舰用燃气轮机发电机组发展概述

李徐嘉，刘云生

（海军装备研究院，北京 100161）

0 引言

海军舰船推进系统的发展正处于关键阶段。由于海军舰船对功率的需求越来越大，一些新技术能更好地满足未来军舰的需求。舰船电力推进技术问世于二十世纪初，但直到最近二十年才取得重大技术突破。电力推进系统的电能不但用于推进，还可用于其它负载，例如大功率和高能武器、电磁弹射系统、通信、微机、雷达、声纳和日常生活负载。燃气轮机具有功率密度大、机动性好、可靠性高、振动小（无往复运动结构）、排放低等优点，对于使用电力推进并且功率需求较大的舰船，燃气轮机发电机组是非常合适的选择之一。

1 国内外军用舰载燃气轮机发电机组发展使用现状

1.1 国外现状

国外有多型使用燃气轮机发电机组的海军舰船，先期主要以提供日用负载用电为主。例如美国海军的DDG-51型驱逐舰和英国皇家海军的42型驱逐舰就使用了小于5 MW的燃气轮机发电机组驱动日常负载。而目前装备燃气轮机发电机组作为综合电力系统主动力的舰船只有三型，它们是美国海军的DDG-1000型导弹驱逐舰、英国皇家海军的伊丽莎白女王号航空母舰和 45型驱逐舰，其上使用的燃气轮机有三款，均为英国罗•罗公司的产品，型号分别为 MT-30、WR-21和RR4500。下面主要介绍上述三型燃气轮机发电机组。

1.1.1 MT-30和RR4500燃气轮机发电机组

MT-30燃气轮机是基于英国罗•罗公司非常成功的 Trent三轴航空发动机结构而开发的 40 MW级舰用燃气轮机，MT-30燃气轮机是一款简单循环燃气轮机，其额定功率为 36 MW，效率40%。并且在国际标准大气条件（15℃，1个标准大气压）下可输出最大40 MW的功率。MT-30的动力涡轮额定转速设定为3600 rpm，因此其所带交流发电机可直接发出60 Hz频率的交流电。美国海军的DDG-1000导弹驱逐舰和英国皇家海军的伊丽莎白女王号航空母舰的电力推进系统中均配备了MT-30燃气轮机发电机组，两艘舰由于功率需求不同，具体的系统组成方案略有不同。图1所示为伊丽莎白女王号航空母舰的综合电力系统示意图，其额外配备了4套10 MW级的柴油发电机组和1套应急柴油发电机组。发电机组发出11 kV的高压电输给主配电板。推进方面，该舰为双轴推进，每根轴上由2台20 MW的先进感应推进电机串联共同推进，推进电机由变频器控制，其用电由主配电板直接供电。其他电能由变压器从主配电板转换为440 V后供日用负载和其他装备使用。从图中还可看出2台MT-30燃气轮机发电机组和 4台柴油发电机组的布置情况，它们分别位于上层舱室和下层舱室，这种布局提升了整个动力系统的生存能力。

图1 伊丽莎白女王号航空母舰电力推进系统图示

DDG-1000驱逐舰原本要使用WR-21作为原动机，但由于功率不符合要求等因素，最后选用了MT-30型燃气轮机发电机组。其电力推进系统电站组成为两套功率为34.6 MW的MT-30发电机组和两套4.5 MW的RR4500发电机组组成。RR4500是罗•罗公司专为军舰电力需求设计的燃气轮机，其基本上是 Allison501（用于 DDG51的船用发电装置）的技术升级版,功率4.5 MW，效率32.2%。它采用了单轴和超高压比的先进设计。

1.1.2 WR-21燃气轮机发电机组

WR-21燃气轮机是罗•罗公司联合多家公司开发的一款中冷回热（ICR）循环燃气轮机，所谓中冷是指在燃气轮机低压压气机和高压压气机之间添加中间冷却器，以降低高压压气机的耗功而提升整机功率，回热指在燃烧室进口处安装气-气换热器，利用排出的高温燃气加热进入燃烧室的空气以提高整机循环效率（见图 2所示）。WR-21具有全功率范围内热效率都较高、功率相对简单循环燃机大等特点。在国际标准大气条件下，WR-21的输出功率可达25.2 MW，而最大功率时的油耗仅仅为184 g/kW时，是当今世界效率最高的舰用燃气轮机。WR-21动力涡轮转速和MT-30一样都是3600 rpm，可直接带交流发电机发出60 Hz交流电。作为综合电力系统的原动机时，WR-21平坦的耗油率相比简单循环燃气轮机更具优势。

图2 WR-21燃气轮机工作示意图

英国45型驱逐舰原本打算采用柴-电-燃动力装置，但综合电力系统出色的性能使得英国军方修改了设计，45驱逐舰的电力推进系统电站由2套20 MW的WR-21发电机组和2套2.2 MW的Wartsila 12V200柴油发电机组组成，足以满足45型驱逐舰的电力需求。

1.2 国内现状

目前，国内尚未有装备燃气轮机发电机组的舰船。但这并不代表相关的研究没有展开，我国有多款具有自主知识产权的航空发动机，在开展航空改为舰用燃气轮机研究的同时，也在积极探索和研究相关的燃气轮机发电机组。

2 舰载燃气轮机发电机组的优缺点分析

2.1 优点分析

1）功率密度大可节省舰船空间、重量，并满足高能武器装备需求

功率密度大的直接好处就是可以在保持相同功率的情况下，相比柴油发电机组或蒸汽轮机发电机组等低功率密度装置节省更多的船舱空间以及船载质量，这些空间和质量可以用来装载其他武器装备或燃油以提高战斗力或续航力。拿MT-30燃气轮机来说，单台燃机的地脚尺寸为8.6 m×2.7 m，重32 T，是同等功率中低速柴油机质量的十分之一还不到。

未来的高能、大功率武器装备正成为未来舰载武器的发展方向。例如电磁弹射装置、大功率雷达，以及电磁炮、微波武器、激光炮等高能武器也是未来舰载武器装备的发展方向。这些高能、大功率武器装备的共同特点就是在短时间要使用大量的电能。就拿可使舰船探测性能得到跨越式提升的大功率雷达来说，可对来袭的超视距巡航导弹进行探测、跟踪和识别的大功率雷达的功率需求在4-6 MW之间，能在高干扰环境中对多个战区弹道导弹进行探测、跟踪和识别的大功率雷达的功率需求在16-20 MW之间。若战时在保持舰船高机动的情况下长期使用这些武器装备，必须要有强大的电站供应大量稳定的电能。目前舰用电站只有燃气轮机发电机组能够满足如此之大的持续功率需求。

2）有效降低舰船全寿命周期费用

燃气轮机发电机组结构紧凑，且现代燃气轮机多采用模块化设计，拆装和更换部件十分简单。现代燃气轮机的大修周期也大大提升，LM2500的大修周期约为8000 h，而MT-30的大修周期大幅上升到 36000 h，并且相比于一些柴油机需要割舱的“大手术”式的修理，燃气轮机可以从排气管道直接吊出修理，大大降低了修理费用，并缩短了维修时间。

3）提高舰船隐身性能

燃气轮机由于是高速旋转机械，并无往复振动机构，其振动噪音相比柴油机和蒸汽轮机来说要小很多。振动噪音的大幅降低可大大提高舰船隐身性能。

4）提高舰船机动性

由于燃气轮机的启动速度快、加速性能优秀，燃气轮机发电机组可以快速提供大量电能给电力推进系统，提高舰船的机动性。相比于蒸汽轮机或大功率柴油机动辄 30 min到 1 h的冷启动时间，一般的舰用燃机在 10 min内就可完成冷启动，在100 s内就能加速到额定工况。这点在45型驱逐舰上就得到了很好的体现，在 2007年 7月和 8月的两次试航时，45型驱逐舰能在 70 s加速到29 kn，并在随后2 min内达到31.5 kn。

2.2 缺点分析

燃气轮机发电机组的主要缺点是部分工况时的效率偏低，尤其是简单循环燃气轮机，在低负荷时的效率只有高负荷时效率的一半左右，这时的油耗就相对较高。解决这种问题的有效途径一是像 DDG-1000驱逐舰的综合电力系统布置一样，配备功率大小不同的燃气轮机发电机组，在保证燃气轮机高效率运转的同时，满足全船负荷对电力的需求；二是配备复杂循环高效率燃气轮机，例如WR-21，可以保证全工况的效率都较高。不过随着燃气轮机技术的发展，简单循环燃气轮机的效率也在不断攀升，在低负荷时的效率也有了显著改善，相信未来会有更好的油耗表现。

3 综合电力系统对燃气轮机发电机组的要求分析

不同于一般的陆用燃气轮机发电机组直接并到大电网上相对被动的发电模式，舰载燃气轮机发电机组由于是综合电力系统的主要供电机组，对其控制系统和燃气轮机的调速性能要求都较高。由于目前应用于舰上的燃气轮机发电机组均为交流发电机组，以下主要讨论交流发电机组的特性要求。

3.1 供电品质

在采用综合电力系统的舰船上，对燃气轮机发电机组的一个关键需求是要满足严格的供电品质（QPS）的要求，该供电品质要求是用与标定的频率相比的最大频率误差和溢出该频率（限制）范围的时间来定义的。要达到这种要求，需要燃气轮机和发电机共同配合。

3.1.1 燃气轮机特性

燃气轮机在保持发电机输出转速的情况下，动力涡轮的转速被限制在很窄的范围。要实现这种特性要求，首先要求设计出优秀的转速控制系统，能够在负载发生剧烈变化的同时迅速做出响应和控制，使得电网频率的波动和稳定时间符合要求；其次燃气轮机动力涡轮的转动惯量不可太大，太大的惯性会使燃气轮机调速性能下降，稳定时间会相对较长。一个极端的情况就是当满功率运行时负载全部丧失，控制器必须做出快速的响应以保证动力涡轮的转速尽快稳定，在这个过程中还要确保核心机的稳定。

3.1.2 发电机特性

任何接入电力系统的同步发电机的最明显的特征是它具有保持同步的能力。这是因为，转速的瞬时扰动会引起交流发电机电动势与系统电压之间相位关系的变化，从而在其绕组中出现电流，产生与瞬态初始值相反的扭矩。事实上，交流发电机电动势和系统电压之间的角位移决定了输入或输出发电机的有功能流。因为能流与这个角位移的正弦值有关，因此，交流发电机电动势和系统电压之间的相角被称为负载角。发电机在瞬态负载出现暂态变化时仍然可以保持稳定，就是因为当发电机负载变化时，负载角也会随之变换，引起发电机转速变化，从而重新进行发电机能流匹配。这种影响会促使交流发电机的与电力系统的相位锁定，或电力系统同步。然而，稳定裕度很重要，因为很清楚，交流发电机不可能在 90°负载角稳定运行。再有，正弦曲线超过 90°，负载的增加会导致有功功率传输能力下降，这与要求正好相反。因此，设计的主要问题就是如何设计出一台好的交流发电机，使它能在 90°以下的负载角工作，还要有足够的暂态稳定裕度。建造大发电机的问题是，在总容量相同的情况下，大功率发电机比几台较小的发电机的刚性要差。这是因为发电机的电容量与其物理线性尺寸不是简单的线性关系，把发电机的电容量翻一番其转动惯量未必翻一番，因此，在相同的单位暂态扰动下，大容量的发电机比小容量的发电机的失衡波动要大。所以由几台大容量发电机组成的电力系统比由许多小容量发电机组成的电力系统的固有稳定性要低，因此需要留有较大的稳定裕度。

3.2 系统的自我保护特性

对于燃气轮机来说，在极限工况下系统需要具有自我保护功能，主要体现在防止压气机的喘振、涡轮前温度过高以及各轴转速过高，解决压气机喘振的方法主要是通过打开压气机放气阀门进行放气，但这需要控制系统的准确预判和及时处理；防止涡轮前温度过高的方法主要靠燃气轮机控制系统提前降低燃油流量来实现，需要监测系统和控制系统的良好配合来实现；解决各轴系超转速的方法同超温解决方案。

对于电力系统来说，系统的自我保护问题十分复杂，特别是当发电机组并联运行时并不能认为是各部件的简单相加，但是要防止过载引起的电子器件损坏对于现代的电力电子保护设备来说并不是一件难事。

4 结论与启示

未来海军舰船对电力需求的激增促使综合电力系统逐渐成为未来海军舰船动力的主流，燃气轮机发电机组所具备的优势也决定了其必将成为电力推进系统中的重要一员。

我国应从世界海军动力发展趋势中得到启示，大力开展综合电力系统的试验研究，为满足不同吨位和类型舰船的需求，应当同步展开多档功率的燃气轮机的研制，并研制相匹配的发电机和推进电机，为我国未来海军舰船动力提供有力的支撑。

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