【深度】航改大功率、 高效率舰船燃气轮机的技术发展途径探讨

2 航改大功率、高效率舰船燃气轮机研制的技术途径

2.1 开发简单循环航改舰船燃气轮机

GE、 RR 和 PW 3 大航空发动机公司均开展了“联合先进燃气轮机计划” ， 对航空涡扇发动机进行大功率燃气轮机工业和船用改装。PW 公司将 PW4000发动机改型为 FT4000 燃气轮机，单台功率为 47MW，效率为 42%; RR 公司将 Trent 800 发动机改型为 MT30 燃气轮机， 功率为 36 MW， 热效率为 40%。截至 2007 年初，已经交付 MT30 燃气轮机 32 台份(工业发电、 机械驱动和船用) 。在船用方面， 美国海军DDG-1000 Zumwalt 级驱逐舰和西班牙高速货船使用了 MT30 燃气轮机; GE 公司在 CF6-80C2 航空发动机的基础上派生的大功率燃气轮机 LM6000, 其基本负荷为 43000～50000 kW， 热效率可达 42% 以上。截至 2007 年初， LM6000 燃气轮机 (如图 1 所示) 共生产了 770 台份，在海军和民用大船方面均有用户。

图 1 LM6000 大功率、 高效率燃气轮机系列发展

中国航空工业集团公司研制了不同用途的多种航空发动机， 具备了一定的核心机技术储备。 因此，充分利用这些技术储备， 相对快速、 经济地发展新型发动机成为 1 条有效的技术途径。

通过提高燃气轮机的压比和流量可以提高燃气轮机的功率和热效率。LM6000 燃气轮机的压气机的全压比已经增加了近 20 个百分点，从最初的 PA 模型的 27.8颐1 增加到到 PG/PH 模型的 33.0颐1; 质量流量已经上升了约 10 个百分点，从 125.6 kg/s 到 137.4kg/s; 转速从 3600 r/min 增大到 3930 r/min。

在保持已有核心机不变的前提下发展的燃气轮机的功率范围是有限的。要继续提高燃气轮机的功率和热效率， 需要对核心机进行优化、 加级或去级以及放大或缩小等改进措施。 其中核心机优化设计是指通过对核心机改进以提高 3 大部件的效率， 而通常在实际使用中， 这些措施会综合应用。 在研究发展大功率、高效率的燃气轮机过程中， 就进行了部件效率均按较高效率设计的计算、 核心机加级、 核心机前面加级、 后面去级、 核心机相似放大和缩小的计算分析， 但研究结果不能满足要求。

2.2 开发复杂循环航改舰船燃气轮机

目前美国、 英国和德国都在研制间冷 (IC) 和间冷回热 (ICR) 发动机， 在经过概念研究之后，已进入产品开发阶段， 已研制的 IC、 ICR 燃气轮机包括：

(1) LMS100 间冷 (IC) 燃气轮机。该燃气轮机在充分运用现代航空发动机技术的基础上，采用了间冷循环 (IC) 技术， 输出功率为 100 MW， 热效率高达 46%。

(2) SMIC-ICR 舰船燃气轮机。该燃气轮机由英国 RR 公司研制， 以效率为 37%、最大功率为 18020kW 的舰船 SPEY SMIC 燃气轮机为基础， 最大功率提高了 20%， 达到 21991 kW， 热效率提高到 41.43%。

(3) LM1600-ICR 燃气轮机。该燃气轮机由美国GE 公司研制。

(4) WR-21 ICR 舰船燃气轮机 (如图 2 所示) 。该燃气轮机由美国海军招标， 英国 RR 和美国西屋公司联合研制， 以 RR 公司的 RB211 发动机为基础。其研制目标是作为未来海军水面舰艇的下一代主推进发动机， 将比现用燃气轮机燃油消耗量降低 27%，设计输出功率为 19704 kW， 效率为 42%， 最大输出功率可达 21624 kW， 油耗率为 202.58 g/ (kW˙ h) 。

图 2 WR-21 间冷回热燃气轮机