间冷回热燃气轮机发展现状

2010-03-15张忠文曲文浩郑培英王媛媛

航空发动机 2010年3期

张忠文，曲文浩，郑培英，王媛媛

（1.海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳110043；2.沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

1 引言

燃气轮机广阔的应用前景激发了人们对燃气轮机循环（即布雷顿循环）理论研究的浓厚兴趣，各种先进循环得到了深入研究或推广。

间冷回热循环（ICR-Intercooling Recuperated）燃气轮机是在简单循环燃气轮机基础上增加了压缩空气中间冷却器、排气回热器等部件的燃气轮机，其突出优点是在设计工况及低工况下均具有较高的热效率，弥补了简单循环燃气轮机在低工况下热效率低的缺点，从而为军民用舰船采用全燃动力装置创造了条件。

本文综合阐述了国内外间冷回热循环燃气轮机的发展现状。

2 国外发展现状

2.1 间冷循环燃气轮机

燃气轮机间冷循环是在低压压气机与高压压气机之间安装1个间冷换热器，使从低压压气机中流出的空气的温度降低到接近环境温度，以此降低高压压气机所需功率。其系统如图1所示。

由图1中可见，从外界进入低压压气机的空气，经压缩后，其压力和温度均得到提高；进入中间冷却器，与低温介质进行热交换，使其温度降低；冷却后，再进入高压压气机进行压缩，使其压力进一步增大，温度也上升；进入燃烧室与燃料进行掺混、燃烧，形成高温高压的燃气；随后，进入涡轮膨胀作功，带动压气机及其辅助系统；燃气驱动动力涡轮，并带动负荷运转；最后，离开动力涡轮的燃气通过排气装置排入大气。

美国GE公司推出的以航空发动机技术为主导，轻、重型技术完美结合的间冷式重型燃气轮机LMS100，功率为10万kW，效率为46%，可用于50 Hz和60 Hz电站；为3支点、3转子结构，总压比为42，涡轮进口温度为1380℃。如图2所示。在1个性能先进的超级核心机基础上，选配合适的低压系统，采用先进的间冷循环设计后，在额定工况下的效率达46%以上，在低工况热效率下的效率仍能保持39%以上。

2.2 ICR燃气轮机

将间冷循环和回热循环结合在一起就构成了ICR。ICR是在简单循环的基础上，在高、低压气机之间增加1个间冷器,在排气出口增加1个回热器。采用间冷器,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;高压压气机的出口温度也相应降低，这样，回热器两侧空气和燃气的温度差增大，回热器效率也得到提高。其循环系统如图3所示。

采用ICR不仅能够较大幅度提高燃气轮机在额定工况下的效率、功率等总体性能，而且使机组在大部分功率工况下的经济性得到显著改善。此外，采用紧凑而高效的回热器使燃气轮机具有较低的排气噪声和红外特征。

美国海军投入巨资研发的WR-21间冷回热燃气轮机（如图4所示）代表了ICR燃气轮机的最先进水平。

WR-21燃气轮机的油耗曲线特别平坦，在50%～110%负荷范围内，其油耗接近中、高速柴油机的水平；在30%工况时的效率仍为41.16%，油耗为206.7 g/W·h；降低了全寿命期费用，改善了维修性和可靠性；降低了排放温度；可单独取代常规的柴/燃动力装置，有效节省了空间；采用干式低排放系统可达到美国新的排放标准；运行费用低、航程远。

目前，除WR-21燃气轮机外，已研制的其他间冷回热舰船用燃气轮机有SMIC-ICR、LM3000、SGT12等。

（1）SMIC-ICR舰船用燃气轮机。由英国RR公司研制，以效率为37%、最大功率为18MW的舰船用SPEY SMIC燃气轮机为基础，其最大功率提高20%，达到22MW；热效率提高到41.43%。

（2）LM3000舰船用燃气轮机。由美国GE公司研制，以LM1600舰船用燃气轮机为基础，研制目标是排气温度低于371℃，使每艘舰节省燃料30%，包括间冷器和回热器在内的单机质量不大于54432 kg，所占空间不超过LM2500舰船用燃气轮机的。

（3）SGT12舰船用燃气轮机。由德国MTU公司研制，设计原理和功率与LM3000燃气轮机的相同，设计的经济性将比LM2500燃气轮机加间冷回热循环的好。

3 中国发展现状及建议

中国现有舰船用燃气轮机按功率可分为大、中、小3档，大档机组功率为20000 kW左右，中档机组功率为15000 kW左右，小档机组功率为8000 kW以下。3档不同功率等级的燃气轮机通过不同的组合（包括和柴油机联合）来满足各型舰船的需求。近年来，随着舰船用燃气轮机的不断发展，大功率燃气轮机被不断研发出来，功率等级呈不断提高之势。

不同用途航空发动机的研制增加了核心机技术储备。而在保持已有核心机不变的前提下，要想继续提高燃气轮机的功率和热效率，只有选择先进的热力循环方案。

初步估算的既有间冷又有回热（WR-21）和只有间冷无回热（LMS100，如图6所示）的燃气轮机的一些冷却回热数据见表1。

表1 燃气轮机间冷回热部分参数

由表1可见，WR－21燃气轮机高压压气机和低压压气机的压比相差不大，使得间冷后的高压压气机出口温度远远低于动力涡轮的出口温度，使回热温升值较大，为进行回热循环创造了条件；LMS100燃气轮机高压压气机压比远大于低压压气机压比，使得间冷后的高压压气机出口温度与动力涡轮的出口温度相差不大，回热温升值小，没有条件进行回热循环。

经研究发现，太行航空发动机具备形成完整的舰船用燃气轮机型谱的条件。由其发展大功率、高效率舰船用燃气轮机，要充分利用母型航机成熟的核心机部件。太行发动机高、低压压比相差较大，对保持太行发动机核心机不变的燃气轮机改进方案来说，选择与LMS100燃气轮机同样的间冷循环会收到明显的效果。目前，正在进行采用间冷（IC）方案的航改舰船用燃气轮机研究，并进行了大功率、高效率间冷燃气轮机的方案论证，所确定的1.0工况下间冷燃气轮机的性能见表2。