四海一心 - 美国LM2500舰船燃气轮机 下载本文

冷却。回油的过滤是由安装在滑油箱上的双联式滑油过滤器来保证的。 滑油系统中的滑油在运行过程中会发生损耗,主要包括了滑油自身的分解、滑油蒸汽经密封装置渗漏到气流中、以及经通气管逸出到外界大气中。燃气轮机的滑油消耗量普遍不大,LM2500燃气轮机的最大滑油消耗率约0.9千克/小时,平均滑油消耗率仅有约0.09千克/小时,与柴油机相比要小一个数量级,但由于燃气轮机工作转速高,对滑油的质量要求要远远高于柴油机。

六、 箱装体

早期的舰船燃气轮机跟蒸汽轮机、柴油机一样,也是成“裸机”状态布置于机舱内,虽然便于监测和接近、维护,但是燃气轮机运行时的高温和噪音等问题,对机舱环境影响很大,特别是高频噪音的强度过大,严重影响机舱人员的正常工作。(也许是受已经坍塌的红色帝国长久以来片面拔高人的主观能动性、忽视人员舒适性的习惯思维影响,乌克兰在上世纪90年代设计的DA80燃气轮机依然采用了“裸机”状态,仅燃烧室及其后部分包裹了隔热、隔音效果很差的简单金属罩)(图24)

为了避免这些不利影响,同时利于实现自动化和远距离控制,充分发挥燃气轮机的技术性能,出现了将燃气轮机整体组件化的解决方案,即将燃气发生器、动力涡轮、进气室、排气涡壳以及燃气轮机附件、相关电气设备等组装在一个带有防震底座的箱体里,构成一个完整的箱装体(也称为燃气轮机模件)。燃气轮机模件可以在工厂中装配、调试好,而后再装舰使用,这样可以大大减少在舰上的装配工作量,降低装配难度,同时可以保证模件工作的可靠性。箱装体结构有利于隔热、隔音和防震,内部布置有照明、加热、灭火、通风等设备,极大的改善了机舱工作条件。通常的燃气轮机箱装体是一个钢制的密封罩壳,外观一般为一个长方体。整台燃气轮机安装在底座上之后,用箱体罩起,然后和单独装箱的其他设备组成一个有机的整体,方便进行操纵、监测和维护。

LM2500燃气轮机是最早采用箱装体结构的舰船燃气轮机之一,其箱装体长约8米,宽约2.7米,高约3.1米(图25)。其中底座是燃气轮机和箱装体的支承基础(图26),通过32个抗冲击支承安装到舰体机座结构上,底座上设置有燃气轮机支承、涡壳支承、箱体以及间壁。底座上还设置有密封的贯穿孔,用以安装

抽气管、燃油管、滑油管、控制电缆、仪表电缆、清洗水管、动力电缆、起动空气管、灭火剂输送管,以及残油、残水的泄放管。此外,还有燃油溢流阀、滑油过滤器及各种接头、插座等附件。

箱装体顶部布置由空气进口、通风冷却空气口以及排气口,各通过一个挠性接头与船体结构相连。在空气进口处有一组永久性的导轨,通过另外一组临时安装的导轨可以将从底座脱开的燃气轮机移动到进气口的导轨处,此时移动到进气口处的起吊装置将协助把发动机从导轨拉出,从而吊出船外。箱体上还有检修门、天窗等开口。箱体内还设置有照明、灭火、电源、手动操纵机构、气源等等设施。箱体本身为带夹层和填料的多层隔音结构,从箱体内传出的气动和机械噪音都很低,当燃气轮机工作时,在箱体外可进行正常的交谈。 LM2500燃气轮机的高功率改型

上世纪90年代初,虽然通用电气公司已经将LM2500燃气轮机的功率提高到了3万马力的级别,但是随着各国海军对于水面舰只主动力装置的功率要求不断提高,已不能满足日益增长的对于大功率舰船燃气轮机的要求。如今LM2500的功率已经再次提升到了33600马力(此时效率37.2%),但一些新研制的舰船燃气轮机已经达到甚至超过了4万马力的功率级别。为此,通用电气公司决定在LM2500的基础上开发一型功率增强型LM2500,以满足4万马力级别市场的需求。 新的LM2500+型燃气轮机(图27)在1998年进行了试车,功率达到了40500马力,效率达到了39.1%,成功的捍卫了通用电气公司在船舶推进燃气轮机市场中的地位。美国海军的LHD1“黄蜂”级大型两栖攻击舰的动力装置,本来采用的是两台共7万马力的蒸汽轮机,从第8艘“马金岛”号(LHD8)起,已经改为使用两台LM2500+燃气轮机推进。

为了实现输出功率的大幅度提高,与LM2500燃气轮机相比,新型的LM2500+主要作了以下的一些改进: 1) 增加零级压气机

在原压气机前加上装有新型宽弦叶片的零级压气机,形成新的17级轴流压气机。零级采用了不锈钢整体轮盘,结实可靠,由于取消了枞树型叶根,消除了一个主要的磨损区域,从而增加了使用寿命。

采用了新设计的可调进口导叶,与随后的7级可调静叶相配合,能保证良好的部分负荷性能,并降低了压气机喘振的可能。 2) 修改压气机

第1级动叶被重新设计成基于CF6-80C2叶型的更高效、更结实的宽弦叶片,去除了常规LM2500第1级动叶中部的阻尼突肩。第2、3级压气机动叶也采用了CF6-80C2/LM6000的叶型设计。

新设计了零级静叶,从零到第6级静叶都是可调的。从零到第11级静叶都采用了CF6-80C2/LM6000的叶型设计。

新增加的零级和修改的压气机设计,使空气流量增加了23%,达到85.8kg/s,压比从19.3增加到22.2,压气机的效率提高了0.5%。 3) 修改燃气发生器涡轮

修改二级涡轮的动叶叶型以适应更大的流量,第1级动叶和静叶都采用单晶叶片。除第2级动叶外,其他叶片都升级为性能更好的的材料。修改了热力密封设计,使用了CF6-80E所用类型的密封装置。 4) 修改动力涡轮

加强动力涡轮机匣,增加输出传动轴的抗扭能力。进入动力涡轮的流通面积加大约11%,以适应更大的流量。加强了6级动力涡轮,以输出更大的扭矩。修改了第1级动叶和静叶的叶型,以适应流量的增大。修改了第6级叶片的叶型,以将废气更顺畅的导出。

新型LM2500+燃气轮机的升级策略,是保留并利用LM2500的先进设计、结构、高性能的材料和涂层,基于LM2500的可靠性和高利用率,尽可能使用现有技术,采用保守、低风险的设计途径来提高功率。事实证明,通用电气公司用最小的代价达成了目标。

通用电气公司并没有满足于在LM2500+上获得的成功,为了最大限度的榨取LM2500这个年近40的老翁的潜力,在2005年开始对新一代的LM2500+G4进行了试验,最大功率达到了47370马力,效率进一步提高到39.3%。LM2500+G4燃气轮机现已正式投放市场,为通用电气公司逐鹿世界燃气轮机市场尽最后一份努力。

评价及舰船燃机发展的趋势

从上世纪70年代初正式投入使用以来,LM2500系列燃气轮机已经销售了2000多台(包括工业和舰船),并占据了世界舰船燃气轮机的绝大部分份额,目前,用于舰船推进的LM2500和LM2500+燃气轮机的总运行时数已经超过了惊人的5千万小时,这是其他任何一种舰船燃气轮机都难以企及的高度。 这一切都得益于LM2500的高性能、高可靠性和高利用率,也得益于LM2500不断的升级改进。从最初的25500马力到G4的47370马力,LM2500连续跨越了两个功率等级的台阶,从而充分的满足了客户的需求。可以说,LM2500是最优秀、最成功的燃气轮机。而且从目前世界燃气轮机发展的趋势来看,已经很难出现一种可以挑战甚至超越这座丰碑的新型燃气轮机了。

由于燃气轮机属于高技术产品,研发必须具备雄厚的工业基础和长期不断的投入,目前世界上真正能设计、制造船用大功率燃气轮机的厂商数量很少。由于日益复杂、昂贵的作战系统推动了舰船大型化,从1990年代以来,大功率(3万马力以上)的燃气轮机已经成为各国海军舰船动力需求的主流。

新一代大功率燃气轮机的输出功率普遍超过了3万马力,最大功率已经达到约5万马力,效率也大大提高了,简单循环的效率达到了约40%,复杂循环的效率达到了42%,如果引入废气锅炉组成燃-蒸循环,效率可以达到50%甚至更高。根据大功率船用燃气轮机的发展趋势可以推断,未来10~15年内,4万到5万马力功率等级的燃气轮机可以比较有效的满足各国海军对于大中型水面舰艇主动力装置的要求。