轮机导论-第3讲-船舶动力装置- 舰船燃气轮机装置

舰用燃气轮机装置几乎都采用简单的热力循环型式。
1、热力循环原理
图2-10为热力循环过程示意图。如图a）所示，大气 压状态的空气被压气机 1 吸入，空气在压气机中从 P1 压 缩到压力P2，整个压缩过程如图b）中1-2线段。
图2-10 燃气轮机装置简单热力循环示意图
根据热力学基本原理进行假设来研究循环过程，可把 实际过程理想化。假定在压缩过程中与外界无热交换和气 体无流动损失，可把压缩过程看作绝热等熵压缩过程，压 力和温度同时升高。当空气经过压气机后进入燃烧室 2 ， 同时向燃烧室喷入燃油，燃油和一次空气混合并在定压下 燃烧，形成高温燃气，图中线段 2-3 可看作等压加热过程。
声系统和控制台等。
燃气轮机的基本工作原理和结构与蒸汽轮机大致相
同，皆有固定不动的导向叶轮和旋转的工作叶轮等部件 组成，所不同的是蒸汽轮机的工质是蒸汽，燃气轮机的
工质是燃气。同时，燃气轮机是采用反动式汽轮机，而
蒸汽轮机大多数采用冲动式汽轮机。
三． 简单热力循环过程
船舶燃气轮机装置是以空气和燃气为工质，在压气 机、燃烧室和燃气涡轮中经过一系列的热力过程，连续 地完成热循环后，才能不断地对外输出机械功。输出功 率的大小和装置热效率的高低，取决于热循环的型式和 工质的状态参数。
图2-10 燃气轮机装置简单热力循环示意图
二次冷却空气经环形通道面渗入高温燃气，燃气温度降低 后再进入燃气轮机3和4。燃气在燃气轮机中膨胀作功，同 样假定燃气与外界无热交换，燃气无流动损失及泄漏，过 程 3-4 可看作绝热等熵膨胀过程。作过功的废气从烟囱排 入大气，由于燃气还具有一定热量，大气是一个无限的定 压空间，可把过程 4-1 看作等压放热过程，这就完成了装 置理想简单的热力循环。
和有效功的输出，以至于使燃气轮机装置不能对外输出
有效功。因此，如何降低燃气轮机装置内部损失，提高
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输出功率，是燃气轮机装置的重要研究课题。
三、燃气轮机装置的主要优缺点
1、优点 舰船燃气轮机动力装置自五十年代末期起，尤其是六 十年代中期以来，在水面舰船上得到极其广泛的应用（使 用范围和功率总数）。这完全在于舰用燃气轮机装置比其 它各种装置有着一些突出的优点所致，即： 1) 燃气轮机对舰船所需的功率指令反应迅速，从冷态 启动到发出全功只需 2~3 分钟，在紧急状态下，还可缩短 到1 分钟左右。为改善舰船的机动性和操纵性创造了优越 的条件； 2 ）舰船燃气轮机的单机功率比较大。单机功率已达 29400~36750KW ，有比较成熟的机组。因此，燃气轮机 的发展已为舰船航速的提高和动力装置的简化提供了有利 的条件；
航空发动机研制没能突破相关技术瓶颈，与航空发 动机技术相通的舰用燃机更是无从谈起。在2004年，中 国一航开发研制的国产新型燃气轮机 QC185在珠海航展 上首次面世。而该机就是以太行核心机为基础改进的轻 型燃机，不过输出功率17兆瓦的水平也不足于我国目前 发展大型水面舰艇的需要。
QC185
R0110重型燃气轮机，航母动力系统15万马力
转速是三种动力系统中最高的，但是由于整个转子十分
轻巧，在启动机帮助下在1-2分钟就可以达到最高转速。
而柴油机由于转子运动源于活塞的往复，加速较慢，蒸
汽轮机更是“反应迟钝”，整个系统达到最高功率输出
可能需要长达一小时的时间。而启动速度，对于军舰的
战时出动和反潜作战时加减速性能有着直接的影响。
燃气轮机第三个优势是噪声低频分量很低。由于燃
气轮机本身处于高速稳定转动当中，产生的噪声更多是
高频啸声。而柴油机的活塞往复产生了大量低频机械振
动噪声，恰好迎合了海洋容易传播低频噪声的特点，导
致军舰容易被敌方声纳探测。所以柴油机动力尤为不适
合给反潜军舰作动力系统。
2、缺点 任何事物总是一分为二的。在舰艇燃气轮机动力装 置的发展中，与蒸汽、柴油机动力装置相比，还有许多 急待进一步研究解决的问题。譬如： 1 ）燃气轮机的油耗率与柴油机相比，还是偏高。 以美国比较先进的LM2500机组为例，其额定负荷下的燃 油消耗率已达240g/kw· h，接近中、高速柴油机的水平。 因此还有待进一步研究改进，以利节省燃油和增大舰船 续航力； 2）目前的舰船燃气轮机，几乎均使用轻柴油以上的 、低粘度、优质燃料油。这样，其燃料费用大大增加；
3 ）舰船燃气轮机的低负荷运行性能比较差，效率 低，油耗高，易超温，易喘振。所以不宜长期处于低负 荷工况下运行； 4）舰船燃气轮机的耗气量仍然很大。以 18375~20580kw 的 机 组 为 例 ， 每 秒 空 气 消 耗 量 高 达 61~110kg/s。因此在舰船上，必须设置非常庞大的进、 排气管。这样就迫使动力装置的重量尺寸明显增大，也 影响全舰有效甲板面积的利用以及舰体结构强度； 5 ）在燃气轮机的气体流路中，气流的紊流度强， 涡流源多，因此，燃气轮机工作时会发出频谱很宽的、 能量较强的气动噪音。在进、排气管管口附近的噪音， 可达 115 分贝以上，严重影响舰船指战员的正常工作和 健康，影响舰船的隐蔽性，所以必须采取消音措施；
2）理想简单热力循环，当 一定时，温度升高比 越
大则有效循环功lO就越大。但理想循环热效率 t 却是不变
的，因在循环中对工质所加入的热量
q1 增加，同时工质向
冷源放出的热量 q 2也随着增加。
3）当温升比 一定时，有效循环功lO在随增压比 变 化时，会出现一最大值lOmax，在lOmax时的增压比称有效功 最佳增压比 lo max 。此值可从循环有用功的表达式对 微 分取得到
总结：燃气轮机作为军舰动力的优势
燃气轮机第一个优势是功率密度极大。一般情况下， 同等功率的燃机体积是柴油机的三分之一到五分之一，
是蒸汽轮机的五分之一到十分之一左右。这是由于燃气
轮机本身精巧的连续转动热力学循环结构造成的，体积
小、功率大，非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点。
燃气轮机的第二个优势是启动速度快。虽然燃机的
在空气进入涡轮膨胀作功之前是由轴流式压气机先 预先压缩的。压气机由涡轮机驱动的传动轴带动的。轴 流式压气机是一种由多级静动叶相间组成的多级压气机。 在动静叶中，空气加速、扩压，以达到预定的压力。
为了保证机组的正常起动和运行，还需要有一整套
附属系统来配合。这包括：起动系统、点火系统、燃料 供给和控制系统、润滑系统、空气冷却系统、进排气消
6 ）舰船燃气轮机的运行可靠性较好，其翻修寿命 有的已能达到 10000 小时以上。由于机组本身的重量尺 寸比较小，容易实现快速更换。这样就大大提高了舰船 的实际服役率。同时，也大大简化了舰上的维修保养工 作，有利于减少在舰人员； 7 ）与蒸汽轮机和柴油机动力装置相比，燃气轮机 的滑油消耗量比较低。目前已达1~5kg/h，故滑油储存舱 较小； 8 ）正由于燃气轮机轻巧，又容易实现全自动化监 控和远距离集中控制，故一般均将机组置于密闭机罩内 ，以利隔音、隔热、防化、防原，从而改善了机舱工作 条件。
受不了，所以也需要有大量的冷却空气去和这种高温燃
气掺混，将燃烧气温度降到燃气涡轮材料所许可的最高
持续温度。
燃气涡轮的作用是将来自燃烧室的高温高压燃气的 热能转换成轴上的机械功，以驱动压气机和通过挠性联 轴节、减速装置驱动螺旋桨。图2-9还表示出空气—燃气 流经燃气轮机时，其流速、压力和温度的变化情况。
燃油和空气混合、燃烧后所产生的炽热气体，其温 度高达 1500 ～ 2000℃。这种高温燃气，必然要对燃烧室 进行强烈的辐射热交换和对流热交换。如果燃烧室的内
壁不进行冷却，那就极易烧环。所以保证在环形通道中
间有一定量的空气流过是很有必要的。另外，燃烧室的
高温燃气，如果直接流入燃气涡轮中，涡轮的材料也承
lo max
2m

4）当理想简单热力循环的温度升高比 提高时，不仅 其lOmax的绝对值有所增加，而其相对应的 lo max 也增大。
4、讨论
而在实际简单循环中，在压气机和燃气轮机中，工质都
上面所讨论的是理想情况下的燃气轮机装置的循环，
存在流动损失，泄漏损失等；在燃烧室中存在燃烧不完
全损失等；同样气流在进排气道和燃烧室中还有气体的 流阻损失等。所有这些损失都会影响燃气轮机实际效率
3 ）舰船燃气轮机的重量尺寸，非常轻巧。单位功 率的机组重量已降低到 0.22~0.27Kg/KW, 它几乎是柴油 机的1/10。这一点极其可贵。它既能有效地缩小动力装 置的重量尺寸，增加燃油装载量、扩大通讯和武备的总 容量，又能提高生命力和续航力； 4 ）舰船燃气轮机的所有辅助系统和设备，均附设 于机组本体上，而且配有可靠的自动控制和调节设备。 因此，操作简便，容易实现全船自动化和远距离集中操 纵等； 5 ）因为燃气轮机是回转机械，又比较轻巧，结构 上容易实施合理的减振支承和挠性支承，所以机械噪音 源少，机械噪音量小，且不易通过舰体向水下传播，使 作战舰的隐避性有所改善；
一．燃气轮机的发展历程
1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程。 1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮 机，其效率为 13 ％、功率为 370 千瓦，按等容加热循环工 作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多 重大缺点而被人们放弃。
一．燃气轮机的发展历程
随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气 体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问 题，同时在高温材料方面出现了能承受 600℃以上高温的 铬镍合金钢等耐热钢，因而在30年代中期出现了效率达85 ％的轴流式压气机。 1939年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率 达18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功。 1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验。 1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水， 它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力。 1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。
i 4 i1 T4 T1 t 1 1 1 i3 i 2 T3 T2 q1 q2
由于1-2和3-4是绝热过程
T2 P2 ( ) T1 P1
K 1 K
及
T3 P3 ( ) T4 P4
K 1 K
P2 假定：循环增压比 P1
T3 循环温度升高比 T1
在T-S图中，定压加热线 2-3下的面积代表加入热量，亦为加热 终点和始点之焓差，并假定燃气定压比热CP不随温度而变是一个定 值，即： q1 =面积23872= i3 i2 C P (T3 T2 )
放给冷源的热量q2 为 q2 =面积41784= i4－i1=Cp(T4－T1) T-S图中封闭过程线所围面积代表循环有用功 l0，即 l0= q1－ q 2 = 面积12341 求装置的循环热效率，按定义
二．舰用燃气轮机装置的组成与原理
1、主要组成部分 轴流式压气机、燃烧室、驱动压气机的燃气轮机 （高压涡轮）、动力燃气轮机（低压涡轮）。 我们常把压气机、燃烧室和高压涡轮看作一个整体， 称为燃气发生器。
图 燃气轮机装置简图
2、工作原理
在运转中，燃气轮机的压气机由大气中吸入一定量的空气并 将其压缩到某一压力后就供向燃烧室以及燃烧室与机匣之间的环 形通道。流向燃烧室的那部分空气（称为一次空气）是供给燃烧 室作油气混合并燃烧用的，而流向环型通道的那部分空气（称为 二次空气）则是用作冷却燃烧室和掺混高温燃气的。
图2-10 燃气轮机装置简单热力循环示意图
2、循环参数关系
理想压气机所消耗的功在P-V图上用面积12651来代表，即 lC=面积12651=i2 - i1 在进行绝热等熵膨胀过程中，工质所作功在P-V图上可用面积 34563来代表，即 lT=面积34563=i3 - i4
装置的循环有用功，即膨胀和压缩功之差，在P-V图上可用封 闭过程线所围面积12341来代表，即： T4 T2 lO lT lC 面积 12341 C P T3 (1 ) C P T1 ( 1) T3 T1
1 1 t 1 1 m T2 T1
k 1 m k
m
l o C PT1[ (1
) 1]
m
3、结论
1）理想简单热力循环的效率 t ，只取决于增压比和 气体的绝热指数 k 。增压比越大，效率越高， K 越大效率
也增大，但k值变化小，所以对 t 的影响不大。
本次授课目标
掌握燃气轮机的基本组成及其工作原理 掌握燃气轮机的热力循环过程 了解燃气轮机的优缺点及其应用
2.2 舰船燃气轮机装置
舰船燃气轮机动力装置是指以燃气轮机为主机的动
力装置。它将燃料的化学能转换成热能，继尔再转变成 机械功的回转式热机。 目前，舰用燃气轮机装置绝大多数是用航空燃气轮 机改为船用，因为航空型燃气轮机装置结构轻巧紧凑， 工作可靠，改装也较方便。