[科普中国]-间冷回热燃气轮机

简介

将间冷循环和回热循环结合在一起就构成了间冷回热燃气轮机。间冷回热燃气轮机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。

采用间冷回热燃气轮机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。

工作过程进口空气经低压压气机压缩后(压缩比约为总压缩比的30%) ，通过中冷器进入高压压气机。中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。同时,由于中冷器的使用，高压压气机的出口温度也相应降低，这样，增加了回热器两侧空气和燃气的温度差，回热器回热效率因此也得到提高。

从高压压气机出来的压缩空气先通过回热器，吸收动力涡轮排气中的热量，这样可相应的减少为达到某一涡轮前进口温度而需要在燃烧室加入的热量，降低燃油消耗率，这一效果在部分工况时特别显著。

发展历程早在1946 年，Rolls2Royce 公司就与英国海军签订了生产舰用中冷回热燃气轮机RM60 的合同，并与次年开始研制，要求机器在整个功率范围内有低的耗油率(尤其是部分负荷) 。RM60 设计功率4400kW ，寿命1000h ，燃气初温827 ℃，增压比18 ，这在当初都是比较高的。1954 年在“灰鹅”号炮艇上进行航行试验。试验结果表明RM60 虽然达到了良好的部分负荷性能，却使发动机的购置成本大大提高，且体积庞大，换热器方面也存在问题，像燃气侧烟灰沉积使回热器效率下降，中冷器凝出的水滴对压气机叶片产生侵蚀等等。另一方面，由于简单循环燃气轮机在结构和布置的紧凑性方面有显著的优点，加之当时人们对巡航- 加速相结合方案的强烈兴趣， ICR 技术未能获得进一步的发展 。

从那以后，舰用燃气轮机均采用简单循环，第二代燃气轮机也发展起来，其工作参数(燃气初温，增压比) 及各项性能指标比第一代均有很大提高。然而，继续提高燃气轮机的工作参数遇到了更大的困难，且无论工作参数多高，其低负荷时燃耗率的恶化趋势也不会发生本质的变化，这是简单循环难以克服的缺点。因此，从八十年代开始，美国转向了对中冷回热循环燃气轮机的研究，此时，由于燃气轮机和热交换器方面的技术进展，使中冷回热循环在达到最高的循环效率、优良的变工况性能的同时仍能使装置结构紧凑，特别适于舰用。

1985 年10 月美国海军同时与美国GE 和英国Rolls2Royce 公司(联合Allison、Garrett 公司) 签订了两个研制中冷回热燃气轮机的合同。同时，德国的MTU 公司慕尼黑分部也在论证研制ICR 燃气轮机。1991 年12 月，美国海军将WR21 中冷回热燃气轮机机组的设计和发展合同授与Westinghouse Electric Coporation 船舶分部(以此分部为主体，后来组建了Northrop Grumman 船用系统公司，成为新的总承包商) ，分承包商主要有Rollse2Royce 公司工业与船用燃气轮机分部(负责燃气轮机) ，AlliedSignal 公司航空系统和设备集团(负责回热器和中间冷却器) 和CAE 电子公司(负责控制设备) 。1994 年1995 年，英国和法国分别加入该合同，分担一部分开发经费。2000 年2 月，WR21 的开发和前期试验完成，进行3000 小时耐久试验和其他一系列为实际服役准备的性能试验，2002 年底基本完成。2000 年11 月，英国海军定购六台WR21 机组，为其最新的Type45 型驱逐舰配套，作为其电力推进系统的原动力装置,这是WR21 的第一份订单。

WR21 的低油耗、出色的部分工况特性以及其模块化设计和高可靠性，引起了各国海军的极大关注，除了美、英、法三国，荷兰LCF“迪泽文”级导弹护卫舰已经装备了WR21 ，意大利、韩国、日本也在考虑引进。WR21 已经成为新一代舰用燃气轮机的代表。

设计要求中间冷却器中冷器的使用可以明显提高燃气轮机的比功率，同时对部分工况时的效率改善也有帮助。设计中冷器时要注意限制空气压降，研究表明，如果空气压降过大，压力损失以及由此带来的气体温度升高会极大的抵消中冷器的中冷效果。此外，还要考虑其结构和布置，应尽量和母型机配合，降低流通损失、减小尺寸。需要注意的是，如果只单独使用中冷器，发动机热效率将会降低，因为中冷器从循环中带走了热量，只有和回热器一起使用，才能在提高比功的同时又提高循环效率。

回热器简单循环燃气轮机中燃烧产生的热能中有近70%随排气而损失，用回热器回收废气中热能使循环具有更好的热效率。燃气轮机回热器不像中冷器那样需要严格限定压降的范围，保持较高的回热效率是其主要设计目标。燃气轮机回热器属于气- 气热交换器，气体的换热系数比较小，为达到一定的换热效率，回热器的体积有可能变得很庞大。因此，回热器的选型是一个重要问题，管壳式回热器的尺寸大，旋转式回热器的密封性差，仅适于低压应用场合。一次表面式回热器的尺寸虽比板翅式回热器更小，但还是建议采用板翅式，主要是由于板翅式回热器的强度、耐久性更好和易于建造大尺寸的回热器。

优点间冷回热循环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。1