燃-蒸联合循环装置(COGAS),航母新动力

另外，对于我国航母而言，蒸-燃并列联合装置(COSAG)：巡航时用汽轮机，加速时并入燃气轮机共同驱动螺旋桨，此方案虽然较落后，但能充分利用我国蒸汽机制造的优势，同时又能解决我国蒸汽机启动慢，预热时间长，燃气轮机功率小的问题。对排水量较小的军舰此方案肯定不理想，但对于航母这种大吨位舰艇以及现在我国舰艇动力发展水平来讲，也是一个可选的方案。
我国在蒸汽机的研究上，本来水平不低，通过引进现代级，我国更是应该已经熟练掌握相应的蒸汽推进系统，另据报道我国的舰用燃气轮机目前又有新突破，我们利用好现有成熟技术，并适度引入新技术，渐进式发展航母应该是个稳妥而高效的方案。

另外，对于我国航母而言，蒸-燃并列联合装置(COSAG)：巡航时用汽轮机，加速时并入燃气轮机共同驱动螺旋桨，此方案虽然较落后，但能充分利用我国蒸汽机制造的优势，同时又能解决我国蒸汽机启动慢，预热时间长，燃气轮机功率小的问题。对排水量较小的军舰此方案肯定不理想，但对于航母这种大吨位舰艇以及现在我国舰艇动力发展水平来讲，也是一个可选的方案。
我国在蒸汽机的研究上，本来水平不低，通过引进现代级，我国更是应该已经熟练掌握相应的蒸汽推进系统，另据报道我国的舰用燃气轮机目前又有新突破，我们利用好现有成熟技术，并适度引入新技术，渐进式发展航母应该是个稳妥而高效的方案。

对于蒸-燃并列联合装置(COSAG)来说，是蒸汽装置保证在80%全速以下航行所需的功率（即全功率约50%左右），以使经济及重量尺寸指标为最有利。以美国小鹰级航母为例，其最大功率约为２００ＭＷ，而我国从乌克兰引进的燃气轮机为单台２５ＭＷ，即可用４台燃气轮机配合４台广泛运用的２５ＭＷ的增压蒸汽机，就能满足快启动，高航速和经济巡航的需要。同时四轴每轴巡航时最高２５ＭＷ，高速时５０ＭＷ，各轴动力也非常平衡。当然，如果在未来能配合电力推进，并和电磁弹射相结合就更不错了。

对于蒸-燃并列联合装置(COSAG)来说，是蒸汽装置保证在80%全速以下航行所需的功率（即全功率约50%左右），以使经济及重量尺寸指标为最有利。以美国小鹰级航母为例，其最大功率约为２００ＭＷ，而我国从乌克兰引进的燃气轮机为单台２５ＭＷ，即可用４台燃气轮机配合４台广泛运用的２５ＭＷ的增压蒸汽机，就能满足快启动，高航速和经济巡航的需要。同时四轴每轴巡航时最高２５ＭＷ，高速时５０ＭＷ，各轴动力也非常平衡。当然，如果在未来能配合电力推进，并和电磁弹射相结合就更不错了。

同时大家对COGES(燃气轮机和汽轮机联合的综合电力驱动系统)，应该更加关注，这很可能是我国下一代航母的动力装置。美国GE公司利用其在海军舰艇推进装置中的优势，开展了这方面的预研，并且卓有成效。已经成功在皇家加勒比航运公司6艘294m长、85000载重吨的大型旅游船上成功运用，在该系统中涡轮机将驱动发电机，发电机将驱动推进电动机并提供船上电力用于照明、通风等。汽轮机的排汽将用于生产淡水、空调加热、洗衣房和厨房。根据用于船上服务的蒸汽要求，燃蒸联合循环的效率将为45%—50%。在使用低压蒸汽时，整个系统的能量利用率高达80%。

同时大家对COGES(燃气轮机和汽轮机联合的综合电力驱动系统)，应该更加关注，这很可能是我国下一代航母的动力装置。美国GE公司利用其在海军舰艇推进装置中的优势，开展了这方面的预研，并且卓有成效。已经成功在皇家加勒比航运公司6艘294m长、85000载重吨的大型旅游船上成功运用，在该系统中涡轮机将驱动发电机，发电机将驱动推进电动机并提供船上电力用于照明、通风等。汽轮机的排汽将用于生产淡水、空调加热、洗衣房和厨房。根据用于船上服务的蒸汽要求，燃蒸联合循环的效率将为45%—50%。在使用低压蒸汽时，整个系统的能量利用率高达80%。

旅大级上蒸汽轮机的功率至少是6万马力，一艘航母的功率就算30万马力，也不过是5条旅大的功率。而航母的排水量是旅大的20-30倍，所以航母上不缺地方装蒸汽轮机。蒸汽轮机还可以烧重油，所以在航母上搞复杂的燃蒸联合没什么价值。

好好的蒸汽不用非得吃饱撑的搞燃蒸，油料都不好调配

燃-蒸联合循环装置(COGAS）复杂了，那么蒸-燃并列联合装置(COSAG)如何？这个方案以蒸汽机为主，而且也能解决蒸汽机启动慢的问题，技术方案也较简单，利用现有技术应该就能解决。

有了全电传动，啥都能解决了。没有，原动机越组合越复杂，最后就是得不偿失。

复旦一兵 发表于 2010-8-10 21:49


在这个方案里，蒸汽轮机是不烧油的，利用燃气轮机的尾气烧水。中冷回热技术暂时不过关的话，也可以考虑一下，不过我觉得，在火电厂用比较有前途，毕竟，船上的空间比较宝贵。要想提高燃气轮机的而效率还是抓紧研发中冷回热技术比较好。

说到底还是电气化才是大趋势

说到底还是电气化才是大趋势

现在火电厂，燃机基本都是联合循环，燃机排气温度高达500多度，烧水，接着推汽轮机，但是这个设备很大，余热锅炉不是普通的的锅炉，LZ的那个方案，看来不是自然循环的余热锅炉，而是补燃的余热锅炉，因为需要在燃机不开的情况下，开汽轮机，那么这个锅炉设计比较麻烦，还需要两套燃料系统，不过这个不是没人搞过，技术上要实现也不是不成，瑞典还变态的搞过燃蒸联合循环坦克发动机，但是事实上对于航妈来说，4万吨以上的，实在不需要燃机来，蒸汽轮机就可以了，为什么必须上燃机呢？上了一套如此复杂的动力系统是非常没有意义的事情。

发电用蒸汽轮机和燃气轮机联合循环

canghaiyijing 发表于 2010-8-10 22:56

其实吧，满排7万的4轴舰队CV
6具GT25000燃气涡轮机就够了
中间两轴是各由2具燃气涡轮并车提供动力
边上的两轴分别由一台燃气涡轮提供动力

千锻青松 发表于 2010-8-11 09:28 四轴同功率才有效率

f22 发表于 2010-8-11 09:51


这现在不是没办法么
南非海军的MEKO护卫舰中间的动力装置是喷水推进装置，两侧是螺旋桨推进
这三根轴的出力也是不一样的吧

四个轴负荷不一样会产生拖桨，那搞不好会把桨给拉掉的。

荆深特快 发表于 2010-8-11 10:18


噢，这样~

余热锅炉啊，一直是让我着迷的一个东西
联合循环的效率是可以很高的，不止40%
但是两个透平的转速差异太大了不好传动啊
机组的复杂程度和体积也很杯具，余热锅炉联合循环的话题已经有专业人士解毒过了，不适合装在船上用

千锻青松 发表于 2010-8-11 10:13


说到南非那个玩意，一直觉得很脱裤子放屁。。。。话说喷水的噪音比常规变距桨有优势还是咋的？怎么这么多人捧这玩意。。。。

千锻青松 发表于 2010-8-11 09:28

另外游民提过一个方案，四条狗腿分别带动一个螺旋桨，剩下俩当发电机。。。考虑到他是狂热滑跃份子，这么大的电功率都不知道咋用了[:a1:]

千锻青松 发表于 2010-8-11 09:28


    何不索性用三轴？单轴7万好像恰好还在上限内

电力应该是最终趋势

目前的TG航妈动力配置，燃蒸联合比较合理。未来还是应考虑核燃联合。

redsky1981 发表于 2010-8-11 09:22
那就把这种“发电站”般到船上，动力输出采用电动机。

经典。。。。。

蒸汽机虽然有不少优点，但机动性差，起动前准备时间约为30～35min，紧急情况下，缩短暖机过程后也要15～20min。在舰艇上为保证立即起锚的要求，就以暖机状态停泊，从而增加了停泊时的燃料消耗。另外，从一个工况变换到另一个工况的过渡时间也较柴油机装置长2～3倍。而蒸-燃并列联合装置(COSAG)，能较好解决这方面问题。

另外燃-蒸联合循环装置(COGAS)，相对来说我国技术上也是有相当储备的，应该比中冷回热技术成熟，至于说到体积问题，第一航母本事体量较大，第二燃-蒸联合循环装置(COGAS)，在缩小体积方面还是有潜力可挖掘的。

对于蒸-燃并列联合装置(COSAG)来说，是蒸汽装置保证在80%全速以下航行所需的功率（即全功率约50%左右），以使经济及重量尺寸指标为最有利。以美国小鹰级航母为例，其最大功率约为２００ＭＷ，而我国从乌克兰引进的燃气轮机为单台２５ＭＷ，即可用４台燃气轮机配合４台广泛使用的２５ＭＷ的增压蒸汽机，就能满足快启动，高航速和经济巡航的需要。

对于蒸-燃并列联合装置(COSAG)来说，是蒸汽装置保证在80%全速以下航行所需的功率（即全功率约50%左右），以使经济及重量尺寸指标为最有利。以美国小鹰级航母为例，其最大功率约为２００ＭＷ，而我国从乌克兰引进的燃气轮机为单台２５ＭＷ，即可用４台燃气轮机配合４台广泛使用的２５ＭＷ的增压蒸汽机，就能满足快启动，高航速和经济巡航的需要。

[论文]复杂循环燃气轮机装置在舰船中的应用

复杂循环燃气轮机装置在舰船中的应用
　魏琳健　吉桂明　付先平　聂焕玲*
［摘要］　叙述了WR—21中间冷却回热式(ICR)燃气轮机和基于燃气轮机的燃蒸联合循环(COGAS和COGES)动力装置的研制和应用情况。简要介绍了前苏联、美国和英国在这方面所做的工作。指出，作为两种高效节能的动力装置，WR—21和COGAS装置具有一系列的优点，它们是应用于军舰和商船的较为理想的动力装置。
关键词　船舶动力装置　燃蒸联合装置　ICR燃气轮机　应用
中图分类号　U 664.13
1　前言
　　过去10年燃气轮机技术又取得了长足的进步，选进的航空技术在舰船燃气轮机中得到了进一步的应用，并研制设计出许多新一代的高性能燃气轮机，如GE公司新研制的LM2500＋，乌克兰“机器设计”科学生产联合体研制的ГТД25000、罗尔斯—罗伊斯公司和西屋公司联合研制的WR—21型ICR船用燃气轮机。
　　舰船主动力装置当前追求的目标一是费用节省(降低耗油率)，二是保持(或增强)战斗力(对商船是追求最大经济效益)。正是上述目标促进了高效节能、综合性能优良的ICR燃气轮机和燃蒸联合循环动力装置的研制和应用。
采用中间冷却回热复杂循环、先进的燃蒸联合循环已使舰船燃气轮机的发展和应用进入了一个崭新的时期。WR—21可望作为下一代大中型战舰的主动力装置。利用燃气轮机排气余热的燃蒸联合循环动力装置——COGAS和COGES的技术在不断发展并得到应用。
　　经过几十年的开发、研制和应用，各国海军已公认燃气轮机是大中型水面战舰占主导地位的发动机。
　　近年来，随着高性能船(渡船、旅游船)的快速发展，综合性能优良的燃气轮机正在日益进入商船推进的各个领域。
2　WR—21发动机
　　考虑到无论是平时还是战时，大中型战舰的巡航时间要占海上航行时间的75%以上，巡航速度一般在18节左右，所需功率仅为总功率的20%—25%以下。通常简单循环燃气轮机在低负荷下的性能明显降低，耗油率急剧增加。
　　早在50年前，为使燃气轮机在整个负荷范围内有低的耗油率，英国研制了RM60型ICR船用燃气轮机，并于1954年装用于“灰鹅”号炮艇上。
　　前苏联早在60年代初就研制了ГТУ—20型ICR船用燃气轮机。1965年，装用ГТУ—20发动机的“巴黎公社”号干货船正式投入航行。
　　由于当时条件的局限再加上改进的简单循环燃机性能的超越，ICR船用燃机技术未得到进一步的开发和应用。
　　当前，对战舰主动力装置节省燃料消耗方面的要求日益受到重视。由于燃气轮机及热交换器技术的进展，使复杂循环和联合循环装置在达到最高循环效率，良好变工况性能的同时仍能使装置结构紧凑、工作可靠。
　　为此，美国海军招标，授权英国Rolls_Royce公司和美国Westinghouse公司联合研制WR_21ICR船用燃机。
　　研制该发动机的目标是用于下一代战舰、取代LM2500发动机，使采用WR—21发动机的战舰年燃油消耗量较美国海军现役的LM2500发动机舰船降低约30%。
　　ICR循环线图示于图1。中间冷却减少了高压压气机的耗功并明显增加了回热器的效率。回热回收了排气的余热，明显增加了装置的效率。中间冷却器、回热器、动力涡轮可变几何导叶是使WR—21较LM2500简单循环降低耗油率、增大功率的关键。
  

1-进气；2-低压压气机；3-水；4-中间冷却器；5-温降(106℃)；6-高压压气机；7-温升(227℃)；8-旁通阀；9-燃烧室；10-燃料；11-回热器；12-高压涡轮；13-低压涡轮；14-可变面积导叶；15-排气(343℃)；16-动力涡轮


图1　WR—21ICR循环线图
  

图2 耗油率与功率百分数的关系
  

1-PM25型减速器；2-汽轮机；3-燃气轮机；4-余热锅炉
图3　M25型动力装置的全视图
　　由于中间冷却、回热再加上可变几何的动力涡轮，WR—21整个功率范围内的耗油率曲线极为平坦。在50%输出功率下，耗油率仅比100%输出功率时增加4.15%。与简单循环比较(图2)，WR—21可明显减少燃料消耗：在最大功率下减少17%，40%全功率下减少25%—30%，在30%全功率下减少30%，10%全功率下减少40%—60%。
　　对于目前美国海军的119艘由LM2500驱动的舰船，预计1996年需要燃油836万桶，花费约5亿美元。就具体战舰而言，对于当前已有30艘、最终将拥有57艘的DDG—51(阿里伯克)级导弹驱逐舰，用WR—21代替LM2500推进系统将使总的燃料节省21%，每艘每年节省159万美元。
　　优异性能的WR—21发动机已引起各国海军的极大注意。考虑装用WR—21的战舰有美国海军DD—21级驱逐舰、DDG—51级后续舰，英海军新型航母，英、法、意“地平线计划”中的“前景”级护卫舰。此后，民用市场，诸如旅游船、高速渡船等也有望应用WR—21发动机。

3　COGAS装置
　　前苏联一直是舰船燃气轮机的最大使用者，也是利用COGAS装置的先驱。它首先把COGAS装置用于大型滚装式货船，也首先把它用于大型战舰。
3.1　M25型COGAS装置
　　早在70年代乌克兰尼古拉也夫市的“机器设计”科学生产联合体即研制成功利用D159航改型燃气轮机排气余热的M25型船用COGAS装置(图3)。其系统图示于图4。图中可看到燃气轮机4的排气进入直流式余热锅炉5，余热锅炉的蒸汽供入汽轮机2做功。燃气轮机和汽轮机的功率通过减速器并车输送给螺旋桨轴。

1-汽轮机冷凝器；2-汽轮机；3-减速器；4-燃气轮机；5-余热锅炉；6-蒸汽过热器；7-受热蒸发面；8-经济器；9-汽水分离器；10-生活用抽汽；11-余热锅炉循环水泵；12-到汽轮发电机的抽汽；13-给水泵；14-热水井；15-冷凝水泵。


图4　M25型燃蒸联合动力装置系统图
　　
　　M25型COGAS装置的性能如下：
　　正车功率：18.4MW
其中，燃气轮机功率14MW，汽轮机功率4.4MW
耗油率：0.204kg/(kW*h)
热效率：41.3%
倒车最大功率：5MW
机组长度：14m
重量：150t
大修寿命：燃气轮机25000小时
汽轮机　50000小时
余热锅炉50000小时
减速器　50000小时
　　M25动力装置于1979年装在前苏联排水量为22691吨“斯米尔诺夫船长”级大型滚装式货船上。该船装有二套M25装置，36.8MW，2轴。在1979年—1982年期间共建造了4艘该级货船。采用COGAS装置，通过燃蒸并车，可增加20%推进功率，并且也把来自余热锅炉的蒸汽供给汽轮发电机和舰船服务设施用。
　　至今已有20套M25动力装置在使用中，累计的总工作时间为240000小时。
　　1997年5月美国海军海上系统指挥部授于合同，采购一艘乌克兰建造的由M25装置驱动的斯米尔诺夫船长级滚装船。在加入美国海军运输船队前要对该船进行改装。在保留基本推进系统时，改装工作将包括用新的高性能GT16000型燃气轮机(简单循环热效率超过36%)代替老的D159型燃气轮机，推进装置的控制和监视系统将完全更换上新的基于计算机的系统。海上系统指挥部有兴趣购买经类似改装的全部该型船只。
　　乌克兰“机器设计”科学生产联合体还基于M37型燃气轮机(最大功率为5.88MW)研制利用其排气余热组成小尺寸、高效率的COGAS装置，可用于高速渡船和豪华游艇。据称，这些装置可以成功地与具有同等功率、性能优良的柴油机相比较。
3.2　基于ГТД8000型燃机的COGAS装置
　　美国海军在80年代曾对COGAS装置用于DDG—51型(阿里伯克级)导弹驱逐舰进行过可行性论证，但终因其有燃气和蒸汽二套系统而增加了系统复杂性等原因一直举棋不定，至今尚未在其战舰中采用。其护卫舰、驱逐舰和巡洋舰(核动力巡洋舰除外)一直是采用LM2500单一机型的燃气轮机主动力装置。
　　相比之下，前苏联却在战舰上采用COGAS装置方面迈出了可喜的一步。
　　继COGAS装置在商船上得到成功的应用并积累经验以后，前苏联迅即展开了COGAS在军舰上应用的研究工作。
　　80年代乌克兰“机器设计”科学生产联合体研制成基于8MWГТД8000型船舶燃气轮机的COGAS装置。该COGAS装置已装用于1982年服役的前苏联海军排水量为12 500吨先进的“光荣级”大型导弹巡洋舰上。
　　该级舰共装用6台燃气轮机，加速机组由4台额定功率为15MW的ГТД15000型燃气轮机组成，巡航机组由2套基于ГТД8000的COGAS装置组成。2轴装机总功率约为88.2MW，自1982年至今该级舰已建成服役4艘。
　　苏联海军首先把燃气轮机用于大型战舰(1963年服役的卡辛级导弹驱逐舰)，这一次又是苏联首先把基于燃气轮机的COGAS装置应用于先进的导弹巡洋舰。
　　使用COGAS装置减少了耗油率，从而对于给定的燃油储量可增加战舰的续航力，或对于给定的续航力可增加武器弹药的载重量，使战舰的战术性能指标得到提高。
4　COGES装置
4.1　GE公司的可行性研究
　　当前，高性能船的快速发展，为舰船用燃气轮机提供了更为广阔的应用市场。GE公司利用其在海军舰艇推进装置中良好的信誉和优势，及时地开展了这方面的预研，并且卓有成效。
　　80年代末，GE公司对采用LM2500燃气轮机加上排气余热回收的COGES(燃气轮机和汽轮机联合的综合电力驱动系统)进行了可行性研究。
　　用于旅游船的典型的LM2500船用动力系统热平衡和流程图示于图5。通常，汽轮发电机组的输出功率约为LM2500燃气轮发电机组的输出功率的30%—40%，使系统的热效率达到45—50%。如果考虑使用低压蒸汽，则整个系统燃料能量的利用率高达80%。
  

图5　LM2500船舶总能系统热平衡和流程图，全功率下具有9027kg/h服务蒸汽
　　该系统中燃气轮发电机功率为21.5MW，利用燃气轮机排气余热的汽轮发电机功率为7.65MW，从而使系统的总功率达29.15MW，此外每小时还能提供9072kg蒸汽供生活设施使用，从而使整个装置的燃油能量利用率高达80%。
　　GE针对典型的2000客位旅游船装用COGES动力装置和柴油机动力装置所进行的投资回收研究表明，由于COGES的能量利用率高，运行维护人员少、维护费用少、节省的大量空间可用于增加客舱、航速高等原因，投资回收率明显高于柴油机(图6)。
  

图6　典型2000旅客旅游船用LM2500COGES和柴油机投资回收率的比较
　　可行性研究结果表明，对于该大型旅游船装用COGES动力装置其性能将明显优于船用柴油机。
4.2　皇家加勒比航运公司旅游船将装用COGES动力装置
　　美国佛罗里达州迈阿密市的皇家加勒比航运公司最近宣告，他们将建造6艘燃气轮机/蒸气轮机驱动的旅游船，这些294m长、85000载重吨、载客2000人的旅游船将由其两个子公司——皇家加勒比国际航运公司和皇家加勒比名人航运公司营运。
　　每艘旅游船的推进装置将包括两台GELM2500＋型燃气轮机和一台汽轮机，该COGES系统图示于图7。燃气轮机和蒸汽轮机将组成COGES系统，在该系统中涡轮机将驱动发电机，发电机将驱动推进电动机并提供船上电力用于照明、通风等。汽轮机的排汽将用于生产淡水、空调加热、洗衣房和厨房。根据用于船上服务的蒸汽要求，燃蒸联合循环的效率将为45%—50%。在使用低压蒸汽时，整个系统的能量利用率高达80%。
  

图7　皇家加勒比旅游船的COGES系统
　　COGES动力装置的一个主要优点是降低噪声和振动量级。这将改进所有旅客，尤其是在船舶后部客舱内那些旅客的舒适性。此外，涡轮机技术使船舶对环境的不利影响减到最小。与柴油机比较，涡轮机减少了排放物、对大气和环境的污染。氮氧化物(NOx)排放减少80%，氧化硫减少98%，远远低于典型柴油机的排放量。
　　采用燃气轮机动力装置也不必使用催化还原设备和专门的排气处理系统，而柴油机动力装置却要求使用这些设备和系统。
　　COGES系统机械的紧凑性是另一个好处。与船用中速柴油机约80kW/m3功率密度比较，现代航改型燃气轮机的功率密度约为1500kW/m3。在舰船上，当燃气轮机装上隔热罩壳时，其功率密度减小到约为400kW/m3。尽管这样，这一功率密度仍然是柴油机的五倍。
　　通常，旅游船使用4或5台中速(500r/min)、8～10MW功率的柴油发电机组。在使用的COGES动力装置的功率与柴油机不相上下时，其更高的功率密度所节省的空间可转换成更多的客舱(可使载客量增加50%)或公用房间和活动区域。
　　构成上述COGES动力装置的LM2500＋是美国GE公司1998年才推出的最新型船舶燃气轮机。在ISO条件下，该燃机的额定连续功率为29.1MW，简单循环热效率高达39%。该型燃机是由GELM2500航改型燃气轮机改进得到的，是LM2500的功率加大型。LM2500是GE公司研制的第二代船用燃气轮机，它是由TF39型军用航空涡轮风扇发动机(民用型为CF6)改装而成。LM2500是世界各国海军用得最多、性能最先进的一型燃气轮机。至今，世界24国海军战舰装用了近750台LM2500发动机。LM2500＋比LM2500的功率更大、效率更高并且有低的寿命周期费用。
　　打算用于皇家加勒比名人航运公司的前两艘85000吨“黄金时代”号旅游船将由法国造船厂建造，预定分别在2000年6月和2001年1月投入使用。打算用于皇家加勒比国际航运公司的第一艘“航海者”号旅游船将由德国造船厂建造，计划于2001年2月峻工。皇家加勒比航运公司计划在2003年前再建造另外三艘该级旅游船。这些旅游船将挂挪威旗航行。
5　结束语
　　复杂循环和燃蒸联合循环的进展使舰船用燃气轮机的技术和应用攀上新的高峰。由于能加大功率、显著节省燃油消耗、低的噪声和红外特征，WR—21ICR船用燃气轮机将成为推进新一代战舰的理想的发动机。
　　作为高效节能、综合性能优良的动力装置，COGAS装置已在商船和军舰上得到成功的应用。COGES装置的上述应用是船用燃气轮机在商船应用领域中的又一个重大突破。在该领域中船用燃气轮机正继续向船用柴油机的地位挑战，现在它又打入了柴油机的世袭领地—旅游船市场。

[论文]复杂循环燃气轮机装置在舰船中的应用

复杂循环燃气轮机装置在舰船中的应用
　魏琳健　吉桂明　付先平　聂焕玲*
［摘要］　叙述了WR—21中间冷却回热式(ICR)燃气轮机和基于燃气轮机的燃蒸联合循环(COGAS和COGES)动力装置的研制和应用情况。简要介绍了前苏联、美国和英国在这方面所做的工作。指出，作为两种高效节能的动力装置，WR—21和COGAS装置具有一系列的优点，它们是应用于军舰和商船的较为理想的动力装置。
关键词　船舶动力装置　燃蒸联合装置　ICR燃气轮机　应用
中图分类号　U 664.13
1　前言
　　过去10年燃气轮机技术又取得了长足的进步，选进的航空技术在舰船燃气轮机中得到了进一步的应用，并研制设计出许多新一代的高性能燃气轮机，如GE公司新研制的LM2500＋，乌克兰“机器设计”科学生产联合体研制的ГТД25000、罗尔斯—罗伊斯公司和西屋公司联合研制的WR—21型ICR船用燃气轮机。
　　舰船主动力装置当前追求的目标一是费用节省(降低耗油率)，二是保持(或增强)战斗力(对商船是追求最大经济效益)。正是上述目标促进了高效节能、综合性能优良的ICR燃气轮机和燃蒸联合循环动力装置的研制和应用。
采用中间冷却回热复杂循环、先进的燃蒸联合循环已使舰船燃气轮机的发展和应用进入了一个崭新的时期。WR—21可望作为下一代大中型战舰的主动力装置。利用燃气轮机排气余热的燃蒸联合循环动力装置——COGAS和COGES的技术在不断发展并得到应用。
　　经过几十年的开发、研制和应用，各国海军已公认燃气轮机是大中型水面战舰占主导地位的发动机。
　　近年来，随着高性能船(渡船、旅游船)的快速发展，综合性能优良的燃气轮机正在日益进入商船推进的各个领域。
2　WR—21发动机
　　考虑到无论是平时还是战时，大中型战舰的巡航时间要占海上航行时间的75%以上，巡航速度一般在18节左右，所需功率仅为总功率的20%—25%以下。通常简单循环燃气轮机在低负荷下的性能明显降低，耗油率急剧增加。
　　早在50年前，为使燃气轮机在整个负荷范围内有低的耗油率，英国研制了RM60型ICR船用燃气轮机，并于1954年装用于“灰鹅”号炮艇上。
　　前苏联早在60年代初就研制了ГТУ—20型ICR船用燃气轮机。1965年，装用ГТУ—20发动机的“巴黎公社”号干货船正式投入航行。
　　由于当时条件的局限再加上改进的简单循环燃机性能的超越，ICR船用燃机技术未得到进一步的开发和应用。
　　当前，对战舰主动力装置节省燃料消耗方面的要求日益受到重视。由于燃气轮机及热交换器技术的进展，使复杂循环和联合循环装置在达到最高循环效率，良好变工况性能的同时仍能使装置结构紧凑、工作可靠。
　　为此，美国海军招标，授权英国Rolls_Royce公司和美国Westinghouse公司联合研制WR_21ICR船用燃机。
　　研制该发动机的目标是用于下一代战舰、取代LM2500发动机，使采用WR—21发动机的战舰年燃油消耗量较美国海军现役的LM2500发动机舰船降低约30%。
　　ICR循环线图示于图1。中间冷却减少了高压压气机的耗功并明显增加了回热器的效率。回热回收了排气的余热，明显增加了装置的效率。中间冷却器、回热器、动力涡轮可变几何导叶是使WR—21较LM2500简单循环降低耗油率、增大功率的关键。
  

1-进气；2-低压压气机；3-水；4-中间冷却器；5-温降(106℃)；6-高压压气机；7-温升(227℃)；8-旁通阀；9-燃烧室；10-燃料；11-回热器；12-高压涡轮；13-低压涡轮；14-可变面积导叶；15-排气(343℃)；16-动力涡轮


图1　WR—21ICR循环线图
  

图2 耗油率与功率百分数的关系
  

1-PM25型减速器；2-汽轮机；3-燃气轮机；4-余热锅炉
图3　M25型动力装置的全视图
　　由于中间冷却、回热再加上可变几何的动力涡轮，WR—21整个功率范围内的耗油率曲线极为平坦。在50%输出功率下，耗油率仅比100%输出功率时增加4.15%。与简单循环比较(图2)，WR—21可明显减少燃料消耗：在最大功率下减少17%，40%全功率下减少25%—30%，在30%全功率下减少30%，10%全功率下减少40%—60%。
　　对于目前美国海军的119艘由LM2500驱动的舰船，预计1996年需要燃油836万桶，花费约5亿美元。就具体战舰而言，对于当前已有30艘、最终将拥有57艘的DDG—51(阿里伯克)级导弹驱逐舰，用WR—21代替LM2500推进系统将使总的燃料节省21%，每艘每年节省159万美元。
　　优异性能的WR—21发动机已引起各国海军的极大注意。考虑装用WR—21的战舰有美国海军DD—21级驱逐舰、DDG—51级后续舰，英海军新型航母，英、法、意“地平线计划”中的“前景”级护卫舰。此后，民用市场，诸如旅游船、高速渡船等也有望应用WR—21发动机。

3　COGAS装置
　　前苏联一直是舰船燃气轮机的最大使用者，也是利用COGAS装置的先驱。它首先把COGAS装置用于大型滚装式货船，也首先把它用于大型战舰。
3.1　M25型COGAS装置
　　早在70年代乌克兰尼古拉也夫市的“机器设计”科学生产联合体即研制成功利用D159航改型燃气轮机排气余热的M25型船用COGAS装置(图3)。其系统图示于图4。图中可看到燃气轮机4的排气进入直流式余热锅炉5，余热锅炉的蒸汽供入汽轮机2做功。燃气轮机和汽轮机的功率通过减速器并车输送给螺旋桨轴。

1-汽轮机冷凝器；2-汽轮机；3-减速器；4-燃气轮机；5-余热锅炉；6-蒸汽过热器；7-受热蒸发面；8-经济器；9-汽水分离器；10-生活用抽汽；11-余热锅炉循环水泵；12-到汽轮发电机的抽汽；13-给水泵；14-热水井；15-冷凝水泵。


图4　M25型燃蒸联合动力装置系统图
　　
　　M25型COGAS装置的性能如下：
　　正车功率：18.4MW
其中，燃气轮机功率14MW，汽轮机功率4.4MW
耗油率：0.204kg/(kW*h)
热效率：41.3%
倒车最大功率：5MW
机组长度：14m
重量：150t
大修寿命：燃气轮机25000小时
汽轮机　50000小时
余热锅炉50000小时
减速器　50000小时
　　M25动力装置于1979年装在前苏联排水量为22691吨“斯米尔诺夫船长”级大型滚装式货船上。该船装有二套M25装置，36.8MW，2轴。在1979年—1982年期间共建造了4艘该级货船。采用COGAS装置，通过燃蒸并车，可增加20%推进功率，并且也把来自余热锅炉的蒸汽供给汽轮发电机和舰船服务设施用。
　　至今已有20套M25动力装置在使用中，累计的总工作时间为240000小时。
　　1997年5月美国海军海上系统指挥部授于合同，采购一艘乌克兰建造的由M25装置驱动的斯米尔诺夫船长级滚装船。在加入美国海军运输船队前要对该船进行改装。在保留基本推进系统时，改装工作将包括用新的高性能GT16000型燃气轮机(简单循环热效率超过36%)代替老的D159型燃气轮机，推进装置的控制和监视系统将完全更换上新的基于计算机的系统。海上系统指挥部有兴趣购买经类似改装的全部该型船只。
　　乌克兰“机器设计”科学生产联合体还基于M37型燃气轮机(最大功率为5.88MW)研制利用其排气余热组成小尺寸、高效率的COGAS装置，可用于高速渡船和豪华游艇。据称，这些装置可以成功地与具有同等功率、性能优良的柴油机相比较。
3.2　基于ГТД8000型燃机的COGAS装置
　　美国海军在80年代曾对COGAS装置用于DDG—51型(阿里伯克级)导弹驱逐舰进行过可行性论证，但终因其有燃气和蒸汽二套系统而增加了系统复杂性等原因一直举棋不定，至今尚未在其战舰中采用。其护卫舰、驱逐舰和巡洋舰(核动力巡洋舰除外)一直是采用LM2500单一机型的燃气轮机主动力装置。
　　相比之下，前苏联却在战舰上采用COGAS装置方面迈出了可喜的一步。
　　继COGAS装置在商船上得到成功的应用并积累经验以后，前苏联迅即展开了COGAS在军舰上应用的研究工作。
　　80年代乌克兰“机器设计”科学生产联合体研制成基于8MWГТД8000型船舶燃气轮机的COGAS装置。该COGAS装置已装用于1982年服役的前苏联海军排水量为12 500吨先进的“光荣级”大型导弹巡洋舰上。
　　该级舰共装用6台燃气轮机，加速机组由4台额定功率为15MW的ГТД15000型燃气轮机组成，巡航机组由2套基于ГТД8000的COGAS装置组成。2轴装机总功率约为88.2MW，自1982年至今该级舰已建成服役4艘。
　　苏联海军首先把燃气轮机用于大型战舰(1963年服役的卡辛级导弹驱逐舰)，这一次又是苏联首先把基于燃气轮机的COGAS装置应用于先进的导弹巡洋舰。
　　使用COGAS装置减少了耗油率，从而对于给定的燃油储量可增加战舰的续航力，或对于给定的续航力可增加武器弹药的载重量，使战舰的战术性能指标得到提高。
4　COGES装置
4.1　GE公司的可行性研究
　　当前，高性能船的快速发展，为舰船用燃气轮机提供了更为广阔的应用市场。GE公司利用其在海军舰艇推进装置中良好的信誉和优势，及时地开展了这方面的预研，并且卓有成效。
　　80年代末，GE公司对采用LM2500燃气轮机加上排气余热回收的COGES(燃气轮机和汽轮机联合的综合电力驱动系统)进行了可行性研究。
　　用于旅游船的典型的LM2500船用动力系统热平衡和流程图示于图5。通常，汽轮发电机组的输出功率约为LM2500燃气轮发电机组的输出功率的30%—40%，使系统的热效率达到45—50%。如果考虑使用低压蒸汽，则整个系统燃料能量的利用率高达80%。
  

图5　LM2500船舶总能系统热平衡和流程图，全功率下具有9027kg/h服务蒸汽
　　该系统中燃气轮发电机功率为21.5MW，利用燃气轮机排气余热的汽轮发电机功率为7.65MW，从而使系统的总功率达29.15MW，此外每小时还能提供9072kg蒸汽供生活设施使用，从而使整个装置的燃油能量利用率高达80%。
　　GE针对典型的2000客位旅游船装用COGES动力装置和柴油机动力装置所进行的投资回收研究表明，由于COGES的能量利用率高，运行维护人员少、维护费用少、节省的大量空间可用于增加客舱、航速高等原因，投资回收率明显高于柴油机(图6)。
  

图6　典型2000旅客旅游船用LM2500COGES和柴油机投资回收率的比较
　　可行性研究结果表明，对于该大型旅游船装用COGES动力装置其性能将明显优于船用柴油机。
4.2　皇家加勒比航运公司旅游船将装用COGES动力装置
　　美国佛罗里达州迈阿密市的皇家加勒比航运公司最近宣告，他们将建造6艘燃气轮机/蒸气轮机驱动的旅游船，这些294m长、85000载重吨、载客2000人的旅游船将由其两个子公司——皇家加勒比国际航运公司和皇家加勒比名人航运公司营运。
　　每艘旅游船的推进装置将包括两台GELM2500＋型燃气轮机和一台汽轮机，该COGES系统图示于图7。燃气轮机和蒸汽轮机将组成COGES系统，在该系统中涡轮机将驱动发电机，发电机将驱动推进电动机并提供船上电力用于照明、通风等。汽轮机的排汽将用于生产淡水、空调加热、洗衣房和厨房。根据用于船上服务的蒸汽要求，燃蒸联合循环的效率将为45%—50%。在使用低压蒸汽时，整个系统的能量利用率高达80%。
  

图7　皇家加勒比旅游船的COGES系统
　　COGES动力装置的一个主要优点是降低噪声和振动量级。这将改进所有旅客，尤其是在船舶后部客舱内那些旅客的舒适性。此外，涡轮机技术使船舶对环境的不利影响减到最小。与柴油机比较，涡轮机减少了排放物、对大气和环境的污染。氮氧化物(NOx)排放减少80%，氧化硫减少98%，远远低于典型柴油机的排放量。
　　采用燃气轮机动力装置也不必使用催化还原设备和专门的排气处理系统，而柴油机动力装置却要求使用这些设备和系统。
　　COGES系统机械的紧凑性是另一个好处。与船用中速柴油机约80kW/m3功率密度比较，现代航改型燃气轮机的功率密度约为1500kW/m3。在舰船上，当燃气轮机装上隔热罩壳时，其功率密度减小到约为400kW/m3。尽管这样，这一功率密度仍然是柴油机的五倍。
　　通常，旅游船使用4或5台中速(500r/min)、8～10MW功率的柴油发电机组。在使用的COGES动力装置的功率与柴油机不相上下时，其更高的功率密度所节省的空间可转换成更多的客舱(可使载客量增加50%)或公用房间和活动区域。
　　构成上述COGES动力装置的LM2500＋是美国GE公司1998年才推出的最新型船舶燃气轮机。在ISO条件下，该燃机的额定连续功率为29.1MW，简单循环热效率高达39%。该型燃机是由GELM2500航改型燃气轮机改进得到的，是LM2500的功率加大型。LM2500是GE公司研制的第二代船用燃气轮机，它是由TF39型军用航空涡轮风扇发动机(民用型为CF6)改装而成。LM2500是世界各国海军用得最多、性能最先进的一型燃气轮机。至今，世界24国海军战舰装用了近750台LM2500发动机。LM2500＋比LM2500的功率更大、效率更高并且有低的寿命周期费用。
　　打算用于皇家加勒比名人航运公司的前两艘85000吨“黄金时代”号旅游船将由法国造船厂建造，预定分别在2000年6月和2001年1月投入使用。打算用于皇家加勒比国际航运公司的第一艘“航海者”号旅游船将由德国造船厂建造，计划于2001年2月峻工。皇家加勒比航运公司计划在2003年前再建造另外三艘该级旅游船。这些旅游船将挂挪威旗航行。
5　结束语
　　复杂循环和燃蒸联合循环的进展使舰船用燃气轮机的技术和应用攀上新的高峰。由于能加大功率、显著节省燃油消耗、低的噪声和红外特征，WR—21ICR船用燃气轮机将成为推进新一代战舰的理想的发动机。
　　作为高效节能、综合性能优良的动力装置，COGAS装置已在商船和军舰上得到成功的应用。COGES装置的上述应用是船用燃气轮机在商船应用领域中的又一个重大突破。在该领域中船用燃气轮机正继续向船用柴油机的地位挑战，现在它又打入了柴油机的世袭领地—旅游船市场。

lz谈的有实际意义，难是难点，但是值得去做
全电CV？电哪里来？发电的话，发电环节有个效率问题，电动环节又有个效率问题。

从以上文章可以看到，COGAS乌克兰水平较高，已经在光荣级等大型军舰上成功运用，连美国都从它那引进相应设备，同时我国燃气轮机技术正是引进自乌克兰，用其燃气轮机技术沿着乌克兰的现有技术路线发展COGAS复杂循环技术，这可谓顺水推舟，反过来由于西方对我们的封锁，我们引进学习罗罗的中冷回热技术难度较大，只能自力更生谋发展，这比起有现成技术可交流借鉴的乌克兰COGAS路径来讲，发展难度也许较大。当然我们不能完全跟着别人后面走，别人没弄的我们只要符合自身条件也能上，引进与自主开发同时并行，以自主开发自主创新为主的道路才是我国发动机产业强大的根本出路。

从以上文章可以看到，COGAS乌克兰水平较高，已经在光荣级等大型军舰上成功运用，连美国都从它那引进相应设备，同时我国燃气轮机技术正是引进自乌克兰，用其燃气轮机技术沿着乌克兰的现有技术路线发展COGAS复杂循环技术，这可谓顺水推舟，反过来由于西方对我们的封锁，我们引进学习罗罗的中冷回热技术难度较大，只能自力更生谋发展，这比起有现成技术可交流借鉴的乌克兰COGAS路径来讲，发展难度也许较大。当然我们不能完全跟着别人后面走，别人没弄的我们只要符合自身条件也能上，引进与自主开发同时并行，以自主开发自主创新为主的道路才是我国发动机产业强大的根本出路。

同时大家对COGES(燃气轮机和汽轮机联合的综合电力驱动系统)，应该更加关注，这很可能是我国下代全电航母的动力装置。

{:Bingo:}学到不少知识啊

说道动力突然想起来了国产HM和老瓦的动力应该用什么那？

baldo 发表于 2010-8-11 11:25

三轴的话，边上的轴失去动力之后，偏航力矩会很大
比较现实的方案
还是先装备蒸汽轮机，同时大力推进全电系统的研发
全电是解决问题的王道

个人认为老瓦还是用原来的全蒸汽机，毕竟原始设计如此。而国产的最初用蒸-燃并列联合装置(COSAG)，再向燃-蒸联合循环装置(COGAS),和COGES(燃气轮机和汽轮机联合的综合电力驱动系统)过渡，最终用核能加电。

redsky1981 发表于 2010-8-11 09:22
电站有实际需求，燃气轮机用于热电联供，用预热去烧水拖蒸汽机

我个人看好在燃-蒸基础上的综合电力推进

学习知识