轮机导论第3讲船舶动力装置舰船燃气轮机装置

1、本次授课目标本次授课目标u掌握燃气轮机的基本组成及其工作原理u掌握燃气轮机的热力循环过程u了解燃气轮机的优缺点及其应用 舰船燃气轮机动力装置是指以燃气轮机为主机的动力装置。它将燃料的化学能转换成热能，继尔再转变成机械功的回转式热机。 目前，舰用燃气轮机装置绝大多数是用航空燃气轮机改为船用，因为航空型燃气轮机装置结构轻巧紧凑，工作可靠，改装也较方便。2.2 舰船燃气轮机装置 1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为13、功率为370千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。 1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过

2、程。一燃气轮机的发展历程 随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，同时在高温材料方面出现了能承受600以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而在30年代中期出现了效率达85的轴流式压气机。 1939年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率达18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功。 1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验。 1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力。 1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。一燃气轮机的发展历程 航空发动机研制没能突破相关技术瓶颈，与航空发动机技

3、术相通的舰用燃机更是无从谈起。在2004年，中国一航开发研制的国产新型燃气轮机QC185在珠海航展上首次面世。而该机就是以太行核心机为基础改进的轻型燃机，不过输出功率17兆瓦的水平也不足于我国目前发展大型水面舰艇的需要。QC185R0110重型燃气轮机，航母动力系统重型燃气轮机，航母动力系统15万马力万马力 1、主要组成部分、主要组成部分 轴流式压气机、燃烧室、驱动压气机的燃气轮机（高压涡轮）、动力燃气轮机（低压涡轮）。 我们常把压气机、燃烧室和高压涡轮看作一个整体，称为燃气发生器。 二舰用燃气轮机装置的组成与原理 图图 燃气轮机装置简图燃气轮机装置简图 在运转中，燃气轮机的压气机由大气中吸入

4、一定量的空气并将其压缩到某一压力后就供向燃烧室以及燃烧室与机匣之间的环形通道。流向燃烧室的那部分空气（称为一次空气）是供给燃烧室作油气混合并燃烧用的，而流向环型通道的那部分空气（称为二次空气）则是用作冷却燃烧室和掺混高温燃气的。2、工作原理、工作原理 燃油和空气混合、燃烧后所产生的炽热气体，其温度高达15002000。这种高温燃气，必然要对燃烧室进行强烈的辐射热交换和对流热交换。如果燃烧室的内壁不进行冷却，那就极易烧环。所以保证在环形通道中间有一定量的空气流过是很有必要的。另外，燃烧室的高温燃气，如果直接流入燃气涡轮中，涡轮的材料也承受不了，所以也需要有大量的冷却空气去和这种高温燃气掺混，将燃

5、烧气温度降到燃气涡轮材料所许可的最高持续温度。 燃气涡轮的作用是将来自燃烧室的高温高压燃气的热能转换成轴上的机械功，以驱动压气机和通过挠性联轴节、减速装置驱动螺旋桨。图2-9还表示出空气燃气流经燃气轮机时，其流速、压力和温度的变化情况。 在空气进入涡轮膨胀作功之前是由轴流式压气机轴流式压气机先预先压缩的。压气机由涡轮机驱动的传动轴带动的。轴流式压气机是一种由多级静动叶相间组成的多级压气机。在动静叶中，空气加速、扩压，以达到预定的压力。 为了保证机组的正常起动和运行，还需要有一整套附属系统来配合。这包括：起动系统、点火系统、燃料供给和控制系统、润滑系统、空气冷却系统、进排气消声系统和控制台等。

6、燃气轮机的基本工作原理和结构与蒸汽轮机大致相同，皆有固定不动的导向叶轮和旋转的工作叶轮等部件组成，所不同的是蒸汽轮机的工质是蒸汽，燃气轮机的工质是燃气。同时，燃气轮机是采用反动式汽轮机，而蒸汽轮机大多数采用冲动式汽轮机。 船舶燃气轮机装置是以空气和燃气为工质，在压气机、燃烧室和燃气涡轮中经过一系列的热力过程，连续地完成热循环后，才能不断地对外输出机械功。输出功率的大小和装置热效率的高低，取决于热循环的型式和工质的状态参数。 舰用燃气轮机装置几乎都采用简单的热力循环型式。 三 简单热力循环过程1、热力循环原理 图2-10为热力循环过程示意图。如图a）所示，大气压状态的空气被压气机1吸入，空气在压

7、气机中从P1压缩到压力P2，整个压缩过程如图b）中1-2线段。图2-10 燃气轮机装置简单热力循环示意图 根据热力学基本原理进行假设来研究循环过程，可把实际过程理想化。假定在压缩过程中与外界无热交换和气体无流动损失，可把压缩过程看作绝热等熵压缩过程，压力和温度同时升高。当空气经过压气机后进入燃烧室2，同时向燃烧室喷入燃油，燃油和一次空气混合并在定压下燃烧，形成高温燃气，图中线段2-3可看作等压加热过程。图2-10 燃气轮机装置简单热力循环示意图图2-10 燃气轮机装置简单热力循环示意图二次冷却空气经环形通道面渗入高温燃气，燃气温度降低后再进入燃气轮机3和4。燃气在燃气轮机中膨胀作功，同样假定燃

8、气与外界无热交换，燃气无流动损失及泄漏，过程3-4可看作绝热等熵膨胀过程。作过功的废气从烟囱排入大气，由于燃气还具有一定热量，大气是一个无限的定压空间，可把过程4-1看作等压放热过程，这就完成了装置理想简单的热力循环。 2、循环参数关系理想压气机所消耗的功在P-V图上用面积12651来代表，即 lC=面积12651=i2 - i1 在进行绝热等熵膨胀过程中，工质所作功在P-V图上可用面积34563来代表，即 lT=面积34563=i3 - i4 装置的循环有用功，即膨胀和压缩功之差，在P-V图上可用封闭过程线所围面积12341来代表，即： ) 1()1 (12341121343TTTCTTTC

9、lllPPCTO面积 在T-S图中，定压加热线2-3下的面积代表加入热量，亦为加热终点和始点之焓差，并假定燃气定压比热CP不随温度而变是一个定值，即： =面积23872= 1q)(2323TTCiiP放给冷源的热量q2 为 q2 =面积41784= i4i1=Cp(T4T1) T-S图中封闭过程线所围面积代表循环有用功 l0，即 l0= = 面积123411q2q 求装置的循环热效率，按定义 2314123141112TTTTiiiiqqt 由于1-2和3-4是绝热过程 及 KKPPTT14343)(KKPPTT11212)( 假定：循环增压比 循环温度升高比 12PP13TTkkm1 1)1

10、 (1mmPoTClmtTT111112 3、结论、结论 1）理想简单热力循环的效率 ，只取决于增压比 和气体的绝热指数k。增压比越大，效率越高，K越大效率也增大，但k值变化小，所以对 的影响不大。 2）理想简单热力循环，当 一定时，温度升高比 越大则有效循环功lO就越大。但理想循环热效率 却是不变的，因在循环中对工质所加入的热量 增加，同时工质向冷源放出的热量 也随着增加。ttt1q2q 3）当温升比 一定时，有效循环功lO在随增压比 变化时，会出现一最大值lOmax，在lOmax时的增压比称有效功最佳增压比 。此值可从循环有用功的表达式对 微分取得到 4）当理想简单热力循环的温度升高比 提

11、高时，不仅其lOmax的绝对值有所增加，而其相对应的 也增大。maxlomaxlomlo2max 4、讨论 上面所讨论的是理想情况下的燃气轮机装置的循环，而在实际简单循环中，在压气机和燃气轮机中，工质都存在流动损失，泄漏损失等；在燃烧室中存在燃烧不完全损失等；同样气流在进排气道和燃烧室中还有气体的流阻损失等。所有这些损失都会影响燃气轮机实际效率和有效功的输出，以至于使燃气轮机装置不能对外输出有效功。因此，如何降低燃气轮机装置内部损失，提高输出功率，是燃气轮机装置的重要研究课题。 1 1、优点、优点 舰船燃气轮机动力装置自五十年代末期起，尤其是六十年代中期以来，在水面舰船上得到极其广泛的应用（使

12、用范围和功率总数）。这完全在于舰用燃气轮机装置比其它各种装置有着一些突出的优点所致，即： 1) 燃气轮机对舰船所需的功率指令反应迅速，从冷态启动到发出全功只需23分钟，在紧急状态下，还可缩短到1分钟左右。为改善舰船的机动性和操纵性创造了优越的条件； 2）舰船燃气轮机的单机功率比较大。单机功率已达2940036750KW，有比较成熟的机组。因此，燃气轮机的发展已为舰船航速的提高和动力装置的简化提供了有利的条件； 三、燃气轮机装置的主要优缺点 3）舰船燃气轮机的重量尺寸，非常轻巧。单位功率的机组重量已降低到0.220.27Kg/KW,它几乎是柴油机的1/10。这一点极其可贵。它既能有效地缩小动力装

13、置的重量尺寸，增加燃油装载量、扩大通讯和武备的总容量，又能提高生命力和续航力； 4）舰船燃气轮机的所有辅助系统和设备，均附设于机组本体上，而且配有可靠的自动控制和调节设备。因此，操作简便，容易实现全船自动化和远距离集中操纵等； 5）因为燃气轮机是回转机械，又比较轻巧，结构上容易实施合理的减振支承和挠性支承，所以机械噪音源少，机械噪音量小，且不易通过舰体向水下传播，使作战舰的隐避性有所改善； 6）舰船燃气轮机的运行可靠性较好，其翻修寿命有的已能达到10000小时以上。由于机组本身的重量尺寸比较小，容易实现快速更换。这样就大大提高了舰船的实际服役率。同时，也大大简化了舰上的维修保养工作，有利于减少

14、在舰人员； 7）与蒸汽轮机和柴油机动力装置相比，燃气轮机的滑油消耗量比较低。目前已达15kg/h，故滑油储存舱较小； 8）正由于燃气轮机轻巧，又容易实现全自动化监控和远距离集中控制，故一般均将机组置于密闭机罩内，以利隔音、隔热、防化、防原，从而改善了机舱工作条件。燃气轮机第一个优势是功率密度极大。一般情况下，同等功率的燃机体积是柴油机的三分之一到五分之一，是蒸汽轮机的五分之一到十分之一左右。这是由于燃气轮机本身精巧的连续转动热力学循环结构造成的，体积小、功率大，非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点。总结：燃气轮机作为军舰动力的优势总结：燃气轮机作为军舰动力的优势燃气轮机的第二个优势是启动速度快

15、。虽然燃机的转速是三种动力系统中最高的，但是由于整个转子十分轻巧，在启动机帮助下在1-2分钟就可以达到最高转速。而柴油机由于转子运动源于活塞的往复，加速较慢，蒸汽轮机更是“反应迟钝”，整个系统达到最高功率输出可能需要长达一小时的时间。而启动速度，对于军舰的战时出动和反潜作战时加减速性能有着直接的影响。燃气轮机第三个优势是噪声低频分量很低。由于燃气轮机本身处于高速稳定转动当中，产生的噪声更多是高频啸声。而柴油机的活塞往复产生了大量低频机械振动噪声，恰好迎合了海洋容易传播低频噪声的特点，导致军舰容易被敌方声纳探测。所以柴油机动力尤为不适合给反潜军舰作动力系统。 2、缺点 任何事物总是一分为二的。在

16、舰艇燃气轮机动力装置的发展中，与蒸汽、柴油机动力装置相比，还有许多急待进一步研究解决的问题。譬如： 1）燃气轮机的油耗率与柴油机相比，还是偏高。以美国比较先进的LM2500机组为例，其额定负荷下的燃油消耗率已达240g/kwh，接近中、高速柴油机的水平。因此还有待进一步研究改进，以利节省燃油和增大舰船续航力； 2）目前的舰船燃气轮机，几乎均使用轻柴油以上的、低粘度、优质燃料油。这样，其燃料费用大大增加； 3）舰船燃气轮机的低负荷运行性能比较差，效率低，油耗高，易超温，易喘振。所以不宜长期处于低负荷工况下运行； 4 ） 舰 船 燃 气 轮 机 的 耗 气 量 仍 然 很 大 。 以1837520580kw的机组为例，每秒空气消耗量高达61110kg/s。因此在舰船上，必须设置非常庞大的进、排气管。这样就迫使动力装置的重量尺寸明显增大，也影响全舰有效甲板面积的利用以及舰体结构强度； 5）在燃气轮机的气体流路中，气流的紊流度强，涡流源多，因此，燃气轮机工作时会发出频谱很宽的、能量较强的气动噪音。在进、排气管管口