WR-21舰船用燃气轮机的设计特点

孙爱军，肖娜新，马力

（1.海军驻平坝地区航空军事代表室，贵州平坝561102；2.中国人民解放军65047部队，沈阳110001；3.海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳110043）

1 引言

WR-21舰船燃气轮机是美国海军、英国海军和法国海军合资研制的新型大功率先进循环燃气轮机。由于具有耗油率低、维护费用低、污染排放少、红外信号少等明显技术优势，其应用范围广泛且发展潜力巨大，因而其设计特点对中国开展舰船燃气轮机的研究与研制工作具有重要的借鉴和参考作用。

2 WR-21燃气轮机的设计特点

WR-21燃气轮机是装有间冷器和回热器的1种简单循环燃气轮机，如图1所示。

其工作原理：由径向进气道进入燃气轮机的空气，首先被中压压气机和高压压气机（其压比分配比例为30/70）压缩，然后从中压压气机流出，进入间冷器冷却。冷却过程是先用闭环的淡水/乙2醇冷却剂通过机上换热器对空气进行冷却，再用淡水/海水机外间冷器对淡水/乙2醇进行冷却。间冷器减少了驱动高压压气机所需的功，而且降低了回热器空气侧的进口温度。进口温度降低允许空气在回热器中尽可能多地吸收热量。采用间冷就必然降低效率，因为一部分热量在循环中直接损失了。回热器系统与间冷器系统联合使用减少了压气机的耗功，从而减少了损失，因而，提高了燃气轮机的效率。离开间冷器的气体在高压压气机中进一步压缩，然后通过2根管子流进回热器。回热器从尾气中吸收热量，并预热从压气机流出的气体。把这些热量回收到循环中，燃烧室只要有较低的温升就可达到涡轮的目标进口温度。燃气流经燃气发生器中用于驱动压气机的涡轮后，通过第1级可调面积导向器进入动力涡轮。可调面积导向器能够通过控制动力涡轮的流通能力使回热器在整个输出功率范围内性能最优，进而使回热器保持较高的燃气侧进口温度。随着输出功率的降低，可调面积导向器逐渐关闭，以使回热器维持较高的进口温度。这种方法保证了更多的热量传向回热器的空气侧，并因此使回热器有较高的效率。

由于特殊的工作循环和将获取、使用和保障费用的可承担性作为首要要求，WR-21燃气轮机的设计具有高度继承与积极创新的明显特点。

2.1 高度继承

WR-21燃气轮机是美国、英国和法国合作，以RR公司的RB211和TRENT系列民用航空发动机为基础衍生研制而来，具有高度的继承性。

WR-21燃气轮机中压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、中压涡轮、动力涡轮和起动机以RB211和TRENT发动机相应部件为基础，只是为了适用于舰船使用环境和间冷回热循环的特殊要求进行了一些改进，见表1。

表1 WR-21燃气轮机部件的继承和改进

WR-21燃气轮机可维护性设计也广泛吸取了NGMS公司、RR公司和美国海军积累的经验和技术，在满足低耗油率的同时，WR-21燃气轮机也很好地满足了可维护性和适应性要求。

（1）可维护性工程师积极参与所有设计评审，使设计人员始终如一地把可维护性设计作为设计工作的重要内容，在确定方案时始终遵循“用户已经为维护付款”的思想；

（2）选择成熟的、高可靠性的、经过预平衡的单元体；

（3）设计可达性好的箱体，允许在箱体内或箱体外对整台燃气轮机与单元体进行整体拆卸和更换，也允许进行原位修理；

（4）保证最大可能地采用孔探仪检查，中压和高压压气机每级有2个位置，每级涡轮有9个位置，每级动力涡轮有2个位置；

（5）将一些部件按原地更换进行设计，如：9个燃烧室火焰筒、点火器、喷嘴、54片可调导向叶片、速度探针、热电偶、引气阀、齿轮箱附件；

（6）进行燃气流路停车清洗和联机清洗；

（7）将计划维护(预防性维护系统(PMS))减至最少；

（8）采用少量的标准的通用的保障设备进行操作者级或船员级(美国海军0级)维护，确保采用附加的特殊工具进行Ⅰ级维护；

（9）将垂直拆卸作为基准拆卸方法，将侧面拆卸作为备用方法。

2.2 积极创新

2.2.1 间冷器

20世纪70年代以来，科研人员对将间冷器引入燃气涡轮发动机进行了大量的研究。结果表明：引入间冷器，可以大大降低驱动高压压气机所需的功输入（提高发动机的单位功率）；可以采用较小的核心机，或在核心机大小一定的情况下，能够获得较大的推力；在所有推力下，都能适当地提高性能；燃烧室进口温度较低，易于设计热端部件，且能够降低NOx的排放量。为此，WR-21燃气轮机在中压压气机和高压压气机之间引入间冷器，以冷却进入高压压气机的空气。

WR-21燃气轮机的间冷器（如图2所示）由机上间冷器组件和机外海水换热器组件构成，通过机上气液换热器从中压压气机的出口空气中提取热量，由50/50的乙2醇/水(EG)混合物组成的传热液体将热量带到机外EG-海水换热器中，最终由机外换热器中的海水将这些热量排入大海。

机上间冷器用于冷却从中压压气机排出但还未能进入高压压气机的空气。在设计时着重考虑2个性能参数：（1）通过进气通道、换热器和出口通道的压降（ΔP）；（2）换热器的效率。间冷器段的压降（ΔP）必须尽可能地小，这是因为这一压降给压气机增加了额外的负担，最终将对耗油率产生不利的影响。换热器的换热能力必须尽可能地大，以在规定的最小压降的通道和空间内尽可能多地提取热量。提取的热量越多，空气的温度就越低，就允许更多的空气流入高压压气机。WR-21燃气轮机的机上间冷器由5个平板-鳍板逆流换热器(铜镍核心体)、换热器壳体、金属软管、进口和出口总管以及阀门构成。每个换热器可以通过溢流管或进气装置单独拆卸。中压压气机的排出空气进入间冷器段后，先沿径向向外流动，然后通过间冷器机匣使气流向内旋转180°，以在核心体内得到可接受的均匀的气流。冷却侧的EG由金属软管与总管引导和分配。换热器内部平行的通道细分为液体通道，以分隔在传热器芯体入口形成的气穴空间。这些通道也引导冷却剂流动，这样流场可更均匀地分布。热量由一些152.4mm的管子从燃气轮机箱体中带出，进入机外海水换热器单元体。热的EG通过由燃气轮机控制系统控制的三通阀门进入机外海水换热器，这样，液体可以以3通阀门的0到最大流量流入换热器的热侧。这个3通阀门组件使控制系统能够调节冷却液体的流量，以避免进入机上间冷器组件的燃气过冷。

机外海水换热器单元体由水和乙2醇组成的新鲜水冷却剂混合物（50/50）冷却，由3通阀门组件、板式换热器储存罐、泵、马达、空气清洗罐、放气阀、安装在抗冲击拖架上的测试仪器和隔离阀构成。为了降低回流液体的流速并使液体曲折而长时间地流动，也为了减小机外海水换热器单元体的总体积和满足导轨的空间要求，设计了1个与空气相通且可以排气和配制液体的更小的储存罐（直径为0.6 m，高为1.7 m）和1个完成空气排空的特别的清洗罐。在舰船上，还提供了1台流量为88.3 L/s的海水泵和相关的海水系统部件。

在正常工作期间，新鲜水旁路阀门通过控制系统调节。该控制系统以相对湿度和中压压气机出口压力为基准，从而防止中压压气机出口气流发生冷凝。在燃气轮机系统上提供隔离阀门和1个758 kPa量程的安全阀门，以防止在间冷器不工作期间将新鲜的水/乙2醇混合物烧沸。在不超过规定的燃气轮机工作极限、间冷器不工作的情况下，WR-21燃气轮机能够产生9843 kW的功率。新鲜水冷却剂流量是56.8 L/s；如果使用双速海水泵，在从全功率降低到大约10400 kW的情况下，海水流量是88.3 L/s；在低于10400 kW的情况下，其流量为59.9 L/s。间冷器的喷水嘴位于中压压气机出口和间冷器核心体之间。

2.2.2 回热器

20世纪70年代以来，人们对将回热器引入燃气涡轮发动机进行了大量的研究。结果表明：引入回热器，可以明显降低最优总压比，而简化了叶片机的设计，并可以使用冷却空气作为冷却介质；可以提高部分推力状态的性能，特别是在涡轮采用可调面积导向器的情况下；可以大大提高总压比有限的小发动机的性能；在一定的推力下，可以减小涡扇发动机的涵道比，和减少低压涡轮所需的级数；可以降低低压涡轮的噪声。为此，WR-21燃气轮机引入回热器，用于从燃气轮机排气中回收废热，加热进入燃烧室之前的高压压气机排气。

WR-21燃气轮机回热器由AlliedSignal航空航天公司负责研制。其设计要求是：压缩空气最大进口温度为550 K，排出燃气最大进口温度为950 K，压缩空气最大流量为55 kg/s，排出燃气最大流量为64 kg/s，压缩空气最大压力为1482 kPa，在30%功率下的效率为93%，允许的压缩空气泄漏量为进口流量的0.1%，使用寿命为100000 h，工作循环为15000个热循环或75000个压力循环，最大排气压降/进口压力比(燃气侧最大进口压力损失)为0.059，最大压缩空气压降/进口压力比(压缩空气侧最大进口压力损失)为0.051。另外，该回热器必须能安装在目前舰船简单循环燃气轮机排气通道所占的空间内，不影响舰船的稳定性，满足战舰工作环境和生存性的要求（包括舰船的运动、振动和冲击负荷）。

WR-21燃气轮机回热器先后发展了预先研制（AD）型、有限工作寿命（LOU）型、热试验装置(TTU)型和工程研制（EMD）型等4型回热器。工程研制（EMD）型回热器（如图3所示）由2个并行工作的换热器单元体构成。该单元体的顶部由连接到回热器机匣上的支持增压室支持。压缩空气通过空气进口总管进入该单元体的上端，并通过空气出口总管从该单元体的下端排出。热燃气从单元体的底部进入该单元体，并从该单元体的上端排出。每个单元体包含4个换热器芯体，空气进口总管和出口总管用Ω形软外壳连在一起。这些芯体以逆流的形式组装在一起，构成紧凑的铜焊的平板-鳍板式换热器。与前几型回热器相比，工程研制（EMD）型回热器改进如下。

（1）在侧板附近采用厚度渐变的管隔板，以去除芯体端部附近的热应力。厚度渐变的管隔板使应力逐步降低，从芯体端部附近相对较高的应力降低到位于芯体中心附近的典型管隔板的相对较低的应力。

（2）去掉压缩空气进口总管和出口总管内的管隔板与管隔板接头，以消除其高应力。

（3）将逆流基体的长度加长2.54cm，以提高回热器的效率。

（4）将压缩空气出口总管环的材料由14-4不锈钢变为Hastelloy S，以延长蠕变寿命。

（5）优化排出燃气和压缩空气鳍板的高度，增厚排出燃气基体鳍板的厚度，以避免排出燃气鳍板变形。

（6）增厚侧板的厚度，以避免出现裂纹。

（7）将每个芯体压缩空气通道的数量由45个增加到47个，将每个芯体燃气通道的数量由46个增加到48个，以提高回热器的效率。

（8）将空气进口总管Ω形软外壳的材料由Inconel625改为Waspaloy，并增大Ω直径，以延长蠕变寿命和增大芯体间允许的剪切位移。

（9）用单个的支持增压室支持芯体，并对增压室进行绝缘，以避免支持增压室与芯体连接处出现裂纹。

（10）用浮动的辐式结构替代固定的系杆式结构，以避免空气进口总管支持件出现裂纹。

（11）将排出燃气密封件的材料由Inconel 625改为14-4不锈钢，以避免密封件和芯体侧板连接焊接处出现裂纹。

（12）改变排气转向鳍板的结构，以改善通过芯体的排出燃气的流量分布。

EDM回热器经过了3000 h耐久性试验的考验，并在经过对厚度渐变的管隔板进行优化后满足了使用寿命、工作循环和舰艇环境的要求。

3 结束语

由于采用了成熟的技术与经验和创新的间冷回热循环，WR-21舰船用燃气轮机达到了在宽广工作范围内工作效率很高、结构紧凑、可靠性好、维护性好、寿命长等要求，成为了在技术上有明显优势且在经济上有很大吸引力的燃气轮机，因而其应用前景很好，发展潜力很大。

[1] Bridgeman G,Uawithya C,Crance C.Instrumenting and Acquiring Data for theWR-21 Gas Turbine Development Programme[R].ASME 2001-GT-0542.

[2] Graia C,House E M.The Navy 500-hour Test(NFHT)of the Intercooled Recuperated Gas Turbine Engine System[R].ASME 2001-GT-0528.

[3] Commander C R,Lieutenant S J.Qualification Testing the WR-21 Intercooled Recuperated Gas Turbine[R].ASME 2001-GT-0527.

[4] Janton J T,Uawithya C.WR-21 Intercooled Recuperated(ICR)Gas Turbine Engine System Level Development Test Program Summary[R].ASME 2000-GT-0604.

[5] Cabanos P A.Design Implementation of the Intercooler System of the WR-21[R].ASME 2000-GT-0321.

[6] Parry C R,Stauffer M,Higgins W,USN Land Based Testing of the WR-21 ICR Gas Turbine[R].ASME 99-GT-223.

[7] Sanders R C,Louie G C.Development of the WR-21 Gas Turbine Recuperator[R].ASME 99-GT-314.

[8] WR-21 May Have Commercial Marine,Industrial Spin offs.Gas TurbineWorld.1994.9-10.P39.

[9] Shepard S B，Bowen T L,Chiprich J M.Design and Development of the WR-21 Intercooled Recuperated(ICR)Marine Gas Turbine[R].ASME 94-GT-79.