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燃气涡轮发动机

燃气涡轮发动机(Gas turbine engine或Combustion turbine engine)或称燃气轮机,是属于热机的一种发动机。燃气轮机可以是一个广泛的称呼,基本原理大同小异,包括燃气涡轮喷气发动机等等都包含在内。而一般所指的燃气涡轮发动机,通常是指用于船舶(以军用作战舰艇为主)、车辆(通常是体积庞大可以容纳得下燃气涡轮机的车种,例如坦克、工程车辆等)、发电机组等的。与推进用的涡轮发动机不同之处,在于其涡轮机除了要带动压缩机外,还会另外带动传动轴,传动轴再连上车辆的传动系统、船舶的螺旋桨或发电机等。

燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动机,是20世纪50年代以来主要的航空动力形式,而且在可预见的未来,还没有任何其他动力形式可以完全取代它。

燃气涡轮发动机的前身历程如下:

中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载,它是涡轮机(透平)的雏形。

15世纪末,意大利人列奥纳多达芬奇设计出烟气转动装置,其原理与走马灯相同。至17世纪中叶,透平原理在欧洲得到了较多应用。

1791年,英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程。

1872年,德国人施托尔策设计了一台燃气轮机,并于1900~1904年进行了试验,但因始终未能脱开起动机独立运行而失败。

1905年,法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机,但效率太低,因而未获得实用。

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。

随着空气动力学的发展,人们掌握了压缩机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缩机的问题,因而在20世纪30年代中期出现了效率达85-的轴流式压缩机。与此同时,涡轮效率也有了提高。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,因而能采用较高的燃气初温,于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。

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,从此燃气轮机进入了实用阶段,并开始迅速发展。

随着高温材料的不断进展,以及涡轮采用冷却叶片并不断提高冷却效果,燃气初温逐步提高,使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大,在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机,最高能达到130兆瓦。

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。此后,燃气轮机在更多的部门中获得应用。 [1]

压气机的功用是对气流做功,以提高气流的压力。一般燃气轮机的压气机通常有轴流式和离心式两种。

轴流式压缩机会有许多的叶片,形状类似螺旋桨叶片,但是分为“静子”(stator)与“转子”(rotor)两种。转子就像螺旋桨一般地旋转,在旋转的过程中将对气流加功,增大气流总压P*和总温T*,这时气流的压力和温度就会提高。静子的功用是将因为转子的作用而产生旋转的气流导引回轴向,以正确的角度进入下一组转子,减小气流绝对速度C1。通常是一组转子和一组静子交互配置,而一组转子和静子就称为一级。

离心式压缩机则是利用叶轮旋转时产生的离心力将气流向外推向机匣,而产生加压的效果。一级的离心式压缩机就能有数级轴流式压缩机的压缩比,对于较小型的燃气轮机来就是不错的选择,但是由于气流是向外辐射,必须以大幅弯曲的通道折回内部,故能量的耗损也较大,效率低。

增压比是压气机的主要性能指标,指的是气流总压在加压后与加压前的比,通常增压比较高的燃气轮机,效率也较高,但是气流在压缩过程中温度会上升,考虑到涡轮所能承受的温度有一定的限度,压缩比太高反而不好。理想的压缩过程应该是等熵绝能过程,但是实际上压缩后的气流的温度和熵都会大于理想值,压力则低于理想值,而压缩机的效率则定义为。

其中ηc代表压缩机效率,h1代表气流进入压缩机之前的焓,h2i代表理想状况下气流离开压缩机时的焓,h2a代表实际状况下气流离开压缩机时的焓。依据热力学定律,压缩机效率不可能大于1。

燃烧室

燃烧室由外壳(套)、火焰筒、喷(油)嘴、涡流器、点火装置等组成。由压气机扩散段出来的高压空气分成两股:一股(约占1/4~2/5)进入火焰筒前部,与喷嘴喷出来的燃油混合形成油气混合气,经点火装置点火后燃烧。另一股(占3/4~3/5)从火焰筒与外套间流过,对火焰筒壁面进行冷却,然后进入火焰筒与高温燃气掺混,使燃气温度降低,达到涡轮所要求的温度。通常要求燃烧室具有燃烧稳定、燃烧效率高、点火范围宽、流动阻力小以及结构简单、尺寸小、安全可靠和寿命长等特性。

燃烧室按气流在燃烧室中流动的方向分为三种:①直流式:气流在燃烧室中沿轴向流动。多数发动机采用这种燃烧室。②折流式:气流由压气机流出后,折成两路流入火焰筒。一般与甩油盘配合使用。③回流式:压气机出口的空气由燃烧室的后端流入火焰筒头部。燃烧的燃气则向前形成回流。后两种形式气流流动损失大,但能缩短发动机的长度,一般用于采用离心式压气机的发动机中。

燃烧室按结构形式又分为管形燃烧室、环形燃烧室和环管形燃烧室。管形燃烧室中的每个管形火焰筒有单独的外套,组成一个单管燃烧室。一台发动机可以有若干个单管燃烧室,沿周向装在发动机上,其中几个燃烧室装有点火装置。各燃烧室之间通过联焰管来传焰和均压。管形燃烧室易调试,强度与刚性好、装拆与维护方便,多用于早期的燃气涡轮发动机以及空气流量很小的发动机上。环形燃烧室中的火焰筒为一整体的环形腔。同心地装在环形的壳体内。这种燃烧室空间利用率高,迎风面积、重量、压力损失、火焰筒表面积和长度都小,所需的冷却空气量少,出口流场沿周向分布均匀,广泛用于各种新型发动机中。环管形燃烧室有若干个管形火焰筒沿圆周均匀地装在一个共同的环形壳体内。各火焰筒间装有联焰管。它的结构介于管形燃烧室与环形燃烧室之间。50~60年代的发动机多采用这种结构。

涡轮 电脑模拟燃气轮机通常使用轴流式涡轮,构造上与轴流式压缩机相似,同样是一组定子与一组转子合称为一级。涡轮叶片与螺旋桨及飞机机翼相似,气流流过时产生作用力,对转子叶片作功而使其转动,而能将气流的能量转换成机械能输出,因此气流在通过涡轮后,温度与压力都会下降。

与压缩机不同的是,涡轮的目的是将气流的能量转换为机械能,因此叶片的形状与压缩机会稍有不同,重视的是气流通过时能产生的作用力,与飞机机翼希望升力大而阻力小的要求类似。涡轮叶片直接受到高温高压气流的冲击,为了提高燃烧温度以提升燃气轮机的效率,涡轮叶片必须使用耐高温、在高温下仍保有高强度及寿命的耐热材料制成。叶片结构上也常使用一些特殊设计,例如常见的作法是将叶片设计为中空,然后将冷空气或冷却液导入内部,在叶片内部流动时可以产生冷却效果,还有在表面设计许多小孔喷出冷空气,随着空气流动而覆盖整个叶片,阻隔以避免高温空气直接冲击叶片,以达到保护的效果。

与压缩机相同,理想的涡轮应该是等熵过程,但是实际上通过涡轮后气流的温度和熵都会大于理想值,涡轮的效率定义为:

其中ηt代表涡轮效率,h3代表气流进入涡轮之前的焓,h4i代表理想状况下气流离开涡轮时的焓,h4a代表实际状况下气流离开涡轮时的焓。依据热力学定律,涡轮效率不可能大于1。 [2]

航空燃气涡轮机的组成

航空燃气涡轮喷气发动机主要由进气道(Intake)、压气机(compressor)、燃烧室(combustion chamber)、涡轮(turbine)、喷管(Exhaust)等部分构成。新鲜空气由进气道进入燃气轮机后,首先由压气机加压成高压气体,接着由喷油嘴喷出燃油与空气混合后在燃烧室进行燃烧成为高温高压燃气,然后进入涡轮段推动涡轮,将燃气的焓和动能转换成机械能输出,最后的废气由尾喷管排出。而由涡轮输出的机械能中,一部分会用来驱动压气机,另一部分则经由传动轴输出(涡轮轴发动机),用以驱动我们希望驱动的机构如发电机、传动系统或飞行器螺旋桨等。

主要类型

涡轮喷气发动机

涡轮风扇发动机

涡轮螺桨打洞机

涡轮轴发动机

涡轮喷气发动机

组成:进气道,压气机,燃烧室,涡轮,尾喷管、
  进气道进气----压气机增压----燃烧室加热----涡轮膨胀做功带动压气机----尾喷管膨胀加速----排气到体外

涡轮风扇发动机

分开排气涡扇

组成:进气道,风扇,压气机,燃烧室,涡轮,外函道,内外含尾喷管

进气道进气----风扇增压----气流分为两股

内涵气流----压气机增压----燃烧室加热----涡轮膨胀做功带动风扇和压气机----内涵尾喷管膨胀加速----排气到体外

外涵气流----外涵道----外含尾喷管膨胀加速----排气到体外

混合排气涡扇

组成:进气道,风扇,压气机,燃烧室,涡轮,混合器,尾喷管

进气道进气----风扇增压----气流分为两股

内涵气流----压气机增压----燃烧室加热----涡轮膨胀做功带动风扇和压气机----混合器

外涵气流----外涵道----混合器

两股气流在混合器中掺混----尾喷管膨胀加速----排气到体外

涡轮螺桨发动机

组成:进气道,压气机,燃烧室,涡轮,尾喷管,减速器。螺旋桨

工作过程:进气道进气----压气机增压----燃烧室加热----涡轮膨胀做功带动压气机和螺旋桨----尾喷管膨胀加速----排气到体外

涡轮轴发动机

组成:进气道,压气机,燃烧室,涡轮,尾喷管,功率输出轴,主减速器等

进气道进气----压气机增压----燃烧室加热----涡轮膨胀做功带动压气机和旋翼----尾喷管膨胀加速----排气到体外 [3]

喷气发动机

中大型飞机几乎都使用涡轮发动机做为动力来源,因其体积较小而输出动力大,更重要的是没有螺旋桨在高速时所会遭遇到的音障问题,因此也是一般超音速飞机的唯一选择(只有少数机型会使用冲压式喷气发动机或火箭)。由于是使用于直接推进,以喷出高温废气的反作用力产生推进力,因此在设计上会尽量缩小涡轮段的能量转换及损耗,只输出驱动压缩机及发电机等附件所需的功。

辅助动力单元

大型飞机上除了主引擎外,通常还会装设一具小型的燃气轮机,即称为辅助动力系统(auxiliary power unit,APU),用以在主引擎尚未启动时提供液压、发电、空调等的动力需求,也可以用来启动主引擎。飞机上的APU通常是不具推进力的,而某些船舰也有称为副推进单元(auxiliary propulsion unit)的装置,但这种APU是为了在无法使用主轮机时用做备用轮机推供推进力的。

微型燃气涡轮引擎

微型燃气涡轮也可以称为:交流涡轮 MicroTurbine (该名称已经被顶石涡轮公司注册商用)Turbogenerator (该名称已经被霍尼韦尔电力公司注册商用) [4]

微型燃气涡轮

本质上是瞄准分布式发电和气电共生用途. 也是混和动力车的重点科技之一. 商用中从一千瓦到数十数百千瓦功率都有市场潜力.

(1)成功之处也得利于电子学的变革,包含无人运作和公用电网电脑化. 电力切换调度科技可以使得发电来源不必和电网绑死. 使得发电机可以加入涡轮构造并提供2倍的效能.因为微型燃气涡轮引擎有许多优点超越传统往复式发动机,可以产生更高能量密度效率(与重量和尺寸相关),极低的热辐射和极少的移动部件使其容易维修。还可以省下空调所需的润滑油和冷媒. 通常涡轮也能更有效降低废热消耗,同时也能省下冷却系统的耗能. 但是,活塞引擎发电机对需电量变化的反应比较快、而且活塞引擎通常比较有效率──虽然说微型燃气涡轮引擎的效率正在增加。相较于活塞引擎、微型燃气涡轮引擎的效率在低输出状态时下降更多。

(2)微型燃气涡轮引擎接受多种燃料,例如汽油、天然气、丙烷柴油煤油,也可以利用可再生燃料,例如E85酒精汽油、生物柴油生物气体.另外一大好处是可以用氢为动力燃料,就像燃料电池,可以从水中分离的氢作为来源。但是缺点是易燃,使得这种便携式装置未来可能不能带上飞机或其他敏感场所。

(3) 微型燃涡机使用单段式压缩机设计,但是单段式涡轮机件比较难生产因为必须承受高温高压下运作。废热可以用来提供热水、暖气、干燥用途或吸收式冷却法──这是一种不利用电能而是热能提供冷气的方法。

(4) 典型的燃涡机效率约25 到 35-。但是连上废热发电系统(气电共生)系统时,可以提升到80-。麻省理工学院 1990年代中期开始公厘尺寸燃涡机研发专案由航太教授Alan H. Epstein带领开始研拟个人用的燃涡机可以达成所有现代电力需求,就像一些小型都市用的大型发电用燃涡机一样。 Epstein教授说商用可充电锂离子电池只约有120-150 Wh/kg能量比,麻省理工学院的公厘尺寸燃涡机已经可以达成500-700 Wh/kg能量,也有极大希望达成1200-1500 Wh/kg。

(5) 澳大利亚发明家开始研究这种微电机系统科技(MEMS)为便携式装置供电的可能性.这种系统使用氢或丁烷为燃料以达到超高速的2百万RPM转速。这种燃气涡轮引擎的制造采用芯片产业的科技,而且大多以硅为原料。这种燃气涡轮引擎可以接上发电机来提供电力。

在汽轮机运行过程中,汽轮机渗漏和汽缸变形是最为常见的设备问题,汽缸结合面的严密性直接影响机组的安全经济运行,检修研刮汽缸的结合面,使其达到严密,是汽缸检修的重要工作,在处理结合面漏汽的过程中,要仔细分析形成的原因,根据变形的程度和间隙的大小,可以综合的运用各种方法,以达到结合面严密的要求。

汽轮机汽缸漏气原因

1.汽缸是铸造而成的,汽缸出厂后都要经过时效处理,就是要存放一些时间,使汽缸在住铸造过程中所产生的内应力完全消除。如果时效时间短,那么加工好的汽缸在以后的运行中还会变形,这就是为什么有的汽缸在第一次泄漏处理后还会在以后的运行中还有漏汽发生。因为汽缸还在不断的变形。

2.汽缸在运行时受力的情况很复杂,除了受汽缸内外气体的压力差和装在其中的各零部件的重量等静载荷外,还要承受蒸汽流出静叶时对静止部分的反作用力,以及各种连接管道冷热状态下对汽缸的作用力,在这些力的相互作用下,汽缸发生塑性变形造成泄漏。

3.汽缸的负荷增减过快,特别是快速的启动、停机和工况变化时温度变化大、暖缸的方式不正确、停机检修时打开保温层过早等,在汽缸中和法兰上产生很大的热应力和热变形。

4.汽缸在机械加工的过程中或经过补焊后产生了应力,但没有对汽缸进行回火处理加以消除,致使汽缸存在较大的残余应力,在运行中产生永久的变形。

5.在安装或检修的过程中,由于检修工艺和检修技术的原因,使内缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨胀间隙不合适,或是挂耳压板的膨胀间隙不合适,运行后产生巨大的膨胀力使汽缸变形。

6.使用的汽缸密封剂质量不好、杂质过多或是型号不对;汽缸密封剂内若有坚硬的杂质颗粒就会使密封面难以紧密的结合。博科思高温密封剂是最新汽轮机汽缸密封材料,高、中、低压缸可通用,避免了型号选择不当而造成的汽缸泄漏。

7.汽缸螺栓的紧力不足或是螺栓的材质不合格。汽缸结合面的严密性主要靠螺栓的紧力来实现的。机组的起停或是增减负荷时产生的热应力和高温会造成螺栓的应力松弛,如果应力不足,螺栓的预紧力就会逐渐减小。如果汽缸的螺栓材质不好,螺栓在长时间的运行当中,在热应力和汽缸膨胀力的作用下被拉长,发生塑性变形或断裂,紧力就会不足,使汽缸发生泄漏的现象。

8.汽缸螺栓紧固的顺序不正确。一般的汽缸螺栓在紧固时是从中间向两边同时紧固,也就是从垂弧最大处或是受力变形最大的地方紧固,这样就会把变形最大的处的间隙向汽缸前后的自由端转移,最后间隙渐渐消失。如果是从两边向中间紧,间隙就会集中于中部,汽缸结合面形成弓型间隙,引起蒸汽泄漏。 [5]

涡轮叶片断裂原因

某飞机在起飞时尾喷管发生喷火,其燃气涡轮一、二级叶片断裂,在尾喷管及相关机匣内表面存在大量的金属附着物。对断裂的叶片进行断口宏微观观察、金相组织检验。结果表明:燃气涡轮一、二级叶片断口为沿晶脆性断口,高温区组织出现过热,局部过烧,导致叶片断裂的原因是发动机在超温状态下工作。 [6]

中国燃气涡轮发动机研究机构

中国燃气涡轮研究院是以先进航空动力技术预先研究、产品研制开发和整机鉴定试验为主业的航空科研事业单位,隶属于中国航空工业第一集团公司。始建于1965年4月,列为研究所建制,1998年4月,改为研究院建制。

该院院部坐落在四川省成都市新都区,试验基地位于唐代伟大诗人李白的故里四川省江油市境内,环境优美、气候宜人。新都院区主要从事设计工作;江油院区中松花岭地区主要承担零、部件试验和高空模拟试验等工作。

该院拥有比较完整配套的整机试验设备大型连续气源航空发动机高空模拟试车台,以及大、中型零部件试验设备共37台(套),并配有较高精度的数据采集、记录、处理系统,其中1/3的试验设备属于国内领先水平,可以与西方国家同类设备媲美;被誉为“亚洲第一台”的高空模拟车台,达到了世界同类设备先进水平;40年来,已取得各种科技成果1300余项,其中国家级、省部级成果138项,国家科技进步特等奖1项,国家级成果奖20项。

全院现有职工2200余人,其中专业技术人员1200多人,中国工程院士、国家级和省部级知名专家20多人,研究员和高级工程师210余名。全院已初步形成了一支学科齐全、专业配套、结构合理、充满生机与活力的航空高科技队伍。

该院以追求航空发动机设计、试验、测试技术研究能力和水平在行业内领先为理念;以担纲开发拥有自主知识产权的叶轮机械产品为己任;以创建国内一流、国际知名的学习型、创新型、和谐型研究院为目标。

地址: 四川省成都市新都区新军路6号 [7]

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