李徐嘉，劉云生

（海軍裝備研究院，北京 100161）

0 引言

海軍艦船推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展正處于關(guān)鍵階段。由于海軍艦船對(duì)功率的需求越來越大，一些新技術(shù)能更好地滿足未來軍艦的需求。艦船電力推進(jìn)技術(shù)問世于二十世紀(jì)初，但直到最近二十年才取得重大技術(shù)突破。電力推進(jìn)系統(tǒng)的電能不但用于推進(jìn)，還可用于其它負(fù)載，例如大功率和高能武器、電磁彈射系統(tǒng)、通信、微機(jī)、雷達(dá)、聲納和日常生活負(fù)載。燃?xì)廨啓C(jī)具有功率密度大、機(jī)動(dòng)性好、可靠性高、振動(dòng)?。o往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)）、排放低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于使用電力推進(jìn)并且功率需求較大的艦船，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組是非常合適的選擇之一。

1 國內(nèi)外軍用艦載燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)展使用現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

國外有多型使用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的海軍艦船，先期主要以提供日用負(fù)載用電為主。例如美國海軍的DDG-51型驅(qū)逐艦和英國皇家海軍的42型驅(qū)逐艦就使用了小于5 MW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)日常負(fù)載。而目前裝備燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組作為綜合電力系統(tǒng)主動(dòng)力的艦船只有三型，它們是美國海軍的DDG-1000型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、英國皇家海軍的伊麗莎白女王號(hào)航空母艦和 45型驅(qū)逐艦，其上使用的燃?xì)廨啓C(jī)有三款，均為英國羅?羅公司的產(chǎn)品，型號(hào)分別為 MT-30、WR-21和RR4500。下面主要介紹上述三型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。

1.1.1 MT-30和RR4500燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組

MT-30燃?xì)廨啓C(jī)是基于英國羅?羅公司非常成功的 Trent三軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)而開發(fā)的 40 MW級(jí)艦用燃?xì)廨啓C(jī)，MT-30燃?xì)廨啓C(jī)是一款簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，其額定功率為 36 MW，效率40%。并且在國際標(biāo)準(zhǔn)大氣條件（15℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下可輸出最大40 MW的功率。MT-30的動(dòng)力渦輪額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為3600 rpm，因此其所帶交流發(fā)電機(jī)可直接發(fā)出60 Hz頻率的交流電。美國海軍的DDG-1000導(dǎo)彈驅(qū)逐艦和英國皇家海軍的伊麗莎白女王號(hào)航空母艦的電力推進(jìn)系統(tǒng)中均配備了MT-30燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，兩艘艦由于功率需求不同，具體的系統(tǒng)組成方案略有不同。圖1所示為伊麗莎白女王號(hào)航空母艦的綜合電力系統(tǒng)示意圖，其額外配備了4套10 MW級(jí)的柴油發(fā)電機(jī)組和1套應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組發(fā)出11 kV的高壓電輸給主配電板。推進(jìn)方面，該艦為雙軸推進(jìn)，每根軸上由2臺(tái)20 MW的先進(jìn)感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)串聯(lián)共同推進(jìn)，推進(jìn)電機(jī)由變頻器控制，其用電由主配電板直接供電。其他電能由變壓器從主配電板轉(zhuǎn)換為440 V后供日用負(fù)載和其他裝備使用。從圖中還可看出2臺(tái)MT-30燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和 4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的布置情況，它們分別位于上層艙室和下層艙室，這種布局提升了整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的生存能力。

圖1 伊麗莎白女王號(hào)航空母艦電力推進(jìn)系統(tǒng)圖示

DDG-1000驅(qū)逐艦原本要使用WR-21作為原動(dòng)機(jī)，但由于功率不符合要求等因素，最后選用了MT-30型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。其電力推進(jìn)系統(tǒng)電站組成為兩套功率為34.6 MW的MT-30發(fā)電機(jī)組和兩套4.5 MW的RR4500發(fā)電機(jī)組組成。RR4500是羅?羅公司專為軍艦電力需求設(shè)計(jì)的燃?xì)廨啓C(jī)，其基本上是 Allison501（用于 DDG51的船用發(fā)電裝置）的技術(shù)升級(jí)版,功率4.5 MW，效率32.2%。它采用了單軸和超高壓比的先進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.1.2 WR-21燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組

WR-21燃?xì)廨啓C(jī)是羅?羅公司聯(lián)合多家公司開發(fā)的一款中冷回?zé)幔↖CR）循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，所謂中冷是指在燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)之間添加中間冷卻器，以降低高壓壓氣機(jī)的耗功而提升整機(jī)功率，回?zé)嶂冈谌紵疫M(jìn)口處安裝氣-氣換熱器，利用排出的高溫燃?xì)饧訜徇M(jìn)入燃燒室的空氣以提高整機(jī)循環(huán)效率（見圖 2所示）。WR-21具有全功率范圍內(nèi)熱效率都較高、功率相對(duì)簡單循環(huán)燃機(jī)大等特點(diǎn)。在國際標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，WR-21的輸出功率可達(dá)25.2 MW，而最大功率時(shí)的油耗僅僅為184 g/kW時(shí)，是當(dāng)今世界效率最高的艦用燃?xì)廨啓C(jī)。WR-21動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速和MT-30一樣都是3600 rpm，可直接帶交流發(fā)電機(jī)發(fā)出60 Hz交流電。作為綜合電力系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)時(shí)，WR-21平坦的耗油率相比簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)更具優(yōu)勢。

圖2 WR-21燃?xì)廨啓C(jī)工作示意圖

英國45型驅(qū)逐艦原本打算采用柴-電-燃動(dòng)力裝置，但綜合電力系統(tǒng)出色的性能使得英國軍方修改了設(shè)計(jì)，45驅(qū)逐艦的電力推進(jìn)系統(tǒng)電站由2套20 MW的WR-21發(fā)電機(jī)組和2套2.2 MW的Wartsila 12V200柴油發(fā)電機(jī)組組成，足以滿足45型驅(qū)逐艦的電力需求。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)尚未有裝備燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的艦船。但這并不代表相關(guān)的研究沒有展開，我國有多款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在開展航空改為艦用燃?xì)廨啓C(jī)研究的同時(shí)，也在積極探索和研究相關(guān)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。

2 艦載燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 優(yōu)點(diǎn)分析

1）功率密度大可節(jié)省艦船空間、重量，并滿足高能武器裝備需求

功率密度大的直接好處就是可以在保持相同功率的情況下，相比柴油發(fā)電機(jī)組或蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組等低功率密度裝置節(jié)省更多的船艙空間以及船載質(zhì)量，這些空間和質(zhì)量可以用來裝載其他武器裝備或燃油以提高戰(zhàn)斗力或續(xù)航力。拿MT-30燃?xì)廨啓C(jī)來說，單臺(tái)燃機(jī)的地腳尺寸為8.6 m×2.7 m，重32 T，是同等功率中低速柴油機(jī)質(zhì)量的十分之一還不到。

未來的高能、大功率武器裝備正成為未來艦載武器的發(fā)展方向。例如電磁彈射裝置、大功率雷達(dá)，以及電磁炮、微波武器、激光炮等高能武器也是未來艦載武器裝備的發(fā)展方向。這些高能、大功率武器裝備的共同特點(diǎn)就是在短時(shí)間要使用大量的電能。就拿可使艦船探測性能得到跨越式提升的大功率雷達(dá)來說，可對(duì)來襲的超視距巡航導(dǎo)彈進(jìn)行探測、跟蹤和識(shí)別的大功率雷達(dá)的功率需求在4-6 MW之間，能在高干擾環(huán)境中對(duì)多個(gè)戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈進(jìn)行探測、跟蹤和識(shí)別的大功率雷達(dá)的功率需求在16-20 MW之間。若戰(zhàn)時(shí)在保持艦船高機(jī)動(dòng)的情況下長期使用這些武器裝備，必須要有強(qiáng)大的電站供應(yīng)大量穩(wěn)定的電能。目前艦用電站只有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組能夠滿足如此之大的持續(xù)功率需求。

2）有效降低艦船全壽命周期費(fèi)用

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，且現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)多采用模塊化設(shè)計(jì)，拆裝和更換部件十分簡單。現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的大修周期也大大提升，LM2500的大修周期約為8000 h，而MT-30的大修周期大幅上升到 36000 h，并且相比于一些柴油機(jī)需要割艙的“大手術(shù)”式的修理，燃?xì)廨啓C(jī)可以從排氣管道直接吊出修理，大大降低了修理費(fèi)用，并縮短了維修時(shí)間。

3）提高艦船隱身性能

燃?xì)廨啓C(jī)由于是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，并無往復(fù)振動(dòng)機(jī)構(gòu)，其振動(dòng)噪音相比柴油機(jī)和蒸汽輪機(jī)來說要小很多。振動(dòng)噪音的大幅降低可大大提高艦船隱身性能。

4）提高艦船機(jī)動(dòng)性

由于燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)速度快、加速性能優(yōu)秀，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組可以快速提供大量電能給電力推進(jìn)系統(tǒng)，提高艦船的機(jī)動(dòng)性。相比于蒸汽輪機(jī)或大功率柴油機(jī)動(dòng)輒 30 min到 1 h的冷啟動(dòng)時(shí)間，一般的艦用燃機(jī)在 10 min內(nèi)就可完成冷啟動(dòng)，在100 s內(nèi)就能加速到額定工況。這點(diǎn)在45型驅(qū)逐艦上就得到了很好的體現(xiàn)，在 2007年 7月和 8月的兩次試航時(shí)，45型驅(qū)逐艦?zāi)茉?70 s加速到29 kn，并在隨后2 min內(nèi)達(dá)到31.5 kn。

2.2 缺點(diǎn)分析

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的主要缺點(diǎn)是部分工況時(shí)的效率偏低，尤其是簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，在低負(fù)荷時(shí)的效率只有高負(fù)荷時(shí)效率的一半左右，這時(shí)的油耗就相對(duì)較高。解決這種問題的有效途徑一是像 DDG-1000驅(qū)逐艦的綜合電力系統(tǒng)布置一樣，配備功率大小不同的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，在保證燃?xì)廨啓C(jī)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，滿足全船負(fù)荷對(duì)電力的需求；二是配備復(fù)雜循環(huán)高效率燃?xì)廨啓C(jī)，例如WR-21，可以保證全工況的效率都較高。不過隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的效率也在不斷攀升，在低負(fù)荷時(shí)的效率也有了顯著改善，相信未來會(huì)有更好的油耗表現(xiàn)。

3 綜合電力系統(tǒng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的要求分析

不同于一般的陸用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組直接并到大電網(wǎng)上相對(duì)被動(dòng)的發(fā)電模式，艦載燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組由于是綜合電力系統(tǒng)的主要供電機(jī)組，對(duì)其控制系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)的調(diào)速性能要求都較高。由于目前應(yīng)用于艦上的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組均為交流發(fā)電機(jī)組，以下主要討論交流發(fā)電機(jī)組的特性要求。

3.1 供電品質(zhì)

在采用綜合電力系統(tǒng)的艦船上，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的一個(gè)關(guān)鍵需求是要滿足嚴(yán)格的供電品質(zhì)（QPS）的要求，該供電品質(zhì)要求是用與標(biāo)定的頻率相比的最大頻率誤差和溢出該頻率（限制）范圍的時(shí)間來定義的。要達(dá)到這種要求，需要燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)共同配合。

3.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)特性

燃?xì)廨啓C(jī)在保持發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的情況下，動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速被限制在很窄的范圍。要實(shí)現(xiàn)這種特性要求，首先要求設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，能夠在負(fù)載發(fā)生劇烈變化的同時(shí)迅速做出響應(yīng)和控制，使得電網(wǎng)頻率的波動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)間符合要求；其次燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不可太大，太大的慣性會(huì)使燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速性能下降，穩(wěn)定時(shí)間會(huì)相對(duì)較長。一個(gè)極端的情況就是當(dāng)滿功率運(yùn)行時(shí)負(fù)載全部喪失，控制器必須做出快速的響應(yīng)以保證動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速盡快穩(wěn)定，在這個(gè)過程中還要確保核心機(jī)的穩(wěn)定。

3.1.2 發(fā)電機(jī)特性

任何接入電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)的最明顯的特征是它具有保持同步的能力。這是因?yàn)?，轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)擾動(dòng)會(huì)引起交流發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢與系統(tǒng)電壓之間相位關(guān)系的變化，從而在其繞組中出現(xiàn)電流，產(chǎn)生與瞬態(tài)初始值相反的扭矩。事實(shí)上，交流發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢和系統(tǒng)電壓之間的角位移決定了輸入或輸出發(fā)電機(jī)的有功能流。因?yàn)槟芰髋c這個(gè)角位移的正弦值有關(guān)，因此，交流發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢和系統(tǒng)電壓之間的相角被稱為負(fù)載角。發(fā)電機(jī)在瞬態(tài)負(fù)載出現(xiàn)暫態(tài)變化時(shí)仍然可以保持穩(wěn)定，就是因?yàn)楫?dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)，負(fù)載角也會(huì)隨之變換，引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，從而重新進(jìn)行發(fā)電機(jī)能流匹配。這種影響會(huì)促使交流發(fā)電機(jī)的與電力系統(tǒng)的相位鎖定，或電力系統(tǒng)同步。然而，穩(wěn)定裕度很重要，因?yàn)楹芮宄?，交流發(fā)電機(jī)不可能在 90°負(fù)載角穩(wěn)定運(yùn)行。再有，正弦曲線超過 90°，負(fù)載的增加會(huì)導(dǎo)致有功功率傳輸能力下降，這與要求正好相反。因此，設(shè)計(jì)的主要問題就是如何設(shè)計(jì)出一臺(tái)好的交流發(fā)電機(jī)，使它能在 90°以下的負(fù)載角工作，還要有足夠的暫態(tài)穩(wěn)定裕度。建造大發(fā)電機(jī)的問題是，在總?cè)萘肯嗤那闆r下，大功率發(fā)電機(jī)比幾臺(tái)較小的發(fā)電機(jī)的剛性要差。這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的電容量與其物理線性尺寸不是簡單的線性關(guān)系，把發(fā)電機(jī)的電容量翻一番其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量未必翻一番，因此，在相同的單位暫態(tài)擾動(dòng)下，大容量的發(fā)電機(jī)比小容量的發(fā)電機(jī)的失衡波動(dòng)要大。所以由幾臺(tái)大容量發(fā)電機(jī)組成的電力系統(tǒng)比由許多小容量發(fā)電機(jī)組成的電力系統(tǒng)的固有穩(wěn)定性要低，因此需要留有較大的穩(wěn)定裕度。

3.2 系統(tǒng)的自我保護(hù)特性

對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)來說，在極限工況下系統(tǒng)需要具有自我保護(hù)功能，主要體現(xiàn)在防止壓氣機(jī)的喘振、渦輪前溫度過高以及各軸轉(zhuǎn)速過高，解決壓氣機(jī)喘振的方法主要是通過打開壓氣機(jī)放氣閥門進(jìn)行放氣，但這需要控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確預(yù)判和及時(shí)處理；防止渦輪前溫度過高的方法主要靠燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)提前降低燃油流量來實(shí)現(xiàn)，需要監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的良好配合來實(shí)現(xiàn)；解決各軸系超轉(zhuǎn)速的方法同超溫解決方案。

對(duì)于電力系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的自我保護(hù)問題十分復(fù)雜，特別是當(dāng)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)并不能認(rèn)為是各部件的簡單相加，但是要防止過載引起的電子器件損壞對(duì)于現(xiàn)代的電力電子保護(hù)設(shè)備來說并不是一件難事。

4 結(jié)論與啟示

未來海軍艦船對(duì)電力需求的激增促使綜合電力系統(tǒng)逐漸成為未來海軍艦船動(dòng)力的主流，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組所具備的優(yōu)勢也決定了其必將成為電力推進(jìn)系統(tǒng)中的重要一員。

我國應(yīng)從世界海軍動(dòng)力發(fā)展趨勢中得到啟示，大力開展綜合電力系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，為滿足不同噸位和類型艦船的需求，應(yīng)當(dāng)同步展開多檔功率的燃?xì)廨啓C(jī)的研制，并研制相匹配的發(fā)電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)，為我國未來海軍艦船動(dòng)力提供有力的支撐。

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