，，

(1.中船重工集團公司第七○三研究所，哈爾濱 150078；2.黑龍江大學，哈爾濱 150086)

蘇聯(lián)的國有企業(yè)“曙光-機械設計”燃氣輪機科研生產聯(lián)合體(ГУ НПО“Зоря-Машпроект”)與美國GE公司和英國Rolls-Royce公司并列為世界三大主要船用燃氣輪機研制生產企業(yè)，設計制造了大量船用燃氣輪機。自20世紀60年代以來，一直到1991年，俄羅斯一直是船用燃氣輪機的最大使用國。到1990年，蘇聯(lián)海軍已安裝使用燃氣輪機近千臺。但是，在蘇聯(lián)解體后，前蘇聯(lián)惟一的船用燃氣輪機研制企業(yè)劃歸烏克蘭，致使俄羅斯海軍不得不依靠外國生產企業(yè)來供應船用燃氣輪機。為此，俄羅斯一些設計局開始加緊研制國產船用燃氣輪機。

為滿足簡單循環(huán)燃氣輪機電站和聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機電站對中等功率和大功率發(fā)電用燃氣輪機裝置提出的巨大需求，俄羅斯許多發(fā)動機設計局和渦輪機制造工廠正在積極開發(fā)相應功率的國產燃氣輪機[1]。

根據所掌握的資料，本文試圖對俄羅斯船用及工業(yè)燃氣輪機的發(fā)展現(xiàn)狀作一綜述和分析，力圖展示俄羅斯燃氣輪機工業(yè)發(fā)展概貌。

1 俄羅斯主要燃氣輪機產品

與西方國家一樣，俄羅斯發(fā)展工業(yè)燃氣輪機基本上也是通過兩種途徑：利用技術成熟的航空發(fā)動機進行改裝以及移植航空技術設計專用的工業(yè)燃氣輪機。

蘇聯(lián)作為世界超級大國，擁有非常雄厚的航空工業(yè)基礎和許多著名的航空發(fā)動機設計局，下面僅就其中幾家主要設計局在開發(fā)船用及工業(yè)燃氣輪機方面所作的工作做一簡單介紹。

1.1 彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產聯(lián)合體——ОАО “Авиадвигатель”Пермь

彼爾姆航空發(fā)動機科研生產聯(lián)合體是俄羅斯最早的航空設計局之一[2]。該企業(yè)生產的索洛維也夫型渦輪風扇發(fā)動機裝備了俄羅斯民航總局所屬的絕大多數民航飛機。最新的索洛維也夫型渦輪風扇發(fā)動機是PS-90A型雙轉子發(fā)動機，推力為156.5 kN。該設計局已將其選作系列工業(yè)改型燃氣輪機的設計基礎。

20世紀90年代，彼爾姆“航空發(fā)動機”股份公司確立了新的設計方向，以航空發(fā)動機為基礎制造工業(yè)燃氣輪機裝置。彼爾姆“航空發(fā)動機”股份公司為俄羅斯天然氣工業(yè)總公司設計并制造了2.5～25 MW多功率檔次的燃氣輪機電站和燃氣輪機天然氣壓縮機組，以滿足國內巨大的天然氣輸送管道和電站建設需求。該設計局所設計的最主要的工業(yè)型燃氣輪機是驅動壓縮機用的GTU-12P燃氣輪機(12 MW)。該機以PS-90A單軸高壓核心機為基礎增加了二級動力渦輪，在ISO條件下的熱效率可達到34.6%。該設計局所擁有的另一型輸氣管線用燃氣輪機為GTU-16P燃氣輪機，功率為16 MW。該型機裝有經過改裝的低壓轉子和高壓渦輪，并采用三級動力渦輪，熱效率可達37%[3]。

公司在已有的系列燃氣輪機基礎上進行了一系列的改造和創(chuàng)新，設計并生產了功率為2.5、4.0和6.0 MW的“烏拉爾(Урал)”系列模塊化輕型燃氣輪機移動電站和增壓站，完成以石油伴生氣為燃料的燃氣輪機裝置GTU-12PG-2的設計工作。到2008年6月，以航空發(fā)動機ПС-90А為基礎建造的全部燃氣輪機動力裝置已經累計運行達到300×104h。截止2011年7月27日，彼爾姆“航空發(fā)動機”股份公司已經生產并交付使用了600余臺各型燃氣輪機動力裝置。

1.2 薩瑪拉庫茲涅佐夫科學技術聯(lián)合體——СНТК (NK Engines)

自20世紀60年代開始，薩瑪拉庫茲涅佐夫科學技術聯(lián)合體作為俄羅斯第一家將航空燃氣輪機改裝成工業(yè)燃氣輪機的設計局，陸續(xù)將其所屬航空渦輪螺槳發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機和螺槳風扇發(fā)動機通過改裝途徑發(fā)展成為供天然氣輸送和發(fā)電機驅動用的工業(yè)燃氣輪機系列產品。

在航改機研制方面，薩瑪拉庫茲涅佐夫科學技術聯(lián)合體擁有許多優(yōu)勢。其設計生產的航空發(fā)動機主要用于裝備運輸機或者轟炸機。與其他設計局為直升機或殲擊機配備的發(fā)動機相比，其優(yōu)點在于核心發(fā)動機具有更大的質量流量和更長的總飛行時數。由世界上功率最大的HK-12渦輪螺槳發(fā)動機(11 MW)改裝而成的工業(yè)型壓縮機驅動用HK-12ST(NK-12ST)燃氣輪機是庫茲涅佐夫系列的第一型航改機。

HK-12ST在ISO條件下基本負荷額定功率為6.3 MW，熱效率為26.1%。帶有安裝機架時，該燃氣輪機的重量約為3 500 kg，規(guī)定的大修壽命約為15 000 h。自1964年第一臺HK-12ST安裝在輸氣管線上使用以來，至今已經交付1 800多臺，主要安裝在西伯利亞、保加利亞、波蘭、阿根廷和中東的輸氣管線上，天然氣泵送的總時數已經超過3 000×104h。以該型燃氣輪機及該設計局其它航空發(fā)動機為基礎，該企業(yè)發(fā)展出了HK-14ST(NK-14ST)(8 MW)、HK-36ST和HK-37(NK-36ST/NK-37)(25 MW)、HK-16ST(NK-16ST)和HK-17(16 MW)、HK-91(20 MW)、HK-38ST(NK-38ST)和HK-39(NK-39)(16 MW)、 HK-40ST(10 MW)系列工業(yè)燃氣輪機。由于采用了通用性設計理念，這些燃氣輪機具有很高的模塊化程度，這使其更便于生產、運輸、裝配和維修。

1.3 土星科研生產聯(lián)合體——НПО Сатурн

以設計殲擊機、強擊機發(fā)動機而著稱的土星科研生產聯(lián)合體，選擇其推力為122.5 kN帶加力燃燒的AL-31F雙軸航空渦輪風扇發(fā)動機(蘇霍伊Su-27殲擊機的發(fā)動機)作為改型設計發(fā)電機和輸氣管線壓縮機驅動用的系列工業(yè)燃氣輪機的母型機。針對不同的額定功率需求，燃氣輪機分別配裝三級、四級或者五級由土星科研生產聯(lián)合體自行設計的自由動力渦輪。這些燃氣輪機的額定功率主要集中在0.7～20 MW范圍內，但通過注水可將功率提高到40 MW。該企業(yè)自行研制了用于驅動發(fā)電機和輸氣管線壓縮機的額定功率為16 MW的AL-31ST燃氣輪機。

2 船用燃氣輪機裝置

蘇聯(lián)在船用燃氣輪機的研制和應用領域一直都處于世界領先水平。在蘇聯(lián)解體后，由于各種資源按屬地原則劃分，蘇聯(lián)惟一的船用燃氣輪機研制企業(yè)歸屬了烏克蘭，致使俄羅斯海軍失去了惟一的船用燃氣輪機動力裝置設計生產單位。

為此，“土星”科研生產聯(lián)合體著手設計并成功推出了三型第四代高效自動化船用燃氣輪機：功率為4.5～5.2 MW、耗油率為0.254 kg/(kW·h)的M75РУ、功率為9.0～10.4 MW、耗油率為0.231 kg/(kW·h)的М70ФРУ和功率為20.5 MW的M90ФР[4-5]。這些燃氣輪機的全壽命可達到40 000 h，大修壽命為20 000 h。2006年底， M75РУ型燃氣輪機通過第一階段車臺試驗。2007年，M70ФРУ燃氣輪機已經通過國家試驗。該型機被確定為俄羅斯第四代船用燃氣輪機的基礎型號動力設備。“土星”科研生產聯(lián)合企業(yè)未來還要對該燃氣輪機進行一系列的改進，以滿足俄海軍和海岸警衛(wèi)隊艦艇對不同功率動力設備的需求。至此，俄羅斯終于結束了依賴外國同類發(fā)動機供貨的時代，開始用國產船用燃氣輪機動力裝置裝備波羅的海、北海、里海和太平洋艦隊的新建艦艇?！巴列恰笨蒲猩a聯(lián)合企業(yè)終于成為繼美國GE公司、英國R·R公司和烏克蘭國有企業(yè)“曙光-機械設計”燃氣輪機制造科研生產聯(lián)合體之后第四家可以設計和生產船用燃氣輪機動力裝置的企業(yè)。

彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產聯(lián)合體目前已經完成了GTD-8PM、GTD-12PM和GTD-16PM三型船用燃氣輪機的設計工作，并有意將其推廣成為軍艦和商船的主動力裝置。這三型發(fā)動機都是基于該聯(lián)合體自有的ПС-90А型航空渦輪風扇發(fā)動機經過改型研制而成，與該型發(fā)動機具有很高的通用性。這三型燃氣輪機都是由單轉子燃氣發(fā)生器和不可倒車的自由動力渦輪組成，包括有12個火焰筒的管環(huán)式低排放燃燒室和單獨的過渡段，都配備有全權限數字控制和監(jiān)控系統(tǒng)，可在啟動、穩(wěn)態(tài)和瞬變狀態(tài)下對發(fā)動機實施控制。這些船用燃氣輪機的技術規(guī)范見于表1。

3 發(fā)電用燃氣輪機裝置

3.1 小功率發(fā)電用燃氣輪機

在工業(yè)燃氣輪機發(fā)展的歷程中，發(fā)電用燃氣輪機裝置一直是俄羅斯陸用燃氣輪機中的弱項。成熟的產品主要是一些功率不超過30MW的小功率燃氣輪機。

薩瑪拉庫茲涅佐夫科學技術聯(lián)合體向國際市場推出的系列發(fā)電用燃氣輪機裝置的技術規(guī)范見于表2和表3[6]13-24,27-36。

彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產聯(lián)合體向國際市場推出的發(fā)電用燃氣輪機的技術規(guī)范見于表4。

表2 簡單循環(huán)技術規(guī)范(ISO條件)

表3 聯(lián)合循環(huán)技術規(guī)范(ISO條件)

表4 簡單循環(huán)技術規(guī)范(ISO條件)

3.2 中等功率發(fā)電用燃氣輪機

中等功率發(fā)電用燃氣輪機是指額定功率在50～80 MW范圍內的燃氣輪機。

以ГТУ-16П驅動用燃氣輪機裝置14級?；瘔簹鈾C為基礎，彼爾姆航空發(fā)動機科研生產聯(lián)合體設計了在ISO條件下額定功率達到68 MW的ГТЭ-65П發(fā)電用燃氣輪機裝置。該單軸燃氣輪機裝置的技術水準相當于“F”級技術等級，其主要技術特性見于表5，NOx/CO排放量中的體積為標準狀態(tài)下的體積。

表5 ГТЭ-65П發(fā)電用燃氣輪機裝置主要技術特性指標

在成立150周年之際，俄羅斯首屈一指的渦輪機(燃氣輪機和汽輪機)制造工廠——列寧格勒金屬工廠(ЛМЗ)制造出了相當于“F”級技術等級的中等功率ГТЭ-65發(fā)電用燃氣輪機裝置[7]。在該燃氣輪機裝置設計中，壓氣機采用了全?；O計方法，選用中央航空發(fā)動機研究所(ЦИАМ)—中央鍋爐渦輪機研究所(ЦКТИ)的壓氣機、薩瑪拉庫茲涅佐夫科學技術聯(lián)合體的壓氣機和ГТ-100的壓氣機作為ГТЭ-65燃氣輪機16級壓氣機的設計原型。鑒于國有企業(yè)《伊夫欽科—前進》(ГП 《Ивченко-Прогресс》)在建造低排放燃燒室(НЭКС)方面積累的大量經驗，列寧格勒金屬工廠與該企業(yè)合作完成了ГТЭ-65低排放環(huán)形燃燒室的設計與制造。ГТЭ-65燃氣輪機裝置已經交付俄羅斯電站正式投入運行。其主要技術特性見于表6。

3.3 大功率發(fā)電用燃氣輪機裝置

大功率發(fā)電用燃氣輪機裝置始終是俄羅斯燃氣輪機制造業(yè)中最薄弱的一個環(huán)節(jié)。但是，隨著老式汽輪機電站改造，以及高效率低排放燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電站的建造需求，研制大功率燃氣輪機裝置已成為俄羅斯燃氣輪機制造業(yè)必須要面對和完成的一項重要任務。

列寧格勒金屬工廠已經從Siemens公司獲得了ISO條件下基本負荷額定功率168MW、效率34.7%的V94.2燃氣輪機(ГТЭ-160)的生產許可證。土星科研生產聯(lián)合體也已經研制出ГТЭ-110(110 MW)發(fā)電用燃氣輪機裝置，并已經成功將其應用到300 MW燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電站上[8]。基于ПС-9A航空渦輪風扇發(fā)動機13級?；邏簤簹鈾C，彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產聯(lián)合體和列寧格勒金屬工廠還聯(lián)合設計了ГТЭ-180發(fā)電用燃氣輪機裝置[9]。該單軸燃氣輪機裝置主要技術特性指標見于表7。該型燃氣輪機裝置的方案設計、工藝設計和施工設計已經完成，并已進入生產準備階段。但由于資金問題，該裝置的生產計劃被迫擱置。這明顯拖延了俄羅斯在世界燃氣輪機市場中搶占45～220 MW單機功率燃氣輪機市場份額的腳步。

表6 ГТЭ-65燃氣輪機裝置主要技術特性指標

表7 ГТЭ-180燃氣輪機裝置主要技術特性指標

4 機械驅動用燃氣輪機裝置

由于天然氣的開采、應用和輸送一直是俄羅斯工業(yè)中的重要領域，因此在工業(yè)燃氣輪機的發(fā)展歷史中機械驅動用燃氣輪機裝置始終是俄羅斯陸用燃氣輪機制造業(yè)的一個重要組成部分。機械驅動用燃氣輪機的功率通常不超過40 MW，屬于輕型燃氣輪機范疇?；谇疤K聯(lián)強大的航空工業(yè)基礎，通過航空發(fā)動機改裝，俄羅斯已擁有多型該功率等級的燃氣輪機，而其中一些燃氣輪機就是性能極為優(yōu)良的機械驅動用燃氣輪機裝置[10]。

薩瑪拉庫茲涅佐夫科學技術聯(lián)合體向國際市場推出的機械驅動用燃氣輪機的技術規(guī)范見表8[6]39-44。

彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產聯(lián)合體向國際市場推出的機械驅動用燃氣輪機的技術規(guī)范見于表9。

表8 機械驅動用燃氣輪機裝置技術規(guī)范(ISO條件)

表9 彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產聯(lián)合體機械驅動用燃氣輪機的技術規(guī)范(ISO條件)

應用復雜循環(huán)技術，彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產聯(lián)合體研制出了ГТУ-30ПС機械驅動用燃氣輪機裝置。在循環(huán)回路中，與燃氣輪機裝置通過機械方式連接在一起的余熱利用回路能使ГТУ-30ПС的效率與簡單循環(huán)裝置相比提高12%～14%。ГТУ-30ПС還可用于更高功率的天然氣泵送裝置以及燃氣輪機電站。該裝置的主要技術特性指標見表10。

表10 ГТУ-30ПС機械驅動用燃氣輪機裝置主要技術特性指標

5 對中國燃氣輪機技術發(fā)展的借鑒意義

我國現(xiàn)今的經濟高速發(fā)展，正快速地融入全球一體化的經濟當中，如何推動燃氣輪機技術的快速發(fā)展，并培養(yǎng)和打造中國的燃氣輪機核心設計和制造能力，同時如何選擇正確的發(fā)展道路來趕超世界先進國家，這些問題始終牽動著中國“燃氣輪機人”的心。為了滿足我國目前電力生產、輸氣/油管線和艦船動力對燃氣輪機動力設備的需求，制定最佳的開發(fā)途徑、確定正確的開發(fā)方針、組織優(yōu)勢力量建立起本國燃氣輪機工業(yè)是我國當前動力工程領域必須要解決的一項緊迫任務。

世界上很多發(fā)展中國家建立和發(fā)展本國燃氣輪機工業(yè)的經驗表明，走與國外先進燃氣輪機制造企業(yè)建立合資企業(yè)的道路是開發(fā)、建立本國燃氣輪機工業(yè)的一條又快、又好、又省的途徑。通過對俄羅斯主要燃氣輪機設計制造企業(yè)的科研生產狀況、業(yè)績及產品進行比對，可以看出，俄羅斯的彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產聯(lián)合體具有非常優(yōu)越的條件，可以作為我國燃氣輪機工業(yè)企業(yè)發(fā)展的首選合作伙伴。

該企業(yè)已有多型發(fā)電用和機械驅動用燃氣輪機推行于國際市場，其中包括性能極為優(yōu)良的GTU-25P型燃氣輪機(機械驅動用功率為25 610 kW、效率為40.0%；發(fā)電用功率為23 000 kW、效率為36.7%)。該企業(yè)已設計完成的船用燃氣輪機GTD-8PM(功率8 200 kW，效率33.8%)和GTD-12PM(功率12 600，效率34.6%)可作為我國海軍裝備氣墊登陸艇和護衛(wèi)艦的備選動力設備機型。此外，彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產聯(lián)合體與列寧格勒金屬廠聯(lián)合設計的ГТЭ-180重型發(fā)電用燃氣輪機(功率180 MW，效率37.1%)的性能達到世界先進水平，可以滿足我國簡單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機電站的建設需求。同時該企業(yè)技術力量雄厚，科研活動十分活躍，創(chuàng)新能力強，是值得我國燃氣輪機工業(yè)企業(yè)作為選擇合作的首選對象。

6 結論

1)隨著前蘇聯(lián)的解體，俄羅斯燃氣輪機制造業(yè)的發(fā)展步伐一度呈現(xiàn)減緩的趨勢，表現(xiàn)為中等功率和大功率燃氣輪機發(fā)展遲緩，并且沒有可供選擇和應用的國產船用燃氣輪機。

2)一些航空發(fā)動機設計局，已經通過航機改裝的途徑開發(fā)和研制出滿足俄羅斯海軍需求的船用燃氣輪機，填補了本國空白。

3)由于已有的航空發(fā)動機研制基礎，俄羅斯在小功率范疇的機械驅動和發(fā)電用工業(yè)燃氣輪機方面發(fā)展勢頭良好，擁有一系列性能優(yōu)良的機組。與美國和英國同類機組相比，其性能毫不遜色。

4)目前，俄羅斯許多設計單位正在加緊開發(fā)研制既能滿足本國電力生產需求，又能在世界市場上具有良好競爭力的中等功率和大功率發(fā)電用燃氣輪機裝置。

5)在制造具有世界先進水平的新一代國產燃氣輪機裝置時，俄羅斯應堅持內外兼修，不僅要充分利用在大功率燃氣輪機裝置許可證生產過程中積累的外國先進技術和經驗，而且還要有效地利用本國已有的航空發(fā)動機制造業(yè)的成就。

6)中國燃氣輪機制造業(yè)必須建立中長期發(fā)展戰(zhàn)略，對整個行業(yè)進行整體規(guī)劃和統(tǒng)籌發(fā)展，走自主研發(fā)與對外合作齊頭并進的道路。

7)彼爾姆“航空發(fā)動機”科研生產聯(lián)合體擁有良好的技術基礎和成熟的型號產品，可以作為我國燃氣輪機制造企業(yè)的長期合作伙伴。

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