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燃气轮机在船舶动力方面的应用

）摘要：介绍船用燃气轮机的工作原理和特点，对比燃气轮机和内燃机性能的优缺点，总结燃气轮机应用于船用动力的现状和未来的发展方向。关键词：船用燃气轮机；原理；应用；发展方向；1．引言燃气轮机动力装置在50年代开始用于船舶，在此之前，水面舰艇都已蒸汽轮机和内燃机作为其动力装置，大型舰船以蒸汽轮机为其主要的动力装置，蒸汽轮机的优势在于技术相对简单，制造相对容易，但是其同样存在油耗大，占用空间大等等劣势，而柴油机的单机功率有限，必须采用多机并用。并且由于燃气轮机汽固有的一些优点，使得它逐渐向柴油机动力在船舶动力上的统治地位发起了挑战。最初的燃气轮机还只能应用与军用舰艇，但是随着燃气轮机技术的发展，燃气轮机在商船上也逐步得到了推广。2．船用燃气轮机的工作原理船用内燃机的循环模式可以分为简单开式循环，其工作过程同内燃机类似，也可以分为吸气、压缩、做功及排气四个工作行程，但是与内燃机又有很大的不同，下图中是一种燃气轮机的结构示意图。轴流压气机的转子高速回转，在压气机的进口处产生吸力，将新鲜空气吸入压气机，对应着吸气的过程。空气在轴流压气机中增压，压力和温度都有升高，空气继续流动经过扩压器，减速增压进入燃烧室中，此时的空气温度和压力都较高，比容很小，这就实现了空气的压缩过程。在空气进入燃烧室的同时，燃油同时喷入与空气混合形成可燃混合气，点燃后迅速燃烧，温度继续升高，而压力变化不大（由于流动损失的存在）；高温高压的燃气，经过涡轮的静叶的导向之后冲击涡轮的动叶叶片，推动叶片使涡轮转子高速转动而产生转矩。涡轮常分为两级，第一级涡轮（高压涡轮）上产生的转矩用于驱动与之联动的压气机，第二级涡轮（动力涡轮）上产生的转矩经过传动轴和减速箱输出，这就是燃气轮机的燃烧和做工过程。经过两级涡轮的燃气经废气箱和烟囱排入大气，是燃气轮机的排气过程，这部分气体中仍然含有一些能量，可以把这部分能量加以利用来提高整机的工作效率。除了简单开式循环外，船用燃气轮机还有一些更为复杂的循环型式，包括回热机组和中冷机组等等。回热机组中排气温度高，经回热器(即换热器)先把压气机出口的空气加热，然后空气再进入燃烧室，优点是可以提高热效率，但是会增加机器的重量和尺寸；中冷机组在压缩过程中采用中间冷却，这样可以减小高压压气机的压缩功，使单位流量工质的输出功增大。3．船用燃气轮机的特点燃气轮机虽然发展比内燃机和蒸汽轮机稍晚，但是很快便在航空领域取得了绝对的统治地位，并在船用动力系统中也得到了广泛的应用，与传统的内燃机动力和蒸汽轮机等相比，燃气轮机能够克服很多它们的缺点，但是也有一些自身惯有的不足。与柴油机相比，船用燃气轮机有以下特点：1、燃气轮机工作时虽然同样经历吸气、压缩、做功和排气四个环节，但是这些环节是分别在不同位置同时、连续地进行的，各装置的工作过程互不干扰而且又同时进行，而柴油机要等一个冲程结束后才能开始另一个冲程。2、燃气轮机以高速回转方式工作，它的主要运动部件压气机转子和涡轮转子等都经过精确地调节平衡，因此燃气轮机在高速转动的过程中冲击小，平稳性好。而活塞式内燃机运动方式为往复运动，工作时有较强的冲击。3、相比内燃机，燃气轮机有更高的工作温度，而燃烧膨胀压力较低。4、燃气轮机启动时需要强制点火，而正常运行之后则可以自燃，而内燃机一般只有一种固定的着火方式。5、燃气轮机运行时没有时间和角度的要求，也没有正时的问题，燃气轮机的燃油喷射是连续不间断的，而内燃机只在一个循环中的某个阶段进行喷油。一般来说，与船用柴油机相比，燃气轮机的优点主要有：1、比功率大，重量轻，体积小。在同等功率的各种内燃机中，燃气轮机具有最轻的重量和最小的体积。船用燃气轮机单位功率重量，只有高速柴油机的五分之一或更小。2、船用燃气轮机对功率指令反应迅速，低温起动性，加速性良好，且起动后立即可投入全负荷工作。不必“暖车”，不必慢慢提速，有利于提高舰船的机动性。3、燃气轮机工作时有充足的空气来满足燃油燃烧所需。由于燃烧完善，从而保证在起动、加速、变速及正常运行等不同工况下排气都不会冒黑烟。这个突出的优点，大大提高了军用船舰的隐蔽性。4、燃气轮机结构紧凑，传动机构较少，工作极为平稳，不震动，工作噪音。尤其是高频噪音较小。便于安装封闭式机罩而对机组实行整体隔音、降噪，从而使机舱工作条件得到改善。在一定程度上也能提高船舰的隐蔽性。5、燃气轮机工作可靠性高，故障较少发生。同时拆卸、维修、安装都较方便。与船用柴油机相比，船用燃气轮机具有以下缺点:􀀁1、耗油率偏高，尤其是小型船用燃气轮机。但随着技术的发展，已得到很大改善。2、燃气轮机的工作转速很高，但输出扭矩较小，必须通过减速箱降速提高扭矩才能输出作功。然而配套的减速箱减速比都比较大，其重量甚至大于燃气轮机本身，增