中冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)原理與技術(shù)

1、中冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)原理 摘要 中冷回?zé)嵫h(huán)(ICR)燃?xì)廨啓C(jī)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?zé)崞鹘M成的復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，具有優(yōu)良的油耗和變工況特性，是艦船的理想動(dòng)力裝置。本文討論了ICR的發(fā)展過程和技術(shù)特點(diǎn)，對其關(guān)鍵部分中冷器、回?zé)崞骱涂勺儙缀螌?dǎo)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?xì)廨啓C(jī)在日本首次運(yùn)行，這是WR21燃?xì)廨啓C(jī)在開拓海外市場方面又邁出的堅(jiān)實(shí)一步。以WR21為代表的中冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，具有低油耗和出色的變工況性能，特別適于作為艦船動(dòng)力裝置，美

2、國已將其作為未來艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的主動(dòng)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?zé)崞鹘M成的復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，其在寬廣的功率圍有平坦的油耗曲線，能大幅度降低部分負(fù)荷時(shí)的燃油消耗量，是一種很有發(fā)展前景的動(dòng)力裝置。WR21的成功開發(fā)，使ICR技術(shù)成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)，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?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)RM60的合同，并與次年開始研制，要求機(jī)器在整個(gè)功率圍有低的耗油率(尤其是部分負(fù)荷)。RM60設(shè)計(jì)功率4400kW，壽命lO00h，燃?xì)獬鯗?27

3、 ，增壓比18，這在當(dāng)初都是比較高的。1954年在“灰鵝”號(hào)炮艇上進(jìn)行航行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明RM60雖然達(dá)到了良好的部分負(fù)荷性能，卻使發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)鈧?cè)煙灰沉積使回?zé)崞餍氏陆担欣淦髂龅乃螌簹鈾C(jī)葉片產(chǎn)生侵蝕等等。另一方面，由于簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)在結(jié)構(gòu)和布置的緊湊性方面有顯著的優(yōu)點(diǎn)，加之當(dāng)時(shí)人們對巡航一加速相結(jié)合方案的強(qiáng)烈興趣，ICR技術(shù)未能獲得進(jìn)一步的發(fā)展 。從那以后，艦用燃?xì)廨啓C(jī)均采用簡單循環(huán)，第二代燃?xì)廨啓C(jī)也發(fā)展起來，其工作參數(shù)(燃?xì)獬鯗?，增壓?及各項(xiàng)性能指標(biāo)比第一代均有很大提高。然而，繼續(xù)提高燃?xì)廨啓C(jī)的工作參數(shù)遇到了更大的困難，且

4、無論工作參數(shù)多高，其低負(fù)荷時(shí)燃耗率的惡化趨勢也不會(huì)發(fā)生本質(zhì)的變化，這是簡單循環(huán)難以克服的缺點(diǎn)。因此，從八十年代開始，美國轉(zhuǎn)向了對中冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的研究，此時(shí)，由于燃?xì)廨啓C(jī)和熱交換器方面的技術(shù)進(jìn)展，使中冷回?zé)嵫h(huán)在達(dá)到最高的循環(huán)效率、優(yōu)良的變工況性能的同時(shí)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(shí)與美國GE和英國Rolls-Royce公司(聯(lián)合Allison、Garrett公司)簽訂了兩個(gè)研制中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)的合同。同時(shí)，德國的MTU公司慕尼黑分部也在論證研制ICR燃?xì)廨啓C(jī)。1991年12月，美國海軍將WR21中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)和發(fā)展合同授

5、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?xì)廨啓C(jī)分部(負(fù)責(zé)燃?xì)廨啓C(jī))，A1一liedSignal公司航空系統(tǒng)和設(shè)備集團(tuán)(負(fù)責(zé)回?zé)崞骱椭虚g冷卻器)和CAE電子公司(負(fù)責(zé)控制設(shè)備)。1994年1995年，英國和法國分別加入該合同，分擔(dān)一部分開發(fā)經(jīng)費(fèi)。2000年2月，WR21的開發(fā)和前期試驗(yàn)完成，進(jìn)行3000小時(shí)耐久試驗(yàn)和其他一系列為實(shí)際服役準(zhǔn)備的性能試驗(yàn)，2002年底基本完成。WR21燃機(jī)圖2000年11月，英國海軍

6、定購六臺(tái)WR2 1機(jī)組，為其最新的Type45型驅(qū)逐艦配套，作為其電力推進(jìn)系統(tǒng)的原動(dòng)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(jì)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(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦已經(jīng)裝備了WR21，意大利、國、日本也在考慮引進(jìn)。WR21已經(jīng)成為新一代艦用燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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?zé)崞?，WR21還在動(dòng)力渦輪前增加了 級可變幾何導(dǎo)葉，其基本循環(huán)如圖1所示.進(jìn)口空氣經(jīng)低壓壓氣機(jī)壓縮后(壓縮比為總壓縮比的305)

7、，通過中冷器進(jìn)入高壓壓氣機(jī)。中冷器降低了空氣進(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。同時(shí)，由于中冷器的使用，高壓壓氣機(jī)的出口溫度也相應(yīng)降低，這樣，增加了回?zé)崞鲀蓚?cè)空氣和燃?xì)獾臏囟炔?，回?zé)崞骰責(zé)嵝室虼艘驳玫教岣?。從高壓壓氣機(jī)出來的壓縮空氣先通過回?zé)崞?，吸收?dòng)力渦輪排氣中的熱量，這樣可相應(yīng)的減少為達(dá)到某一渦輪前進(jìn)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(shí)特別顯著。此外，WR21還應(yīng)用了可變幾何導(dǎo)葉，即變截面噴嘴(Variable Area Nozzle，VAN)技術(shù)。從燃?xì)獍l(fā)生器出來的燃?xì)?，通過可變幾何導(dǎo)葉進(jìn)人動(dòng)力渦輪。隨著功率減

8、小，動(dòng)力渦輪質(zhì)量流量減少，可變幾何導(dǎo)葉逐漸關(guān)小，進(jìn)一步限制了質(zhì)量流量，對一給定的部分負(fù)荷可保持高的燃?xì)獬鯗?，這使回?zé)崞魅細(xì)夂涂諝獾臏夭钤黾?，改善了回?zé)崞鞯膿Q熱，致使部分負(fù)荷下的耗油率獲得改善。在wI l上回?zé)峒涌勺儙缀螌?dǎo)葉約能節(jié)省30-40的燃油。綜上所述，中冷器、回?zé)崞骱涂勺儙缀螌?dǎo)葉，是WR21相對于簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)功率增大、油耗降低和部分負(fù)荷性能提高的三個(gè)主要因素。圖2顯示出WR21相對于簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(LM2500)優(yōu)良的變工況特性.ICR燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵技術(shù)就在于中冷器與回?zé)崞?。在滿足一定的換熱效率和壓降前提下，實(shí)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，為了最大限度的

9、降低部分工況時(shí)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(dǎo)葉技術(shù)。21 中冷器中冷器的使用可以明顯提高燃?xì)廨啓C(jī)的比功率，同時(shí)對部分工況時(shí)的效率改善也有幫助。設(shè)計(jì)中冷器時(shí)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(huì)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(jī)配合，降低流通損失、減小尺寸。需要注意的是，如果只單獨(dú)使用中冷器，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率將會(huì)降低，因?yàn)橹欣淦鲝难h(huán)中帶走了熱量，只有和回?zé)崞饕黄鹗褂?，才能在提高比功的同時(shí)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所示引，沿燃?xì)?/p>

10、輪機(jī)軸中心線對稱布置?？諝庋貜较蛳蛄鲃?dòng)，冷卻劑沿徑向向外流動(dòng)，成逆流布置。中冷器分成兩部分，即兩個(gè)主流道，每一部分由五個(gè)基本模塊連接起來組成。<br />WR21的中冷系統(tǒng)是個(gè)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?zé)崞骱唵窝h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒產(chǎn)生的熱能中有近70隨排氣而損失，用回?zé)崞骰厥諒U氣中熱能使循環(huán)具有更好的熱效率。燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞鞑幌裰欣淦髂菢有枰獓?yán)格限定壓降的圍，保持較高的回?zé)嵝适瞧渲饕O(shè)計(jì)目標(biāo)。燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞鲗儆跉庖粴鉄峤粨Q器，氣體的換

11、熱系數(shù)比較小，為達(dá)到一定的換熱效率，回?zé)崞鞯捏w積有可能變得很龐大。因此，回?zé)崞?lt;br />的選型是一個(gè)重要問題，管殼式回?zé)崞鞯某叽绱?，旋轉(zhuǎn)式回?zé)崞鞯拿芊庑圆?，僅適于低壓應(yīng)用場合。一次表面式回?zé)崞鞯某叽珉m比板翅式回?zé)崞鞲?，但我們還是建議采用板翅式，主要是由于板翅式回?zé)崞鞯膹?qiáng)度、耐久性更好和易于建造大尺寸的回?zé)崞?。wR21采用了緊湊型板翅式回?zé)崞鳎牧蠟?4Cr4Mo不銹鋼，整個(gè)回?zé)崞髂K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(gè)這樣的結(jié)構(gòu)并排組成回?zé)崞髂K。其基本換熱單元由四個(gè)核心部件組成：側(cè)面板、燃?xì)饬鞯腊?、隔板和空氣流道板?？諝鈴纳瞎艿懒魅?，?/p>

12、過空氣流道板自上往下流入下管道流出，而燃?xì)庾韵峦贤ㄟ^燃?xì)饬鞯腊辶鞒?，燃?xì)夂涂諝獬嗽趯?dǎo)流部位，大部分位置處于逆流狀態(tài)。另外，WR21設(shè)置了燃?xì)馀酝ㄩy，機(jī)組啟動(dòng)和短期清洗時(shí)使用。23 可變幾何導(dǎo)葉動(dòng)力渦輪入口處的可變幾何導(dǎo)葉一共54片，由齒環(huán)帶動(dòng)，齒環(huán)則是由WR一21發(fā)動(dòng)機(jī)控制器控制的兩個(gè)液壓作動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)，每個(gè)導(dǎo)葉均設(shè)有孔探裝置，并可單獨(dú)更換，便于維護(hù)。中冷回?zé)嵫h(huán)中采用VAN與不采用VAN 的動(dòng)力渦輪相比較，在05工況和02工況時(shí)可節(jié)約燃油分別為18和16 。但可變導(dǎo)葉的使用也會(huì)帶來一些問題，像頂部間隙有流動(dòng)損失(在通常的渦輪結(jié)構(gòu)中無此損失)，以及部分負(fù)荷下，導(dǎo)葉變幾何時(shí)，氣動(dòng)負(fù)荷增加，渦輪

13、效率下降，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮這些因素。結(jié)構(gòu)緊湊鑒于WR-21有其獨(dú)有的中間冷卻器、回?zé)崞骷捌涔芟?、附件，勢必要比簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)增加更多的空間與重量。但WR-21的設(shè)計(jì)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(dú)特的中間冷卻器和燃燒室的設(shè)計(jì)。中間冷卻器由10個(gè)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(jì)和氣流良好的組織，將這10個(gè)扇形體呈環(huán)形布置在燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子的外圈的360度環(huán)形空間。燃燒室則由9個(gè)經(jīng)流式火焰筒燃燒器所組成。它們在高壓壓氣機(jī)的外圈的360度空間呈輻射狀布置。上述這二個(gè)設(shè)計(jì)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?zé)崴鶐淼木薮笫找?，這些付出是值得的。通過適當(dāng)?shù)目傮w設(shè)計(jì)，即使是排水量在3