[科普中国]-燃气轮机动力装置

燃气轮机单机特性

燃气轮机的优点是功率大、质量轻、自动化程度高、操作简单、工作可靠、维护方便等。现今海军正在服役和建造的大、中型水面舰艇中，基本上以柴燃联合动力装置、全燃联合动力装置为主。其中全燃联合动力装置约有600艘。燃气轮机的全部性能一般遵从以下(ISO)条件。

进气温度27℃；环境压力101．32 kPa；相对湿度60%；进气总压力损失于压气机进气管法兰处1．961 kPa；排气静压损失于涡轮排气管法兰处1．470 kPa，不考虑外用抽气及箱装体冷却装设引射器所引起的排气背压损失。

当环境条件改变，装舰后使用条件变化时，一般对规定的燃气轮机性能特别是功率、耗油率进行相应修正。应指出的是，燃气轮机对环境温度，压气机抽气量及进气阻力损失比较敏感，且对压气机进口流场分布要求非常严格。

美国海军及我国20世纪90年代装舰使用的为美国通用电气公司生产的LM2500型燃气轮机，额定功率为20 200 kW/3 600 r/min，耗油率为0．25 kg/kW·h；低于0．2工况的耗油率为0．43 kg/kW·h。Fr8型燃气轮机，额定功率为24 840 kW/3 600 r/min，耗油率为0．222 kg/kW·h。

英国海军舰用斯贝SM2C型燃气轮机，额定功率为19 220 kW/5 500 r/min，耗油率为0．229 kg/kW·h；奥林普斯TM3B型燃气轮机，额定功率为15 800 kW/5 660 r/min，耗油率为0．317 kg/kW·h；船用太因RMlC型燃气轮机，额定功率为3 920 kW/3 425 r/min，耗油率为0．291 kg/kW·h。

俄罗斯舰用BTl6000型燃气轮机，额定功率为16 300 kW/5 200 r/min，耗油率为0．280 kg/kW-h；

乌克兰舰用GT25000型燃气轮机额定功率为24 260 kW/3 270 r/min，耗油率为0．275 kg/kW·h左右。

以LM2500为代表的美、英等国的燃气轮机一般是压缩空气启动，可在60 s内从启动过程加速到慢车，亦可在停车60 s以内进行再启动；乌克兰GT25000型为代表的燃气轮机为电启动，其瞬态供电负荷很大，对电网要求较高。但二者都能从启动加速到慢车，再加速到额定功率转速而整个过程所需时间不超过390 s，应急条件下不超过90 s，惰转工况加速到额定工况转速的时间可不超过30 s。

LM2500燃气轮机通常加装外用引气的设施，以满足自身进气防冰系统或螺旋桨通气系统使用，以及二台燃气轮机之间互作启动压缩空气使用。

燃气轮机一般采用箱装体，箱装体大质量高刚度底座与船体基座之间由单级隔振抗冲击装置连接，构成燃气轮机整体模件。

箱装体的隔声罩隔声量一般可达25 dB(A)，气密性能确保三防要求并提供足够的检修空间，观察窗，内部照明设施；并设置有火警探测和灭火系统。

箱装体的隔振抗冲击系统，确保了整个系统不出现耦合振动，满足国军标规定的抗冲击要求，使传递到船体基座的振级与柴油机箱装体在20 Hz~10 kHz的三分之一倍频程中心频率基本平衡。1

安装布置与系统设计燃气轮机动力装置在舰船上的安装布置，主要设备如燃气轮机、减速齿轮箱、轴系的轴线尽可能相对于船体中线面平行且对称布置，燃气轮机的进、排气管路一般应垂直向上，以满足燃气轮机对进、排气系统流阻的要求。各设备之间的间距有条件时不小于600 mm，设备外表面和管路布置不妨碍舱壁、舱顶和舱底的清洗要求，并确保修理、保养换装所需的空间及吊装通道与设施。各机舱所有设备与管道的最终布置结果，应使横向重心尽可能靠近船体中线面且位于舰艇水线以下。

各机舱配置在条件允许时，为确保舰艇战斗破损生命力，各独立推进系统可互为备用并持续运行。

弹性安装设备的管道设置有相应的挠性接管，高温管道如燃气轮机排气管道，设置有吸收位移的补偿器。高温管道经绝热包扎后外表面温度一般不高于60℃。弹性安装设备与周围船体构件之间的最小间距应大于50 mm。

燃气轮机箱装体内及舰上进气管道中可安装燃气轮机的拆装轨道系统，实现燃气发生器、动力涡轮或整台燃气轮机，从机舱吊运到岸上车间维护保养更换。

机舱内各系统的布置为主要辅助设备的维修、更换留有必需的空间，尽可能少拆卸管子、电缆、通风管道和其他已安装设备的情况下实施。

(1)燃油系统

燃气轮机舱均为每台机组设置有独立的日用燃油(舱)柜，其容量按所在舱设备额定工况运行4小时耗油量考虑。其中燃气轮机舱高置油柜的位置应保证产生的油压可满足燃气轮机所需的燃油压力。所有燃油柜的泄放附件应为自闭式的，泄放的油通过泄放管排入污油舱。油柜的通气管一般应通至甲板以上，并在管口设置空气管头。油(舱)柜设置部位尽可能避开因燃油溢出或泄漏可能产生危险的处所。

燃气轮机日用燃油系统一般由燃油增压泵、燃油粗滤器、燃油聚水型滤器、燃油预热器、燃油流量计、燃油压力调节阀、电动/手动控制阀和燃油速关阀等管路附件组成。通常每台机组配置一台增压泵，另外，为二台燃气轮机配置一台备用燃油增压泵。增压泵的排量和出口压力能够满足燃气轮机最大工况的耗油量和进口压力的需求，而燃油压力调节阀可按燃气轮机不同工况所需的燃油量自动进行调节，以保持燃气轮机的稳定运行。燃油预热器是利用柴油发电机的高温缸套水，在冬季加热燃油以使燃气轮机正常启动。

常舰船左、右两舷独立的燃气轮机日用燃油系统之间设有三处桥管，桥管分别设置在燃油吸入口处，燃油增压泵出口处，燃气轮机聚水型滤器出口处，当一舷日用燃油系统损坏后。另一舷日用燃油系统可以通过桥管向另一台燃气轮机提供燃油。可以保证两台燃气轮机处于部分负荷工况稳定运行。

燃气轮机燃油系统一般分别在两个主机舱内各设置一台燃油驳运泵，其排量按1 h注满日用燃油(舱)柜规定容量考虑。

(2)滑油系统

燃气轮机的滑油系统一般由循环滑油柜、滑油冷却器、滑油滤器、滑油温控阀和滑油补油箱等组成。每台燃气轮机的滑油系统独立设置，各自的循环滑油柜其容量按燃气轮机装置滑油循环油量、消耗量和寿命等要求设计。配备的备用滑油柜，或储备一定容量的桶装滑油，其容量可满足燃气轮机装置在规定续航力的滑油耗量。

燃气轮机滑油系统是通过机带滑油循环泵将工作过的滑油由机体排出，油温大致在50～120℃范围。排出的滑油经过滑油滤器过滤后，分两路，一路至滑油冷却器，一路至温控阀。进入冷却器的滑油经冷却后进入温控阀，经过温控阀调控后保证温控阀出口的油温大致在50℃左右，由温控阀出口进入循环滑油柜，同时燃气轮机的机带循环滑油泵，不停地从油柜中吸油，构成一个滑油循环回路。

另外在燃气轮机备车时，由机器上的电动滑油预供油泵从滑油循环柜吸油，供燃气轮机启动时使用。当冬季机舱温度较低时，滑油循环柜可以自动加热滑油，以供燃气轮机随时使用，在滑油温度低于5℃时，自动加热器工作，能在1小时内将柜中滑油加热到15℃。

(3)冷却系统

燃气轮机海水冷却系统一般由电动海水泵、海水滤器冷却器、减压阀、安全阀和止回阀等组成。每套燃气轮机设置独立的海水冷却系统，且海水冷却系统除可由两舷通海阀进水之外，亦能由消防总管应急供水。为提高系统的可靠性，一般两舷海水冷却系统有联通桥管以保证应急时使用。

燃气轮机海水冷却系统是为燃气轮机滑油冷器提供冷却海水，原则上海水压力不得高于滑油系统油压。

按规范规定海水管路设计的流速不得大于规定值，管路采用B10管材时，内表面采取必要措施自形成氧化层后投入使用；通海阀滤网孔眼流通面积一般不小于滤器排出管流通面积的3倍；舷侧设置的防堵格栅有效流通面积不得大于通海阀流通面积的3倍。系统管路易积水、淤塞和可能积有空气的部位要设放泄、放气或吹洗装置，通海阀进口在条件允许时采用压缩空气设置吹洗设施。

(4)进排气系统

燃气轮机进气系统按燃气轮机对进口处空气品质的要求，能自动地分离进气中的水分及固体颗粒，严格控制空气中的含盐量，在环境温度和相对湿度达不到规定值时可以加热进气，防止结冰，在气水分离器发生阻塞时，具有应急旁通进气功能，并能有效地降低燃气轮机的进气噪声。

燃气轮机进气系统通常由进气网罩、进气百叶栅门(窗)、进气防冰集管、进气气水分离器水清洗集管、进气三级气水分离器、进气室、进气消声器和消声管道以及整流、防护设施构成，一般经百叶栅的流速为(3～5)m/s，惯性分离器的流速为10 m/s，滤网流速(或聚水器流速)为(5～6)m/s，消声器的流速不大于22 m/s，直管道流速不大于12 m/s，燃气发生器压气机前的流场分布由进气室和整流防护设施保证。进气系统设计的总阻力不大于2 kPa。此外，进气系统还设置有进气三级气水分离器，堵塞时应急旁通控制设施。

燃气轮机排气系统是将燃气轮机的废气排出舰外，带箱装体的燃气轮机排气口通常带有引射器，引射器出口流速一般大于90 m/s，过渡管内的流速为87 m/s左右，直管道的锥度一般不大于80，流速在75 m/s以内，由直管道进入排气口红外抑制装置，它是利用废气的能量，通过红外抑制装置引射环境空气来降低排出舰外的废气温度，达到降低红外辐射的目的。

(5)压缩空气系统

利用压缩空气启动的燃气轮机，一般均应设置独立的启动空气管路及附件。其中燃气轮机启动空气管路应设置盘车空气调节阀或减压阀，以满足盘车和启动不同状态对压缩空气压力的要求。启动空气进入燃气轮机之前应经设置的干燥器。两台燃气轮机之间应允许相互自压气机直接抽气(电启动燃气轮机除外)启动。

燃气轮机舱通常配置有电动高压空压机，其排量和出口压力按1 h内注满高压空气瓶组至额定工作压力考虑，高压空压机还配备有独立海水冷却系统，其冷却能力能确保空压机排气冷却后的温度不超过60℃。1

燃气轮机动力装置的特点优点燃气轮机作为船用主机的时问虽不太长．但获得了迅速的发展．尤其是在水面舰船上得到极其广泛的应用。这主要是燃气轮机动力装置较其他装置有许多突出的优点所致。

(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 min，在紧急状态下，还可缩短到1 min左右，这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29400～36750 kW，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。

(3)脱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0．22～0．27 kg/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、扩大通信和武器装备的总容量，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凋爷没备。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，所以机械噪声源少，机械噪声量小，且不易通过舰体向水下传播，使作战舰船的隐蔽性有所改善。

(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10 000 h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，燃气轮机的润滑油消耗量比较低。目前已达1～5 g/(kW·h)，故润滑油贮存量较少。

(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、防核，从而改善了机舱工作条件。

缺点在舰艇燃气轮机动力装置的发展中，与其他动力装置相比，还有许多急待研究和解决的问题。

(1)燃气轮机的油耗率与柴油机的相比偏高：以美国比较先进的LM一2500机组为例，其额定负荷下的燃油消耗率已达240 g/(kW·h)，接近中、高速柴油机的水平。但在低工况运行时燃油消牦率大为增加，且会引起燃气轮机超温、易喘振和工作不稳定。

(2)目前的舰船燃气轮机，几乎均使用低黏度、优质燃料油。这样，其燃料费用大大增加。

(3)舰船燃气轮机的空气消耗量很大：一般为16～23 kg /(kW·h)(柴油机约为5kg/(kW·h)，蒸汽轮机约为0．5 kg/(kW·h))，因此在舰船上，必须设置非常庞大的进、排气管。这样使动力装置的重量尺寸增大：大的甲板开口也影响舰船有效甲板面积的利用以及舰体结构强度。

(4)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、能量较幔的气动噪声。在进、排气管管口附近的噪声可达115 dB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，所以必须采取消爵措施。

(5)目前的舰船燃气轮机不能逆转，因此，当舰船需要制动和倒航时，要靠可调螺距螺旋桨或倒车传动齿轮来解决。此外燃气轮机必须借助启动电动机或其他启动机械启动。这些都导致动力装置的复杂化。2