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br/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。lICR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。br/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WestinghouseElectricCoporation分部(以此分部为主体，后来组建了NorthropGrumman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WR21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。2ICR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(VariableAreaNozzle，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wIl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中冷器中冷器的使用可以明显提高燃气轮机的比功率，同时对部分工况时的效率改善也有帮助。设计中冷器时要注意限制空气压降，研究表明，如果空气压降过大，压力损失以及由此带来的气体温度升高会极大的抵消中冷器的中冷效果。此外，还要考虑其结构和布置，应尽量和母型机配合，降低流通损失、减小尺寸。需要注意的是，如果只单独使用中冷器，发动机热效率将会降低，因为中冷器从循环中带走了热量，只有和回热器一起使用，才能在提高比功的同时又提高循环效率。WR21的中冷器为钎焊板翅式换热器，铜一镍合金材料，其基本模块结构如图3所示[引，沿燃气轮机轴中心线对称布置。空气沿径向向内流动，冷却剂沿径向向外流动，成逆流布置。中冷器分成两部分，即两个主流道，每一部分由五个基本模块连接起来组成。br/WR21的中冷系统是～个双回路系统，压缩空气通过中冷器向冷却剂(淡水和乙二醇1：l混合物)放热，冷却剂通过外部换热器与海水换热，通过调节冷却剂的流量来控制空气温度，解决中冷器出口的水份凝结问题。2．2回热器简单循环燃气轮机中燃烧产生的热能中有近70％随排气而损失，用回热器回收废气中热能使循环具有更好的热效率。燃气轮机回热器不像中冷器那样需要严格限定压降的范围，保持较高的回热效率是其主要设计目标。燃气轮机回热器属于气一气热交换器，气体的换热系数比较小，为达到一定的换热效率，回热器的体积有可能变得很庞大。因此，回热器br/的选型是一个重要问题，管壳式回热器的尺寸大，旋转式回热器的密封性差，仅适于低压应用场合。一次表面式回热器的尺寸虽比板翅式回热器更小，但我们还是建议采用板翅式，主要是由于板翅式回热器的强度、耐久性更好和易于建造大尺寸的回热器。wR21采用了紧凑型板翅式回热器，材料为14Cr4Mo不锈钢，整个回热器模块体积仅为6．3m3，重3700kg(湿重)。如图4所示为其单元结构【5l，两个这样的结构并排组成回热器模块。其基本换热单元由四个核心部件组成：侧面板、燃气流道板、隔板和空气流道板。空气从上管道流人，通过空气流道板自上往下流入下管道流出，而燃气自下往上通过燃气流道板流出，燃气和空气除了在导流部位，大部分位置处于逆流状态。另外，WR21设置了燃气旁通阀，机组启动和短期清洗时使用。2．3可变几何导叶动力涡轮入口处的可变几何导叶一共54片，由齿环带动，齿环则是由WR一21发动机控制器控制的两个液压作动器所驱动，每个导叶均设有孔探装置，并可单独更换，便于维护。中冷回热循环中采用VAN与不采用VAN的动力涡轮相比较，在0．5工况和0．2工况时可节约燃油分别为18％和16％。但可变导叶的使用也会带来一些问题，像顶部间隙有流动损失(在通常的涡轮结构中无此损失)，以及部分负荷下，导叶变几何时，气动负荷增加，涡轮效率下降，设计时要综合考虑这些因素。结构紧凑鉴于WR-21有其独有的中间冷却器、回热器及其管系、附件，势必要比简单循环燃气轮机增加更多的空间与重量。但WR-21的设计布局巧妙、结构紧凑。题图可反映出其紧凑的外形。特别值得一提的是，它的独特的中间冷却器和燃烧室的设计。中间冷却器由10个扇形体的铜－镍鳍片的板式空气/淡水（系淡水和乙二醇1:1配比）热交换器所组成。通过紧凑的设计和气流良好的组织，将这10个扇形体呈环形布置在燃气发生器转子的外圈的360度环形空间内。燃烧室则由9个经流式火焰筒燃烧器所组成。它们在高压压气机的外圈的360度空间内呈辐射状布置。上述这二个设计有效地缩短了ICR换件的轴向尺寸。WR-21有着与LM2500模件完全相同的长度、宽度，其最大高度处仅比LM2500模件高出1.74米。应该说，为了获得回热所带来的巨大收益，这些付出是值得的。通过适当的总体设计，即使是排水量在3000吨以上的护卫舰，也是可望解决其布置问题的。一般来说，民用船舶就不会存在无法布置的局面。结束语中冷回热循环燃气轮机是在简单循环燃气轮机的基础上发展起来的一种性能更为优越的发动机，它继承了简单循环燃气轮机的一系列优点，而且在很大的功率变化范围内有良好的油耗特性，非常适于用作舰船全工况推进的原动机。我国也已经开始了ICR燃气轮机的预研工作，WR21代表了ICR技术的最先进水平，其发展模式和所取得的技术成果都值得我们借鉴。