英國45型驅逐艦是首型採用綜合電力系統的大型水面主戰艦艇， 自2009年首艦服役至今， 動力系統故障頻發， 甚至出現整艦失去動力的問題。 2017年6月， 英國羅羅公司海事分部宣稱， 已經解決45型驅逐艦WR-21複雜迴圈燃氣輪機的回熱器問題， 將於今年部署時進行海試。
一、45型驅逐艦動力構成
45型驅逐艦是英國近年建造的大型驅逐艦， 以防空為主， 滿載排水量7350噸， 共建造了6艘， 首艦“果敢”號於2009年7月服役， 第六艘“鄧肯”號也在2013年9月服役。
45型驅逐艦使用綜合電力系統驅動兩根推進軸。 每艦採用兩台功率各為25MW的WR-21間冷回熱大功率燃氣輪機發電機組，
圖1 45型驅逐艦綜合電力系統結構示意圖
WR-21燃氣輪機是目前效率最高、功率最大的艦用複雜迴圈燃氣輪機， 效率高達42%， 油耗率僅為200 g/kWh。 燃氣輪機由英國羅羅公司和美國諾格公司共同研製， 1991年開始前期設計， 2002年完成合格性持久試驗。
中間冷卻器、回熱器和可調進口導葉是WR-21燃氣輪機具有高效率的關鍵。 中間冷卻器：低壓壓氣機和高壓壓氣機的壓比分配約3:7， 中間冷卻器設置在低壓和高壓壓氣機之間， 低壓低壓壓氣機的排氣在進入高壓壓氣機前被冷卻， 從而減少高壓壓氣機耗功， 提高整機效率， 約增加25%輸出功率。 英國WR-21燃氣輪機中間冷卻器是一個雙回路系統。
圖2 WR-21燃氣輪機原理圖
表1 WR-21與LM2500參數比較
由於平時艦艇一般處於巡航狀態， 對航速要求不高， 因此艦船燃氣輪機多數時間是在低功率狀態下工作。
考慮WR-21燃氣輪機優異的經濟性、隱身性， 以及本土保護政策等， 英國國防部並未採用競爭採辦的方式， 而是直接確定在45型驅逐艦中使用羅羅公司的WR-21燃氣輪機。
圖3 WR-21與LM-2500等燃氣輪機變工況下的燃油效率比較
二、動力系統事故分析
45型驅逐艦作為英國近年發展的大型驅逐艦，服役至今已經發生了6起動力系統嚴重故障，在航行或演習過程中喪失動力，需要拖船拖至基地維修。具體情況見下表。根據分析，45型驅逐艦綜合電力系統故障的主要原因包括工作溫度過高、研製試驗不足、系統設計缺陷等。
表2 英國45型驅逐艦故障情況
1、工作溫度過高是故障的直接原因
2016年6月，“龍”號驅逐艦在波斯灣海域發生動力故障。對此，羅羅公司認為，波斯灣海域溫度過高，導致WR-21燃氣輪機的實際工作環境遠比設計標準惡劣，是出現故障的直接原因。
根據WR-21燃氣輪機的設計手冊，燃氣輪機可正常工作的環境溫度範圍為-50℃～52℃、海水溫度範圍為-2℃～36℃。波斯灣海域處於熱帶地區，海水溫度約32℃，接近WR-21的臨界使用海水溫度。在特殊天氣下，海水溫度可能更高。WR-21燃氣輪機可能在設計時對部署環境考慮不足，導致在炎熱環境下易損。
這種大氣溫度和壓力變化對燃氣輪機的性能影響很大。燃氣輪機進氣溫度高時，一定體積流率下的空氣品質減少，在燃燒室中達到所需壓力的能耗增加，因此燃料效率和功率都會隨之下降。一般情況下，進氣溫度由15℃增加至40℃時，功率和效率將會降低17～22%和5～8%。同時，溫度升高導致燃氣輪機安全運行區域縮小。因此，工作在熱帶地區的燃氣輪機功率和效率均會降低，同時安全運行區域小，可能是導致WR-21燃氣輪機故障的直接原因。
2、研製階段試驗不足、設計不完善是故障的核心原因
2016年3月，英國防務大臣邁克爾·法倫在遞交下議院防務委員會信上首次較為全面地披露了45型驅逐艦動力系統故障問題。
綜合電力系統雖然早已在民船上應用，但應用45型這種水面主戰艦艇仍屬首次，對功率密度和衝擊標準提出了更高的要求。然而資料顯示，在實際研發過程中，以WR-21燃氣輪機為核心的電力系統並未進行全面、嚴格的測試。羅羅公司稱，在研發階段，WR-21燃氣輪機共進行了8000小時測試。然而，在歷經5000小時的測試後，設計人員對回熱器進行了改進，但並未對改進後的整機性能重新開展測試，而是直接採納了前5000小時的測試結果[2]，在此基礎上又進行了3000小時的整機測試。在部署過程中，45型驅逐艦中的WR-21燃氣輪機普遍在運行4000～5000小時後出現問題。此外，綜合電力系統技術測試時，雖然在各種模式下對動力子系統進行了測試，但對可靠性的測試也不足。
45型驅逐艦的動力事故並未服役後才出現。實際早在2005年，進行電力系統技術驗證時，驅逐艦上的綜合電力系統就已經暴露出可靠性和性能兩方面問題。然而2005年底，英國國防部稱綜合電力系統的性能水準已經達到了海試標準。2007年7月，45型首艦“勇敢”號開始海試，隨即暴露出一系列動力問題。在2006年2月45型首艦下水和2010年10月最後一艘45型下水之間，英國研究人員對艦艇綜合電力系統引入了約50項設計變更。
2011年，英國國防部委託協力廠商機構對45型驅逐艦動力故障問題進行調研。研究發現，45型驅逐艦動力可靠性差並非單個元件的問題，而是大量彼此無關的獨立原因綜合作用的結果。調研報告對驅逐艦動力系統提出了16項改進建議，英國國防部全數批准，並納入設計和試驗過程，改造已於2013年全部實現。英國國防部出於保密考慮，並未公佈這項調研報告的主要內容。
測試時間不足、元件和系統設計時考慮的因素不全面、風險規避方案不完善，造成系統性能和可靠性差，是導致45型驅逐艦部署後故障頻發的核心原因。
3、綜電系統設計缺陷是故障的重要原因
45型驅逐艦綜合電力系統最初的設計方案是，多數情況下，只使用一台WR-21燃氣輪機發電機組，第二台燃氣輪機發電機組只在高航速下運行。兩台2MW柴油發電機主要用於港口服務和斷電恢復。實際部署時，45型驅逐艦多使用一台WR-21燃氣輪機發電機組和一台柴油機。在燃氣輪機發電機組故障時，柴油機並沒有作為真正的後備發電機。艦艇整體發電能力嚴重不足，過度依賴可靠性並不好的WR-21燃氣輪機，這些系統設計缺陷是45型驅逐艦綜電系統故障的重要原因。
三、動力系統改進措施
為了解決45型驅逐艦綜合電力系統的各種問題，英國國防部2014年設立了納皮爾（Napier）項目，投資2.5億英鎊（3.21億美元）。納皮爾專案包含組件升級計畫（EIP）和動力升級計畫（PIP），預計在2018年初授出合同。
1、元件升級計畫（EIP）
組件升級計畫（EIP）希望對45型驅逐艦綜合電力系統中一系列獨立的元件進行升級，提高系統可靠性。主要改進內容包括WR-21燃氣輪機回熱器和中間冷卻器、變頻器、變頻器櫃、系統集成等。此外，還將更新了艦員培訓，教育和操作指導規範等。
WR-21燃氣輪機中的回熱器並不會出現突然不工作的情況，而是性能會不斷退化。退化到一定程度後，燃氣輪機只能退化為簡單迴圈燃氣輪機，體積大、品質重，油耗不降反增。目前，羅羅公司已經對回熱器進行了全面改造，涉及2000餘個元件，並在布裡斯托基地對改進後的回熱器進行了500小時試驗。裝備改進後回熱器的WR-21燃氣輪機已經在英國海岸完成了試驗，將在2017年45型驅逐艦部署時開展實際測試。為了盡可能不影響艦艇部署，羅羅公司安裝改進後的回熱器主要在艦艇正常維修週期內進行，耗時4周。
羅羅公司稱，若回熱器在實際測試中性能表現良好，還將對45型驅逐艦中剩餘11台燃氣輪機進行全面改造。理想狀態下，回熱器將能在WR-21燃氣輪機兩個大修週期內保持正常運行。
2、動力升級計畫（PIP）
動力升級計畫重點解決45型驅逐艦綜合電力系統電力配置不合理的問題，增加艦艇柴油機的發電能力。目前的一個方案是，重新切開船體，為45型驅逐艦安裝3台功率更大的柴油發電機。此外，動力升級計畫還將解決發動機在高溫環境下嚴重失效的問題。動力升級計畫的可行性研究由BAE系統和國防部聯合資助，已經在2015年3月完成。新增柴油機工作將在2020年完成，改進將主要在艦艇維修期內進行，減小對艦艇部署的影響。
增大柴油發電機功率後，45型驅逐艦將僅依靠柴油機就能達到巡航速度（覆蓋主要工況），同時滿足日用電需求。WR-21燃氣輪機將僅用於大功率推進，使用頻率較低。
由於WR-21燃氣輪機改進遠比新增柴油機耗時長，這種方案能英國國防部完成WR-21燃氣輪機改造前，滿足45型部署需求，降低對WR-21燃氣輪機的電力要求。
四、總結
45型驅逐艦出現的動力系統故障從根本情況講，是WR-21複雜迴圈燃氣輪機技術不成熟所致。英國國防部採取的新增柴油機方案，也只能在短期內解決問題。改進後，45型驅逐艦將從以燃氣輪機為主動力的綜合電力系統，轉變為柴油機為主、燃氣輪機為輔的綜合電力系統，勢必影響艦艇作戰能力。
隨著燃氣輪機增壓比不斷提高，排氣溫度與壓氣機出口溫度溫差越來越小，回熱帶來的效率提升將不再顯著。此外，回熱還會帶來系統複雜、成本增加、維護不便等問題，複雜迴圈燃氣輪機在艦艇的應用將受到質疑。目前，英國羅羅公司已經將MT-30和MT-7燃氣輪機作為重點推廣產品，鮮少有關於WR-21燃氣輪機的介紹，推測羅羅公司自身也不再看好這種結構複雜、維護困難的燃氣輪機。
（藍海星：馬曉晨）
圖3 WR-21與LM-2500等燃氣輪機變工況下的燃油效率比較
二、動力系統事故分析
45型驅逐艦作為英國近年發展的大型驅逐艦，服役至今已經發生了6起動力系統嚴重故障，在航行或演習過程中喪失動力，需要拖船拖至基地維修。具體情況見下表。根據分析，45型驅逐艦綜合電力系統故障的主要原因包括工作溫度過高、研製試驗不足、系統設計缺陷等。
表2 英國45型驅逐艦故障情況
1、工作溫度過高是故障的直接原因
2016年6月，“龍”號驅逐艦在波斯灣海域發生動力故障。對此，羅羅公司認為，波斯灣海域溫度過高，導致WR-21燃氣輪機的實際工作環境遠比設計標準惡劣，是出現故障的直接原因。
根據WR-21燃氣輪機的設計手冊，燃氣輪機可正常工作的環境溫度範圍為-50℃～52℃、海水溫度範圍為-2℃～36℃。波斯灣海域處於熱帶地區，海水溫度約32℃，接近WR-21的臨界使用海水溫度。在特殊天氣下，海水溫度可能更高。WR-21燃氣輪機可能在設計時對部署環境考慮不足，導致在炎熱環境下易損。
這種大氣溫度和壓力變化對燃氣輪機的性能影響很大。燃氣輪機進氣溫度高時，一定體積流率下的空氣品質減少，在燃燒室中達到所需壓力的能耗增加，因此燃料效率和功率都會隨之下降。一般情況下，進氣溫度由15℃增加至40℃時，功率和效率將會降低17～22%和5～8%。同時，溫度升高導致燃氣輪機安全運行區域縮小。因此，工作在熱帶地區的燃氣輪機功率和效率均會降低，同時安全運行區域小，可能是導致WR-21燃氣輪機故障的直接原因。
2、研製階段試驗不足、設計不完善是故障的核心原因
2016年3月，英國防務大臣邁克爾·法倫在遞交下議院防務委員會信上首次較為全面地披露了45型驅逐艦動力系統故障問題。
綜合電力系統雖然早已在民船上應用，但應用45型這種水面主戰艦艇仍屬首次，對功率密度和衝擊標準提出了更高的要求。然而資料顯示，在實際研發過程中，以WR-21燃氣輪機為核心的電力系統並未進行全面、嚴格的測試。羅羅公司稱，在研發階段，WR-21燃氣輪機共進行了8000小時測試。然而，在歷經5000小時的測試後，設計人員對回熱器進行了改進，但並未對改進後的整機性能重新開展測試，而是直接採納了前5000小時的測試結果[2]，在此基礎上又進行了3000小時的整機測試。在部署過程中，45型驅逐艦中的WR-21燃氣輪機普遍在運行4000～5000小時後出現問題。此外，綜合電力系統技術測試時，雖然在各種模式下對動力子系統進行了測試，但對可靠性的測試也不足。
45型驅逐艦的動力事故並未服役後才出現。實際早在2005年，進行電力系統技術驗證時，驅逐艦上的綜合電力系統就已經暴露出可靠性和性能兩方面問題。然而2005年底，英國國防部稱綜合電力系統的性能水準已經達到了海試標準。2007年7月，45型首艦“勇敢”號開始海試，隨即暴露出一系列動力問題。在2006年2月45型首艦下水和2010年10月最後一艘45型下水之間，英國研究人員對艦艇綜合電力系統引入了約50項設計變更。
2011年，英國國防部委託協力廠商機構對45型驅逐艦動力故障問題進行調研。研究發現，45型驅逐艦動力可靠性差並非單個元件的問題，而是大量彼此無關的獨立原因綜合作用的結果。調研報告對驅逐艦動力系統提出了16項改進建議，英國國防部全數批准，並納入設計和試驗過程，改造已於2013年全部實現。英國國防部出於保密考慮，並未公佈這項調研報告的主要內容。
測試時間不足、元件和系統設計時考慮的因素不全面、風險規避方案不完善，造成系統性能和可靠性差，是導致45型驅逐艦部署後故障頻發的核心原因。
3、綜電系統設計缺陷是故障的重要原因
45型驅逐艦綜合電力系統最初的設計方案是，多數情況下，只使用一台WR-21燃氣輪機發電機組，第二台燃氣輪機發電機組只在高航速下運行。兩台2MW柴油發電機主要用於港口服務和斷電恢復。實際部署時，45型驅逐艦多使用一台WR-21燃氣輪機發電機組和一台柴油機。在燃氣輪機發電機組故障時，柴油機並沒有作為真正的後備發電機。艦艇整體發電能力嚴重不足，過度依賴可靠性並不好的WR-21燃氣輪機，這些系統設計缺陷是45型驅逐艦綜電系統故障的重要原因。
三、動力系統改進措施
為了解決45型驅逐艦綜合電力系統的各種問題，英國國防部2014年設立了納皮爾（Napier）項目，投資2.5億英鎊（3.21億美元）。納皮爾專案包含組件升級計畫（EIP）和動力升級計畫（PIP），預計在2018年初授出合同。
1、元件升級計畫（EIP）
組件升級計畫（EIP）希望對45型驅逐艦綜合電力系統中一系列獨立的元件進行升級，提高系統可靠性。主要改進內容包括WR-21燃氣輪機回熱器和中間冷卻器、變頻器、變頻器櫃、系統集成等。此外，還將更新了艦員培訓，教育和操作指導規範等。
WR-21燃氣輪機中的回熱器並不會出現突然不工作的情況，而是性能會不斷退化。退化到一定程度後，燃氣輪機只能退化為簡單迴圈燃氣輪機，體積大、品質重，油耗不降反增。目前，羅羅公司已經對回熱器進行了全面改造，涉及2000餘個元件，並在布裡斯托基地對改進後的回熱器進行了500小時試驗。裝備改進後回熱器的WR-21燃氣輪機已經在英國海岸完成了試驗，將在2017年45型驅逐艦部署時開展實際測試。為了盡可能不影響艦艇部署，羅羅公司安裝改進後的回熱器主要在艦艇正常維修週期內進行，耗時4周。
羅羅公司稱，若回熱器在實際測試中性能表現良好，還將對45型驅逐艦中剩餘11台燃氣輪機進行全面改造。理想狀態下，回熱器將能在WR-21燃氣輪機兩個大修週期內保持正常運行。
2、動力升級計畫（PIP）
動力升級計畫重點解決45型驅逐艦綜合電力系統電力配置不合理的問題，增加艦艇柴油機的發電能力。目前的一個方案是，重新切開船體，為45型驅逐艦安裝3台功率更大的柴油發電機。此外，動力升級計畫還將解決發動機在高溫環境下嚴重失效的問題。動力升級計畫的可行性研究由BAE系統和國防部聯合資助，已經在2015年3月完成。新增柴油機工作將在2020年完成，改進將主要在艦艇維修期內進行，減小對艦艇部署的影響。
增大柴油發電機功率後，45型驅逐艦將僅依靠柴油機就能達到巡航速度（覆蓋主要工況），同時滿足日用電需求。WR-21燃氣輪機將僅用於大功率推進，使用頻率較低。
由於WR-21燃氣輪機改進遠比新增柴油機耗時長，這種方案能英國國防部完成WR-21燃氣輪機改造前，滿足45型部署需求，降低對WR-21燃氣輪機的電力要求。
四、總結
45型驅逐艦出現的動力系統故障從根本情況講，是WR-21複雜迴圈燃氣輪機技術不成熟所致。英國國防部採取的新增柴油機方案，也只能在短期內解決問題。改進後，45型驅逐艦將從以燃氣輪機為主動力的綜合電力系統，轉變為柴油機為主、燃氣輪機為輔的綜合電力系統，勢必影響艦艇作戰能力。
隨著燃氣輪機增壓比不斷提高，排氣溫度與壓氣機出口溫度溫差越來越小，回熱帶來的效率提升將不再顯著。此外，回熱還會帶來系統複雜、成本增加、維護不便等問題，複雜迴圈燃氣輪機在艦艇的應用將受到質疑。目前，英國羅羅公司已經將MT-30和MT-7燃氣輪機作為重點推廣產品，鮮少有關於WR-21燃氣輪機的介紹，推測羅羅公司自身也不再看好這種結構複雜、維護困難的燃氣輪機。
（藍海星：馬曉晨）