艦用燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)展概述

李徐嘉，劉云生

（海軍裝備研究院，北京 100161）

0 引言

海軍艦船推進系統(tǒng)的發(fā)展正處于關(guān)鍵階段。由于海軍艦船對功率的需求越來越大，一些新技術(shù)能更好地滿足未來軍艦的需求。艦船電力推進技術(shù)問世于二十世紀初，但直到最近二十年才取得重大技術(shù)突破。電力推進系統(tǒng)的電能不但用于推進，還可用于其它負載，例如大功率和高能武器、電磁彈射系統(tǒng)、通信、微機、雷達、聲納和日常生活負載。燃氣輪機具有功率密度大、機動性好、可靠性高、振動?。o往復(fù)運動結(jié)構(gòu)）、排放低等優(yōu)點，對于使用電力推進并且功率需求較大的艦船，燃氣輪機發(fā)電機組是非常合適的選擇之一。

1 國內(nèi)外軍用艦載燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)展使用現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

國外有多型使用燃氣輪機發(fā)電機組的海軍艦船，先期主要以提供日用負載用電為主。例如美國海軍的DDG-51型驅(qū)逐艦和英國皇家海軍的42型驅(qū)逐艦就使用了小于5 MW的燃氣輪機發(fā)電機組驅(qū)動日常負載。而目前裝備燃氣輪機發(fā)電機組作為綜合電力系統(tǒng)主動力的艦船只有三型，它們是美國海軍的DDG-1000型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、英國皇家海軍的伊麗莎白女王號航空母艦和 45型驅(qū)逐艦，其上使用的燃氣輪機有三款，均為英國羅?羅公司的產(chǎn)品，型號分別為 MT-30、WR-21和RR4500。下面主要介紹上述三型燃氣輪機發(fā)電機組。

1.1.1 MT-30和RR4500燃氣輪機發(fā)電機組

MT-30燃氣輪機是基于英國羅?羅公司非常成功的 Trent三軸航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)而開發(fā)的 40 MW級艦用燃氣輪機，MT-30燃氣輪機是一款簡單循環(huán)燃氣輪機，其額定功率為 36 MW，效率40%。并且在國際標準大氣條件（15℃，1個標準大氣壓）下可輸出最大40 MW的功率。MT-30的動力渦輪額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為3600 rpm，因此其所帶交流發(fā)電機可直接發(fā)出60 Hz頻率的交流電。美國海軍的DDG-1000導(dǎo)彈驅(qū)逐艦和英國皇家海軍的伊麗莎白女王號航空母艦的電力推進系統(tǒng)中均配備了MT-30燃氣輪機發(fā)電機組，兩艘艦由于功率需求不同，具體的系統(tǒng)組成方案略有不同。圖1所示為伊麗莎白女王號航空母艦的綜合電力系統(tǒng)示意圖，其額外配備了4套10 MW級的柴油發(fā)電機組和1套應(yīng)急柴油發(fā)電機組。發(fā)電機組發(fā)出11 kV的高壓電輸給主配電板。推進方面，該艦為雙軸推進，每根軸上由2臺20 MW的先進感應(yīng)推進電機串聯(lián)共同推進，推進電機由變頻器控制，其用電由主配電板直接供電。其他電能由變壓器從主配電板轉(zhuǎn)換為440 V后供日用負載和其他裝備使用。從圖中還可看出2臺MT-30燃氣輪機發(fā)電機組和 4臺柴油發(fā)電機組的布置情況，它們分別位于上層艙室和下層艙室，這種布局提升了整個動力系統(tǒng)的生存能力。

圖1 伊麗莎白女王號航空母艦電力推進系統(tǒng)圖示

DDG-1000驅(qū)逐艦原本要使用WR-21作為原動機，但由于功率不符合要求等因素，最后選用了MT-30型燃氣輪機發(fā)電機組。其電力推進系統(tǒng)電站組成為兩套功率為34.6 MW的MT-30發(fā)電機組和兩套4.5 MW的RR4500發(fā)電機組組成。RR4500是羅?羅公司專為軍艦電力需求設(shè)計的燃氣輪機，其基本上是 Allison501（用于 DDG51的船用發(fā)電裝置）的技術(shù)升級版,功率4.5 MW，效率32.2%。它采用了單軸和超高壓比的先進設(shè)計。

1.1.2 WR-21燃氣輪機發(fā)電機組

WR-21燃氣輪機是羅?羅公司聯(lián)合多家公司開發(fā)的一款中冷回熱（ICR）循環(huán)燃氣輪機，所謂中冷是指在燃氣輪機低壓壓氣機和高壓壓氣機之間添加中間冷卻器，以降低高壓壓氣機的耗功而提升整機功率，回熱指在燃燒室進口處安裝氣-氣換熱器，利用排出的高溫燃氣加熱進入燃燒室的空氣以提高整機循環(huán)效率（見圖 2所示）。WR-21具有全功率范圍內(nèi)熱效率都較高、功率相對簡單循環(huán)燃機大等特點。在國際標準大氣條件下，WR-21的輸出功率可達25.2 MW，而最大功率時的油耗僅僅為184 g/kW時，是當今世界效率最高的艦用燃氣輪機。WR-21動力渦輪轉(zhuǎn)速和MT-30一樣都是3600 rpm，可直接帶交流發(fā)電機發(fā)出60 Hz交流電。作為綜合電力系統(tǒng)的原動機時，WR-21平坦的耗油率相比簡單循環(huán)燃氣輪機更具優(yōu)勢。

圖2 WR-21燃氣輪機工作示意圖

英國45型驅(qū)逐艦原本打算采用柴-電-燃動力裝置，但綜合電力系統(tǒng)出色的性能使得英國軍方修改了設(shè)計，45驅(qū)逐艦的電力推進系統(tǒng)電站由2套20 MW的WR-21發(fā)電機組和2套2.2 MW的Wartsila 12V200柴油發(fā)電機組組成，足以滿足45型驅(qū)逐艦的電力需求。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)尚未有裝備燃氣輪機發(fā)電機組的艦船。但這并不代表相關(guān)的研究沒有展開，我國有多款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的航空發(fā)動機，在開展航空改為艦用燃氣輪機研究的同時，也在積極探索和研究相關(guān)的燃氣輪機發(fā)電機組。

2 艦載燃氣輪機發(fā)電機組的優(yōu)缺點分析

2.1 優(yōu)點分析

1）功率密度大可節(jié)省艦船空間、重量，并滿足高能武器裝備需求

功率密度大的直接好處就是可以在保持相同功率的情況下，相比柴油發(fā)電機組或蒸汽輪機發(fā)電機組等低功率密度裝置節(jié)省更多的船艙空間以及船載質(zhì)量，這些空間和質(zhì)量可以用來裝載其他武器裝備或燃油以提高戰(zhàn)斗力或續(xù)航力。拿MT-30燃氣輪機來說，單臺燃機的地腳尺寸為8.6 m×2.7 m，重32 T，是同等功率中低速柴油機質(zhì)量的十分之一還不到。

未來的高能、大功率武器裝備正成為未來艦載武器的發(fā)展方向。例如電磁彈射裝置、大功率雷達，以及電磁炮、微波武器、激光炮等高能武器也是未來艦載武器裝備的發(fā)展方向。這些高能、大功率武器裝備的共同特點就是在短時間要使用大量的電能。就拿可使艦船探測性能得到跨越式提升的大功率雷達來說，可對來襲的超視距巡航導(dǎo)彈進行探測、跟蹤和識別的大功率雷達的功率需求在4-6 MW之間，能在高干擾環(huán)境中對多個戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈進行探測、跟蹤和識別的大功率雷達的功率需求在16-20 MW之間。若戰(zhàn)時在保持艦船高機動的情況下長期使用這些武器裝備，必須要有強大的電站供應(yīng)大量穩(wěn)定的電能。目前艦用電站只有燃氣輪機發(fā)電機組能夠滿足如此之大的持續(xù)功率需求。

2）有效降低艦船全壽命周期費用

燃氣輪機發(fā)電機組結(jié)構(gòu)緊湊，且現(xiàn)代燃氣輪機多采用模塊化設(shè)計，拆裝和更換部件十分簡單。現(xiàn)代燃氣輪機的大修周期也大大提升，LM2500的大修周期約為8000 h，而MT-30的大修周期大幅上升到 36000 h，并且相比于一些柴油機需要割艙的“大手術(shù)”式的修理，燃氣輪機可以從排氣管道直接吊出修理，大大降低了修理費用，并縮短了維修時間。

3）提高艦船隱身性能

燃氣輪機由于是高速旋轉(zhuǎn)機械，并無往復(fù)振動機構(gòu)，其振動噪音相比柴油機和蒸汽輪機來說要小很多。振動噪音的大幅降低可大大提高艦船隱身性能。

4）提高艦船機動性

由于燃氣輪機的啟動速度快、加速性能優(yōu)秀，燃氣輪機發(fā)電機組可以快速提供大量電能給電力推進系統(tǒng)，提高艦船的機動性。相比于蒸汽輪機或大功率柴油機動輒 30 min到 1 h的冷啟動時間，一般的艦用燃機在 10 min內(nèi)就可完成冷啟動，在100 s內(nèi)就能加速到額定工況。這點在45型驅(qū)逐艦上就得到了很好的體現(xiàn)，在 2007年 7月和 8月的兩次試航時，45型驅(qū)逐艦?zāi)茉?70 s加速到29 kn，并在隨后2 min內(nèi)達到31.5 kn。

2.2 缺點分析

燃氣輪機發(fā)電機組的主要缺點是部分工況時的效率偏低，尤其是簡單循環(huán)燃氣輪機，在低負荷時的效率只有高負荷時效率的一半左右，這時的油耗就相對較高。解決這種問題的有效途徑一是像 DDG-1000驅(qū)逐艦的綜合電力系統(tǒng)布置一樣，配備功率大小不同的燃氣輪機發(fā)電機組，在保證燃氣輪機高效率運轉(zhuǎn)的同時，滿足全船負荷對電力的需求；二是配備復(fù)雜循環(huán)高效率燃氣輪機，例如WR-21，可以保證全工況的效率都較高。不過隨著燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展，簡單循環(huán)燃氣輪機的效率也在不斷攀升，在低負荷時的效率也有了顯著改善，相信未來會有更好的油耗表現(xiàn)。

3 綜合電力系統(tǒng)對燃氣輪機發(fā)電機組的要求分析

不同于一般的陸用燃氣輪機發(fā)電機組直接并到大電網(wǎng)上相對被動的發(fā)電模式，艦載燃氣輪機發(fā)電機組由于是綜合電力系統(tǒng)的主要供電機組，對其控制系統(tǒng)和燃氣輪機的調(diào)速性能要求都較高。由于目前應(yīng)用于艦上的燃氣輪機發(fā)電機組均為交流發(fā)電機組，以下主要討論交流發(fā)電機組的特性要求。

3.1 供電品質(zhì)

在采用綜合電力系統(tǒng)的艦船上，對燃氣輪機發(fā)電機組的一個關(guān)鍵需求是要滿足嚴格的供電品質(zhì)（QPS）的要求，該供電品質(zhì)要求是用與標定的頻率相比的最大頻率誤差和溢出該頻率（限制）范圍的時間來定義的。要達到這種要求，需要燃氣輪機和發(fā)電機共同配合。

3.1.1 燃氣輪機特性

燃氣輪機在保持發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)速的情況下，動力渦輪的轉(zhuǎn)速被限制在很窄的范圍。要實現(xiàn)這種特性要求，首先要求設(shè)計出優(yōu)秀的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，能夠在負載發(fā)生劇烈變化的同時迅速做出響應(yīng)和控制，使得電網(wǎng)頻率的波動和穩(wěn)定時間符合要求；其次燃氣輪機動力渦輪的轉(zhuǎn)動慣量不可太大，太大的慣性會使燃氣輪機調(diào)速性能下降，穩(wěn)定時間會相對較長。一個極端的情況就是當滿功率運行時負載全部喪失，控制器必須做出快速的響應(yīng)以保證動力渦輪的轉(zhuǎn)速盡快穩(wěn)定，在這個過程中還要確保核心機的穩(wěn)定。

3.1.2 發(fā)電機特性

任何接入電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機的最明顯的特征是它具有保持同步的能力。這是因為，轉(zhuǎn)速的瞬時擾動會引起交流發(fā)電機電動勢與系統(tǒng)電壓之間相位關(guān)系的變化，從而在其繞組中出現(xiàn)電流，產(chǎn)生與瞬態(tài)初始值相反的扭矩。事實上，交流發(fā)電機電動勢和系統(tǒng)電壓之間的角位移決定了輸入或輸出發(fā)電機的有功能流。因為能流與這個角位移的正弦值有關(guān)，因此，交流發(fā)電機電動勢和系統(tǒng)電壓之間的相角被稱為負載角。發(fā)電機在瞬態(tài)負載出現(xiàn)暫態(tài)變化時仍然可以保持穩(wěn)定，就是因為當發(fā)電機負載變化時，負載角也會隨之變換，引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化，從而重新進行發(fā)電機能流匹配。這種影響會促使交流發(fā)電機的與電力系統(tǒng)的相位鎖定，或電力系統(tǒng)同步。然而，穩(wěn)定裕度很重要，因為很清楚，交流發(fā)電機不可能在 90°負載角穩(wěn)定運行。再有，正弦曲線超過 90°，負載的增加會導(dǎo)致有功功率傳輸能力下降，這與要求正好相反。因此，設(shè)計的主要問題就是如何設(shè)計出一臺好的交流發(fā)電機，使它能在 90°以下的負載角工作，還要有足夠的暫態(tài)穩(wěn)定裕度。建造大發(fā)電機的問題是，在總?cè)萘肯嗤那闆r下，大功率發(fā)電機比幾臺較小的發(fā)電機的剛性要差。這是因為發(fā)電機的電容量與其物理線性尺寸不是簡單的線性關(guān)系，把發(fā)電機的電容量翻一番其轉(zhuǎn)動慣量未必翻一番，因此，在相同的單位暫態(tài)擾動下，大容量的發(fā)電機比小容量的發(fā)電機的失衡波動要大。所以由幾臺大容量發(fā)電機組成的電力系統(tǒng)比由許多小容量發(fā)電機組成的電力系統(tǒng)的固有穩(wěn)定性要低，因此需要留有較大的穩(wěn)定裕度。

3.2 系統(tǒng)的自我保護特性

對于燃氣輪機來說，在極限工況下系統(tǒng)需要具有自我保護功能，主要體現(xiàn)在防止壓氣機的喘振、渦輪前溫度過高以及各軸轉(zhuǎn)速過高，解決壓氣機喘振的方法主要是通過打開壓氣機放氣閥門進行放氣，但這需要控制系統(tǒng)的準確預(yù)判和及時處理；防止渦輪前溫度過高的方法主要靠燃氣輪機控制系統(tǒng)提前降低燃油流量來實現(xiàn)，需要監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的良好配合來實現(xiàn)；解決各軸系超轉(zhuǎn)速的方法同超溫解決方案。

對于電力系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的自我保護問題十分復(fù)雜，特別是當發(fā)電機組并聯(lián)運行時并不能認為是各部件的簡單相加，但是要防止過載引起的電子器件損壞對于現(xiàn)代的電力電子保護設(shè)備來說并不是一件難事。

4 結(jié)論與啟示

未來海軍艦船對電力需求的激增促使綜合電力系統(tǒng)逐漸成為未來海軍艦船動力的主流，燃氣輪機發(fā)電機組所具備的優(yōu)勢也決定了其必將成為電力推進系統(tǒng)中的重要一員。

我國應(yīng)從世界海軍動力發(fā)展趨勢中得到啟示，大力開展綜合電力系統(tǒng)的試驗研究，為滿足不同噸位和類型艦船的需求，應(yīng)當同步展開多檔功率的燃氣輪機的研制，并研制相匹配的發(fā)電機和推進電機，為我國未來海軍艦船動力提供有力的支撐。

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