罗尔斯·罗伊斯公司和维克斯公司海军和商用舰船业务的融合将产生协力效应,进而给两家公司带来可观的效益。例如,快速喷气技术可以应用于海军和商用船只,而且其位于全球各地的30家船舶服务中心可以为海军和商用船只提供服务。目前海军市场有96%的船只使用的是柴油发电机,仅有4%使用的是燃气涡轮发动机。
在商用领域,有98%的船只使用的是柴油发电机。罗尔斯·罗伊斯公司预计在未来10年内燃气轮机业务的市场份额将会有7%~8%的增长,而在收购了卡梅瓦公司和乌斯坦公司之后,维克斯公司又为罗尔斯·罗伊斯公司获取更多的市场份额提供了良好的保障。
舰用遄达30燃气轮机
舰用遄达30(MT30)是第一台依据罗尔斯·罗伊斯公司生产的遄达航空发动机制造的舰用发动机。然而,罗尔斯·罗伊斯公司将为航空领域开发的技术应用于航海领域的做法已有多年的历史。斯贝、奥林帕斯和苔茵系列发动机都是沿用了这样的做法。
在开发舰用遄达30的过程中,罗尔斯·罗伊斯公司制定了生产满足商用船舶市场需求的舰用燃气轮机的目标,最大程度地使舰用燃气轮机与经过验证的遄达800航空发动机拥有相同的零部件,而且充分引用研制遄达工业燃气轮机期间所获得的经验。最终开发出来了一套应用于发电机驱动或推进器机械传动的完整设备,使用范围包括游轮、快速商用船只,以及液化天然气(LNG)运输船的推进器。此外,设计还满足了海军的要求。
在制定新型燃气轮机的设计参数时,重点放在了有效性、可靠性和维修性这3个方面,与柴油发动机相比燃气轮机在大修间隔和故障频率方面具有很大的优势。舰用遄达30燃气轮机比市场上的25兆瓦以下的燃气轮机具有一定的竞争优势,而且新技术的引入使其热效率与高速柴油发动机相同。
舰用遄达30的核心是采用了最新设计技术、材料和生产技术的燃气发生器部分。主要由去除了风扇的航空发动机核心机构成。由单级低压涡轮驱动的8级变几何轴流低压压气机向由4级压气机和1级高压涡轮组成的高压转子提供空气。在高压压气机和高压涡轮之间是环形燃烧室。低压和高压转子反向转动,使得温度和压力都比航空发动机起飞时要低很多,从而延长了使用寿命。
燃气发生器部分产生的高温气体为4级动力涡轮提供动力。驱动燃气发生器的轴转速为3600转/分。机械传动动力涡轮的额定转速被设定为3500转/分,因为这样可以获得最低的燃油消耗率。由于在恶劣的海面情况下,一旦空气进入喷射单元,负载将会在瞬间发生巨大的变化,因此喷水器驱动属于一项要求十分苛刻的运行。为了确保舰用遄达30在其使用寿命内能够在严酷的工作条件下运行,还将罗尔斯·罗伊斯公司船舶业务板块中的其他部门所积累的经验应用到了舰用遄达30中。
2002年6月,一座设施齐全的试车台即将在罗尔斯·罗伊斯公司的布里斯托尔分部建成。两台试验发动机中的首台发动机将在夏季进入测试阶段。在第一台发动机被分解进行详细检验的同时,第二台发动机将开始进行船舶定型认证运行,挪威船级社(Det Norske Vertas)作为该次船只定级机构。
罗尔斯·罗伊斯公司与船主就以新型发动机为动力的船舶项目进行了沟通,并决定于2004年一季度提供批产发动机。在完成了原型机的试验工作之后,这个试车台将用于批产发动机的验收试验。该试车台配有一台发生器和负载数据库,能够运行各种负荷曲线。该试车台的整个布局是可调整的,而且还有一个优点就是在测试正式发动机时,可以将其与用户的发生器连接在一起进行测试,这样就能够在交付之前对整个系统进行测试。同时还可以使用用户建议的燃油,从而进一步确保发动机的性能。
舰用遄达将以整套提供,装在一个配有自动探测火灾及灭火装置的隔音罩的底座上,其中还装有辅机及进气、排气扩散器。整套设备的干重约为26吨,长9.1米,宽3.8米,高4.0米。如果需要更换燃气发生器,交换单元可以空运方式运达。
这一整套系统中的一个关键部分是集成控制和监控系统,被装在一个独立的机柜内。该系统还有一套独立的电源,即使整船停电也不会影响燃气轮机系统的安全运行。同时还提供了任选发动机和健康情况监测系统。这套系统的主要部分可以使用船厂的起重设备进行安装,而控制面板、启动器和滑油组件等可以装在轮机舱内适当的位置。
250台航空用遄达发动机在服役期间所积累的经验,使得该发动机获得了极佳的可靠性。舰用遄达燃气轮机大约有80%的零件与航空遄达发动机的相同。在大多数情况下,两者的区别只是为了适应海洋环境而施加了额外的防护性涂层。这为舰用原动机机械或电气传动效率增加和成本节约奠定了良好的基础。
工业遄达燃气轮机
运营仅销售以可可粉和牛奶为原料制品的跨国公司会给公司的高管层造成一些突如其来且引人注目的问题。雀巢公司(Nestlé)在“为非洲婴儿提供奶粉”的丑闻曝光后,悟出了这个道理。对于像罗尔斯·罗伊斯公司这种更多依赖研发,始终处于尖端技术领域的燃气涡轮发动机公司而言,风险也是十分巨大的。
2000年夏天,罗尔斯·罗伊斯公司董事长拉尔夫·罗宾斯宣布罗尔斯·罗伊斯公司将从账面上勾销不少于1亿3000万英镑的款项,以便将这笔经费用于罗尔斯·罗伊斯公司工业用遄达燃气轮机的技术支持、担保、库存、项目完成和升级工作。问题出在哪里呢?
20世纪90年代初,处于世界领先地位的罗尔斯·罗伊斯公司遄达航空发动机的工业型燃气轮机的所有研发工作起步顺利。1989年,罗尔斯·罗伊斯公司收购北方工程工业公司后,在利益的驱使下开始探寻所有能够将燃气轮机作为动力的领域。虽然在20世纪60—70年代间,罗尔斯·罗伊斯公司通过库珀罗尔斯公司(Cooper Rolls)利用奥林帕斯发动机提供过成套动力装置(其中许多装置现在依然运行),但却将业务限制在石油和天然气领域。由于现在具备了北方工程工业公司的附加生产能力和成功的罗尔斯·罗伊斯公司遄达航空发动机,于是罗尔斯·罗伊斯公司决定对遄达进行改装,生产一种可用于工业发电或能够为公共事业部门在峰值负载时间发电的大型燃气轮机。
其实这种大型燃气轮机的研发工作早在为皇家海军和美国海军生产WR21发动机时就已经开始了,然而当时的安斯特(Ansty)工厂不具备同时进行WR21和工业用遄达燃气轮机的研发能力。因此,罗尔斯·罗伊斯公司于1992年在其位于蒙特利尔的工厂组建了罗尔斯·罗伊斯燃气轮机公司(Rolls Royce Gas Turbine Engines),以便在安斯特完成工业用遄达的可行性研究后,可继续进行工业用遄达的研发工作。
罗尔斯·罗伊斯公司意识到北美洲是工业用遄达最大的市场,于是与西屋公司缔结了联盟。1993年5月,两家公司签订了涉及技术转让、联合开发燃气轮机技术、燃气轮机市场开发和联合循环发电厂的15年协议。长久以来通过许可证的方式进行技术转让已成为发电设备制造业的一个主要组成部分。例如,西屋公司早期的蒸汽轮机便是基于查尔斯·帕森斯的设计而制造的(参见三部曲第二部),而且还与日本三菱公司、意大利菲亚特阿维奥公司签订了一系列协议。西屋公司意识到应该引进航空发动机技术,也就是与通用电气公司、普拉特·惠特尼公司或者罗尔斯·罗伊斯公司进行合作。西屋公司最终选择了罗尔斯·罗伊斯公司。
从罗尔斯·罗伊斯公司的角度出发,与西屋公司合作不仅能够有权使用西屋公司现有的重型燃气轮机和联合循环发电技术(燃气轮机/蒸汽发生器/蒸汽轮机的组合日趋流行),还可以占有西屋公司在北美洲这个非常重要市场的市场份额。对此,罗尔斯·罗伊斯工业动力集团(Rolls Royce Industrial Power Group)总经理理查德·莫兹利这样讲道:到2006年,我们将拥有功率为50兆瓦的工业用途的遄达,加上现
有的功率为28兆瓦的工业用RB211,我们希望这两种发动机都能在北美洲市场上取得良好的业绩(自从1974年RB211下线以来,到20世纪90年代初期,世界上已经有近乎250个地区在使用工业用途的RB211发动机)。
新组建的团队很快就接到了田纳西河谷当局(Tennessee Valley Authority)下发的订单,要求由西屋公司生产两台置换用发生器,并由罗尔斯·罗伊斯公司生产4台汽轮机转子,由西屋公司负责设备的安装和售后工作。
然而,这也只能算是改进而已。必须要迎接研发新型工业用途遄达的真正挑战,但直到1996年才进行了工作准备情况回顾,很明显该项研发工作根本就未能按计划进行。
罗尔斯·罗伊斯公司工程和技术部门的现任主管迈克·豪斯认为,开发工业用途遄达发动机具有很强的技术挑战。航空型遄达发动机的氮氧化物排放量约为300ppm[2],而工业用途发动机的氮氧化物排放量约为25ppm。为此,他这样讲道:
问题是我们没有将在这方面具有经验的人员集中在一起。他们并未注意到有个尚未解决的难题摆在他们面前,他们甚至没有意识到该问题的存在。而且他们固执地想使用不同于航空发动机的方法进行设计,当他们开始意识到存在的问题和由这类问题所造成的影响时,他们并没有想到需要得到航空发动机部门的帮助。
为了满足世界上多数地区25ppm氮氧化物排放量的规定,必须使燃气和空气充分混合,从而避免成分变化,并防止温度升得过高。加拿大的工程师制造了一台能够符合氮氧化物排放量要求的发动机,不幸的是这台发动机的振动非常剧烈,在运转过程中会将发动机振为碎片。
在开发过程中,总共签署了供应10台设备的8份合同。1998年5月第一台将在加拿大的惠特白镇(Whitby)投入使用。其余的设备将分别于1998年10月,在英国的锡尔桑兹(Seal Sands)和德比;年2月,在英国的哈特兰德(Heartlands);年9月,在英国的埃克塞特(Exeter);年12月,在英国的布里斯托尔投入使用。同时还向丹麦的SK电力公司(SK Power)和加拿大的TCE贝尔湾公司(TCE Bear Creek)售出了设备,并于2002年正式投入使用。
噪声水平的问题已经得以解决,但是该设备却未能符合允许的氮氧化物排放标准,而罗尔斯·罗伊斯公司负责为工厂提供支持,直到对必要的零件进行改进为止。
到2001年,罗尔斯·罗伊斯公司开发了一种新的预混合工艺,削弱了燃烧压力波动对预混合管的反作用,从而解决了噪声问题。这套新的系统还采用了能够提供极佳混合物的湍流混合方法,从而使氮氧化物排放量降到了极低的水平。试验证明,氮氧化物排放量仅为个位数(即小于10ppm),而且事实上没有燃烧噪声。然而使燃烧室被烧坏的混合管道内的自燃问题仍未得到解决。2002年年初,人们几乎已经找到了解决这个问题的方法,有望生产出令人满意的产品。
正如我们所知,延误造成了很大的损失。不仅需要分摊账面勾销的1亿3000万英镑,而且还要面对订单流失问题。尽管如此,从目前来看前景依然是光明的。与竞争对手相比,遄达发动机具有很强的技术优势,这点毋容置疑。遄达发动机的功率输出要比通用电气公司的基本型LM6000高16%。除此之外,LM6000的功率输出已接近于极限,但遄达发动机的功率和效率仍有提高的余地。在实际运行过程中,遄达发动机的起动时间在其同类发动机中属最优,而遄达发动机与其竞争对手相比也具有更大的质量流量。在费用方面,遄达发动机的安装成本(每千瓦花费美元数)与LM6000相当,而且以英里每千瓦时计的维修费用也具有竞争力。
罗尔斯·罗伊斯公司的目标是用遄达发动机抢占35~75兆瓦的市场,然而通用电气公司却在此领域占有霸主地位。对于通用电气公司而言,2000年无疑是一个丰年,通用电气公司接到了260台订单,其中大约有160台是功率为43~48兆瓦的LM6000工业用燃气轮机订单,还有大约60台是42兆瓦的Frame6B燃气轮机订单。普拉特·惠特尼公司接到了20台订单,西门子公司接到了3台订单,阿尔斯通公司接到了11台订单。罗尔斯·罗伊斯公司希望在未来的20年内,燃气轮机市场仍可保持每年100~150台的需求量,同时还希望在材料方面获得一定的市场份额。按每个项目的售价为1500万~2000万英镑计算,营业额和利润的潜力将十分可观。
注 释
[1].阿根廷称之为马尔维纳斯群岛。
[2].ppm——百万分之一。