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工業機械中的巨獸,燃氣輪機比大獅子還猛

2019-11-9 09:48| 發布者: 西獨歐陽風| 查看: 412| 評論: 0|來自: 夾具俠

摘要: 工業機械中的巨獸,燃氣輪機比大獅子還猛

燃氣輪機被稱為制造業的王冠,作為一個體形龐大的工業機械巨獸,它既要追求高效性能,又需考慮經濟效益,這是一種讓制造業糾結于魚和熊掌的痛苦。

目前,航空發動機和燃氣輪機“兩機”科技重大專項已經順利成為國家第20個重大技術專項,與空天飛機和高超音速飛行器專項一起成為國家航空航天領域的重要突破。

今天這篇文章就來跟大家聊聊被譽為工業皇冠上明珠的燃氣輪機!

燃氣輪機原理

燃氣輪機(GasTurbine)是以連續流動的氣體為工質、把熱能轉換為機械功的旋轉式動力機械,包括壓氣機、加熱工質的設備(如燃燒室)、透平、控制系統和輔助設備等。

按照燃燒室溫度目前分為E級,F級和目前最先進的H級。其中,E級重型燃氣輪機透平進口約1200℃,F級透平進口溫度約為1400℃,目前最先進的H級透平進口溫度達到1430℃-1600℃。溫度越高,技術等級越高。

現代燃氣輪機發動機主要由壓氣機(藍色)、燃燒室(紅色)、透平(黃色)。

當它正常工作時,工質順序經過吸氣壓縮、燃燒加熱、膨脹做功以及排氣放熱等四個工作過程而完成一個由熱變功的轉化的熱力循環。壓氣機從外界大氣環境吸入空氣、并逐級壓縮(空氣的溫度與壓力也將逐級升高);壓縮空氣被送到燃燒室與噴入的燃料混合燃燒產生高溫高壓的燃氣;然后再進入透平膨脹做功;最后是工質放熱過程,透平排氣可直接排到大氣、自然放熱給外界環境,也可通過各種換熱設備放熱以回收利用部分余熱。在連續重復完成上述的循環過程的同時,發動機也就把燃料的化學能連續地部分轉化為有用功。

燃氣輪機屬熱機,空氣是工作介質,空氣中的氧氣是助燃劑,燃料燃燒使空氣膨脹做功,也就是燃料的化學能轉變成機械能。下圖是一臺燃氣輪機原理模型剖面,通過它來了解燃氣輪機的工作原理。從外觀看燃氣輪機模型:整個外殼是個大氣缸,在前端是空氣進入口;在中部有燃料入口,在后端是排氣口(燃氣出口)。

燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室、渦輪三大部分組成,左邊部分是壓氣機,有進氣口,左邊四排葉片構成壓氣機的四個葉輪,把進入的空氣壓縮為高壓空氣;中間部分是燃燒器段(燃燒室),內有燃燒器,把燃料與空氣混合進行燃燒;右邊是渦輪(透平),是空氣膨脹做功的部件;右側是燃氣排出口。

燃氣輪機動力裝置是指包括燃氣輪機發動機及為產生有用的動力(例如:電能、機械能或熱能)所必需的基本設備。為了保證整個裝置的正常運行,除了主機三大部件外,還應根據不同情況配置控制調節系統、啟動系統、潤滑油系統、燃料系統等。

在下圖中表示了燃氣輪機的簡單工作過程為:空氣從空氣入口進入燃氣輪機,高速旋轉的壓氣機把空氣壓縮為高壓空氣,其流向見淺藍色箭頭線;燃料在燃燒室燃燒,產生高溫高壓空氣;高溫高壓空氣膨脹推動渦輪旋轉做功;做功后的氣體從排氣口排出,其流向見紅色箭頭線。

在燃氣輪機中壓氣機是由渦輪帶動旋轉,壓氣機的葉輪與渦輪安裝在同一根主軸上組成燃氣輪機轉子,燃燒室產生的高溫膨脹氣體是同時作用到渦輪葉片與壓氣機葉片上,如何保證渦輪帶動壓氣機正向旋轉呢?

簡單說渦輪葉片工作直徑大于壓氣機出口處的葉片工作直徑,渦輪葉片的面積也大于壓氣機出口處的葉片面積,這就初步保證在同一壓力下渦輪的輸出力矩大于壓氣機所需的力矩,當然更重要的是壓氣機葉片與渦輪葉片的良好空氣動力學設計才能保證兩者高效運行。燃氣輪機在設計時就要保證渦輪機輸出的功率要大于壓氣機所需的功率,才能使燃氣輪機在帶動壓氣機的同時還能向外輸出功率。

燃燒室的那些事

燃氣輪機的燃燒室可以說融合了整個燃機的大部分高精尖技術,比如H級燃機運轉時,燃燒室內部的溫度可以達到近1600度的高溫!比火山巖漿還要熱,絕大部分的金屬在這個溫度下都會熔化。所以,咱們也就重點說說燃燒室里發生的那些事兒。

一臺燃氣輪機的燃燒室中配有大概500塊這樣的隔熱瓷片,在隔熱瓷片受熱一面的溫度將近1600攝氏度,而另一側的溫度僅有600多攝氏度,這些大約4厘米厚的陶瓷隔開了近1000度的高溫!

西門子SGT-4000F型燃氣輪機的燃燒室

燃燒室中的氣體還會以堪比龍卷風的速度(每秒100米)不斷沖擊著燃燒室。所以這些瓷片還必須能抗住強大的沖擊力——甚至要比應用于航天飛機上的隔熱瓷片還結實。這是因為航天飛機上的隔熱陶瓷在每次降落后和起飛前都會經過嚴格的檢查并替換受損瓷片,而燃氣輪機中的隔熱瓷片需要在運行數千小時候后才會進行檢修。

通過采用隔熱瓷片,燃燒室內外壁的冷卻任務已經完成,接下來的任務卻更有挑戰。在之前介紹燃機原理中我們說到,燃燒后的高溫氣體會推動透平區的葉片轉動。

透平區的第一級葉片在燃機運轉時,不僅要耐得住將近1600度的高溫,還要以音速旋轉,承受相當于自身重量一萬倍的離心力。

燃氣輪機是軍艦動力方案的選擇之一

目前世界主要海軍強國在軍艦動力方案選擇上,燃氣輪機的主要競爭對手是艦用柴油機和艦用蒸汽輪機,但是由于燃氣輪機先天優勢與軍艦動力系統性能要求更為吻合,燃氣輪機成為了各國軍艦動力系統發展的唯一選擇

燃氣輪機的優勢

功率密度極大:

一般情況下,同等功率的燃機體積是柴油機的三分之一到五分之一,是蒸汽輪機的五分之一到十分之一左右。

啟動速度快:

雖然燃機的轉速是三種動力系統中最高的,但是由于整個轉子十分輕巧,在啟動機幫助下在1-2分鐘就可以達到最高轉速。而啟動速度,對于軍艦的戰時出動和反潛作戰時加減速性能有著直接的影響。

噪聲低頻分量很低:

由于燃氣輪機本身處于高速穩定轉動當中,產生的噪聲更多是高頻嘯聲。柴油機的活塞往復產生了大量低頻機械振動噪聲,恰好迎合了海洋容易傳播低頻噪聲的特點,導致軍艦容易被敵方聲納探測。

由于多方面的原因,我國燃氣輪機同國際先進水平相比仍存在很大差距,尚未形成真正的產業。我國在艦載燃氣輪機方面一直沒能突破技術瓶頸的主要原因有很多,既有航空動力方面的問題也有艦用燃機工業本身的體制問題。

據了解,被譽為裝備制造業“皇冠上的明珠”的燃氣輪機國內市場始終被美國通用電氣公司、德國西門子公司、日本三菱重工等國外企業占據,雖然,國內主機廠商在自主研發上有所進展,例如AE94.3A燃機透平葉片啟動國產化生產,5萬千瓦重型燃機1-17級壓氣機試驗成功,但這些企業主要具備的是裝配制造能力,實際的核心技術和品牌還屬于國外企業,仍未有國產品牌的燃氣輪機進入市場。

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