航改燃機的發展與應用

與其他傳統發動機相比，航行汽車（簡稱燃料機）具有功率大、結構緊湊、質量輕、維護方便、可靠性高等優點。自誕生以來，它一直受到社會各界的高度重視，并在電工行業、管道輸送、冶金、船舶動力等領域得到了廣泛應用。隨著相關技術的不斷進步,航改燃機不斷改良,朝著更可靠、更經濟、更環保的方向發展。隨著新技術和新材料的逐步升級改造,GE公司的LM2500系列航改燃機已經產生LM2500、LM2500+、LM2500+G4等一系列型號,整機性能不斷提高,涵蓋了從23MW至33MW的功率等級。自LM2500系列航改燃機于20世紀70年代初正式投入使用以來,現已銷售2000余套。在工業中,LM2500系列機組總運行時間已超過4000萬h;在艦船中,LM2500系列機組總運行時間已超過5000萬h,是任何一種燃機都難以企及的。這主要歸功于LM2500系列機組的高性能、高可靠性和高利用率。1燃機樣機海試1970年,GE公司對第一臺LM2500燃機樣機進行海試。樣機輸出功率達17.9MW,效率為35.5%,完全能夠滿足軍方要求,隨后LM2500燃機進行批量生產。1.1機改路徑LM2500燃機由航改燃機航空渦輪風扇發動機TF39(軍用型)及CF6-6(民用型)改制而成。1.2燃油發動機電控系統LM2500燃機(如圖1所示)由單轉子燃氣發生器和動力渦輪部件組成。其中,燃氣發生器由壓氣機、環形燃燒室、渦輪構成。壓氣機采用16級軸流式壓氣機,其中1—6級靜子葉片可調。燃燒室為環形,有30個燃油噴嘴及2個點火裝置,整體采用氣膜冷卻技術。渦輪采用2級軸流式,其轉子葉片和靜子葉片均采用氣冷結構。渦輪機匣為蜂窩狀篦齒密封結構。動力渦輪采用原航空發動機(TF39/CF6-6)的低壓渦輪。燃機改裝時,動力渦輪進口溫度較航機大幅下降,為低負荷設計,級數為6級。因此,動力渦輪的工況效率高達92.5%,且性能良好。動力渦輪的制造采用抗腐蝕材料,并且涂有涂層,能大大延長其使用壽命。同時,LM2500也在不斷發展中,功率由1970年的17.9MW增加到目前的23.3MW,熱效率也由35.5%增至36.6%。2燃機壓氣機的影響LM2500+燃機是在LM2500燃機的壓氣機前增加0級壓氣機,從而使其空氣流量和輸出功率有較大提高。LM2500+燃氣輪機的結構如圖2所示。2.1lm2500+燃機20世紀90年代初,雖然通過各類技術改進,GE公司將LM2500燃機的功率提高至22.0MW級別,但隨著各國海軍艦艇對動力裝置功率要求的不斷提高,其燃機功率已不能滿足需求。在此背景下,GE公司決定在LM2500燃機的基礎上,研制其改進型燃機。LM2500+燃機在1998年研制成功,其功率達到29.8MW,熱效率為38%。升級過程中,保留原LM2500燃機的結構特點、材料工藝及配套設施,并繼承其高可靠性和高使用壽命。在此基礎上,采用保守設計方法研制LM2500+燃機。2.2采用航機cf6-80c2葉型設計在原有的16級壓氣機前新增0級壓氣機,形成新的17級軸流式壓氣機。新增加的0級壓氣機采用整體葉盤結構,可靠性及壽命都有所提高。同時,可調進口導向葉片與其后的0—6級可調靜子葉片相配合,保證了良好的壓氣機性能并降低了喘振的可能性。重新設計的第1級轉子葉片采用基于航機CF6-80C2葉型的寬弦葉片,去掉了原LM2500燃機第1級轉子葉片的突肩。同時第2、3級轉子葉片采用航機CF6-80C2的葉型設計。0—11級靜子葉片也采用航機CF6-80C2的葉型設計。新型壓氣機使空氣流量增加了23%,壓比從19.3增加到23.3,效率提高了0.5%。動力渦輪流通面積增加了大約11%,以適應空氣流量的提高。同時,各傳動部位也得到了增強,以適應輸出功率的提高。LM2500燃機與LM2500+燃機結構對比如圖3所示。3新一代燃氣發電系統LM2500+燃機投產以后,GE公司于2005年開發了新一代的LM2500+G4燃機,其功率由30.0MW提高到33.4MW,同時增加了燃氣初溫及壓比,且空氣流量約增加5%。3.1更新的基本原則綜合考慮復雜程度、進度安排、技術風險和費用支出等因素,增加功率的最容易、穩妥方法是增加空氣流量。其技術風險最低,且升級費用合理。3.2主要設計與改進對轉子葉片和靜子葉片葉型做小規模改動,以便提供更高的空氣流量。同時壓氣機和渦輪葉片采用新型冷卻技術和材料,使其可以承受更高的溫度。3.3主要性能新一代LM2500+G4燃機的功率高達33.4MW,熱效率高達39%。LM2500系列燃氣輪機與其他型號燃機性能對比見表1。4航改燃機的技術發展方向顯而易見,航空發動機是按照飛機的使用條件來設計制造的,其運行環境、狀態等都跟陸地、海洋有著非常大的區別。因此,必須根據陸地、海洋環境的特殊要求,對航空發動機進行適當的改造,才能獲得性能優異、質量可靠的工業、艦用燃機。通常來講,航改燃機主要對原航機進行以下方面的改進:1)降低工作參數。為了達到較高的性能,航機一般采用比較高的工作參數,其中最具代表性的參數是燃氣初溫(渦輪前溫度),但其工況變化范圍比較小。這跟工業、艦船用燃機的要求差異很大。由于其工作條件遠比航機惡劣,因此,航改燃機最有效的方法就是降低燃氣初溫和轉速。雖然降低工作參數會降低燃機效率和功率,但可以使燃機壽命和可靠性大幅提高。2)各部件改動。航機大部分時間工作于空氣稀薄的高空,而燃機工作在海平面高度,空氣密度大、壓強高。所以必須對壓氣機和渦輪的設計進行適當修改甚至重新設計,以適應新的氣動參數。同時,航機的燃料為高質量的航空煤油,而燃機的燃料通常為柴油甚至重油,具有密度高、黏度大、氣化速度慢、燃燒能力差等缺點。所以必須對燃燒室進行改動,在保證性能要求的前提下,提高燃燒室的效率和壽命。3)增加部件。燃機必須以軸功率形式輸出動力,因此航改燃機需要去掉原航機的反推裝置、加力燃燒室、尾噴管等部件,加配符合要求的動力渦輪。4)改進材料。航機在高空潔凈的大氣中工作,部件工作條件較好。而燃機在工作過程中會吸入大量的煙霧、粉塵等污染物,腐蝕燃機部件,影響燃機的工作性能和使用壽命。航改過程中,必須對原航機部件的材質進行更換或者采取表面處理,以提高部件的防腐性能?？v觀世界燃氣輪機發展史,航改燃機可以最大程度繼承航機的資源,具有節約資金、縮短研發周期、降低風險等諸多優勢,是燃機發展的一個最重要方向。以一款成功的燃機為基礎,經過不斷升級改進,可以逐步衍生發展出一系列燃機,這不僅賦予原形燃機強大的生命力,而且形成更新換代的良性發展態勢,同時也保證了后續燃機的可靠性、低風險、低成本、短周期。通常升級的途徑主要有3個:一是提高燃氣初溫和壓比;二是增加空氣流量;三是采用復雜循環(GE公司的LMS100燃機)。在升級改進中,增加空氣流量是低成本和低風險的方式。GE公司航改燃機發展示意圖見圖4。5lm2500燃機的