中冷回熱循環(huán)燃氣輪機原理與技術(shù)

1、中冷回熱循環(huán)燃氣輪機技術(shù)原理 摘要 中冷回熱循環(huán)(ICR)燃氣輪機是在簡單循環(huán)的基礎(chǔ)上，增加壓縮空氣中間冷卻器和排氣回熱器組成的復雜循環(huán)燃氣輪機，具有優(yōu)良的油耗和變工況特性，是艦船的理想動力裝置。本文討論了ICR的發(fā)展過程和技術(shù)特點，對其關(guān)鍵部分中冷器、回熱器和可變幾何導葉做了具體分析。 前言2003年3月31日，Rolls—Royce和日本Kawasa—ki重工共同慶祝WR21燃氣輪機在日本首次運行，這是WR21燃氣輪機在開拓海外市場方面又邁出的堅實一步。以WR21為代表的中冷回熱循環(huán)燃氣輪機，具有低油耗和出色的變工況性能，特別適于作為艦船動力裝置，美

2、國已將其作為未來艦船電力推進系統(tǒng)的主動力裝置。ICR是在簡單循環(huán)的基礎(chǔ)<br />上，增加壓縮空氣中間冷卻器和排氣回熱器組成的復雜循環(huán)燃氣輪機，其在寬廣的功率范圍內(nèi)有平坦的油耗曲線，能大幅度降低部分負荷時的燃油消耗量，是一種很有發(fā)展前景的動力裝置。WR21的成功開發(fā)，使ICR技術(shù)成為當今研究熱點，我國也已經(jīng)開始了這方面的研究工作。l ICR技術(shù)發(fā)展歷史早在1946年，Rolls&Royce公司就與英國海軍簽訂了生產(chǎn)艦用中冷回熱燃氣輪機RM60的合同，并與次年開始研制，要求機器在整個功率范圍內(nèi)有低的耗油率(尤其是部分負荷)。RM60設(shè)計功率4400kW，壽命lO00h，燃氣初

3、溫827 ，增壓比18，這在當初都是比較高的。1954年在“灰鵝”號炮艇上進行航行試驗。試驗結(jié)果表明RM60雖然達到了良好的部分負荷性能，卻使發(fā)動機的購置成本大大提高，且體積龐大，換熱器方面也存在問題，像燃氣側(cè)煙灰沉積使回熱器效率下降，中冷器凝出的水滴對壓氣機葉片產(chǎn)生侵蝕等等。另一方面，由于簡單循環(huán)燃氣輪機在結(jié)構(gòu)和布置的緊湊性方面有顯著的優(yōu)點，加之當時人們對巡航一加速相結(jié)合方案的強烈興趣，ICR技術(shù)未能獲得進一步的發(fā)展 。從那以后，艦用燃氣輪機均采用簡單循環(huán)，第二代燃氣輪機也發(fā)展起來，其工作參數(shù)(燃氣初溫，增壓比)及各項性能指標比第一代均有很大提高。然而，繼續(xù)提高燃氣輪機的工作參數(shù)遇到了更大的

4、困難，且無論工作參數(shù)多高，其低負荷時燃耗率的惡化趨勢也不會發(fā)生本質(zhì)的變化，這是簡單循環(huán)難以克服的缺點。因此，從八十年代開始，美國轉(zhuǎn)向了對中冷回熱循環(huán)燃氣輪機的研究，此時，由于燃氣輪機和熱交換器方面的技術(shù)進展，使中冷回熱循環(huán)在達到最高的循環(huán)效率、優(yōu)良的變工況性能的同時仍能使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，特別適于艦用。<br />1985年10月美國海軍同時與美國GE和英國Rolls-Royce公司(聯(lián)合Allison、Garrett公司)簽訂了兩個研制中冷回熱燃氣輪機的合同。同時，德國的MTU公司慕尼黑分部也在論證研制ICR燃氣輪機。1991年12月，美國海軍將WR21中冷回熱燃氣輪機機組的設(shè)計和發(fā)

5、展合同授與Westinghouse Electric Coporation分部(以此分部為主體，后來組建了Northrop Grumman船用系統(tǒng)公司，成為新的總承包商)，分承包商主要有Rollse&Royce公司工業(yè)與船用燃氣輪機分部(負責燃氣輪機)，A1一liedSignal公司航空系統(tǒng)和設(shè)備集團(負責回熱器和中間冷卻器)和CAE電子公司(負責控制設(shè)備)。1994年1995年，英國和法國分別加入該合同，分擔一部分開發(fā)經(jīng)費。2000年2月，WR21的開發(fā)和前期試驗完成，進行3000小時耐久試驗和其他一系列為實際服役準備的性能試驗，2002年底基本完成。WR21燃機圖2000年11月，

6、英國海軍定購六臺WR2 1機組，為其最新的Type45型驅(qū)逐艦配套，作為其電力推進系統(tǒng)的原動力裝置，這是WR21的第一份訂單。WR21的低油耗、出色的部分工況特性以及其模塊化設(shè)計和高可靠性，引起了各國海軍的極大關(guān)注，除了美、英、法三國，荷蘭L( “迪澤文”級導彈護衛(wèi)艦已經(jīng)裝備了WR21，意大利、韓國、日本也在考慮引進。WR21已經(jīng)成為新一代艦用燃氣輪機的代表。2 ICR原理及關(guān)鍵技術(shù)下面以WR21為例來說明ICR燃氣輪機的基本原理。與簡單循環(huán)相比，ICR循環(huán)增加了中間冷卻器和回熱器，WR21還在動力渦輪前增加了 級可變幾何導葉，其基本循環(huán)如圖1所示.進口空氣經(jīng)低壓壓氣機壓縮后(壓縮比為總壓縮比

7、的305)，通過中冷器進入高壓壓氣機。中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。同時，由于中冷器的使用，高壓壓氣機的出口溫度也相應(yīng)降低，這樣，增加了回熱器兩側(cè)空氣和燃氣的溫度差，回熱器回熱效率因此也得到提高。從高壓壓氣機出來的壓縮空氣先通過回熱器，吸收動力渦輪排氣中的熱量，這樣可相應(yīng)的減少為達到某一渦輪前進口溫度而需要在燃燒室加入的熱量，降低燃油消耗率，這一效果在部分工況時特別顯著。此外，WR21還應(yīng)用了可變幾何導葉，即變截面噴嘴(Variable Area Nozzle，VAN)技術(shù)。從燃氣發(fā)生器出來的燃氣，通過可變幾何導葉進人動力渦輪。

8、隨著功率減小，動力渦輪質(zhì)量流量減少，可變幾何導葉逐漸關(guān)小，進一步限制了質(zhì)量流量，對一給定的部分負荷可保持高的燃氣初溫，這使回熱器燃氣和空氣的溫差增加，改善了回熱器的換熱，致使部分負荷下的耗油率獲得改善。在wI l上回熱加可變幾何導葉約能節(jié)省30-40的燃油。綜上所述，中冷器、回熱器和可變幾何導葉，是WR21相對于簡單循環(huán)燃氣輪機功率增大、油耗降低和部分負荷性能提高的三個主要因素。圖2顯示出WR21相對于簡單循環(huán)燃氣輪機(LM2500)優(yōu)良的變工況特性.ICR燃氣輪機的關(guān)鍵技術(shù)就在于中冷器與回熱器。在滿足一定的換熱效率和壓降前提下，實現(xiàn)中冷器和換熱器體積和重量最小化，符合艦船使用要求。另外，為了

9、最大限度的降低部分工況時油耗，還需要采用一些其他輔助技術(shù)，像WR21采用了可變幾何導葉技術(shù)。21 中冷器中冷器的使用可以明顯提高燃氣輪機的比功率，同時對部分工況時的效率改善也有幫助。設(shè)計中冷器時要注意限制空氣壓降，研究表明，如果空氣壓降過大，壓力損失以及由此帶來的氣體溫度升高會極大的抵消中冷器的中冷效果。此外，還要考慮其結(jié)構(gòu)和布置，應(yīng)盡量和母型機配合，降低流通損失、減小尺寸。需要注意的是，如果只單獨使用中冷器，發(fā)動機熱效率將會降低，因為中冷器從循環(huán)中帶走了熱量，只有和回熱器一起使用，才能在提高比功的同時又提高循環(huán)效率。WR21的中冷器為釬焊板翅式換熱器，銅一鎳合金材料，其基本模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示

10、引，沿燃氣輪機軸中心線對稱布置?？諝庋貜较蛳騼?nèi)流動，冷卻劑沿徑向向外流動，成逆流布置。中冷器分成兩部分，即兩個主流道，每一部分由五個基本模塊連接起來組成。<br />WR21的中冷系統(tǒng)是個雙回路系統(tǒng)，壓縮空氣通過中冷器向冷卻劑(淡水和乙二醇1：l混合物)放熱，冷卻劑通過外部換熱器與海水換熱，通過調(diào)節(jié)冷卻劑的流量來控制空氣溫度，解決中冷器出口的水份凝結(jié)問題。22 回熱器簡單循環(huán)燃氣輪機中燃燒產(chǎn)生的熱能中有近70隨排氣而損失，用回熱器回收廢氣中熱能使循環(huán)具有更好的熱效率。燃氣輪機回熱器不像中冷器那樣需要嚴格限定壓降的范圍，保持較高的回熱效率是其主要設(shè)計目標。燃氣輪機回熱器屬于氣一氣熱交

11、換器，氣體的換熱系數(shù)比較小，為達到一定的換熱效率，回熱器的體積有可能變得很龐大。因此，回熱器<br />的選型是一個重要問題，管殼式回熱器的尺寸大，旋轉(zhuǎn)式回熱器的密封性差，僅適于低壓應(yīng)用場合。一次表面式回熱器的尺寸雖比板翅式回熱器更小，但我們還是建議采用板翅式，主要是由于板翅式回熱器的強度、耐久性更好和易于建造大尺寸的回熱器。wR21采用了緊湊型板翅式回熱器，材料為14Cr4Mo不銹鋼，整個回熱器模塊體積僅為63m3，重3700kg(濕重)。如圖4所示為其單元結(jié)構(gòu)【5l，兩個這樣的結(jié)構(gòu)并排組成回熱器模塊。其基本換熱單元由四個核心部件組成：側(cè)面板、燃氣流道板、隔板和空氣流道板。空氣從

12、上管道流人，通過空氣流道板自上往下流入下管道流出，而燃氣自下往上通過燃氣流道板流出，燃氣和空氣除了在導流部位，大部分位置處于逆流狀態(tài)。另外，WR21設(shè)置了燃氣旁通閥，機組啟動和短期清洗時使用。23 可變幾何導葉動力渦輪入口處的可變幾何導葉一共54片，由齒環(huán)帶動，齒環(huán)則是由WR一21發(fā)動機控制器控制的兩個液壓作動器所驅(qū)動，每個導葉均設(shè)有孔探裝置，并可單獨更換，便于維護。中冷回熱循環(huán)中采用VAN與不采用VAN 的動力渦輪相比較，在05工況和02工況時可節(jié)約燃油分別為18和16 。但可變導葉的使用也會帶來一些問題，像頂部間隙有流動損失(在通常的渦輪結(jié)構(gòu)中無此損失)，以及部分負荷下，導葉變幾何時，氣動

13、負荷增加，渦輪效率下降，設(shè)計時要綜合考慮這些因素。結(jié)構(gòu)緊湊鑒于WR-21有其獨有的中間冷卻器、回熱器及其管系、附件，勢必要比簡單循環(huán)燃氣輪機增加更多的空間與重量。但WR-21的設(shè)計布局巧妙、結(jié)構(gòu)緊湊。題圖可反映出其緊湊的外形。特別值得一提的是，它的獨特的中間冷卻器和燃燒室的設(shè)計。中間冷卻器由10個扇形體的銅鎳鰭片的板式空氣/淡水（系淡水和乙二醇1:1配比）熱交換器所組成。通過緊湊的設(shè)計和氣流良好的組織，將這10個扇形體呈環(huán)形布置在燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子的外圈的360度環(huán)形空間內(nèi)。燃燒室則由9個經(jīng)流式火焰筒燃燒器所組成。它們在高壓壓氣機的外圈的360度空間內(nèi)呈輻射狀布置。上述這二個設(shè)計有效地縮短了ICR換件的軸向尺寸。WR-21有著與LM2500模件完全相同的長度、寬度，其最大高度處僅比LM2500模件高出1.74米。應(yīng)該說，為了獲得回熱所帶來的巨大收益，這些付出是值得的。通過適當?shù)目傮w設(shè)計，即使是排水量在300