燃机前行　跃上中国动力奋飞之路

——记中航工业动力所副所长李孝堂及其燃机团队

本刊记者　钱朝军

　　
　　多年来，燃气轮机因其应用领域广泛，且功率密度大、效率高、启动快、燃料适应性强、污染排放水平低等诸多优势，在供电调峰和节能减排方面发挥着极其重要的作用，逐步成为国家军用动力和民用能源动力的主力军。而在燃气轮机自主研制的过程中，更有不少领域内工程专家潜心研究、开拓进取。翻开这些专家名单，其中不能不提到的就是中航工业动力所副所长李孝堂和他的燃机团队。
　　李孝堂是我国自主研制燃机的领军人物，他从1982年大学毕业分配到沈阳发动机设计研究所，一干30年，从参与研制两型航空发动机“昆仑”和“太行”设计，到主持863计划重大专项R0110重型燃机成功完成设计，再到成功研制具有国内先进水平的QD128中档功率燃机并销往国外，为我燃气轮机的研制及产业化发展做出了不可替代的贡献。
　　
苦心志　劳筋骨——在千磨万击中更加坚韧　　
　　
　　“万事开头难，虽然艰苦，但由于对航机改燃机这条道路正确性的信念是坚定不移的，对中国国民经济的发展需要燃气轮机的认识是坚定不移的。只要方向看准了，一切都取决于坚持，绝不放弃!”　　——李孝堂
　　航机改燃机这条道路如今已经充分证明了它的正确性，但在上个世纪80年代，人们还闻所未闻，更何况当时受到十年“文革”的影响，各项建设逐渐恢复，发动机科研工作刚迈上正轨，因此李孝堂等人在这一开辟和尝试之初可以说历尽了“千磨万击”。
　　
　　与研究所共进
　　1982年，李孝堂刚刚大学毕业就来到了当时的沈阳发动机设计研究所。研究所始建于1961年，是新中国第一个航空发动机设计研究所，主要从事大型航空发动机的设计研究。李孝堂正式到岗之前曾在研究所毕业实习，“这里给我留下了不错的印象，因为这个所是航空发动机的摇篮，这里的人朴实能干，这里的事业对我有吸引力。记得当时指导员征求我的意见，问我是否想留校，我还是选择了来沈阳发动机设计研究所。”李孝堂回忆起这段仿佛就发生在昨天的往事，“并且我与沈阳发动机设计研究所同龄。进所时它21岁，现在它已52岁了，应该说经过30年的拼搏努力发生了翻天覆地的变化。”
　　的确，李孝堂个人的科研事业发展和研究所的工程进展紧密联系着，他们的起点都是一无经费，二无试验条件，三无研制经验。回顾30年研究所的发展，李孝堂总结了三个阶段：第一个阶段是从建所到1986年，可称作为起步阶段，他们从零开始白手起家；第二阶段是1987年到2005年，研究所实现了从测仿到自主研制的转变，自主研制的两型航空发动机“昆仑”和“太行”设计定型；第三阶段为2006至今，是加速发展阶段，实现了由单一科研向科研与装备并重、预研与型号并重、单一空中动力向空、海、地面用多领域军民用动力系列化发展的转变。
　　李孝堂欣喜地介绍：“如今我们的‘五个一流’现代化研究所建设取得了显著进展，研究所人才队伍平台、设计体系平台、试验验证平台、科研管理平台初步建成，凝聚力、科研能力大大增强。从环境来说，由原来到处是菜地、农田、平房和以30年代、50年代遗留下来的房屋办公的局面，发展成为环境优美、办公现代化、配套比较齐全的现代化研究所。从业务上来说，由原来单一的军机研制，发展到今天的军机、民机、燃机三大主业并驾齐驱；人才队伍建设方面，从以前的留不住人发展到现在招人以重点大学的硕博士为主，一批经过实践锻炼的骨干人才正在成长起来。”
　　从这简略的介绍中，我们大致看到了李孝堂“与研究所共进”的科研轨迹，而这其中又经历了怎样曲折艰难呢？
　　
　　找准方向不改变
　　事实上，航机改燃机这一技术路线的产生有着其必然的趋势。据李孝堂介绍，一是随着我国城市化进程不断加快及西气东输等国家大型能源建设项目的规划与启动，国内燃机市场面临较大机遇；二是国外燃机厂商改变营销策略，先期低价销售设备，后期抬高备件、服务价格，导致燃机全寿命使用成本增多，用户对引进产品的忠诚度有所降低。这些都对自主研制燃气轮机提出了迫切的需要，而国外航空发动机发达国家已证明了在成熟航空发动机基础上派生发展燃气轮机是一条多快好省的成功之路。“航技改燃机”就在这样的背景下应运而生。
　　“那时‘太行’发动机正在研制，我们就利用前期的技术资源进行设计和改进，没有燃机试车台就用压气机试验台临时改装，创业阶段一切都因陋就简。当然这一过程中也确实遇到了各种困难和挑战，尝尽了酸甜苦辣。首先缺技术人才，缺少干过燃机有经验的人，在刚开始干燃机时，我们的研制队伍中几乎没有一人设计过燃机。第二缺资金，那时候没有经费支持来源，只有自筹一点资金。第三缺试验条件，连整机试车台都没有，其它试验器不具备条件。第四，母型机航机尚未定型，技术尚不够成熟。”李孝堂告诉记者，“万事开头难，虽然艰苦，但由于对航机改燃机这条道路正确性的信念是坚定不移的，对中国国民经济的发展需要燃气轮机的认识是坚定不移的。只要方向看准了，一切都取决于坚持，绝不放弃！”
　　艰苦的条件也练就了李孝堂和燃机团队一身过硬的本领，其中一点就是如何统筹利用时间。“一方面处理问题要学会‘弹钢琴’，轻重缓急要照顾到，但要突出重点；另一方面就要多辛苦，多加班，大多数情况是白天与技术人员一起讨论研究技术问题，晚上加班处理文件，每天工作约10小时。”李孝堂说，“当型号总师没有足够的时间深入一线与技术人员一起研究技术问题是不可能把型号做好的。”
　　古人云：“天将降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤，空乏其身，行拂乱其所为，所以动心忍性，增益其所不能。”正是生于这种“忧患”的环境下，李孝堂和他的团队在实干中快速成长起来，也为他们日后承担更大的使命打下了坚实的基础。
　　
有志者　事竟成　——在千锤百炼中铿锵前行
　　
　　“经过10多年的磨炼，在各级领导和兄弟单位的支持下，我们逐渐凝聚了一批力量，使燃机事业逐步由小到大地发展起来。”　　——李孝堂
　　
　　建立起燃机的研制体系、解决重型燃机受制于人的问题是所有燃机行业人的梦想，更是李孝堂和他的团队坚持数十年如一日在工作岗位上默默付出的根本动力。自从坚定了“航技改燃机”这条技术路线后，李孝堂便一步一个脚印，在不断提升燃机研制水平和成果档次中铿锵前行。
　　
　　一步一个脚印：研制愈来愈高水平的航改燃机
　　其实，在独立承担燃机研制之前，李孝堂就在动力所的几大项目中展露了他过人的能力，也为他后来的“独当一面”积累下了丰富的实践经验。在参与我国第一台具有自主知识产权的涡轮喷气发动机——“昆仑”发动机中，李孝堂承担了低压压气机修改设计工作，在第二次修改设计中，他出色地完成了四级低压压气机设计，使全台压气机效率提高2.4个百分点；在我国第三代航空发动机——“太行”发动机的研制中，作为研究室副主任、主任的他更在发动机风扇设计中从气动到结构设计发挥重要作用，不但对发动机试车数据总体参数调节供油规律等方面进行了深入细致研究并解决难题，也提出了通过打好三个压气机设计的“三大战役”初步建立起压气机设计体系；而在1998至1999年中国与美国P＆W公司合作设计100座客机发动机PW6000的低压压气机中，李孝堂作为研究所的项目负责人精心组织参研人员努力攻关，受到了美国P＆W公司专家的好评。
　　机遇总是青睐有充分准备的人。如果头几次的项目设计让李孝堂初露锋芒，那么在接下来的燃机设计研制中，则真正成为了他全面施展才华的天地。在研究所首次进行涡扇发动机核心机改燃机的第一型QD70燃机设计研制中，涉及压气机、燃烧室、涡轮、动力涡轮等各大部件以及空气系统、燃油系统、滑油系统、控制系统等十余个新设计研制的子系统，需保证燃机各系统协调一致工作，确保调试安全。为此作为负责人的李孝堂组织参试人员多次开会讨论、反复对比几十个部件特性，最终筛选出一台旧的压气机试验件改装为燃机负载，并制定了完备的试验预案，保证燃机、负载、试验设备的运行安全。经过两年的调试，2002年8月，QD70燃机完成出厂检验试车，移交黎明公司成套后运往中原油田濮城电厂；2003年1月QD70燃机终于点火成功。
　　2002年，国家“十五”期间高科技计划重大专项某重型燃机设计任务启动，李孝堂则带领参研人员苦战一年，攻克了重型燃机总体设计技术、多级轴流式压气机级间匹配技术、干低排放燃烧室设计及试验调试技术、带涡流矩阵式的透平气冷叶片设计技术等多项技术难关，终于完成了重型燃机设计出图工作，并于2003年12月顺利通过国家科技部的设计验收评审，后又完成设计、制造、总装及调试工作，发往电站示范发电。该重型燃气轮机的研制成功填补了我国在自主设计工业用大功率重型燃机领域的空白，对打破国外在重型燃机行业的技术封锁具有至关重要的意义。
　　2003年，某小档功率船用燃气轮机立项研制，这是海军第一次单独立项的舰船动力，也是航空工业首次研制的自主知识产权的船舶动力，由时任中国一航总经理林左鸣任行政总指挥。李孝堂作为燃机型号总设计师，面对研制时间短、任务急、技术难度大的困难，采用全三维有粘气动设计技术、一体化优化设计理念、UG结构设计、数字化管路设计及加工，保证了性能的先进性、结构的可靠性，采用并行工程及项目管理方式，设计、生产、试车台改造及装配加工等各条战线上的工作安排合理，相关部门责任明确，高速运转。2006年12月，该燃气轮机在试验基地A205老试验台调试，标志着航空工业具有自主知识产权的动力产品将开拓出又一全新的应用领域。在之后的考核实验中仅用69天就完成了整机耐久性考核试验。最后该型燃机顺利经过技术鉴定，综合技术指标达到国际先进水平。
　　一系列燃气轮机的成功推出大大加快了中航工业的综合研发水平和成果输出。李孝堂介绍到，如今中航工业以航空发动机为母型机自行研制的小档功率船用燃机综合技术指标达到世界先进水平，且完全按照研制计划节点、经费、指标完成研制并实现鉴定，目前已开始订货。同时，在航机基础上派生发展的QD128、QD70系列已陆续进入国际国内市场，某小档功率船用燃机已小批量定货；国家863计划重大专项R0110重型燃机已完成厂内调试，并正在中海油深圳电厂安装即将进行发电运行；性能具有国际先进水平的QD185中档功率燃机已完成调试并发往开江试验基地进行发电运行考核。在此基础上采用先进循环技术发展的具有世界先进水平的大档功率燃机正在发展之中……??
　　“这充分证明了国际上舰船燃机和民用轻型燃机走航改道路的正确性。同时也说明，只要技术路线正确，并坚定不移地走下去就会取得多快好省的发展。”李孝堂说，语气中透露的是对多年心血的肯定和欣慰。
　　
　　一个项目一场硬仗：QD128燃气轮机的浴血重生之路 
　　在多项完成的燃机研制中，QD128燃气轮机是李孝堂团队联合黎明公司历时八年研制成功的我国首台具有完全自主知识产权的中等功率燃气轮，它的问世标志着我国自主研制开发的燃气轮机已经进入市场化阶段。2008年，QD128燃气轮机研制与应用获中国航空工业科学技术进步奖一等奖；2011年QD128燃气轮机设计改进与运行研究获中国航空工业科学技术进步奖三等奖；同年该项目荣获中航工业发动机劳动竞赛“年度之星”二等奖。
　　荣誉的背后是数年的艰苦付出，对于李孝堂等人来说，QD128项目打的是一场真真正正的硬仗，所完成的更是一条“航机改燃机”的浴血重生之路。
　　高瞻远瞩：设计自己的燃气轮机
　　QD128燃气轮机的研制工作始于1999年，项目的启动有着高瞻远瞩的战略意义。一方面，上世纪90年代初，随着研究所军用航空发动机设计技术逐渐成熟，发动机的性能和可靠性已经得到保证；另一方面，面对不断变化的市场环境，时任黎明公司董事长兼总经理的林左鸣带领班子成员审时度势，提出了要坚持发展燃机不动摇的方针，表示愿意厂所紧密结合，共同开发燃气轮机。同时，通过组织相关力量充分调研、分析与论证，指出国产10MW功率等级燃机尚属空白而市场需求巨大；利用航机改型设计燃气发生器并采用先进技术全新设计动力涡轮，其技术可行。
　　正是在这样的背景下，1999年12月，QD128燃机研发项目正式启动了。以李孝堂为代表的沈阳发动机设计研究所联合黎明公司决定组织力量、加大力度，开展“昆仑”发动机改型QD128燃气轮机的设计研制工作，李孝堂课题组负责QD128燃气轮机设计和技术开发，黎明公司负责组织生产、成套设计和市场开发。
　　自主创新：研制水平国际领先
　　研发工作紧锣密鼓地进行着，2000年，原理样机研制完成并成功参加第三届珠海航展，在业内赢得广泛关注，时任国务院总理李鹏听取了汇报，并对研制工作寄予厚望；2002年，首台发电机组研制完成，QD128燃机从图纸变成产品；2003年，首座试验电站在中原油田落成剪彩。
　　QD128燃机在技术中取得了多项创新突破。QD128燃机以“昆仑”航空发动机为母型机，总体气动设计中采用了多学科综合设计技术，综合权衡性能、寿命等各种要求，达到整机的最优化设计。通过QD128燃气轮机的研制，在国内首次完成了航改中档功率燃气轮机从方案论证到商品化整个研制过程的总体气动设计与完善，在设计过程中解决了航改燃机工作点的选定、循环参数优化分析和应用、数值模拟计算、多参数复合控制调节、燃气发生器与动力涡轮的匹配以及整机各部件气动匹配等多项关键技术。QD128燃气轮机总体结构设计采用了计算机辅助设计、强度、寿命分析等，如采用燃气发生器、动力涡轮、排气蜗壳及支撑系统一体化设计技术，使整机布局合理，结构紧凑、可维护性好；在空气系统等方面进行了提高可靠性、寿命的改进设计；采用单元体设计技术，各单元体可单独更换，改善了整机的装配性；在国内首次使用独创的弹性支撑结构，解决了主辅支撑距离长，且为悬臂结构引起的辅助支撑面振动及变形量大的难题；在国内燃气轮机上首次使用可精确调整且可达性好的支撑结构，提高了支撑的装配精度与装配特性。
　　总之，QD128燃气轮机的研制在国内首次自主完成了航改燃机总体结构匹配设计的全过程。研制过程中充分发挥了自身的技术优势，吸取了国外航机改为燃气轮机过程中的经验和教训，克服了重重技术难关，解决了航改燃气轮机从空中到地面使用、从烧油到烧天然气、寿命从几百小时到几千到上万小时的几十项关键技术。
　　经受考验：用实践检验真理
　　建设试验电站、验证机组研制工作、开展燃机可靠性试验考核并通过考核不断改进设计、提高机组可靠性是燃机研制关键工作，也是燃机从研制走向商品化的必经阶段。2003年7月，首台QD128燃机组在中原油田试验电站成功点火并发电运行。2004年，黎明公司在大庆油田建设QD128机组商业示范试验电站，继续开展机组试验考核工作。考核中通过采取增加机匣壁厚、动力涡轮对开机匣设计、涡轮叶片涂层更换等增强QD128燃机可靠性的设计改进，通过动力涡轮改材料、降低制造成本等提高机组市场竞争力的技术改进和管理提升，QD128机组已日趋成熟，可靠性得到了充分验证，可用率有了显著提高。至2010年，机组累计实现运行超过15000小时，并完成技术鉴定。
　　QD128燃机研发、调试过程曲折而漫长，真正考验了研究人员的毅力与斗志，然而大家始终保持高昂的士气、不断攻坚克难。“首先要自己树立信心，然后以身作则冲锋在前，遇到困难不回头，不放弃，并使他人也建立信心；第二是学习王铁人，没有条件创造条件也要上，不能等条件，时不待我。”李孝堂回望所走过的艰难时这样总结。
　　广泛认可：快速走向市场
　　由于QD128燃气轮机性能在国内机组中处于领先水平，和部分国外同档功率燃机相比效率也较接近，而在价格上，QD128机组的售价定位为国际同等功率机组平均水平的80%，同时考虑到国外机组的主要利润来源于售后服务、维修和备件，QD128机组生产却完全立足于国内，维修及售后服务相比更加周到、快捷和便宜，且备件价格低，在机组的全寿命费用上有很大的优势。综合来看，QD128燃机具有较大的市场竞争力。
　　目前，QD128燃气轮机在国内和国际市场上已经实现多台套销售。山西潞安集团燃用中热值燃料的机组已经并网发电，河南漯河兴茂钛业、陕西长庆油田、中国联通天津市分公司已经有多台套定货，河北海伟集团一期三台套机组项目正在洽谈中。除了国内的良好势头，2011年7月，经过激烈角逐，QD128燃气轮机在与美国索拉公司MARS100、日本日立公司H-25以及乌克兰曙光公司UGT15000等目前有着良好市场占有率的国外知名厂商产品竞争中脱颖而出，同两台套QD128燃气轮机发电机组及安装调试工程中标伊拉克米桑油田自备电站项目，自此QD128燃气轮机终于打破国产燃气轮机海外市场进入壁垒，成功走向国际市场，机组目前正在安装调试。安装调试后，于2013年4月29日从伊拉克现场传来捷报，该项目首台QD128燃机发电机组实现一次点火成功。此外，QD128燃气轮机发电机组已通过伊朗能源部首批核心设备技术确认书审批，与伊朗一化工厂的八台套联合循环发电机组项目合同正在签署中；目前正对澳大利亚调峰发电项目进行投标；缅甸、古巴、孟加拉等国对QD128燃气轮机已表示出浓厚的兴趣，多次派人前来洽谈。
　　至此，QD128燃气轮机已经得到了客户的广泛认可，有效地打破了发达国家在燃机市场和技术上的垄断，也为我国研制其它燃气轮机提供了宝贵的经验，并有力地促进了我国民族工业的振兴、国民经济建设和国防事业的发展。同时，随着QD128燃气轮机在国内国外的推广使用，必将对我国乃至世界的节能减排和经济发展发挥重要的推动作用。
　　
齐心力　共奋进　——在并肩作战中积累优势　　
　　
　　“要在燃机领域撑起一片广阔的天空，必须要有永不服输的雄心、不断抢占高端领地的气魄，面对市场竞争，速度为王。在管理上紧密推进、统筹安排，在技术上稳扎稳打、求实创新。”　　——李孝堂
　　经过上述一系列燃气轮机研制的大风大浪考验，对于李孝堂等人来说，最宝贵的是他们建立和发展了航改燃机设计体系，在此过程中形成了一整套整机与部件的气动、结构、强度和测试系统专业的设计和试验规范，形成了航空发动机改型燃气轮机的工程设计与试验方法，更为重要的是培养了一批优秀的燃气轮机研制人才。
　　
　　汗水中的征程
　　在燃机团队组建之初，李孝堂就清楚地认识到，通过项目提高自主开发研制能力才是最大的目标，因此他集中发动机各专业人才，培养设计队伍，最后磨练出一支经过航机和航改燃机实践锻炼的高素质且敢打硬仗、勇于拼搏的设计队伍。
　　在项目推进中，李孝堂着重培养锻炼年轻人，例如在某中档功率燃气轮机研发过程中，通过给年青压担子，鼓励他们不断自主创新，并经常与他们研究技术方案，以青年骨干刘太秋为首的设计小组采用多项新技术，攻克难关，不负众望，全新设计的压气机经过试验验证效率大大超过，属国际先进水平。正是把这些宝贵的研发人才紧密地团结在了一起，他们在面临攻关时齐心协力并肩作战，甚至常常没有节假日和规律的作息时间，曾在冬天零下20多度的环境里，忍受着难闻的燃油气味和刺耳的噪音加班加点，把全部热情和精力都奉献在前线阵地上。李孝堂也常常与大家一道认真、细致分析性能参数和监控参数，确定故障原因，鼓励他们积极开动脑筋想办法，以在现场采取有效措施。
　　
　　完善中的体系
　　自主研制能力水平的另一方面体现于航改燃机设计体系的建设。为此，在项目进行中，根据国外燃机技术的发展趋势和我国技术发展现状，李孝堂提出了以提升设计能力为核心，科学发展、需求牵引和继承创新的设计体系建设总体思路。如今他们建成了包括设计规范、设计软件和数据库在内的航改燃机设计体系；建立了不同功率档次航改燃机技术验证平台，试验表明，技术验证机性能指标达到国际先进水平；并建立了较高技术水平的整机和部件试验验证平台等等。
　　同时实战中，面对诸多燃机研发型号齐头并进的繁重任务，李孝堂带领高凤树、尹家录、周建华等副总师一方面运筹帷幄，精心制定严密的计划；一方面科学组织，带领能“研”善“战”的团队不断攻坚破难。如今，动力所在燃机领域已初步形成了功率覆盖1000千瓦到11万千瓦的微、轻、重7个基本型号谱系化燃机发展格局，但李孝堂等人并没有因此停下奋斗的脚步。他对燃机型号研制发展分三步走：QD70，QD128燃机是迈出的第一步——好用；某中档功率燃机是第二步——打基础上水平；某大功率燃机是第三步——迈入高端。
　　目前，某型大功率燃机已经启动，这是李孝堂作为型号总设计师带领动力所团队进行设计的继小档、中档功率燃机后采用先进循环的更高功率更高效率等级的航改燃机，也是设计难度最大的一型燃机。可想而知，等待他们的将是新一轮挑战，无数日夜的付出，但这支身经百战的队伍在李孝堂的带领下将不畏艰难，更加奋勇直前，而他们唱响的将是中国燃机研制领域的又一曲凯歌。