自1939年瑞士制造成功第一台电站用燃气轮机以来,由于燃气轮机具有体积小、重量轻、启动快、少用或不用冷却水等一系列优点,已在各个领域得到长足发展,广泛应用于发电、舰船动力、车辆动力、天然气、石油管道输送等领域。由于航改燃机的众多特点,在上世纪50年代航空燃气涡轮发动机在飞机上得到普遍采

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【涨知识】航改燃气轮机的发展及其在工业上的应用

2015-11-04 11:03 来源:中航工业 

自1939年瑞士制造成功第一台电站用燃气轮机以来,由于燃气轮机具有体积小、重量轻、启动快、少用或不用冷却水等一系列优点,已在各个领域得到长足发展,广泛应用于发电、舰船动力、车辆动力、天然气、石油管道输送等领域。由于航改燃机的众多特点,在上世纪50年代航空燃气涡轮发动机在飞机上得到普遍采用时,就开始了将航空燃气涡轮发动机改型为地面、舰船用轻型燃气轮机的工作。

1958年,英国的不列斯托尔公司,将分轴型涡轮螺旋桨发动机“普罗丘斯”改装成舰船用燃气轮机后,用于快艇推进动力,机组最大功率3170千瓦(4250马力)。次年,又将该机组用于遥控的无人电站。

1963年起,以大型涡轮喷气发动机改装的机组相继问世。例如,美国用J57、J75涡轮喷气发动机改装成FT3、FT4航改燃机,用J79涡轮喷气发动机改装得到LM1500航改燃机。英国用“奥林巴斯”及“埃汶”涡轮喷气发动机改装得到同名燃气发生器,在它们后面加装动力涡轮后,得到了功率0.746~1.864万千瓦(1~2.5万马力)的机组,效率达25~27.8%。

RB211涡扇发动机改型的航改燃机驱动油泵机组

到20世纪60年代末,以涡轮风扇发动机改装成的机组也开始问世,代表型号为LM2500,机组效率达到了34%(现已高于35%)。它标志着新一代的航机开始被改装用于工业及舰船。到20世纪70年代末,有更多用涡轮风扇发动机改装的机组出现。如RB211、斯贝、LM5000等。其中LM5000燃气发生器的功率达4.474万千瓦(6万马力),是目前功率最大的航改燃机的燃气发生器,用它加装动力涡轮得到的燃气轮机的效率可达38%,是简单循环燃气轮机目前所达到的最高效率值。

我国南海天然气开采平台采用航改燃机501-KB5作为发电机组的动力

在盛产石油、天然气的近海海洋中,采用海洋石油、天然气钻探、开采平台已是很普偏的了,我国也有多座海洋石油钻探、开采平台。这些平台远离大陆,无法从地面供给电力,只能在平台上安装燃气轮机发电机组,但海洋平台空间有限,承载能力也有限,因此无法采用一般的重型燃气轮机,只能采用体积小、重量轻、使用方便的航改燃机。目前,几乎所有的海洋石油、天然气钻探、开采平台均采用了航改燃机作为它的动力源。位于我国南海中的南海BP-ARCO公司崖13-1天然气开采平台,它上面的发电机组采用了英国罗˙罗公司的航改燃机501-KB5驱动。501-KB5航改燃机系由T56涡轮螺旋桨发动机改型而成,在我国的石油、天然气钻探、开采海洋平台上共约使用了20余台。

航改燃机的工作原理和主要类型

为满足国防和航空运输业的需要,半个世纪内,航空发动机得到了巨大的发展。由于航空发动机在设计水平、材料、制造工艺、试验和使用方面技术先进,经验丰富,因此由航空发动机改装而得到的燃气轮机(简称航改燃机),在非航空领域中得到了广泛的应用,在整个航空动力行业中,航改燃机所占的比重不断增大。

航空燃气涡轮发动机改型的地面燃气轮机

从原则上讲,如果能发展一台采用高循环参数、高新技术装备的高性能核心机(或燃气发生器),则可发展一系列的发动机,包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机以及地面和舰船用的动力。即用不同的方法来利用燃气发生器输出的高温高压燃气,就可得到不同的发动机。如果将这股燃气驱动一个带动负载设备(例如发电机、水泵、油泵)或船用螺旋桨的涡轮,那么原用于上天的航空发动机就可变为地面或舰船的动力了,这就是航空发动机在非航空领域中的应用。在燃气发生器后用来驱动地面装置的涡轮称为动力涡轮,燃气发生器加上动力涡轮称为地面或舰船用燃气轮机。一般动力涡轮的转速较高,而带动的发电机、水泵、油泵及船用螺旋桨等设备的转速均较低,因此,在动力涡轮与设备间需装减速装置。

工业燃机结构示意图

地面燃气轮机大体可以分为两类:一类是工业型,一类是航机改装型。

工业型是按地面要求而设计的,主要的要求是寿命长,能长期安全运行,少用贵重金属材料。航空发动机改装的燃气轮机,是把那些成熟的航空发动机加以适当改型而成,有的甚至在新航空发动机研制阶段中或研制之初,就开始着手地面燃机的改型。改型的情况视发动机的种类不同而不同。对涡轮喷气发动机,去掉尾喷管并适当改进后,加装动力涡轮;对涡轮风扇发动机,去掉或改变前面的风扇部分,适当变更涡轮,去掉尾喷管,加装动力涡轮;对涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机,由于它们在飞机上使用时就是输出轴功率,因而改装的工作量较小。

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