新一代燃气轮机--WR－21

<P>WR－21是21世纪初的新一代船用燃气轮机，由于采用了间冷、回热技术，使其具有优良的变工况性能。</P>
<P>约50年前，船用燃气轮机的先驱——英国，认识到船用燃气轮机要求在整个功率范围内有低的耗油率（尤其是部分负荷），为实现这一点，尝试选择了包括三个压气机、两个中间冷却器、一个回热器、三个涡轮的复杂循环，即RM60燃气轮机。它于1951年作陆上试验，功率达到3 898 kW（5300马力）。作为船用燃气轮机，这个装置还是值得注意的，因为尽管装置复杂，仍然达到了3.59　kg／kW（2.64公斤／马力）的比重，它在40％～80％功率范围内的耗油率曲线平坦。1954年装于“灰鹅”号炮艇在海上航行，证实了它的可靠性。然而RM60虽然达到了良好的部分负荷性能，却使发动机的购置成本大大提高，体积庞大，控制复杂循环系统的损失也是困难的，再加上不久其性能即被改进的简单循环发动机（海神）所超越，因而未获进一步发展。
　　几十年过去，由于燃气轮机及热交换器方面的技术进展，使间冷——回热循环在达到最高的循环效率、优良的变工况性能的同时仍能使装置结构紧凑，这使它可能特别适于舰用。
1981年Rolls－Royce公司向美国海军提出发展间冷回热燃气轮机（ICR）的设想。
　　1985年秋美国海军首次招标38℃，17 897 kW ICR高效舰用燃气轮机。Rolls－Royce公司与Allison、Garrett公司合作提出了TF41／Sper改型方案，并与GE M＆I提出的LM1600改型和P＆W的PW2037改型方案先后于1985年底至1986年得到一年的概念设计合同。1986年续一年预研合同。
　　1987年底美海军决定将功率提高到19 686 kW并考虑全电力推进方案，至1989年底美海军也只是维持GE及Rolls－Royce公司的预研工作。
　　1990年美海军恢复ICR计划，重新招标，确认19 686 kW并有10％的增长潜力，尺寸适合与LM2500换装。Rolls－Royce公司与Westinghouse公司合作，结合RB211系列航空发动机单元体结构，获得了与航空型零件高度通用的最佳ICR方案。
　　1991年12月，美国海军将ICR燃气轮机机组的设计和发展合同授与Westinghouse Electric Coporation（WEC）船舶分部，分承包商主要有Rollse－Royce公司工业与船用燃气轮机分部（负责燃气轮机），Allied　Signal公司航空系统和设备集团（负责回热器和中间冷却器）和CAE电子公司（负责控制设备）。
　　1991～1995年为前期发展阶段（设计、发展、调试和确认主要性能参数）。
　　1994～1999年为全尺寸发展阶段（美国海军试验、调试、训练、编写说明等）。
　　1997年5～9月由Northrop　Grumman船用系统公司（新的美国总承包商）与RR公司共同在英国国防评估和研究机构的Pyestock试验场完成了产品型标准系统的最新500小时耐久性试验，共试验503小时，69次起动，相当于在海上实际运行1500～2000小时。预计1998年美国海军在Philadelphia的海军水平舰船中心的Carderock分部建的第二个试验场上进行第二台机的试验。
　　原计划在1999财政年度分批装备DDG－51“Arliegh　Burke”级导弹驱逐舰。但按美国海军目前计划，第一台间冷回热燃气轮机要到2004财政年度才装备于战舰，比预计的晚五年，装备最后9艘DDG－51级舰。
　　从1994年7月首台前期发展型WR－21开始试验以来，多台WR－21试验型、发展型以及生产型样机已相继完成各项性能试验和耐久性试验。至1997年，总试验时数已超过1200小时，其中包括110％负荷的重要试验。</P>
<P></P>
<P>简单循环与ICR循环线图</P>



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</P>
<P></P>
<P>WR－21的纵剖面图</P>



<P>ICR循环与简单循环燃气轮机不同的是：
　　（1）在两个压气机之间设有一个中间冷却器，使得空气在进入高压压气机前被冷却，从而减少高压压气机所需的耗功，改进高压轴的效率并增加发动机的功率（在WR－21上约增加25％的功率）。此外，间冷也降低了高压压气机出口的空气温度，提高了空气与燃气排气温度的温差，从而增加了回热器的效率。
　　（2）从高压压气机出口的空气先进入回热器，利用燃气排气余热对空气进行预热，然后进入燃烧室，这就降低了为达到预定的燃气初温所需的燃料量，提供了在耗油率方面的重要改进。
　　（3）从燃气发生器出来的燃气，通过第一级可变几何导叶（VAN）进入动力涡轮。随着功率减少，动力涡轮质量流量减少，可变几何导叶逐渐关小。因此，对一给定的部分负荷可保持高的燃气初温（在WR－21中，全工况和30％工况下动力涡轮入口燃气温度均为852℃，出口温度则从全工况的355℃降为30％工况时的272℃），这使回热器空气／燃气的温差增加，改进了回热器的传热，致使部分负荷下的耗油率获得改善。在WR－21上回热加VAN约能节省30％～40％的燃油。
　　回热器、中间冷却器和涡轮可变几何导叶是使WR－21相对于简单循环获得耗油率减小，功率增大的三个关键特征。
美国海军从便于舰艇现代化改装出发，一开始就规定WR－21的尺寸不能大于LM2500箱装体，两者的“脚印”要相同，以便换装。
　　WR－21藉增加中间冷却器、回热器和涡轮可变几何导叶，使与典型的美国海军燃气轮机相比明显改进了性能。按通常的概念。硬件的增加会降低可靠性，增加维护和支援费用，使维护更困难。为了解决这一个问题，从一开始就始终对可维性坚持了高标准要求。
　　WR－21采用单元体设计思想，共分16个单元体，它们是：低压压气机、中介机匣、高压核心支承、高压涡轮导向器、高压涡轮、低压涡轮导向器、低压涡轮、动力涡轮进口可变几何导叶、动力涡轮、动力涡轮支承结构、管系、附件传动、中间冷却器组件、控制系统和回热器。
部件特点
　压气机
　　高、低压压气机均是由RR公司的PB211－535航空发动机派生而来的，低压压气机为焊接式钛鼓转子，上有六级钛合金叶片，静叶则装在铝合金的可中分机匣上，机匣上带有放气阀。高压压气机也是六级，压比4.9。
　中间冷却器
　　中间冷却器是一个双回路系统。一个是在发动机上的淡水——乙二醇（两者1∶1）闭式中间回路与空气的热交换系统，它是由五个铜——镍鳍片板式逆流热交换器组成，冷却剂流量为3400　L／min；另一个是在机外的淡水／海水热交换器，海水流量5300　L／min，由船上的海水循环系统提供。控制装置可根据入口空气的温度和相对湿度及低压压气机出口空气压力自动控制冷却剂绕过海水热交换器的旁通度，以防止在高压压气机中产生冷凝。
　燃烧室

燃烧室</P>
<P>燃烧室由九个径流式火焰筒组成。高压压气机排出的空气经排气总管到回热器进口，从回热器来的空气经总管入燃烧室。该径流式结构与干式低排放燃烧室发展计划相容，将能允许方便地翻新改进。每个火焰筒均可在箱装体内部单独拆换。
     涡轮
　　高压涡轮由RB211－524航空发动机的高压涡轮派生，单级、轴流，导叶、动叶均为气膜冷却叶片。为降低涡轮的通流能力叶片作了修改。
　　低压涡轮由RB211－535的低压涡轮派生，单级轴流涡轮，为增加涡轮的通流能力，叶型作了修改。
　　动力涡轮入口可变几何导叶在40％功率时处于全关（最小流量位置），在100％功率时全开，54片导叶由齿环带动，齿环则是由WR－21发动机的控制器控制的两个液压作动器所驱动，每个导叶均可单独更换。
　　动力涡轮共五级，是基于Trent700和800发动机设计的一个新设计。动力涡轮在100％功率时的转速为3600 r／min。
      箱装体
　　WR－21箱装体为弹性安装。箱装体也提供了与船上各供应系统的接口，诸如电、起动空气等。箱体表面温度的设计值为不大于52℃，对海军型，箱体是可防核、生物和化学污染并隔声、隔热。
　　箱体的侧壁板和垂直构架在维护需要时可拆卸，当大规模维修时，发动机全长上都是可接近的。在箱体侧壁上有标准的海军门，船员可入内作日常和预防性维护。底板上有附加的板，分别供辅助齿轮箱维护和通往发动机后支承及排气室用。
　　辅助齿轮箱安装在燃气发生器下，上有起动机、燃油泵、滑油泵、通气装置。所有附件可从箱体侧面拆卸。此外，直接在辅助齿轮箱下的底板上增加了一个通道，这样，燃油泵、滤器、起动机（与RR公司Trent发动机的起动机相同）注油口、磁力捕屑器和盘动高压转子的插口均可从侧面开口或底板开口方便地接近。
　　主要部件的拆换通过进气道完成。为此，箱体前部的侧板和顶板是可拆的，箱体内也有安装发动机拆卸导轨、回热器拆卸导轨的结构物安装界面。
　　在进气喇叭口的上方，装有一个外物防护网（图4），当要拆除发动机时，先将装于箱体顶部的外物防护网从进气道中吊出。因为箱装体是以某一设定的倾角弹性安装在基座上的，因此装有倾角档块，以降低在任何时候可能发生的箱装体“下蹲”而导致的发动机与齿轮箱间的不对中量。倾角档块是两个附加的，各可承受2270公斤力的支座，轴向地设置在箱装体的端面，使箱体免于倾角增加。除倾角档块外，在箱装体的角上还装有销、环系统。测量并记录箱装体初始安装时销相对于环的值，以后任何测量数据的差别意味着发动机相对于船体结构已经移动。倾角档块和销、环系统预期可减轻美国海军在现今发动机上反复进行的计划维护的工作量（现有发动机是在高速联接轴上测量偏斜和平行偏移）。</P>
<P>    回热器
　　回热器是板翅式逆流热交换器，采用14－4不锈钢。回热器可以正常方式运行，也可旁通运行。旁通时空气从回热器的进气管直接进入出气管返回燃烧室，而不经过回热器。发动机可以用旁通方式在全工况运行，但是耗油率高。
　　当旁通运行时，回热器模块的温度升高，因为空气侧的流量为零。这种较高温度的运行模式用于回热器短期运行后的清洁。除了短期运行后的清洁（在旁通方式下是自动完成的），回热器的维护仅限于目视检查。
　控制系统
　　WR－21控制系统是基于一个开式结构Futurebus＋母板的全功能控制器。控制系统对发动机进行控制和监测，并提供机旁操纵台的接口，必要时就地操纵和诊断发动机。该系统在所有关键的运行控制功能上都有充分的冗余度，控制装置位于一个1520 mm×610 mm×610 mm的环境密封的柜内。控制器的主要功能是程序起停、稳态和瞬态控制、监视、故障探测和超速、振动超限、滑油压力过低、涡轮进口温度过高等状况下的应急停机保护。控制器也对涡轮可变几何导叶以及中间冷却器和回热器的旁通进行控制。
　　控制器有自诊断能力。故障诊断降至船上维修级，失效元件可由船员及维修人员更换。控制器也能隔离失效的系统传感器。
　　正常运行时，控制器监测遍布WR－21各系统的数百个温度和压力，确定发动机的状态，作出控制发动机性能的逻辑决定。如有需要，还可向用户提供最新的数字健康诊断系统和低价位的自动记录装置。</P>
<P>21世纪高性能水面战舰将采用综合全电力推进（IFEP）系统，美、英、法等国海军都制定了他们的IFEP系统发展计划。美国海军海上系统指挥部预计，如果采用ICR燃气轮机可使总运行油耗下降23％～25％，如果采用综合电力系统可使总运行油耗降低15％～19％，这两种技术的结合可使油耗降低36％～38％。WR－21燃气轮机正被考虑作为综合全电力推进系统的主要设备。
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<P>WR－21是21世纪初的新一代船用燃气轮机，由于采用了间冷、回热技术，使其具有优良的变工况性能。</P>
<P>约50年前，船用燃气轮机的先驱——英国，认识到船用燃气轮机要求在整个功率范围内有低的耗油率（尤其是部分负荷），为实现这一点，尝试选择了包括三个压气机、两个中间冷却器、一个回热器、三个涡轮的复杂循环，即RM60燃气轮机。它于1951年作陆上试验，功率达到3 898 kW（5300马力）。作为船用燃气轮机，这个装置还是值得注意的，因为尽管装置复杂，仍然达到了3.59　kg／kW（2.64公斤／马力）的比重，它在40％～80％功率范围内的耗油率曲线平坦。1954年装于“灰鹅”号炮艇在海上航行，证实了它的可靠性。然而RM60虽然达到了良好的部分负荷性能，却使发动机的购置成本大大提高，体积庞大，控制复杂循环系统的损失也是困难的，再加上不久其性能即被改进的简单循环发动机（海神）所超越，因而未获进一步发展。
　　几十年过去，由于燃气轮机及热交换器方面的技术进展，使间冷——回热循环在达到最高的循环效率、优良的变工况性能的同时仍能使装置结构紧凑，这使它可能特别适于舰用。
1981年Rolls－Royce公司向美国海军提出发展间冷回热燃气轮机（ICR）的设想。
　　1985年秋美国海军首次招标38℃，17 897 kW ICR高效舰用燃气轮机。Rolls－Royce公司与Allison、Garrett公司合作提出了TF41／Sper改型方案，并与GE M＆I提出的LM1600改型和P＆W的PW2037改型方案先后于1985年底至1986年得到一年的概念设计合同。1986年续一年预研合同。
　　1987年底美海军决定将功率提高到19 686 kW并考虑全电力推进方案，至1989年底美海军也只是维持GE及Rolls－Royce公司的预研工作。
　　1990年美海军恢复ICR计划，重新招标，确认19 686 kW并有10％的增长潜力，尺寸适合与LM2500换装。Rolls－Royce公司与Westinghouse公司合作，结合RB211系列航空发动机单元体结构，获得了与航空型零件高度通用的最佳ICR方案。
　　1991年12月，美国海军将ICR燃气轮机机组的设计和发展合同授与Westinghouse Electric Coporation（WEC）船舶分部，分承包商主要有Rollse－Royce公司工业与船用燃气轮机分部（负责燃气轮机），Allied　Signal公司航空系统和设备集团（负责回热器和中间冷却器）和CAE电子公司（负责控制设备）。
　　1991～1995年为前期发展阶段（设计、发展、调试和确认主要性能参数）。
　　1994～1999年为全尺寸发展阶段（美国海军试验、调试、训练、编写说明等）。
　　1997年5～9月由Northrop　Grumman船用系统公司（新的美国总承包商）与RR公司共同在英国国防评估和研究机构的Pyestock试验场完成了产品型标准系统的最新500小时耐久性试验，共试验503小时，69次起动，相当于在海上实际运行1500～2000小时。预计1998年美国海军在Philadelphia的海军水平舰船中心的Carderock分部建的第二个试验场上进行第二台机的试验。
　　原计划在1999财政年度分批装备DDG－51“Arliegh　Burke”级导弹驱逐舰。但按美国海军目前计划，第一台间冷回热燃气轮机要到2004财政年度才装备于战舰，比预计的晚五年，装备最后9艘DDG－51级舰。
　　从1994年7月首台前期发展型WR－21开始试验以来，多台WR－21试验型、发展型以及生产型样机已相继完成各项性能试验和耐久性试验。至1997年，总试验时数已超过1200小时，其中包括110％负荷的重要试验。</P>
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<P>简单循环与ICR循环线图</P>



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<P>WR－21的纵剖面图</P>



<P>ICR循环与简单循环燃气轮机不同的是：
　　（1）在两个压气机之间设有一个中间冷却器，使得空气在进入高压压气机前被冷却，从而减少高压压气机所需的耗功，改进高压轴的效率并增加发动机的功率（在WR－21上约增加25％的功率）。此外，间冷也降低了高压压气机出口的空气温度，提高了空气与燃气排气温度的温差，从而增加了回热器的效率。
　　（2）从高压压气机出口的空气先进入回热器，利用燃气排气余热对空气进行预热，然后进入燃烧室，这就降低了为达到预定的燃气初温所需的燃料量，提供了在耗油率方面的重要改进。
　　（3）从燃气发生器出来的燃气，通过第一级可变几何导叶（VAN）进入动力涡轮。随着功率减少，动力涡轮质量流量减少，可变几何导叶逐渐关小。因此，对一给定的部分负荷可保持高的燃气初温（在WR－21中，全工况和30％工况下动力涡轮入口燃气温度均为852℃，出口温度则从全工况的355℃降为30％工况时的272℃），这使回热器空气／燃气的温差增加，改进了回热器的传热，致使部分负荷下的耗油率获得改善。在WR－21上回热加VAN约能节省30％～40％的燃油。
　　回热器、中间冷却器和涡轮可变几何导叶是使WR－21相对于简单循环获得耗油率减小，功率增大的三个关键特征。
美国海军从便于舰艇现代化改装出发，一开始就规定WR－21的尺寸不能大于LM2500箱装体，两者的“脚印”要相同，以便换装。
　　WR－21藉增加中间冷却器、回热器和涡轮可变几何导叶，使与典型的美国海军燃气轮机相比明显改进了性能。按通常的概念。硬件的增加会降低可靠性，增加维护和支援费用，使维护更困难。为了解决这一个问题，从一开始就始终对可维性坚持了高标准要求。
　　WR－21采用单元体设计思想，共分16个单元体，它们是：低压压气机、中介机匣、高压核心支承、高压涡轮导向器、高压涡轮、低压涡轮导向器、低压涡轮、动力涡轮进口可变几何导叶、动力涡轮、动力涡轮支承结构、管系、附件传动、中间冷却器组件、控制系统和回热器。
部件特点
　压气机
　　高、低压压气机均是由RR公司的PB211－535航空发动机派生而来的，低压压气机为焊接式钛鼓转子，上有六级钛合金叶片，静叶则装在铝合金的可中分机匣上，机匣上带有放气阀。高压压气机也是六级，压比4.9。
　中间冷却器
　　中间冷却器是一个双回路系统。一个是在发动机上的淡水——乙二醇（两者1∶1）闭式中间回路与空气的热交换系统，它是由五个铜——镍鳍片板式逆流热交换器组成，冷却剂流量为3400　L／min；另一个是在机外的淡水／海水热交换器，海水流量5300　L／min，由船上的海水循环系统提供。控制装置可根据入口空气的温度和相对湿度及低压压气机出口空气压力自动控制冷却剂绕过海水热交换器的旁通度，以防止在高压压气机中产生冷凝。
　燃烧室

燃烧室</P>
<P>燃烧室由九个径流式火焰筒组成。高压压气机排出的空气经排气总管到回热器进口，从回热器来的空气经总管入燃烧室。该径流式结构与干式低排放燃烧室发展计划相容，将能允许方便地翻新改进。每个火焰筒均可在箱装体内部单独拆换。
     涡轮
　　高压涡轮由RB211－524航空发动机的高压涡轮派生，单级、轴流，导叶、动叶均为气膜冷却叶片。为降低涡轮的通流能力叶片作了修改。
　　低压涡轮由RB211－535的低压涡轮派生，单级轴流涡轮，为增加涡轮的通流能力，叶型作了修改。
　　动力涡轮入口可变几何导叶在40％功率时处于全关（最小流量位置），在100％功率时全开，54片导叶由齿环带动，齿环则是由WR－21发动机的控制器控制的两个液压作动器所驱动，每个导叶均可单独更换。
　　动力涡轮共五级，是基于Trent700和800发动机设计的一个新设计。动力涡轮在100％功率时的转速为3600 r／min。
      箱装体
　　WR－21箱装体为弹性安装。箱装体也提供了与船上各供应系统的接口，诸如电、起动空气等。箱体表面温度的设计值为不大于52℃，对海军型，箱体是可防核、生物和化学污染并隔声、隔热。
　　箱体的侧壁板和垂直构架在维护需要时可拆卸，当大规模维修时，发动机全长上都是可接近的。在箱体侧壁上有标准的海军门，船员可入内作日常和预防性维护。底板上有附加的板，分别供辅助齿轮箱维护和通往发动机后支承及排气室用。
　　辅助齿轮箱安装在燃气发生器下，上有起动机、燃油泵、滑油泵、通气装置。所有附件可从箱体侧面拆卸。此外，直接在辅助齿轮箱下的底板上增加了一个通道，这样，燃油泵、滤器、起动机（与RR公司Trent发动机的起动机相同）注油口、磁力捕屑器和盘动高压转子的插口均可从侧面开口或底板开口方便地接近。
　　主要部件的拆换通过进气道完成。为此，箱体前部的侧板和顶板是可拆的，箱体内也有安装发动机拆卸导轨、回热器拆卸导轨的结构物安装界面。
　　在进气喇叭口的上方，装有一个外物防护网（图4），当要拆除发动机时，先将装于箱体顶部的外物防护网从进气道中吊出。因为箱装体是以某一设定的倾角弹性安装在基座上的，因此装有倾角档块，以降低在任何时候可能发生的箱装体“下蹲”而导致的发动机与齿轮箱间的不对中量。倾角档块是两个附加的，各可承受2270公斤力的支座，轴向地设置在箱装体的端面，使箱体免于倾角增加。除倾角档块外，在箱装体的角上还装有销、环系统。测量并记录箱装体初始安装时销相对于环的值，以后任何测量数据的差别意味着发动机相对于船体结构已经移动。倾角档块和销、环系统预期可减轻美国海军在现今发动机上反复进行的计划维护的工作量（现有发动机是在高速联接轴上测量偏斜和平行偏移）。</P>
<P>    回热器
　　回热器是板翅式逆流热交换器，采用14－4不锈钢。回热器可以正常方式运行，也可旁通运行。旁通时空气从回热器的进气管直接进入出气管返回燃烧室，而不经过回热器。发动机可以用旁通方式在全工况运行，但是耗油率高。
　　当旁通运行时，回热器模块的温度升高，因为空气侧的流量为零。这种较高温度的运行模式用于回热器短期运行后的清洁。除了短期运行后的清洁（在旁通方式下是自动完成的），回热器的维护仅限于目视检查。
　控制系统
　　WR－21控制系统是基于一个开式结构Futurebus＋母板的全功能控制器。控制系统对发动机进行控制和监测，并提供机旁操纵台的接口，必要时就地操纵和诊断发动机。该系统在所有关键的运行控制功能上都有充分的冗余度，控制装置位于一个1520 mm×610 mm×610 mm的环境密封的柜内。控制器的主要功能是程序起停、稳态和瞬态控制、监视、故障探测和超速、振动超限、滑油压力过低、涡轮进口温度过高等状况下的应急停机保护。控制器也对涡轮可变几何导叶以及中间冷却器和回热器的旁通进行控制。
　　控制器有自诊断能力。故障诊断降至船上维修级，失效元件可由船员及维修人员更换。控制器也能隔离失效的系统传感器。
　　正常运行时，控制器监测遍布WR－21各系统的数百个温度和压力，确定发动机的状态，作出控制发动机性能的逻辑决定。如有需要，还可向用户提供最新的数字健康诊断系统和低价位的自动记录装置。</P>
<P>21世纪高性能水面战舰将采用综合全电力推进（IFEP）系统，美、英、法等国海军都制定了他们的IFEP系统发展计划。美国海军海上系统指挥部预计，如果采用ICR燃气轮机可使总运行油耗下降23％～25％，如果采用综合电力系统可使总运行油耗降低15％～19％，这两种技术的结合可使油耗降低36％～38％。WR－21燃气轮机正被考虑作为综合全电力推进系统的主要设备。
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