简单循环燃气轮机具有体积小、重量轻、机动性好、振动噪声小、寿命长、运行平稳、维护方便等优点；但简单循环燃气轮机经济性较差，特别是在低工况时不够好，且XNO排放量较高。化学回热循环燃气轮机（CRGT）在保有简单循环燃气轮机优点的基础上，还具有回热度不受压比限制、燃气轮机本体改动小、经济性高和环保性好等优点，特别适用于船舶推进系统。然而，化学回热器的计算模型还不成熟，对高效且结构紧凑的蒸汽发生系统的研究也不够深入。这些问题导致用于船舶推进的CRGT方案及其变工况性能研究还很欠缺。本文基于热力学原理和实验数据建立了主要部件的数学模型，采用仿真模拟方法提出了CRGT的热力设计方案、研究了各部件热力参数的匹配规律、制定了系统的运行方案和控制策略；这些工作对推进CRGT在船舶动力领域的应用具有重要的工程实用价值。　　（1）通过分析燃气轮机系统中复杂的能量和物质转换过程，提出了折合热值法，得到了先进循环燃气轮机的能量回收评判准则。在此基础上，针对先进循环燃气轮机建立了通用的燃烧室计算模型和工质热物性计算方法。　　（2）为建立准确的原型发动机计算模型，采用基于粒子群算法优化的BP神经网络（PSO-BP）方法，根据部分工况实验数据计算了压气机全工况的部件特性，并使用变比热容方法描述了压气机热力过程；同时，采用改进的ISO温度法，计算了有冷却空气注入时涡轮的膨胀功。研究结果显示：PSO-BP方法预测压气机特性具有很高的拟合精度和预测精度，涡轮热力过程计算精度也很高。在此基础上，建立了原型发动机的仿真程序，对比实验数据，计算结果的误差都小于1.5％，所建立的原型发动机计算模型适用于CRGT仿真研究。　　（3）综合考虑换热和燃料-蒸汽重整反应的耦合效应，建立了结构紧凑、计算过程简洁、可靠性高的化学回热器计算模型。进行了甲烷-蒸汽重整反应实验，并使用最小吉布斯自由能法计算重整反应性能，实验数据和计算结果吻合良好。以此为基础，在采用最小吉布斯自由能法计算了较大区间的压力、温度和水碳比范围内的燃料-蒸汽重整反应的性能后，以保证较高的重整反应深度为目标，进行了化学回热器的热力设计，建立了CRGT的核心模块。　　（4）为了充分地满足CRGT的高压蒸汽需求，基于能量梯级利用的原则，以高压闪蒸为蒸汽生产的核心模块设计了一套高效并且结构紧凑的蒸汽发生系统；在此基础上，进行了系统的变工况性能计算，并获得了系统的运行方案。研究结果显示：通过调节系统的供水量可以获取系统的最大蒸汽产量，从而满足CRGT的高压蒸汽需求。另外，烟气参数剧烈变化时，蒸汽产量和温度变化较大，会各部件造成热力冲击从而导致系统运行故障，此时可以采用蒸汽放气措施保证系统平稳运行。　　（5）为了应对长期而且庞杂的CRGT研究工作，采用面向对象方法，基于 MFC框架技术建立了燃气轮机系统的仿真平台，建立了CRGT主要部件的模块库，便于展开CRGT的方案设计和变工况性能仿真研究，也预留了操作接口方便仿真软件扩展。　　（6）考虑船舶动力装置经济性、重量和尺寸等技术指标的要求，提出了简单的CRGT（S-CRGT），后置再热式CRGT（BR-CRGT）以及中间回热式CRGT（MR-CRGT）三套CRGT的配置方案，研究了各个方案的经济性、运行稳定性以及动态响应性能并选取合适的研究方案。对比研究的结果显示：MR-CRGT具有最高的经济性；BR-CRGT具有最好的运行稳定性，其他CRGT方案也具有较好的运行稳定性；三套CRGT方案的动态响应速度较原型发动机均略有下降。最终选择MR-CRGT作为研究方案。　　（7）以获取MR-CRGT的最佳经济性为目标，研究了主要运行参数对系统经济性的影响，制定了相应的运行方案和控制策略。研究结果表明：在系统供油量变化的情况下，存在着相应的最佳给水量和燃料分配比。根据研究结果，绘制了最佳给水量和燃料分配比与供油量的运行曲线。研究了加载和减载过程中系统的主要性能参数的变化，制定了这些过程的基本调控策略。