军舰动力装置概况——燃气轮机.docx

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1、军舰动力装置概况-之一-燃气轮机篇美国FT-8舰用燃气轮机 (一)研制背景和研制计划 FT-8燃气轮机由普拉特?惠特尼(P&W)公司的JT8D-219航空涡扇发动机派生。JT8D-219是JT8D系列中的最新型号，1985年开始投入使用。研制时充分利用了FT-4燃气轮机的成功经验，并移植了普拉特?惠特尼公司的PW2037和PW4000航空发动机的先进技术。在设计上突出了机组的高效率、高寿命和高可靠性。JT8D系列是一型成熟的航空发动机，20余年来已生产14000余台，并装在3000多架民航飞机上，如波音727、737、DC-9、MD-82等。累计运行了两亿八千五百万飞行小时，平均单台寿命超过1

2、8000h。 FT-8是1986年开始设计的。派生时将低压压气机改为8级，前两级用JTSD的风扇改成，第3级至第8级除对第3级压气机叶型作修改外，其他5级不变。进口导流叶片与前2级静子叶片可调。高压压气机共7级，7级高压压气机不变，重新设计了燃烧室和燃料系统。高、低压涡轮叶片加强了冷却，并设计了涡轮间隙控制结构。动力涡轮4级，涡轮效率936，燃气轮机总效率387，是当代同等功率燃气轮机中最高的。 (二)系统组成和主要性能 FT-8燃气轮机由进气道、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、动力涡轮、排气装置和控制系统等部套组成。 进气道。喇叭形进气口，轴向进气。内有整流锥和18个整流支板。低压

3、涡轮、低压压气机。8级轴流式，进口导流叶片和前2级静子叶片可调，转子叶片材料为Ti-6A1-4V钛合金。轮盘材料为钛合金，静子叶片为钢和铝，钢零件有铝或扩散铝涂层。设计转速为7131 rmin。燃烧室。环管形燃烧室，有9个火焰筒，9个燃油喷嘴。采用Hastelloy X材料和PWA261涂层。 高压涡轮。单级轴流式。涡轮叶片和导向叶片为气冷，涡轮叶片材料为MAR-M-247，导向叶片为MAR-M-509，轮盘为In718。叶片涂层为NiCoCrAly。 低压涡轮。2级轴流式，第1级气冷。所有叶片材料皆为MAR-M-247，轮盘皆为Was-paloy。除第2级导向叶片涂层为PtAl外，其余叶片涂

4、层皆为NiCoCrAly。 动力涡轮。4级轴流式，叶片材料除第3和第4级导向叶片为In718外，皆为In738。轮盘为Ing01。第1和第2级涡轮叶片及导向叶片涂层为PWA73铝硅，轴采用PWAll0铝涂层。 排气装置。材料为409不锈钢，结构形式为5个环状圆弧形导流片形成的扩压腔，将气流由轴向转至径向，然后由排气涡壳排出。 轴承。燃气发生器共有7个滚动轴承，动力涡轮的2个支点共用3个轴承支承起动机。空气轮机，也可选用液压马达。 控制系统。Woodward公司的NECON 5000数控系统。 FF-8燃气轮机如图51-4所示。 FT-8舰用燃气轮机在大气温度270(2，考虑进排气损失时的性能见

5、表51-1。表51-1 FT-8舰用燃气轮机在2706、有进、排气损失时的性能 主要技术性能 最 大 连 续 输出功率kw(hp) 热耗(kJ(kW?h)(kJ(hP?h) 油耗(s(kw?h)(s(hp?h) 热效率 空气流量(kgs) 压比 排气温度 动力涡轮转速(rmin) 尺寸(长x宽x高)mm 重量kg 248834(33855) 9333(6860) 2177(160) 386 5791X 1829X 1829 7711 22653(30820) 95034(6985) 2218(163) 379 794 187 443 3000 5791 X 1829X 1829 7711 FF

6、-8三轴、轴流式舰用燃气轮机主要由美国联合技术公司涡轮动力和船用系统分部 (UnitedTechnologies，TurboPower&MarineSystems)研制。合作研制单位还有我国的成都发动机公司。据称，FT-8舰用燃气轮机已开始试制。外刊报道，大凤凰世界城号旅游船已选4台FT-8作动力。采用联合循环，为该船供电、供汽。此船拟用于美国东海岸、墨西哥湾和加勒比海地区作旅游、会议、展览船。除舰用型外，还有发电型和机械传动型。发电型功率24800kW(用蒸馏油)和26130kW(用天然气)，动力涡轮转速3000rmin和3600rmin；机械传动型功率257544kW(35040hp)和2

7、53575kW(34500hp)，动力涡轮转速相应为3000rmin和5000rmin。 FY-8燃气轮机的发电型和机械传动型已开始批生产，并已卖出相当数量。 FT-8燃气轮机的燃气发生器均由美国涡轮动力和船用系统分部制造。而动力涡轮的制造则除了该厂外，还有德国的MANGHH公司。它发展了FT-8-30(FF-8A)的动力涡轮。此动力涡轮转速较高，约5000-5775 r/min。此动力涡轮提供的功率为26000 kW，热效率39，用作泵等的机械传动。 FF-8舰用型与发电型不同之处是舰用型提高了涡轮的进口温度和功率。其他部分除箱装体、系统和输出轴有改变外，均与发电型相同。 日本是FF-8燃气

8、轮机舰用型研制许可证得到最早的国家。它的舰船用FF-8是在FT-8燃气发生器的基础上，配上新设计的三级动力涡轮而成。日本FT-8舰用燃气轮机由三菱重工业公司研制，称为MFF-8，设计开始于1991年10月。由于采用的转子较短，因此，不仅在整个工作范围内振动较小，而且尺寸小、重量轻、效率高。日本研制的MFF-8舰船用燃气轮机在ISO条件下的额定功率为254237 kW(34590hp)，油耗2215 gkW?h(1628 ghp?h)，转速1000-5000rmin，排气温度467，箱装体尺寸8800iTllnX2650llllnX26001llin，重量16t。 日本设计MFT-8舰船用燃气轮

9、机曾经作过的部件试验如下： 海上试验船飞翔号燃气轮机进气系统模块模型试验。 排气系统模型试验。 排气引射器性能和在箱装体内进行换气的模型试验。 从燃气轮机进气口换装燃气发生器的模拟试验。 轴承性能试验。 燃气轮机转子高速旋转振动试验。 控制台等的电气元件的环境和系统试验。 飞翔号(TSL-A70)MFT-8燃气轮机于1993年夏制造完成，其后开始了历时三个月的工厂试验，实现了最大功率24255kW(33000hp)，额定功率20580kW(28000hp)。1994年初，两机装于飞翔号船，同年4月启动、联调和采集数据，7-12月进行海上试验。海上试验内容包括： 在喷水推进装置负荷下启动、加速和

10、减速。此项试验虽在工厂试验时用水力测功器作过，但负荷特性仍有微小差异，需在海上试验中进行过渡特性的确认和调整。海上试验表明，从惰转加速至额定转速仅需一分钟，用启动按钮启动仅需两分钟。停车后，自动进行五分钟的冷却，之后可随时再次启动。 船体和发动机相互振动干扰试验。试验表明，发动机安装防振支架后，船体的低频摇摆对MFT-8舰船燃气轮机没有影响。 进气系统在不同海况的过滤效果试验。试验表明，长度仅为实船长度一半的飞翔号货轮，在货物装载重为200t时，在暴风雨的恶劣天气和波涛汹涌的恶劣海况下，通过进气口的水滴分离器吸人进气系统的海水水雾大致相等，过滤效果很好。 (三)技术特点分析及述评 FI-8舰用

11、燃气轮机有如下特点： 设计性能好 除低压压气机第1-3级静叶采用可调叶片，极大地提高了喘振裕度外，还有下列设计特征：高、低压涡轮采用了间隙控制技术，提高了涡轮效率；高压涡轮轮盘采用空气喷射进行冷却；叶型采用三维设计，减少了流阻损失；采用液压和电调双重调节系统，保证了调节系统的正常工作和可靠性；采用了先进的涂层和材料；叶片采用了先进的冷却技术。 维修性能好 FT-8采用模块结构，共11件模块。因此，更换容易，可用较少时间进行模块更换。FI-8还使用了孔探仪检测技术，各机匣上均开有检测口，在对部件不作分解的情况下，可对通流部分进行观察、照相，实现视情维修。 能满足环境要求 现在有些国家已开始对舰艇

12、动力的NO，排放物标准立法。FT-8的陆上装置，采用了喷水技术，使排气符合不同用户对环境的要求。对舰用FT-8，如需控制NO，排放，达到港口和海洋环境要求，采用陆用Ft-8控制NO。排放的办法，实现也是不难的。 工作可靠性正在逐步提高 我国已经采购了数台FT-8发电型，安装在深圳福田电厂和海南南山电厂。福田电厂的Ft-8发电型燃气轮机已于1992年3月正式并网发电，至1995年4月，已积累了14000h的运行经验，累计发电3亿度。三年的运行实践表明，FT-8在运行中暴露了大量故障，经常引起机组停机的故障类型有20多种，而导致需要更换部件或整机的故障就有16次之多。其中燃气发生器更换了6次，动力

13、涡轮更换了4次，轴承修理过4次。引起故障的原因是多方面的，除了FT-8本身的问题外，尚有运行的工作环境的品质问题，如燃油、滑油、空气、水(如注水)的品质问题。但FT-8本身的可靠性正在逐步提高。日本的MFT-8舰船用燃气轮机在海试时也未见发现更大问题的报道。因此，应该认为，FT-8仍然是正在成熟的机组，根据大量工业Ft-8运行经验研制的舰用型机可望有较高的可靠性。 此外，FT-8燃气轮机由于具有单机功率大、重量轻、尺寸小、机动性好、系统简单、易于维护、振动噪声小等突出优点，作为舰用也是可行的。乌克兰-25000舰用燃气轮机 (一)研制背景和研制计划 -25000燃气轮机(见图51-5)是乌克兰

14、目前正在研制的舰用大功率燃气轮机，又称-801或M-80燃气轮机，在前苏联第三代-15000舰用燃气轮机基础上研制，实际上是将-15000燃气轮机的压气机加零级，将燃气初温提高到1250摄氏度而成的功率加大型。属前苏联或乌克兰的第四代舰用燃气轮机。 (二)系统组成和主要性能 -25000燃气轮机由低压压气机、高压压气机、低压涡轮、高压涡轮、动力涡轮、燃烧室等组成。 低压压气机：轴流式，9级。 高压压气机：轴流式，9级。 低压涡轮：轴流式，1级。 高压涡轮：轴流式，1级。 低压涡轮和高压涡轮采用空气对流冷却。 动力涡轮：轴流式，4级，有可倒车和不可倒车两种型式。 燃烧室：罐式燃烧室，有火焰筒16

15、个。轴承：高压转子、低压转子和动力涡轮3个主要转子由7个轴承支承。-25000燃气轮机在国际标准条件下的额定特性：功率(MW) 25000(39500hp)效率() 375空气流量(kzs) 91压比 236燃气初温()排气温度()动力涡轮转速(rmin)机组重量(ks)尺寸(带排气管，长X宽X高，mm)设计寿命(h)抗冲击能力总寿命1400010000x 3860x 3400垂向：41g，横向：15g，纵向：6g60000h(第一次翻修寿命20000h) (三)技术特点分析及述评 新发展机型，至今未投放市场装船使用，目前仍在试验台上作试验，在试验中曾出现过叶片断裂、涂层掉落等事故。 美国LM

16、-2500舰用燃气轮机(一)研制背景和研制计划美海军在20世纪60年代初期即已考虑将燃气轮机用于舰艇。当时正在开始一系列的极高速反潜护卫舰的设计，项目名称叫“海鹰”。为了和前苏联的类似航速的潜艇抗衡，这些护卫舰预定的航速为40kn。但很快就发现，如果“海鹰”要采用非常大的舰体，要满足其性能要求，只有采用常规的蒸汽动力装置。当时可供选择的方案，第一是选用更高的温度和压力(113MPa，649)，但这不现实。因为，根据现有的845 MPa，510蒸汽动力装置的经验，超过此温压以后，有可靠性问题；第二是采用燃气轮机。 “海鹰”计划后来放弃了，原因部分是由于使用这样高的航速费用很高，部分是由于预计中的

17、那种苏联潜艇没有出现(即后来被“北约”称为“阿尔法”级的705型潜艇)。但美海军对舰艇使用燃气轮机动力装置的热情却始终未减，因为这些发动机有固有的较好的消声特性。为此，美国通用电气公司(GE)船用和工业燃气轮机分部开始研制LM-2500燃气轮机，并将其设计为轴流式的燃气轮机动力装置。 20世纪70年代初，美海军批准建造31艘8040t的“斯普鲁恩斯”级驱逐舰，并决定该级舰采用LM-2500燃气轮机。每舰4台，总功率63210kW(86000hp)。装舰方式为燃气轮机和燃气轮机联合使用装置COGAG，航速33kn。 70年代后期，伊朗订购了对空型的此级舰6艘，以后减为4艘。最后又撤销了这些舰的订

18、货。以后美海军又接过这4艘舰的合同，即“基德”级(DDG993)驱逐舰。 LM-2500舰用燃气轮机的第二个大用户是“佩里”级护卫舰。每舰使用2台LM-2500燃气轮机驱动一部螺旋桨。燃气轮机的布置正好是“斯普鲁恩斯”级舰的一根轴的布置。此51艘舰现已全部服役。澳大利亚、西班牙、台湾也采购了此级舰。 为了满足美国北约近海防御的要求，波音公司(现称波音船用系统公司)为美国海军建造了6艘“飞马座”级导弹水翼艇，水翼航行时的动力为1台LM-2500燃气轮机。该级艇现属海岸警备队，执行缉毒任务。 美海军原计划设计一型装“宙斯盾”系统的核动力巡洋舰，但后来撤销了。取而代之的是设计一型“斯普鲁恩斯”级的派

19、生舰，即9466t的“提康特罗加”级巡洋舰。它使用了已经得到验证的“斯普鲁恩斯”级的舰体和推进设备。至1994年1月，总数为27艘的“提康特罗加”级巡洋舰已全部服役。“提康特罗加”的两轴也使用了4台LM-2500燃气轮机，装舰方式COGAG，总功率63210kW(86000hp)。 为了满足未来的新的使命，以及美海军当时计划拥有600艘舰的兵力的数字要求，1981年，美海军请求投资发展一型新的驱逐舰，即现在的DDG-51“伯克”级，用于补充“提康特罗加”级舰的对空作战。该级舰的生产预计将持续至2004年以后，总建造数会超过50艘。 “伯克”级驱逐舰两轴也使用4台LM-2500燃气轮机，装机总功

20、率超过73500 kW(100000hp)，装舰方式与上述“斯普鲁恩斯”级驱逐舰和“提康特罗加”级巡洋舰相同。 美海军48800t的“供应”级综合补给船每艘装4台LM-2500燃气轮机，采用COGAG方式。目前3艘已经服役。 LM-2500燃气轮机最新发展之一是对高压涡轮添加先进冷却的涡轮叶片。此项发展源于CF6-50民用航空发动机。铸有冷却系统的新的单叶身叶片使该机功率可从202125 kW(27500hp)增加到216825kW(29500hp)，还改善了油耗。功率提高是因为提高了进口温度，且材料本身的温度还有所降低，从而增加了燃气发生器的使用寿命。 单叶身涡轮叶片已在美海军的“卡拉汉”号

21、货轮上运行数千小时。 根据在“卡拉汉”号上的使用经验，通用电气公司在1993年5月宣布，131-2500的功率已经提高到22050kW(30000hp)以上。LM-2500新的额定功率对水面舰艇来说是216825kW(29500hp)，对军事海运局的运输船是23520kW(32000hp)。 1994年，美海军海运局订购了6台功率达23520kW(32000hp)的LM-2500燃气轮机。 LM-2500舰用燃气轮机的投资来自几项美海军计划。1970年，计划项目PE63508N(先进舰船推进系统)开始执行，发展美海军水面舰艇先进燃气轮机推进系统和辅助动力系统，LM-2500燃气轮机、501?K

22、F、IE-831、FT-9，以及索拉(Solar)公司的燃气轮机CO?GAS系统都是根据此项计划发展。目前在这方面主要要作的工作重点是：改进LM-2500燃气轮机推进系统和501?KF燃气轮机舰用电站系统、COGAS系统和LM-3000中间冷却回热燃气轮机。 LM-2500燃气轮机至2000年已生产960余台。 LM-2500舰用燃气轮机，包括箱装体在内估计每台价格为575万美元(1994年)。 LM-2500燃气轮机研制计划由美国国防部、美国海军和美国海军海上系统指挥部主持。研制合同由美国通用电气公司船用和工业燃气轮机分部执行。许可证生产厂家有意大利的菲亚特公司(Fiat Avio SPA)

23、和日本的石川岛播磨重工业公司(Ishikawajima-Harima)。(二)系统组成和主要性能舰用LM-2500燃气轮机是双转子轴流式燃气轮机。由TF-39航空涡轮风扇发动机(美空军C-5AB银河式喷气运输机航空发动机)或CF6-6民用航空发动机改装而成。改装时去掉前风扇，加上前、后机架和进、排气管。 LM-2500舰用燃气轮机由进气口、压气机、燃烧室、高压涡轮、动力涡轮、辅传动装置，以及燃油和燃油控制系统组成。 进气口。进气口包括喇叭口和整流锥。喇叭口有一根喷射管，在清洗压气机时用于喷入清洗溶液，进行压气机除污。 压气机。压气机为单转子16级轴流式压气机，前6级静叶可调，压比约为1718。

24、压气机转子和静子由钛和镍基合金制成。转子有3只轮盘和3只轮鼓。静叶可调的前6级转子，由为压气机修正转速和压比函数的燃油压力调节静叶位置。压气机可抽气用于冷却燃气轮机，也可根据用户需要从压气机出口抽气供它用。压气机所用材料如下：1-14级动叶和1?2级静叶为Ti-6Al?4V；1516级动叶和316级静叶为A286；1113级转子为In718；压气机前机架为17-4PH；后机架为In718。 燃烧室。燃烧室为环形燃烧室。由风罩、圆盖、内环和外环4个主要元件铆接而成。旋流室内共有30个喷油嘴，可从外面取下。燃烧室壁由通过小孔引入的冷却空气进行气膜冷却。火焰管由Hastelloy X和Haynesl

25、88合金制成。过渡管为In718、Rene41和HastelloyX。点火系统有两只点火装置。它们将15V、60Hz的电源转变为高电压，并送至点火器点火。点火系统只在启动时使用。当燃气轮机达到空转转速时即自行关闭。 高压涡轮。高压涡轮用于驱动压气机，为轴流式的2级涡轮。高压涡轮的2级叶片由压气机排出的空气冷却。冷却空气通过燕尾形叶根和叶身进入叶片。高压涡轮第1级动叶内部使用对流冷却和撞击冷却，外部使用气膜冷却；第2级动叶使用对流冷却，所有冷却空气都从叶顶排出。 高压涡轮的2级喷嘴采用空气对流冷却和撞击冷却。静叶涂有抗锈蚀、腐蚀和氧化涂层。第1级喷嘴也有气膜冷却。高压涡轮所用材料如下：第1、2级

26、动叶和第2级静叶为Rene 80熔模铸铁；第1级静叶为X-40。机匣采用In718、Rene41、Hastello X和Haynesl88。高压涡轮的重要部件是涡轮中机架，它支承高压涡轮转子的后端和动力涡轮转子的前端。此机架为高压涡轮将燃气排至动力涡轮提供了平滑的扩压流路。 动力涡轮。动力涡轮由6级轮盘和整体的隔叶块组成。为了减少振动，所有的6级动叶都有联锁叶顶的围带。动叶叶根为燕尾形。动力涡轮轮盘隔叶块间有可取换的旋转密封。这些旋转密封与固定密封紧密配合防止级间燃气过分泄漏。 动力涡轮的静子由中分的两半机匣、第2级至第6级涡轮喷嘴和6级叶片围带组成。第1级喷嘴在涡轮中机架上，是中机架的一部分

27、。第2级、第3级喷嘴按每6只静叶焊接成组。第4级至第6级每6只静叶一组。动力涡轮所用材料如下：第1级至第3级静叶是熔模铸铁Rene77；第4级至第6级静叶为Rene41；机匣是In718，动叶是Rene77，轮盘是In718。动力涡轮的后机架构成动力涡轮的排气流路，并支承动力涡轮的后端和挠性联轴器的前端。后机架上也包含有7号滚珠和7号滚柱轴承的轴承箱。轴承由MPB公司可调滚珠轴承分部提供。 辅传动装置。辅传动由在前机架毂中的进口齿轮箱、在前机架时钟6时位置的支柱内的径向传动轴，以及用螺钉固定在前机架下的一只传动齿轮箱组成。启动器、燃油泵和燃油滤器、主燃油控制装置、滑油泵和回油泵和油气分离器装在

28、传动齿轮箱上。 燃油和燃油控制系统。燃油和燃油控制系统由离心式和正排量组合的燃油泵、高压燃油滤器、燃油控制装置、两只燃油停止和疏放阀、1只燃油加压阀、1根燃油支管和30只双联燃油喷嘴组成。燃油控制系统为机械?液压式，伺服液体为燃油。燃油控制系统还设有旁通回路，多余的燃油可旁通回高压油泵。旁能阀在燃油计量阀的两端有稳定压差，使流量直接正比于主阀的开度。控制系统控制燃气发生器的转速、压气机排气压力和压气机进口温度，还控制稳态和瞬态燃油流量以保持设定转速，防止超温或压气机在加速和减速时失速。它不控制动力涡轮的转速。动力涡轮的转速对于任何燃气发生器设定的转速，是负载的函数。 燃油控制系统也根据燃气发生

29、器的转速和压气机进口空气温度控制压气机的可转导叶以保持在任何运行转速时压气机的效率和失速余度。燃油和功率控制系统由伍德沃德(Wood-ward Governor)公司提供。 LM-2500燃气轮机有5个滚柱轴承和2个推力轴承。2个推力轴承一个用于燃气发生器，一个用于动力涡轮。 LM-2500舰用燃气轮机装在隔热、隔声箱装体内。箱装体安装在底座上。在使用时，安装在箱装体内的燃气轮机与单独安装的电子控制箱和滑油存贮调节箱装体一起使用。滑油箱装体存贮、过滤和冷却燃气轮机的滑油。滑油冷却器的冷却介质是减速齿轮箱油。电子控制箱一般对一轴两机的装置来说要管两台燃气轮机。箱装体内部为了隔热还通有冷却空气。

30、LM-2500燃气轮机的气动噪声很低，在箱装体外谈话时可不受影响。高强度抗冲击机座不仅能隔绝来自船体的冲击载荷，还能隔绝箱装体的结构噪声。此外，箱装体还有如下特点：为检修方便，箱装体内部有照明和加热设备。能防火灭火。能对进气口的结冰报警。能对燃气轮机抽气进行进气防冰声的螺旋桨通气和Masker喷气带通气。交叉启动另一台燃气轮机，以及用于降低水动力噪能防护核爆炸、生物、化学战对机舱的污染。LM-2500燃气轮机推进箱装体共三件：燃气轮机箱装体：长X宽X高为8076mmX2640mmX2440mm，重为21600kg。电子控制设备箱：长X宽X高为500mmX650mmX2000mm，重为200kg

31、。LM-2500燃气轮机电子控制设备箱有两种型号：一种可随意安放；另一种为悬挂式，于没有足够机舱空间的水翼艇使用。 电子控制设备箱由13块固体电路板组成，可通过计算机计算功率、扭矩示；还可进行自动启动和自动停车。 滑油箱装体：长X宽X高为1500mmXl000mmXl500mm，重为540kg。并作数字显示；还可进行自动启动和自动停车。 滑油箱装体能储存滑油1136L(30gal)，能对滑油进行存贮、过滤、冷却。过滤器为双联式，可交替使用，便于修理更换。 高强度抗冲击机座，重约1400kg，能承受的冲击加速度为200g. 图51-6为舰用LM-2500燃气轮机箱装体图，图51-7为舰用LM-2

32、500燃气轮机箱装体部件图。 舰用LM-2500燃气轮机与最初的称为基本型的LM-2500相比有两种变型。 LM-2500-20：这种型号在用于要求比LM-2500功率低时有比较好的油耗特性。 LM-2500-30：这是目前正在销售的标准的LM-2500舰用燃气轮机的现在名称。通用电气公司1993年宣布，其最大功率已达23961kW(32600hp)。LM-2500基本型与LM-2500-30和LM-2500-20的性能对比如表51-2所列。 LM-2500舰用燃气轮机还有几种余热回收变型，主要是LM-2500的回热型13I-2500R、 134-2500的燃气轮机和蒸汽轮机的复合装置LM-2

33、500COGAS和底循环LM-2500机组LM- 2500ABC。 1回热型LM-2500R 研究此回热燃气轮机的目的是因为现在正在美国海军和世界其他各国海军广泛使用的这 种燃气轮机在7350kW(10000hp)以下的低工况时的油耗性能较差，而美海军舰艇以CO-GAG方式使用LM-2500燃气轮机时至少有90的时间工作在7350kW(10000hp)以下。因此，有必要用早巳确知的回热方法来解决其低工况的经济性问题。LM-2500R的概念设计由海上系统指挥部的燃气轮机分部进行。循环分析和结构优化设计由海上系统指挥部会同通用电气公司一起研究决定。LM-2500R在设计点的油耗性能的改善不显著，但

34、非设计点工况油耗性能改善却很明显。表51-2LM-2500基本型与LM-2500-30和LM-2500-20的性能比较 主要技术性能 LM-2500基本型 LM-2500-20 LM-2500-30最大功率/kW(kp)额定功率kw(hp)热效率压比额定功率油耗(g(kW?h)最大功率油耗(g(kw?h)最高燃气初温排气温度空气流量(kgs)比功率(kWkg)动力涡轮转速(rmin)重量/kg长mm宽mm高mm 199185(27100) 17640(24000) 358 ?17 2353 2408 1140 490 65 426 3600 4670 6630 2180 2130 165375

35、(22500) 12936(17600) 34-356 15 2367 2476 1050 420 568 3.53 3000 4670 6630 2180 2130 23961(32600) 202125(27500) 363 192 2327 230 1195 552 699 470 3600 4670 6630 2180 2130特别是如果涡轮喷嘴采用变截面来保持循环温度时效果更好，约为30以上。LM-2500R的输出功率为27195kW(37000hp)，热效率37以上。如果将其可靠性提高到现在13I-2500燃气轮机的水平，则其设计功率将增至28665kW(39000hp)，热效率3

36、8。 LM-2500R舰用回热燃气轮机有如下结构特征： 较之目前的LM-2500燃气轮机，结构改动很少LM-2500燃气轮机的舰艇。如装新舰，更为简单。因此，可用于顺利地改装现在使用LM-2500燃气轮机的舰艇。如装新舰，更为简单。 保留了目前LM-2500燃气轮机的16级压气机、所有的高压涡轮和动力涡轮轮盘、大部分支承结构，以及所有的支承轴承和轴系。因此，与目前舰艇上使用的LM-2500燃气轮机有高度的通用性。 燃烧室改用目前正在生产的CF6-80CZLM-6000的短燃烧室。 回热器安装在排气烟道中，支承在机舱上的甲板上。如安装在新舰上，还可根据船体的要求进行调整。回热器长约3810mm，

37、宽3048mm，高1372mm，加上管路等重约11350kg。LM-2500R箱装体可完全支承在现有的LM-2500箱装体支承结构上。图51-8为回热燃气轮机典型安装图。但LM-2500R回热燃气轮机在具体设计上较之简单循环LM-2500燃气轮机也有一些变化，首先是在原LM-2500燃气轮机压气机之前增加一级宽弦叶片的零级，从而使空气流量增加约20；其次是压气机的第1级叶片重新设计，设计成宽弦叶片，取消挡距中间的挡板；重新设计第2级和第3级的转子叶片的叶型，以增加压气机的效率；第三，重新设计压气机的进口导叶。 重新设计了高压涡轮转子和定子。为了减少维修费用和提高寿命，对高压涡轮还换用了新的材料

38、。 动力涡轮重新设计，因为LM-2500R输出功率较高。为了提高气动效率，还对动力涡轮第1级和第6级叶片作了优化。另外，由于LM-2500R有较高的扭矩，因此还加强了动力涡轮转子的强度。2复合装置型LM-2500COGAS LM-2500COGAS根据美海军PE63508N先进舰艇推进系统发展计划发展，当时该计划称为兰金循环能量回收计划(RACER)。此计划始于1973年左右，目的是要发展一型利用燃气轮机余热的动力装置，装于DDG-51级导弹驱逐舰的后续舰。LM-2500COGAS装置，在LM-2500的功率为202125 kW(27500hp)时，蒸汽轮机产生的功率为62843 kW(855

39、0hp)；LM-2500在低工况时，蒸汽轮机产生的功率为1470kW(2000hp)。余热锅炉干重55t，湿重65t。蒸汽参数为246MPa，510，蒸汽产量24970kgh，无补燃。 LM-2500COGAS装置在发展的14年中，已有3台装置进行陆上试验和海上试验，从所作的装舰技术准备看，美海军已几乎走完了作为一台舰用动力装置的全过程。但后来美海军的LM-2500COGAS计划停止了。其主要原因是因为美海军开始了中间冷却回热循环燃气轮机的研制。而中间冷却回热燃气轮机除了与LM-2500COGAS有大致相同的油耗特性外，还有尺寸、重量和布置上的优势。 3底循环型LM-2500ABC LM-25

40、00ABC于1988年由通用电气公司的Farrell提出并申请专利。它实际上是在LM-2500的基础上增加一台低温、中间冷却的小空气轮机。燃气轮机的排气通过回热器将利用余热的带中间冷却器的小空气轮机的压气机出口空气加热，然后送人空气轮机作功。空气轮机提供的功率其后通过并车齿轮装置与燃气轮机一起驱动螺旋桨。就LM-2500而论，LM?2500的输出功率约为238875kW(32500hp)，空气轮机的进口压力073MPa，温度515，输出功率约为7397kW(10064hp)，排气温度212，两者的总功率为31289kW(42570hp)。功率增加了33，热效率增加到477，油耗降至约1769S

41、(kW?h)(130e(hp?h)，但LM-2500ABC的体积比简单循环LM-2500燃气轮机大2-3倍。LM-2500ABC的原理图如图51-9所示。 LM-2500COGAS、ABC与LM-2500燃气轮机的油耗、功率和效率的比较如表51-3所列。 推进系统名称 油 耗(g(kW?h)(g(hp?h) 最大功率kW(hp) 热效率 纯LM-2500 LM-2500COGAS LM-2500ABC 2286(168) 170(125) 1755(129) 24188(32910) 316859(4311o) 31289(42570) 368 494 477 LM-2500COGAS与LM-

42、2500ABC的性能提高大致相似。但据称，ABC系统在操作和维修上比COGAS容易得多。 (三)技术特点分析及述评 LM-2500舰用燃气轮机是目前在使用的最先进的燃气轮机，其装舰和使用的台数在世界上首屈一指。销量如此之多，使用如此之广是因为它具有如下的技术特征。 1性能好，工作可靠 LM-2500舰用燃气轮机除了低工况性能不尽如人意外，其全工况油耗还是比较好的。可靠性也很高。据用在高速巡逻艇、护卫舰、驱逐舰、巡洋舰、航空母舰上统计，其可靠性已达99。 LM-2500可靠性高的原因，除了因为其母型航空涡轮风扇发动机TF-39或CF6-6有很高的可靠性外(TF-39或CF6-6航空发动机，至19

43、93年，已有1113台在美空军C-5AB银河式大型运输机、DCl0、A-300B等飞机上使用，累计运行2321万小时。而在1968年开始改装为131-2500时，已累计使用22500小时)，还在其派生为舰用燃气轮机时强调了精心设计、重视进行各种试验有关，包括大量的零部件试验、陆上性能试验(如启动、加速、超速、振动、噪声性能试验)、耐久试验、装船进行抗冲击试验，以及各种海上试验。 2有高度的可维修性 由于LM-2500燃气轮机在研制时很重视维修技术的发展，因此可利用性很高，达09992以上。维修技术的发展表现在以下几个方面： 内部零部件用孔探检查。LM-2500燃气轮机，有孔探口40处，其中压气

44、机14处，压气机后机架10处，涡轮中机架16处，可对压气机叶片、燃烧室、燃油喷嘴、高压涡轮、涡轮中机架衬套和低压涡轮进口用孔探仪或摄像机进行探视。由于可使用孔探仪检查内部，因此，燃气轮机可不必按预定时间大修。目前，某些LM-2500燃气轮机已经运行厂16000h，其涂料尚完好无损，根本勿需大修。 取换燃气轮机使用移换系统。现在利用移换系统取换燃气发生器，在船坞或供应船卜仅需26h。 部件设计模块化。由于采用模块结构，因此更换内部零部件时可以不必拆除燃气轮机，而只取换模块。 3不断地改进技术性能 LM-2500燃气轮机从1975年开始投入实舰使用以后，随即开始了新的旨在改进其性能、可靠性、可利用

45、性和可维修性的发展计划。至1994年的20年间，先后两次较大规模地、目标明确地实施这种发展计划，从而先后两次宣布提高功率和性能。 第?项计划：“元件改进计划”。从1976年开始，目标是降低油耗、增加寿命-采取厂如下措施： 对高温部件适当地选用优质材料。 研制耐腐蚀、耐高温的叶片涂层。 发展叶片冷却技术，提高燃气初温并降低冷却气量。 对某些结构作适当改进，如改进叶梢间隙等。 提高部件效率。 第二项计划：“保护燃油计划”。目标是在不牺牲已取得的可靠性的前提下，使油耗更进一步地减少。采取的办法是： 利用与CF-6航空发动机相同的改进技术，提高部件全功率效率。 减少部件在低功率时效率降低的程度。 保持燃气轮机在低功率时的冷却和通风空气流量。英国“斯贝”SMIA和SMlC舰用燃气轮机 (一)研制背景和研制计划 20世纪60年代末期，英国海军发现有必要研制一型11025kW(15000hp)等级的高性能燃气轮机，来填补“太因”(Tyne，3925kW(5