俄罗斯船用及工业燃气轮机的发展和应用现状

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(1.中船重工集团公司第七○三研究所，哈尔滨 150078；2.黑龙江大学，哈尔滨 150086)

苏联的国有企业“曙光-机械设计”燃气轮机科研生产联合体(ГУ НПО“Зоря-Машпроект”)与美国GE公司和英国Rolls-Royce公司并列为世界三大主要船用燃气轮机研制生产企业，设计制造了大量船用燃气轮机。自20世纪60年代以来，一直到1991年，俄罗斯一直是船用燃气轮机的最大使用国。到1990年，苏联海军已安装使用燃气轮机近千台。但是，在苏联解体后，前苏联惟一的船用燃气轮机研制企业划归乌克兰，致使俄罗斯海军不得不依靠外国生产企业来供应船用燃气轮机。为此，俄罗斯一些设计局开始加紧研制国产船用燃气轮机。

为满足简单循环燃气轮机电站和联合循环燃气轮机电站对中等功率和大功率发电用燃气轮机装置提出的巨大需求，俄罗斯许多发动机设计局和涡轮机制造工厂正在积极开发相应功率的国产燃气轮机[1]。

根据所掌握的资料，本文试图对俄罗斯船用及工业燃气轮机的发展现状作一综述和分析，力图展示俄罗斯燃气轮机工业发展概貌。

1 俄罗斯主要燃气轮机产品

与西方国家一样，俄罗斯发展工业燃气轮机基本上也是通过两种途径：利用技术成熟的航空发动机进行改装以及移植航空技术设计专用的工业燃气轮机。

苏联作为世界超级大国，拥有非常雄厚的航空工业基础和许多著名的航空发动机设计局，下面仅就其中几家主要设计局在开发船用及工业燃气轮机方面所作的工作做一简单介绍。

1.1 彼尔姆“航空发动机”科研生产联合体——ОАО “Авиадвигатель”Пермь

彼尔姆航空发动机科研生产联合体是俄罗斯最早的航空设计局之一[2]。该企业生产的索洛维也夫型涡轮风扇发动机装备了俄罗斯民航总局所属的绝大多数民航飞机。最新的索洛维也夫型涡轮风扇发动机是PS-90A型双转子发动机，推力为156.5 kN。该设计局已将其选作系列工业改型燃气轮机的设计基础。

20世纪90年代，彼尔姆“航空发动机”股份公司确立了新的设计方向，以航空发动机为基础制造工业燃气轮机装置。彼尔姆“航空发动机”股份公司为俄罗斯天然气工业总公司设计并制造了2.5～25 MW多功率档次的燃气轮机电站和燃气轮机天然气压缩机组，以满足国内巨大的天然气输送管道和电站建设需求。该设计局所设计的最主要的工业型燃气轮机是驱动压缩机用的GTU-12P燃气轮机(12 MW)。该机以PS-90A单轴高压核心机为基础增加了二级动力涡轮，在ISO条件下的热效率可达到34.6%。该设计局所拥有的另一型输气管线用燃气轮机为GTU-16P燃气轮机，功率为16 MW。该型机装有经过改装的低压转子和高压涡轮，并采用三级动力涡轮，热效率可达37%[3]。

公司在已有的系列燃气轮机基础上进行了一系列的改造和创新，设计并生产了功率为2.5、4.0和6.0 MW的“乌拉尔(Урал)”系列模块化轻型燃气轮机移动电站和增压站，完成以石油伴生气为燃料的燃气轮机装置GTU-12PG-2的设计工作。到2008年6月，以航空发动机ПС-90А为基础建造的全部燃气轮机动力装置已经累计运行达到300×104h。截止2011年7月27日，彼尔姆“航空发动机”股份公司已经生产并交付使用了600余台各型燃气轮机动力装置。

1.2 萨玛拉库兹涅佐夫科学技术联合体——СНТК (NK Engines)

自20世纪60年代开始，萨玛拉库兹涅佐夫科学技术联合体作为俄罗斯第一家将航空燃气轮机改装成工业燃气轮机的设计局，陆续将其所属航空涡轮螺桨发动机、涡轮风扇发动机和螺桨风扇发动机通过改装途径发展成为供天然气输送和发电机驱动用的工业燃气轮机系列产品。

在航改机研制方面，萨玛拉库兹涅佐夫科学技术联合体拥有许多优势。其设计生产的航空发动机主要用于装备运输机或者轰炸机。与其他设计局为直升机或歼击机配备的发动机相比，其优点在于核心发动机具有更大的质量流量和更长的总飞行时数。由世界上功率最大的HK-12涡轮螺桨发动机(11 MW)改装而成的工业型压缩机驱动用HK-12ST(NK-12ST)燃气轮机是库兹涅佐夫系列的第一型航改机。

HK-12ST在ISO条件下基本负荷额定功率为6.3 MW，热效率为26.1%。带有安装机架时，该燃气轮机的重量约为3 500 kg，规定的大修寿命约为15 000 h。自1964年第一台HK-12ST安装在输气管线上使用以来，至今已经交付1 800多台，主要安装在西伯利亚、保加利亚、波兰、阿根廷和中东的输气管线上，天然气泵送的总时数已经超过3 000×104h。以该型燃气轮机及该设计局其它航空发动机为基础，该企业发展出了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)系列工业燃气轮机。由于采用了通用性设计理念，这些燃气轮机具有很高的模块化程度，这使其更便于生产、运输、装配和维修。

1.3 土星科研生产联合体——НПО Сатурн

以设计歼击机、强击机发动机而著称的土星科研生产联合体，选择其推力为122.5 kN带加力燃烧的AL-31F双轴航空涡轮风扇发动机(苏霍伊Su-27歼击机的发动机)作为改型设计发电机和输气管线压缩机驱动用的系列工业燃气轮机的母型机。针对不同的额定功率需求，燃气轮机分别配装三级、四级或者五级由土星科研生产联合体自行设计的自由动力涡轮。这些燃气轮机的额定功率主要集中在0.7～20 MW范围内，但通过注水可将功率提高到40 MW。该企业自行研制了用于驱动发电机和输气管线压缩机的额定功率为16 MW的AL-31ST燃气轮机。

2 船用燃气轮机装置

苏联在船用燃气轮机的研制和应用领域一直都处于世界领先水平。在苏联解体后，由于各种资源按属地原则划分，苏联惟一的船用燃气轮机研制企业归属了乌克兰，致使俄罗斯海军失去了惟一的船用燃气轮机动力装置设计生产单位。

为此，“土星”科研生产联合体着手设计并成功推出了三型第四代高效自动化船用燃气轮机：功率为4.5～5.2 MW、耗油率为0.254 kg/(kW·h)的M75РУ、功率为9.0～10.4 MW、耗油率为0.231 kg/(kW·h)的М70ФРУ和功率为20.5 MW的M90ФР[4-5]。这些燃气轮机的全寿命可达到40 000 h，大修寿命为20 000 h。2006年底， M75РУ型燃气轮机通过第一阶段车台试验。2007年，M70ФРУ燃气轮机已经通过国家试验。该型机被确定为俄罗斯第四代船用燃气轮机的基础型号动力设备。“土星”科研生产联合企业未来还要对该燃气轮机进行一系列的改进，以满足俄海军和海岸警卫队舰艇对不同功率动力设备的需求。至此，俄罗斯终于结束了依赖外国同类发动机供货的时代，开始用国产船用燃气轮机动力装置装备波罗的海、北海、里海和太平洋舰队的新建舰艇。“土星”科研生产联合企业终于成为继美国GE公司、英国R·R公司和乌克兰国有企业“曙光-机械设计”燃气轮机制造科研生产联合体之后第四家可以设计和生产船用燃气轮机动力装置的企业。

彼尔姆“航空发动机”科研生产联合体目前已经完成了GTD-8PM、GTD-12PM和GTD-16PM三型船用燃气轮机的设计工作，并有意将其推广成为军舰和商船的主动力装置。这三型发动机都是基于该联合体自有的ПС-90А型航空涡轮风扇发动机经过改型研制而成，与该型发动机具有很高的通用性。这三型燃气轮机都是由单转子燃气发生器和不可倒车的自由动力涡轮组成，包括有12个火焰筒的管环式低排放燃烧室和单独的过渡段，都配备有全权限数字控制和监控系统，可在启动、稳态和瞬变状态下对发动机实施控制。这些船用燃气轮机的技术规范见于表1。

3 发电用燃气轮机装置

3.1 小功率发电用燃气轮机

在工业燃气轮机发展的历程中，发电用燃气轮机装置一直是俄罗斯陆用燃气轮机中的弱项。成熟的产品主要是一些功率不超过30MW的小功率燃气轮机。

萨玛拉库兹涅佐夫科学技术联合体向国际市场推出的系列发电用燃气轮机装置的技术规范见于表2和表3[6]13-24,27-36。

彼尔姆“航空发动机”科研生产联合体向国际市场推出的发电用燃气轮机的技术规范见于表4。

表2 简单循环技术规范(ISO条件)

表3 联合循环技术规范(ISO条件)

表4 简单循环技术规范(ISO条件)

3.2 中等功率发电用燃气轮机

中等功率发电用燃气轮机是指额定功率在50～80 MW范围内的燃气轮机。

以ГТУ-16П驱动用燃气轮机装置14级模化压气机为基础，彼尔姆航空发动机科研生产联合体设计了在ISO条件下额定功率达到68 MW的ГТЭ-65П发电用燃气轮机装置。该单轴燃气轮机装置的技术水准相当于“F”级技术等级，其主要技术特性见于表5，NOx/CO排放量中的体积为标准状态下的体积。

表5 ГТЭ-65П发电用燃气轮机装置主要技术特性指标

在成立150周年之际，俄罗斯首屈一指的涡轮机(燃气轮机和汽轮机)制造工厂——列宁格勒金属工厂(ЛМЗ)制造出了相当于“F”级技术等级的中等功率ГТЭ-65发电用燃气轮机装置[7]。在该燃气轮机装置设计中，压气机采用了全模化设计方法，选用中央航空发动机研究所(ЦИАМ)—中央锅炉涡轮机研究所(ЦКТИ)的压气机、萨玛拉库兹涅佐夫科学技术联合体的压气机和ГТ-100的压气机作为ГТЭ-65燃气轮机16级压气机的设计原型。鉴于国有企业《伊夫钦科—前进》(ГП 《Ивченко-Прогресс》)在建造低排放燃烧室(НЭКС)方面积累的大量经验，列宁格勒金属工厂与该企业合作完成了ГТЭ-65低排放环形燃烧室的设计与制造。ГТЭ-65燃气轮机装置已经交付俄罗斯电站正式投入运行。其主要技术特性见于表6。

3.3 大功率发电用燃气轮机装置

大功率发电用燃气轮机装置始终是俄罗斯燃气轮机制造业中最薄弱的一个环节。但是，随着老式汽轮机电站改造，以及高效率低排放燃气轮机联合循环电站的建造需求，研制大功率燃气轮机装置已成为俄罗斯燃气轮机制造业必须要面对和完成的一项重要任务。

列宁格勒金属工厂已经从Siemens公司获得了ISO条件下基本负荷额定功率168MW、效率34.7%的V94.2燃气轮机(ГТЭ-160)的生产许可证。土星科研生产联合体也已经研制出ГТЭ-110(110 MW)发电用燃气轮机装置，并已经成功将其应用到300 MW燃气轮机联合循环电站上[8]。基于ПС-9A航空涡轮风扇发动机13级模化高压压气机，彼尔姆“航空发动机”科研生产联合体和列宁格勒金属工厂还联合设计了ГТЭ-180发电用燃气轮机装置[9]。该单轴燃气轮机装置主要技术特性指标见于表7。该型燃气轮机装置的方案设计、工艺设计和施工设计已经完成，并已进入生产准备阶段。但由于资金问题，该装置的生产计划被迫搁置。这明显拖延了俄罗斯在世界燃气轮机市场中抢占45～220 MW单机功率燃气轮机市场份额的脚步。

表6 ГТЭ-65燃气轮机装置主要技术特性指标

表7 ГТЭ-180燃气轮机装置主要技术特性指标

4 机械驱动用燃气轮机装置

由于天然气的开采、应用和输送一直是俄罗斯工业中的重要领域，因此在工业燃气轮机的发展历史中机械驱动用燃气轮机装置始终是俄罗斯陆用燃气轮机制造业的一个重要组成部分。机械驱动用燃气轮机的功率通常不超过40 MW，属于轻型燃气轮机范畴。基于前苏联强大的航空工业基础，通过航空发动机改装，俄罗斯已拥有多型该功率等级的燃气轮机，而其中一些燃气轮机就是性能极为优良的机械驱动用燃气轮机装置[10]。

萨玛拉库兹涅佐夫科学技术联合体向国际市场推出的机械驱动用燃气轮机的技术规范见表8[6]39-44。

彼尔姆“航空发动机”科研生产联合体向国际市场推出的机械驱动用燃气轮机的技术规范见于表9。

表8 机械驱动用燃气轮机装置技术规范(ISO条件)

表9 彼尔姆“航空发动机”科研生产联合体机械驱动用燃气轮机的技术规范(ISO条件)

应用复杂循环技术，彼尔姆“航空发动机”科研生产联合体研制出了ГТУ-30ПС机械驱动用燃气轮机装置。在循环回路中，与燃气轮机装置通过机械方式连接在一起的余热利用回路能使ГТУ-30ПС的效率与简单循环装置相比提高12%～14%。ГТУ-30ПС还可用于更高功率的天然气泵送装置以及燃气轮机电站。该装置的主要技术特性指标见表10。

表10 ГТУ-30ПС机械驱动用燃气轮机装置主要技术特性指标

5 对中国燃气轮机技术发展的借鉴意义

我国现今的经济高速发展，正快速地融入全球一体化的经济当中，如何推动燃气轮机技术的快速发展，并培养和打造中国的燃气轮机核心设计和制造能力，同时如何选择正确的发展道路来赶超世界先进国家，这些问题始终牵动着中国“燃气轮机人”的心。为了满足我国目前电力生产、输气/油管线和舰船动力对燃气轮机动力设备的需求，制定最佳的开发途径、确定正确的开发方针、组织优势力量建立起本国燃气轮机工业是我国当前动力工程领域必须要解决的一项紧迫任务。

世界上很多发展中国家建立和发展本国燃气轮机工业的经验表明，走与国外先进燃气轮机制造企业建立合资企业的道路是开发、建立本国燃气轮机工业的一条又快、又好、又省的途径。通过对俄罗斯主要燃气轮机设计制造企业的科研生产状况、业绩及产品进行比对，可以看出，俄罗斯的彼尔姆“航空发动机”科研生产联合体具有非常优越的条件，可以作为我国燃气轮机工业企业发展的首选合作伙伴。

该企业已有多型发电用和机械驱动用燃气轮机推行于国际市场，其中包括性能极为优良的GTU-25P型燃气轮机(机械驱动用功率为25 610 kW、效率为40.0%；发电用功率为23 000 kW、效率为36.7%)。该企业已设计完成的船用燃气轮机GTD-8PM(功率8 200 kW，效率33.8%)和GTD-12PM(功率12 600，效率34.6%)可作为我国海军装备气垫登陆艇和护卫舰的备选动力设备机型。此外，彼尔姆“航空发动机”科研生产联合体与列宁格勒金属厂联合设计的ГТЭ-180重型发电用燃气轮机(功率180 MW，效率37.1%)的性能达到世界先进水平，可以满足我国简单循环和联合循环燃气轮机电站的建设需求。同时该企业技术力量雄厚，科研活动十分活跃，创新能力强，是值得我国燃气轮机工业企业作为选择合作的首选对象。

6 结论

1)随着前苏联的解体，俄罗斯燃气轮机制造业的发展步伐一度呈现减缓的趋势，表现为中等功率和大功率燃气轮机发展迟缓，并且没有可供选择和应用的国产船用燃气轮机。

2)一些航空发动机设计局，已经通过航机改装的途径开发和研制出满足俄罗斯海军需求的船用燃气轮机，填补了本国空白。

3)由于已有的航空发动机研制基础，俄罗斯在小功率范畴的机械驱动和发电用工业燃气轮机方面发展势头良好，拥有一系列性能优良的机组。与美国和英国同类机组相比，其性能毫不逊色。

4)目前，俄罗斯许多设计单位正在加紧开发研制既能满足本国电力生产需求，又能在世界市场上具有良好竞争力的中等功率和大功率发电用燃气轮机装置。

5)在制造具有世界先进水平的新一代国产燃气轮机装置时，俄罗斯应坚持内外兼修，不仅要充分利用在大功率燃气轮机装置许可证生产过程中积累的外国先进技术和经验，而且还要有效地利用本国已有的航空发动机制造业的成就。

6)中国燃气轮机制造业必须建立中长期发展战略，对整个行业进行整体规划和统筹发展，走自主研发与对外合作齐头并进的道路。

7)彼尔姆“航空发动机”科研生产联合体拥有良好的技术基础和成熟的型号产品，可以作为我国燃气轮机制造企业的长期合作伙伴。

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