【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

舰船燃气轮机采用间冷回热技术是发展方向之一。采用 ICR 技术的燃气轮机不仅可改善舰船的战技性能， 而且可大大减少舰船的年燃油消耗量。ICR循环不仅在设计工况下热效率高， 而且在低工况下热效率也很高，从根本上克服了普通循环燃气轮机在低工况下热效率低的缺点， 为在军民用舰船上采用全燃动力装置创造了条件。

经研究， 某型航空发动机具备形成完整的舰船燃气轮机型谱的条件。因此发展大功率、高效率舰船燃气轮机可充分利用该型发动机成熟的核心机部件，经研究论证， 保持该型发动机核心机不变的燃气轮机改进方案更适合选择间冷循环， 效果明显。

输出功率与间冷器温降之间的关系如图 3 所示。从图中可见， 如果间冷器温降达到 100 K， 则燃气轮机输出功率在简单循环的基础上增加约为 20%。即

图 3 燃气轮机输出功率与间冷器温降之间的关系

若要满足间冷燃气轮机输出功率为 40000 kW 的需求， 需要将某简单循环燃气轮机通过提高压比和空气流量的方法， 首先使输出功率达到 30000 kW 左右。采用上述技术途径，在继承了某型系列发动机核心机技术的基础上， 采用某中档功率燃气轮机的低压涡轮，重新设计与间冷器匹配的高性能低压压气机，对某中档功率燃气轮机的动力涡轮进行改进设计， 这样可以缩短研制周期、 减少风险， 最大限度地满足舰船对动力装置不断增长的要求。对进行航改的大功率、高效率间冷燃气轮机进行了方案论证， 确定在 1.0工况下间冷燃气轮机的性能， 并与国外先进同档功率燃气轮机进行了对比， 见表 3。

表 3 间冷燃气轮机与世界同档功率先进燃气轮机技术参数比较 (ISO 状态下， 不考虑进排气损失)

通过初步计算可知， 该间冷燃气轮机在提高燃油经济性的同时， 大大改善了在低工况下的油耗特性。

3 航改间冷燃气轮机研制的可行性

某型发动机严格按照规定试验， 对其结构可靠性和寿命进行了充分考核。 间冷燃气轮机继承了该型发动机的核心机结构，其他多数部件的设计也继承了该型发动机的技术和经验， 这样使间冷燃气轮机的设计研制可靠性提高、 风险降低。

与简单循环燃气轮机相比， 间冷燃气轮机只是在低压压气机和高压压气机之间增加了 1 个由低压压气机出口扩压器、 间冷器和高压进气蜗壳组成的间冷系统。间冷器设计思路为，在结构上充分借鉴 WR-21燃气轮机的设计方法， 采用 2 次间冷的方式。国内对该技术具有一定的研究基础， 并已对间冷燃气轮机的间冷器进行了详细研究， 通过比较不同换热器的性能和设计结果，认定板翅式换热器是 1 种传热效率高、结构紧凑、 轻巧牢固、 适应性强和经济性好的换热器，可以用作间冷燃气轮机的间冷设备。

总之， 该间冷燃气轮机从总体到部件和系统各层次的技术方案继承性较好， 所涉及的各关键技术已经有较坚实的预研基础和可行的解决措施，大功率、高效率间冷燃气轮机的研制方案是可行的。

4 结束语

本文分析了国内外战舰所采用的大功率、高效率燃气轮机的主要性能指标，探讨了发展航改大功率、高效率舰船燃气轮机的技术途径， 表明利用某型航空发动机的资源优势，在简单循环基础上采用先进的间冷 (IC) 技术是 1 条有效途径， 通过对航改大功率、高效率间冷燃气轮机方案进行研究， 证实了该间冷燃气轮机不但能大幅提高功率等级和效率， 而且能极大改善在低工况下的性能， 克服简单循环燃气轮机在低工况下效率低的固有缺陷。

该间冷燃气轮机功率大、 热效率高， 除用于大型商船、 军用舰船、旅游船、 高速渡船和大型货船外， 还可用于工业发电、 管道输送等领域。

(作者：杨立山1，郑培英2，聂海刚2，朱敏2：1. 海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳110043;2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015)