MT30燃氣輪機與英國CVF航母的集成設計

邢維升，馮筱剛，胡 亮

(1.海軍駐426 廠軍事代表室，遼寧 大連，116005;2.海軍裝備研究院，北京100161)

0 引 言

英國在1998年《防務與安全戰略審查》中決定用2艘中型航母代替“無敵”級輕型航母，即未來航母計劃(CVF)。CVF航母由BAE 系統公司、泰利斯公司和英國國防部等組成的航母聯盟負責設計和建造。該航母是世界上第1艘采用綜合電力系統的航母。綜合電力系統具有可減少機械齒輪傳動、裝置布置靈活、燃油經濟性好、操作人員少、維護簡易等優點［1－2］。

CVF航母綜合電力系統的主發電機組由2 臺羅爾斯·羅伊斯公司的MT30燃氣輪機構成，總功率72 MW。本文介紹了CVF航母對主發電機組的性能要求及選擇MT30燃氣輪機作為CVF航母原動機的原因;重點闡述將MT30燃氣輪機集成到CVF航母上的動力系統中所面臨的挑戰及應對方法。

1 英國CVF航母的動力系統及性能

為了滿足CVF航母的推進需求(航速至少達到25 kn)及全艦低壓供電需求，CVF航母所需的功率為:

1)環境溫度為－20℃～ + 38℃時，總功率109 MW;

2)環境溫度為+ 38℃～ + 45℃時，總功率105 MW。

CVF航母采用綜合電力系統。相對于機械推進或者機械/電力混合推進，綜合電力系統的一個主要優勢在于所有原動機都可用于為螺旋槳提供動力，使其可以在最經濟的狀態下運行。綜合全電力系統中，所有發電裝置向通用高壓母線供電，然后通過變壓器向推進系統及日用電負荷供電。因此綜合全電力系統具有高度的靈活性，允許在部分原動機不啟動的情況下仍可為推進軸提供均衡的動力。CVF航母利用4 臺瓦錫蘭38 系列柴油機，在環境溫度范圍內可提供39 MW的基礎電力;利用燃氣輪機作為補充，在38℃下可輸出70 MW功率，在45℃下為68 MW。圖1為CVF航母發電及推進系統示意圖。

圖1 CVF航母發電及推進系統示意圖Fig.1 Electricity generation and propulsion system of CVF

柴油機和燃氣輪機的組合為經濟巡航以及飛機起飛和回收時的高速航行提供了最優化的發電配置。在巡航狀態下，僅采用柴油發電機即能滿足要求，可有效提高燃油利用率以及航母在海上的續航能力。70 MW的燃氣輪機可在進行飛行起降作業時啟動，并可提高航母的靈活性和生存力。發電裝置布置在4個分散的機艙內，各自都帶有專用的高壓配電盤，使電力供應和分配系統可以在不同的模式下工作，這種布置形式被稱之為“島”。在單島模式下，所有的配電盤都互相連接，允許最小數量的發電機運行即可滿足推進軸及低壓電力需求，因此這也是最經濟的模式。在和平時期，為了提高應對突發機械或系統故障的靈活性，動力系統被劃分成2個島，分別位于艦首和艦尾。在限定海域、繁忙海道或危險區域進行飛行作業時，通常啟用這種分離配置，此時一個燃氣輪機處于運行狀態。在作戰時，所有發動機都處于運行狀態，動力系統劃分為4個島，分別位于左舷、右舷、艦首、艦尾4個區域，這可保持航母在戰損時的最大生存能力。

2 英國CVF航母選擇MT30燃氣輪機的原因

需要利用關鍵參數的選取和權衡原則來對CVF航母原動機的選擇進行考量，需兼顧航母的成本和作戰性能。成本的考慮包括采購、總風險及全壽期費用;作戰性能的考慮主要涉及諸如速度、裕度、改裝能力等航母總體性能。結果顯示采用大約40 MW的柴油發電機和70 MW的燃氣輪機能使CVF航母平臺作戰性能和成本達到最好的平衡。目前在這個功率范圍內經濟上最可行的選擇為羅爾斯·羅伊斯公司的MT30燃氣輪機，其具備挪威船級社和美國船級社認證。雖然安裝6 臺羅爾斯·羅伊斯公司公司的WR21燃氣輪機將具備更高的性能，但其全壽期費用更高，因而未被采用。

圖2所示為MT30燃氣輪機，其與“特倫特”系列航空發動機具有80%的通用性?！疤貍愄亍毕盗泻娇瞻l動機具有超過2 500 萬小時的安全運行記錄。將這款得到驗證的優秀航空發動機進行艦用改裝，只需開展諸如增加葉片涂層、換用不同的動力渦輪等有限的改動。

圖2 羅爾斯·羅伊斯公司的MT30燃氣輪機Fig.2 Rolls－Royce MT30 gas tubirne

基于對CVF航母可能的作戰剖面分析可知，航母上裝備的燃氣輪機不會保持長時間的運行，但需要周期性地經常開啟。這種使用模式符合MT30燃氣輪機的特點。在CVF航母燃氣輪機的選擇上，預期所需大修次數少、適于短時間運行及定期的維護需求等特點，使MT30燃氣輪機成為效費比最高的選擇。MT30為雙軸燃氣輪機，壓氣機與動力渦輪不共軸，動力渦輪軸與負載(發電機)相連。在CVF航母上，MT30燃氣輪機直接連接到一個“科孚德”交流發電機上。MT30燃氣輪機的功率為36 MW (38℃)，考慮到能量損失，燃氣輪機發電機組的輸出功率接近35 MW。

圖3 MT30燃氣輪機發電機組Fig.3 MT30 gas tubirne generators

MT30燃氣輪機將由羅爾斯·羅伊斯公司負責封裝到燃氣輪機發電機組中，交流發電機由科孚德公司提供。如圖3所示，包覆結構及燃氣輪機發電機組支承系統將安裝在同一個基架上，總重量為120 t。每個燃氣輪機發電機組的功率密度約為300 kW/t (柴油機發電機組功率密度僅為50 kW/t)。

大型艦船上的空間布置具有更大的靈活性，可最大程度提高生存能力;便于實現重量布置優化，且原動機可以布置在船體內部中心位置以外的其他區域。CVF航母綜合電力系統利用了大型艦船的這種優勢，將MT30燃氣輪機發電機組設置在水線以上20 m的4 甲，偏離船體中心線布置。2個燃氣輪機發電機組都位于右舷舷臺。

圖4 船尾的燃氣輪機發電機組及推進電機Fig.4 Gas tubirne generators and propulasion electromotor of stern

圖4所示為船尾燃氣輪機發電機組和推進電機的布置。如此大功率的發電裝置通常不布置在這么高的位置，但由于燃氣輪機發電機組相對較輕(僅約為位于9 甲的單個柴油發電機重量的一半)，并且下方的柴油機組存在左舷偏差，這種設計保證了發電系統在重量分配以及艦首和艦尾發電能力分配上都達到很好的平衡。由于采用綜合電力系統而使用燃氣輪機發電機組可以布置在較高的位置，這帶來2個好處:一方面降低了移除燃氣輪機的復雜性，從而減小了燃氣輪機更換所花時間;另一方面，進氣與廢氣排放通道變短，有利于降低燃氣輪機的性能損失。

3 燃氣輪機發電機組與CVF航母的集成

將MT30燃氣輪機集成到CVF航母時，一些關鍵的艦上接口、服務保障及系統需要討論。

1)進氣與廢氣排放

在CVF航母上，通過縮短進氣和廢氣排放系統管道，并進行優化，降低了阻塞效應，從而最大限度地提高了燃氣輪機效率。典型的機械驅動方式要求將燃氣輪機設置在船體中靠下的位置以適應推進軸的布置。與此形成鮮明對比，CVF 采用綜合電力系統，燃氣輪機布置在靠上的位置，這是上述進氣與排氣系統優化設計得以實現的基礎。每個燃氣輪機發電機組通過位于2 層甲板以上的過濾器組，每秒吸入110 kg 空氣。進氣系統管道設計得盡可能短，并通過流場分析進行驗證，以盡量減小壓降，同時保證入口氣流平穩。

圖5 燃氣輪機進氣系統的設計Fig.5 Design of the gas tubine intake system

圖5所示為進氣管道幾何形狀，在充氣室設置了導流葉柵，以保證流入燃氣輪機進氣消聲器的氣流均勻。在進氣消聲器后90°轉角的位置設置了2個小的導流葉柵，可用于消除流動分離，從而減小背壓，使燃氣輪機壓縮機級的流場分布滿足要求。排氣系統管道也很短，且由于其路徑直、管道尺寸大、不存在消聲器，排氣管道基本不會對背壓產生影響。進氣系統與排氣系統的設計有效減小了入口和排放損失，提高了燃氣輪機的運行效率和燃油利用率。

2)燃氣輪機發電機組的固定安裝

為了便于使用單導軌系統來移動燃氣輪機，需要盡量降低燃氣輪機中心線的高度，從而使得燃氣輪機可以沿導軌在無坡度的情況下移動，改進和簡化燃氣輪機的移動過程。新型的基架設計及合理的高度設置可以實現此目標。

3)冷卻

燃氣輪機發電機組的所有液冷系統都采用淡水循環，在每個燃氣輪機隔室內專門設置海水－淡水熱交換器，利用海水對淡水進行冷卻。采用淡水循環，使得可以在燃氣輪機發電機組冷卻系統(包括交流發電機空氣冷卻器、燃氣輪機燃油冷卻器以及燃氣輪機和交流發電機的潤滑油冷卻器)中采用效費比高的商業標準管殼式換熱器。

同時，空氣被引入到每個燃氣輪機隔艙，對燃氣輪機的構架和電子設備進行冷卻。采用2個風扇將空氣鼓入燃氣輪機隔艙內。風扇的運行由燃氣輪機控制系統根據隔艙的溫度來進行調整。采用2個風扇是基于冗余性設計的要求。冷卻后的空氣與燃燒排氣在位于燃氣輪機排氣蝸殼頂部的環形區域內混合。

4)燃油

燃氣輪機與燃油儲艙相隔5 層甲板。燃油從9甲通過低壓泵向燃氣輪機輸送。為了增加可用性，每臺燃氣輪機使用2個泵，每個泵都可單獨滿足燃氣輪機100%的供油量需求。在一個泵發生故障或者供電中斷時，設在燃氣輪機隔艙內的燃油存儲器能維持足夠的供油能力，以等待第2個泵發揮作用或者電力恢復。

5)低壓電力供應

燃氣輪機發電機組的低壓電力供應系統的設計體現了對系統魯棒性的重視。每個燃氣輪機由2 條獨立的低壓配電線路供電。通常情況下，2 條線路都會帶電，艦上綜合平臺管理系統(IPMS)或燃氣輪機控制系統將決定對哪些主電機或備用電機的組合進行供電。如果一條供電線路發生故障，可啟動第2個泵或電機，淡水泵和通風口風扇等輔助系統可得到連續供電而不引起燃氣輪機停止運行。一些關鍵的供電需求(燃氣輪機控制系統、封裝的消防系統及交流發電機潤滑油泵)則由不間斷電源(UPS)供電。不間斷電源本身通過自動切換開關(ACOS)從2 條低壓線路上獲得電能。

這種系統結構結合每個燃氣輪機發電機組內設的不間斷電源，使得關鍵子系統在一路電源失效的情況下仍能保持運行。在概率很小的兩路電源同時失效的情況下，這些小容量的不間斷電源使燃氣輪機能以可控的方式平緩停機。

通過在每個交流發電機上安裝軸驅動潤滑油泵，不間斷電源的大小和容量可控制在合適的較小值。在交流發電機大約20 min的停機過程中，由于僅在最后幾百轉時軸驅動泵無法提供足夠的流量，需要在此時啟動不間斷電源為小型的電動泵來提供軸承潤滑油流量，直到燃氣輪機徹底停下來。如果燃氣輪機發電機組的低壓線路供電恢復，不管燃氣輪機停機進展到何種狀態，都可以迅速重新啟動。

6)高壓連接

交流發電機的電壓為11 kV，電能采用由終端箱中的15 根電纜(每相5 根)導出，這些電纜從發電機組隔間引出后，向下穿過兩層甲板，連接到相應的高壓配電盤。

7)啟動系統

盡管利用電啟動取代液壓啟動具有降低全壽期費用、增加系統安全性的優勢，但目前液壓啟動仍是最基本的方式。MT30燃氣輪機有望通過電啟動方案，開發用于燃氣輪機輔助變速箱的高功率密度永磁電機，以直接取代目前使用的液壓馬達。屆時，燃氣輪機隔間壁或者在機艙內臨近的位置將安裝包含電機驅動系統的功率電子箱。如果產品成熟度達到一定的程度，電啟動技術也將用于整個CVF航母，采購和全壽期成本將得到改善。

8)消防系統

燃氣輪機發電機組隔間內部要求設置火災探測及滅火系統。羅爾斯·羅伊斯公司向CVF航母項目提供了得到型號驗證的水－噴霧系統。該系統由水箱、推進氮氣瓶及FPS控制箱組成?？刂葡鋬炔繉惭b最新的紅外和熱探測器、高壓水霧噴嘴及相應的管路。如果此系統發生概率很小的電子或電力失效事故，還可通過手動方式釋放滅火劑。

9)燃氣輪機控制系統

交流發電機參數需與燃氣輪機控制系統相結合。出于監測、互鎖及停機的需要，控制系統將接收交流發電機的溫度和振動水平等關鍵信息，以使機組具備自保護能力，并能單機運行。一系列用于控制、應急處置、停機、消防警報與激活等目的的關鍵安全硬接線信號，是燃氣輪機控制器與綜合電力系統之間的接口。這些硬接線信號將傳遞給船舶控制中心和相應的高壓配電盤以進行反饋控制。燃氣輪機控制系統與綜合電力系統之間還存在其他的控制和監測“軟”信號，這類信號通過以太網連接進行傳送和接受。

10)燃氣輪機移除

在傳統的英國軍艦上，為了維修蒸汽輪機，需要將其移除并吊出原艙室。移除燃氣輪機時，需要針對艦上甲板進行大量工作，一些螺栓補板需要移除，以方便將要更換的燃氣輪機移到上層甲板。對于CVF航母，燃氣輪機發電機組位于4 甲，即機庫甲板，燃氣輪機的移除相對更為直接和簡單。MT30燃氣輪機可利用導軌系統從基座上整體移除，隨后穿過兩道艙室螺栓補板，運輸到機庫內。圖6所示為燃氣輪機移除的過程。這種方法目前已發展為采用懸掛單軌，由ACA 公司與羅爾斯·羅伊斯公司合作開發。一旦燃氣輪機進入到機庫，并達到可運輸的狀態，可很容易通過飛機升降機運到上層甲板，隨后卸載到岸上。

圖6 燃氣輪機移除的步驟Fig.6 Uninstall steps for gas tubirne

4 結 語

英國CVF航母是世界上第1艘采用綜合電力系統的航母，2 臺羅爾斯·羅伊斯公司的MT30燃氣輪機是其綜合電力系統的核心。綜合電力系統使燃氣輪機與航母的集成設計具有更大的靈活性，系統具有更強的生命力。隨著電力電子變化技術、高功率推進電機等的發展，綜合電力系統在主戰艦艇上的應用將更加廣泛。

［1］TIMOTHY J M.ASNE Electric Machines Technology Symposium［R］.Electric Ships Office(PMS 320).2010，5.

［2］Next Generation Intecrated Power System Ngips Technology Development Roadmap［R］.2007，11.