WR-21燃气轮机动力缺陷

2016年6月，英国防务部门高级官员承认，45型驱逐舰会在中东发生故障，因为这些军舰的发动机无法应付波斯湾温暖的海水。他们还告诉议会下院国防委员会，这些45型驱逐舰上的罗尔斯罗伊斯WR-21燃气涡轮发动机在极端气温条件下无法运转，并且将会配备柴油发电机。

罗尔斯罗伊斯公司的高管们称，45型驱逐舰上安装的发动机是按照特定规格制造的——但是这些规格并不适合中东的情况。

国防部起初曾把这些发动机的问题称为“暂时性问题”。这些问题最早被发现是在“果敢”号驱逐舰2010年在中大西洋海面失去动力并且不得不送到加拿大修理的那一次。这艘由BAE系统公司建造的军舰在2012年又发生了发动机故障，需要再次修理。

Rolls-Royce公司（以下简称罗·罗公司）主要业务范围包括民用航空燃气轮机、军用航空燃气轮机、船用燃气轮机与船用设备、电站和油/气四用燃气轮机以及特种业务等。1999年罗·罗公司收购了著名的Vickers公司组建了罗·罗公司船用部，显著地提高了它在船用领域的业务能力，目前罗·罗公司船用部可为全球的客户提供以下的服务：舰船和推进系统设计；供应发动机（燃气轮机、柴油机）、推进设备（轴承、定距/调距/导管螺旋桨、吊舱式推进器、喷水推进器与反应堆装置）和甲板机械（锚机、舵和舵机、减摇装置）等。因而，罗·罗公司船用部业务范围覆盖全球，居领先地位。

船用燃气轮机以其功率大、结构紧凑、重量轻、效率高、便于操纵和实现自动化等突出特点，已成为当今世界包括炮艇、轻型护卫舰、护卫舰、驱逐舰、巡洋舰到轻型航母的主要推进主机和发电机组的原动机，并且已正在进入高速、大功率、先进的民用船舶市场。西方大功率船用燃气轮机市场主要由美国通用电气（General Electric-GE）公司和罗·罗公司公司所占有。目前，世界船用领域应用的是简单循环燃气轮机。由Northrop Grumman公司、罗·罗公司、Allied Signal和CEA联合组成的一个国际工业集团所研制的WR-21型船用燃气轮机是目前唯一的一型中冷－回热式复杂循环船用燃气轮机，它是根据美海军合同并得到英国、法国财务支持，迄今耗资约4.8亿美元，历时超过8年所开发的新一代机型，罗·罗公司称WR-21是目前“世界最先进的船用燃气轮机”。

从图1可见，WR－21这种带中间冷却－加热（ICR－Intercooled Recuperated Cycle）的复杂循环燃气轮机比目前普遍采用的简单循环船用燃气轮机多了一个中间冷却器和一个回热器。研究表明：中、高压比的中间冷却－回热循环燃气轮机，具有提高压比、提高热效率、增加输出功率的特点。WR-21研制证明：WR-21的杰出性能得益于其三项独有的特点：

位于低压压气机和高压压气机之间的中间冷却器，对进入高压压气机的空气进行冷却，减少了高压压气机所需的功率，改进高压轴的效率并增加约25%的发动机输出功率。

回热器将排气余热予以回收利用，对进入燃烧室的燃气进行预热，明显地降低了燃油消耗率。实际运行表明：尺寸相同的高压透平进口处的燃气温度如果相同，采用回热器的WR-21燃气轮机的燃油消耗率明显小于常规的船用燃气轮机。

第一级高压透平采用可变几何导叶（VAN）叶轮，随着负荷的减少，通过透平的质量流量减少，可变几何导叶逐渐关小，保持了恒定的透平入口处燃气温度，从而提高了部分负荷工况时回热器的效率，其结果是在整个运行范围里提高了发动机的效率，特别是在低负荷时取得令人注目的效果。实船运行表明：WR-21的回热器加可变几何导叶的节油效果可达30～40%。

由表1可见，在ISO条件（15℃，无损失）下，WR-21输出功率为25.2兆瓦，足以满足护卫舰、驱逐舰和轻型航母以及大型高速民船的功率需求。

WR-21是目前效率最高的船用燃气轮机——具有柴油机的燃油耗油率指标。

由表1可见，WR-21最大功率（ISO条件下，25.2兆瓦）时的燃油耗油率仅为184克/千瓦·小时（135克/马力·时）。从表2的比较可见，WR-21是迄今效率最高的船用燃气轮机，这样的经济指标足以与大功率低速船用柴油机相媲美。

变负荷工况和低负荷工况时的经济性

从耗油率－功率曲线（图2）可见，在部分工况时，WR-21比典型的简单循环船用燃气轮机也具有较高的推进效率。这样，在使用最为频繁的21节和17节航速（假设舰的最大航速为30节）时，与简单循环船用燃气轮机相比，WR-21可节约燃油分别为27%和30%。即使在约11节航速的低负荷时，WR-21节油竟可高达40%。对于要求在这种航速游弋或在更低航速的拖曳声呐工作状态下的运行，则意味着有可观的节油效果。

由图2还可发现，在11～25.2兆瓦（即自其44%到最大工况）运行范围里，其燃油耗油率指标近乎相同。对于发动机直接驱动的推进方式，提供了在很宽的运行范围里的运行经济性。罗·罗公司称，这是WR-21所特有的运行图谱，与简单循环燃气轮机相比，WR-21用于发电机组的原动机时，其平坦的燃油耗油率特别适合于综合电力推进（IFEP或IPS）系统。

WR-21具有巡航机与加速机的特点，结合到典型的舰船功率－效率图谱，就有望取代原来所必须的4到8兆瓦左右的巡航柴油机/燃气轮机。取消巡航发动机不仅带来推进系统的初始投资方面的节省，而且无疑将腾出宝贵的有效舱容。不论对舰只还是民用船舶，都将带来巨大的好处，无疑将对简化机舱设备和系统、改善机舱布置和舰船的总体设计带来创新的局面，从而增加舰的有效载荷和全面提升民用船舶的潜在收益。

WR-21配置了目前最新的数字控制器/传感器，它具有以下特点：

●由双以太网通道提供WR-21和舰船之间通讯灵活性。

●包括一整套运行监测与发动机趋势传感器，提供工程技术人员用以分析性能、研究趋势和按计划之维护所必须的资料。数字控制器的任务是在故障发生之前能通过预测故障来减少停机。在正常运行期间，该系统自动地监测数百个系统参数，其中12个参数是评价发动机安全运行的关键参数。

●遥控设施采用虚拟机械环境（VME）的结构，主机为目前所流行的以奔腾为基础的CPU的商用机。使用中，经一个与能用以太网接口相联的笔记本计算机能实现对主机进行机旁操纵和随机诊断。通过控制系统中的遥控插头，该数字控制器适合于全船计算机环境并且可以在船上的任何地方实施故障诊断。

笔者认为，有了这样的VME将是WR-21及其周边环境的监控和故障诊断的能力的保障，也是虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）在舰船推进领域里的第一次应用，是值得关注的。

鉴于WR-21有其独有的中间冷却器、回热器及其管系、附件，势必要比简单循环燃气轮机增加更多的空间与重量。但WR-21的设计布局巧妙、结构紧凑。题图可反映出其紧凑的外形。特别值得一提的是，它的独特的中间冷却器和燃烧室的设计。中间冷却器由10个扇形体的铜－镍鳍片的板式空气/淡水（系淡水和乙二醇1:1配比）热交换器所组成。通过紧凑的设计和气流良好的组织，将这10个扇形体呈环形布置在燃气发生器转子的外圈的360度环形空间内。燃烧室则由9个经流式火焰筒燃烧器所组成。它们在高压压气机的外圈的360度空间内呈辐射状布置。上述这二个设计有效地缩短了ICR换件的轴向尺寸。WR-21有着与LM2500模件完全相同的长度、宽度，其最大高度处仅比LM2500模件高出1.74米。应该说，为了获得回热所带来的巨大收益，这些付出是值得的。通过适当的总体设计，即使是排水量在3000吨以上的护卫舰，也是可望解决其布置问题的。一般来说，民用船舶就不会存在无法布置的局面。

进一步降低发动机的排放指标是柴油机、燃气轮机研制中必须面临的问题。罗·罗公司称在WR-21燃气轮机上已经采用了其处于领先地位的清洁燃烧技术。WR-21则在保持杰出性能的同时还满足了当前和预见的关于NOx和CO排放的标准。

中文名称

燃气轮机启动

英文名称

gas turbine start

定　　义

使燃气轮机及其驱动的发电机从准备启动状态逐步升速到准备加载状况的操作过程。

应用学科

电力（一级学科），汽轮机、燃气轮机（二级学科）