中國航發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

■ 周建華 劉英/中國航發(fā)動力所

中國航發(fā)根據(jù)自身技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，確定了自主系列化發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)路線。中國航發(fā)已研制了十余個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的船用和工業(yè)用微、輕、重型燃?xì)廨啓C(jī)型號，并規(guī)劃發(fā)展“三輕一重”燃?xì)廨啓C(jī)，形成一批具有市場競爭力的技術(shù)和特色產(chǎn)品。

燃?xì)廨啓C(jī)具有功率大、尺寸小、質(zhì)量輕、起動迅速、加速性和機(jī)動性好、壽命長（幾千甚至上萬小時，而柴油機(jī)只能工作幾百或幾千小時）、操作簡單、維修方便、工作可靠、滑油消耗少、水下低頻噪聲小，以及采用箱裝體結(jié)構(gòu)可快速更換等諸多優(yōu)點(diǎn)，對國家國防安全與能源安全、改善能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略意義。

我國燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展始于20世紀(jì)50年代末，主要分散在航空、航天、機(jī)械、船舶等多個工業(yè)系統(tǒng)。由于多種原因，我國燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，其技術(shù)與國際先進(jìn)水平差距很大。目前，國際上已發(fā)展了三代燃?xì)廨啓C(jī)，部分第四代高效燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)投入使用，而我國在研的機(jī)組多停留在第三代機(jī)組的水平，可靠性還有待進(jìn)一步提升。目前，國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)市場基本被國外燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品壟斷：重型燃?xì)廨啓C(jī)主要為GE、西門子和三菱重工等公司的產(chǎn)品；中小型工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)主要為GE、羅羅、索拉等公司的產(chǎn)品；船用燃?xì)廨啓C(jī)通過技術(shù)引進(jìn)和自主研制，取得一定進(jìn)展但仍與國際先進(jìn)水平差距明顯；國產(chǎn)工業(yè)用微型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組也近乎空白。

鑒于燃?xì)廨啓C(jī)在國防和能源裝備領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略意義，我國必須開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品。近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)、科技和工業(yè)水平的提高，尤其是數(shù)型航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計定型，我國自主發(fā)展航改燃?xì)廨啓C(jī)的條件已經(jīng)具備。2016年全面啟動的航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)國家科技重大專項，更為燃?xì)廨啓C(jī)的自主發(fā)展帶來了重大機(jī)遇。

中國航發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展途徑

隨著我國自主研發(fā)、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的航空發(fā)動機(jī)的研發(fā)成功，中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限公司（中國航發(fā)）在2001年和2002年相繼成功研制了QD70和QD128兩型航改輕型燃?xì)廨啓C(jī)。

目前，中國航發(fā)擁有的自主研發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品有功率等級涵蓋5～40MW的輕型燃?xì)廨啓C(jī)和110MW的重型燃?xì)廨啓C(jī)，并按照國際發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)的成功道路，確定了自主系列化發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)路線，具體如下：

●在航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上衍生發(fā)展中檔功率QD128燃?xì)廨啓C(jī)，并開展低排放技術(shù)研究；

●在航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上衍生發(fā)展小檔功率QD70燃?xì)廨啓C(jī)，在QD70燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上分別衍生發(fā)展出小檔功率船用燃?xì)廨啓C(jī)和QD70A發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)，在QD70A燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展出雙燃料QD70B燃?xì)廨啓C(jī)、備用電源用QD70C燃?xì)廨啓C(jī)、功率增大型QD70+燃?xì)廨啓C(jī)以及通過新研低壓系統(tǒng)發(fā)展中檔功率QD185燃?xì)廨啓C(jī)，在QD185基礎(chǔ)上加間冷系統(tǒng)發(fā)展大檔功率間冷循環(huán)QD400燃?xì)廨啓C(jī)；

●在R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展燃用中低熱值燃料的R0110A，通過R0110A燃燒室和渦輪改進(jìn)并結(jié)合QD70+燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)相似放大發(fā)展F級重型燃?xì)廨啓C(jī)，同時開展干低排放技術(shù)研究；

●在微型燃?xì)廨啓C(jī)QD11基礎(chǔ)上開展回?zé)嵫芯俊?/p>

中國航發(fā)民用燃?xì)廨啓C(jī)的主要產(chǎn)品

QD128燃?xì)廨啓C(jī)

QD128燃?xì)廨啓C(jī)（如圖1所示）是在航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上衍生發(fā)展的我國首臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中檔功率輕型燃?xì)廨啓C(jī)，使我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的燃?xì)廨啓C(jī)實現(xiàn)了從無到有這一歷史性的跨越，它為三軸、分軸、后輸出結(jié)構(gòu)，可用作工業(yè)發(fā)電（熱電聯(lián)供、應(yīng)急電源、分布式能源等）和管道增壓。該燃?xì)廨啓C(jī)成熟可靠，累計運(yùn)行3.1萬小時，現(xiàn)有確認(rèn)意向訂單共20臺套，國外用戶12臺套。QD128燃?xì)廨啓C(jī)如用于冷熱電三聯(lián)供，總能利用率可達(dá)到84%以上。

QD128在研制過程中突破了以下幾種關(guān)鍵技術(shù)：初步建成了航改燃?xì)廨啓C(jī)總體設(shè)計技術(shù)；在國內(nèi)率先突破了中檔功率航改燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器改進(jìn)設(shè)計技術(shù)，燃?xì)獍l(fā)生器成本降低了20%以上，翻修壽命達(dá)到12000小時；長壽命、高可靠動力渦輪研制技術(shù)取得重大突破，兩級渦輪效率為0.91，達(dá)到國際先進(jìn)水平；國內(nèi)首創(chuàng)自主研發(fā)了控制、起動、燃料、清洗、測試等燃?xì)廨啓C(jī)的輔機(jī)系統(tǒng)，起動系統(tǒng)和燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)，價格為國際同類產(chǎn)品的70%，控制系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際主流產(chǎn)品水平。

QD70系列燃?xì)廨啓C(jī)

性能參數(shù) 基本負(fù)荷 尖峰負(fù)荷燃?xì)廨啓C(jī)功率/kW 12000 13700熱效率/% 28 29.5進(jìn)氣流量/(kg/s) 60 62.5輸出轉(zhuǎn)速/(r/min) 4700 4700排氣溫度/℃ 495 516

圖2 QD70A燃?xì)廨啓C(jī)和QD70系列燃?xì)廨啓C(jī)的主要性能參數(shù)

性能參數(shù) QD70A QD70B QD70C燃?xì)廨啓C(jī)功率/MW 7.6 7.6 7.2熱效率/% 31 31 30.6進(jìn)氣流量/(kg/s) 27.7 27.7 27.3輸出轉(zhuǎn)速/(r/min) 8300 8300 8300排氣溫度/℃ 570 570 575

QD70系列燃?xì)廨啓C(jī)是以航空發(fā)動機(jī)核心機(jī)為基礎(chǔ)，自主研制的7MW級燃?xì)廨啓C(jī)，為雙軸、分軸、前輸出結(jié)構(gòu)。QD70A燃?xì)廨啓C(jī)（如圖2所示）燃料為天然氣，可用于發(fā)電和機(jī)械驅(qū)動，相繼在河南濮城電站和四川開江電站并網(wǎng)發(fā)電，累計運(yùn)行3369物理小時；QD70B是在QD70A的基礎(chǔ)上開發(fā)的適用于海上平臺的雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)，已經(jīng)累計完成超過600多小時的考核試驗；QD70C是在QD70A的基礎(chǔ)上，針對通信行業(yè)大功率應(yīng)急備用電源需求而開發(fā)的，不僅可作為6MW級互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）機(jī)房應(yīng)急備用電源機(jī)組的核心動力裝置，經(jīng)多臺并機(jī)后，還可作為超大型IDC機(jī)房備用電源機(jī)組的配套動力裝置。QD70C機(jī)組各項參數(shù)經(jīng)試驗驗證滿足YD/T1269行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，已經(jīng)獲得信息產(chǎn)業(yè)通信電源產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的認(rèn)證。QD70系列機(jī)組已累計運(yùn)行超過1萬小時。

QD70系列在研制過程中突破了以下幾種關(guān)鍵技術(shù)：在原航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，完成了地面燃?xì)廨啓C(jī)的整機(jī)尋優(yōu)匹配和部件優(yōu)化設(shè)計；采用刷式封嚴(yán)技術(shù)，提高了燃?xì)廨啓C(jī)低狀態(tài)的封嚴(yán)效果，改善了整機(jī)性能；新研了電起動和液壓起動兩種裝置，可滿足不同用戶使用需求；突破了航改燃?xì)廨啓C(jī)雙燃料燃燒室設(shè)計、氣/液雙燃料切換和混燒技術(shù)；突破了雙軸燃?xì)廨啓C(jī)用于應(yīng)急電源改進(jìn)設(shè)計和整機(jī)調(diào)試技術(shù)。

QD185燃?xì)廨啓C(jī)

QD185燃?xì)廨啓C(jī)（如圖3所示）是在QD70A燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)上自主研制的18MW級輕型燃?xì)廨啓C(jī)，為三軸、分軸、后輸出結(jié)構(gòu)。其核心機(jī)繼承原航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，新匹配設(shè)計了低壓系統(tǒng)和動力渦輪，可用于船舶動力、工業(yè)發(fā)電、管線增壓等領(lǐng)域。該型燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)投入使用。

QD185在研制過程中突破了以下幾種關(guān)鍵技術(shù)：突破了中檔功率燃?xì)廨啓C(jī)總體設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)系列化發(fā)展；新研5級大裕度低壓壓氣機(jī)，設(shè)計點(diǎn)絕熱效率為0.903，達(dá)到國際先進(jìn)水平；在航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計低壓渦輪；新研效率為0.935、設(shè)計壽命10萬小時的3級動力渦輪，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

R0110燃?xì)廨啓C(jī)

R0110燃?xì)廨啓C(jī)（如圖4所示）是國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃） “十五”重大專項發(fā)展項目，是我國第一臺自主研發(fā)、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的E+級重型燃?xì)廨啓C(jī)，主要用于單獨(dú)或聯(lián)合循環(huán)的基本負(fù)荷供電或尖峰負(fù)荷調(diào)峰使用，已通過了科技部組織的項目驗收。R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)及其機(jī)組在中海油深圳電力有限公司滿負(fù)荷累計運(yùn)行1600物理小時，等效運(yùn)行時間達(dá)到6000小時。在R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上，開展了燃用中低熱值燃料的R0110A重型燃?xì)廨啓C(jī)的研制工作，可用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）電站，R0110A燃?xì)廨啓C(jī)功率126MW，熱效率36.6%，目前已完成廠內(nèi)全速空載調(diào)試試驗。

R0110在研制過程中突破了以下幾種關(guān)鍵技術(shù)：突破重型燃?xì)廨啓C(jī)總體設(shè)計技術(shù)，國內(nèi)首次走完重型燃?xì)廨啓C(jī)自主研制應(yīng)用的全過程；完成了大流量、增壓比為14.8的15級軸流式壓氣機(jī)的研制；完成了國內(nèi)首型干式低排放燃燒室設(shè)計、制造、全溫全壓試驗；完成雙層壁結(jié)構(gòu)的4級軸流式渦輪的研制；完成重型燃?xì)廨啓C(jī)的大型壓氣機(jī)盤和渦輪盤加工制造。

中國航發(fā)“三輕一重”燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃

QD70燃?xì)廨啓C(jī)

圖3 QD185燃?xì)廨啓C(jī)及其主要性能參數(shù)

性能參數(shù) 基本負(fù)荷 尖峰負(fù)荷燃?xì)廨啓C(jī)功率/MW 17.5 18.5熱效率/% 37.7 38進(jìn)氣流量/(kg/s) 56.4 57.8輸出轉(zhuǎn)速/(r/min) 5300 5300排氣溫度/℃ 488 496

圖4 R0110燃?xì)廨啓C(jī)及其主要性能參數(shù)

性能參數(shù) 基本負(fù)荷 尖峰負(fù)荷燃?xì)廨啓C(jī)功率/MW 114.5 125熱效率/% 36 36.5進(jìn)氣流量/(kg/s) 360 360輸出轉(zhuǎn)速/(r/min) 3000 3000排氣溫度/℃ 517 547

QD70系列燃?xì)廨啓C(jī)以成為中國航發(fā)第一型具有市場影響力、創(chuàng)品牌的產(chǎn)品為目標(biāo)。作為常規(guī)分布式發(fā)電QD70燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)已達(dá)到生產(chǎn)階段，下一步主要是市場的推廣和應(yīng)用；作為海上平臺發(fā)電用QD70燃?xì)廨啓C(jī)初步具備小批量領(lǐng)先使用條件。在“十三五”和“十四五”期間，QD70系列燃?xì)廨啓C(jī)力爭2020年完成低排放燃燒技術(shù)在整機(jī)上的工程驗證，2022年實現(xiàn)低排放技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用，并在2025年前實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

QD185燃?xì)廨啓C(jī)

QD185燃?xì)廨啓C(jī)以成為“以民促軍”應(yīng)用的典范為目標(biāo)，通過工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)成熟應(yīng)用為15MW船用燃?xì)廨啓C(jī)研制立項奠定基礎(chǔ)。2020年前，工業(yè)型實現(xiàn)“首臺套”應(yīng)用，船用型形成工程驗證機(jī)；2025年前，工業(yè)型實現(xiàn)小批生產(chǎn)，船用型完成研制。

具體在2018—2023年，實現(xiàn)兩個目標(biāo)：第一，實現(xiàn)QD185燃?xì)廨啓C(jī)首批商業(yè)化銷售、維護(hù)保障及示范運(yùn)行，為拓展市場奠定基礎(chǔ)；第二，在實現(xiàn)銷售的同時，及時開展低排放、雙燃料及成套等關(guān)鍵技術(shù)深化研究及應(yīng)用，并努力落實燃?xì)廨啓C(jī)降低成本、提高可靠性、易于維修等客戶需求，提高QD185燃?xì)廨啓C(jī)在國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)市場的競爭力。

R0110燃?xì)廨啓C(jī)

通過故障技術(shù)問題梳理和機(jī)組改進(jìn)設(shè)計，力爭2020年完成機(jī)組修復(fù)，實現(xiàn)在海油深電恢復(fù)運(yùn)行，即2020年前實現(xiàn)“首臺套”示范。

開展低排放燃燒、遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究與驗證。2021年完成排放燃燒技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警及故障診斷技術(shù)在整機(jī)上的驗證。進(jìn)而推動燃?xì)廨啓C(jī)實現(xiàn)市場銷售和批量生產(chǎn)，成為集團(tuán)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支柱產(chǎn)品和國內(nèi)自主研制重型燃?xì)廨啓C(jī)典范。2025年實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，即中低熱值機(jī)組實現(xiàn)“首臺套”應(yīng)用。

QJ/QD280燃?xì)廨啓C(jī)

QJ/QD280是30MW級的燃?xì)廨啓C(jī)，作為管道增壓用QJ280已完成燃?xì)廨啓C(jī)試制，但仍處于科研階段，技術(shù)成熟度6級。作為發(fā)電用QD280燃?xì)廨啓C(jī)正在開展動力渦輪研制，技術(shù)成熟度4級。

因此，對于QJ/QD280燃?xì)廨啓C(jī)，需要促進(jìn)增壓、發(fā)電機(jī)組成熟和應(yīng)用，并通過突破動力渦輪制造技術(shù)為實現(xiàn)整機(jī)交付奠定基礎(chǔ)，于2020年前實現(xiàn)“首臺套”應(yīng)用，于2025年前實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

結(jié)束語

我國燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展必須立足于國內(nèi)，堅持自主研制開發(fā)，打破國外技術(shù)封鎖，避免受制于人。中國航發(fā)已經(jīng)具備自主研發(fā)先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的條件和能力，依靠航空技術(shù)優(yōu)勢，按照“生產(chǎn)一代、研制一代、預(yù)研一代、探索一代”的可持續(xù)發(fā)展模式，通過多年努力，形成了“航燃并舉、輕重兼顧、系列發(fā)展”的良好局面，建立了燃?xì)廨啓C(jī)自主發(fā)展的態(tài)勢。如今中國航發(fā)燃機(jī)公司蓄勢待發(fā)，在不久的將來，中國自主研制的燃?xì)廨啓C(jī)將終結(jié)國外產(chǎn)品的壟斷，為我國能源與國防安全奠定固本發(fā)展的基礎(chǔ)。