WR-21艦船用燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

孫愛軍，肖娜新，馬力

（1.海軍駐平壩地區(qū)航空軍事代表室，貴州平壩561102；2.中國人民解放軍65047部隊(duì)，沈陽110001；3.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽110043）

1 引言

WR-21艦船燃?xì)廨啓C(jī)是美國海軍、英國海軍和法國海軍合資研制的新型大功率先進(jìn)循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。由于具有耗油率低、維護(hù)費(fèi)用低、污染排放少、紅外信號(hào)少等明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用范圍廣泛且發(fā)展?jié)摿薮螅蚨湓O(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)中國開展艦船燃?xì)廨啓C(jī)的研究與研制工作具有重要的借鑒和參考作用。

2 WR-21燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

WR-21燃?xì)廨啓C(jī)是裝有間冷器和回?zé)崞鞯?種簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，如圖1所示。

其工作原理：由徑向進(jìn)氣道進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣，首先被中壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)（其壓比分配比例為30/70）壓縮，然后從中壓壓氣機(jī)流出，進(jìn)入間冷器冷卻。冷卻過程是先用閉環(huán)的淡水/乙2醇冷卻劑通過機(jī)上換熱器對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，再用淡水/海水機(jī)外間冷器對(duì)淡水/乙2醇進(jìn)行冷卻。間冷器減少了驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)所需的功，而且降低了回?zé)崞骺諝鈧?cè)的進(jìn)口溫度。進(jìn)口溫度降低允許空氣在回?zé)崞髦斜M可能多地吸收熱量。采用間冷就必然降低效率，因?yàn)橐徊糠譄崃吭谘h(huán)中直接損失了。回?zé)崞飨到y(tǒng)與間冷器系統(tǒng)聯(lián)合使用減少了壓氣機(jī)的耗功，從而減少了損失，因而，提高了燃?xì)廨啓C(jī)的效率。離開間冷器的氣體在高壓壓氣機(jī)中進(jìn)一步壓縮，然后通過2根管子流進(jìn)回?zé)崞鳌；責(zé)崞鲝奈矚庵形諢崃浚㈩A(yù)熱從壓氣機(jī)流出的氣體。把這些熱量回收到循環(huán)中，燃燒室只要有較低的溫升就可達(dá)到渦輪的目標(biāo)進(jìn)口溫度。燃?xì)饬鹘?jīng)燃?xì)獍l(fā)生器中用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的渦輪后，通過第1級(jí)可調(diào)面積導(dǎo)向器進(jìn)入動(dòng)力渦輪。可調(diào)面積導(dǎo)向器能夠通過控制動(dòng)力渦輪的流通能力使回?zé)崞髟谡麄€(gè)輸出功率范圍內(nèi)性能最優(yōu)，進(jìn)而使回?zé)崞鞅３州^高的燃?xì)鈧?cè)進(jìn)口溫度。隨著輸出功率的降低，可調(diào)面積導(dǎo)向器逐漸關(guān)閉，以使回?zé)崞骶S持較高的進(jìn)口溫度。這種方法保證了更多的熱量傳向回?zé)崞鞯目諝鈧?cè)，并因此使回?zé)崞饔休^高的效率。

由于特殊的工作循環(huán)和將獲取、使用和保障費(fèi)用的可承擔(dān)性作為首要要求，WR-21燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)具有高度繼承與積極創(chuàng)新的明顯特點(diǎn)。

2.1 高度繼承

WR-21燃?xì)廨啓C(jī)是美國、英國和法國合作，以RR公司的RB211和TRENT系列民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)衍生研制而來，具有高度的繼承性。

WR-21燃?xì)廨啓C(jī)中壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、中壓渦輪、動(dòng)力渦輪和起動(dòng)機(jī)以RB211和TRENT發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)部件為基礎(chǔ)，只是為了適用于艦船使用環(huán)境和間冷回?zé)嵫h(huán)的特殊要求進(jìn)行了一些改進(jìn)，見表1。

表1 WR-21燃?xì)廨啓C(jī)部件的繼承和改進(jìn)

WR-21燃?xì)廨啓C(jī)可維護(hù)性設(shè)計(jì)也廣泛吸取了NGMS公司、RR公司和美國海軍積累的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，在滿足低耗油率的同時(shí)，WR-21燃?xì)廨啓C(jī)也很好地滿足了可維護(hù)性和適應(yīng)性要求。

（1）可維護(hù)性工程師積極參與所有設(shè)計(jì)評(píng)審，使設(shè)計(jì)人員始終如一地把可維護(hù)性設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)工作的重要內(nèi)容，在確定方案時(shí)始終遵循“用戶已經(jīng)為維護(hù)付款”的思想；

（2）選擇成熟的、高可靠性的、經(jīng)過預(yù)平衡的單元體；

（3）設(shè)計(jì)可達(dá)性好的箱體，允許在箱體內(nèi)或箱體外對(duì)整臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)與單元體進(jìn)行整體拆卸和更換，也允許進(jìn)行原位修理；

（4）保證最大可能地采用孔探儀檢查，中壓和高壓壓氣機(jī)每級(jí)有2個(gè)位置，每級(jí)渦輪有9個(gè)位置，每級(jí)動(dòng)力渦輪有2個(gè)位置；

（5）將一些部件按原地更換進(jìn)行設(shè)計(jì)，如：9個(gè)燃燒室火焰筒、點(diǎn)火器、噴嘴、54片可調(diào)導(dǎo)向葉片、速度探針、熱電偶、引氣閥、齒輪箱附件；

（6）進(jìn)行燃?xì)饬髀吠＼嚽逑春吐?lián)機(jī)清洗；

（7）將計(jì)劃維護(hù)(預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)(PMS))減至最少；

（8）采用少量的標(biāo)準(zhǔn)的通用的保障設(shè)備進(jìn)行操作者級(jí)或船員級(jí)(美國海軍0級(jí))維護(hù)，確保采用附加的特殊工具進(jìn)行Ⅰ級(jí)維護(hù)；

（9）將垂直拆卸作為基準(zhǔn)拆卸方法，將側(cè)面拆卸作為備用方法。

2.2 積極創(chuàng)新

2.2.1 間冷器

20世紀(jì)70年代以來，科研人員對(duì)將間冷器引入燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量的研究。結(jié)果表明：引入間冷器，可以大大降低驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)所需的功輸入（提高發(fā)動(dòng)機(jī)的單位功率）；可以采用較小的核心機(jī)，或在核心機(jī)大小一定的情況下，能夠獲得較大的推力；在所有推力下，都能適當(dāng)?shù)靥岣咝阅埽蝗紵疫M(jìn)口溫度較低，易于設(shè)計(jì)熱端部件，且能夠降低NOx的排放量。為此，WR-21燃?xì)廨啓C(jī)在中壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)之間引入間冷器，以冷卻進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的空氣。

WR-21燃?xì)廨啓C(jī)的間冷器（如圖2所示）由機(jī)上間冷器組件和機(jī)外海水換熱器組件構(gòu)成，通過機(jī)上氣液換熱器從中壓壓氣機(jī)的出口空氣中提取熱量，由50/50的乙2醇/水(EG)混合物組成的傳熱液體將熱量帶到機(jī)外EG-海水換熱器中，最終由機(jī)外換熱器中的海水將這些熱量排入大海。

機(jī)上間冷器用于冷卻從中壓壓氣機(jī)排出但還未能進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的空氣。在設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮2個(gè)性能參數(shù)：（1）通過進(jìn)氣通道、換熱器和出口通道的壓降（ΔP）；（2）換熱器的效率。間冷器段的壓降（ΔP）必須盡可能地小，這是因?yàn)檫@一壓降給壓氣機(jī)增加了額外的負(fù)擔(dān)，最終將對(duì)耗油率產(chǎn)生不利的影響。換熱器的換熱能力必須盡可能地大，以在規(guī)定的最小壓降的通道和空間內(nèi)盡可能多地提取熱量。提取的熱量越多，空氣的溫度就越低，就允許更多的空氣流入高壓壓氣機(jī)。WR-21燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)上間冷器由5個(gè)平板-鰭板逆流換熱器(銅鎳核心體)、換熱器殼體、金屬軟管、進(jìn)口和出口總管以及閥門構(gòu)成。每個(gè)換熱器可以通過溢流管或進(jìn)氣裝置單獨(dú)拆卸。中壓壓氣機(jī)的排出空氣進(jìn)入間冷器段后，先沿徑向向外流動(dòng)，然后通過間冷器機(jī)匣使氣流向內(nèi)旋轉(zhuǎn)180°，以在核心體內(nèi)得到可接受的均勻的氣流。冷卻側(cè)的EG由金屬軟管與總管引導(dǎo)和分配。換熱器內(nèi)部平行的通道細(xì)分為液體通道，以分隔在傳熱器芯體入口形成的氣穴空間。這些通道也引導(dǎo)冷卻劑流動(dòng)，這樣流場(chǎng)可更均勻地分布。熱量由一些152.4mm的管子從燃?xì)廨啓C(jī)箱體中帶出，進(jìn)入機(jī)外海水換熱器單元體。熱的EG通過由燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)控制的三通閥門進(jìn)入機(jī)外海水換熱器，這樣，液體可以以3通閥門的0到最大流量流入換熱器的熱側(cè)。這個(gè)3通閥門組件使控制系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)冷卻液體的流量，以避免進(jìn)入機(jī)上間冷器組件的燃?xì)膺^冷。

機(jī)外海水換熱器單元體由水和乙2醇組成的新鮮水冷卻劑混合物（50/50）冷卻，由3通閥門組件、板式換熱器儲(chǔ)存罐、泵、馬達(dá)、空氣清洗罐、放氣閥、安裝在抗沖擊拖架上的測(cè)試儀器和隔離閥構(gòu)成。為了降低回流液體的流速并使液體曲折而長(zhǎng)時(shí)間地流動(dòng)，也為了減小機(jī)外海水換熱器單元體的總體積和滿足導(dǎo)軌的空間要求，設(shè)計(jì)了1個(gè)與空氣相通且可以排氣和配制液體的更小的儲(chǔ)存罐（直徑為0.6 m，高為1.7 m）和1個(gè)完成空氣排空的特別的清洗罐。在艦船上，還提供了1臺(tái)流量為88.3 L/s的海水泵和相關(guān)的海水系統(tǒng)部件。

在正常工作期間，新鮮水旁路閥門通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。該控制系統(tǒng)以相對(duì)濕度和中壓壓氣機(jī)出口壓力為基準(zhǔn)，從而防止中壓壓氣機(jī)出口氣流發(fā)生冷凝。在燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)上提供隔離閥門和1個(gè)758 kPa量程的安全閥門，以防止在間冷器不工作期間將新鮮的水/乙2醇混合物燒沸。在不超過規(guī)定的燃?xì)廨啓C(jī)工作極限、間冷器不工作的情況下，WR-21燃?xì)廨啓C(jī)能夠產(chǎn)生9843 kW的功率。新鮮水冷卻劑流量是56.8 L/s；如果使用雙速海水泵，在從全功率降低到大約10400 kW的情況下，海水流量是88.3 L/s；在低于10400 kW的情況下，其流量為59.9 L/s。間冷器的噴水嘴位于中壓壓氣機(jī)出口和間冷器核心體之間。

2.2.2 回?zé)崞?/p>

20世紀(jì)70年代以來，人們對(duì)將回?zé)崞饕肴細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量的研究。結(jié)果表明：引入回?zé)崞鳎梢悦黠@降低最優(yōu)總壓比，而簡(jiǎn)化了葉片機(jī)的設(shè)計(jì)，并可以使用冷卻空氣作為冷卻介質(zhì)；可以提高部分推力狀態(tài)的性能，特別是在渦輪采用可調(diào)面積導(dǎo)向器的情況下；可以大大提高總壓比有限的小發(fā)動(dòng)機(jī)的性能；在一定的推力下，可以減小渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比，和減少低壓渦輪所需的級(jí)數(shù)；可以降低低壓渦輪的噪聲。為此，WR-21燃?xì)廨啓C(jī)引入回?zé)崞鳎糜趶娜細(xì)廨啓C(jī)排氣中回收廢熱，加熱進(jìn)入燃燒室之前的高壓壓氣機(jī)排氣。

WR-21燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞饔葾lliedSignal航空航天公司負(fù)責(zé)研制。其設(shè)計(jì)要求是：壓縮空氣最大進(jìn)口溫度為550 K，排出燃?xì)庾畲筮M(jìn)口溫度為950 K，壓縮空氣最大流量為55 kg/s，排出燃?xì)庾畲罅髁繛?4 kg/s，壓縮空氣最大壓力為1482 kPa，在30%功率下的效率為93%，允許的壓縮空氣泄漏量為進(jìn)口流量的0.1%，使用壽命為100000 h，工作循環(huán)為15000個(gè)熱循環(huán)或75000個(gè)壓力循環(huán)，最大排氣壓降/進(jìn)口壓力比(燃?xì)鈧?cè)最大進(jìn)口壓力損失)為0.059，最大壓縮空氣壓降/進(jìn)口壓力比(壓縮空氣側(cè)最大進(jìn)口壓力損失)為0.051。另外，該回?zé)崞鞅仨毮馨惭b在目前艦船簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)排氣通道所占的空間內(nèi)，不影響艦船的穩(wěn)定性，滿足戰(zhàn)艦工作環(huán)境和生存性的要求（包括艦船的運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和沖擊負(fù)荷）。

WR-21燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞飨群蟀l(fā)展了預(yù)先研制（AD）型、有限工作壽命（LOU）型、熱試驗(yàn)裝置(TTU)型和工程研制（EMD）型等4型回?zé)崞鳌９こ萄兄疲‥MD）型回?zé)崞鳎ㄈ鐖D3所示）由2個(gè)并行工作的換熱器單元體構(gòu)成。該單元體的頂部由連接到回?zé)崞鳈C(jī)匣上的支持增壓室支持。壓縮空氣通過空氣進(jìn)口總管進(jìn)入該單元體的上端，并通過空氣出口總管從該單元體的下端排出。熱燃?xì)鈴膯卧w的底部進(jìn)入該單元體，并從該單元體的上端排出。每個(gè)單元體包含4個(gè)換熱器芯體，空氣進(jìn)口總管和出口總管用Ω形軟外殼連在一起。這些芯體以逆流的形式組裝在一起，構(gòu)成緊湊的銅焊的平板-鰭板式換熱器。與前幾型回?zé)崞飨啾龋こ萄兄疲‥MD）型回?zé)崞鞲倪M(jìn)如下。

（1）在側(cè)板附近采用厚度漸變的管隔板，以去除芯體端部附近的熱應(yīng)力。厚度漸變的管隔板使應(yīng)力逐步降低，從芯體端部附近相對(duì)較高的應(yīng)力降低到位于芯體中心附近的典型管隔板的相對(duì)較低的應(yīng)力。

（2）去掉壓縮空氣進(jìn)口總管和出口總管內(nèi)的管隔板與管隔板接頭，以消除其高應(yīng)力。

（3）將逆流基體的長(zhǎng)度加長(zhǎng)2.54cm，以提高回?zé)崞鞯男省?/p>

（4）將壓縮空氣出口總管環(huán)的材料由14-4不銹鋼變?yōu)镠astelloy S，以延長(zhǎng)蠕變壽命。

（5）優(yōu)化排出燃?xì)夂蛪嚎s空氣鰭板的高度，增厚排出燃?xì)饣w鰭板的厚度，以避免排出燃?xì)怫挵遄冃巍?/p>

（6）增厚側(cè)板的厚度，以避免出現(xiàn)裂紋。

（7）將每個(gè)芯體壓縮空氣通道的數(shù)量由45個(gè)增加到47個(gè)，將每個(gè)芯體燃?xì)馔ǖ赖臄?shù)量由46個(gè)增加到48個(gè)，以提高回?zé)崞鞯男省?/p>

（8）將空氣進(jìn)口總管Ω形軟外殼的材料由Inconel625改為Waspaloy，并增大Ω直徑，以延長(zhǎng)蠕變壽命和增大芯體間允許的剪切位移。

（9）用單個(gè)的支持增壓室支持芯體，并對(duì)增壓室進(jìn)行絕緣，以避免支持增壓室與芯體連接處出現(xiàn)裂紋。

（10）用浮動(dòng)的輻式結(jié)構(gòu)替代固定的系桿式結(jié)構(gòu)，以避免空氣進(jìn)口總管支持件出現(xiàn)裂紋。

（11）將排出燃?xì)饷芊饧牟牧嫌蒊nconel 625改為14-4不銹鋼，以避免密封件和芯體側(cè)板連接焊接處出現(xiàn)裂紋。

（12）改變排氣轉(zhuǎn)向鰭板的結(jié)構(gòu)，以改善通過芯體的排出燃?xì)獾牧髁糠植肌?/p>

EDM回?zé)崞鹘?jīng)過了3000 h耐久性試驗(yàn)的考驗(yàn)，并在經(jīng)過對(duì)厚度漸變的管隔板進(jìn)行優(yōu)化后滿足了使用壽命、工作循環(huán)和艦艇環(huán)境的要求。

3 結(jié)束語

由于采用了成熟的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新的間冷回?zé)嵫h(huán)，WR-21艦船用燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到了在寬廣工作范圍內(nèi)工作效率很高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、維護(hù)性好、壽命長(zhǎng)等要求，成為了在技術(shù)上有明顯優(yōu)勢(shì)且在經(jīng)濟(jì)上有很大吸引力的燃?xì)廨啓C(jī)，因而其應(yīng)用前景很好，發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

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