間冷回熱燃氣輪機發(fā)展現(xiàn)狀

張忠文，曲文浩，鄭培英，王媛媛

（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機專業(yè)軍事代表室，沈陽110043；2.沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015）

1 引言

燃氣輪機廣闊的應用前景激發(fā)了人們對燃氣輪機循環(huán)（即布雷頓循環(huán)）理論研究的濃厚興趣，各種先進循環(huán)得到了深入研究或推廣。

間冷回熱循環(huán)（ICR-Intercooling Recuperated）燃氣輪機是在簡單循環(huán)燃氣輪機基礎上增加了壓縮空氣中間冷卻器、排氣回熱器等部件的燃氣輪機，其突出優(yōu)點是在設計工況及低工況下均具有較高的熱效率，彌補了簡單循環(huán)燃氣輪機在低工況下熱效率低的缺點，從而為軍民用艦船采用全燃動力裝置創(chuàng)造了條件。

本文綜合闡述了國內外間冷回熱循環(huán)燃氣輪機的發(fā)展現(xiàn)狀。

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 間冷循環(huán)燃氣輪機

燃氣輪機間冷循環(huán)是在低壓壓氣機與高壓壓氣機之間安裝1個間冷換熱器，使從低壓壓氣機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所需功率。其系統(tǒng)如圖1所示。

由圖1中可見，從外界進入低壓壓氣機的空氣，經壓縮后，其壓力和溫度均得到提高；進入中間冷卻器，與低溫介質進行熱交換，使其溫度降低；冷卻后，再進入高壓壓氣機進行壓縮，使其壓力進一步增大，溫度也上升；進入燃燒室與燃料進行摻混、燃燒，形成高溫高壓的燃氣；隨后，進入渦輪膨脹作功，帶動壓氣機及其輔助系統(tǒng)；燃氣驅動動力渦輪，并帶動負荷運轉；最后，離開動力渦輪的燃氣通過排氣裝置排入大氣。

美國GE公司推出的以航空發(fā)動機技術為主導，輕、重型技術完美結合的間冷式重型燃氣輪機LMS100，功率為10萬kW，效率為46%，可用于50 Hz和60 Hz電站；為3支點、3轉子結構，總壓比為42，渦輪進口溫度為1380℃。如圖2所示。在1個性能先進的超級核心機基礎上，選配合適的低壓系統(tǒng)，采用先進的間冷循環(huán)設計后，在額定工況下的效率達46%以上，在低工況熱效率下的效率仍能保持39%以上。

2.2 ICR燃氣輪機

將間冷循環(huán)和回熱循環(huán)結合在一起就構成了ICR。ICR是在簡單循環(huán)的基礎上，在高、低壓氣機之間增加1個間冷器,在排氣出口增加1個回熱器。采用間冷器,降低了空氣進入高壓壓氣機時的溫度，高壓壓氣機的壓縮耗功因此減少，整個機組的比功率得到提高;高壓壓氣機的出口溫度也相應降低，這樣，回熱器兩側空氣和燃氣的溫度差增大，回熱器效率也得到提高。其循環(huán)系統(tǒng)如圖3所示。

采用ICR不僅能夠較大幅度提高燃氣輪機在額定工況下的效率、功率等總體性能，而且使機組在大部分功率工況下的經濟性得到顯著改善。此外，采用緊湊而高效的回熱器使燃氣輪機具有較低的排氣噪聲和紅外特征。

美國海軍投入巨資研發(fā)的WR-21間冷回熱燃氣輪機（如圖4所示）代表了ICR燃氣輪機的最先進水平。

WR-21燃氣輪機的油耗曲線特別平坦，在50%～110%負荷范圍內，其油耗接近中、高速柴油機的水平；在30%工況時的效率仍為41.16%，油耗為206.7 g/W·h；降低了全壽命期費用，改善了維修性和可靠性；降低了排放溫度；可單獨取代常規(guī)的柴/燃動力裝置，有效節(jié)省了空間；采用干式低排放系統(tǒng)可達到美國新的排放標準；運行費用低、航程遠。

目前，除WR-21燃氣輪機外，已研制的其他間冷回熱艦船用燃氣輪機有SMIC-ICR、LM3000、SGT12等。

（1）SMIC-ICR艦船用燃氣輪機。由英國RR公司研制，以效率為37%、最大功率為18MW的艦船用SPEY SMIC燃氣輪機為基礎，其最大功率提高20%，達到22MW；熱效率提高到41.43%。

（2）LM3000艦船用燃氣輪機。由美國GE公司研制，以LM1600艦船用燃氣輪機為基礎，研制目標是排氣溫度低于371℃，使每艘艦節(jié)省燃料30%，包括間冷器和回熱器在內的單機質量不大于54432 kg，所占空間不超過LM2500艦船用燃氣輪機的。

（3）SGT12艦船用燃氣輪機。由德國MTU公司研制，設計原理和功率與LM3000燃氣輪機的相同，設計的經濟性將比LM2500燃氣輪機加間冷回熱循環(huán)的好。

3 中國發(fā)展現(xiàn)狀及建議

中國現(xiàn)有艦船用燃氣輪機按功率可分為大、中、小3檔，大檔機組功率為20000 kW左右，中檔機組功率為15000 kW左右，小檔機組功率為8000 kW以下。3檔不同功率等級的燃氣輪機通過不同的組合（包括和柴油機聯(lián)合）來滿足各型艦船的需求。近年來，隨著艦船用燃氣輪機的不斷發(fā)展，大功率燃氣輪機被不斷研發(fā)出來，功率等級呈不斷提高之勢。

不同用途航空發(fā)動機的研制增加了核心機技術儲備。而在保持已有核心機不變的前提下，要想繼續(xù)提高燃氣輪機的功率和熱效率，只有選擇先進的熱力循環(huán)方案。

初步估算的既有間冷又有回熱（WR-21）和只有間冷無回熱（LMS100，如圖6所示）的燃氣輪機的一些冷卻回熱數(shù)據(jù)見表1。

表1 燃氣輪機間冷回熱部分參數(shù)

由表1可見，WR－21燃氣輪機高壓壓氣機和低壓壓氣機的壓比相差不大，使得間冷后的高壓壓氣機出口溫度遠遠低于動力渦輪的出口溫度，使回熱溫升值較大，為進行回熱循環(huán)創(chuàng)造了條件；LMS100燃氣輪機高壓壓氣機壓比遠大于低壓壓氣機壓比，使得間冷后的高壓壓氣機出口溫度與動力渦輪的出口溫度相差不大，回熱溫升值小，沒有條件進行回熱循環(huán)。

經研究發(fā)現(xiàn)，太行航空發(fā)動機具備形成完整的艦船用燃氣輪機型譜的條件。由其發(fā)展大功率、高效率艦船用燃氣輪機，要充分利用母型航機成熟的核心機部件。太行發(fā)動機高、低壓壓比相差較大，對保持太行發(fā)動機核心機不變的燃氣輪機改進方案來說，選擇與LMS100燃氣輪機同樣的間冷循環(huán)會收到明顯的效果。目前，正在進行采用間冷（IC）方案的航改艦船用燃氣輪機研究，并進行了大功率、高效率間冷燃氣輪機的方案論證，所確定的1.0工況下間冷燃氣輪機的性能見表2。

表2 與世界同檔功率先進燃氣輪機技術參數(shù)比較

4 結束語

分析國內外ICR燃氣輪機發(fā)展現(xiàn)狀，可以認為中國開發(fā)大功率、高效率間冷燃氣輪機不僅是十分必要的，而且可以實現(xiàn)的。

[1] 朱行健，王雪瑜.燃氣輪機工作原理及性能[M].北京：科學出版社，

[2] 梁春華.ICR艦船用燃氣輪機WR-21的技術特點[J].航空發(fā)動機,2006,33(1):55-58.

[3] 張忠文.艦船燃氣輪機技術的發(fā)展途徑[J].航空發(fā)動機,2009，35（6）.