中冷回热循环燃气轮机原理与技术

中冷回热循环燃气轮机技术原理

摘要

中冷回热循环(ICR)燃气轮机是在简单循环的基础上，增加压缩空气中间冷却器和排气回热器组成的复杂循环燃气轮机，具有优良的油耗和变工况特性，是舰船的理想动力装置。本文讨论了ICR的发展过程和技术特点，对其关键部分中冷器、回热器和可变几何导叶做了具体分析。

前言

2003年3月31日，Rolls—Royce和日本Kawasa—ki重工共同庆祝WR21燃气轮机在日本首次运行，这是WR21燃气轮机在开拓海外市场方面又迈出的坚实一步。以WR21为代表的中冷回热循环燃气轮机，具有低油耗和出色的变工况性能，特别适于作为舰船动力装置，美国已将其作为未来舰船电力推进系统的主动力装置。ICR是在简单循环的基础

上，增加压缩空气中间冷却器和排气回热器组成的复杂循环燃气轮机，其在宽广的功率范围内有平坦的油耗曲线，能大幅度降低部分负荷时的燃油消耗量，是一种很有发展前景的动力装置。WR21的成功开发，使ICR技术成为当今研究热点，我国也已经开始了这方面的研究工作。

l ICR技术发展历史

早在1946年，Rolls&Royce公司就与英国海军签订了生产舰用中冷回热燃气轮机RM60的合同，并与次年开始研制，要求机器在整个功率范围内有低的耗油率(尤其是部分负荷)。RM60设计功率4400kW，寿命lO00h，燃气初温827℃，增压比18，这在当初都是比较高的。1954年在“灰鹅”号炮艇上进行航行试验。试验结果表明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，且体积庞大，换热器方面也存在问题，像燃气侧烟灰沉积使回热器效率下降，中冷器凝出的水滴对压气机叶片产生侵蚀等等。另一方面，由于简单循环燃气轮机在结构和布置的紧凑性方面有显著的优点，加之当时人们对巡航一加速相结合方案的强烈兴趣，ICR技术未能获得进一步的发展。

从那以后，舰用燃气轮机均采用简单循环，第二代燃气轮机也发展起来，其工作参数(燃气初温，增压比)及各项性能指标比第一代均有很大提高。然而，继续提高燃气轮机的工作参数遇到了更大的困难，且无论工作参数多高，其低负荷时燃耗率的恶化趋势也不会发生本质的变化，这是简单循环难以克服的缺点。因此，从八十年代开始，美国转向了对中冷回热循环燃气轮机的研究，此时，由于燃气轮机和热交换器方面的技术进展，使中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，特别适于舰用。
1985年10月美国海军同时与美国GE和英国Rolls-Royce公司(联合Allison、Garrett公司)签订了两个研制中冷回热燃气轮机的合同。同时，德国的MTU公司慕尼黑分部也在论证研制ICR燃气轮机。

1991年12月，美国海军将WR21中冷回热燃气轮机机组的设计和发展合同授与Westinghouse Electric Coporation分部(以此分部为主体，后来组建了Northrop Grumman船用系统公司，成为新的总承包商)，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)，A1一liedSignal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)。

1994年1995年，英国和法国分别加入该合同，分担一部分开发经费。

2000年2月，WR21的开发和前期试验完成，进行3000小时耐久试验和其他一系列为实际服役准备的性能试验，2002年底基本完成。

WR21燃机图

2000年11月，英国海军定购六台WR2 1机组，为其最新的Type45型驱逐舰配套，作为其电力推进系统的原动力装置，这是WR21的第一份订单。

WR21的低油耗、出色的部分工况特性以及其模块化设计和高可靠性，引起了各国海军的极大关注，除了美、英、法三国，荷兰L( “迪泽文”级导弹护卫舰已经装备了WR21，意大利、韩国、日本也在考虑引进。WR21已经成为新一代舰用燃气轮机的代表。

2 ICR原理及关键技术

下面以WR21为例来说明ICR燃气轮机的基本原理。与简单循环相比，ICR循环增加了中间冷却器和回热器，WR21还在动力涡轮前增加了～级可变几何导叶，其基本循环如图1所示.

进口空气经低压压气机压缩后(压缩比为总压缩比的30％[5])，通过中冷器进入高压压气机。中冷器降低了空气进入高压压气机时的温度，高压压气机的压缩耗功因此减少，整个机组的比功率得到提高。同时，由于中冷器的使用，高压压气机的出口温度也相应降低，这样，增加了回热器两侧空气和燃气的温度差，回热器回热效率因此也得到提高。

从高压压气机出来的压缩空气先通过回热器，吸收动力涡轮排气中的热量，这样可相应的减少为达到某一涡轮前进口温度而需要在燃烧室加入的热量，降低燃油消耗率，这一效果在部分工况时特别显著。

此外，WR21还应用了可变几何导叶，即变截面喷嘴(Variable Area Nozzle，VAN)技术。从燃气发生器出来的燃气，通过可变几何导叶进人动力涡轮。

随着功率减小，动力涡轮质量流量减少，可变几何导叶逐渐关小，进一步限制了质量流量，对一给定的部分负荷可保持高的燃气初温，这使回热器燃气和空气的温差增加，改善了回热器的换热，致使部分负荷下的耗油率获得改善。在wI l上回热加可变几何导叶约能节省

30％-40％的燃油。

综上所述，中冷器、回热器和可变几何导叶，是WR21相对于简单循环燃气轮机功率增大、油耗降低和部分负荷性能提高的三个主要因素。图2显示出WR21相对于简单循环燃气轮机(LM2500)优良的变工况特性.

ICR燃气轮机的关键技术就在于中冷器与回热器。在满足一定的换热效率和压降前提下，实现中冷器和换热器体积和重量最小化，符合舰船使用要求。另外，为了最大限度的降低部分工况时油耗，还需要采用一些其他辅助技术，像WR21采用了可变几何导叶技术。

2．1 中冷器