燃氣輪機工作原理及性能

目錄

符號表

第一篇 燃氣輪機理論基礎(chǔ)

第二篇 燃氣輪機的應(yīng)用

第三篇 獲取燃氣輪機特性的方法及燃氣輪機仿真模型

參考文獻

附錄1 國際標(biāo)準(zhǔn)大氣表

附錄2 空氣和燃氣等溫焓差表

附錄3 空氣和燃氣的熱力性質(zhì)表

附錄4 空氣和燃氣熱力性質(zhì)表分段擬合公式（一）

附錄5 空氣和燃氣熱力性質(zhì)表分段擬合公式（二）

索引

該書著重分析了與實際工作過程比較接近的實際循環(huán)理論、各部件的相互制約關(guān)系和部件匹配關(guān)系，變比熱計算方法等。

燃氣輪機是以空氣為介質(zhì)，靠高溫燃氣推動渦輪機械連續(xù)做功的大功率、高性能動力機械。它主要是由壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件組成，再配以進氣、排氣、控制、傳動和其他輔助系統(tǒng)。當(dāng)燃氣輪機機組起動成功后，燃氣輪機就會開始進入穩(wěn)定的熱力學(xué)循環(huán)過程。壓氣機連續(xù)不斷地從外界大氣中吸入空氣并增壓，這個過程可以認為是壓氣機動能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，被壓縮后的空氣溫度升高有利于與燃料進行更猛烈的化學(xué)反應(yīng)（化學(xué)反應(yīng)速度和程度與溫度成正比），更大的膨脹比也有利于壓縮空氣燃燒后釋放更大的能量。壓縮空氣從壓氣機出來后即進入燃燒室，首先會在燃燒室進口被噴入燃料進行摻混，然后就會點火燃燒。這個過程可以認為是燃料化學(xué)能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，在短短幾十厘米的距離內(nèi)空氣的溫度上升數(shù)百甚至上千度，壓力也會激增。高溫高壓的燃氣從燃燒室出口噴出，就開始膨脹，在膨脹的同時推動渦輪葉片做功。這個過程就是燃氣熱能和勢能向動能的轉(zhuǎn)化。渦輪將燃氣的能量轉(zhuǎn)化為動能后，一方面用于壓氣機壓縮空氣持續(xù)進行熱力學(xué)循環(huán)，另外一方面由主軸將轉(zhuǎn)子的扭矩輸出，經(jīng)過減速器減速以后用于推動軍艦。整個熱力學(xué)循環(huán)完成使得燃氣輪機實現(xiàn)了燃料化學(xué)能向機械能轉(zhuǎn)換的最終目的。

國產(chǎn)燃氣輪機優(yōu)勢

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(yōu)勢與軍艦動力系統(tǒng)性能要求更為吻合，燃氣輪機成為了各國軍艦動力系統(tǒng)發(fā)展的唯一選擇。老牌海軍強國如美國海軍、英國海軍、日本海上自衛(wèi)隊的主力水面作戰(zhàn)艦只早已完成動力燃氣輪機化。

燃氣輪機第一個優(yōu)勢是功率密度極大。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。這是由于燃氣輪機本身精巧的連續(xù)轉(zhuǎn)動熱力學(xué)循環(huán)結(jié)構(gòu)造成的，體積小、功率大，非常適合軍艦分艙小、航速要求高的特點。

燃氣輪機的第二個優(yōu)勢是啟動速度快。雖然燃機的轉(zhuǎn)速是三種動力系統(tǒng)中最高的，但是由于整個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。而柴油機由于轉(zhuǎn)子運動源于活塞的往復(fù)，加速較慢，蒸汽輪機更是“反應(yīng)遲鈍”，整個系統(tǒng)達到最高功率輸出可能需要長達一小時的時間。而啟動速度，對于軍艦的戰(zhàn)時出動和反潛作戰(zhàn)時加減速性能有著直接的影響。

燃氣輪機第三個優(yōu)勢是噪聲低頻分量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動當(dāng)中，產(chǎn)生的噪聲更多是高頻嘯聲。而柴油機的活塞往復(fù)產(chǎn)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(dǎo)致軍艦容易被敵方聲納探測。所以柴油機動力尤為不適合給反潛軍艦作動力系統(tǒng)。

國產(chǎn)燃氣輪機自研燃機

我國艦用燃氣輪機研發(fā)的起步并不算晚。根據(jù)“中國艦用燃氣輪機總師訪談錄”的介紹，1958年我國開始著手研發(fā)計劃的具體組織實施，決定成立南、北方兩個聯(lián)合設(shè)計組，先開展大、中、小三型機組的可行性論證和方案設(shè)計。1959年底，前蘇聯(lián)向我國轉(zhuǎn)讓了M-1艦用燃氣輪機技術(shù)，我國對該機組進行了以技術(shù)練兵為目的的仿制工作。僅用了11個月，上海輪機廠就完成了該型燃機的首臺樣機制造。不過由于各種原因，仿制樣機經(jīng)過3年才排除大量故障通過驗收試驗。后來該型燃機在一艘高速炮艇上進行了試驗并且裝備了部隊。1964年完成設(shè)計的6000馬力燃機組是我國第一次自行設(shè)計研制的艦用燃機，但是由于研制周期過長加之原裝配對象計劃調(diào)整未能裝備部隊。與世界上其他國家主要依靠航空發(fā)動機改燃機不同，我國由于航空發(fā)動機水平落后，采取的是改進和專用研制并舉的道路。

1967年我國決定將轟六轟炸機上的渦噴8發(fā)動機改進為大功率艦載燃氣輪機，這是我國首次進行“航改燃”實踐，但是最終因為發(fā)達國家同意進口相應(yīng)型號受到?jīng)_擊無果而終。后來我國一直在艦用燃機方面不斷嘗試，但是一直沒能拿出一款成熟可靠性能優(yōu)良的艦載燃氣輪機。這就是中國6艘裝備燃氣輪機的驅(qū)逐艦都采用外國產(chǎn)品的原因，其中112、113兩艘驅(qū)逐艦因為受到美國禁運影響，其裝備的LM2500燃氣輪機到了使用時限也難以獲得大修。

國產(chǎn)燃氣輪機艦用燃機

我國在艦載燃氣輪機方面一直沒能突破技術(shù)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(yè)本身的體制問題。其中最主要的一個原因是我國航空動力工業(yè)缺乏長期發(fā)展規(guī)劃。我國航空動力工業(yè)像很多落后國家一

樣是從仿制和修理開始的。在老大哥的幫助下，我國迅速建立起一個能夠和世界一流水平比肩的航空工業(yè)體系，但是我國并沒有為航空工業(yè)以及航空動力工業(yè)制定一個從仿制到研制的長遠發(fā)展規(guī)劃，而是將航空工業(yè)本身的任務(wù)局限于仿制、生產(chǎn)和修理，確定了以生產(chǎn)為主的“遍地批量廠”發(fā)展方針。我國航空工業(yè)的運行狀態(tài)就是，仿制生產(chǎn)再仿制再生產(chǎn)，長期處于這種發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，我國航空動力工業(yè)對于現(xiàn)代航空動力系統(tǒng)的研究發(fā)展客觀規(guī)律認識極為不足。

航空發(fā)動機研制沒能突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，與航空發(fā)動機技術(shù)相通的艦用燃機更是無從談起。在2004年，中國一航開發(fā)研制的國產(chǎn)新型燃氣輪機QC185在珠海航展上首次面世。而該機就是以太行核心機為基礎(chǔ)改進的輕型燃機，不過輸出功率17兆瓦的水平也不足于我國發(fā)展大型水面艦艇的需要。另外，我國艦用燃機輪機主要研制和生產(chǎn)單位存在于航空工業(yè)之外，在體制方面非常不利于航空發(fā)動機向燃氣輪機的改進工程。

斗型螺栓的性能等級可以分為3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9共10個性能等級，其中8.8級（含）以上強度螺栓材質(zhì)為中碳鋼以及合金鋼經(jīng)熱處理 ，這些螺栓稱為高強度螺栓，其余通稱為普通強度螺栓。螺栓性能等級標(biāo)號有兩部分數(shù)字組成，分別表示螺栓的公稱抗拉強度值和屈強比值。例如：

1、性能等級4.8級的螺栓，其含義是：

(1)、螺栓材質(zhì)公稱抗拉強度達400MPa級；

(2)、螺栓材質(zhì)的屈強比值為0.8；

(3)、螺栓材質(zhì)的公稱屈服強度達400X0.8=320MPa級

2、性能等級8.8級的螺栓，其含義是：

(1)、螺栓材質(zhì)公稱抗拉強度達800MPa級；

(2)、螺栓材質(zhì)的屈強比值為0.8；

(3)、螺栓材質(zhì)的公稱屈服強度達800X0.8=640MPa級

3、性能等級10.9級的螺栓，其含義是：

(1)、螺栓材質(zhì)公稱抗拉強度達1000MPa級；

(2)、螺栓材質(zhì)的屈強比值為0.9；

(3)、螺栓材質(zhì)的公稱屈服強度達1000X0.9=900MPa級

螺栓性能等級的含義是國際通用的標(biāo)準(zhǔn)，相同性能等級的螺栓，不管材料和產(chǎn)地的區(qū)別，其性能是相同的，設(shè)計上只選用性能等級即可。螺栓的強度等級為10.9級是指螺栓的抗剪切應(yīng)力等級為10.9GPa。

《高性能刀具及涂層刀具材料的切削性能》介紹了高速鋼切削刀具、硬質(zhì)合金切削刀具、陶瓷切削刀具、金剛石切削刀具及立方氮化硼切削刀具的切削性能，同時介紹了各系列涂層刀具，包括單一涂層刀具、多元復(fù)合涂層刀具及多元多層復(fù)合涂層刀具的切削性能以及不同刀具涂層的制備技術(shù)。全書共分13章：第1章介紹了各種高性能切削刀具的特點及綜合性能；第2～6章分析了高速鋼切削刀具、硬質(zhì)合金切削刀具、陶瓷切削刀具、金剛石切削刀具及立方氮化硼切削刀具的切削性能；第7～8章介紹了涂層刀具的特性、研究進展及應(yīng)用；第9～12章分析了單一涂層刀具、多元復(fù)合涂層刀具及多元多層復(fù)合涂層刀具的切削性能及刀具涂層的各種制備技術(shù)；第13章探討了我國涂層刀具存在的問題及解決對策。

《高性能刀具及涂層刀具材料的切削性能》可供從事切削加工技術(shù)及刀具材料生產(chǎn)的科技工作者閱讀，也可供高等院校材料類、機械類、表面工程類專業(yè)的本科生和研究生參考。