燃气轮机综述Ⅲ | GT25000燃气轮机

燃气轮机综述Ⅲ | GT25000燃气轮机

搜狐军事·2025-08-26 22:02

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UGT25000型燃气轮机是乌克兰“曙光-机械设计”(Zorya-Mashproekt)科研生产联合体研发,该联合体是1954年专门为原苏联海军研制燃气轮机动力装置而建立的,其产品装备了约65%的原苏联海军舰船,并广泛应用于印度、德国、波兰、美国和我国等国舰船,占世界燃气轮机舰船数的29%和总装机功率的33%。

UGT25000是整个系列的总称,U代表乌克兰,GT是燃气轮机Gas Turbine的英文缩写,25000表示25000kW的功率等级。它下面包含四个不同的子类型,DG80用于发电厂驱动发电机,DN80和DU80用于钢厂驱动高炉空气压缩泵,DA80用于舰船推进。

UGT25000(ДГ-80)燃气轮机

引进、吸收、国产化

我国在90年代引进DA80时,这种第四代燃气轮机才刚刚研制成功,还很多细节地方亟待改进。负责技术引进、消化吸收和改进的是中船重工第703研究所,也就是哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所,我国唯一一家舰用蒸汽、燃气轮机科研单位,第一、二代核潜艇、051、051B/C型驱逐舰的蒸汽轮机都是他们研发的。

UGT25000(ДГ-80)燃气轮机

但是703所只是研发单位,自身并没有生产能力。而且燃气轮机的生产制造工艺要求非常高,因此燃气轮机的热端核心机,就是燃气发生器部分交由中航集团下的430厂,也就是西安红旗机械厂,现在的西安航空发动机集团有限公司生产;动力涡轮部分交由老牌的哈尔滨汽轮机厂生产。国产型号是GT25000,去掉了代表乌克兰的U字;也有称作CGT25000的,加上了代表中国的C字。还有一种叫法是GT28,见703所所长闻雪友院士发表的论文《GT28燃气轮机工业/船用衍生的技术策略研究》。

在GT25000逐步提升国产化率(从60%到95%以上),性能指标不断完善提高(从25000kW提高到30000kW)的过程中,西安航发试图绕过技术抓总的703所,在中航工业内自行生产该型燃气轮机,并向海军推介,这就是QC280。QC是中航旗下燃气轮机的代号,如QC185。中航集团甚至考虑过收购中船旗下的燃气轮机研发单位。因为中航的大力宣传,在众多国内权威媒体的报道中,大都提到国产化的大功率燃气轮机是QC280。

但总装和海军并没有接受这款“盗版”的QC280,其中既有海军和中船长期合作的行业传统,也有全套知识产权资料和研发能力都在703所的考虑。这里牵涉到具有中国特色的国企行业保护、军品竞争、抓总与配套、知识产权等等诸多方面,很难评判谁是谁非,就不在此讨论了。但可以比较肯定的是,实际装到052C第二批次和所有052D上的全部都是GT25000,而不是QC280,当然它的核心机部分仍然是西安航发生产的。

技术参数

主要衍生型号:

UGT-25000 / DA80:Zorya-Mashproekt生产的乌克兰变体。

GT-25000:中船重工国产化型号。

CGT25-D:GT-25000的变体,具有30MW功率,用于工业用途。2021年出口俄罗斯。

GT-25000 SS 循环:升级到33MW功率,在乌克兰工程师的协助下设计。

GT-25000IC:开发中,目标功率为40MW,采用中冷工艺。

QC-280/QD-280:由西安航空发动机公司按照原厂国产化工艺生产的变体。

QC-280燃气轮机

发展历史

1993年:中国和乌克兰签订UGT-25000燃气轮机生产许可证和单机销售合同,乌克兰向中国出售10台DA80(出口型号为UGT-25000)燃气轮机,并转让相关技术和技术文件。

UGT25000(ДГ-80)燃气轮机

1998年:中国开始UGT-25000燃气轮机的国产化进程,参与单位包括中船重工第703研究所、西安航空发动机公司和哈尔滨汽轮机公司,由703研究所监制。

2004年:第一台国产燃气轮机完成,命名为GT-25000,实现了60%的国产化率,性能与UGT-25000相当。

2010年:GT-25000的全国产化型号完成,国产化率达到98.1%。全国产化型号采用了单晶叶片、全权限数字式电子控制系统(FADEC)等国内最新技术成果,整体性能比乌克兰原产的UGT-25000有较大提高。

2011年:全面完成GT-25000燃气轮机第二阶段国产化研制工作,并按试验大纲完成1000h可靠性试验及300h补充试验考核。12月26日,GT-25000燃气轮机第二阶段国产化研制项目通过鉴定会。

2021年:首台国产GT-25000燃气轮机出口到俄罗斯,在诺瓦泰克天然气增压站完成72h运行考核,顺利交付验收。

GT-25000燃气轮机

系统结构与选材

GT25000采用轴向进气,9级轴流低压压气机,前3级导向叶片可调,9级轴流高压压气机,压比为20。燃烧室结构为逆流环管干式低排放型,有16个火焰筒,互相连接可交叉点火。其中4个火焰筒装有启动点火器。高压涡轮和低压涡轮机均为单级轴流式,采用空气对流冷却,分别驱动高压压气机和低压压气机。动力涡轮为四级,驱动输出轴。燃气轮机置于具有隔声、隔热、通风冷却、消防等多种功能的箱装体内。

GT25000燃气轮机结构示意图

1-进气装置,2-静态油气分离器,3-前机匣,4-低压压气机,5-过渡段,6-高压压气机,7-燃烧室,8-高压涡轮,9-低压涡轮,10-低压涡轮支撑环,11-动力涡轮,12-动力涡轮支撑,13-联轴器,14-发动机后支架,15-底架,16-定位架,17-外置传动箱,18-起动电机,19-发动机前支架,20-下传动箱

低压压气机

九级轴流式,零到八级;每级由一列工作叶片和一列导向叶片组成,工作叶片在前,装于转子上,导向叶片在后,装在机匣上。低压压气机转子为盘鼓式结构(低压压气机的动叶和轮盘全部由钛合金制成),有两个支承,均有油膜阻尼结构。低压压气机为九级,其“0”级为超音速级。在“0”级并设有机匣处理防失速装置以扩大低压压气机在低工况下的稳定裕度。压气机具有三列可转导叶(进口导叶、第零级和第级),在第六级设有放气机构,防止压气机喘振。

低压压气机结构

1-外导流罩,2-进气段,3-内导流罩,4-前机匣,5-传动组件,6-前支撑,7-进口可转导向叶片,8-防失速装置,9-零级可转导向叶片,10-可转导向叶片机匣,11-一级可转导向叶片,12-低压压气机转子,13-抽气收集器,14-轮盘,15-低压压气机机匣,16-工作叶片,17-放气阀,18-低压压气机后轴颈,19-低压压气机前轴颈

高压压气机

九级轴流式,一级至九级,一列工作叶片和随后的一列导向叶片组成一级。转子为盘鼓式结构,动叶为钛合金,轮盘前七级为钛合金,八、九级为镍基合金,压气机各级的轮盘用电子束焊焊接在一起。转子支承在两个具有油膜阻尼结构的支承上。在高压五级后设有抽气口,用于低压涡轮冷却。在每个抽气管上装有放气阀,用于从压气机放气,以改善发动机起动时的工作。

高压压气机结构

1-过渡段,2-高压压气机进口导向叶片,3-高压压气机机匣,4-承力机匣,5-高压压气机前轴颈,6-工作叶片,7-高压压气机出口导向叶片,8-后机匣,9-高压压气机涡轮转子,10-花键,11-高压压气机涡轮转子后支撑,12-高压压气机后轴颈,13-轮盘,14-高压压气机放气阀,15-高压压气机涡轮转子前支撑,16-低压压气机后支撑,17-低压压气机八级导向叶片

燃烧室

逆流环管式,这种方式较之直流布置可缩短转子支承的跨距,使临界转速明显提高。有16个火焰筒,互相连接可交叉点火,其中4个火焰筒装有启动点火器。燃烧室可以适应双燃料:柴油和气体燃料。

火焰筒9是燃烧室的关键部件,分布在燃烧室外壳体8和内壳6之间的环形空间内,其头部稍许抬高,喷油嘴固定在高压压气机承力机匣、对应每个火焰筒的凸台上。火焰筒的设计保证燃油与空气的良好混合、燃油的蒸发和燃烧。起动时燃油在燃烧室内由两只点火器10点燃,每个点火器点燃两个火焰筒内的燃油空气混合物。从一个火焰筒向另一个火焰筒的联焰通过火焰筒上的联焰管来完成。

喷油嘴5是双油路双喷口离心式喷油嘴,共16个完成向燃烧室的供油和雾化。双油路双喷口离心式喷油嘴可保证在全部工况范围内的燃油雾化质量。第一油路保证发动机起动并进入慢车工作,发动机的其他工况由双油路联合工作保证。

燃烧室结构

1-第一油路总管,2-第二油路总管,3-第一油路供油管,4-第二油路供油管,5-喷油嘴,6-内壳,7-定位器,8-燃烧室外壳体,9-火焰筒,10-点火器

高压和低压涡轮

导叶、动叶均为冷却叶片。高压涡轮导叶为双支点叶片,低压涡轮导叶则为悬挂式的三个一体的成组叶片。导叶进气边是气膜冷却,叶片的中间部分和出气边则采用涡流矩阵冷却,这样,尽管燃气初温高达1245℃,但叶身温度仍控制在适当温度范围。加之导、动叶表面均采用了抗高温氧化、抗腐蚀的多元复合涂层,确保了叶片的工作寿命。高、低压涡轮的动叶均为带冠冷却叶片。为了减少泄漏,提高效率,在涡轮部件中大量采用了蜂窝封严结构。

高压涡轮和低压涡轮结构

1-高压涡轮承力机匣,2-低压涡轮导向叶片组,3-低压涡轮导向器机匣,4-低压涡轮工作叶片,5-支撑环机匣,6-外导流罩,7-补偿器,8-承力支杆,9-导流板,10-内导流罩,11-低压涡轮转子后支撑,12-低压涡轮轴,13-高压涡轮轴颈,14-高压涡轮盘,15-低压涡轮盘,16-隔板,17-高压涡轮导流器,18-高压涡轮导向叶片,19-高压涡轮工作叶片

动力涡轮

四级悬臂式结构,支承在前支承(滚柱轴承)和后支承(滚珠轴承)上,后支承处还设有一个滑动止推轴承,当轴向力小时由滚珠轴承承受,当推力大于某一值后,其余轴向力均由滑动止推轴承承受。动力涡轮的三、四级动叶为带冠叶片,动力涡轮效率约92%。动力涡轮的功率通过在转子后端的弹性轴输出。弹性轴的两端设有锥盘式挠性联轴器,可以补偿轴向变形及不对中。

动力涡轮结构

1、2、23、24-轮盘,3、17-内导流罩,4、9-机匣,5、7、10、12-导向叶片,6、8、11、13-工作叶片,14-支撑环机匣,15-补偿器,16-支杆导流支板,18-轴承壳体,19-滚珠轴承,20-止推滑动轴承,21-弹性联轴器,22-动力涡轮轴,25-滚柱轴承

滑油系统

在所有工况下保证发动机轴承部件、齿轮啮合和其他磨擦零件的润滑和冷却。

滑油系统

1-静态油气分离器,2、27-压差传感器,3、28-油滤,4、25-压力传感器,5、6、15、16、24-压力信号器,7-备用测点接头,8-保护油滤,9-金属屑信号器,10-温度热电阻,11-压降调节器,12-滑油油气分离油箱,13-通气阀,14-电动回油泵,17-外置传动箱,18-下传动箱,19-油位信号器,20-滑油组件,21-循环油箱,22-止回阀,23-电动供油泵,26-节流孔板,29-滑油冷却器,30-截止阀

箱体

箱体主要由发动机支撑、主框架、检修门、可拆卸侧壁板顶板、进气隔板、通风与加热系统、灭火系统和照明系统等组成。箱体与弹性轴保护罩、进气挠性接头、引射挠性接头、排气挠性接头和底架组成封闭结构形式。燃气轮机箱装体把燃气轮机本体和辅助系统装在一个封闭的空间内,具有冷却、隔热、隔声及气密性的功能。

箱装体外型图

1-前端板,2-进气挠性接头,3-引射挠性接头,4-顶板,5-排气挠性接头,6-观察窗,7-侧板,8、9-检修门,10-吊耳,11-底架

箱装体装配示意图

1-前端板,2-1号侧板,3-底架,4-2号侧板,5-3号侧板,6-燃气轮机,7-4号侧板,8-弹性轴,9-轴罩,10、12-后端板,11-主框架,13-4号顶板,14-排气挠性接头,15-照明灯,16-3号顶板,17-电加热器,18-2号顶板,19-引射挠性接头,20-通风挡板阀,21-进气挠性接头,22-1号顶板

装舰情况

GT-25000燃气轮机装备了中国的多种型号驱逐舰,如052B型、052C型、052D型驱逐舰以及055型驱逐舰。

2002年,首批采用进口UGT-25000燃气轮机的052B型驱逐舰广州舰、武汉舰,以及两艘052C型驱逐舰“兰州”号和“海口”号陆续服役,这四艘战舰被外界誉为“江南四杰”。

052B型驱逐舰首舰——广州舰

2010年,中国海军迎来重大技术突破,代号为052C型的导弹驱逐舰“长春”舰正式下水。该舰首次配备了自主研发的UGT-25000型燃气轮机,标志着我国海军大型水面舰艇的动力系统彻底摆脱了对蒸汽轮机的依赖,实现了动力来源的现代化转型。

052C级导弹驱逐舰的三号舰——长春舰

2011年,船舶工业领域的自主化进程进一步加速。作为技术攻关和逆向工程的主要承担者,中国船舶重工集团率先取得了突破性成果,成功将关键设备国产化率提升至98.1%。新一代国产燃气轮机被正式命名为GT-25000,而武汉舰则成为首艘装备该型号动力系统的作战舰艇,体现了国产动力系统从研发到实装的无缝衔接。

052B型驱逐舰——武汉舰

2011年之后,随着GT25000燃气轮机的定型,我国海军开始大批量建造各种主力舰艇,例如055型驱逐舰、052D型驱逐舰等等,都采用了GT25000燃气轮机。但是,从综合性能来说,GT25000燃气轮机的原型,仍然是苏联80年代的技术。按照公开报道,GT25000燃气轮机额定功率达到 26.7MW,净效率 36.5%。

052D型驱逐舰成都舰,采用柴燃交替动力(CODOG)系统,由两台GT-25000燃气轮机与两台柴油机组成

参考文献

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