船舶动力系统：第4章 船舶燃气轮机2

1、船舶动力系统,船舶燃气轮机,压气机compressor,压气机：外力对空气作功，以提高空气压力 主要性能参数： 增压比：出口空气总压与进口空气总压之比 效率：理论上所需的压缩功与实际消耗的机械功之比 ,压气机按其产生压缩气体的压力范围，可分为： 通风机（350 KPa ）,压气机分类（按构造和工作原理） ： 容积式：吸气和排气是间歇性的，其转速不如叶轮式压气机高 排量小，but增压比可达很高的范围 工程上活塞式压气机被用于高压、小排量的场合,叶轮式：由涡轮驱动，利用高速旋转的叶片对空气作功，提高空气压力 气体的压缩是在连续流动的状况下进行 主要应用于低中压力，大流量的场合 离心式 轴流式,燃气

2、轮机装置中使用的压气机 离心式：中小流量，高压头 轴流式：大流量，低压头，效率较高，轴向尺寸大 适用于大流量的场合，大部分用此,气流沿轴向进气道进入叶轮，受高速旋转的叶轮推动，离心力的作用下，气流加速且压力稍增。外界机械能转化成空气的动能、压能、热能 在涡壳型扩压管中，气流速度降低压力升高，气流动能转换成压力能,离心式压气机,轴流式压气机1进口导向叶片；2动叶片；3静叶片；4整流装置；5轴承；6密封；7扩散器；8转子；9机壳；10收缩器,初态参数为p1及T1、初速为c1的气体，自进气管流径收缩器10，使气流均匀并得到初步加速。气流流经固定在机壳上的进口导向叶片1间的流道，使气流被整理成轴向流动

3、，并使气体压力有少许提高 转子8由外力拖动作高速旋转，固定在转子上的动叶片2将气流推动，使之大大加速，外界机械能功转换成气流动能,高速气流流经固定在机壳上的静叶片3间的流道，由流道形状控制，流速降低，压力增加。气流动能转换成压力能 气体连续流经压气机的各个工作级，逐级压缩升压。最后经扩散器7，进一步利用降速升压 终态参数为p2及T2、流速为c2的高压气体，从排气管排出压气机,在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短效率低于离心式 功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式+一个离心式(末级) 较高效率，轴向长度缩短,（蒸汽/燃气）涡轮机，流体加速降压，压比大时损失小 压气机，流体减速升压

4、 ，损失大 如果扩压器通道中，流体快速升高压力，会产生失速，造成巨大损失 为使气体连续流动，并防止失速，压气机每级的压升有限制 轴流式，每级1.3 离心式4，（新型超音速压气机达到12 ）,离心式压气机,由进气系统、叶轮、扩压器、排气管四部分组成 转子和扩压器的叶片，有各种形状，根据压力-速度特性要求选用,进气道,有多种结构形式，轴对称式进气道应用最多 要求保证叶轮的进气均匀、轴对称 进气道外面有滤网。滤网内侧流道内、外壁覆盖消声材料 进气道最后部分收缩式，以引导空气均匀进入叶轮，且流动损失小,叶轮,叶轮是压气机的主要部件，其作用是将原动机的机械能传给空气 叶轮包括导风轮和本体两部分。较小尺寸

5、两者整体铸造，尺寸较大的分别加工后再组装 与涡轮安装在同一转轴上。压气机叶轮上有一组径向叶片，叶片的前部呈弯曲形，后部为直叶片 前部具有扭曲叶片的部分称为导风轮，后部称为叶轮本体或工作轮,导风轮：进入叶轮时的相对速度w，转轴以某一交角进入。如果导风轮叶片是径向直叶片，则进气气流会与叶片产生冲击损失 导风轮叶片朝相对速度w方向弯曲，以引导进气气流的运动,叶轮本体：有开式、半开式、闭式三种结构形式 开式：气体与缸壁直接接触，摩擦损失很大 闭式：气体完全封闭在叶轮通道中，效率最高，但强度较差 半开式：效率较高，在较高的轮周速度下有较好的强度燃气轮机中广泛应用,叶轮叶片由三种形状（按流动角大小分） 前

6、弯式：流出气流速度最大，即动能高，使压气机压比高 后弯式：叶片的弯曲方向和气体的自然运动轨迹完全一致，损失小，则稳定运行范围宽 径向式：制造容易，数据折中实际采用 P62图,压气机叶轮在涡轮的驱动下高速旋转，由于离心作用，叶轮流道中的空气被甩向轮外缘，空气的压力和流速皆提高，温度也随之上升 输入压气机叶轮的机械能转化为空气的压能、动能、热能 同时，叶轮芯部人口处形成局部真空外界空气沿进气道连续不断地吸人压气机,扩压器,扩压器在压气机叶轮的外缘，是固定在机壳上的一个圆环状叶栅 扩压器的作用：用流道截面积逐步扩大的方法，使气流速度降低，静压升高。使气体动能转换成压力能,排气管,收集从叶片扩压器流出

7、的气体，并输送到燃烧室,压气机的喘振 surge,喘振：透平式压缩机在流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动 当转速一定，流量减小到最小值时出口压力会突然下降，管道内压力反而高于出口压力，于是被输送介质倒流回机内，直到出口压力升高重新向管道输送介质为止；当管道中的压力恢复到原来的压力时,流量再次减少,管道中介质又产生倒流，如此周而复始,离心式压缩机发生喘振时，典型现象： 压缩机的出口压力最初先升高，继而急剧下降，并呈周期性大幅波动； 压缩机的流量急剧下降，并大幅波动，严重时甚至出现空气倒灌至吸气管道； 机器产生强烈的振动，同时发出异常的气流噪声,燃气轮机中压气机喘振不但会使压气机的

8、压比和效率急剧下降，同时还影响到燃烧室和透平的工作，常见的如压气机熄火、透平排气超温等，至使整个机组产生强烈的振动，高速旋转之下几秒钟之内就可能使叶片断裂飞出，造成灾难性的后果,喘振出现的原因 流量=流速*截面积 设计流量时，气流在叶片流道内的相对速度与流道中心线平行，这时气流对叶片的冲击损失最少，工作效率最高，压气机稳定 流量大于设计时，带来“冲击损失”，气流的离心力，使气流挤向叶片凹面，因此分离不会向叶道内部发展，总是限于叶片的进口部分,流量变化导致压气机叶轮中气流变化,a设计工况 b. 大于设计流量 c. 小于设计流量,当流量小于设计值时，气流在叶片背面产生分离，离心力的作用使气流的分离

9、加剧 为防止喘振，必须使流体机械在喘振区之外运转,压气机的阻塞,某转速时，压气机气体流量达最大值，不能再增加的现象,扩压管,离心式压气机结构示意图,进气室,进气口,叶 轮,蜗壳,出气口,出口扩压器,主轴,出口扩压器,离心式压气机结构示意图,两级离心式压气机，由于损失随级数增大，所以实际应用最多二级，且只用在小型机组（否则横截面太大）,离心式压缩机纵剖面结构图 1:吸气室 2:叶轮 3:扩压器 4:弯道 5:回流器 6:涡室 7，8:密封 9:隔板密封 10:轮盖密封 11: 平衡盘12:推力盘 13:联轴节 14:卡环 15:主轴 16:机壳 17:轴承 18:推力轴承 19:隔板 20:导流

10、叶片,离心式压气机用途： 石油化学工业、炼油、天然气输送、制冷等工业场合使用的各种压缩机 在动力工程中 小功率燃气轮机 内燃机增压 动力风源,优点：结构简单，工作可靠，每个工作级的压比高，在较宽的运行范围内可保持良好的效率，成本低，质量小 缺点：多级效率较低，迎风面积大,离心式压气机特性曲线,喘振线：压气机特性曲线上各个转速下对应的发生喘振的流量连线 转速一定，随着流量减少，增压比和效率先是提高，到某一流量时效率达量最大。当流量继续减少时，离心式压气机的增压比和效率开始下降,流量,压比,P63图4-11 运行工作线：效率、压比、质量流量综合最佳 实际运行尽可能靠近该条线，才能与涡轮机匹配好,离

11、心压气机最小流量受喘振工况的限制，最大流量受阻塞工况的限制 可以采用变转速、进口节流、出口节流和可调进口导叶等方法进行调节，以扩大运行工况范围,轴流式压气机,气体沿接近轴向流动的压气机，又称为轴流鼓风机 与turbine类似，轴流式压气机由转子和定子两大部分组成；转子上固定着若干列动叶栅，定子上固定着若干静叶栅；一列动叶和其后的一列静叶组成一个压力级,有的压气机进口处装有一列静叶栅，称为导流叶栅 作用：使空气沿一定方向，以一定流速进入第一列动叶栅 有的压气机出口安装着一列静叶栅，称为整流叶栅 作用：使流出最后一级静叶栅的空气沿轴向流出 导流叶栅、整流叶栅不属于压力级,动叶加速流体，把机械能转化

12、成气流动能； 静叶起扩压器作用，把速度转化成压升 每级压比1.15-1.35 一般，整机压比=30，效率87% 空气通过轴流压气机不断受到压缩，空气比容减小、密度增加 轴流压气机的通道截面积逐级减小，呈收敛形,轴流压气机广泛用于燃气轮机装置、高炉鼓风、空气分离、天然气液化、重油催化等装置中压送空气和其他气体,收缩器,静叶片,动叶片,扩压器,轴流式压气机结构示意图,机壳,转子,止推轴承,支撑轴承,联轴器,轴端密封,进口导向叶片,轴流式压气机结构示意图,基元级,用两个与压气机同轴且半径相差很小的圆柱面，将压气机的一级沿叶高截出一段，得到压气机的基元级 气体在基元级中的流动可认为只沿轴向何圆周方向变

13、化,基元级中动叶的作用,动叶栅驱动气体流动，对气体做功，将外界输入的机械能转变成气体的动能和压力能,w2w1,相对速度动能减少，气体静压升高,气流动能增加，c2c1,前后半径不同，离心效应产生的动能差，u2u1,动叶对气流作功是通过改变气流绝对速度的周向分量实现，且cu0,基本元中，动叶的作用为： 使气流动能增加 增压,动叶栅中，气流增压是相对速度减少的结果； 在亚声速范围内，气流速度降低只能在扩大式通道中实现动叶栅通道都是扩大式的,由于切线速度u沿叶高不相等，使得工作轮对气流所作的功沿叶高不等 产生径向压力差，半径越大，静压越高 气流参数沿叶高方向变化很大 改变叶片形状，呈扭曲状,静叶栅对气

14、体不做功，气流动能减少，压力增加 静叶将气流方向重新偏转到接近轴向的方向，为下一级动叶提供合适的进气方向 静叶的气流通道沿流向扩张，亚声速气流减速增压 静叶的作用： 增压 导向,基元级中静叶的作用,气流参数的变化,基元级的反动度,气流流过压气机单元级，静叶、动叶都对气流有增压作用 基元级总的静压升高一定时，如何在动叶和静叶间分配，影响基元级对气体的加功量和基元级效率 基元级的反动度=动叶栅的实际比功/基元级比功 表示动叶中的静压升高占整个基元级静压升高的百分比,=0 w1=w2，动叶栅中只提高了气体动能，气体的压缩全在静叶栅进行。动叶出口速度C2很大，方向很斜，增加静叶设计难度，静叶栅负荷大，

15、易引起很大能量损失，基本不采用,=0.5 静叶、动叶负荷平衡，w1=c2,w2=c1,增压比相同时，动、静叶的扩散度最小，在亚声速范围中得到广泛应用,=0.7-0.8 无导流叶栅的压气机轴向进气时第一级常采用的基元级,w1,c1,u,w2,c2,轴流式压气机的失速,在一定转速下运转时，当流量小到一定程度，平稳气流受到干扰，随着压力波动产生了紊流。压缩机失速导致空气流进压缩机时速度降低和停滞，有时还反向流动,轴流式压气机的喘振,旋转失速引起的流量变化达到压气机的最小流量时，压气机和管路中全部气体流量和压力呈周期性、大幅度上下波动，引发机组的震动和异常声音，即发生了喘振,轴流式压气机性能曲线,与离心式压气机比较，转速曲线陡 工作范围窄，尤其是高转速时，该特点尤为突出（高转速时，特性线几乎垂直） 工作运行线,主要的防喘措施： 从多级轴流压气机的某一个或数个中间截面放气 当压气机