WR-21燃气轮机是由英国罗尔斯·罗伊斯公司、诺斯罗普·格鲁曼公司及DCN合作研发的产品，此外，阿尔斯通公司为其提供其他动力和推进系统部件，其中包括电气推进电机。这款燃气轮机的技术基础来源于劳斯莱斯汽车有限公司公司的成功型号RB211，是首款集成增压中间冷却器和回流换热器（ICR）的燃气轮机。回流换热器能够有效利用废气中的残留热量，提升燃烧效率，从而降低燃料消耗。
研发背景
Rolls-Royce公司（以下简称罗·罗公司）的主营业务涵盖民用航空燃气轮机、军用航空燃气轮机、船用燃气轮机与船用设备、电站和油/气四用燃气轮机以及特种业务等领域。1999年，罗·罗公司收购了知名的Vickers公司，成立了罗·罗公司船用部，显著提升了公司在船用市场的服务能力。目前，罗·罗公司船用部在全球范围内提供舰船和推进系统设计服务，供应发动机（燃气轮机、柴油机）、推进设备（轴承、定距/调距/导管螺旋桨、吊舱式推进器、喷水推进器与反应堆装置）和甲板机械（锚机、舵和舵机、减摇装置）等产品和服务。
发展历程
2016年6月，英国防务部门高级官员公开表示，由于45型驱逐舰的发动机无法适应波斯湾的高温水域，因此这些军舰在中东地区可能会出现故障。他们告知议会下院国防委员会，这些驱逐舰搭载的劳斯莱斯汽车有限公司WR-21燃气涡轮发动机在极端气候条件下无法正常运作，并且将配备柴油发电机作为备用。罗尔斯罗伊斯公司的高层管理人员指出，45型驱逐舰上安装的发动机是按照特定规格生产的，但这些规格并不适用于中东地区的实际情况。最初，国防部将这些发动机的问题描述为“临时性问题”，然而这一问题早在2010年就首次出现在“果敢”号驱逐舰上，当时该舰在中大西洋海域丧失动力后被迫前往加拿大维修。2012年，果敢级驱逐舰驱逐舰再次因发动机故障而需要维修。
技术特点
WR-21燃气轮机是一款中冷-回热式复杂循环船用燃气轮机，由Northrop Grumman公司、罗·罗公司、Allied Signal和CEA组成的国际工业集团研制而成。该燃气轮机是根据美国海军合同并在英国、法国的资金支持下，经过超过8年的研发和约4.8亿美元的投资而开发的新一代机型。罗·罗公司将WR-21誉为“世界上最先进的船用燃气轮机”。
工作原理
WR-21燃气轮机的工作原理基于中冷-回热循环，相较于简单的循环船用燃气轮机，它增加了中间冷却器和回热器。研究表明，中高压比的中间冷却-回热循环燃气轮机具有提高压力比、热效率和输出功率的优势。WR-21的成功研制归功于其三个独特特性：
中间冷却器
位于低压压气机和高压压气机之间的中间冷却器，通过对进入高压压气机的空气进行冷却，减少了高压压气机所需功率，提高了高压轴的效率，并增加了约25%的发动机输出功率。
回热器
回热器将排气余热回收利用，对进入燃烧室的燃气进行预热，显著降低了燃油消耗率。实际运行显示，尺寸相同的高压透平进口处的燃气温度若相同，采用回热器的WR-21燃气轮机的燃油消耗率明显低于常规的船用燃气轮机。
可变几何导叶
第一级高压透平采用可变几何导叶（VAN）叶轮，随着负荷的减少，通过透平的质量流量减少，可变几何导叶逐渐关闭，保持了恒定的透平入口处燃气温度，从而提高了部分负荷工况时回热器的效率，最终在整个运行范围内提高了发动机的效率，尤其是在低负荷时取得了显著的效果。实船运行表明，WR-21的回热器加可变几何导叶的节油效果可达30~40%。
性能优势
WR-21燃气轮机在ISO标准条件（15℃，无损失）下的输出功率达到25.2兆瓦，能够满足护卫舰、驱逐舰和轻型航空母舰以及大型高速民船的动力需求。WR-21燃气轮机是目前效率最高的船用燃气轮机之一，拥有与柴油机相当的燃油耗油率指标。在最大功率（ISO条件下，25.2兆瓦）时，其燃油耗油率仅为184克/千瓦·小时（135克/马力·时），这一经济指标使WR-21成为迄今为止最高效的船用燃气轮机之一，甚至可以与大功率低速船用柴油机相媲美。在变负荷工况和低负荷工况时，WR-21燃气轮机的表现同样出色。在21节和17节航速（假设舰的最大航速为30节）时，与简单循环船用燃气轮机相比，WR-21可分别节约燃油27%和30%。在约11节航速的低负荷状态下，WR-21的节油效果更高达40%。对于那些需要在较低航速下航行或执行拖曳声呐工作的舰船来说，这意味着可观的节油效益。在11~25.2兆瓦（即自其44%到最大工况）的运行范围内，WR-21的燃油耗油率指标几乎相同。对于发动机直接驱动的推进方式，WR-21提供了在较宽运行范围内的运行经济性。罗·罗公司声称，这是WR-21特有的运行图谱，使其在发电机组的原动机方面特别适合于综合电力推进（IFEP或IPS）系统。
设计理念
WR-21燃气轮机兼具巡航机和加速机的特点，结合典型舰船功率效率图谱，有望替代原有的4至8兆瓦左右的巡航柴油机/燃气轮机。取消巡航发动机不仅能节省推进系统的初始投资，还能释放宝贵的舱位资源。无论是对舰船还是民用船舶而言，这都带来了巨大的好处，并有望简化机舱设备和系统，改善机舱布置，提升舰船的整体设计水平，从而增加舰的有效载荷和全面提升民用船舶的潜在收益。
控制系统
WR-21燃气轮机配备了最新的数字控制器/传感器，具备以下特点：
通信灵活性
通过双以太网通道提供WR-21与舰船之间的灵活通信。
运行监测与趋势分析
包含一套完整的运行监测与发动机趋势传感器，为工程师提供必要的数据，以便分析性能、研究趋势和制定计划维护。数字控制器的目标是在故障发生前通过预测故障来减少停机时间。在正常运行期间，该系统会自动监测数百个系统参数，其中12个参数是评估发动机安全运行的关键参数。
遥控设施
遥控设施采用虚拟机械环境（VME）架构，主机为流行的以奔腾为基础的CPU商用机。使用过程中，通过与以太网接口相连的笔记本电脑，可以实现对主机的现场操作和随机诊断。通过控制系统的遥控插头，该数字控制器适用于全船计算机环境，并可在船上任何位置进行故障诊断。作者认为，这种VME是WR-21及其周围环境监控和故障诊断能力的有力保障，也是虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）在舰船推进领域中的首次应用，值得关注。
结构设计
尽管WR-21燃气轮机拥有独特的中间冷却器、回热器及其管道、附件，但其设计布局巧妙、结构紧凑。题图反映了其紧凑的外观。特别是其独特的中间冷却器和燃烧室设计。中间冷却器由10个扇形体的铜-镍鳍片板式空气/淡水（淡水和乙二醇1:1混合物）热交换器组成。通过紧凑的设计和良好的气流组织，这10个扇形体沿燃气发生器转子外缘的360度环形空间呈环形布置。燃烧室由9个径向流动式火焰筒燃烧器组成，它们在高压压气机外缘的360度空间内呈放射状布置。这两个设计有效地缩短了ICR组件的轴向尺寸。WR-21的长度、宽度与LM2500模块完全相同，最大高度仅比LM2500模块高出1.74米。可以说，为了获得回热带来的巨大收益，这些付出是值得的。通过适当的整体设计，即使是排水量在3000吨以上的护卫舰，也能解决其布置问题。通常情况下，民用船舶不会遇到无法布置的问题。
排放标准
罗·罗公司宣称，在WR-21燃气轮机上采用了其领先的清洁燃烧技术。WR-21在保持卓越性能的同时，还满足了当前和预期的NOx和CO排放标准。
参考资料
转 WR 21燃气轮机.豆丁网.2024-08-21
WR21燃气轮机在日本展现其产品能力.新浪财经.2024-08-21
间冷回热循环舰船燃气轮机WR21的技术特点.豆丁网.2024-08-21