【长知识】LM2500系列燃气轮机发展探析
通过对GE公司生产的 LM2500系列航改燃气轮机发展历程进行回顾，讨论 LM2500系列航改燃机的技术特点、优势及发展过程，介绍航改燃机改进的原则及方法，为促进我国的航改燃机产业的健康发展提供理论参考。
与其他传统动力相比，航改燃气轮机（简称燃机）具有功率大、结构紧凑、质量轻、维护方便、可靠性高等优点， 自诞生之日起就受到工业界的高度重视，在电力工业、管道输送、石化冶金、舰船动力等领域得到了广泛的应用。 随着相关技术的不断进步，航改燃机不断改良，朝着更可靠、更经济、更环保的方向发展。
随着新技术和新材料的逐步升级改造，GE公司的LM2500系列航改燃机已经产生LM2500、LM2500+、LM2500+G4等一系列型号，整机性能不断提高，涵盖了从23MW至33MW的功率等级。自LM2500系列航改燃机于20世纪70年代初正式投入使用以来，现已销售2000余套。在工业中，LM2500系列机组总运行时间已超过4000万小时；在舰船中，LM2500系列机组总运行时间已超过5000万小时，是任何一种燃机都难以企及的。这主要归功于LM2500系列机组的高性能、高可靠性和高利用率。
1LM2500燃机
1970年，GE公司对第一台LM2500燃机样机进行海试。样机输出功率达17.9MW，效率为35.5%，完全能够满足军方要求，随后 LM2500燃机进行批量生产。
1.1 航改途径
LM2500燃机由航改燃机航空涡轮风扇发动机TF39军用型）及CF6-6（民用型）改制而成。
1.2 结构特点
LM2500燃机（如图1所示）由单转子燃气发生器和动力涡轮部件组成。其中，燃气发生器由压气机、环形燃烧室、涡轮构成。
图1：LM2500燃机
压气机采用16级轴流式压气机，其中1—6级静子叶片可调。燃烧室为环形，有30个燃油喷嘴及2个点火装置，整体采用气膜冷却技术。涡轮采用2级轴流式，其转子叶片和静子叶片均采用气冷结构。 涡轮机匣为蜂窝状篦齿密封结构。
动力涡轮采用原航空发动机（TF39/CF6-6）的低压涡轮。燃机改装时，动力涡轮进口温度较航机大幅下降，为低负荷设计，级数为6级。因此，动力涡轮的工况效率高达92.5%，且性能良好。动力涡轮的制造采用抗腐蚀材料，并且涂有涂层，能大大延长其使用寿命。
同时，LM2500也在不断发展中，功率由1970年的17.9MW增加到目前的23.3MW，热效率也由35.5%增至36.6%。
2LM2500+燃机
LM2500+燃机是在LM2500燃机的压气机前增加0级压气机，从而使其空气流量和输出功率有较大提高。LM2500+燃气轮机的结构如图2所示。
2.1升级原因
20世纪90年代初，虽然通过各类技术改进，GE公司将LM2500燃机的功率提高至22.0MW级别，但随着各国海军舰艇对动力装置功率要求的不断提高，其燃机功率已不能满足需求。在此背景下，GE公司决定在LM2500燃机的基础上，研制其改进型燃机。LM2500+燃机在1998年研制成功，其功率达到29.8MW，热效率为38%。
升级过程中，保留原LM2500燃机的结构特点、材料工艺及配套设施，并继承其高可靠性和高使用寿命。在此基础上，采用保守设计方法研制LM2500+燃机。
2.2改进设计
在原有的16级压气机前新增0级压气机，形成新的17级轴流式压气机。新增加的0级压气机采用整体叶盘结构，可靠性及寿命都有所提高。同时，可调进口导向叶片与其后的0—6级可调静子叶片相配合，保证了良好的压气机性能并降低了喘振的可能性。
重新设计的第1级转子叶片采用基于航机CF6-80C2叶型的宽弦叶片，去掉了原LM2500燃机第1级转子叶片的突肩。同时第2、3 级转子叶片采用航机CF6-80C2的叶型设计。0—11级静子叶片也采用航机 CF6-80C2的叶型设计。新型压气机使空气流量增加了23%，压比从19.3增加到23.3，效率提高了0.5%。
动力涡轮流通面积增加了大约11%，以适应空气流量的提高。同时，各传动部位也得到了增强，以适应输出功率的提高。LM2500燃机与LM2500+燃机结构对比如图3所示。
3LM2500+G4燃机
LM2500+燃机投产以后，GE公司于2005年开发了新一代的LM2500+G4燃机，其功率由30.0MW提高到33.4MW，同时增加了燃气初温及压比，且空气流量约增加5%。
3.1升级基本原则
综合考虑复杂程度、进度安排、技术风险和费用支出等因素，增加功率的最容易、稳妥方法是增加空气流量。其技术风险最低，且升级费用合理。
3.2 主要设计改进
对转子叶片和静子叶片叶型做小规模改动，以便提供更高的空气流量。同时压气机和涡轮叶片采用新型冷却技术和材料，使其可以承受更高的温度。
3.3 主要性能
新一代LM2500+G4燃机的功率高达33.4MW，热效率高达39%。LM2500系列燃气轮机与其他型号燃机性能对比见表1。
表1 LM2500系列燃气轮机性能参数
4燃机发展启示
显而易见，航空发动机是按照飞机的使用条件来设计制造的，其运行环境、状态等都跟陆地、海洋有着非常大的区别。因此，必须根据陆地、海洋环境的特殊要求，对航空发动机进行适当的改造，才能获得性能优异、质量可靠的工业、舰用燃机。
通常来讲，航改燃机主要对原航机进行以下方面的改进：
1）降低工作参数。为了达到较高的性能，航机一般采用比较高的工作参数，其中最具代表性的参数是燃气初温（涡轮前温度），但其工况变化范围比较小。这跟工业、舰船用燃机的要求差异很大。由于其工作条件远比航机恶劣，因此，航改燃机最有效的方法就是降低燃气初温和转速。虽然降低工作参数会降低燃机效率和功率，但可以使燃机寿命和可靠性大幅提高。
2）各部件改动。航机大部分时间工作于空气稀薄的高空，而燃机工作在海平面高度，空气密度大、压强高。所以必须对压气机和涡轮的设计进行适当修改甚至重新设计，以适应新的气动参数。同时，航机的燃料为高质量的航空煤油，而燃机的燃料通常为柴油甚至重油，具有密度高、黏度大、气化速度慢、燃烧能力差等缺点。所以必须对燃烧室进行改动，在保证性能要求的前提下，提高燃烧室的效率和寿命。
3）增加部件。燃机必须以轴功率形式输出动力，因此航改燃机需要去掉原航机的反推装置、加力燃烧室、尾喷管等部件，加配符合要求的动力涡轮。
4）改进材料。航机在高空洁净的大气中工作，部件工作条件较好。而燃机在工作过程中会吸入大量的烟雾、粉尘等污染物，腐蚀燃机部件，影响燃机的工作性能和使用寿命。航改过程中，必须对原航机部件的材质进行更换或者采取表面处理，以提高部件的防腐性能。
纵观世界燃气轮机发展史，航改燃机可以最大程度继承航机的资源，具有节约资金、缩短研发周期、降低风险等诸多优势，是燃机发展的一个最重要方向。以一款成功的燃机为基础，经过不断升级改进，可以逐步衍生发展出一系列燃机，这不仅赋予原形燃机强大的生命力，而且形成更新换代的良性发展态势，同时也保证了后续燃机的可靠性、低风险、低成本、短周期。
通常升级的途径主要有3个：一是提高燃气初温和压比；二是增加空气流量；三是采用复杂循环（GE公司的LMS100燃机）。在升级改进中，增加空气流量是低成本和低风险的方式。GE公司航改燃机发展示意图见图4。
5结语
来源于航空涡扇发动机的LM2500燃机自诞生之日起，逐步得到改进和提高。从最初的18.0MW到G4的33.4MW，LM2500燃机涵盖了2个连续的功率等级，充分满足了各类客户的需求。可以认为，LM2500燃机是世界上最成功和优秀的燃机，其发展历程为我国大规模开展燃机轮机研究提供了宝贵经验。
来源：LM2500系列燃气轮机发展探析，沈烨，农业科技与装备第10期，2012
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