燃气轮机的发展及中国的困局_李孝堂
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为了满足市场需求，世界知名航空发动机公司由 航空发动机改型研制了 3 代轻型燃气轮机 （见表 1）， 收到了投资少、周期短、见效快、效率高、经济性好、可 靠性高、使用维护方便的效果。第 1 代航改燃气轮机 包括工业 Avon、工业 Olympus、TF4 等，于 20 世纪 60 年代初开始研制，在 70 年代推广应用于工业发电、舰 船推进、油/气输送等领域；第 2 代航改燃气轮机包括 LM2500、LM5000、工业 RB211、工业 Spey、FT8 等，于 70～80 年代先后由大型航空涡扇发动机 CF6、TF39、 RB211、Spey、JT8D 等改型研制；第 3 代航改燃气轮机 包括工业 Trent、501F、FT4000、V84-3A、工业 GE90AD 等，于 80 年代以后以大型航空涡扇发动机 Trent、 GE90、PW4000 等为基础，采用航空发动机积累的各 种新技术、新材料及新设计，吸取前期航改燃气轮机 的使用经验，取得了“可靠性更高、维修性更好、污染更 低、功率范围更宽广、应用前景更广阔”的效果。
由于与航空发动机同样具有质量轻、功率大、污 染小、起动快、加速性好、可靠性高等相似的技术要 求，以及随着第 2 次世界大战后航空发动机技术快速 发展和产品不断成熟，燃气轮机主要采用“轻型燃气轮
2011 年 第 37 卷 第 3 期 Vo l.37 No .3 J u n . 2011
机由成熟航空发动机改型研制，重型燃气轮机移植航 空发动机技术研制”的发展途径进行大力开发和应用。
中国燃气轮机的研制起步较早但进展较慢，距离世 界先进水平还存在较大差距。因而，研究、总结和借鉴世 界先进燃气轮机研制的规律与经验，对于制定符合中国 国情的燃气轮机发展战略具有非常重要的作用。
1 国外燃气轮机发展的现状及趋势
燃气轮机的发展代表着国家重大装备制造业的总 体水平，是国家高新技术与科技实力的重要标志之一。 目前，世界上只有美、英、俄、德、法、日等少数国家具备 独立研制燃气轮机的能力。这些国家借助技术优势和综 合国力，开发了从几十千瓦到几十万千瓦的不同功率档 次的燃气轮机，并将其广泛应用于军民领域。 1.1 发展历程与现状
GTU-16P PS-90A
1130 16.0 37.0
AL31-STE AL-31F
16.0 36.5
LM6000 CF6-80C2
45.0 40.4
第 工业 Trent Trent
3 FT4000 工业
代 GE90AD
PW4000 GE90
WR-21 RB211 Trent
55.0 41.6 45.0 41.0 50.0 42.0 25.3 42.0
发，近年来发展迅速。 20 世纪 80 年代后期以前，重型燃气轮机功率增
长迅速，但在技术上发展较慢。GE 公司由 MS3000 系 列，经 MS5000 和 MS7000 系列，发展到 MS9000 系列 重型燃气轮机，功率由 10 MW 增大到 123 MW，压气 机由 15 级增加到 17 级，压比由 7.0 增大到 12.3，效 率由 25%提高到 32%，联合循环的功率和效率分别 达到 167 MW 和 47%。也就是说，在这一时期，重型 燃气轮机的简单循环功率增大 10 多倍，效率较轻型 燃气轮机的低 3～5 个百分点；联合循环的效率与轻型 燃气轮机的差距很小，但具有可以燃用像重油这样的 劣质燃料的突出优点。
20 世纪 80 年代后期以来，由于航空发动机发展 迅速，特别是民用航空发动机技术日益成熟和大量应 用，西屋、GE 动力、西门子、ABB 等公司通过部分技 术引入（如 3 维可控叶型、气冷高温涡轮、耐热合金材 料、耐磨且隔热涂层等），采用比例放大和国际合作 （RR 公司与西屋及 ABB 公司合作、PW 公司与西门 子公司合作，GE 公司则轻型、重型燃气轮机 2 个部门 合作）等方式大量移植航空发动机技术，开发和应用 了 MS9001F、V84-3A (采用 PW 公司的 PW4000 发动 机技术)、501F (采用 RR 公司的 Trent 发动机技术)、 MS9001G、MS9001H、501G、V94 -3A 和 GT26 等 重 型 燃气轮机，功率和性能大幅度提高，市场份额迅速扩 大，见表 2。例如：GE 公司 MS9001F 型燃气轮机借鉴 大涵道比跨声速风扇叶片、耐热合金的气冷涡轮、定 向结晶铸造涡轮叶片、等离子喷涂热障涂层等技术， 性能较 MS9001E 的大幅提高，压比由 12.3 增至 15.0， 涡轮进口温度由 1124 ℃增至 1288 ℃，功率由 123.4 MW 增至 226.5 MW，效率由 31.4%增至 36%，联合循 环功率增至 340 MW，效率达 55.3%，超过轻型燃气轮 机的。在“F”技术取得成功经验的基础上，GE 公司在 美国能源部的支持下，参与先进涡轮系统(ATS)计划， 集中其航空发动机分部、电力分部(重型燃气轮机)和 研究中心的技术力量，全面利用航空技术，开发面向 21 世纪的大功率先进燃气轮机 MS9001G 型和 H 型， 其 18 级压气机是 CF6-80C2 发动机高压压气机 (与 LM6000，LMS100 共用)按 3 倍比例放大，再加 4 级， 压比增至 23.0；4 级涡轮均为航改型 (TIT 高达 1430 ℃)，第 1 级涡轮叶片为单晶精密铸造，第 2～4 级为定 向结晶铸造，全部涂覆耐高温涂层。G 型采用空气冷 却，功率增至 280 MW，效率为 39.5%。与先进的轻型 燃气轮机的相当，联合循 环则分别为 420 MW 和
关键词：燃气轮机；航空发动机；改型；发展
李 孝 堂（1961）, 男 ，自 然 科 学 研 究 员，中航工业沈阳发动机设计研究所副 所长，从事燃气轮机设计与管理工作。
收稿日期：2011- 06- 15
Development of Gas Turbine and Dilemma in China
LI Xiao-tang (AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute, Shenyang 110015, China) Abstract: In order to reference the development experience for the gas turbines in foreign countries to accelerate the development of the gas turbine in China, the development process and trend were summarized and analyzed for the gas turbines in the world. The cuurent status and the existing problems were studied and concluded for the development of the gas turbine in China. The suggestions were given for the accelerating development of the gas turbines in China Key words: gas turbines; aeroengine; derivative; developmnt
功率 /MW 17.0
23.5～28.4
8.6～14.3 13.5
效率 /％ 28.2 28.8
32.4
LMl500
J79
12.5
工业 RB21l
RB211 21.0 1130 27.4 36.0
LM2500 TF39／CF6-6 19.2 1230 12.4～25.1 37.6 JT8D-219
LM5000 CF6-50
型别
投产年份
MS-9001E MS-9001F MS-9001G MS-9001H
701D 701F 701G2 ATS V94-2 V94-3A GT-26 M501G M501J
1979 1991~1992
1995 1997~1998
1981 1992 1999 2000 1981 1995 1994 1995 2011
第
LMl600 F404
2
FT8 JT8D-219
代
LM2500
LM2500+
改进型
26.0 1175 41.0 37.8 22.0 1240 13.8～14.9 37.2 20.0 1160 24.8～26.1 39.0
19.2
27.6～29.0 38.0
GTU-12P PS-90A
1130 12.0 34.5
226
36.0
282
39.5
—
—
134
35.0
235
36.7
308
39.0
350
43.0
154
34.5
240
35.4
241
37.9
267
39.1
320
＞40.0
联合循环
功率/MW
效率/%
189
52.0
Leabharlann Baidu340
55.3
420
58.2
480
60.0
197
49.4
356
55.1
454
58.2
505
60.0
238
李孝堂：燃气轮机的发展及中国的困局
2 /3
58%，高于轻型燃气轮机的。H 型采用蒸汽冷却涡轮， 只有联合循环，功率增至 480 MW，效率为 60%。燃烧
-5
室的干低 NOx系统排放在 1×10 以下。 为了继续保持世界领先地位，世界先进国家的政
府和企业界制订和实施了长期多层次的燃气轮机技 术研究计划（见表 3），开发和验证先进气动、新型结 构、清洁燃烧、新颖材料、先进循环（湿空气、间冷、湿 空气回热 (WIWR)、超级蒸汽喷射循环）技术，以实现 “更高效率与更低排放”的目标，推动燃气轮机产品与 产业的进一步发展。
0 引言
燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后的新 1 代 动力装置，是 1 个国家综合实力的体现，对保护国防 与能源安全、改善能源结构和实现环境可持续发展具 有重要意义。因其具有质量轻、体积小、功率大、起动 快、污染小、热效率高、经济性好、可靠性高、寿命长等 优点，自 20 世纪 30 年代成功制造以来，燃气轮机发 展飞速，广泛应用于发电、分布式能源、天然气管线动 力、舰船动力、坦克战车动力等军民领域，其产品谱系 越来越全，应用范围越来越广泛，产业规模越来越大。
总压比
12.3 15.0 23.0 23.0 14.7 15.6 21.0
21.9 16.6 30.0 20.0 23.0
表 2 典型的先进重型燃气轮机的性能参数
TIT/℃ 1124 1288 1430 1430 1100 1288 1430
1100
— 1600
简单循环
功率/MW
效率/%
123
31.4
2011 年 第 37 卷 第 3 期 Vo l.37 No .3 J u n . 2011
1
燃气轮机的发展及中国的困局
李孝堂 （中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）
摘要：为了借鉴国外燃气轮机的研制与发展经验,以加速中国燃气轮机的发展,总 结和分析了世界燃气轮机的发展历程和趋势, 研究和归纳了中国燃气轮机的发展现状 和存在的问题，提出了加快中国燃气轮机发展的建议。
52.1
1.2 发展趋势 1.2.1 技术向高效率和低污染方向发展
通过采取提高压比、涡轮进口温度和部件效率等 措施，轻型航改燃气轮机和重型燃气轮机的热效率都 在不断提高。对于轻型航改燃气轮机，第 1 代的压比 为 14.0，TIT 为 1050 ℃，效率为 30%；第 2 代的压比达 20.0，效率达 36%～39%；第 3 代的压比达 25.0，效率 达 40%～42%，TIT 达 l450 ℃左右；预研第 4 代的效率 预计达 45%左右。复杂循环燃气轮机主要包括间冷、 回热、间冷回热(ICR)、蒸汽回注、化学回热、湿空气涡 轮(HAT) 等燃气轮机，通过改进热力循环来提高热效
重型燃气轮机是为了满足城市公用电网需要，主 要由三菱重工、GE 动力、西门子、阿尔斯通等公司开
表 1 典型航改燃气轮机的性能参数
代次 型号
原型机 总压比 TIT /℃
工业 Avon Avonl534
第
工业 Olympus201 10.4 1060
Olympus
1
FT3
J57
代 FT4
J75
14.0 1079
由于与航空发动机同样具有质量轻、功率大、污 染小、起动快、加速性好、可靠性高等相似的技术要 求，以及随着第 2 次世界大战后航空发动机技术快速 发展和产品不断成熟，燃气轮机主要采用“轻型燃气轮
2011 年 第 37 卷 第 3 期 Vo l.37 No .3 J u n . 2011
机由成熟航空发动机改型研制，重型燃气轮机移植航 空发动机技术研制”的发展途径进行大力开发和应用。
中国燃气轮机的研制起步较早但进展较慢，距离世 界先进水平还存在较大差距。因而，研究、总结和借鉴世 界先进燃气轮机研制的规律与经验，对于制定符合中国 国情的燃气轮机发展战略具有非常重要的作用。
1 国外燃气轮机发展的现状及趋势
燃气轮机的发展代表着国家重大装备制造业的总 体水平，是国家高新技术与科技实力的重要标志之一。 目前，世界上只有美、英、俄、德、法、日等少数国家具备 独立研制燃气轮机的能力。这些国家借助技术优势和综 合国力，开发了从几十千瓦到几十万千瓦的不同功率档 次的燃气轮机，并将其广泛应用于军民领域。 1.1 发展历程与现状
GTU-16P PS-90A
1130 16.0 37.0
AL31-STE AL-31F
16.0 36.5
LM6000 CF6-80C2
45.0 40.4
第 工业 Trent Trent
3 FT4000 工业
代 GE90AD
PW4000 GE90
WR-21 RB211 Trent
55.0 41.6 45.0 41.0 50.0 42.0 25.3 42.0
发，近年来发展迅速。 20 世纪 80 年代后期以前，重型燃气轮机功率增
长迅速，但在技术上发展较慢。GE 公司由 MS3000 系 列，经 MS5000 和 MS7000 系列，发展到 MS9000 系列 重型燃气轮机，功率由 10 MW 增大到 123 MW，压气 机由 15 级增加到 17 级，压比由 7.0 增大到 12.3，效 率由 25%提高到 32%，联合循环的功率和效率分别 达到 167 MW 和 47%。也就是说，在这一时期，重型 燃气轮机的简单循环功率增大 10 多倍，效率较轻型 燃气轮机的低 3～5 个百分点；联合循环的效率与轻型 燃气轮机的差距很小，但具有可以燃用像重油这样的 劣质燃料的突出优点。
20 世纪 80 年代后期以来，由于航空发动机发展 迅速，特别是民用航空发动机技术日益成熟和大量应 用，西屋、GE 动力、西门子、ABB 等公司通过部分技 术引入（如 3 维可控叶型、气冷高温涡轮、耐热合金材 料、耐磨且隔热涂层等），采用比例放大和国际合作 （RR 公司与西屋及 ABB 公司合作、PW 公司与西门 子公司合作，GE 公司则轻型、重型燃气轮机 2 个部门 合作）等方式大量移植航空发动机技术，开发和应用 了 MS9001F、V84-3A (采用 PW 公司的 PW4000 发动 机技术)、501F (采用 RR 公司的 Trent 发动机技术)、 MS9001G、MS9001H、501G、V94 -3A 和 GT26 等 重 型 燃气轮机，功率和性能大幅度提高，市场份额迅速扩 大，见表 2。例如：GE 公司 MS9001F 型燃气轮机借鉴 大涵道比跨声速风扇叶片、耐热合金的气冷涡轮、定 向结晶铸造涡轮叶片、等离子喷涂热障涂层等技术， 性能较 MS9001E 的大幅提高，压比由 12.3 增至 15.0， 涡轮进口温度由 1124 ℃增至 1288 ℃，功率由 123.4 MW 增至 226.5 MW，效率由 31.4%增至 36%，联合循 环功率增至 340 MW，效率达 55.3%，超过轻型燃气轮 机的。在“F”技术取得成功经验的基础上，GE 公司在 美国能源部的支持下，参与先进涡轮系统(ATS)计划， 集中其航空发动机分部、电力分部(重型燃气轮机)和 研究中心的技术力量，全面利用航空技术，开发面向 21 世纪的大功率先进燃气轮机 MS9001G 型和 H 型， 其 18 级压气机是 CF6-80C2 发动机高压压气机 (与 LM6000，LMS100 共用)按 3 倍比例放大，再加 4 级， 压比增至 23.0；4 级涡轮均为航改型 (TIT 高达 1430 ℃)，第 1 级涡轮叶片为单晶精密铸造，第 2～4 级为定 向结晶铸造，全部涂覆耐高温涂层。G 型采用空气冷 却，功率增至 280 MW，效率为 39.5%。与先进的轻型 燃气轮机的相当，联合循 环则分别为 420 MW 和
关键词：燃气轮机；航空发动机；改型；发展
李 孝 堂（1961）, 男 ，自 然 科 学 研 究 员，中航工业沈阳发动机设计研究所副 所长，从事燃气轮机设计与管理工作。
收稿日期：2011- 06- 15
Development of Gas Turbine and Dilemma in China
LI Xiao-tang (AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute, Shenyang 110015, China) Abstract: In order to reference the development experience for the gas turbines in foreign countries to accelerate the development of the gas turbine in China, the development process and trend were summarized and analyzed for the gas turbines in the world. The cuurent status and the existing problems were studied and concluded for the development of the gas turbine in China. The suggestions were given for the accelerating development of the gas turbines in China Key words: gas turbines; aeroengine; derivative; developmnt
功率 /MW 17.0
23.5～28.4
8.6～14.3 13.5
效率 /％ 28.2 28.8
32.4
LMl500
J79
12.5
工业 RB21l
RB211 21.0 1130 27.4 36.0
LM2500 TF39／CF6-6 19.2 1230 12.4～25.1 37.6 JT8D-219
LM5000 CF6-50
型别
投产年份
MS-9001E MS-9001F MS-9001G MS-9001H
701D 701F 701G2 ATS V94-2 V94-3A GT-26 M501G M501J
1979 1991~1992
1995 1997~1998
1981 1992 1999 2000 1981 1995 1994 1995 2011
第
LMl600 F404
2
FT8 JT8D-219
代
LM2500
LM2500+
改进型
26.0 1175 41.0 37.8 22.0 1240 13.8～14.9 37.2 20.0 1160 24.8～26.1 39.0
19.2
27.6～29.0 38.0
GTU-12P PS-90A
1130 12.0 34.5
226
36.0
282
39.5
—
—
134
35.0
235
36.7
308
39.0
350
43.0
154
34.5
240
35.4
241
37.9
267
39.1
320
＞40.0
联合循环
功率/MW
效率/%
189
52.0
Leabharlann Baidu340
55.3
420
58.2
480
60.0
197
49.4
356
55.1
454
58.2
505
60.0
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李孝堂：燃气轮机的发展及中国的困局
2 /3
58%，高于轻型燃气轮机的。H 型采用蒸汽冷却涡轮， 只有联合循环，功率增至 480 MW，效率为 60%。燃烧
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室的干低 NOx系统排放在 1×10 以下。 为了继续保持世界领先地位，世界先进国家的政
府和企业界制订和实施了长期多层次的燃气轮机技 术研究计划（见表 3），开发和验证先进气动、新型结 构、清洁燃烧、新颖材料、先进循环（湿空气、间冷、湿 空气回热 (WIWR)、超级蒸汽喷射循环）技术，以实现 “更高效率与更低排放”的目标，推动燃气轮机产品与 产业的进一步发展。
0 引言
燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后的新 1 代 动力装置，是 1 个国家综合实力的体现，对保护国防 与能源安全、改善能源结构和实现环境可持续发展具 有重要意义。因其具有质量轻、体积小、功率大、起动 快、污染小、热效率高、经济性好、可靠性高、寿命长等 优点，自 20 世纪 30 年代成功制造以来，燃气轮机发 展飞速，广泛应用于发电、分布式能源、天然气管线动 力、舰船动力、坦克战车动力等军民领域，其产品谱系 越来越全，应用范围越来越广泛，产业规模越来越大。
总压比
12.3 15.0 23.0 23.0 14.7 15.6 21.0
21.9 16.6 30.0 20.0 23.0
表 2 典型的先进重型燃气轮机的性能参数
TIT/℃ 1124 1288 1430 1430 1100 1288 1430
1100
— 1600
简单循环
功率/MW
效率/%
123
31.4
2011 年 第 37 卷 第 3 期 Vo l.37 No .3 J u n . 2011
1
燃气轮机的发展及中国的困局
李孝堂 （中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）
摘要：为了借鉴国外燃气轮机的研制与发展经验,以加速中国燃气轮机的发展,总 结和分析了世界燃气轮机的发展历程和趋势, 研究和归纳了中国燃气轮机的发展现状 和存在的问题，提出了加快中国燃气轮机发展的建议。
52.1
1.2 发展趋势 1.2.1 技术向高效率和低污染方向发展
通过采取提高压比、涡轮进口温度和部件效率等 措施，轻型航改燃气轮机和重型燃气轮机的热效率都 在不断提高。对于轻型航改燃气轮机，第 1 代的压比 为 14.0，TIT 为 1050 ℃，效率为 30%；第 2 代的压比达 20.0，效率达 36%～39%；第 3 代的压比达 25.0，效率 达 40%～42%，TIT 达 l450 ℃左右；预研第 4 代的效率 预计达 45%左右。复杂循环燃气轮机主要包括间冷、 回热、间冷回热(ICR)、蒸汽回注、化学回热、湿空气涡 轮(HAT) 等燃气轮机，通过改进热力循环来提高热效
重型燃气轮机是为了满足城市公用电网需要，主 要由三菱重工、GE 动力、西门子、阿尔斯通等公司开
表 1 典型航改燃气轮机的性能参数
代次 型号
原型机 总压比 TIT /℃
工业 Avon Avonl534
第
工业 Olympus201 10.4 1060
Olympus
1
FT3
J57
代 FT4
J75
14.0 1079