間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

張忠文，曲文浩，鄭培英，王媛媛

（1.海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽(yáng)110043；2.沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)廣闊的應(yīng)用前景激發(fā)了人們對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)（即布雷頓循環(huán)）理論研究的濃厚興趣，各種先進(jìn)循環(huán)得到了深入研究或推廣。

間冷回?zé)嵫h(huán)（ICR-Intercooling Recuperated）燃?xì)廨啓C(jī)是在簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上增加了壓縮空氣中間冷卻器、排氣回?zé)崞鞯炔考娜細(xì)廨啓C(jī)，其突出優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)工況及低工況下均具有較高的熱效率，彌補(bǔ)了簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)在低工況下熱效率低的缺點(diǎn)，從而為軍民用艦船采用全燃動(dòng)力裝置創(chuàng)造了條件。

本文綜合闡述了國(guó)內(nèi)外間冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀。

2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)間冷循環(huán)是在低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)之間安裝1個(gè)間冷換熱器，使從低壓壓氣機(jī)中流出的空氣的溫度降低到接近環(huán)境溫度，以此降低高壓壓氣機(jī)所需功率。其系統(tǒng)如圖1所示。

由圖1中可見(jiàn)，從外界進(jìn)入低壓壓氣機(jī)的空氣，經(jīng)壓縮后，其壓力和溫度均得到提高；進(jìn)入中間冷卻器，與低溫介質(zhì)進(jìn)行熱交換，使其溫度降低；冷卻后，再進(jìn)入高壓壓氣機(jī)進(jìn)行壓縮，使其壓力進(jìn)一步增大，溫度也上升；進(jìn)入燃燒室與燃料進(jìn)行摻混、燃燒，形成高溫高壓的燃?xì)猓浑S后，進(jìn)入渦輪膨脹作功，帶動(dòng)壓氣機(jī)及其輔助系統(tǒng)；燃?xì)怛?qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪，并帶動(dòng)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；最后，離開(kāi)動(dòng)力渦輪的燃?xì)馔ㄟ^(guò)排氣裝置排入大氣。

美國(guó)GE公司推出的以航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)為主導(dǎo)，輕、重型技術(shù)完美結(jié)合的間冷式重型燃?xì)廨啓C(jī)LMS100，功率為10萬(wàn)kW，效率為46%，可用于50 Hz和60 Hz電站；為3支點(diǎn)、3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，總壓比為42，渦輪進(jìn)口溫度為1380℃。如圖2所示。在1個(gè)性能先進(jìn)的超級(jí)核心機(jī)基礎(chǔ)上，選配合適的低壓系統(tǒng)，采用先進(jìn)的間冷循環(huán)設(shè)計(jì)后，在額定工況下的效率達(dá)46%以上，在低工況熱效率下的效率仍能保持39%以上。

2.2 ICR燃?xì)廨啓C(jī)

將間冷循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)結(jié)合在一起就構(gòu)成了ICR。ICR是在簡(jiǎn)單循環(huán)的基礎(chǔ)上，在高、低壓氣機(jī)之間增加1個(gè)間冷器,在排氣出口增加1個(gè)回?zé)崞鳌２捎瞄g冷器,降低了空氣進(jìn)入高壓壓氣機(jī)時(shí)的溫度，高壓壓氣機(jī)的壓縮耗功因此減少，整個(gè)機(jī)組的比功率得到提高;高壓壓氣機(jī)的出口溫度也相應(yīng)降低，這樣，回?zé)崞鲀蓚?cè)空氣和燃?xì)獾臏囟炔钤龃螅責(zé)崞餍室驳玫教岣摺Ｆ溲h(huán)系統(tǒng)如圖3所示。

采用ICR不僅能夠較大幅度提高燃?xì)廨啓C(jī)在額定工況下的效率、功率等總體性能，而且使機(jī)組在大部分功率工況下的經(jīng)濟(jì)性得到顯著改善。此外，采用緊湊而高效的回?zé)崞魇谷細(xì)廨啓C(jī)具有較低的排氣噪聲和紅外特征。

美國(guó)海軍投入巨資研發(fā)的WR-21間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)（如圖4所示）代表了ICR燃?xì)廨啓C(jī)的最先進(jìn)水平。

WR-21燃?xì)廨啓C(jī)的油耗曲線特別平坦，在50%～110%負(fù)荷范圍內(nèi)，其油耗接近中、高速柴油機(jī)的水平；在30%工況時(shí)的效率仍為41.16%，油耗為206.7 g/W·h；降低了全壽命期費(fèi)用，改善了維修性和可靠性；降低了排放溫度；可單獨(dú)取代常規(guī)的柴/燃動(dòng)力裝置，有效節(jié)省了空間；采用干式低排放系統(tǒng)可達(dá)到美國(guó)新的排放標(biāo)準(zhǔn)；運(yùn)行費(fèi)用低、航程遠(yuǎn)。

目前，除WR-21燃?xì)廨啓C(jī)外，已研制的其他間冷回?zé)崤灤萌細(xì)廨啓C(jī)有SMIC-ICR、LM3000、SGT12等。

（1）SMIC-ICR艦船用燃?xì)廨啓C(jī)。由英國(guó)RR公司研制，以效率為37%、最大功率為18MW的艦船用SPEY SMIC燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)，其最大功率提高20%，達(dá)到22MW；熱效率提高到41.43%。

（2）LM3000艦船用燃?xì)廨啓C(jī)。由美國(guó)GE公司研制，以LM1600艦船用燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)，研制目標(biāo)是排氣溫度低于371℃，使每艘艦節(jié)省燃料30%，包括間冷器和回?zé)崞髟趦?nèi)的單機(jī)質(zhì)量不大于54432 kg，所占空間不超過(guò)LM2500艦船用燃?xì)廨啓C(jī)的。

（3）SGT12艦船用燃?xì)廨啓C(jī)。由德國(guó)MTU公司研制，設(shè)計(jì)原理和功率與LM3000燃?xì)廨啓C(jī)的相同，設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性將比LM2500燃?xì)廨啓C(jī)加間冷回?zé)嵫h(huán)的好。

3 中國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀及建議

中國(guó)現(xiàn)有艦船用燃?xì)廨啓C(jī)按功率可分為大、中、小3檔，大檔機(jī)組功率為20000 kW左右，中檔機(jī)組功率為15000 kW左右，小檔機(jī)組功率為8000 kW以下。3檔不同功率等級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)不同的組合（包括和柴油機(jī)聯(lián)合）來(lái)滿足各型艦船的需求。近年來(lái)，隨著艦船用燃?xì)廨啓C(jī)的不斷發(fā)展，大功率燃?xì)廨啓C(jī)被不斷研發(fā)出來(lái)，功率等級(jí)呈不斷提高之勢(shì)。

不同用途航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制增加了核心機(jī)技術(shù)儲(chǔ)備。而在保持已有核心機(jī)不變的前提下，要想繼續(xù)提高燃?xì)廨啓C(jī)的功率和熱效率，只有選擇先進(jìn)的熱力循環(huán)方案。

初步估算的既有間冷又有回?zé)幔╓R-21）和只有間冷無(wú)回?zé)幔↙MS100，如圖6所示）的燃?xì)廨啓C(jī)的一些冷卻回?zé)釘?shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)間冷回?zé)岵糠謪?shù)

由表1可見(jiàn)，WR－21燃?xì)廨啓C(jī)高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)的壓比相差不大，使得間冷后的高壓壓氣機(jī)出口溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于動(dòng)力渦輪的出口溫度，使回?zé)釡厣递^大，為進(jìn)行回?zé)嵫h(huán)創(chuàng)造了條件；LMS100燃?xì)廨啓C(jī)高壓壓氣機(jī)壓比遠(yuǎn)大于低壓壓氣機(jī)壓比，使得間冷后的高壓壓氣機(jī)出口溫度與動(dòng)力渦輪的出口溫度相差不大，回?zé)釡厣敌。瑳](méi)有條件進(jìn)行回?zé)嵫h(huán)。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，太行航空發(fā)動(dòng)機(jī)具備形成完整的艦船用燃?xì)廨啓C(jī)型譜的條件。由其發(fā)展大功率、高效率艦船用燃?xì)廨啓C(jī)，要充分利用母型航機(jī)成熟的核心機(jī)部件。太行發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓壓比相差較大，對(duì)保持太行發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)不變的燃?xì)廨啓C(jī)改進(jìn)方案來(lái)說(shuō)，選擇與LMS100燃?xì)廨啓C(jī)同樣的間冷循環(huán)會(huì)收到明顯的效果。目前，正在進(jìn)行采用間冷（IC）方案的航改艦船用燃?xì)廨啓C(jī)研究，并進(jìn)行了大功率、高效率間冷燃?xì)廨啓C(jī)的方案論證，所確定的1.0工況下間冷燃?xì)廨啓C(jī)的性能見(jiàn)表2。

表2 與世界同檔功率先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)參數(shù)比較

4 結(jié)束語(yǔ)

分析國(guó)內(nèi)外ICR燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，可以認(rèn)為中國(guó)開(kāi)發(fā)大功率、高效率間冷燃?xì)廨啓C(jī)不僅是十分必要的，而且可以實(shí)現(xiàn)的。

[1] 朱行健，王雪瑜.燃?xì)廨啓C(jī)工作原理及性能[M].北京：科學(xué)出版社，

[2] 梁春華.ICR艦船用燃?xì)廨啓C(jī)WR-21的技術(shù)特點(diǎn)[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2006,33(1):55-58.

[3] 張忠文.艦船燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展途徑[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2009，35（6）.