早在1946 年，Rolls2Royce 公司就與英國海軍簽訂了生產(chǎn)艦用中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)RM60 的合同，并與次年開始研制，要求機(jī)器在整個(gè)功率范圍內(nèi)有低的耗油率(尤其是部分負(fù)荷) 。RM60 設(shè)計(jì)功率4400kW ，壽命1000h ，燃?xì)獬鯗?27 ℃，增壓比18 ，這在當(dāng)初都是比較高的。1954 年在“灰鵝”號(hào)炮艇上進(jìn)行航行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明RM60 雖然達(dá)到了良好的部分負(fù)荷性能，卻使發(fā)動(dòng)機(jī)的購置成本大大提高，且體積龐大，換熱器方面也存在問題，像燃?xì)鈧?cè)煙灰沉積使回?zé)崞餍氏陆?，中冷器凝出的水滴?duì)壓氣機(jī)葉片產(chǎn)生侵蝕等等。另一方面，由于簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)在結(jié)構(gòu)和布置的緊湊性方面有顯著的優(yōu)點(diǎn)，加之當(dāng)時(shí)人們對(duì)巡航- 加速相結(jié)合方案的強(qiáng)烈興趣， ICR 技術(shù)未能獲得進(jìn)一步的發(fā)展 。

從那以后，艦用燃?xì)廨啓C(jī)均采用簡(jiǎn)單循環(huán)，第二代燃?xì)廨啓C(jī)也發(fā)展起來，其工作參數(shù)(燃?xì)獬鯗?，增壓? 及各項(xiàng)性能指標(biāo)比第一代均有很大提高。然而，繼續(xù)提高燃?xì)廨啓C(jī)的工作參數(shù)遇到了更大的困難，且無論工作參數(shù)多高，其低負(fù)荷時(shí)燃耗率的惡化趨勢(shì)也不會(huì)發(fā)生本質(zhì)的變化，這是簡(jiǎn)單循環(huán)難以克服的缺點(diǎn)。因此，從八十年代開始，美國轉(zhuǎn)向了對(duì)中冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的研究，此時(shí)，由于燃?xì)廨啓C(jī)和熱交換器方面的技術(shù)進(jìn)展，使中冷回?zé)嵫h(huán)在達(dá)到最高的循環(huán)效率、優(yōu)良的變工況性能的同時(shí)仍能使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，特別適于艦用。

1985 年10 月美國海軍同時(shí)與美國GE 和英國Rolls2Royce 公司(聯(lián)合Allison、Garrett 公司) 簽訂了兩個(gè)研制中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)的合同。同時(shí)，德國的MTU 公司慕尼黑分部也在論證研制ICR 燃?xì)廨啓C(jī)。1991 年12 月，美國海軍將WR21 中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)和發(fā)展合同授與Westinghouse Electric Coporation 船舶分部(以此分部為主體，后來組建了Northrop Grumman 船用系統(tǒng)公司，成為新的總承包商) ，分承包商主要有Rollse2Royce 公司工業(yè)與船用燃?xì)廨啓C(jī)分部(負(fù)責(zé)燃?xì)廨啓C(jī)) ，AlliedSignal 公司航空系統(tǒng)和設(shè)備集團(tuán)(負(fù)責(zé)回?zé)崞骱椭虚g冷卻器) 和CAE 電子公司(負(fù)責(zé)控制設(shè)備) 。1994 年1995 年，英國和法國分別加入該合同，分擔(dān)一部分開發(fā)經(jīng)費(fèi)。2000 年2 月，WR21 的開發(fā)和前期試驗(yàn)完成，進(jìn)行3000 小時(shí)耐久試驗(yàn)和其他一系列為實(shí)際服役準(zhǔn)備的性能試驗(yàn)，2002 年底基本完成。2000 年11 月，英國海軍定購六臺(tái)WR21 機(jī)組，為其最新的Type45 型驅(qū)逐艦配套，作為其電力推進(jìn)系統(tǒng)的原動(dòng)力裝置,這是WR21 的第一份訂單。

WR21 的低油耗、出色的部分工況特性以及其模塊化設(shè)計(jì)和高可靠性，引起了各國海軍的極大關(guān)注，除了美、英、法三國，荷蘭LCF“迪澤文”級(jí)導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦已經(jīng)裝備了WR21 ，意大利、韓國、日本也在考慮引進(jìn)。WR21 已經(jīng)成為新一代艦用燃?xì)廨啓C(jī)的代表。

間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)中間冷卻器

中冷器的使用可以明顯提高燃?xì)廨啓C(jī)的比功率，同時(shí)對(duì)部分工況時(shí)的效率改善也有幫助。設(shè)計(jì)中冷器時(shí)要注意限制空氣壓降，研究表明，如果空氣壓降過大，壓力損失以及由此帶來的氣體溫度升高會(huì)極大的抵消中冷器的中冷效果。此外，還要考慮其結(jié)構(gòu)和布置，應(yīng)盡量和母型機(jī)配合，降低流通損失、減小尺寸。需要注意的是，如果只單獨(dú)使用中冷器，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率將會(huì)降低，因?yàn)橹欣淦鲝难h(huán)中帶走了熱量，只有和回?zé)崞饕黄鹗褂?，才能在提高比功的同時(shí)又提高循環(huán)效率。

間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)回?zé)崞?/h3>

簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒產(chǎn)生的熱能中有近70%隨排氣而損失，用回?zé)崞骰厥諒U氣中熱能使循環(huán)具有更好的熱效率。燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞鞑幌裰欣淦髂菢有枰獓?yán)格限定壓降的范圍，保持較高的回?zé)嵝适瞧渲饕O(shè)計(jì)目標(biāo)。燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞鲗儆跉? 氣熱交換器，氣體的換熱系數(shù)比較小，為達(dá)到一定的換熱效率，回?zé)崞鞯捏w積有可能變得很龐大。因此，回?zé)崞鞯倪x型是一個(gè)重要問題，管殼式回?zé)崞鞯某叽绱?，旋轉(zhuǎn)式回?zé)崞鞯拿芊庑圆睿瑑H適于低壓應(yīng)用場(chǎng)合。一次表面式回?zé)崞鞯某叽珉m比板翅式回?zé)崞鞲?，但還是建議采用板翅式，主要是由于板翅式回?zé)崞鞯膹?qiáng)度、耐久性更好和易于建造大尺寸的回?zé)崞鳌?

將間冷循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)結(jié)合在一起就構(gòu)成了間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)。間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)是在簡(jiǎn)單循環(huán)的基礎(chǔ)上，在高、低壓氣機(jī)之間增加1個(gè)間冷器，在排氣出口增加1個(gè)回?zé)崞?。采用間冷器，降低了空氣進(jìn)入高壓壓氣機(jī)時(shí)的溫度，高壓壓氣機(jī)的壓縮耗功因此減少，整個(gè)機(jī)組的比功率得到提高；高壓壓氣機(jī)的出口溫度也相應(yīng)降低，這樣，回?zé)崞鲀蓚?cè)空氣和燃?xì)獾臏囟炔钤龃?，回?zé)崞餍室驳玫教岣摺?

采用間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)不僅能夠較大幅度提高燃?xì)廨啓C(jī)在額定工況下的效率、功率等總體性能，而且使機(jī)組在大部分功率工況下的經(jīng)濟(jì)性得到顯著改善。此外，采用緊湊而高效的回?zé)崞魇谷細(xì)廨啓C(jī)具有較低的排氣噪聲和紅外特征。

進(jìn)口空氣經(jīng)低壓壓氣機(jī)壓縮后(壓縮比約為總壓縮比的30%) ，通過中冷器進(jìn)入高壓壓氣機(jī)。中冷器降低了空氣進(jìn)入高壓壓氣機(jī)時(shí)的溫度,高壓壓氣機(jī)的壓縮耗功因此減少，整個(gè)機(jī)組的比功率得到提高。同時(shí),由于中冷器的使用，高壓壓氣機(jī)的出口溫度也相應(yīng)降低，這樣，增加了回?zé)崞鲀蓚?cè)空氣和燃?xì)獾臏囟炔?，回?zé)崞骰責(zé)嵝室虼艘驳玫教岣摺?

從高壓壓氣機(jī)出來的壓縮空氣先通過回?zé)崞鳎談?dòng)力渦輪排氣中的熱量，這樣可相應(yīng)的減少為達(dá)到某一渦輪前進(jìn)口溫度而需要在燃燒室加入的熱量，降低燃油消耗率，這一效果在部分工況時(shí)特別顯著。

間冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)是在簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上增加了壓縮空氣中間冷卻器、排氣回?zé)崞鞯炔考娜細(xì)廨啓C(jī)，其突出優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)工況及低工況下均具有較高的熱效率，彌補(bǔ)了簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)在低工況下熱效率低的缺點(diǎn)，從而為軍民用艦船采用全燃動(dòng)力裝置創(chuàng)造了條件。

從圖1可見，WR－21這種帶中間冷卻－加熱（ICR－Intercooled Recuperated Cycle）的復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)比目前普遍采用的簡(jiǎn)單循環(huán)船用燃?xì)廨啓C(jī)多了一個(gè)中間冷卻器和一個(gè)回?zé)崞鳌Ｑ芯勘砻鳎褐?、高壓比的中間冷卻－回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，具有提高壓比、提高熱效率、增加輸出功率的特點(diǎn)。WR-21研制證明：WR-21的杰出性能得益于其三項(xiàng)獨(dú)有的特點(diǎn)：

位于低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)之間的中間冷卻器，對(duì)進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的空氣進(jìn)行冷卻，減少了高壓壓氣機(jī)所需的功率，改進(jìn)高壓軸的效率并增加約25%的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。

回?zé)崞鲗⑴艢庥酂嵊枰曰厥绽?，?duì)進(jìn)入燃燒室的燃?xì)膺M(jìn)行預(yù)熱，明顯地降低了燃油消耗率。實(shí)際運(yùn)行表明：尺寸相同的高壓透平進(jìn)口處的燃?xì)鉁囟热绻嗤捎没責(zé)崞鞯腤R-21燃?xì)廨啓C(jī)的燃油消耗率明顯小于常規(guī)的船用燃?xì)廨啓C(jī)。

第一級(jí)高壓透平采用可變幾何導(dǎo)葉（VAN）葉輪，隨著負(fù)荷的減少，通過透平的質(zhì)量流量減少，可變幾何導(dǎo)葉逐漸關(guān)小，保持了恒定的透平入口處燃?xì)鉁囟?，從而提高了部分?fù)荷工況時(shí)回?zé)崞鞯男剩浣Y(jié)果是在整個(gè)運(yùn)行范圍里提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，特別是在低負(fù)荷時(shí)取得令人注目的效果。實(shí)船運(yùn)行表明：WR-21的回?zé)崞骷涌勺儙缀螌?dǎo)葉的節(jié)油效果可達(dá)30～40%。

1997年，經(jīng)全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布。

《鐵道科學(xué)技術(shù)名詞》第一版。 2100433B