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1、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
2、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。
3、,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
4、 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
5、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
6、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
7、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
8、。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
9、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
10、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
11、。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、
12、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LM5
13、00、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
14、）、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
15、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M
16、T30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
17、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
18、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）引进技术、国产化阶段。,41,407船用燃气轮机,42,试车台上的409发动机,43,410A舰用燃气轮机,44,国产燃气轮机,45,高温部件(喷嘴和动叶)采用超级镍基、钴基高温合金和定向结晶材料，应用陶瓷耐热涂层。高温部件采用闭式蒸汽冷却。低排放技术。燃用多种燃料。发展新型循环，特别是燃蒸联合循环。,技术发展趋势,46,第三章 燃气轮机,47,参观时间：2014年9月25日 314班 10:20-10:50 315班 11:00-11:30 316班 11:40-12:10参观地点：动力楼3号实验楼1楼带领老师：王志涛 13796629682,
