間冷回熱燃氣輪機

間冷回熱燃氣輪機是在簡單循環的基礎上，增加壓縮空氣中間冷卻器和排氣回熱器組成的複雜循環燃氣輪機，由於加入了中間冷卻和回熱過程，使得其效率較簡單循環燃氣輪機得到提升。

基本介紹

• 中文名：間冷回熱燃氣輪機
• 外文名：Intercooled Recuperated Gas Turbine

簡介

將間冷循環和回熱循環結合在一起就構成了間冷回熱燃氣輪機。間冷回熱燃氣輪機是在簡單循環的基礎上，在高、低壓氣機之間增加1個間冷器，在排氣出口增加1個回熱器。採用間冷器，降低了空氣進入高壓壓氣機時的溫度，高壓壓氣機的壓縮耗功因此減少，整個機組的比功率得到提高；高壓壓氣機的出口溫度也相應降低，這樣，回熱器兩側空氣和燃氣的溫度差增大，回熱器效率也得到提高。

採用間冷回熱燃氣輪機不僅能夠較大幅度提高燃氣輪機在額定工況下的效率、功率等總體性能，而且使機組在大部分功率工況下的經濟性得到顯著改善。此外，採用緊湊而高效的回熱器使燃氣輪機具有較低的排氣噪聲和紅外特徵。

工作過程

進口空氣經低壓壓氣機壓縮後(壓縮比約為總壓縮比的30%) ，通過中冷器進入高壓壓氣機。中冷器降低了空氣進入高壓壓氣機時的溫度,高壓壓氣機的壓縮耗功因此減少，整個機組的比功率得到提高。同時,由於中冷器的使用，高壓壓氣機的出口溫度也相應降低，這樣，增加了回熱器兩側空氣和燃氣的溫度差，回熱器回熱效率因此也得到提高。

間冷回熱燃氣輪機工作循環

從高壓壓氣機出來的壓縮空氣先通過回熱器，吸收動力渦輪排氣中的熱量，這樣可相應的減少為達到某一渦輪前進口溫度而需要在燃燒室加入的熱量，降低燃油消耗率，這一效果在部分工況時特別顯著。

發展歷程

早在1946 年，Rolls2Royce 公司就與英國海軍簽訂了生產艦用中冷回熱燃氣輪機RM60 的契約，並與次年開始研製，要求機器在整個功率範圍內有低的耗油率(尤其是部分負荷) 。RM60 設計功率4400kW ，壽命1000h ，燃氣初溫827 ℃，增壓比18 ，這在當初都是比較高的。1954 年在“灰鵝”號炮艇上進行航行試驗。試驗結果表明RM60 雖然達到了良好的部分負荷性能，卻使發動機的購置成本大大提高，且體積龐大，換熱器方面也存在問題，像燃氣側菸灰沉積使回熱器效率下降，中冷器凝出的水滴對壓氣機葉片產生侵蝕等等。另一方面，由於簡單循環燃氣輪機在結構和布置的緊湊性方面有顯著的優點，加之當時人們對巡航- 加速相結合方案的強烈興趣， ICR 技術未能獲得進一步的發展 。

從那以後，艦用燃氣輪機均採用簡單循環，第二代燃氣輪機也發展起來，其工作參數(燃氣初溫，增壓比) 及各項性能指標比第一代均有很大提高。然而，繼續提高燃氣輪機的工作參數遇到了更大的困難，且無論工作參數多高，其低負荷時燃耗率的惡化趨勢也不會發生本質的變化，這是簡單循環難以克服的缺點。因此，從八十年代開始，美國轉向了對中冷回熱循環燃氣輪機的研究，此時，由於燃氣輪機和熱交換器方面的技術進展，使中冷回熱循環在達到最高的循環效率、優良的變工況性能的同時仍能使裝置結構緊湊，特別適於艦用。

1985 年10 月美國海軍同時與美國GE 和英國Rolls2Royce 公司(聯合Allison、Garrett 公司) 簽訂了兩個研製中冷回熱燃氣輪機的契約。同時，德國的MTU 公司慕尼黑分部也在論證研製ICR 燃氣輪機。1991 年12 月，美國海軍將WR21 中冷回熱燃氣輪機機組的設計和發展契約授與Westinghouse Electric Coporation 船舶分部(以此分部為主體，後來組建了Northrop Grumman 船用系統公司，成為新的總承包商) ，分承包商主要有Rollse2Royce 公司工業與船用燃氣輪機分部(負責燃氣輪機) ，AlliedSignal 公司航空系統和設備集團(負責回熱器和中間冷卻器) 和CAE 電子公司(負責控制設備) 。1994 年1995 年，英國和法國分別加入該契約，分擔一部分開發經費。2000 年2 月，WR21 的開發和前期試驗完成，進行3000 小時耐久試驗和其他一系列為實際服役準備的性能試驗，2002 年底基本完成。2000 年11 月，英國海軍定購六台WR21 機組，為其最新的Type45 型驅逐艦配套，作為其電力推進系統的原動力裝置,這是WR21 的第一份訂單。

WR21 的低油耗、出色的部分工況特性以及其模組化設計和高可靠性，引起了各國海軍的極大關注，除了美、英、法三國，荷蘭LCF“迪澤文”級飛彈護衛艦已經裝備了WR21 ，義大利、韓國、日本也在考慮引進。WR21 已經成為新一代艦用燃氣輪機的代表。

設計要求

中間冷卻器

中冷器的使用可以明顯提高燃氣輪機的比功率，同時對部分工況時的效率改善也有幫助。設計中冷器時要注意限制空氣壓降，研究表明，如果空氣壓降過大，壓力損失以及由此帶來的氣體溫度升高會極大的抵消中冷器的中冷效果。此外，還要考慮其結構和布置，應儘量和母型機配合，降低流通損失、減小尺寸。需要注意的是，如果只單獨使用中冷器，發動機熱效率將會降低，因為中冷器從循環中帶走了熱量，只有和回熱器一起使用，才能在提高比功的同時又提高循環效率。

回熱器

簡單循環燃氣輪機中燃燒產生的熱能中有近70%隨排氣而損失，用回熱器回收廢氣中熱能使循環具有更好的熱效率。燃氣輪機回熱器不像中冷器那樣需要嚴格限定壓降的範圍，保持較高的回熱效率是其主要設計目標。燃氣輪機回熱器屬於氣- 氣熱交換器，氣體的換熱係數比較小，為達到一定的換熱效率，回熱器的體積有可能變得很龐大。因此，回熱器的選型是一個重要問題，管殼式回熱器的尺寸大，旋轉式回熱器的密封性差，僅適於低壓套用場合。一次表面式回熱器的尺寸雖比板翅式回熱器更小，但還是建議採用板翅式，主要是由於板翅式回熱器的強度、耐久性更好和易於建造大尺寸的回熱器。

優點

間冷回熱循環燃氣輪機是在簡單循環燃氣輪機基礎上增加了壓縮空氣中間冷卻器、排氣回熱器等部件的燃氣輪機，其突出優點是在設計工況及低工況下均具有較高的熱效率，彌補了簡單循環燃氣輪機在低工況下熱效率低的缺點，從而為軍民用艦船採用全燃動力裝置創造了條件。