輪機導(dǎo)論-第2講-船舶動力裝置2- 艦船燃氣輪機裝置

1、 艦船燃氣輪機動力裝置是指以燃氣輪機為主機的動力裝置。它將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，繼爾再轉(zhuǎn)變成機械功的回轉(zhuǎn)式熱機。 目前，艦用燃氣輪機裝置絕大多數(shù)是用航空燃氣輪機改為船用，因為航空型燃氣輪機裝置結(jié)構(gòu)輕巧緊湊，工作可靠，改裝也較方便。2.2 艦船燃氣輪機裝置 1920年，德國人霍爾茨瓦特制成第一臺實用的燃氣輪機，其效率為13、功率為370千瓦，按等容加熱循環(huán)工作，但因等容加熱循環(huán)以斷續(xù)爆燃的方式加熱，存在許多重大缺點而被人們放棄。 1791年，英國人巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程。一燃氣輪機的發(fā)展歷程 隨著空氣動力學(xué)的發(fā)展，人們掌握了壓氣機葉片中氣體擴壓流動的特點，解決了設(shè)計高效率軸流式壓氣機

2、的問題，同時在高溫材料方面出現(xiàn)了能承受600以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼，因而在30年代中期出現(xiàn)了效率達85的軸流式壓氣機。 1939年，在瑞士制成了四兆瓦發(fā)電用燃氣輪機，效率達18%。同年，在德國制造的噴氣式飛機試飛成功。 1941年，瑞士制造的第一輛燃氣輪機機車通過了試驗。 1947年，英國制造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水，它以1.86兆瓦的燃氣輪機作加力動力。 1950年，英國制成第一輛燃氣輪機汽車。一燃氣輪機的發(fā)展歷程 航空發(fā)動機研制沒能突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，與航空發(fā)動機技術(shù)相通的艦用燃機更是無從談起。在2004年，中國一航開發(fā)研制的國產(chǎn)新型燃氣輪機QC185在珠海航展上首次面世。而該機

3、就是以太行核心機為基礎(chǔ)改進的輕型燃機，不過輸出功率17兆瓦的水平也不足于我國目前發(fā)展大型水面艦艇的需要。QC185:l 額定功率可達17兆瓦l 熱 效 率 高 達37.2%l 渦輪進口溫度是1265R0110重型燃氣輪機，航母動力系統(tǒng)重型燃氣輪機，航母動力系統(tǒng)15萬馬力萬馬力1、主要組成部分、主要組成部分 軸流式壓氣機、燃燒室、驅(qū)動壓氣機的燃氣輪機（高壓渦輪）、動力燃氣輪機（低壓渦輪）。 我們常把壓氣機、燃燒室和高壓渦輪看作一個整體，稱為燃氣發(fā)生器。 二艦用燃氣輪機裝置的組成與原理 圖圖 燃氣輪機裝置簡圖燃氣輪機裝置簡圖 在運轉(zhuǎn)中，燃氣輪機的壓氣機由大氣中吸入一定量的空氣在運轉(zhuǎn)中，燃氣輪機的壓

4、氣機由大氣中吸入一定量的空氣并將其壓縮到某一壓力后就供向燃燒室以及燃燒室與機匣之并將其壓縮到某一壓力后就供向燃燒室以及燃燒室與機匣之間的環(huán)形通道。流向燃燒室的那部分空氣（稱為間的環(huán)形通道。流向燃燒室的那部分空氣（稱為一次空氣一次空氣）是供給燃燒室作油氣混合并燃燒用的，而流向環(huán)型通道的那是供給燃燒室作油氣混合并燃燒用的，而流向環(huán)型通道的那部分空氣（稱為部分空氣（稱為二次空氣二次空氣）則是用作冷卻燃燒室和摻混高溫）則是用作冷卻燃燒室和摻混高溫燃氣的。燃氣的。2、工作原理、工作原理 燃油和空氣混合、燃燒后所產(chǎn)生的熾熱氣體，其溫燃油和空氣混合、燃燒后所產(chǎn)生的熾熱氣體，其溫度高達度高達15002000。

5、這種高溫燃氣，必然要對燃燒室。這種高溫燃氣，必然要對燃燒室進行強烈的進行強烈的輻射熱交換輻射熱交換和和對流熱交換對流熱交換。如果燃燒室的內(nèi)。如果燃燒室的內(nèi)壁不進行冷卻，那就極易燒環(huán)。所以保證壁不進行冷卻，那就極易燒環(huán)。所以保證在環(huán)形通道中在環(huán)形通道中間有一定量的空氣流過間有一定量的空氣流過是很有必要的。是很有必要的。 另外，燃燒室的高溫燃氣，如果直接流入另外，燃燒室的高溫燃氣，如果直接流入燃氣渦輪燃氣渦輪中，渦輪的材料也承受不了，所以也需要有中，渦輪的材料也承受不了，所以也需要有大量的冷卻大量的冷卻空氣去和這種高溫燃氣摻混空氣去和這種高溫燃氣摻混，將燃燒氣溫度降到燃氣渦，將燃燒氣溫度降到燃氣渦

6、輪材料所許可的最高持續(xù)溫度。輪材料所許可的最高持續(xù)溫度。2、工作原理、工作原理 燃氣渦輪燃氣渦輪的作用是將來自燃燒室的高溫高壓燃氣的熱的作用是將來自燃燒室的高溫高壓燃氣的熱能轉(zhuǎn)換成軸上的機械功，以驅(qū)動壓氣機和通過撓性聯(lián)軸節(jié)、能轉(zhuǎn)換成軸上的機械功，以驅(qū)動壓氣機和通過撓性聯(lián)軸節(jié)、減速裝置驅(qū)動螺旋槳。下圖表示出空氣減速裝置驅(qū)動螺旋槳。下圖表示出空氣燃氣流經(jīng)燃氣輪燃氣流經(jīng)燃氣輪機時，其機時，其流速、壓力流速、壓力和和溫度溫度的變化情況。的變化情況。 在空氣進入渦輪膨脹作功之前是由軸流式壓氣機軸流式壓氣機先預(yù)先壓縮的。壓氣機由渦輪機驅(qū)動的傳動軸帶動的。軸流式壓氣機是一種由多級靜動葉相間組成的多級壓氣機。

7、在動靜葉中，空氣加速、擴壓，以達到預(yù)定的壓力。 為了保證機組的正常起動和運行，還需要有一整套附屬系統(tǒng)來配合。這包括：起動系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、燃料供給和控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)、進排氣消聲系統(tǒng)和控制臺等。2、工作原理、工作原理 燃氣輪機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)與蒸汽輪機大致相同，皆有固定不動的導(dǎo)向葉輪和旋轉(zhuǎn)的工作葉輪等部件組成，所不同的是蒸汽輪機的工質(zhì)是蒸汽，燃氣輪機的工質(zhì)是燃氣。同時，燃氣輪機是采用反動式汽輪機，而蒸汽輪機大多數(shù)采用沖動式汽輪機。3、小結(jié)、小結(jié) 船舶燃氣輪機裝置是以空氣和燃氣為工質(zhì)，在壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪中經(jīng)過一系列的熱力過程，連續(xù)地完成熱循環(huán)后，才能不斷地對外輸出機械功。

8、輸出功率的大小和裝置熱效率的高低，取決于熱循環(huán)的型式和工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。 艦用燃氣輪機裝置幾乎都采用簡單的熱力循環(huán)型式。 三 簡單熱力循環(huán)過程 下圖為熱力循環(huán)過程示意圖。如圖a）所示，大氣壓狀態(tài)的空氣被壓氣機1吸入，空氣在壓氣機中從P1壓縮到壓力P2，整個壓縮過程如圖b）中1-2線段。圖 燃氣輪機裝置簡單熱力循環(huán)示意圖1、熱力循環(huán)原理、熱力循環(huán)原理 根據(jù)熱力學(xué)基本原理進行假設(shè)來研究循環(huán)過程，可把根據(jù)熱力學(xué)基本原理進行假設(shè)來研究循環(huán)過程，可把實際過程理想化。假定在壓縮過程中與外界無熱交換和氣實際過程理想化。假定在壓縮過程中與外界無熱交換和氣體無流動損失，可把壓縮過程看作體無流動損失，可把壓縮過程看

9、作絕熱等熵壓縮絕熱等熵壓縮過程，壓過程，壓力和溫度同時升高。當(dāng)空氣經(jīng)過壓氣機后進入燃燒室力和溫度同時升高。當(dāng)空氣經(jīng)過壓氣機后進入燃燒室2，同時向燃燒室噴入燃油，燃油和一次空氣混合并在定壓下同時向燃燒室噴入燃油，燃油和一次空氣混合并在定壓下燃燒，形成高溫燃氣，圖中線段燃燒，形成高溫燃氣，圖中線段2-3可看作可看作等壓加熱等壓加熱過程。過程。圖 燃氣輪機裝置簡單熱力循環(huán)示意圖圖 燃氣輪機裝置簡單熱力循環(huán)示意圖 二次冷卻空氣經(jīng)環(huán)形通道面滲入高溫燃氣，燃氣溫度降低后再進入燃氣輪機3和4。燃氣在燃氣輪機中膨脹作功，同樣假定燃氣與外界無熱交換，燃氣無流動損失及泄漏，過程3-4可看作絕熱等熵膨脹過程。作過功

10、的廢氣從煙囪排入大氣，由于燃氣還具有一定熱量，大氣是一個無限的定壓空間，可把過程4-1看作等壓放熱過程，這就完成了裝置理想簡單的熱力循環(huán)。2、循環(huán)參數(shù)關(guān)系、循環(huán)參數(shù)關(guān)系理想壓氣機所消耗的功理想壓氣機所消耗的功在P-V圖上用面積12651來代表，即 lC=面積12651=i2 - i1 在進行絕熱等熵膨脹過程絕熱等熵膨脹過程中，工質(zhì)所作功工質(zhì)所作功在P-V圖上可用面積34563來代表，即 lT=面積34563=i3 - i4 裝置的循環(huán)有用功循環(huán)有用功，即膨脹和壓縮功之差，在P-V圖上可用封閉過程線所圍面積12341來代表，即： )1()1(12341121343TTTCTTTClllPPCTO

11、面積 在T-S圖中，定壓加熱線2-3下的面積代表加入熱量，亦為加熱終點和始點之焓差，并假定燃氣定壓比熱CP不隨溫度而變是一個定值，即： =面積23872= 1q)(2323TTCiiP放給冷源的熱量q2 為 q2 =面積41784= i4i1=Cp(T4T1) T-S圖中封閉過程線所圍面積代表循環(huán)有用功 l0，即 l0= = 面積123411q2q 求裝置的循環(huán)熱效率，按定義 2314123141112TTTTiiiiqqt 由于1-2和3-4是絕熱過程 及 KKPPTT14343)(KKPPTT11212)(2、循環(huán)參數(shù)關(guān)系、循環(huán)參數(shù)關(guān)系 假定：循環(huán)增壓比 循環(huán)溫度升高比 則有： 12PP1

12、3TTkkm1 1)1 (1mmPoTClmtTT1111122、循環(huán)參數(shù)關(guān)系、循環(huán)參數(shù)關(guān)系循環(huán)有用功：循環(huán)有用功：循環(huán)熱效率：循環(huán)熱效率： 3、結(jié)論、結(jié)論 1）理想簡單熱力循環(huán)的效率 ，只取決于增壓比 和氣體的絕熱指數(shù)k。增壓比越大，效率越高，K越大效率也增大，但k值變化小，所以對 的影響不大。 2）理想簡單熱力循環(huán)，當(dāng) 一定時，溫度升高比 越大則有效循環(huán)功lO就越大。但理想循環(huán)熱效率 卻是不變的，因在循環(huán)中對工質(zhì)所加入的熱量 增加，同時工質(zhì)向冷源放出的熱量 也隨著增加。ttt1q2q 3）當(dāng)溫升比 一定時，有效循環(huán)功lO在隨增壓比 變化時，會出現(xiàn)一最大值lOmax，在lOmax時的增壓比稱

13、有效功有效功最佳增壓比最佳增壓比 。此值可從循環(huán)有用功的表達式對 微分取得到 4）當(dāng)理想簡單熱力循環(huán)的溫度升高比提高時，不僅其lOmax的絕對值有所增加，而其相對應(yīng)的 也增大。maxlomaxlomlo2max 3、結(jié)論、結(jié)論 上面所討論的是理想情況下的燃氣輪機裝置的循環(huán)，而在實際簡單循環(huán)中，在壓氣機和燃氣輪機中，工質(zhì)都存在流動損失，泄漏損失等；在燃燒室中存在燃燒不完全損失等；同樣氣流在進排氣道和燃燒室中還有氣體的流阻損失等。所有這些損失都會影響燃氣輪機實際效率和有效功的輸出，以至于使燃氣輪機裝置不能對外輸出有效功。因此，如何降低燃氣輪機裝置內(nèi)部損失，提高輸出功率，是燃氣輪機裝置的重要研究課題

14、。4、討論、討論1 1、優(yōu)點、優(yōu)點 艦船燃氣輪機動力裝置自五十年代末期起，尤其是六十年代中期以來，在水面艦船上得到極其廣泛的應(yīng)用（使用范圍和功率總數(shù)）。這完全在于艦用燃氣輪機裝置比其它各種裝置有著一些突出的優(yōu)點所致，即： 1) 燃氣輪機對艦船所需的功率指令反應(yīng)迅速，從冷態(tài)啟動到發(fā)出全功只需23分鐘，在緊急狀態(tài)下，還可縮短到1分鐘左右。為改善艦船的機動性和操縱性創(chuàng)造了優(yōu)越的條件； 2) 艦船燃氣輪機的單機功率比較大。單機功率已達2940036750KW，有比較成熟的機組。因此，燃氣輪機的發(fā)展已為艦船航速的提高和動力裝置的簡化提供了有利的條件； 三、燃氣輪機裝置的主要優(yōu)缺點 3）艦船燃氣輪機的重量

15、尺寸，非常輕巧。單位功率的機組重量已降低到0.220.27Kg/KW,它幾乎是柴油機的1/10。這一點極其可貴。它既能有效地縮小動力裝置的重量尺寸，增加燃油裝載量、擴大通訊和武備的總?cè)萘?，又能提高生命力和續(xù)航力； 4）艦船燃氣輪機的所有輔助系統(tǒng)和設(shè)備，均附設(shè)于機組本體上，而且配有可靠的自動控制和調(diào)節(jié)設(shè)備。因此，操作簡便，容易實現(xiàn)全船自動化和遠距離集中操縱等； 5）因為燃氣輪機是回轉(zhuǎn)機械，又比較輕巧，結(jié)構(gòu)上容易實施合理的減振支承和撓性支承，所以機械噪音源少，機械噪音量小，且不易通過艦體向水下傳播，使作戰(zhàn)艦的隱避性有所改善； 6）艦船燃氣輪機的運行可靠性較好，其翻修壽命有的已能達到10000小時以

16、上。由于機組本身的重量尺寸比較小，容易實現(xiàn)快速更換。這樣就大大提高了艦船的實際服役率。同時，也大大簡化了艦上的維修保養(yǎng)工作，有利于減少在艦人員； 7）與蒸汽輪機和柴油機動力裝置相比，燃氣輪機的滑油消耗量比較低。目前已達15kg/h，故滑油儲存艙較小； 8）正由于燃氣輪機輕巧，又容易實現(xiàn)全自動化監(jiān)控和遠距離集中控制，故一般均將機組置于密閉機罩內(nèi)，以利隔音、隔熱、防化、防原，從而改善了機艙工作條件。燃氣輪機第一個優(yōu)勢是功率密度極大。一般情況下，同等功率的燃機體積是柴油機的三分之一到五分之一，是蒸汽輪機的五分之一到十分之一左右。這是由于燃氣輪機本身精巧的連續(xù)轉(zhuǎn)動熱力學(xué)循環(huán)結(jié)構(gòu)造成的，體積小、功率大，

17、非常適合軍艦分艙小、航速要求高的特點?？偨Y(jié)：燃氣輪機作為軍艦動力的優(yōu)勢總結(jié)：燃氣輪機作為軍艦動力的優(yōu)勢燃氣輪機的第二個優(yōu)勢是啟動速度快。雖然燃機的轉(zhuǎn)速是三種動力系統(tǒng)中最高的，但是由于整個轉(zhuǎn)子十分輕巧，在啟動機幫助下在1-2分鐘就可以達到最高轉(zhuǎn)速。而柴油機由于轉(zhuǎn)子運動源于活塞的往復(fù)，加速較慢，蒸汽輪機更是“反應(yīng)遲鈍”，整個系統(tǒng)達到最高功率輸出可能需要長達一小時的時間。而啟動速度，對于軍艦的戰(zhàn)時出動和反潛作戰(zhàn)時加減速性能有著直接的影響?？偨Y(jié)：燃氣輪機作為軍艦動力的優(yōu)勢總結(jié)：燃氣輪機作為軍艦動力的優(yōu)勢燃氣輪機第三個優(yōu)勢是噪聲低頻分量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動當(dāng)中，產(chǎn)生的噪聲更多是高頻嘯聲

18、。而柴油機的活塞往復(fù)產(chǎn)生了大量低頻機械振動噪聲，恰好迎合了海洋容易傳播低頻噪聲的特點，導(dǎo)致軍艦容易被敵方聲納探測。所以柴油機動力尤為不適合給反潛軍艦作動力系統(tǒng)?？偨Y(jié)：燃氣輪機作為軍艦動力的優(yōu)勢總結(jié)：燃氣輪機作為軍艦動力的優(yōu)勢 2、缺點 任何事物總是一分為二的。在艦艇燃氣輪機動力裝置的發(fā)展中，與蒸汽、柴油機動力裝置相比，還有許多急待進一步研究解決的問題。譬如： 1）燃氣輪機的油耗率與柴油機相比，還是偏高。以美國比較先進的LM2500機組為例，其額定負荷下的燃油消耗率已達240g/kwh，接近中、高速柴油機的水平。因此還有待進一步研究改進，以利節(jié)省燃油和增大艦船續(xù)航力； 2）目前的艦船燃氣輪機，幾乎均使用輕柴油以上的、低粘度、優(yōu)質(zhì)燃料油。這樣，其燃料費用大大增加； 三、燃氣輪機裝置的主要優(yōu)缺點 3）艦船燃氣輪機的低負荷運行性能比較差，效率低，油耗高，易超溫，易喘振。所以不宜長期處于低負荷工況下運行； 4 ） 艦 船 燃 氣 輪 機 的 耗 氣 量 仍 然 很 大 。 以1837520580kw的機組為例，每秒空氣消耗量高達61110kg/s。因此在艦船上，必須設(shè)置非常龐大的進、排氣管。這樣就迫使動力裝置的重量尺寸明顯增大，也影響全艦有效甲板面積的利用以及艦體結(jié)構(gòu)強度； 5）在燃氣輪機的氣體流路中，氣流的紊流度強，渦流源多，