船舶動力裝置概論第九次.ppt

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上節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容 3 3燃燒室燃油霧化與噴油嘴燃燒室結構的新發(fā)展燃燒室的故障 3 4燃氣渦輪概述結構渦輪葉片冷卻3 5船用燃氣輪機發(fā)展國外艦船用燃氣輪機概況國內(nèi)艦船用燃氣輪機概況 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 3 一 概述 燃氣渦輪是燃氣輪機的另一主要部件 它的功用是把來自燃燒室的高溫 高壓燃氣中的部分熱能和壓力能轉換成機械功 用以帶動壓氣機 附件和外負荷 船舶螺旋槳或發(fā)動機 按燃氣流動方向 燃氣渦輪可分為軸流式和徑流式 而徑流式又可分為離心式和向心式 因離心式效率很低 故很少使用 船舶燃氣輪機多應用軸流式渦輪 其特點是功率大 燃氣溫度高 轉速高 效率高 同時對其尺寸 重量也有嚴格的要求 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 4 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 5 軸流式渦輪中 按轉子數(shù)目不同可分為單轉子 雙轉子和三轉子三種 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 6 1 必須有足夠高的效率 2 必須能承受高溫 熱沖擊和熱應力的作用 3 外廓尺寸要求 結構要緊湊 重量要輕 4 充分考慮渦輪部件的冷卻問題 以滿足燃氣輪機不斷增長的性能和可靠性等方面的要求 5 充分注意零部件和組件的熱定心問題 渦輪的工作條件也十分惡劣 高溫 高轉速 頻繁劇烈熱沖擊 不均勻加熱以及由于轉子不平衡和燃氣壓力 流量脈動造成的不平衡負荷的作用 渦輪是燃氣輪機中熱負荷最大的部件 因此 對渦輪的設計提出以下要求 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 7 二 結構 渦輪有轉子和靜子兩部分組成 1 轉子 渦輪轉子是渦輪轉動部分的總稱 由渦輪盤 渦輪軸 工作葉片及連接零件等組成 這些基本要求是 采用優(yōu)質 抗腐蝕 耐高溫的結構材料 采用有效的冷卻 隔熱 均溫 潤滑密封方法和合理的結構形式 以避免和減少零部件 組件的熱應力 熱變形 熱疲勞和振動 保證轉子工作時具有高的效率 良好的熱定心 具有可靠的聯(lián)接 足夠的強度 并使轉子具有盡可能緊湊的結構 小尺寸和輕重量 以及足夠長的使用壽命 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 8 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 9 渦輪盤與渦輪軸在聯(lián)接處承受很大負荷 有扭矩 軸向力 轉子重量 慣性力及不平衡力引起的彎矩 以及由轉子不平衡 燃氣壓力脈動等原因造成的振動負荷 此外 還處在較高的溫度環(huán)境下工作 具有一定的熱負荷 應減少輪盤向軸和軸承的傳熱 盤與軸的聯(lián)接分為不可拆式和可拆式兩大類結構形式 1 不可拆式結構 a 銷釘聯(lián)接 b 整體結構或焊接 2 可拆式結構 a 螺釘聯(lián)接 b 短螺栓聯(lián)接 1 盤與軸的聯(lián)接 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 10 在多級渦輪轉子中 盤與盤之間的聯(lián)接與是結構設計中的主要問題 盤與盤間的聯(lián)接也分為不可拆卸和可拆卸兩種結構 2 盤與盤的聯(lián)接 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 11 葉片用樅樹型榫頭和輪盤聯(lián)結 葉片靠楔形根部上的樅樹型齒裝在渦輪盤上的相應齒槽內(nèi) 齒面承受葉片離心力彎曲力矩作用而承受剪力和彎曲 齒的工作表面承受擠壓 榫頭各個截面承受拉伸 3 工作葉片與輪盤的聯(lián)接 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 12 靜葉的安裝形式有多種 靜葉內(nèi)環(huán)和渦輪輪盤間必須有密封防止漏泄的措施 以提高渦輪的效率 2 靜子 靜子包括靜葉 機匣和所有的靜止零件 機匣是圓柱或圓錐形的薄殼體 是燃氣輪機主承力系統(tǒng)的重要部件之一 渦輪軸承的支撐靠機匣傳力到安裝支點 通常為了加工和安裝方便 機匣是分段的 各段間用法蘭連接 此連接應保證有足夠的剛度 在熱態(tài)工作時不應使剛度減小 在軸向和徑向的定位面設計時必須保證上述要求 動葉頂部同機匣內(nèi)表面的間隙 對于動葉工作效率和可靠性有很大影響 同時冷態(tài)和熱態(tài)的間隙會有變化 特別是在停機時 機匣冷卻較快 而內(nèi)部的動葉冷卻較慢 此時務必防止發(fā)生動葉與靜葉相互刮磨的現(xiàn)象 以提高可靠性 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 13 三 渦輪葉片的冷卻 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 14 透平第一級涂層 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 15 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 16 氣冷葉片的結構形式主要有以下幾種形式 1 對流冷卻2 噴射式冷卻3 氣膜冷卻4 發(fā)散冷卻 為了提高燃氣初溫的高標準要求 必須把研制開發(fā)高級耐熱合金 在熱端零件表面噴涂屏障涂層和開發(fā)先進的高溫渦輪冷卻技術 三者很好的結合起來才能更有效 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 17 冷卻空氣流經(jīng)葉片內(nèi)壁上的冷卻孔通道或縫隙時 冷卻空氣與葉片壁面發(fā)生對流換熱 把葉身上的熱量帶走 從而達到冷卻的目的 冷卻效果一般為200 250 冷卻孔通道的形狀可有多種 如圓孔形 三角形 翼形或扁形孔等 1 對流冷卻 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 18 2 噴射式冷卻 利用冷卻空氣形成的一股或多股射流對著被冷卻表面噴射 以增大葉片型面與冷卻空氣之間的換熱系數(shù) 增強冷卻效果 這種噴射式冷卻方式可以用在渦輪工作葉片上 但更普遍的還是用在導向渦輪器葉片上 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 19 3 氣膜冷卻 冷卻空氣從葉盆端部進入葉盆內(nèi)部 而后透過壁面上的小孔流出 在順著燃氣方向的葉盆外壁處形成一層空氣氣膜 此氣膜把葉片外表面與熾熱的燃氣隔離開來 從而達到隔熱 冷卻的目的 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 20 4 發(fā)散冷卻 葉片用疏松多孔透氣的材料制成 或在空心葉片壁面上采用電火花或電子束 激光打孔等工藝方法加工出大量密布的直徑很小的小孔 葉片內(nèi)腔的冷卻空氣會透過葉片壁面上無數(shù)的微孔和小孔滲出 由于孔徑小 氣流射流穿透深度淺 透過壁面后很快形成緊貼外壁面的冷氣層 第三章船舶燃氣輪機裝置 3 4燃氣渦輪 21 渦輪葉片冷卻技術發(fā)展趨勢 3 5船用燃氣輪機發(fā)展 22 1 2 3 內(nèi)容提要 引言 國外艦船用燃氣輪機概況 國內(nèi)艦船燃氣輪機概況 1 四個發(fā)展階段萌芽階段 20世紀之前 工業(yè)試用階段 20世紀初 實用階段 20世紀中期 發(fā)展階段 20世紀后期 2 沿革從20世紀初初步試驗成功 到制造出有價值的裝置花約40年 20世紀50年代 在航空領域取得主宰地位 20世紀60年代 航改機盛行 發(fā)達國家海軍推行 全燃化 開始用于調峰發(fā)電及輸油輸氣管線 20世紀70年代 陸 海用燃氣輪機數(shù)量繼續(xù)增長 坦克開始正式使用燃氣輪機 聯(lián)合循環(huán)電站得到快速發(fā)展 20世紀80 90年代 燃氣輪機性能得以大幅度提高 新型熱力循環(huán)相繼得到發(fā)展 CC STIG HAT ICR 低NOx技術廣泛應用 燃用多種燃料 一 燃氣輪機發(fā)展歷史 24 二 艦用燃氣輪機概況 艦用燃氣輪機是繼艦用蒸汽輪機和柴油機之后的新一代發(fā)動機 它具有單機功率大 體積小 重量輕 機動性好 污染小 效率高 排氣熱量可綜合利用 振動小 無往復機構 可靠性高等特點 艦用燃氣輪機已成為各海軍大國主要發(fā)動機機種 得到廣泛的應用 從幾百噸的高速小艇 高性能船到驅護艦 航母等中 大型艦船 都普遍采用燃氣輪機作動力 使用形式有全燃 柴燃 燃蒸 燃氣輪機和電力推進 燃電 等聯(lián)合動力 據(jù)不完全統(tǒng)計 截止2001年底 全世界已有1340艘艦船裝有3313臺艦用燃氣輪機 25 三 艦用燃機目前技術水平和主要廠商 艦用燃氣輪機技術進展迅速 綜合性能不斷提高 單機功率已達50MW MT50 壓比25以上 燃氣初溫已超1400 效率高達42 1kg工質所發(fā)出的功率 即比功率為318kW kg s 大修周期可達50000 60000小時 世界上能生產(chǎn)燃氣輪機的公司約有22家 但絕大部分艦用燃氣輪機只集中于四家制造公司 美國通用電氣 GE 公司 英國羅爾斯 羅伊斯 RR 公司 美國普拉特 惠特尼 P W 公司和烏克蘭的 機器設計科研生產(chǎn)聯(lián)合體 使用較多的機型有LM2500 奧林普斯 SMIA和SMIC 目前艦用燃氣輪機大多為航空改型機 專用化設計的艦用燃氣輪機主要是烏克蘭的燃氣輪機系列 26 四 艦用燃氣輪機主要發(fā)展方向 一 繼續(xù)發(fā)展高初參數(shù)的簡單循環(huán) 進一步提高燃氣初溫 同時也相應地提高壓比 其中冷卻技術的改進可使燃氣初溫平均每年提高約25 而耐高溫材料的開發(fā)可使燃氣初溫平均每年提高10 目前研制的工程陶瓷材料 其耐熱溫度可達1600 二 發(fā)展復雜循環(huán) 充分利用燃氣輪機排氣熱量 提高機組總的效率 為此 采用了回熱循環(huán)和燃蒸復合循環(huán) 三 進一步完善燃氣輪機各主要部件的性能 提高部件效率 四 大力發(fā)展小功率燃氣輪機 27 4 1國外艦船燃氣輪機概況 LM系列包括LM500 LM1600 LM2500 LM2500 LM6000等型燃氣輪機 目前 國際上有27個國家的海軍選用約1000臺GE公司的船用燃氣輪機 安裝在388艘船上 在商船領域 有82臺LM系列機以不同的布置形式 在45艘船上使用 有機械推進也有電力推進 LM系列燃氣輪機作為推進主機和原動機能成功投入使用是因為 效率 盡可能獲得與負荷匹配的功率 人員配備 最少的人員操作 信號特征 減少噪聲和排放污染 全壽期費用 最低 4 1 1GE公司LM系列燃氣輪機的應用情況 28 29 臺架試驗的LM2500 燃氣輪機 30 4 1 2WR 21艦用燃氣輪機 WR 21由美國諾思羅普 格魯曼公司 負責系統(tǒng)總成 英國RR公司 負責燃氣輪機 美國AlliedSignal公司 負責回熱器與中冷器 和加拿大的CAE公司 負責控制 聯(lián)合組成的國際工業(yè)集團研制 在各部件和整機嚴格試驗的基礎上 進行了兩個500h的耐久試驗 總計超過2100試驗小時 已有美國DD21 最近有報導擬采用MT30燃氣輪機 和英國45型等多型艦船擬采用WR 21燃氣輪機 31 WR 21艦用燃氣輪機技術特點 WR 21以RR公司的航機RB211 超過1億飛行小時 為核心機 技術特點 一 位于高 低壓氣機之間有中間冷卻器 冷卻了進入高壓壓氣機的空氣 以減少高壓壓氣機的壓縮功 改進了高壓軸效率并增加約25 的發(fā)動機輸出功率 二 采用回熱器回收排氣余熱提高效率 三 動力渦輪的第一級采用可變幾何尺寸導葉 提高了在整個運行范圍內(nèi)的效率 32 WR 21與幾型艦用燃氣輪機的比較 33 WR 21模塊化部件在箱裝體內(nèi)的布置 34 4 1 3MT30艦用燃氣輪機 MT30是英國RR公司在航機Trent800基礎上 裝在波音777民用飛機上 1995年以來Trent發(fā)動機累計飛行超過500萬飛行小時 于1996到1999年進行船用化改裝的簡單循環(huán)燃氣輪機據(jù)悉 美國快船公司已訂購25臺 作265米橫渡大西洋超級高速貨船 4艘 的動力 航速40kn 每船五臺MT30驅動五臺KaMeWa噴水推進裝置 RR公司于2005年初提供MT30發(fā)電機組 作為美國海軍未來水面艦船DD X 綜合電力系統(tǒng)發(fā)電模塊 進行工程研制試驗 35 MT30機組結構 MT30低壓壓氣機8級 靜葉片均為變幾何尺寸葉片 高壓壓氣機6級 高 低壓壓氣機的渦輪均為單級 動力渦輪為4級 36 4 1 4MT50艦用燃氣輪機 MT50是英國RR公司由航空發(fā)動機Trent800船用化改裝的簡單循環(huán)燃氣輪機 采用三軸設計 是目前世界上功率最大 50MW 效率最高 42 的船用燃氣輪機 是未來高速渡船 大型船舶的理想動力 37 4 1 5LM6000船用燃氣輪機 美國GE公司的LM6000船用燃氣輪機 是目前功率較大 效率較高的簡單循環(huán)燃氣輪機之一 由CF6 80C2航機艦改的LM6000 功率42 75MW 排氣流量123 8kg s 效率40 油耗0 213kg kWh 排氣溫度456 動力渦輪轉速3600r min 機重8169kg 尺寸長為7 3m 高2 5m 用于工業(yè)發(fā)電的LM6000已超過600臺 38 4 1 6英國SMIC艦用燃氣輪機 SMIC艦用燃氣輪機功率17 56MW 燃氣初溫1493 空氣流量65kg s 效率37 2 尺寸7 5 2 29 3 08m 重量25 69t 39 4 1 7FT8燃氣輪機 FT8燃氣輪機是美國普惠公司航機改型的船用和工業(yè)用燃氣輪機 功率24 26MW 效率37 3 空氣流量82 7kg s 油耗0 228kg kWh 尺寸8 4 2 6 2 6m 重量23t 40 4 2我國艦用燃氣輪機概況 中國艦用燃氣輪機發(fā)展經(jīng)歷了三個時期 四個發(fā)展階段 1 仿制階段 404機組 2 自行設計自行階段 401 401 機組 3 航機改裝階段 407 409 410A 410B機組 4 引進技術 國產(chǎn)化階段 41 407船用燃氣輪機 42 試車臺上的409發(fā)動機 43 410A艦用燃氣輪機 44 國產(chǎn)燃氣輪機 45 高溫部件 噴嘴和動葉 采用超級鎳基 鈷基高溫合金和定向結晶材料 應用陶瓷耐熱涂層 高溫部件采用閉式蒸汽冷卻 低排放技術 燃用多種燃料 發(fā)展新型循環(huán) 特別是燃蒸聯(lián)合循環(huán) 技術發(fā)展趨勢 46 第三章燃氣輪機 47 參觀時間 2014年9月25日314班10 20 10 50315班11 00 11 30316班11 40 12 10參觀地點 動力樓3號實驗樓1樓帶領老師 王志濤13796629682