船舶动力装置概论第九次.ppt

上节主要内容 本节主要内容,3.3 燃烧室 燃油雾化与喷油嘴 燃烧室结构的新发展 燃烧室的故障,3.4 燃气涡轮 概述 结构 涡轮叶片冷却 3.5船用燃气轮机发展 国外舰船用燃气轮机概况 国内舰船用燃气轮机概况,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,3,一、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）。,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。,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、重量也有严格的要求。,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,4,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,5,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。,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,6,(1)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； (3)外廓尺寸要求、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。,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要求：,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,7,二、结构,涡轮有转子和静子两部分组成。,1、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。,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,8,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,9,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。 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 (a)销钉联接 (b)整体结构或焊接 (2)、可拆式结构 (a)螺钉联接 (b)短螺栓联接,1)盘与轴的联接,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,10,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问题。盘与盘间的联接也分为不可拆卸和可拆卸两种结构。,2)、盘与盘的联接,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,11,叶片用枞树型榫头和轮盘联结。叶片靠楔形根部上的枞树型齿装在涡轮盘上的相应齿槽内，齿面承受叶片离心力弯曲力矩作用而承受剪力和弯曲；齿的工作表面承受挤压；榫头各个截面承受拉伸。,3)、工作叶片与轮盘的联接,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,12,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。,2、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。,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。,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,13,三、涡轮叶片的冷却,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,14,透平第一级涂层,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,15,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,16,气冷叶片的结构形式主要有以下几种形式： 1、对流冷却 2、喷射式冷却 3、气膜冷却 4、发散冷却,为了提高燃气初温的高标准要求，必须把研制开发高级耐热合金，在热端零件表面喷涂屏障涂层和开发先进的高温涡轮冷却技术，三者很好的结合起来才能更有效。,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,17,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，冷却效果一般为200250。 冷却孔通道的形状可有多种，如圆孔形、三角形、翼形或扁形孔等。,1、对流冷却,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,18,2、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叶片上。,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,19,3、气膜冷却,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、冷却的目的。,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,20,4、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。,第三章 船舶燃气轮机装置,3.4燃气涡轮,21,涡轮叶片冷却技术发展趋势,3.5船用燃气轮机发展,22,1,2,3,内容提要,引言,国外舰船用燃气轮机概况,国内舰船燃气轮机概况,1、四个发展阶段 萌芽阶段（ 20世纪之前） 工业试用阶段（20世纪初） 实用阶段（20世纪中期） 发展阶段（20世纪后期） 2、沿革 从20世纪初初步试验成功，到制造出有价值的装置花约40年; 20世纪50年代，在航空领域取得主宰地位; 20世纪60年代，航改机盛行，发达国家海军推行“全燃化”，开始用于调峰发电及输油输气管线； 20世纪70年代，陆、海用燃气轮机数量继续增长，坦克开始正式使用燃气轮机，联合循环电站得到快速发展； 20世纪80、90年代，燃气轮机性能得以大幅度提高，新型热力循环相继得到发展（CC、STIG、HAT、ICR），低NOx技术广泛应用，燃用多种燃料。,一、燃气轮机发展历史：,24,二、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 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）、振动小（无往复机构）、可靠性高等特点。 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、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（燃电）等联合动力。据不完全统计，截止2001年底，全世界已有1340艘舰船装有3313台舰用燃气轮机。,25,三、 舰用燃机目前技术水平和主要厂商,舰用燃气轮机技术进展迅速，综合性能不断提高。单机功率已达50MW（MT50），压比25以上，燃气初温已超1400，效率高达42%，1kg工质所发出的功率，即比功率为318kW/kg/s，大修周期可达5000060000小时。 世界上能生产燃气轮机的公司约有22家，但绝大部分舰用燃气轮机只集中于四家制造公司：美国通用电气（GE）公司、英国罗尔斯罗伊斯（RR）公司、美国普拉特惠特尼（P&W）公司和乌克兰的“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。,26,四、舰用燃气轮机主要发展方向,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温平均每年提高约25，而耐高温材料的开发可使燃气初温平均每年提高10，目前研制的工程陶瓷材料，其耐热温度可达1600； 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； 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。,27,4.1国外舰船燃气轮机概况,LM系列包括LM500、LM1600、LM2500、LM2500+、LM6000等型燃气轮机； 目前，国际上有27个国家的海军选用约1000台GE公司的船用燃气轮机，安装在388艘船上。在商船领域，有82台LM系列机以不同的布置形式，在45艘船上使用。有机械推进也有电力推进； LM系列燃气轮机作为推进主机和原动机能成功投入使用是因为：效率尽可能获得与负荷匹配的功率；人员配备最少的人员操作；信号特征减少噪声和排放污染；全寿期费用最低。,4.1.1 GE公司LM系列燃气轮机的应用情况,28,29,台架试验的LM2500+燃气轮机,30,4.1.2 WR-21舰用燃气轮机,WR-21由美国诺思罗普格鲁曼公司（负责系统总成）、英国RR公司（负责燃气轮机）、美国Allied Signal公司（负责回热器与中冷器）和加拿大的CAE公司（负责控制）联合组成的国际工业集团研制。 在各部件和整机严格试验的基础上，进行了两个500h的耐久试验，总计超过2100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。,31,WR-21舰用燃气轮机技术特点,WR-21以RR公司的航机RB211（超过1亿飞行小时）为核心机 ，技术特点： 一、位于高、低压气机之间有中间冷却器。 冷却了进入高压压气机的空气，以减少高压压气机的压缩功，改进了高压轴效率并增加约25%的发动机输出功率。 二、采用回热器回收排气余热提高效率。 三、动力涡轮的第一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。,32,WR-21与几型舰用燃气轮机的比较,33,WR-21 模块化部件在箱装体内的布置,34,4.1.3 MT30舰用燃气轮机,MT30是英国RR公司在航机Trent 800基础上（装在波音777民用飞机上，1995年以来Trent发动机累计飞行超过500万飞行小时），于1996到1999年进行船用化改装的简单循环燃气轮机 据悉，美国快船公司已订购25台，作265米横渡大西洋超级高速货船（4艘）的动力，航速40kn。每船五台MT30驱动五台KaMeWa喷水推进装置。 RR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。,35,MT30机组结构,MT30低压压气机8级（静叶片均为变几何尺寸叶片），高压压气机6级，高、低压压气机的涡轮均为单级，动力涡轮为4级。,36,4.1.4 MT50舰用燃气轮机,MT50是英国RR公司由航空发动机Trent 800船用化改装的简单循环燃气轮机。采用三轴设计，是目前世界上功率最大(50MW)、效率最高(42%)的船用燃气轮机，是未来高速渡船，大型船舶的理想动力。,37,4.1.5 LM6000船用燃气轮机,美国GE公司的LM6000船用燃气轮机，是目前功率较大、效率较高的简单循环燃气轮机之一。由CF6-80C2航机舰改的LM6000，功率42.75MW，排气流量123.8kg/s，效率40%，油耗0.213kg/kWh，排气温度456，动力涡轮转速3600r/min，机重8169kg，尺寸长为7.3m，高2.5m。用于工业发电的LM6000已超过600台。,38,4.1.6英国SMIC舰用燃气轮机,SMIC 舰用燃气轮机功率17.56MW；燃气初温1493；空气流量65kg/s；效率37.2%，尺寸7.52.293.08m，重量25.69t。,39,4.1.7 FT8燃气轮机,FT8燃气轮机是美国普 惠公司航机改型的船用和工业用燃气轮机。 功率24.26MW； 效率37.3%； 空气流量82.7kg/s； 油耗0.228kg/kWh； 尺寸8.42.62.6m； 重量23t。,40,4.2我国舰用燃气轮机概况,中国舰用燃气轮机发展经历了三个时期、四个发展阶段： （1）仿制阶段404机组； （2）自行设计自行阶段401、 401-机组； （3）航机改装阶段407、409、410A、410B机组； （4）引进