船舶动力装置概论

1、1会计学船舶动力装置概论船舶动力装置概论3.4燃气涡轮燃气涡轮2一、概述一、概述燃气涡轮是燃气轮机的另一主要部件，它的功用是把来自燃烧室的高燃气涡轮是燃气轮机的另一主要部件，它的功用是把来自燃烧室的高温、高压燃气中的部分热能和压力能转换成机械功，用以带动压气机、附温、高压燃气中的部分热能和压力能转换成机械功，用以带动压气机、附件和外负荷（船舶螺旋桨或发动机）。件和外负荷（船舶螺旋桨或发动机）。按燃气流动方向，燃气涡轮可分为轴流式和径流式，而径流式又可分按燃气流动方向，燃气涡轮可分为轴流式和径流式，而径流式又可分为离心式和向心式，因离心式效率很低，故很少使用。为离心式和向心式，因离心式效率很低，

2、故很少使用。船舶燃气轮机多应用轴流式涡轮。其特点是功率大、燃气船舶燃气轮机多应用轴流式涡轮。其特点是功率大、燃气温度高、转速高、效率高，同时对其尺寸、重量也有严格的要温度高、转速高、效率高，同时对其尺寸、重量也有严格的要求。求。3.4燃气涡轮燃气涡轮33.4燃气涡轮燃气涡轮4轴流式涡轮中，按转子数目不同可分为单转子、双转子和三转子三种轴流式涡轮中，按转子数目不同可分为单转子、双转子和三转子三种。3.4燃气涡轮燃气涡轮5(1)必须有足够高的效率；必须有足够高的效率；(2)必须能承受高温、热冲击和热应力的作用；必须能承受高温、热冲击和热应力的作用；(3)外廓尺寸要求、结构要紧凑、重量要轻；外廓尺寸

3、要求、结构要紧凑、重量要轻；(4)充分考虑涡轮部件的冷却问题，以满足燃气轮机不充分考虑涡轮部件的冷却问题，以满足燃气轮机不断增长的性能和可靠性等方面的要求；断增长的性能和可靠性等方面的要求；(5)充分注意零部件和组件的热定心问题。充分注意零部件和组件的热定心问题。涡轮的工作条件也十分恶劣：高温、高转速、频繁剧烈热冲击、不均涡轮的工作条件也十分恶劣：高温、高转速、频繁剧烈热冲击、不均匀加热以及由于转子不平衡和燃气压力、流量脉动造成的不平衡负荷的作匀加热以及由于转子不平衡和燃气压力、流量脉动造成的不平衡负荷的作用。用。涡轮是燃气轮机中热负荷最大的部件。因此，对涡轮的设计提出以下涡轮是燃气轮机中热负

4、荷最大的部件。因此，对涡轮的设计提出以下要求要求：3.4燃气涡轮燃气涡轮6二、结构二、结构涡轮有转子和静子两部分组成。涡轮有转子和静子两部分组成。1、转子转子涡轮转子是涡轮转动部分的总称，由涡轮盘、涡轮轴、工作叶片及涡轮转子是涡轮转动部分的总称，由涡轮盘、涡轮轴、工作叶片及连接零件等组成。连接零件等组成。这些基本要求是：采用优质、抗腐蚀、耐高温的结构材料；采用有这些基本要求是：采用优质、抗腐蚀、耐高温的结构材料；采用有效的冷却、隔热、均温、润滑密封方法和合理的结构形式，以避免和减效的冷却、隔热、均温、润滑密封方法和合理的结构形式，以避免和减少零部件、组件的热应力、热变形、热疲劳和振动，保证转子

5、工作时具少零部件、组件的热应力、热变形、热疲劳和振动，保证转子工作时具有高的效率、良好的热定心，具有可靠的联接、足够的强度，并使转子有高的效率、良好的热定心，具有可靠的联接、足够的强度，并使转子具有尽可能紧凑的结构，小尺寸和轻重量，以及足够长的使用寿命。具有尽可能紧凑的结构，小尺寸和轻重量，以及足够长的使用寿命。3.4燃气涡轮燃气涡轮73.4燃气涡轮燃气涡轮8涡轮盘与涡轮轴在联接处承受很大负荷，有扭矩、轴向力、转子重涡轮盘与涡轮轴在联接处承受很大负荷，有扭矩、轴向力、转子重量，惯性力及不平衡力引起的弯矩，以及由转子不平衡、燃气压力脉量，惯性力及不平衡力引起的弯矩，以及由转子不平衡、燃气压力脉动

6、等原因造成的振动负荷，此外，还处在较高的温度环境下工作，具动等原因造成的振动负荷，此外，还处在较高的温度环境下工作，具有一定的热负荷，应减少轮盘向轴和轴承的传热。有一定的热负荷，应减少轮盘向轴和轴承的传热。盘与轴的联接分为不可拆式和可拆式两大类结构形式。盘与轴的联接分为不可拆式和可拆式两大类结构形式。(1)、不可拆式结构不可拆式结构(a)销钉联接销钉联接(b)整体结构或焊接整体结构或焊接(2)、可拆式结构可拆式结构(a)螺钉联接螺钉联接(b)短螺栓联接短螺栓联接1)盘与轴的联接盘与轴的联接3.4燃气涡轮燃气涡轮9在多级涡轮转子中，盘与盘之间的联接与是结构设计中的主要在多级涡轮转子中，盘与盘之间

7、的联接与是结构设计中的主要问题。盘与盘间的联接也分为问题。盘与盘间的联接也分为不可拆卸不可拆卸和和可拆卸可拆卸两种结构。两种结构。2)、盘与盘的联接、盘与盘的联接3.4燃气涡轮燃气涡轮10叶片用枞树型榫头和轮叶片用枞树型榫头和轮盘联结。叶片靠楔形根部上盘联结。叶片靠楔形根部上的枞树型齿装在涡轮盘上的的枞树型齿装在涡轮盘上的相应齿槽内，齿面承受叶片相应齿槽内，齿面承受叶片离心力弯曲力矩作用而承受离心力弯曲力矩作用而承受剪力和弯曲；齿的工作表面剪力和弯曲；齿的工作表面承受挤压；榫头各个截面承承受挤压；榫头各个截面承受拉伸。受拉伸。3)、工作叶片与轮盘的联接、工作叶片与轮盘的联接3.4燃气涡轮燃气涡

8、轮11静叶的安装形式有多种。静叶内环和涡轮轮盘间必须有密封静叶的安装形式有多种。静叶内环和涡轮轮盘间必须有密封防止漏泄的措施，以提高涡轮的效率。防止漏泄的措施，以提高涡轮的效率。2、静子静子静子包括静叶，机匣和所有的静止零件。机匣是圆柱或圆锥形的薄静子包括静叶，机匣和所有的静止零件。机匣是圆柱或圆锥形的薄壳体，是燃气轮机主承力系统的重要部件之一。涡轮轴承的支撑靠机匣壳体，是燃气轮机主承力系统的重要部件之一。涡轮轴承的支撑靠机匣传力到安装支点。通常为了加工和安装方便，机匣是分段的。各段间用传力到安装支点。通常为了加工和安装方便，机匣是分段的。各段间用法兰连接。此连接应保证有足够的刚度，在热态工作

9、时不应使刚度减小法兰连接。此连接应保证有足够的刚度，在热态工作时不应使刚度减小。在轴向和径向的定位面设计时必须保证上述要求。在轴向和径向的定位面设计时必须保证上述要求。动叶顶部同机匣内表面的间隙，对于动叶工作效率和可靠性有很大动叶顶部同机匣内表面的间隙，对于动叶工作效率和可靠性有很大影响。同时冷态和热态的间隙会有变化，特别是在停机时，机匣冷却较影响。同时冷态和热态的间隙会有变化，特别是在停机时，机匣冷却较快，而内部的动叶冷却较慢。此时务必防止发生动叶与静叶相互刮磨的快，而内部的动叶冷却较慢。此时务必防止发生动叶与静叶相互刮磨的现象，以提高可靠性。现象，以提高可靠性。3.4燃气涡轮燃气涡轮12三

10、、涡轮叶片的冷却三、涡轮叶片的冷却3.4燃气涡轮燃气涡轮13透平第一级涂层透平第一级涂层3.4燃气涡轮燃气涡轮143.4燃气涡轮燃气涡轮15气冷叶片的结构形式主要有以下几种形式：气冷叶片的结构形式主要有以下几种形式：1、对流冷却、对流冷却2、喷射式冷却、喷射式冷却3、气膜冷却、气膜冷却4、发散冷却、发散冷却为了提高燃气初温的高标准要求，必须把研制开发为了提高燃气初温的高标准要求，必须把研制开发高级耐热高级耐热合金合金，在热端零件表面，在热端零件表面喷涂屏障涂层喷涂屏障涂层和开发先进的和开发先进的高温涡轮冷却高温涡轮冷却技术技术，三者很好的结合起来才能更有效。，三者很好的结合起来才能更有效。3.

11、4燃气涡轮燃气涡轮16冷却空气流经叶片内壁上的冷冷却空气流经叶片内壁上的冷却孔通道或缝隙时，冷却空气与叶却孔通道或缝隙时，冷却空气与叶片壁面发生对流换热，把叶身上的片壁面发生对流换热，把叶身上的热量带走，从而达到冷却的目的，热量带走，从而达到冷却的目的，冷却效果一般为冷却效果一般为200250。冷却孔通道的形状可有多种，冷却孔通道的形状可有多种，如圆孔形、三角形、翼形或扁形孔如圆孔形、三角形、翼形或扁形孔等。等。1、对流冷却对流冷却3.4燃气涡轮燃气涡轮172、喷射式冷却喷射式冷却利用冷却空气形成的一股或多股射流对着被冷却表面喷射，以增利用冷却空气形成的一股或多股射流对着被冷却表面喷射，以增大

12、叶片型面与冷却空气之间的换热系数，增强冷却效果。这种喷射式大叶片型面与冷却空气之间的换热系数，增强冷却效果。这种喷射式冷却方式可以用在涡轮工作叶片上，但更普遍的还是用在导向涡轮器冷却方式可以用在涡轮工作叶片上，但更普遍的还是用在导向涡轮器叶片上。叶片上。3.4燃气涡轮燃气涡轮183、气膜冷却气膜冷却冷却空气从叶盆端部进入叶冷却空气从叶盆端部进入叶盆内部，而后透过壁面上的小孔盆内部，而后透过壁面上的小孔流出，在顺着燃气方向的叶盆外流出，在顺着燃气方向的叶盆外壁处形成一层空气气膜，此气膜壁处形成一层空气气膜，此气膜把叶片外表面与炽热的燃气隔离把叶片外表面与炽热的燃气隔离开来，从而达到隔热、冷却的目

13、开来，从而达到隔热、冷却的目的。的。3.4燃气涡轮燃气涡轮194、发散冷却发散冷却叶片用疏松多孔透气的材料制成，或在空心叶片壁面上采用电火花叶片用疏松多孔透气的材料制成，或在空心叶片壁面上采用电火花或电子束、激光打孔等工艺方法加工出大量密布的直径很小的小孔，或电子束、激光打孔等工艺方法加工出大量密布的直径很小的小孔，叶片内腔的冷却空气会透过叶片壁面上无数的微孔和小孔渗出，由于叶片内腔的冷却空气会透过叶片壁面上无数的微孔和小孔渗出，由于孔径小，气流射流穿透深度浅，透过壁面后很快形成紧贴外壁面的冷孔径小，气流射流穿透深度浅，透过壁面后很快形成紧贴外壁面的冷气层。气层。3.4燃气涡轮燃气涡轮20涡轮

14、叶片冷却技术发展趋势涡轮叶片冷却技术发展趋势3.5船用燃气轮机发展船用燃气轮机发展21内容提要内容提要 引言引言国外舰船用燃气轮机概况国外舰船用燃气轮机概况国内舰船燃气轮机概况国内舰船燃气轮机概况一、燃气轮机发展历史：23二、舰用燃气轮机概况 舰用燃气轮机是继舰用蒸汽轮机和柴油机之后的新一舰用燃气轮机是继舰用蒸汽轮机和柴油机之后的新一 代发动机，它具有单机功率大、体积小、重量轻、机动代发动机，它具有单机功率大、体积小、重量轻、机动性好、污染小、效率高（排气热量可综合利用）、振动性好、污染小、效率高（排气热量可综合利用）、振动小（无往复机构）、可靠性高等特点。小（无往复机构）、可靠性高等特点。

15、舰用燃气轮机已成为各海军大国主要发动机机种，得到舰用燃气轮机已成为各海军大国主要发动机机种，得到广泛的应用。从几百吨的高速小艇、高性能船到驱护舰、广泛的应用。从几百吨的高速小艇、高性能船到驱护舰、航母等中、大型舰船，都普遍采用燃气轮机作动力，使航母等中、大型舰船，都普遍采用燃气轮机作动力，使用形式有全燃、柴燃、燃蒸、燃气轮机和电力推进（燃用形式有全燃、柴燃、燃蒸、燃气轮机和电力推进（燃电）等联合动力。据不完全统计，截止电）等联合动力。据不完全统计，截止2001年底，全世年底，全世界已有界已有1340艘舰船装有艘舰船装有3313台舰用燃气轮机。台舰用燃气轮机。24尼（P&W）公司和乌克兰

16、的“机器设计科研生产联合体”。使用较多的机型有LM2500、奥林普斯、SMIA和SMIC。目前舰用燃气轮机大多为航空改型机，专用化设计的舰用燃气轮机主要是乌克兰的燃气轮机系列。25一、继续发展高初参数的简单循环，进一步提高燃气初温（一、继续发展高初参数的简单循环，进一步提高燃气初温（同时也相应地提高压比），其中冷却技术的改进可使燃气初同时也相应地提高压比），其中冷却技术的改进可使燃气初温平均每年提高约温平均每年提高约25，而耐高温材料的开发可使燃气初温，而耐高温材料的开发可使燃气初温平均每年提高平均每年提高10，目前研制的工程陶瓷材料，其耐热温度，目前研制的工程陶瓷材料，其耐热温度可达可达16

17、00；二、发展复杂循环，充分利用燃气轮机排气热量，提高机组二、发展复杂循环，充分利用燃气轮机排气热量，提高机组总的效率，为此，采用了回热循环和燃蒸复合循环；总的效率，为此，采用了回热循环和燃蒸复合循环；三、进一步完善燃气轮机各主要部件的性能，提高部件效率三、进一步完善燃气轮机各主要部件的性能，提高部件效率；四、大力发展小功率燃气轮机。四、大力发展小功率燃气轮机。26少的人员操作；信号特征减少噪声和排放污染；全寿期费用最低。公司LM系列燃气轮机的应用情况272829试验小时。已有美国DD21（最近有报导拟采用MT30燃气轮机）和英国45型等多型舰船拟采用WR-21燃气轮机。30三、动力涡轮的第一

18、级采用可变几何尺寸导叶，提高了在整个运行范围内的效率。313233RR公司于2005年初提供MT30发电机组，作为美国海军未来水面舰船DD（X）综合电力系统发电模块，进行工程研制试验。34MT30低压压气机低压压气机8级（级（静叶片均为变几何尺寸静叶片均为变几何尺寸叶片），高压压气机叶片），高压压气机6级，高、低压压气机的级，高、低压压气机的涡轮均为单级，动力涡涡轮均为单级，动力涡轮为轮为4级。级。 35燃气轮机，是未来高速渡船，大型船舶的理想动力。368169kg，尺寸长为7.3m，高2.5m。用于工业发电的LM6000已超过600台。37SMIC 舰用燃气轮机功率舰用燃气轮机功率17.56

19、MW；燃气初温；燃气初温1493；空气流量空气流量65kg/s；效率；效率37.2%，尺寸，尺寸7.52.293.08m，重量，重量25.69t。3839410B机组；（4）引进技术、国产化阶段。40407船用燃气轮机船用燃气轮机41试车台上的409发动机42410A舰用燃气轮机43国产燃气轮机44技术发展趋势4546参观时间：参观时间：2014年年9月月25日日 314班班 10:20-10:50 315班班 11:00-11:30 316班班 11:40-12:10参观地点：动力楼参观地点：动力楼3号实验楼号实验楼1楼楼带领老师：王志涛带领老师：王志涛 3.4燃气涡轮燃气涡轮47透平第一级涂层透平第一级涂层3.4燃气涡轮燃气涡轮483.4燃气涡轮燃气涡轮49气冷叶片的结构形式主要有以下几种形式：气冷叶片的结构形式主要有以下几种形式：1、对流冷却、对流冷却2、喷射式冷却、喷射式冷却3、气膜冷却、气膜冷却4、发散冷却、发散冷却为了提高燃气初温的高标准要求，必须把研制开发