航改大功率、高效率艦船燃氣輪機的技術(shù)發(fā)展途徑探討

楊立山，鄭培英，聶海剛，朱 敏

（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機專業(yè)軍事代表室，沈陽110043；2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

航改大功率、高效率艦船燃氣輪機的技術(shù)發(fā)展途徑探討

楊立山1，鄭培英2，聶海剛2，朱 敏2

（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機專業(yè)軍事代表室，沈陽110043；2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

為適應(yīng)艦船戰(zhàn)術(shù)性能和艦船噸位級別提高的要求，迫切需要研究大功率、高效率艦船燃氣輪機。通過對國內(nèi)外戰(zhàn)艦主動力裝置進行分析，認為中國開發(fā)40000 kW的大功率燃氣輪機是十分必要的，利用現(xiàn)有航空發(fā)動機的技術(shù)資源優(yōu)勢，采用先進的間冷技術(shù)是發(fā)展大功率、高效率艦船燃氣輪機的1條現(xiàn)實可行的技術(shù)途徑，既可以提高燃氣輪機在設(shè)計工況下的功率和熱效率，又能保持在低工況下的高效率。

航改燃氣輪機；艦船燃氣輪機；間冷循環(huán)；技術(shù)途徑

0 引言

燃氣輪機是繼蒸氣輪機和內(nèi)燃機之后的新一代動力裝置，具有質(zhì)量輕、尺寸小、功率大、起動快、污染小、可靠性高、壽命長等諸多優(yōu)點。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，燃氣輪機技術(shù)日臻完善[1]。目前，艦船動力裝置使用方式已從早期的蒸汽輪機與燃氣輪機共同使用裝置（COSAG）發(fā)展到目前的柴油機與燃氣輪機交替使用裝置（CODOG）、燃氣輪機與燃氣輪機交替使用裝置（COGOG）、燃氣輪機與燃氣輪機共同使用裝置（COGAG）。過進行過燃-蒸聯(lián)合和燃氣輪機共同使用裝置（COGASAG），以及柴油機電力推進和燃氣輪機共同使用裝置（CODLAG）[2]研究。

各國艦船燃氣輪機采用的方式不同，美國以LM2500燃氣輪機為基本型，采用COGAG方式；英國目前艦船用動力裝置多采用COGOG方式，如以2臺Olympus TM3B（或Spey SM1C）用作加速機組，以Tyne RM1C用作巡航機組；德國、法國、日本等國由于本國柴油機基礎(chǔ)雄厚，多采用CODOG形式。中國海軍目前的水面艦船動力裝置仍然以蒸汽輪機和柴油機為主，只有很少數(shù)量的艦船上采用了燃氣輪機。今后需要相當(dāng)數(shù)量的反潛護衛(wèi)艦、護衛(wèi)艦及各種用途的驅(qū)逐艦組成中國海軍的主要水面艦隊。對于這些要求續(xù)航力大、火力和武器裝備較強、機動性能較好的現(xiàn)代化水面艦船的動力裝置而言，燃氣輪機將是重點發(fā)展方向之一。

本文進行了航改大功率、高效率艦船燃氣輪機的技術(shù)研究，探討發(fā)展航改大功率、高效率艦船燃氣輪機的技術(shù)途徑。

1 大功率、高效率燃氣輪機軍事需求分析

對國內(nèi)外艦船燃氣輪機發(fā)展趨勢的研究表明，艦船燃氣輪機走航機改型的發(fā)展道路已經(jīng)取得了共識，航改燃氣輪機在大、中型水面艦船動力裝置中已處于主導(dǎo)地位，成為世界各國海軍裝備現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。

隨著對艦船戰(zhàn)術(shù)性能和艦船噸位級別要求的提高，艦船燃氣輪機越來越朝著大功率、高效率、低排放的 方 向 發(fā) 展 ， 如 MT30、WR-21、LM2500+、LM2500+G4等，這些應(yīng)用廣泛的艦船燃氣輪機均是航改型，特別是隨著艦船全電力推進系統(tǒng)的發(fā)展，對燃氣輪機的功率等級提出了更高要求。典型的燃氣輪機應(yīng)用戰(zhàn)艦情況[3-4]見表1。

表1 典型的燃氣輪機戰(zhàn)艦

通過分析國內(nèi)外戰(zhàn)艦主動力裝置，認為中國開發(fā)40000 kW級的大功率燃氣輪機是十分必要的。護衛(wèi)艦裝用1臺，驅(qū)逐艦裝用1～2臺，巡洋艦和輕型航母可裝用2臺，從而可使該型燃氣輪機既可裝用于護衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦又能裝用于巡洋艦和航空母艦。

盡管艦船燃氣輪機研制起步較晚，但由于航空技術(shù)發(fā)展很快，至今艦船燃氣輪機已發(fā)展了3代。目前，主要海軍國家的艦船燃氣輪機系列均已發(fā)展得非常完善，效率已超過了40%，單機功率超過了40000 kW。所以開展40000 kW大功率燃氣輪機的研制工作可以完善中國海軍艦船燃機動力型譜，配套先行，與世界先進國家海軍建設(shè)同步。

大功率、高效率艦船燃氣輪機的主要性能指標(biāo)見表2。

表2 大功率、高效率艦船燃氣輪機的主要性能指標(biāo)

2 航改大功率、高效率艦船燃氣輪機研制的技術(shù)途徑

2.1 開發(fā)簡單循環(huán)航改艦船燃氣輪機

GE、RR和PW 3大航空發(fā)動機公司均開展了“聯(lián)合先進燃氣輪機計劃”，對航空渦扇發(fā)動機進行大功率燃氣輪機工業(yè)和船用改裝。PW公司將PW4000發(fā)動機改型為FT4000燃氣輪機，單臺功率為47 MW，效率為42%；RR公司將Trent 800發(fā)動機改型為MT30燃氣輪機，功率為36 MW，熱效率為40%。截至2007年初，已經(jīng)交付MT30燃氣輪機32臺份（工業(yè)發(fā)電、機械驅(qū)動和船用）。在船用方面，美國海軍DDG-1000 Zumwalt級驅(qū)逐艦和西班牙高速貨船使用了MT30燃氣輪機；GE公司在CF6-80C2航空發(fā)動機的基礎(chǔ)上派生的大功率燃氣輪機LM6000,其基本負荷為43000～50000 kW，熱效率可達42%以上。截至2007年初，LM6000燃氣輪機（如圖1所示）共生產(chǎn)了770臺份，在海軍和民用大船方面均有用戶。

圖1 LM6000大功率、高效率燃氣輪機系列發(fā)展

中國航空工業(yè)集團公司研制了不同用途的多種航空發(fā)動機，具備了一定的核心機技術(shù)儲備。因此，充分利用這些技術(shù)儲備，相對快速、經(jīng)濟地發(fā)展新型發(fā)動機成為1條有效的技術(shù)途徑。

通過提高燃氣輪機的壓比和流量可以提高燃氣輪機的功率和熱效率。LM6000燃氣輪機的壓氣機的全壓比已經(jīng)增加了近20個百分點，從最初的PA模型的27.8∶1增加到到PG/PH模型的33.0∶1；質(zhì)量流量已經(jīng)上升了約 10個百分點，從 125.6 kg/s到137.4 kg/s；轉(zhuǎn)速從3600 r/min增大到3930 r/min。

在保持已有核心機不變的前提下發(fā)展的燃氣輪機的功率范圍是有限的。要繼續(xù)提高燃氣輪機的功率和熱效率，需要對核心機進行優(yōu)化、加級或去級以及放大或縮小等改進措施。其中核心機優(yōu)化設(shè)計是指通過對核心機改進以提高3大部件的效率，而通常在實際使用中，這些措施會綜合應(yīng)用。在研究發(fā)展大功率、高效率的燃氣輪機過程中，就進行了部件效率均按較高效率設(shè)計的計算、核心機加級、核心機前面加級、后面去級、核心機相似放大和縮小的計算分析，但研究結(jié)果不能滿足要求。

2.2 開發(fā)復(fù)雜循環(huán)航改艦船燃氣輪機

目前美國、英國和德國都在研制間冷（IC）和間冷回?zé)幔↖CR）發(fā)動機，在經(jīng)過概念研究之后，已進入產(chǎn)品開發(fā)階段，已研制的IC、ICR燃氣輪機包括：

（1）LMS100間冷（IC）燃氣輪機。該燃氣輪機在充分運用現(xiàn)代航空發(fā)動機技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用了間冷循環(huán)（IC）技術(shù)，輸出功率為100 MW，熱效率高達46%[5]。

（2）SMIC-ICR艦船燃氣輪機。該燃氣輪機由英國RR公司研制，以效率為37%、最大功率為18020 kW的艦船SPEY SMIC燃氣輪機為基礎(chǔ)，最大功率提高了 20%，達到 21991 kW，熱效率提高到41.43%。

（3）LM1600-ICR燃氣輪機。該燃氣輪機由美國GE公司研制。

（4）WR-21 ICR艦船燃氣輪機（如圖2所示）。該燃氣輪機由美國海軍招標(biāo)，英國RR和美國西屋公司聯(lián)合研制，以RR公司的RB211發(fā)動機為基礎(chǔ)。其研制目標(biāo)是作為未來海軍水面艦艇的下一代主推進發(fā)動機，將比現(xiàn)用燃氣輪機燃油消耗量降低27%，設(shè)計輸出功率為19704 kW，效率為42%，最大輸出功率可達21624 kW，油耗率為202.58 g/（kW·h）。

圖2 WR-21間冷回?zé)崛細廨啓C

艦船燃氣輪機采用間冷回?zé)峒夹g(shù)是發(fā)展方向之一。采用ICR技術(shù)的燃氣輪機不僅可改善艦船的戰(zhàn)技性能，而且可大大減少艦船的年燃油消耗量。ICR循環(huán)不僅在設(shè)計工況下熱效率高，而且在低工況下熱效率也很高，從根本上克服了普通循環(huán)燃氣輪機在低工況下熱效率低的缺點，為在軍民用艦船上采用全燃動力裝置創(chuàng)造了條件[6-10]。

經(jīng)研究，某型航空發(fā)動機具備形成完整的艦船燃氣輪機型譜的條件。因此發(fā)展大功率、高效率艦船燃氣輪機可充分利用該型發(fā)動機成熟的核心機部件，經(jīng)研究論證，保持該型發(fā)動機核心機不變的燃氣輪機改進方案更適合選擇間冷循環(huán)，效果明顯[11]。

圖3 燃氣輪機輸出功率與間冷器溫降之間的關(guān)系

輸出功率與間冷器溫降之間的關(guān)系如圖3所示。從圖中可見，如果間冷器溫降達到100 K，則燃氣輪機輸出功率在簡單循環(huán)的基礎(chǔ)上增加約為20%。即若要滿足間冷燃氣輪機輸出功率為40000 kW的需求，需要將某簡單循環(huán)燃氣輪機通過提高壓比和空氣流量的方法，首先使輸出功率達到30000 kW左右。

采用上述技術(shù)途徑，在繼承了某型系列發(fā)動機核心機技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用某中檔功率燃氣輪機的低壓渦輪，重新設(shè)計與間冷器匹配的高性能低壓壓氣機，對某中檔功率燃氣輪機的動力渦輪進行改進設(shè)計，這樣可以縮短研制周期、減少風(fēng)險，最大限度地滿足艦船對動力裝置不斷增長的要求。對進行航改的大功率、高效率間冷燃氣輪機進行了方案論證，確定在1.0工況下間冷燃氣輪機的性能，并與國外先進同檔功率燃氣輪機進行了對比，見表3。

表3 間冷燃氣輪機與世界同檔功率先進燃氣輪機技術(shù)參數(shù)比較（ISO狀態(tài)下，不考慮進排氣損失）

通過初步計算可知，該間冷燃氣輪機在提高燃油經(jīng)濟性的同時，大大改善了在低工況下的油耗特性。

3 航改間冷燃氣輪機研制的可行性

某型發(fā)動機嚴(yán)格按照規(guī)定試驗，對其結(jié)構(gòu)可靠性和壽命進行了充分考核。間冷燃氣輪機繼承了該型發(fā)動機的核心機結(jié)構(gòu)，其他多數(shù)部件的設(shè)計也繼承了該型發(fā)動機的技術(shù)和經(jīng)驗，這樣使間冷燃氣輪機的設(shè)計研制可靠性提高、風(fēng)險降低。

與簡單循環(huán)燃氣輪機相比，間冷燃氣輪機只是在低壓壓氣機和高壓壓氣機之間增加了1個由低壓壓氣機出口擴壓器、間冷器和高壓進氣蝸殼組成的間冷系統(tǒng)。間冷器設(shè)計思路為，在結(jié)構(gòu)上充分借鑒WR-21燃氣輪機的設(shè)計方法，采用2次間冷的方式。國內(nèi)對該技術(shù)具有一定的研究基礎(chǔ)，并已對間冷燃氣輪機的間冷器進行了詳細研究，通過比較不同換熱器的性能和設(shè)計結(jié)果，認定板翅式換熱器是1種傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧牢固、適應(yīng)性強和經(jīng)濟性好的換熱器，可以用作間冷燃氣輪機的間冷設(shè)備。

總之，該間冷燃氣輪機從總體到部件和系統(tǒng)各層次的技術(shù)方案繼承性較好，所涉及的各關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)有較堅實的預(yù)研基礎(chǔ)和可行的解決措施，大功率、高效率間冷燃氣輪機的研制方案是可行的。

4 結(jié)束語

本文分析了國內(nèi)外戰(zhàn)艦所采用的大功率、高效率燃氣輪機的主要性能指標(biāo)，探討了發(fā)展航改大功率、高效率艦船燃氣輪機的技術(shù)途徑，表明利用某型航空發(fā)動機的資源優(yōu)勢，在簡單循環(huán)基礎(chǔ)上采用先進的間冷（IC）技術(shù)是1條有效途徑，通過對航改大功率、高效率間冷燃氣輪機方案進行研究，證實了該間冷燃氣輪機不但能大幅提高功率等級和效率，而且能極大改善在低工況下的性能，克服簡單循環(huán)燃氣輪機在低工況下效率低的固有缺陷。

該間冷燃氣輪機功率大、熱效率高，除用于大型商船、軍用艦船、旅游船、高速渡船和大型貨船外，還可用于工業(yè)發(fā)電、管道輸送等領(lǐng)域。

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Technology Development Approach Discuss of High Power and High Effiecy Marine Gas Turbine Derived from Aeroengine

YANG Li-shan1,ZHENG Pei-ying2,NIE Hai-gang2,ZHU Min2
（1.Engine Affairs Military Representatives Office Navy in Shenyang Area,Shenyang 110043,China；2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015, China）

In order to adapt the heightening of the marine tactics and the tonnage,the high power and high efficiency gas turbine needs to be researched urgently.It is very necessary to develop 40000 kW high power gas turbine by analysizing the marine power plant at home and abroad.By using the technology resource advantage of aeroengine,the advanced intercool technology is a useful approach to develop the high power and high efficiency gas turbine.It can not only improve high power and the efficiency on the design point,but also keep the high efficiency of the low working condition

aero-derivative gas turbine;marine gas turbine;intercool cycle;technology approach

楊立山（1969），男，高級工程師，從事航空發(fā)動機和艦船燃氣輪機控制系統(tǒng)研究與管理工作。

燃氣輪機工程研究項目資助

2013-11-03