船舶动力系统4-1.ppt

船舶动力系统船舶燃气轮机 燃气轮机l燃气轮机（Gas Turbine Engine） ：以燃气为工质，带动叶轮高速旋转，把燃料的化学能转变为机械能的内燃式动力机械，是旋转叶轮式热力发动机l工作原理：燃气经喷嘴膨胀，工质的热能转化为动能；通过各级涡轮，动能转化成机械能走马灯是涡轮机(透平)的雏形 发展历史l1939年，德成功研制第一台航空涡轮喷气发动机，瑞士研制成功第一台工业发电用燃气轮机燃气轮机进入实用阶段，并迅速发展 l1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验l1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，1.86兆瓦的燃气轮机作动力l1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车l最简单的燃气轮机装置包括三个主要部件：u压气机u涡轮机（透平/ 燃气轮机）u燃烧室 l工作过程空气 燃料点火燃烧，燃料化学能转化成燃气热能高温燃气燃气涡轮机，膨胀降压加速（热能动能）推动叶轮转动，推动透平叶轮（动能机械能）， 带动压气机一起旋转剩余机械能输出通常，涡轮机发出的2/3机械能驱动压气机，1/3机械能对外输出压气机压气机泵泵燃烧室燃烧室燃气轮机的分类l按负荷情况上划分 u重型：零件较为厚重，大修周期长，寿命可达10万小时以上工业上用于拖动发电机组发电、机械驱动u轻型：结构紧凑而轻，所用材料一般较好，寿命较短飞机、舰船发动机（ 航机结构最紧凑、最轻）l从结构上划分o单轴：压气机、涡轮机、负载共轴o双轴 压气机与负载不共轴o多轴单轴燃气轮机，负载变化转速变化，直接影响压气机转速 吸入压气机的空气量发生变化严重，压气机喘振，发生事故l高压透平所作的功为压气机提供驱动力，动力透平的全部作功用于驱动负荷l负荷设备与高压透平机械地分开对起动的要求降低燃气发生器动力涡轮系统负载变化不大时，一般选用单轴燃气轮机（用于驱动发电机等速度变化不大的负荷 ）负荷变化较大时，可视具体情况选用双轴或多轴燃气轮机（船用）单轴布置船舶燃气轮机l主燃气轮机n全工况船舶燃气轮机：各种航速下均投入使用n巡航船舶燃气轮机n加速船舶燃气轮机：高速航行or应急机动时开动l辅助船舶燃气轮机：驱动辅机（发电机、海水泵、风机）l航空燃汽轮机的进排气系统，是飞机框架和喷气推进系统的一部分l船用燃气轮机装置改进了航空燃机的进排气系统，以适应船用需要l船舶燃气轮机的循环是开式循环（从大气中吸入新鲜空气，把废气排向大气）船舶燃气轮机开式燃气轮机结构示意图P57l舰船推进用燃气轮机装置组成部分P58：u压气机、燃烧室、涡轮、齿轮减速器（俗称燃气轮机的“四大件”）。

u燃油系统、滑油系统、传动装置、空气冷却系统、起动系统、调节控制系统u进气滤清系统、通流清洗系统、抽气通风系统、灭火系统、防冰系统 l燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高70年代末l压缩比最高达到31l燃烧室内燃气温度2000左右 经部分压缩空气冷却，工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200左右，航空燃气轮机的超过1350l效率达38l燃气在涡轮中做功后，压力接近大气 压，排入大气 or 循环利用l新型的船用燃机装置均为多轴结构l燃气发生器：把压气机、燃烧室、高压涡轮机看成一个整体；燃气发生器产生具有一定压力和温度的燃气；改变燃烧室出口燃气温度改变燃气发生器转速改变燃气轮机的输出功率l动力涡轮：低压燃气涡轮机l燃气轮机的启动：起动机（电动机或小功率的燃气轮机）带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机脱开l进入燃烧室的燃油用电火花塞或半导体高能电嘴引燃船舶燃气轮机循环型式l简单开式循环：由一个压缩过程、一个加热过程、一个膨胀过程、一个冷却过程所组成的循环1压气机，2燃烧室，3高压涡轮4动力涡轮，5减速器，6螺旋桨u双轴机组：燃气发生器单轴结构，中小功率机组使用多总体结构简单、紧凑、制造方便典型代表：美GE公司 LM2500功率：19853KW（27000PS）空气流量：66KG/s，燃气初温：1170,排气：504压气机出口空气压力：17kgf/cm2燃气发生器转速：49509600rpm动力涡轮转速：3600rpmu三轴机组：燃气发生器双轴结构l高压压气机，由高压涡轮机带动l低压压气机，由中压涡轮机带动l动力涡轮带动外界负荷l三根轴转速不同，有利于改善机组运行性能，增大单机功率1 低压压气机，2 高压压气机3 燃烧室 4高压涡轮 5中压涡轮6动力涡轮 7减速器 8螺旋桨中、大功率机组普遍采用典型代表LM5000功率达44740千瓦(6万马力) FT9(22060KW) 美普拉特惠特尼(P&W)公司 功率22060KW （30000PS）LM5000FT9l复杂循环n回热机组：透平排气温度高，进入回热器(即换热器)充当热媒，加热压气机出口的空气，空气再进入燃烧室，提高热效率采用回热会增加机器的质（重）量和尺寸典型：美MS5002R-A(22059KW) 燃气轮机回热器 n中间冷却机组：压缩过程中采用中间冷却, 可以减小高压压气机的压缩功 ，使单位流量工质的输出功增大n再热机组：再热增大了动力涡轮的输出功率现代船舶燃气轮机装置结构特点l先进的船舶机组为单元体组合式结构，便于检修、更换l整机=进、排气道单元 + 高压压气机单元 + 低压压气机单元 + 燃烧室单元 + 高压涡轮机单元 + 中压涡轮机单元 +动力涡轮机单元+辅助传动箱单元+l为了便于检测机组内部易损件运行情况，在压气机、燃烧室、涡轮机等有关部位开了许多检测空，便于在不解体情况下进行检查、照相、观察l箱装体结构，电子控制箱体，滑油调节箱体，机架隔热、隔声、防震改善了机舱工作条件（汽轮机、柴油机装置难实现） P59LM2500LM-2500燃气轮机 TM3B燃气轮机装置的装船方式l单机单桨：一台燃气轮机机组+离合器+减速器+一螺旋桨；布置简单、紧凑，机组在全工况范围运行l双机单桨、双机双桨l联合装置uCOGAG/COGOGuCODAG/CODOGuCOSAG，蒸-燃并列联合装置 uCOGAS，燃-蒸联合循环装置，废气锅炉，装置热效率达40%以上 燃气轮机装置的特点l优点：u重量轻、尺寸小u起动迅速u运转平稳u单元体组装，便于维修更换，简化保养工作u滑油、冷却水消耗量低l缺点u优质燃油u低负荷经济性差，易产生失速、喘振u需要庞大进、排气道，消声器、海盐过滤器增大了装置尺寸重量u耗油率高于柴油机u不能倒转（转向离合器or可调距桨）u庞大的进排气道影响船体结构强度航空发动机l活塞式发动机活塞式发动机活塞式发动机固有的缺陷u功率与重量的矛盾 l发动机功率与飞行速度的三次方成正比 l发动机功率的增加，将导致发动机重量迅速增大（接近三次方关系） u螺旋桨的局限 l接近音速时，导致螺旋桨工作不稳定，推进效率急剧下降 l“音障”的出现音障音障是一种物理现象，当物体的速度接近音速时，将会逐渐追上自己发出的声波。

声波叠合累积的结果，会造成震波（Shock Wave）的产生，进而对飞行器的加速产生障碍，而这种因为音速造成提升速度的障碍称为音障 l60年来，航空燃气轮机取代了活塞式发动机航空燃气轮机开创了喷气时代，居航空动力的主导地位 （离心式）涡轮喷气发动机（离心式）涡轮喷气发动机涡扇发动机。