WR-21燃?xì)廨啓C艦船推進系統(tǒng)配置新理念

WR-21具有巡航機與加速機的特點，結(jié)合到典型的艦船功率－效率圖譜，就有望取代原來所必須的4到8兆瓦左右的巡航柴油機/燃?xì)廨啓C。取消巡航發(fā)動機不僅帶來推進系統(tǒng)的初始投資方面的節(jié)省，而且無疑將騰出寶貴的有效艙容。不論對艦只還是民用船舶，都將帶來巨大的好處，無疑將對簡化機艙設(shè)備和系統(tǒng)、改善機艙布置和艦船的總體設(shè)計帶來創(chuàng)新的局面，從而增加艦的有效載荷和全面提升民用船舶的潛在收益。

WR-21是目前效率最高的船用燃?xì)廨啓C——具有柴油機的燃油耗油率指標(biāo)。

由表1可見，WR-21最大功率（ISO條件下，25.2兆瓦）時的燃油耗油率僅為184克/千瓦·小時（135克/馬力·時）。從表2的比較可見，WR-21是迄今效率最高的船用燃?xì)廨啓C，這樣的經(jīng)濟指標(biāo)足以與大功率低速船用柴油機相媲美。

變負(fù)荷工況和低負(fù)荷工況時的經(jīng)濟性

從耗油率－功率曲線（圖2）可見，在部分工況時，WR-21比典型的簡單循環(huán)船用燃?xì)廨啓C也具有較高的推進效率。這樣，在使用最為頻繁的21節(jié)和17節(jié)航速（假設(shè)艦的最大航速為30節(jié)）時，與簡單循環(huán)船用燃?xì)廨啓C相比，WR-21可節(jié)約燃油分別為27%和30%。即使在約11節(jié)航速的低負(fù)荷時，WR-21節(jié)油竟可高達(dá)40%。對于要求在這種航速游弋或在更低航速的拖曳聲吶工作狀態(tài)下的運行，則意味著有可觀的節(jié)油效果。

由圖2還可發(fā)現(xiàn)，在11～25.2兆瓦（即自其44%到最大工況）運行范圍里，其燃油耗油率指標(biāo)近乎相同。對于發(fā)動機直接驅(qū)動的推進方式，提供了在很寬的運行范圍里的運行經(jīng)濟性。羅·羅公司稱，這是WR-21所特有的運行圖譜，與簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C相比，WR-21用于發(fā)電機組的原動機時，其平坦的燃油耗油率特別適合于綜合電力推進（IFEP或IPS）系統(tǒng)。

由表1可見，在ISO條件（15℃，無損失）下，WR-21輸出功率為25.2兆瓦，足以滿足護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦和輕型航母以及大型高速民船的功率需求。

從圖1可見，WR－21這種帶中間冷卻－加熱（ICR－Intercooled Recuperated Cycle）的復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C比目前普遍采用的簡單循環(huán)船用燃?xì)廨啓C多了一個中間冷卻器和一個回?zé)崞鳌Ｑ芯勘砻鳎褐?、高壓比的中間冷卻－回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C，具有提高壓比、提高熱效率、增加輸出功率的特點。WR-21研制證明：WR-21的杰出性能得益于其三項獨有的特點：

位于低壓壓氣機和高壓壓氣機之間的中間冷卻器，對進入高壓壓氣機的空氣進行冷卻，減少了高壓壓氣機所需的功率，改進高壓軸的效率并增加約25%的發(fā)動機輸出功率。

回?zé)崞鲗⑴艢庥酂嵊枰曰厥绽?，對進入燃燒室的燃?xì)膺M行預(yù)熱，明顯地降低了燃油消耗率。實際運行表明：尺寸相同的高壓透平進口處的燃?xì)鉁囟热绻嗤?，采用回?zé)崞鞯腤R-21燃?xì)廨啓C的燃油消耗率明顯小于常規(guī)的船用燃?xì)廨啓C。

第一級高壓透平采用可變幾何導(dǎo)葉（VAN）葉輪，隨著負(fù)荷的減少，通過透平的質(zhì)量流量減少，可變幾何導(dǎo)葉逐漸關(guān)小，保持了恒定的透平入口處燃?xì)鉁囟龋瑥亩岣吡瞬糠重?fù)荷工況時回?zé)崞鞯男?，其結(jié)果是在整個運行范圍里提高了發(fā)動機的效率，特別是在低負(fù)荷時取得令人注目的效果。實船運行表明：WR-21的回?zé)崞骷涌勺儙缀螌?dǎo)葉的節(jié)油效果可達(dá)30～40%。

船用燃?xì)廨啓C以其功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高、便于操縱和實現(xiàn)自動化等突出特點，已成為當(dāng)今世界包括炮艇、輕型護衛(wèi)艦、護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、巡洋艦到輕型航母的主要推進主機和發(fā)電機組的原動機，并且已正在進入高速、大功率、先進的民用船舶市場。西方大功率船用燃?xì)廨啓C市場主要由美國通用電氣（General Electric-GE）公司和羅·羅公司公司所占有。目前，世界船用領(lǐng)域應(yīng)用的是簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C。由Northrop Grumman公司、羅·羅公司、Allied Signal和CEA聯(lián)合組成的一個國際工業(yè)集團所研制的WR-21型船用燃?xì)廨啓C是目前唯一的一型中冷－回?zé)崾綇?fù)雜循環(huán)船用燃?xì)廨啓C，它是根據(jù)美海軍合同并得到英國、法國財務(wù)支持，迄今耗資約4.8億美元，歷時超過8年所開發(fā)的新一代機型，羅·羅公司稱WR-21是目前“世界最先進的船用燃?xì)廨啓C”。

2016年6月，英國防務(wù)部門高級官員承認(rèn)，45型驅(qū)逐艦會在中東發(fā)生故障，因為這些軍艦的發(fā)動機無法應(yīng)付波斯灣溫暖的海水。他們還告訴議會下院國防委員會，這些45型驅(qū)逐艦上的羅爾斯羅伊斯WR-21燃?xì)鉁u輪發(fā)動機在極端氣溫條件下無法運轉(zhuǎn)，并且將會配備柴油發(fā)電機。

羅爾斯羅伊斯公司的高管們稱，45型驅(qū)逐艦上安裝的發(fā)動機是按照特定規(guī)格制造的——但是這些規(guī)格并不適合中東的情況。

國防部起初曾把這些發(fā)動機的問題稱為“暫時性問題”。這些問題最早被發(fā)現(xiàn)是在“果敢”號驅(qū)逐艦2010年在中大西洋海面失去動力并且不得不送到加拿大修理的那一次。這艘由BAE系統(tǒng)公司建造的軍艦在2012年又發(fā)生了發(fā)動機故障，需要再次修理。

Rolls-Royce公司（以下簡稱羅·羅公司）主要業(yè)務(wù)范圍包括民用航空燃?xì)廨啓C、軍用航空燃?xì)廨啓C、船用燃?xì)廨啓C與船用設(shè)備、電站和油/氣四用燃?xì)廨啓C以及特種業(yè)務(wù)等。1999年羅·羅公司收購了著名的Vickers公司組建了羅·羅公司船用部，顯著地提高了它在船用領(lǐng)域的業(yè)務(wù)能力，目前羅·羅公司船用部可為全球的客戶提供以下的服務(wù)：艦船和推進系統(tǒng)設(shè)計；供應(yīng)發(fā)動機（燃?xì)廨啓C、柴油機）、推進設(shè)備（軸承、定距/調(diào)距/導(dǎo)管螺旋槳、吊艙式推進器、噴水推進器與反應(yīng)堆裝置）和甲板機械（錨機、舵和舵機、減搖裝置）等。因而，羅·羅公司船用部業(yè)務(wù)范圍覆蓋全球，居領(lǐng)先地位。

WR-21配置了目前最新的數(shù)字控制器/傳感器，它具有以下特點：

●由雙以太網(wǎng)通道提供WR-21和艦船之間通訊靈活性。

●包括一整套運行監(jiān)測與發(fā)動機趨勢傳感器，提供工程技術(shù)人員用以分析性能、研究趨勢和按計劃之維護所必須的資料。數(shù)字控制器的任務(wù)是在故障發(fā)生之前能通過預(yù)測故障來減少停機。在正常運行期間，該系統(tǒng)自動地監(jiān)測數(shù)百個系統(tǒng)參數(shù)，其中12個參數(shù)是評價發(fā)動機安全運行的關(guān)鍵參數(shù)。

●遙控設(shè)施采用虛擬機械環(huán)境（VME）的結(jié)構(gòu)，主機為目前所流行的以奔騰為基礎(chǔ)的CPU的商用機。使用中，經(jīng)一個與能用以太網(wǎng)接口相聯(lián)的筆記本計算機能實現(xiàn)對主機進行機旁操縱和隨機診斷。通過控制系統(tǒng)中的遙控插頭，該數(shù)字控制器適合于全船計算機環(huán)境并且可以在船上的任何地方實施故障診斷。

筆者認(rèn)為，有了這樣的VME將是WR-21及其周邊環(huán)境的監(jiān)控和故障診斷的能力的保障，也是虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）在艦船推進領(lǐng)域里的第一次應(yīng)用，是值得關(guān)注的。

鑒于WR-21有其獨有的中間冷卻器、回?zé)崞骷捌涔芟?、附件，勢必要比簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C增加更多的空間與重量。但WR-21的設(shè)計布局巧妙、結(jié)構(gòu)緊湊。題圖可反映出其緊湊的外形。特別值得一提的是，它的獨特的中間冷卻器和燃燒室的設(shè)計。中間冷卻器由10個扇形體的銅－鎳鰭片的板式空氣/淡水（系淡水和乙二醇1:1配比）熱交換器所組成。通過緊湊的設(shè)計和氣流良好的組織，將這10個扇形體呈環(huán)形布置在燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子的外圈的360度環(huán)形空間內(nèi)。燃燒室則由9個經(jīng)流式火焰筒燃燒器所組成。它們在高壓壓氣機的外圈的360度空間內(nèi)呈輻射狀布置。上述這二個設(shè)計有效地縮短了ICR換件的軸向尺寸。WR-21有著與LM2500模件完全相同的長度、寬度，其最大高度處僅比LM2500模件高出1.74米。應(yīng)該說，為了獲得回?zé)崴鶐淼木薮笫找?，這些付出是值得的。通過適當(dāng)?shù)目傮w設(shè)計，即使是排水量在3000噸以上的護衛(wèi)艦，也是可望解決其布置問題的。一般來說，民用船舶就不會存在無法布置的局面。

進一步降低發(fā)動機的排放指標(biāo)是柴油機、燃?xì)廨啓C研制中必須面臨的問題。羅·羅公司稱在WR-21燃?xì)廨啓C上已經(jīng)采用了其處于領(lǐng)先地位的清潔燃燒技術(shù)。WR-21則在保持杰出性能的同時還滿足了當(dāng)前和預(yù)見的關(guān)于NOx和CO排放的標(biāo)準(zhǔn)。

中文名稱

燃?xì)廨啓C啟動

英文名稱

gas turbine start

定　　義

使燃?xì)廨啓C及其驅(qū)動的發(fā)電機從準(zhǔn)備啟動狀態(tài)逐步升速到準(zhǔn)備加載狀況的操作過程。

應(yīng)用學(xué)科

電力（一級學(xué)科），汽輪機、燃?xì)廨啓C（二級學(xué)科）