【舰载燃气轮机发电机组的优缺点探析5600字】

舰载燃气轮机发电机组的优缺点分析摘要由于发电机组需要具备占地小，效率高，方便使用的特点，因此与常规的火力发电机组相比，燃气轮机发电组并展现出自身的优势，尤其是在启动速度方面更加快捷，能量转换效率更高，可以更好的为设备和系统功能。但是由于燃气轮机发电机组的制造难度较大，世界上一流水平的轮气发电机组制造技术保密性较高，而且我国长期以来非常依赖进口燃气轮机发电机组，因此燃气轮机发电机组在国内仍然没能实现大范围的普及，本文重点对舰船燃气轮机发电机组进行详细的介绍总结其在国内外的发展情况，对舰船燃气燃气发电机组的优势和劣势进行梳理，并最终分析出舰船燃气轮机发电组未来的发展趋势，为相关领域在未来的发展提供理论借鉴和参考。关键词：燃气轮机；发电；现状；趋势目录TOC\o"1-3"\h\u27598第1章引言 第1章引言近年来我国非常重视舰船轮机燃气机组的发展，各项技术工作也处于攻坚阶段，尤其是我国对于海军舰船的要求越来越高，对舰船的发电功率也有了明确的需求，因此在这方面技术的更新可以更好的提升军舰的性能。船舰的电力推进技术诞生于上世纪初，但是在21世纪初才有了巨大的技术突破使得电力推进系统不但能够满足电能的需求，还能够满足其他方面的负荷，对于一些超高功率和对能量转换有巨大需求的领域贡献了很多[1]，尤其是在雷达声纳和通信等领域。燃气轮机系统的性能可以充分发挥出自身的优点，对于各种类型的舰船都能够满足其对电力的需求，因此燃气轮毂发电机组是舰船的最优选择。第2章舰载燃气轮机发电机组发展使用现状2.1国外现状目前国外有很多海军舰船都使用了燃气轮机发电机组，可以更好的满足舰船的负载。美国的DDG-51型驱逐舰和英国的42型驱逐舰就采取了这样的选择，因此这两种型号的船舰性能非常优良。当前，美国的DDG-1000型导弹驱逐舰、英国的伊丽莎白女王号航空母舰和45型驱逐舰都将燃气轮机发电机组作为最主要的电力来源[2]，因此重点对这三种类型的舰船进行详细的介绍。2.1.1MT-30和RR4500燃气轮机发电机组MT-30燃气轮机也是英国罗•罗公司的一个非常优秀的作品，该燃气轮机采用了三轴航空发动机结构，因此功率可以达到40mw，是一种发电功率非常高的燃气轮机，完全能够满足船舰的使用，此外该燃气轮机组实现了简单循环，功率非常稳定，效率超过了45%，在标准的情况下最大输出功率，可以超过40mw，燃气轮机的动力涡轮，转速恒定为3600rpm，输出电流的频率为60赫兹[3]。图1伊丽莎白女王号航空母舰电力推进系统图示伊丽莎白女王号航空母舰也配备了这种型号的燃气轮机发电机组，由于航空母舰对功率的需求更高，远远超过了前者，所以在燃气轮机发电机组的配置上也存在明显的差别。上图是伊丽莎白女王号航空母舰的电力推进系统，可以看出来，该航空母舰除了配备了柴油发电机组以外，还设置了一套应急的设备。主配电板需要超过11千伏的高压电，而所有的输出均由发电机组完成，在船舰的行驶过程中为双轴推进，在两台先进感应的串联下，有变频器进行有效的控制，实现主板直接供电。此外电能还可以由高电压转换为440伏的日常使用电压，从上图中还可以看到，舰船内部的详细布置状况以及发电机组所处的位置，这样的安排有利于舰船的动力系统更加稳定[4]。相关资料显示，原本美国的这一型号驱逐舰想使用功率较小的燃气轮机发电机组，但是功率完全达不到驱逐舰的需求，所以最后再改为燃气轮机发电机组。在设置过程中有两套功率超过35mw的发电机组，负责发电，此外还配备了两套超过4.5mw的发电机组进行辅助，这一燃气轮机发电机组的设计基本上满足了舰船的需求，而且在后面还实现了技术升级，效率可以接近40%，在设计上单轴和超高压都是亮眼的设计[5]。2.1.2WR-21燃气轮机发电机组WR-21也是罗•罗公司与行业内其他几家设计公司共同完成的采用冷回热循环的模式。在低压和高压的压气机设置了冷却的环节，能够显著降低高压的消耗，从而达到提升整体功率的目标，在进口处还安装了换热器，将排出的高温燃气充分利用，从而进一步提升了整体的发热效率，工作示意图如下图所示。图2WR-21燃气轮机工作示意图WR-21这种型号的燃气轮机效率是非常高的，完全适用于简单循环的系统。在一般的情况下，这种型号的燃气轮机输出功率可以超过25mw单独号，也非常有限，是当前舰用燃气轮机中输出效率最为优质的型号之一，而且他的涡轮转速也非常高，同时还一样可以发出60赫兹的交流电，与传统的燃气轮机相比，自然具备明显的优势[6]。英国军方在设计45型电源动力装置，但是由于权健对于电力系统有更高的要求，所以将电力推进系统中设计了，这种型号的发电机组焊接数量为两套，同时还配备了两套柴油发电机组，从而确保能够满足驱逐舰对电力的需求。2.2国内现状燃气轮机可以将气体作为工质，采用连续流通的方式将热能转化为动力带动，系统内的机械完成旋转，在气体的流动过程中实现简单循环，通过压气机将空气注入燃烧室，并且将燃气转化为电能，从而实现系统内的燃气轮机循环。简单循环式燃气轮机中最为简单的构造，而且具备非常明显的优势，不仅自身的结构非常简单，而且所占的面积十分有限，再加上自身的所需要的附加条件较小，所以取得了非常好的发展[7]。结合燃气轮机的内部构造，可以看出其工作方式是将外界的空气吸入氧气集中，采用轴流式的方式将空气中的气体压缩，从而不断增加压力，将空气的温度提升至一定的值，最后将空气传送至燃烧室并将燃料注入其中，从而形成温度非常高的高压燃气，燃气产生的热能最终转化为机械动能，带动系统内机械的运转，最终燃气会被排出系统外，所以燃气轮机的原理实际上就是将空气进行压缩，产生热能，从而转化为动能，实现系统的运转。虽然我国非常重视燃气轮机的发展，但是目前我国仍然没有装备，燃气轮机发电机组的舰船，不过我国对于这一领域的研究速度仍在加快，而且已经发明了一些自主研发的发动机，在未来有希望将这些发动机改为可以为船舰提供的发动机，相信通过不断的探索和研究，必然可以设计出适合我国舰船的燃气轮机发电机组。第3章舰载燃气轮机发电机组的优缺点分析3.1优点分析3.1.1功率密度大，满足高能武器装备需求舰载燃气轮机发电机，之所以能够满足船舰的需求，正是因为自身的供应力度足够大，同时大功率可以确保，轮机发电机组在保持稳定的功率同时，能够更加的节省船舱的空间，减轻舰船的自身重量，这是柴油发电机组和蒸汽轮机发电机组所不具备的优势。减轻的重量可以有效提升，对于其他装备的装载能力也可以有效提升创建的战斗力，增强创建的续航能力[9]。未来船舰的发展方向必然会朝着大功率的方向发展，船舰还需要装在更多大功率的装备，所以需要更大的能量，尤其是对于一些高能的武器来说，必然会出现在未来的船舰上，这位船舰的承载增加了巨大的负担，同时类似微波武器，电磁炮和激光炮这样的装备都需要穿件在短时间内具备足够的电能，从而满足这些武器装备的使用。面对这样的需求，船舰必须确保自身能够具备稳定的功率在战争过程中能够准确的识别地方的战绩，这还需要传件承载的雷达能够拥有稳定的功率，所以在实战过程中，在面对多种干扰因素的同时，船舰更需要一定的稳定性。所以对于船员来说，必须拥有足够大且足够量的电能，目前只有燃气轮机发电机能够满足这一需求[10]。3.1.2有效降低舰船全寿命周期费用与传统的发电机组相比，燃气轮机发电机组的优势非常明显，尤其是在结构设置方面，燃气轮电机组更加紧密，通过模块化的设计和处理能够更加有效的设置内部的零部件，维修难度降低，维修时间被大大的缩短，此外，部分型号的维修周期被缩短至8000小时，而传统的柴油机，在维修过程中往往需要耗费大量的时间和精力，且难度非常大。而燃气燃气由于自身的体积较小，大大降低了维修的难度，在节省费用的同时也缩短了时间。3.1.3提高舰船隐身性能燃气轮机在运转过程中，旋转方式是高速旋转，并不是传统的往复振动，因此产生的噪音要远远小于采用往复振动的轮机在过去，无论是采用柴油机还是蒸汽轮机，都会产生出巨大的噪音，因此在消除噪音之后，船舰可以减少自身发出的噪音，从而提升自身的隐蔽性，增强安全性。3.1.4提高舰船机动性与传统的人机相比，燃气轮机可以在短时间内启动，有着更好的加速性能，所以能够在短时间内为系统提供大量的电能，这在一定程度上提升了舰船的稳定性，也提升了舰船的机动性，传统的蒸汽轮机需要半小时至一小时左右的启动时间，而燃气轮机在10分钟之内就可以完成启动，在一分钟左右就可以加速到额定的功率，这对于驱逐舰来说是非常重要的，45型驱逐舰只需要一分钟的时间就可以加速至29千米每小时，在两分钟左右可以达到最快速度。3.2缺点分析燃气轮机发电机组的缺点主要是低负荷时的效率偏低，如果选用简单循环的模式，则效率更低，只有高负荷时的50%左右导致宣传对油耗的需求更大，导致油耗较高，解决这一问题的方法，主要是通过重新对电力系统进行布置，配备不同功率的燃气轮机发电机组。如果燃气轮机需要高效率的全速运转，则要确保发电机组能够满足系统的需求，提供足够的电力，如果负荷较低时采用低功率提供电力，确保任何时候都能够高效率的完成发电，未来随着这一领域的技术不断创新和发展，必然会改善低负荷时的效率问题，在油耗上会有明显的改善与进度。第4章舰载燃气轮机发电机组发展趋势在陆地上的装备，对于燃气轮机发电机组的需求更加简单，模式采用被动的发电模式，而舰船所采用的燃气轮机发电机组，是作为系统的主要供电机组，对其性能要求非常高，目前舰载燃气轮机发电机组均采用交流发电机组，所以未来的发电机组会有以下几点要求。4.1供电品质在供电方面，舰船在运行的过程中必须要达到严格的供电品质需求，在供电的频率方面频率误差要足够小，有严格的范围限制，供电品质只有达到相关的要求，才能够实现燃气轮机和发电机的共同运行与作用，尤其是对于采用综合电力系统的检查来说，更是要注重供电品质。4.1.1燃气轮机特性当发电机的转速保持一定时，燃气轮机的动力螺旋转速也会保持在一定的范围之内，想要真正实现燃气轮机的各项特性必须确保转速稳定，这就需要优秀的控制系统，及时健全的负载发生变化，也能够在最短的时间内做出相应的调整和改变，从而更好的控制转速系统，确保频率波动，能够在可控范围内，另外燃气轮机动力涡旋的变量也要控制在一定的范围内，稳定系统的性能，延长稳定时间，即使在极端情况下也能够全力运转，避免性能的缺失，通过快速响应提升系统的稳定性。4.1.2发电机特性发电机往往会保持与电力系统同步的关系，因为发电机的转速会引起发电机与电压之间的相位关系，从而出现电流，这时便会产生瞬扭矩，在系统的运营过程中，交流发电机与系统之间的关系决定了发电机的有功能。这就决定了发电机在出现暂时的变化时，仍然能够确保自身处于稳定的状态，即使负载和负载角发生了变化，电机转速的改变也能够通过相应的发电机能实现稳定的目的。这就要求在设计的过程中，一定要确保发电机能够适应相应的变化，在不同的复合脚下都能够稳定地实现自身的价值与功能。然而在建造发电机的过程中，仍然有一个必须要面对的问题，就是在总量确定的前提下，大功率发电机的性能要确保足够的优良，即使在失衡波动较大的情况下，也要确保转动惯量的稳定性。所以最好能够采用几台大容量的发电机作为电力系统的发电组合，从而提升电力系统的稳定性，增加稳定裕度。4.2系统的自我保护特性船舰在运行过程中必然会处于非常极端的状态，受到环境因素影响非常大，很容易处于极限状态，因此对于燃气轮机来说，在这种情况下要具备一定的自我保护功能，尤其是在压气机这一部分，无论是温度过高还是转速过快的情况下，都能够及时打开压气机，完成放弃工作，从而有效的控制温度和转速，对系统进行准确的控制和预防，甚至在一些情况下还要做好预防和处理工作，避免因为温度过高和转速过快，导致系统由于燃油的降低和其他情况出现系统问题，要有足够的方法解决温度和转速问题，从而实现系统的稳定。事实上电力系统的自我保护十分困难，也是一项技术难度较大的工作，尤其是发电机组，共同作用是并非各个部分的相加，所以在防止系统损坏的过程中，要加大对设备的保护，重视系统的稳定。第5章结论与启示未来海军舰船的发展仍然会增加对电力的需求，而且对于系统的稳定性要求也会越来越高，因此综合电力系统是未来舰船的主要需求，燃气轮机发电机组自身的优势也决定了它仍然是舰船电子系统中非常重要的一个部分。在面对世界海军动力系统不断发展的同时，要准确把握自身的需求，加大对电力系统相关试验的研究和创新，设计出能够满足不同型号不同吨位宣传需求的动力系统，加快我国燃气轮机的研制工作，并配备相对应的发电机和推进电机为我国未来创建的发展提供更多的动力和帮助。参考文献[1]曹辉,刘荫泽,董威.1次表面换热器在舰船燃气轮机间冷系统中的应用[J].航空发动机,2017,43(03):38-42.[2]曲胜,刘洪亮,陈静.国内舰船燃气轮机润滑油使用现状[J].润滑油,2016,31(03):5-7.[3]姜荣俊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