舰艇燃气轮机动力装置
ship gas turbine power plant
jiianting ranqilunjji dongli zhuangzhi
舰艇燃气轮机动力装置
以燃气轮机为主机的舰艇动力装置。是20世纪40年代开始发展起来的舰艇动力装置。由燃气轮机、进排气系统、传动装置、轴系、推进器等构成。
舰艇燃气轮机，由燃气发生器、动力涡轮和辅助系统构成。按其结构不同，分为单转子燃气轮机和双转子燃气轮机。单转子燃气轮机由一台压气机和一台增压涡轮构成一个转子；双转子燃气轮机由两台压气机和两台增压涡轮分别构成两个转子。燃气轮机工作原理(见图)。其工作程序：①压气机将外界环境的空气吸入压缩，使压力由P1升高到P2，温度也由T1升到T2。②高压空气进入燃烧室在燃烧室中与经喷油嘴喷入的燃料混合，点火燃烧将燃料的化学能变为燃气的热能，燃气温度由T2升高到T3。③高温燃气首先进入增压涡轮膨胀作功，以带动压气机；燃气的压力和温度随之降低，然后再进入动力涡轮继续膨胀作功，最后经排气道、烟囱排出。④动力涡轮发出的机械能经减速装置、轴系传给推进器推进舰艇。如果忽略燃气轮机中工质与外界的热交换及内部损失，工质在燃气轮机中经历了连续进行的绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压放热4个过程，可看作完成了一个封闭的循环。这种循环称为“理想简单燃气轮机循环”，又称布雷顿循环。现代舰用燃气轮机均采用这种循环。燃气发生器是燃气轮机的核心。其主要部件，包括压气机、燃烧室、增压涡轮、辅助系统和附件等。压气机，用来提高空气的压力。按气流流动方向的不同，分为轴流式和离心式。现代舰用主燃气轮机的压气机多用轴流式。其结构由转子和静子机匣两部分构成。转子和静子机匣上均装有多排叶片，分别称为动叶和静叶。一排动叶及其后面的一排静叶称为压气机的一个“级”。空气在动叶栅中接受由增压涡轮传来的机械功，压力和速度增加；在其后面的静叶栅中空气的速度降低，压力进一步升高。轴流式压气机一般采用多级串联使用。空气经逐级压缩后，达到规定的压力送入燃烧室。燃烧室，通常为多个鼓筒式，沿旋转轴线周向排列。每个燃烧室均由鼓筒形外壳和内筒两部分构成。内筒称火焰筒，其上开有多排进气孔。由压气机送入的一股空气(称一次空气)进入火焰筒的前段，与燃料混合燃烧；另一股空气(称二次空气)进入火焰简的后段，与燃气混合，使燃气达到规定的温度。增压涡轮，将燃气的热能转变为机械功，用来带动压气机。其结构也是由转子和静子机匣两部分构成。其上分别装有动叶和静叶。一排静叶和其后的一排动叶称为涡轮的一个“级”。按级数的不同，分为单级涡轮和多级涡轮。燃气在静叶栅中压力和温度降低，速度增加，即将燃气的热能转变为动能；在动叶栅中将动能转变为机械功，燃气的压力和温度进一步降低。然后再进入下一级或动力涡轮作功。辅助系统有：燃油系统、滑油系统、启动系统、清洗系统、通风系统、灭火系统、排泄系统和监控系统等。监控系统通常分三级控制：舰桥控制、集控室控制和机旁控制。附件，有燃油泵、滑油泵、启动机等，它们通常安装在燃气轮机壳体上并由燃气轮机传动。舰艇燃气轮机通常安装在一个密闭的箱装体中，箱装体再与船体连接(见舰艇燃气轮机箱装体)。燃气轮机动力装置的进排气系统，主要包括进排气管道、消音器、水分离器等。用于将燃气轮机工作所需的空气从外界环境引入，同时将工作后的废气排出舰外。燃气轮机动力装置的传动装置一般带有离合器，采用可变螺距螺旋桨实现正倒车；轴系、推进器等与其他动力装置基本相同。
燃气轮机工作原理图
1947年英国首先研制成功约1840千瓦(2500马力)的舰用燃气轮机并装于小型舰艇上进行实船试验；不久又建成3310千瓦(4500马力)的燃气轮机装于另一型快艇上。在此阶段，美国、苏联等国家也先后研制成一些小型舰用燃气轮机装于舰艇或民船上进行试验。经过实船试验和试用，它具有结构简单、重量轻、尺寸小、启动快、操纵简便和维修性好等优点，能较好地满足舰艇对动力装置的要求。从20世纪60年代起，开始批量生产装舰使用。当时舰用燃气轮机的单机功率在6000千瓦(8163马力)以下，燃油消耗率在250～400克／千瓦·时，寿命在1000～2000小时，还不能完全满足舰艇对全工况动力装置的要求，多用作中、小型舰艇柴－燃、蒸－燃联合动力装置中的加速机组。随着舰用燃气轮机单机功率的增大和各项性能的提高，60年代末，逐步采用全燃气轮机动力装置。并广泛用于各类中型、大型水面舰艇。英国的“42”型导弹驱逐舰和“21”、“22”型导弹护卫舰，美国的“斯普鲁恩斯”级导弹驱逐舰、“佩里”级导弹护卫舰、“提康德罗加”级导弹巡洋舰，苏联的“卡辛”级导弹驱逐舰、“克里瓦克”级导弹护卫舰和“卡拉”级导弹巡洋舰等舰艇，均采用全燃气轮机动力装置。英国、意大利、西班牙等国的轻型航空母舰也采用了全燃气轮机动力装置。中国于50年代末到60年代初，研制出“404”型燃气轮机，功率约3000千瓦(4081马力)，并装于猎潜艇进行实船试验。后又研制了若干机型，其中“409”型燃气轮机功率约2400千瓦(3265马力)，用作“722Ⅱ”型气垫登陆艇的动力装置。截止1990年，世界各主要海军国家，已有4型7艘轻型航空母舰、3型40艘巡洋舰、19型158艘驱逐舰、49型771艘护卫舰采用了燃气轮机动力装置。在水翼艇、导弹艇、鱼雷艇等各类小型舰艇上也得到广泛应用。1985年后建成服役的舰艇有近半数采用了燃气轮机动力装置。
现代舰用燃气轮机的单机功率为2．2～2．4万千瓦，3．6万千瓦(4．9万马力)的机组也正在研制中；燃油消耗率为240～260克／千瓦·时；典型燃气轮机本身的比重为0．22～0．25千克／千瓦，含箱装体的比重为1千克／千瓦；燃气发生器的翻修期为1万小时，动力涡轮为2万小时；从启动到空载的平均时间为48秒，从冷态到发出全功率为2～3分钟。发展趋势是，继续增大单机功率、降低燃油消耗率和耗气率，以及改善低负荷的性能。主要措施有：继续提高简单循环的性能，如研制耐更高温度的材料，改进冷却技术，采用叶片表面涂层等，提高循环的最高温度，以及改进各部件的性能等，采用中冷回热循环或复合循环。
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