WR-21燃氣輪機

WR-21發動機是英國羅爾斯·羅伊斯公司和諾斯羅 普·格魯門公司以及DCN共同設計製造。另外，Alstom公司提供動力和推進系統的其它元件，包括電氣推進電動機。WR-21發動機技術上基於已經取得了極大成功的羅爾斯·羅伊斯公司的RB211發動機，它是第一款在熱交換器中合併了增壓中間冷卻器和回流換熱器(ICR)的燃氣輪機。回流換熱器可以充分利用廢氣中的殘餘熱量以增加燃燒效率，有效的減低了燃料消耗。

基本介紹

• 中文名：WR-21燃氣輪機
• 簡介：功率大、結構緊湊
• 主指標要特點：輸出功率為25.2兆瓦
• 經濟：具有柴油機的燃油耗油率指標

概述

Rolls-Royce公司（以下簡稱羅·羅公司）主要業務範圍包括民用航空燃氣輪機、軍用航空燃氣輪機、船用燃氣輪機與船用設備、電站和油/氣四用燃氣輪機以及特種業務等。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域的業務能力，目前羅·羅公司船用部可為全球的客戶提供以下的服務：艦船和推進系統設計；供應發動機（燃氣輪機、柴油機）、推進設備（軸承、定距/調距/導管螺旋槳、吊艙式推進器、噴水推進器與反應堆裝置）和甲板機械（錨機、舵和舵機、減搖裝置）等。因而，羅·羅公司船用部業務範圍覆蓋全球，居領先地位。

動力缺陷

2016年6月，英國防務部門高級官員承認，45型驅逐艦會在中東發生故障，因為這些軍艦的發動機無法應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型驅逐艦上的羅爾斯羅伊斯WR-21燃氣渦輪發動機在極端氣溫條件下無法運轉，並且將會配備柴油發電機。

羅爾斯羅伊斯公司的高管們稱，45型驅逐艦上安裝的發動機是按照特定規格製造的——但是這些規格並不適合中東的情況。

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

WR－21簡介

船用燃氣輪機以其功率大、結構緊湊、重量輕、效率高、便於操縱和實現自動化等突出特點，已成為當今世界包括炮艇、輕型護衛艦、護衛艦、驅逐艦、巡洋艦到輕型航母的主要推進主機和發電機組的原動機，並且已正在進入高速、大功率、先進的民用船舶市場。西方大功率船用燃氣輪機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，世界船用領域套用的是簡單循環燃氣輪機。由Northrop Grumman公司、羅·羅公司、Allied Signal和CEA聯合組成的一個國際工業集團所研製的WR-21型船用燃氣輪機是目前唯一的一型中冷－回熱式複雜循環船用燃氣輪機，它是根據美海軍契約並得到英國、法國財務支持，迄今耗資約4.8億美元，歷時超過8年所開發的新一代機型，羅·羅公司稱WR-21是目前“世界最先進的船用燃氣輪機”。

中冷－回熱循環燃氣輪機

從圖1可見，WR－21這種帶中間冷卻－加熱（ICR－Intercooled Recuperated Cycle）的複雜循環燃氣輪機比目前普遍採用的簡單循環船用燃氣輪機多了一個中間冷卻器和一個回熱器。研究表明：中、高壓比的中間冷卻－回熱循環燃氣輪機，具有提高壓比、提高熱效率、增加輸出功率的特點。WR-21研製證明：WR-21的傑出性能得益於其三項獨有的特點：

位於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，改進高壓軸的效率並增加約25%的發動機輸出功率。

回熱器將排氣餘熱予以回收利用，對進入燃燒室的燃氣進行預熱，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氣溫度如果相同，採用回熱器的WR-21燃氣輪機的燃油消耗率明顯小於常規的船用燃氣輪機。

第一級高壓透平採用可變幾何導葉（VAN）葉輪，隨著負荷的減少，通過透平的質量流量減少，可變幾何導葉逐漸關小，保持了恆定的透平入口處燃氣溫度，從而提高了部分負荷工況時回熱器的效率，其結果是在整個運行範圍里提高了發動機的效率，特別是在低負荷時取得令人注目的效果。實船運行表明：WR-21的回熱器加可變幾何導葉的節油效果可達30～40%。

WR－21主要特點

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，足以滿足護衛艦、驅逐艦和輕型航母以及大型高速民船的功率需求。

經濟指標

WR-21是目前效率最高的船用燃氣輪機——具有柴油機的燃油耗油率指標。

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氣輪機，這樣的經濟指標足以與大功率低速船用柴油機相媲美。

變負荷工況和低負荷工況時的經濟性

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

由圖2還可發現，在11～25.2兆瓦（即自其44%到最大工況）運行範圍里，其燃油耗油率指標近乎相同。對於發動機直接驅動的推進方式，提供了在很寬的運行範圍里的運行經濟性。羅·羅公司稱，這是WR-21所特有的運行圖譜，與簡單循環燃氣輪機相比，WR-21用於發電機組的原動機時，其平坦的燃油耗油率特別適合於綜合電力推進（IFEP或IPS）系統。

艦船推進系統配置新理念

WR-21具有巡航機與加速機的特點，結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/燃氣輪機。取消巡航發動機不僅帶來推進系統的初始投資方面的節省，而且無疑將騰出寶貴的有效艙容。不論對艦隻還是民用船舶，都將帶來巨大的好處，無疑將對簡化機艙設備和系統、改善機艙布置和艦船的總體設計帶來創新的局面，從而增加艦的有效載荷和全面提升民用船舶的潛在收益。

數字控制器/感測器

WR-21配置了目前最新的數字控制器/感測器，它具有以下特點：

●由雙乙太網通道提供WR-21和艦船之間通訊靈活性。

●包括一整套運行監測與發動機趨勢感測器，提供工程技術人員用以分析性能、研究趨勢和按計畫之維護所必須的資料。數字控制器的任務是在故障發生之前能通過預測故障來減少停機。在正常運行期間，該系統自動地監測數百個系統參數，其中12個參數是評價發動機安全運行的關鍵參數。

●遙控設施採用虛擬機械環境（VME）的結構，主機為目前所流行的以奔騰為基礎的CPU的商用機。使用中，經一個與能用乙太網接口相聯的筆記本計算機能實現對主機進行機旁操縱和隨機診斷。通過控制系統中的遙控插頭，該數字控制器適合於全船計算機環境並且可以在船上的任何地方實施故障診斷。

筆者認為，有了這樣的VME將是WR-21及其周邊環境的監控和故障診斷的能力的保障，也是虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）在艦船推進領域裡的第一次套用，是值得關注的。

結構緊湊

鑒於WR-21有其獨有的中間冷卻器、回熱器及其管系、附屬檔案，勢必要比簡單循環燃氣輪機增加更多的空間與重量。但WR-21的設計布局巧妙、結構緊湊。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。通過緊湊的設計和氣流良好的組織，將這10個扇形體呈環形布置在燃氣發生器轉子的外圈的360度環形空間內。燃燒室則由9個經流式火焰筒燃燒器所組成。它們在高壓壓氣機的外圈的360度空間內呈輻射狀布置。上述這二個設計有效地縮短了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。應該說，為了獲得回熱所帶來的巨大收益，這些付出是值得的。通過適當的總體設計，即使是排水量在3000噸以上的護衛艦，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。

排放指標

進一步降低發動機的排放指標是柴油機、燃氣輪機研製中必須面臨的問題。羅·羅公司稱在WR-21燃氣輪機上已經採用了其處於領先地位的清潔燃燒技術。WR-21則在保持傑出性能的同時還滿足了當前和預見的關於NOx和CO排放的標準。