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航改舰船燃机与航空发动机设计技术的差异分析

2017-2-9 08:17| 发布者: admin| 查看: 248| 评论: 0

摘要: 航改舰船燃机大量继承了原航机成熟的设计技术、材料和工艺,具有良好的性能,但舰船燃机自身还有独特的要求。分析了航改舰船燃机与航机在低压压气机设计、燃烧室适应性改进和低排放设计、动力涡轮设计、进排气系统设 ...

舰船燃气轮机具有尺寸小、重量轻、机动性好、系统简单、经济性好、操纵人员少等特点,已经成为现代大中型和高性能舰船的主要动力装置。世界上大多数舰船燃气轮机主要是走航改道路,它是一种最快捷、最经济的技术途径,在燃气轮机作动力的舰船中有95%是航改燃机


虽然航改燃机大量继承了原航机成熟的设计技术、材料和工艺,但是作为舰船燃气轮机有其独特要求,航机和燃机在设计上存在着一定的差异。


1 航改舰船燃机与航机的特性对比

1) 运行范围。

航空发动机基本上是在额定功率下运行的,而舰船燃气轮机( 特别是作为主机)90%~95%时间是在低工况下工作。


2) 工作环境。

航空发动机大部分时间是在高空很洁净的大气中运行,而舰船燃气轮机则要在海平面上工作,进口空气中含有大量的盐分和污染物。


同时由于工作环境的不同,所受的冲击载荷也不同,航空发动机仅在飞机着陆时承受冲击载荷和机动过载( 一般不大于10g),而舰船燃机则要经受

水下爆炸引起的巨大冲击( 经减振后也要达到15g)。


3) 燃料。

航空发动机通常采用精炼的航空煤油作为燃料,舰船燃气轮机则一般燃用轻柴油或较重质的馏分油。


4) 寿命、可靠性和可维修性。

军用航空发动机的寿命一般为一千或几千小时,但舰船燃气轮机的寿命一般需要达到几万小时,同时由于舰船燃气轮机受安装条件的限制,要求燃机必须具有良好的可维修性。


5) 设计部件和系统。

对于舰船燃气轮机,一般来说还需要重新设计动力涡轮、进排气系统等。


6) 采用先进循环。

目前航空发动机都是简单循环。采用先进循环是舰船燃气轮机重要的发展方向,可以大幅度提高燃气轮机的性能,间冷回热循环的舰船燃气轮机WR21 已经投入使用。 


2 航改舰船燃机与航机设计技术的差异

由于航改燃机的高继承性和航机、燃机使用对象、工作环境的不同,决定了燃机、航机设计技术既有相同的地方,也有不同的地方。航改舰船燃机设计技术与航机设计技术的差别主要有如下几个方面。


2.1 低压压气机设计

目前,国内外广泛使用的大中型航空发动机主要是涡扇发动机,涡扇发动机改为燃气轮机如果保留低压系统的话,低压压气机在气动上需要进行较

大的改进设计,以解决高低压压气机匹配问题和高效率问题,主要原因如下:


1)涡扇发动机具有内、外涵道,在发动机降转的过程中,通过涵道比的变化,解决了内涵道高、低压压气机间流量匹配的问题。改为燃气轮机后为

单涵道,没有自主进行高、低压匹配的特点,在中低转速低压压气机容易发生喘振。由于舰船燃气轮机(特别是作为主机) 大部分时间是在低工况下工作,需要保持燃机在低工况下的稳定性和经济性,燃机在一定工况范围内不能喘振和放气,航改燃机通常重新设计大喘振裕度的低压压气机


2) 航机追求高推重比,燃机追求高效率长寿命。与航机相比,燃机对效率的要求和对低工况稳定边界的要求要比航机高得多,而对重量的要求不

是很严格,所以燃机低压压气机的级数可以多一些。航改燃机如SM1A、LM6000、NK-86A等燃气轮机低压压气机为5级,平均级压比一般约为1.2,相近压比的航机风扇一般为2级,平均级压比可达到1.4~1.5。 

 

此外,为了满足燃机低压压气机大裕度和高效率的特点,设计低压压气机时,在级加功系数、流量系数、轮毂比、D因子等参数的选取和扩稳措施的采取上也和风扇设计不同。因此,根据燃机低压压气机的设计特点,必须开展相关技术研究。


2.2 燃烧室改进设计

1) 烧柴油后适应性设计技术。

航空发动机的燃料为航空煤油,而在舰船上使用的燃气轮机,考虑到燃料的价格和可获得性,通常采用轻柴油。采用轻柴油作为燃料给燃烧性能带来了一系列不利影响,加上海洋环境及长时间的低工况运行,使用原航机的燃烧室会出现许多问题,如排气冒烟、起动点火困难、火焰筒壁温增加、寿命降低等。因此,将航机用于船用时,需根据实际情况对燃烧室进行修改设计。


2) 低排放设计技术。

目前军用航空发动机大多未对排放进行控制,尤其是具有加力燃烧室的战斗机发动机。我国在降低航空发动机排放的研究方面仍处于起步阶段。


为了避免燃气轮机成为海上大气环境的主要污染源,一些国家已经把海岸排放控制也列入陆地环境法规的条款内,国际上规定舰船用燃机排放的标准为42ppm。同时,低排放也是舰船燃气轮机拓宽使用范围( 陆上发电) 的重要前提,有必要开展相关技术的研究工作。


2.3 动力涡轮设计

航机中的涡喷和涡扇发动机是利用喷射气体产生推力,没有动力涡轮,其改燃机的动力涡轮一般是新设计的,少数是将航机中原有的低压涡轮稍加改型,例如LM500、LM2500等。新设计的动力涡轮大多数按照工业型燃气轮机的要求设计,和航空发动机的涡轮相比,动力涡轮主要有如下特点:


1)为了满足较高的效率,燃机动力涡轮一般设计为多级,尺寸和重量较大;


2)大多数动力涡轮的转速较低,一般在3000~5000r/min,但压气机涡轮通常在10000r/min左右;


3)输出功率大,满足10000t以上水面舰船用大功率燃气轮机的动力涡轮功率达到40000kW级;


4)动力涡轮设计寿命一般要求为10万h以上,是军用航空发动机涡轮寿命的几十倍;


5)动力涡轮与燃气发生器之间需设计截面尺寸变化较大的扩压段,以解决流量、流道、流场的匹配问题。


由于动力涡轮具有效率高、转速低、功率大、寿命长、对重量要求低等特点,所以动力涡轮的设计技术和航机涡轮的设计技术相差很大


2.4 进排气系统设计

航机的进气系统主要指进气道,航机的进气道分亚音速进气道、超音速进气道,超音速进气道又分外压式进气道、内压式进气道、混合式进气道。


航机在高速飞行时,进气道对气流有减速扩压作用,内有激波,进气道不仅会造成进气畸变,而且会喘振。排气系统主要指喷管,喷管一般分收敛喷管和收扩喷管,喷管内气流速度高,一般临界或亚临界,喷管的膨胀比也很高,以便产生推力。舰船燃气轮机进排气系统气流的速度都比较低,设计相对航机来说简单一些,但也有其特点。


舰船上可利用的空间有限,而气流在进入发动机前大多需多次转折,因此发动机进气气流难以均匀,容易产生进口畸变,进口畸变除了能降低发动机稳定工作裕度及性能外,还可能激发压气机叶片共振,从而导致叶片疲劳断裂。所以,进气道的设计必须保证压气机能够得到良好的进口流场。


对于前输出的燃气轮机,必须设计合适的进气蜗壳。燃机的排气系统主要指排气蜗壳,其尺寸较大,以降低气流速度,减少排气总压损失,蜗壳出口气流速度一般只有50~60m/s。同时,根据舰船的需要还要增加引射系统,这是航机所没有的。


可见,航改舰船燃机与航机的进排气系统工作原理和设计理念是完全不同的,必须进行相关技术研究。


2.5 燃油调节、控制系统设计

对舰船用燃气轮机控制系统而言,由于采用动力涡轮作功率输出,其控制对象特性、负载特性和控制规律均与航机显著不同,机组的运行环境和操

纵方式也不同。


因此,由航机改装的舰船用燃气轮机,虽然可以利用原航机的一部分控制系统设计技术,但又有一系列新的控制功能和技术要求,同时还要满足抗腐蚀、抗冲击等恶劣环境,需要针对舰船用燃气轮机的特点重新设计燃油调节、控制系统。


2.6 总体设计

总体设计技术包括总体性能设计技术和总体结构设计技术,燃机和航机在总体设计技术上区别较大。


在总体性能方案设计方面,航改燃机主要设计参数的选取不仅要考虑高性能,同时还要兼顾使用寿命,这与航机不同,同时航改燃机设计点的压气

机喘振裕度可以较航机低一些; 在节流状态,航改燃机总体方案设计不仅要考虑喘振裕度,还要考虑其效率,而航机对此状态耗油率要求不高; 高、低压压比相差大的航改燃机,高、低压匹配是一个难点,涡扇发动机高、低压匹配相对容易些; 燃机对加减速性较航机要求低; 由于燃机有动力涡轮,在整机匹配设计上和航机比也存在一些差异。另外,总体性能设计中还要考虑燃机用于综合电力推进时甩负荷对燃机的影响。


在总体结构设计方面,航改舰船燃机除原机内的承力系统要适当改动外,机外承力系统要作全面改动设计,航机安装简单,只通过吊耳吊装在发动

机机舱内,但舰船燃气轮机前接进气装置,后接排气系统,上有烟道接口,下有底座与船体承力结构相接,整个空间都在温度、干扰力( 静力、振动力)之下,要求承力系统有足够的强度、刚性、抗冲击能力和完善的补偿、吸振机构。


2.7 整机试车调试

航改燃气轮机与航机整机调试技术有一定的区别,首先是试车台架的不同,航空发动机整机试车时,在航机试车台进行,测量尾喷口喷射的高速气流产生的推力。燃机试车台必须有水力测功器、压气机或发电机等负载,来吸收动力涡轮产生的功率并测量。


其次,航机对起动和加速要求严格,调整起动和加减速性能是整机调试的重要内容,对于低速状态的整机性能要求不高。航改燃气轮机与其相反,由于燃机大部分时间在低负荷工作,需匹配优化部分负荷状态性能,继承的航机起动和加减速性通常能够满足舰船需要。


另外,由于燃机有动力涡轮,不同状态下动力涡轮转速对燃机性能影响较大,需调整负载,录取不同动力涡轮转速和不同燃气发生器转速下燃机的性能。同时为了满足燃机长期工作,测试参数较多,控制系统保护报警参数较多,确定控制系统保护报警参数和检查保护功能也是整机调试的一项重要工作。


2.8 先进循环

目前航空发动机都是简单循环,国外正进行间冷回热航空(ICRA)发动机相关技术的研究工作,我国先进循环航空发动机的研究只是处于概念阶段。


采用先进循环是舰船燃气轮机重要的发展方向,可以大幅度提高燃气轮机性能。间冷回热循环(ICR)的舰船燃气轮机WR21 已经作为综合电力推进系统的原动力在英国45型驱逐艇上投入使用。由于采用间冷回热循环,设计状态燃机功率提高了25%,年燃油消耗量降低了30%,性能改善显著。另外,湿压缩技术、燃蒸联合循环也是先进的循环技术。我国目前也开展了大功率间冷循环燃气轮机的研究工作,并取得了一定的进展。


2.9 环境适应性设计

由于航机和燃机使用环境差别很大,所以必须进行航改舰船燃气轮机环境适应性设计技术研究。主要内容包括抗腐蚀、抗冲击技术研究等。


1) 抗腐蚀技术。

海洋工作环境带来的首要问题是进口空气中的盐分对燃机的腐蚀。含盐空气进入发动机后,盐分在压气机叶片上沉积,从而引起压气机性能下降,严重时会发生喘振,还会引起其他部件的严重腐蚀。


解决上述问题的途径为: 对发动机进行定期清洗,除去压气机通流部件上的积盐; 发动机通流部件要采用耐腐蚀的材料、涂层或渗层。为了进行压气机的清洗,必须研制出适应燃机工作环境、满足清洗要求的清洗设备,确定有效、安全的清洗剂、清洗方法、清洗规程等。


航空发动机叶片所用的镀层,主要是为了抗氧化,对于抗腐蚀效果不大。所以对于舰船燃气轮机,必须专门研制和采用与航空燃气轮机完全不同的涂层,叶片材料也需视情况更换。


2) 抗冲击。

舰船燃机在工作过程中可能遇到水下爆炸、近距离脱靶炮火等所产生的强烈冲击,其冲击强度是航机的4~5倍。为满足抗冲击的要求,燃气轮机要有减震支承,但是即使经过减震后的冲击值也是一般航机难以接受的,特别是机匣、轴承支架等簿弱环节。因此,必须对航改舰船燃机抗冲击性进行计算分析,如有需要,加固相应结构,使用较重型的机匣和通过环形框架来分散载荷,以改善发动机本身抗冲击负荷的能力,并进行抗冲击试验考核。


2.10 提高寿命、可靠性和可维修性改进设计

航改舰船燃机的寿命一般是原航机(军机)寿命的几十倍,虽然航改燃机采用了降温、降负荷等措施,但仍难以满足舰船要求。因此,还要开展研究工作,并对一些部件相应的做些改动,使其寿命和可靠性有大幅度增加。


舰船燃气轮机一般安装于舰船底部较为封闭的机舱内,燃机更换和维修困难,为了提高燃机可维修性,在航改燃机设计阶段,结构应尽可能简单,采用减少零件数目、分开式机匣、单元体结构等方式,以提高可维修性。


3 结语

从成熟的航空发动机到成功的舰船燃气轮机,其间还有相当长的路要走。它不仅仅是配装动力涡轮输出轴功率,还包括新设计低压压气机、动力涡轮、控制系统、进排气系统、燃烧室改进设计、研制适用的清洗系统、改变材料和镀层,防止盐雾腐蚀以及进行抗冲击改进设计等。一个舰船燃气轮机装船使用的成功与否,在很大程度上取决于这些关键技术解决得如何。所以,必须加大投入,在航机设计成果的基础上,进行航改舰船燃气轮机设计技术研究,提高设计能力,为船舶动力的跨越式发展奠定坚实的技术基础。


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