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

2018-04-26 11:00:26 大云网  点击量: 评论 (0)
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 7

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。

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。


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。

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。

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责任编辑:售电小陈

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