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看QC-185从美国LM-2500和LM-6000型燃气轮机的发展历程的未来发展
2018-4-20 23:40:00           作者: 浩汉防务论坛

国产QC-185燃气轮机是沈阳黎明发动机公司基于国产“太行”涡轮风扇发动机研制的一款航改燃气轮机,采用三轴、后输出、轴流式结构,额定功率17.78MW,最大输出功率18.5MW,热效率37.2%。该型燃气轮机热效率及可靠性高、灵活性强,可广泛应用于常规发电、电力调峰、管道增压及其它机械驱动领域。

看QC-185从美国LM-2500和LM-6000型燃气轮机的发展历程的未来发展

国产QC-185型燃气轮机

不妨对比一下QC-185和美国通用电气公司(GE)于60年代研制的LM-2500燃气轮机基本型的主要技术参数:

不难看出,从各方面来看,QC-185都和LM-2500很相似。LM-2500系列燃气轮机是通用动力公司于20世纪60年代以TF39涡轮风扇发动机为基础研制的一款航改式燃气轮机。由于该型燃气轮机性能优秀,所以美国与很多其他国家海军均采购LM2500燃气轮机作为作战舰艇的动力装置。从20世纪70年代初到现在,LM2500系列燃气轮机已经销售了2000多台(包括工业和舰船),占据了世界舰船燃气轮机的绝大部分份额,堪称一代名机。认真研究一下LM-2500的发展轨迹,可以对QC-185未来的发展有所启示。

要说LM-2500,得从它的原型TF39涡轮风扇发动机谈起。TF39是通用电气公司为满足远程重型运输机C-5的要求而研制的一种大涵道比涡轮风扇发动机。1959年,美国空军提出“轻重量燃气发生器”计划,后改称“先进涡轮燃气发生器计划”,第一次明确提出以核心机研制为牵引的航空发动机研制方针。1963年,在“先进涡轮燃气发生器计划”的支持下,通用电气公司开发出第一台“先进技术核心机”——GE1。在GE1的基础上,又衍生出了三型验证机——GE1/6、GE9和GE1/10。1965年4月,通用电气公司以GE1/6验证机赢得了C-5“银河”战略运输机的动力装置竞标。1965年12月,基于GE1/6验证机的新型TF39发动机首次试车,1967年6月开始试飞,到了1968年10月,TF39发动机便开始了生产型交付。值得一提的是,以GE1的另一个衍生型号——GE9为基础,通用电气公司后来研制出了F101中等涵道比加力涡扇发动机(用于战略轰炸机B-1,后来用于F-14/15/16的F110系列涡扇发动机就是它的发展型)和CFM56大涵道比民用涡轮风扇发动机。

1968年4月,应美国海军的要求,通用电气公司开始为美国海军研制新型燃气轮机动力装置,这就是后来的LM-2500。在此之前,通用电气公司曾以J79涡轮喷气发动机为基础,为美国海军成功研制了最大功率11MW的LM-1500燃气轮机。为了有效的提高新型燃气轮机的性能,通用电气公司决定采用刚刚研制成功的TF39涡轮风扇发动机(这时TF39还未正式投产),作为研制LM-2500的基础。

由于之前研制LM-1500已经积累了相关经验,LM-2500的研制十分顺利。TF39涡轮风扇发动机采用1级风扇、16级高压压气机、整体机匣、环形燃烧室、2级高压涡轮和6级低压涡轮,与TF39相比,LM-2500的主要改动,就是将原TF39的风扇去掉,将原先用于驱动风扇的低压涡轮改为动力涡轮,其它没有大的变化。1969年,通用电气公司生产出第一台LM2500样机。次年的海试证明,LM-2500的输出功率达到17.9MW,热效率达到35.5%,完全满足美国海军的要求。随后,通用电气公司开始了LM-2500的量产。到70年代末,经过技术改进,LM-2500的最大输出功率已经达到了23.3MW。

看QC-185从美国LM-2500和LM-6000型燃气轮机的发展历程的未来发展

一代名机LM-2500

20世纪90年代初,美国海军提出了将其“黄蜂”级两栖攻击舰的动力装置从蒸汽轮机改为燃气轮机的要求。黄蜂级原由两台总功率7万马力(51485千瓦)的蒸汽轮机推动,如果要改为燃气轮机,就要求燃气轮机的单机最大功率达到35MW以上。为满足这个要求,通用电气公司在LM-2500的压气机前增加了一个零级压气机,大幅提高了空气流量,从而提高了热效率和输出功率——输出功率达到29.8MW,热效率达到了38%。通用电气公司将这个功率增强型LM-2500命名为LM-2500+。

2005年,通用电气公司在LM-2500+的基础上再次进行改进,通过对压气机叶片进行修形,进一步提高空气流量,同时压气机和涡轮叶片换用新型材料,以承受更高的温度。通过这些改进措施,通用电气公司将LM-2500的最大输出功率提高到了33MW。通用电气公司将这个“终极版”的功率增强型LM-2500命名为LM-2500+G4。

值得一提的是,1992年,通用电气公司还在CF6涡轮风扇发动机(TF39的民用版)核心机的基础上,加上了5级低压压气机,再配上5级动力涡轮,从而获得了最大输出功率43MW的LM-6000燃气轮机,热效率41%,是这一功率等级最先进的燃气轮机。

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LM-6000型燃气轮机结构图。可以清楚的看到,它的高压压气机部分和LM-2500是一样的

纵观LM-2500的发展史,我们可以看到,通用电气以TF39的核心机为基础,通过渐改,让LM-2500的功率从17.9MW起步,连续迈上了23.3MW、30MW、33MW三个台阶。这个渐改过程,对于QC-185来说,具有重要的参考意义。具体的说,QC-185未来的发展,可以参考LM-2500和LM-6000的发展史,分这样两步走:

第一步,在现有QC-185的基础上,参考从LM-2500到LM-2500+的做法,在压气机前增加一个零级压气机,提高进气流量,再配上FT-8燃气轮机的动力涡轮,从而将最大输出功率提高到24MW。增加零级压气机可以采用太行发动机的风扇顶切,也可以重新设计,中国80年代在进行斯贝发动机改燃机工作时对这两种方式都做过研究,有技术积累。FT-8燃气轮机的最大输出功率就是24MW,其动力涡轮由我国成都发动机公司研制,不存在任何技术困难。这样的一款燃气轮机,可以成为海军目前使用的GT-25燃气轮机的备份,也可以用于出口型军舰。

第二步,参考LM-6000的做法,对QC-185的低压压气机和低压涡轮进行重新设计,用新设计的低压涡轮既驱动低压压气机,又带动负载,输出功率冲40MW。这样的一款燃气轮机既能用于未来的万吨级大型驱逐舰、两栖攻击舰等大型军舰,也可以用于燃气电站,用途十分广泛。

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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