WR-21艦船用燃氣輪機的設計特點

孫愛軍，肖娜新，馬力

（1.海軍駐平壩地區航空軍事代表室，貴州平壩561102；2.中國人民解放軍65047部隊，沈陽110001；3.海軍駐沈陽地區發動機專業軍事代表室，沈陽110043）

1 引言

WR-21艦船燃氣輪機是美國海軍、英國海軍和法國海軍合資研制的新型大功率先進循環燃氣輪機。由于具有耗油率低、維護費用低、污染排放少、紅外信號少等明顯技術優勢，其應用范圍廣泛且發展潛力巨大，因而其設計特點對中國開展艦船燃氣輪機的研究與研制工作具有重要的借鑒和參考作用。

2 WR-21燃氣輪機的設計特點

WR-21燃氣輪機是裝有間冷器和回熱器的1種簡單循環燃氣輪機，如圖1所示。

其工作原理：由徑向進氣道進入燃氣輪機的空氣，首先被中壓壓氣機和高壓壓氣機（其壓比分配比例為30/70）壓縮，然后從中壓壓氣機流出，進入間冷器冷卻。冷卻過程是先用閉環的淡水/乙2醇冷卻劑通過機上換熱器對空氣進行冷卻，再用淡水/海水機外間冷器對淡水/乙2醇進行冷卻。間冷器減少了驅動高壓壓氣機所需的功，而且降低了回熱器空氣側的進口溫度。進口溫度降低允許空氣在回熱器中盡可能多地吸收熱量。采用間冷就必然降低效率，因為一部分熱量在循環中直接損失了。回熱器系統與間冷器系統聯合使用減少了壓氣機的耗功，從而減少了損失，因而，提高了燃氣輪機的效率。離開間冷器的氣體在高壓壓氣機中進一步壓縮，然后通過2根管子流進回熱器。回熱器從尾氣中吸收熱量，并預熱從壓氣機流出的氣體。把這些熱量回收到循環中，燃燒室只要有較低的溫升就可達到渦輪的目標進口溫度。燃氣流經燃氣發生器中用于驅動壓氣機的渦輪后，通過第1級可調面積導向器進入動力渦輪。可調面積導向器能夠通過控制動力渦輪的流通能力使回熱器在整個輸出功率范圍內性能最優，進而使回熱器保持較高的燃氣側進口溫度。隨著輸出功率的降低，可調面積導向器逐漸關閉，以使回熱器維持較高的進口溫度。這種方法保證了更多的熱量傳向回熱器的空氣側，并因此使回熱器有較高的效率。

由于特殊的工作循環和將獲取、使用和保障費用的可承擔性作為首要要求，WR-21燃氣輪機的設計具有高度繼承與積極創新的明顯特點。

2.1 高度繼承

WR-21燃氣輪機是美國、英國和法國合作，以RR公司的RB211和TRENT系列民用航空發動機為基礎衍生研制而來，具有高度的繼承性。

WR-21燃氣輪機中壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、中壓渦輪、動力渦輪和起動機以RB211和TRENT發動機相應部件為基礎，只是為了適用于艦船使用環境和間冷回熱循環的特殊要求進行了一些改進，見表1。

表1 WR-21燃氣輪機部件的繼承和改進

WR-21燃氣輪機可維護性設計也廣泛吸取了NGMS公司、RR公司和美國海軍積累的經驗和技術，在滿足低耗油率的同時，WR-21燃氣輪機也很好地滿足了可維護性和適應性要求。

（1）可維護性工程師積極參與所有設計評審，使設計人員始終如一地把可維護性設計作為設計工作的重要內容，在確定方案時始終遵循“用戶已經為維護付款”的思想；

（2）選擇成熟的、高可靠性的、經過預平衡的單元體；

（3）設計可達性好的箱體，允許在箱體內或箱體外對整臺燃氣輪機與單元體進行整體拆卸和更換，也允許進行原位修理；

（4）保證最大可能地采用孔探儀檢查，中壓和高壓壓氣機每級有2個位置，每級渦輪有9個位置，每級動力渦輪有2個位置；

（5）將一些部件按原地更換進行設計，如：9個燃燒室火焰筒、點火器、噴嘴、54片可調導向葉片、速度探針、熱電偶、引氣閥、齒輪箱附件；

（6）進行燃氣流路停車清洗和聯機清洗；

（7）將計劃維護(預防性維護系統(PMS))減至最少；

（8）采用少量的標準的通用的保障設備進行操作者級或船員級(美國海軍0級)維護，確保采用附加的特殊工具進行Ⅰ級維護；

（9）將垂直拆卸作為基準拆卸方法，將側面拆卸作為備用方法。

2.2 積極創新

2.2.1 間冷器

20世紀70年代以來，科研人員對將間冷器引入燃氣渦輪發動機進行了大量的研究。結果表明：引入間冷器，可以大大降低驅動高壓壓氣機所需的功輸入（提高發動機的單位功率）；可以采用較小的核心機，或在核心機大小一定的情況下，能夠獲得較大的推力；在所有推力下，都能適當地提高性能；燃燒室進口溫度較低，易于設計熱端部件，且能夠降低NOx的排放量。為此，WR-21燃氣輪機在中壓壓氣機和高壓壓氣機之間引入間冷器，以冷卻進入高壓壓氣機的空氣。

WR-21燃氣輪機的間冷器（如圖2所示）由機上間冷器組件和機外海水換熱器組件構成，通過機上氣液換熱器從中壓壓氣機的出口空氣中提取熱量，由50/50的乙2醇/水(EG)混合物組成的傳熱液體將熱量帶到機外EG-海水換熱器中，最終由機外換熱器中的海水將這些熱量排入大海。

機上間冷器用于冷卻從中壓壓氣機排出但還未能進入高壓壓氣機的空氣。在設計時著重考慮2個性能參數：（1）通過進氣通道、換熱器和出口通道的壓降（ΔP）；（2）換熱器的效率。間冷器段的壓降（ΔP）必須盡可能地小，這是因為這一壓降給壓氣機增加了額外的負擔，最終將對耗油率產生不利的影響。換熱器的換熱能力必須盡可能地大，以在規定的最小壓降的通道和空間內盡可能多地提取熱量。提取的熱量越多，空氣的溫度就越低，就允許更多的空氣流入高壓壓氣機。WR-21燃氣輪機的機上間冷器由5個平板-鰭板逆流換熱器(銅鎳核心體)、換熱器殼體、金屬軟管、進口和出口總管以及閥門構成。每個換熱器可以通過溢流管或進氣裝置單獨拆卸。中壓壓氣機的排出空氣進入間冷器段后，先沿徑向向外流動，然后通過間冷器機匣使氣流向內旋轉180°，以在核心體內得到可接受的均勻的氣流。冷卻側的EG由金屬軟管與總管引導和分配。換熱器內部平行的通道細分為液體通道，以分隔在傳熱器芯體入口形成的氣穴空間。這些通道也引導冷卻劑流動，這樣流場可更均勻地分布。熱量由一些152.4mm的管子從燃氣輪機箱體中帶出，進入機外海水換熱器單元體。熱的EG通過由燃氣輪機控制系統控制的三通閥門進入機外海水換熱器，這樣，液體可以以3通閥門的0到最大流量流入換熱器的熱側。這個3通閥門組件使控制系統能夠調節冷卻液體的流量，以避免進入機上間冷器組件的燃氣過冷。

機外海水換熱器單元體由水和乙2醇組成的新鮮水冷卻劑混合物（50/50）冷卻，由3通閥門組件、板式換熱器儲存罐、泵、馬達、空氣清洗罐、放氣閥、安裝在抗沖擊拖架上的測試儀器和隔離閥構成。為了降低回流液體的流速并使液體曲折而長時間地流動，也為了減小機外海水換熱器單元體的總體積和滿足導軌的空間要求，設計了1個與空氣相通且可以排氣和配制液體的更小的儲存罐（直徑為0.6 m，高為1.7 m）和1個完成空氣排空的特別的清洗罐。在艦船上，還提供了1臺流量為88.3 L/s的海水泵和相關的海水系統部件。

在正常工作期間，新鮮水旁路閥門通過控制系統調節。該控制系統以相對濕度和中壓壓氣機出口壓力為基準，從而防止中壓壓氣機出口氣流發生冷凝。在燃氣輪機系統上提供隔離閥門和1個758 kPa量程的安全閥門，以防止在間冷器不工作期間將新鮮的水/乙2醇混合物燒沸。在不超過規定的燃氣輪機工作極限、間冷器不工作的情況下，WR-21燃氣輪機能夠產生9843 kW的功率。新鮮水冷卻劑流量是56.8 L/s；如果使用雙速海水泵，在從全功率降低到大約10400 kW的情況下，海水流量是88.3 L/s；在低于10400 kW的情況下，其流量為59.9 L/s。間冷器的噴水嘴位于中壓壓氣機出口和間冷器核心體之間。

2.2.2 回熱器

20世紀70年代以來，人們對將回熱器引入燃氣渦輪發動機進行了大量的研究。結果表明：引入回熱器，可以明顯降低最優總壓比，而簡化了葉片機的設計，并可以使用冷卻空氣作為冷卻介質；可以提高部分推力狀態的性能，特別是在渦輪采用可調面積導向器的情況下；可以大大提高總壓比有限的小發動機的性能；在一定的推力下，可以減小渦扇發動機的涵道比，和減少低壓渦輪所需的級數；可以降低低壓渦輪的噪聲。為此，WR-21燃氣輪機引入回熱器，用于從燃氣輪機排氣中回收廢熱，加熱進入燃燒室之前的高壓壓氣機排氣。

WR-21燃氣輪機回熱器由AlliedSignal航空航天公司負責研制。其設計要求是：壓縮空氣最大進口溫度為550 K，排出燃氣最大進口溫度為950 K，壓縮空氣最大流量為55 kg/s，排出燃氣最大流量為64 kg/s，壓縮空氣最大壓力為1482 kPa，在30%功率下的效率為93%，允許的壓縮空氣泄漏量為進口流量的0.1%，使用壽命為100000 h，工作循環為15000個熱循環或75000個壓力循環，最大排氣壓降/進口壓力比(燃氣側最大進口壓力損失)為0.059，最大壓縮空氣壓降/進口壓力比(壓縮空氣側最大進口壓力損失)為0.051。另外，該回熱器必須能安裝在目前艦船簡單循環燃氣輪機排氣通道所占的空間內，不影響艦船的穩定性，滿足戰艦工作環境和生存性的要求（包括艦船的運動、振動和沖擊負荷）。

WR-21燃氣輪機回熱器先后發展了預先研制（AD）型、有限工作壽命（LOU）型、熱試驗裝置(TTU)型和工程研制（EMD）型等4型回熱器。工程研制（EMD）型回熱器（如圖3所示）由2個并行工作的換熱器單元體構成。該單元體的頂部由連接到回熱器機匣上的支持增壓室支持。壓縮空氣通過空氣進口總管進入該單元體的上端，并通過空氣出口總管從該單元體的下端排出。熱燃氣從單元體的底部進入該單元體，并從該單元體的上端排出。每個單元體包含4個換熱器芯體，空氣進口總管和出口總管用Ω形軟外殼連在一起。這些芯體以逆流的形式組裝在一起，構成緊湊的銅焊的平板-鰭板式換熱器。與前幾型回熱器相比，工程研制（EMD）型回熱器改進如下。

（1）在側板附近采用厚度漸變的管隔板，以去除芯體端部附近的熱應力。厚度漸變的管隔板使應力逐步降低，從芯體端部附近相對較高的應力降低到位于芯體中心附近的典型管隔板的相對較低的應力。

（2）去掉壓縮空氣進口總管和出口總管內的管隔板與管隔板接頭，以消除其高應力。

（3）將逆流基體的長度加長2.54cm，以提高回熱器的效率。

（4）將壓縮空氣出口總管環的材料由14-4不銹鋼變為Hastelloy S，以延長蠕變壽命。

（5）優化排出燃氣和壓縮空氣鰭板的高度，增厚排出燃氣基體鰭板的厚度，以避免排出燃氣鰭板變形。

（6）增厚側板的厚度，以避免出現裂紋。

（7）將每個芯體壓縮空氣通道的數量由45個增加到47個，將每個芯體燃氣通道的數量由46個增加到48個，以提高回熱器的效率。

（8）將空氣進口總管Ω形軟外殼的材料由Inconel625改為Waspaloy，并增大Ω直徑，以延長蠕變壽命和增大芯體間允許的剪切位移。

（9）用單個的支持增壓室支持芯體，并對增壓室進行絕緣，以避免支持增壓室與芯體連接處出現裂紋。

（10）用浮動的輻式結構替代固定的系桿式結構，以避免空氣進口總管支持件出現裂紋。

（11）將排出燃氣密封件的材料由Inconel 625改為14-4不銹鋼，以避免密封件和芯體側板連接焊接處出現裂紋。

（12）改變排氣轉向鰭板的結構，以改善通過芯體的排出燃氣的流量分布。

EDM回熱器經過了3000 h耐久性試驗的考驗，并在經過對厚度漸變的管隔板進行優化后滿足了使用壽命、工作循環和艦艇環境的要求。

3 結束語

由于采用了成熟的技術與經驗和創新的間冷回熱循環，WR-21艦船用燃氣輪機達到了在寬廣工作范圍內工作效率很高、結構緊湊、可靠性好、維護性好、壽命長等要求，成為了在技術上有明顯優勢且在經濟上有很大吸引力的燃氣輪機，因而其應用前景很好，發展潛力很大。

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