦左右。據(jù)加拿大《漢和》雜志介紹，該國產(chǎn)燃氣輪機已裝在052B型驅(qū)逐艦上。四臺GT25000燃機實際總功率在90兆瓦左右，而日本愛宕級防空驅(qū)逐艦和韓國KDX3級驅(qū)逐艦雖然都是萬噸的滿排，但也不過是70兆瓦的總功率水平。最近，我國海軍編隊長期在非洲亞丁灣執(zhí)行護航任務(wù)，每批艦艇都要在海外連續(xù)執(zhí)行任務(wù)數(shù)月之久，從未聽說過052B型驅(qū)逐艦在護航過程中出現(xiàn)過動力問題。這說明國產(chǎn)GT25000燃機的可靠性和經(jīng)濟性都是適合我國國情的?，F(xiàn)階段，立足于GT25000的動力系統(tǒng)一方面應(yīng)該繼續(xù)改進其工藝和性能上不足之處，一方面完全可以通過對動力方案的調(diào)整做到我國將來各類主力艦只都有適合的動力可用?？梢哉J(rèn)為制約我國水面艦艇的中型艦用燃氣輪機瓶頸已經(jīng)突破。但是需要看到的是，我國主力艦只也僅僅是可以放心使用國外燃氣輪機的仿制改進型號。
萬噸級大型驅(qū)逐艦不是夢想
在驅(qū)逐艦方面，繼續(xù)深挖GT25000燃機的功率潛力，采用兩臺GT25000和兩臺艦用柴油交替工作的方式可以為滿排在7000噸左右的驅(qū)逐艦使用，這很可能就是最近網(wǎng)絡(luò)盛傳的052C+防空驅(qū)逐艦，也就是分段照片流出的艦型。將QC280功率降低從而增加壽命和經(jīng)濟性，然后采用四臺方案為9000噸滿排驅(qū)逐艦提供動力，這就可以突破以往限制達到網(wǎng)友心目中“九千歲”大驅(qū)的境界，這個水平也和阿里伯克級驅(qū)逐艦相當(dāng)，意味著我國主力防空艦綜合性能達到美國主力艦的基本水平。9000噸的防空驅(qū)逐艦和同級別反潛通用驅(qū)逐艦已經(jīng)完全能夠支撐起一個航母編隊的防空反潛反艦等綜合任務(wù)。
另外考慮將來海軍對陸遠程精確打擊和驅(qū)逐艦單艦獨立執(zhí)行任務(wù)的需求，直接采用四臺GT25000燃機驅(qū)動滿排在11000-13000噸的大型綜合驅(qū)逐艦。該艦采用大容量垂直發(fā)射系統(tǒng)容納獨立作戰(zhàn)自衛(wèi)所需的遠中近防空導(dǎo)彈和用于攻擊的反艦導(dǎo)彈對陸巡航導(dǎo)彈，并在綜合完善雷達電子設(shè)備支持下，在一定海域執(zhí)行綜合性任務(wù)具有相當(dāng)高效費比。該級別驅(qū)逐艦參與艦隊作戰(zhàn)時該艦可以作為火力加強性節(jié)點，負責(zé)艦隊中需要強火力支援作戰(zhàn)任務(wù)。
根據(jù)目前情況來看，雖然我國一定時期內(nèi)海軍主力艦只采用仿制GT25000燃機作為動力，但是這次新聞表明我國自研中等功率燃機項目正在穩(wěn)定推進。為了避免以往航空發(fā)動機和燃機可靠性和持久性不足的問題，我國特別在小功率燃機試車中增加了長久試驗特殊項目。而中等功率燃機QC185也完成了試制并且第一次點火開始試車工作，預(yù)計數(shù)年之內(nèi)就能設(shè)計定型。從國產(chǎn)驅(qū)逐艦已經(jīng)開工的情況來判斷，國產(chǎn)燃氣輪機已經(jīng)基本解決問題，中國海軍將展開新一波的造艦高潮。
