燃氣輪機應(yīng)用于地面武器裝備的前景分析

張玉飛

摘要：結(jié)合燃氣輪機的發(fā)展和應(yīng)用情況，綜述了燃氣輪機發(fā)展現(xiàn)狀及前景，特別探討了其在軍事裝備領(lǐng)域的應(yīng)用，提出了在地面武器裝備中推廣和應(yīng)用燃氣輪機技術(shù)的必要性和建議。

Abstract： Combining with the development and application of gas turbines， this paper summarizes the development status and prospects of gas turbines， especially discusses their application in the field of military equipment， and puts forward the necessity and suggestions of popularizing and applying gas turbine technology in ground weapons and equipment.

關(guān)鍵詞： 燃氣輪機;武器;應(yīng)用

Key words： Application Gas turbines;weapon;application

0 ?引言

燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體作為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械[1]。燃氣輪機是動力裝備領(lǐng)域的高端產(chǎn)品，更是諸多大型作戰(zhàn)平臺的核心動力裝置。世界發(fā)達國家都十分重視和廣泛應(yīng)用燃氣輪機技術(shù)，我國燃氣輪技術(shù)與發(fā)達國家相比，還存在較大的差距。發(fā)展燃氣輪機對改善我國的制造業(yè)結(jié)構(gòu)，促進能源均衡充分利用，提高軍隊全域作戰(zhàn)能力至關(guān)重要。

1 ?燃氣輪機概述

1.1 燃氣輪機的工作原理

燃氣輪機進入正常運行狀態(tài)后，壓氣機不停得從大氣中吸入空氣，隨即將其升壓;爾后，壓縮后的空氣涌入燃燒室，與噴入的燃料混合，并點火燃燒。氣體燃燒后膨脹，經(jīng)過渦輪區(qū)的葉片，推動逐級葉片轉(zhuǎn)動，最后，從出氣口排出。在葉片轉(zhuǎn)動過程中，葉輪帶著壓氣機葉輪共同旋轉(zhuǎn);加熱后的高溫燃氣有著很強的做功能力，燃氣渦輪在帶動壓氣機的之余，有相當余功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣輪機由靜止啟動時，需用起動機提供助力，待能獨立運行后，起動機才脫開[2]（參見圖1，燃氣輪機與往復(fù)式發(fā)動機循環(huán)比較）。

1.2 燃氣輪機的發(fā)展簡史

走馬燈的原理與燃氣輪機類似，公元11世紀，我國就有走馬燈的記錄，蠟燭在其中空處燃燒后，走馬燈內(nèi)空氣升溫，利用冷空氣與熱空氣之間的對流，形成向上的推舉力推動風車及其轉(zhuǎn)軸上的紙人馬轉(zhuǎn)動。17世紀90年代，英國人巴伯第一次闡明了燃氣輪機的工作機理。1906年，第一臺燃氣輪機誕生（效率3%）。上個世紀20年代，德國人霍爾茨瓦特制成首臺應(yīng)用型燃氣輪機，功率370千瓦、效率達至13%，因諸多缺點沒有得到推廣。科技的進步使人們掌握了氣體增壓流動的原理，研制出了高效軸流壓氣機，1935年前后，效率高達85%的軸流式壓氣機問世。若干年后（1939年），4兆瓦的效率高達18%發(fā)電用燃氣輪機在瑞士出現(xiàn)。同年，噴氣式飛機在德國成功啟航。隨后，隨著耐高溫材料技術(shù)以及透平冷卻技術(shù)的推廣，燃氣初溫漸次提高，燃氣輪機效率不斷改善，單機功率不斷增大[3]。上個世紀70年代中期，100兆瓦級的不同種類的燃氣輪機問世，個別甚至達到130兆瓦。當前，最大功率為460MW的J級燃氣輪機已經(jīng)投入應(yīng)用，初溫至1600℃，單循環(huán)效率在36～41.6%之間，聯(lián)合循環(huán)效率高達61%[4]。

1.3 燃氣輪機的優(yōu)、缺點及其應(yīng)用

1.3.1 燃氣輪機的優(yōu)點

與汽油機、柴油機、蒸汽機等熱力機械相比較，燃氣輪機展現(xiàn)出更多的優(yōu)越性：

①結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。燃氣輪機不僅結(jié)構(gòu)輕巧，而且零件數(shù)量比柴油機少30%左右，密封件和齒輪的數(shù)量是柴油機的50%，運動件只有柴油機的1/5。

②維護保養(yǎng)便捷。燃氣輪機的模塊化設(shè)計使其零部件的維修和更替不需要拆下發(fā)動機，單元體結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念，減少了維修保養(yǎng)的項目和內(nèi)容。保養(yǎng)量和管理人員少。

③啟動性能優(yōu)越。燃氣輪機內(nèi)各零部件之間摩擦機會少，啟動時，功率很小的啟動電機就能滿足需要，從起動至全負荷運轉(zhuǎn)，時間比其它熱機減少約50%左右。進入穩(wěn)定運行狀態(tài)后，很快就可以輸出全功率，因而能夠讓車輛較快提速（參見圖2，燃氣輪機與柴油機的扭矩特性對比）。

④運行平穩(wěn)可靠。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，燃氣輪機可靠性達99.1%，燃機發(fā)生事故停機率不到1%，優(yōu)勢明顯。

⑤效率高。當下，單循環(huán)燃氣輪機效率最高已達43%，聯(lián)合循環(huán)機組效率高達61%，是目前最高效率的熱力機械[5]。

⑥對環(huán)境污染小。NOx和CO等的排放量低于各國對污染物排放的極限標準。符合建設(shè)環(huán)境友好型社會的要求[6]。

⑦對燃料適應(yīng)性強。燃氣輪機的工作原理決定它可以采用多種燃料，汽油、柴油、煤油、天然氣等，多達近50種，同時不需要特殊的附加裝置或者零件更新，優(yōu)越性明顯[7]。

⑧排煙量不大、噪聲低、振動小。這減少裝備被發(fā)現(xiàn)的可能性，有利于保存實力。

1.3.2 燃氣輪機的缺點

同時，燃氣輪機也存在著一些不可忽略的缺點：

①在非聯(lián)合工作狀態(tài)下，燃氣輪機由于排氣溫度高，熱效率低，部分負荷下效率低下。

②制造技術(shù)復(fù)雜，需高端材料和先進工藝，具備雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)和成體系的尖端技術(shù)儲備方可（參見圖2，燃氣輪機的每一個部件都必須精益求精）。

③發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化不夠迅捷，與柴油機、汽油機等往復(fù)式發(fā)動機相比，燃氣輪機在節(jié)流要求方面反應(yīng)遲鈍。

④油耗高。高、低負荷狀態(tài)下均如此。需要較大量的燃料補給。燃氣輪機需要中間冷卻器、回熱器來達到與當前汽油發(fā)動機相當?shù)男剩杀竞蛷?fù)雜性攀升[8]。

⑤對空氣的消耗大，對空濾裝置要求高，在地面多塵地區(qū)應(yīng)用時需要改進除塵裝置，可靠性在此條件下難以把握等。

1.3.3 燃氣輪機在軍事裝備領(lǐng)域的應(yīng)用

德國于1939年8月將渦輪噴氣式發(fā)動機裝上了飛機。1942年10月，美國渦輪噴氣式飛機試飛成功。上個世紀50年代，渦輪噴氣式發(fā)動機廣泛應(yīng)用于不同用途的作戰(zhàn)飛機中，后期，民航飛機也應(yīng)用了這種發(fā)動機。作戰(zhàn)飛機發(fā)動機很大程度上代表著航空發(fā)動機的最高水平，一些發(fā)達國家始終追隨該領(lǐng)域的最前沿，取得了很大成就。推重比是衡量戰(zhàn)斗機發(fā)動機的主要性能指標[9]。推力愈大，重量越小，對提高推重比愈有利，改善推重比成為各國共同追求的目標。

第一次工業(yè)革命的策源地——英國，是世界上首個用燃氣輪機為艦艇提供動力支持的國家[10]。1976年初，英國“奧林普斯”593型渦輪噴氣發(fā)動機帶動“協(xié)和式”客運飛機進行了首次超音速民航飛行[11]。

上個世紀50年代以來，蘇聯(lián)燃氣輪機技術(shù)在探索中不斷進步，在M8E和M8K系列燃氣輪機量產(chǎn)后，其燃氣輪機技術(shù)變現(xiàn)得相當嫻熟，各種燃氣輪機的使用壽命都較為可觀（達到10000小時以上）。上個世紀70年代到80年代中期，三代燃氣輪機出現(xiàn)，典型的機型有M70、M75、M90等。

到80年代，中美關(guān)系進入蜜月期，中國不失時機得引進了美國的先進技術(shù)，LM2500燃氣輪機被引進到中國，并為一些驅(qū)逐艦提供動力支持;1993年，引進烏克蘭艦用燃氣輪機GT25000;1998年開始國產(chǎn)化，國產(chǎn)型號QC280;2003年裝備052B“武漢”驅(qū)逐艦試用。1996年，“航改燃”型艦用燃氣輪機QC70誕生并應(yīng)用于氣墊登陸艇。爾后，“太行”渦扇發(fā)動機改型艦用燃氣輪機QC185研制獲得突破，本世紀初投入使用。

通過與西方發(fā)達國家引進和交流，我國的燃氣輪機技術(shù)逐步獲得提升，獲得了一定的技術(shù)儲備，國產(chǎn)化水平不斷提高。但是在大型艦船上的應(yīng)用方面，我們還有相當?shù)倪M步空間，需要自主加強研發(fā)，并在適宜的條件下，引進先進技術(shù)，添補關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)空白。

美國是在上個世紀70年代中期做出在新型主戰(zhàn)坦克上應(yīng)用燃氣輪機的決定。1979年，首輛量產(chǎn)型燃氣輪機坦克誕生[12]。接著，蘇聯(lián)也推出了燃氣輪機坦克。在上個世紀90年代，美軍裝配了AGT-1500坦克燃氣輪機的主戰(zhàn)坦克M1和M1A1投入到了海灣戰(zhàn)爭中。實戰(zhàn)證明，AGT-1500坦克燃氣輪機的綜合表現(xiàn)非常出色，無論維護性、可靠性還是出勤率都是以往柴油機坦克無法超越的，沒有一臺發(fā)動機需要整件拆換。尤其令人欣喜的是，其發(fā)動機噪音低、無煙塵，使其被敵發(fā)現(xiàn)的幾率大大降低。在參戰(zhàn)中，由于燃機天然的優(yōu)越性，將近2000輛參戰(zhàn)的坦克中，只有4輛被毀，4輛受損（可恢復(fù)原技術(shù)指標），駕駛員死亡率為0。燃氣輪機的優(yōu)越性可見一斑[13]（參見表1）。

隨著時代的進步和技術(shù)水平的不斷提高，燃氣輪機將會得到更多應(yīng)用。而中國也在試探將燃氣輪機應(yīng)用于地面武器裝備中，并根據(jù)自身需要，逐步實現(xiàn)該種動力裝置的國產(chǎn)化和各項戰(zhàn)技術(shù)指標水平。

2 ?燃氣輪機在軍事裝備領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

從上個世紀50代到至今的近70年里，燃氣輪機總體技術(shù)尤其是象征大國實力的重型燃氣輪機，實現(xiàn)了巨大的技術(shù)跨越。但是燃氣輪機技術(shù)特別是重型燃氣輪機技術(shù)在各國發(fā)展極為不均衡，關(guān)鍵技術(shù)被少數(shù)幾個國家壟斷，美國GE、德國西門子、日本三菱、意大利ALSTOM公司為重型燃氣輪機技術(shù)的翹楚，體現(xiàn)著世界燃氣輪機行業(yè)的最高技術(shù)[14]。

輕型和微型燃氣輪機經(jīng)過70多年的研制和推廣，作為艦船、陸地裝備等的動力來源而被廣泛應(yīng)用。燃氣輪機體積小、功率大、重量輕、隱身性好的優(yōu)點使其很自然得被推向水面艦艇和高性能艦船動力的主體地位。當前，近八成發(fā)達國家的海軍以燃氣輪機為艦船動力來源。在地面武器裝備應(yīng)用中，美、俄更是有30000輛坦克以燃氣輪機為動力[15]。在地面戰(zhàn)車對敵實施精確打擊時，需要裝配各類先進的火控、通信、指揮系統(tǒng)等，這需要先進的輔助電源設(shè)備做硬件支撐，提供的強大動力的燃氣輪機在供給電力方面具有其他熱機難以趕超的優(yōu)勢（參見表2），可見，燃氣輪機更利于搶占作戰(zhàn)先機。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國燃氣輪機技術(shù)還有相當進步空間，主要體現(xiàn)在種類不全、數(shù)量少、成熟度低、材質(zhì)落后、工藝水平次等方面。與美、德、日等國家存在著不可忽視的差距。西方國家為了維護自己的戰(zhàn)略利益，不會主動對我國輸出燃氣輪機關(guān)鍵技術(shù)。維護國家利益其見，我們要盡可能利用積累的有限經(jīng)驗和通過與友好國家的技術(shù)合作逐步打破西方設(shè)置的技術(shù)壁壘。

2006年，某大學(xué)主持了我國重型燃氣輪機制造基礎(chǔ)研究的第一個國家973計劃項目，計劃項目實施以來，通過與地方實力雄厚的生產(chǎn)企業(yè)單位協(xié)同創(chuàng)新，將基礎(chǔ)理論研究融入企業(yè)實踐，在燃氣輪機一些重大和關(guān)鍵技術(shù)上取得重要進展，重型燃氣輪機高溫葉片自主制造與實驗驗證能力有了一定提高[16]。在F級重型燃氣輪機轉(zhuǎn)子設(shè)計、制造與驗證方面的能力初現(xiàn)，對執(zhí)行重型燃氣輪機研發(fā)任務(wù)，培養(yǎng)業(yè)界人才，提高自主研發(fā)能力打下了堅實的基礎(chǔ)[17]。

2018年，我國第一件自主300MW級F級重型燃氣輪機渦輪第一級靜葉鑄件各項技術(shù)達標并通過專家審核。這標志著我國在重型燃氣輪機關(guān)鍵領(lǐng)域取得了值得肯定的突破，是國家科技重大專項“航空發(fā)動機和燃氣輪機”迄今最重要的里程碑式的成果[18]。

在國產(chǎn)燃氣輪機地面武器裝備應(yīng)用方面，相關(guān)院校和科研機構(gòu)正在展開國產(chǎn)某型改裝燃氣輪機坦克性能研究。通過在該型號燃氣輪機與車身各種零部件的連接、耦合和貫通，及在不同天氣、時令、地形下的系統(tǒng)測試試驗，采集到了相關(guān)的數(shù)據(jù)，積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗，為下一步促進燃氣輪機在我軍地面作戰(zhàn)裝備中的推廣和應(yīng)用打下良好的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

3 ?燃氣輪機應(yīng)用于地面武器裝備的展望

3.1 充分利用國家機構(gòu)和政策制度向縱深改革契機，探索組建燃氣輪機關(guān)鍵技術(shù)專項攻克項目，強化學(xué)科基礎(chǔ)，培養(yǎng)專門人才

當前，正值我國軍、地改革齊步深化的關(guān)鍵時機，燃氣輪機發(fā)展應(yīng)該作為一個引起足夠關(guān)注的重大技術(shù)優(yōu)先發(fā)展。在今后一個相當?shù)臅r期，我們應(yīng)對該項技術(shù)的發(fā)展提上日程，成立專門的產(chǎn)、學(xué)、研、管配套機構(gòu)，群策群力，利用社會主義制度優(yōu)越性，集中理論和技術(shù)優(yōu)勢，力爭在技術(shù)、材料等方面有所創(chuàng)新和突破，以實現(xiàn)燃氣輪機作為地面武器裝備、大型軍用艦船及飛行器動力的需求為契機，縮小與發(fā)達國家的差距。

我國已經(jīng)充分認識到了燃機技術(shù)的重要性，2015年，開始實施航空發(fā)動機和燃氣輪機“兩機”專項，并于2016年將其列為中國百項重大工程的首要位置;2018年7月，航空發(fā)動機及燃氣輪機基礎(chǔ)科學(xué)中心成立等，這些措施將為推動我國燃氣輪機技術(shù)發(fā)展提供人才和智力支撐。

3.2 加快軍民融合步伐，以軍事需求為先導(dǎo)，以地方技術(shù)實力為基礎(chǔ)，軍需與民用互為牽引，相互激勵，實現(xiàn)跨越式發(fā)展

當前，我軍傳統(tǒng)動力（汽油機、柴油機等）武器裝備在高原等氣候惡劣地區(qū)動力特性還沒有達到令人樂觀的程度，對遂行戰(zhàn)斗任務(wù)造成極其不利的影響。而相關(guān)試驗證明，燃氣輪機的投入和運用將會很好地解決這個問題。因此，我國亟待在軍用裝備領(lǐng)域，特別是地面重型武器裝備中推廣和應(yīng)用燃氣輪機，以提供足夠動力，助力戰(zhàn)斗力躍升。這需要挖掘和整合地方科研院所、高校的技術(shù)資源，從維護自身安全利益的角度出發(fā)，利用當前地方和軍隊改革的重大機遇，深入推動軍民融合，急追快趕，早日實現(xiàn)在核心技術(shù)和關(guān)鍵領(lǐng)域的突破。2018年6月，我國啟動了燃氣輪機軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略研究所，由聞學(xué)友院士擔任負責人，由30多位院士100多位專家參加，將圍繞我國燃氣輪機軍民融合的重大問題，面向2035年開展綜合性咨詢研究，為國家科技決策提供準確前瞻及時的建議，促進我國燃氣輪機軍民融合技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用發(fā)展[19]。

3.3 著眼我國發(fā)展燃氣輪機技術(shù)的現(xiàn)實需要，大力提供相關(guān)制度和政策支持，為燃氣輪機技術(shù)長遠發(fā)展提供強有力的保障

由于燃氣輪機可能給軍隊戰(zhàn)斗力建設(shè)和地方經(jīng)濟帶來的可觀效益，必須將此作為一個重要發(fā)展項目。眼下，我們需要構(gòu)設(shè)專門的制度和保障體系，促進各種科技、管理和優(yōu)質(zhì)材料資源向燃氣輪機技術(shù)領(lǐng)域流動，不斷提高國產(chǎn)化水平，通過超常規(guī)發(fā)展，早日打破西方發(fā)達國家設(shè)置的技術(shù)壁壘。實現(xiàn)為軍用裝備提供更大動力的先行目標，同時，促進能源利用均衡，加快地方經(jīng)濟發(fā)展，形成供需互相推動的產(chǎn)業(yè)格局，達到富國強軍的目的[20]。

4 ?總結(jié)

我國燃氣輪機技術(shù)發(fā)展方面還沒有形成完善的產(chǎn)業(yè)體系，應(yīng)該憑借制度優(yōu)勢，集中高端人才和豐富資源，群策群力，合力攻關(guān)，走適合中國特色的燃氣輪機發(fā)展道路，打破西方的技術(shù)封鎖并迎頭趕上。

①從我國對燃氣輪機技術(shù)應(yīng)該達到的技術(shù)水平出發(fā)，大力加強研發(fā)工作，立足于走自主創(chuàng)新道路，遵循“基礎(chǔ)理論→單元技術(shù)→零部件實驗→系統(tǒng)集成→樣機綜合驗證→產(chǎn)品應(yīng)用”發(fā)展路徑，制定長遠發(fā)展規(guī)劃，自主完善譜系。同時在時機適宜的條件下，積極尋找技術(shù)合作和交流的機會，穩(wěn)扎穩(wěn)打，少走彎路，實現(xiàn)跨越式發(fā)展;

②基于安全性和可行性考慮，應(yīng)先期在地面武器裝備中推廣和應(yīng)用該項技術(shù)，而后，向艦艇和戰(zhàn)機方向進行推廣，漸進改善軍用裝備動力并實現(xiàn)經(jīng)濟的全面健康發(fā)展。

③在發(fā)展燃機技術(shù)過程中，注意利用好制度和政策優(yōu)勢，匯聚各方資源，以改善軍用裝備動力為契機，結(jié)合“西氣東輸”、“一帶一路”、“兩機專向”等國家戰(zhàn)略帶來的政策紅利，以燃機技術(shù)發(fā)展推動相關(guān)配套工業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化，促進能源廣泛均衡利用，同時兼顧降低污染水平的要求，實現(xiàn)軍民高度融合發(fā)展。

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