功率增大更省油国产舰用燃气轮机获突破

趣科技 2015-10-13 11:09:28 转载来源: 网络整理/侵权必删

2015年航空学会公布了第三届冯如奖获得者先进事迹，其中提到中航606所的李孝堂同志完成“某型大功率先进间冷热力循环船用燃机技术验证机”的研制和试验，这标志着国产舰船用燃气轮机已经从简单循环迈向复杂循环（我国也称之为联合循环）。▲燃气轮机是当今水面舰艇的主要动力系统舰船用燃气轮机从简单循环向复杂循环升级以提高热效率是新世纪燃气轮机发展的一个趋势，国外复杂循环燃气轮机如WR21已经配备在舰艇之上，国产复杂燃气轮机还在发展之中，除了航空部门之外，国产船舶部门也在进行相关研究

2015年航空学会公布了第三届冯如奖获得者先进事迹，其中提到中航606所的李孝堂同志完成“某型大功率先进间冷热力循环船用燃机技术验证机”的研制和试验，这标志着国产舰船用燃气轮机已经从简单循环迈向复杂循环（我国也称之为联合循环）。

▲燃气轮机是当今水面舰艇的主要动力系统

舰船用燃气轮机从简单循环向复杂循环升级以提高热效率是新世纪燃气轮机发展的一个趋势，国外复杂循环燃气轮机如WR21已经配备在舰艇之上，国产复杂燃气轮机还在发展之中，除了航空部门之外，国产船舶部门也在进行相关研究。以便为海军新型水面舰艇提供更加坚强的动力支持。

众所周知，燃气轮机具备体积小、重量轻、功率大、结构紧凑、辅机系统简单、操作方便等方面的优点，成为当今水面舰艇的主力动力系统，不过现在装备的燃气轮机大多是简单循环燃气轮机，它的过程是燃气轮机自大气吸入空气，在压气机中压缩。压缩后的气体进入燃气轮机燃烧室，在此加入燃料燃烧加热。加热后的高温燃气进入燃气透平（以下简称透平）膨胀作功。膨胀后的燃气排向大气。这个过程比较简单，所以燃气轮机的结构也就比较简单，相应的设计、制造也比较容易，成本和费用都比较低。

▲简单循环的燃气轮机热效率较低，经济性较差

不过这样简单的循环造成的问题就是燃气轮机热效率不佳，一般而言燃气轮机在最大功率的时候，热效率大约在40%以上，如果中低功率则还要降低。一般认为在功率为最大功率的1/4的时候，燃气轮机的热效率要降低一半左右，也就是说绝大多数的能量实际上是从烟囱白白散发掉了，所以出现了燃-柴联合推进系统，由柴油机作为舰艇的巡航主机，以降低对燃料的浪费。

从上世纪90年代起，随着燃料成本的不断增加，各国开始着手改进燃气轮机的功率，也就是发展复杂循环燃气轮机，提高燃气轮机的热量利用率，目前主要有两种方法，一种是间冷，在燃气轮机的低、高压压气之间配备冷却系统，来降低空气的温度，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。而回热器的作用就是吸收燃气轮机排出废气中的热量，对进入燃烧室里面的空气进行预先加热，在涡轮前温度一定的情况下，就降低了燃烧室能量需求，相应的也就减少了燃料的消耗，根据相关资料，美英联合研制的WR-21型中冷回热燃气轮机在最大功率的时候热效率已经达到43%以上，40%的时候仍旧有40%左右的热效率，高于简单循环燃气轮机最大功率时候的热效率，按照美国海军的评估，如果伯克级换装WR-21，那么该舰在正常航行的状态下可以节省30%的燃料，总燃料寿命可以降低21%，可以说效果还是比较显著的。

▲采用单冷回热技术的WR-21示意图

国内对于燃气轮机及复杂循环的研究起步较早，根据相关资料，上世纪70年代就开展了对燃气轮机回热方面的研究，80年代完成了系统的方案论证、相关系统的仿真及性能计算，90年代606所等单位就中冷回热系统的具体应用进行了进一步的研究和探索，不过从总体上来讲，当时国内燃气轮机的水平偏低，这些工作还停留在技术攻关阶段，国家和海军考虑到实际上需要，关注和投入的重点更多在大功率燃气轮机的引进和国产化方面，对于复杂循环燃气轮机以技术预研和攻关为主。

▲复杂循环燃气轮机原理图，目前国内重点突破在中冷器这一块

进入新世纪随着大功率燃气轮机的国产化，有关单位开始着手改进相关型号的性能，其中采用中冷回热技术成为一个热点，不过从相关资料来看，国内相关单位认为中冷回热技术对于机械、材料、工艺要求较高，而军用舰艇对于系统的体积和重量敏感，WR-21的回热器重量在10吨左右，虽然国产回热器已经研制成功，但是在体积和重量、可靠性等方面与国外仍旧有差距，加上海军对于大中型水面舰艇要求迫切，所以国产复杂循环燃气轮机采用分阶段、分步骤的发展方针，一方面完成民用复杂循环燃气轮机的研制，掌握复杂循环相关技术，一方面军用舰艇动力系统先攻克带中冷系统的燃气轮机，来研究中冷回热燃气轮机，所以我们看到李孝堂同志完成的中冷燃气轮机（IC），而不是WR-21的中冷回热燃气轮机-ICR，它的技术要求比后者简单、重量也不大，效率相对要低一些，介于ICR和简单循环燃气轮机之间，所以我们看到李孝堂同志主持“大功率先进间冷热力循环船用燃机技术验证机，在ISO条件下，热效率达到42%左右”，高于普通燃气轮机，但是与WR-21的43%还有距离。