壓氣機是燃氣輪機的主要部件之壹,它的作用是提高流經空氣的壓力,向燃燒室供給符合要求的壓縮空氣。壓氣機性能的優劣直接影響燃氣輪機的功率、油耗、工作穩定性和可靠性等主要性能。LM2500的壓氣機為16級、高壓比、軸流單轉子設計,主要由壓氣機前承力機匣、壓氣機轉子、壓氣機靜子(中機匣)和壓氣機後承力機匣等組成。壓氣機靜子的前端由前承力機匣殼體支撐,後部由壓氣機後承力機匣支撐。而壓氣機轉子的前端由滾柱軸承支撐,後端由滾珠軸承支撐。
前承力機匣形成了壓氣機進口空氣的流通通道,轂部與外殼之間用導流支板聯接,支板為空心結構,內有回油池的滑油供油和回油管路。該機匣同時還支承著壓氣機前軸承、進氣管、整流罩、壓氣機殼體的前端、進氣導葉內支承、輸入齒輪箱和回油池端蓋。在機匣中還有密封壓力和通風等的空氣通道,以及監測壓氣機進口空氣壓力、溫度等參數的傳感器。
壓氣機轉子是壹個高速旋轉、對吸入空氣做功使其壓力上升的部件,核心是壹個帶有圓周分布的燕尾榫槽的短鼓-輪盤混合結構,壓氣機葉片通過燕尾榫槽固定在其上。所有的法蘭聯接都采用過盈配合,以保證零件良好的定心和聯接剛性。轉子的短鼓-輪盤材料分別為:第1到10級為欽合金,其余部分使用Inconel718合金制造。第l到14級工作葉片的材料為欽合金,第15和16級工作葉片的材料為A286合金鋼。由於第1級工作葉片相對比較狹長、剛性較差,為了減少振動,在葉片的中部有減振阻尼凸臺,當所有的第1級葉片安裝好之後,凸臺***同組成了壹個阻尼圈。
壓氣機靜子是氣流減速擴壓的部件,也是燃氣輪機的主要承力殼體構件之壹,它與前承力機匣和後承力機匣構成了壹個整體。各級整流器(靜子葉片環)固定在靜子機匣內,形成氣流通道的靜子部分。靜子機匣由4部分組成,並用螺栓固定在壹起。前兩段對分式機匣用欽合金制造,而後兩段對分式機匣用Inconel718合金制造。該壓氣機靜子由壹級進口導葉和16級靜葉組成,進口導葉和第1到6級的靜葉為可調葉片。進口導葉和第1、2級靜葉的材料為欽合金,第3到16級靜葉的材料為A289合金鋼。
為了保證壓氣機工作的效率,要求工作葉片、靜葉片與靜子、轉子之間的間隙盡可能小,以減少氣流從葉尖逸漏的損失,但葉片又必須跟壁面保持足夠的間隙,以方便安裝,並防止工作時葉片受熱膨脹與壁面碰撞,造成發動機損傷。為了解決這個矛盾,在工作葉片、靜葉片項部相對的靜子、轉子壁面上噴塗有可磨損的材料,葉片的葉尖也作成可以磨損的形式,這樣,當發動機投入正常運行後,通過塗料跟葉尖之間的磨合,就能使間隙維持在壹個合適的較小值,從而保證了壓氣機的高效運行。
壓氣機後承力機匣用Inconel718合金制造,由外殼體導流支板、轂以及回油池殼體組成,其外殼支撐著燃燒室、燃油總管、燃油噴嘴(30個)、點火器(2個)以及第1級渦輪導向器支承。軸承的軸向和徑向負荷以及第1級渦輪導向器負荷的壹部分由毅承受,並通過10個徑向導流支板穿至機匣外殼。毅與導流支板以及外殼體通過焊接連成壹體。機匣外殼既是燃燒室外殼,又是壓氣機機匣與渦輪中機匣之間結構負荷的傳遞通路。 燃燒室是保證燃氣輪機在各種工況下,順利將燃料的化學能轉換為熱能、並用來加熱工質的裝置。來自壓氣機的高壓空氣進入燃燒室後,與噴油嘴噴入的燃料混合燃燒,變成具有較大作功能力的高溫高壓燃氣,然後驅動渦輪作功。燃燒室是燃氣輪機的重要部件,燃氣輪機的性能和可靠性與其有著密切的關系。例如,燃燒室出口局部溫度過高,會引起渦輪葉片的過熱和燒毀;燒過程的不穩定會導致意外的熄火甚停機;燃燒組織不好,會使燃燒過程流動損失增加,降低燃燒效率、黔增大燃油消耗等等。因此,壹個合適的燃燒室,是燃氣輪機工作良好的關鍵。
LM2500的燃燒室為單環形燃燒室,由燃燒室外套、火焰筒內環、火焰筒外環、火焰筒頭部、燃燒室內套、進口導流器、旋流器、雙油路壓力噴射式噴油嘴(30個)和半導體高能點火電嘴(2個)等零件構成。燃燒室內、外壁均采用氣膜冷卻,使得壁面溫度不至於過高,從而保證燃燒室的工作可靠性和壽命。燃燒室外套通過位於燃燒室進口處的10個肋板,與燃燒室內套在前端聯成壹體,同時作為承力結構,支承壓氣機後軸承座。 燃氣渦輪是燃氣輪機的另壹種要部件,其主要作用是將來自燃燒室高溫、高壓燃氣中的部分熱能和壓力能轉換成機械功,用以帶動壓氣機、附件和船舶推進裝置。渦輪的工作條件十分惡劣,要承受高溫、高轉速、頻繁的熱循環、熱沖擊、不均勻加熱、由於轉子不平衡和燃氣壓力脈動造成的不均衡負荷的作用,是燃氣輪機中熱負荷和動力負荷最大的部件。艦船燃氣輪機多采用軸流式渦輪,其主要特點是功率大、轉速高、燃氣溫度高、效率高,能有效滿足船舶推進的動力要求。
在艦船燃氣輪機中,用來帶動壓氣機和附件的渦輪稱為燃氣發生器渦輪,用來帶動減速器、螺旋槳等外負荷、進行功率輸出的稱為動力渦輪,二者在結構上大同小異,都是由轉子跟靜子兩大部分組成。燃氣發生器渦輪與動力渦輪間通常只存在氣動上的聯系,它們通常由中間擴壓器(也稱為中間機匣)聯通起來。壹般而言,動力渦輪的直徑比燃氣發生器渦輪大得多,所以中間機匣具有壹定的擴散錐角,以利於將燃氣發生器渦輪出口的燃氣以最小的流動損失引入動力渦輪作功。
LM2500燃氣輪機的燃氣發生器渦輪是典型的單轉子、2級軸流式渦輪,由渦輪轉子、第1和第2級渦輪導向器以及渦輪中間機匣等組成。渦輪導向器負責將從燃燒室出來的高溫、高壓燃氣以要求的角度和速度直接導向渦輪轉子的葉片,裝在壓氣機後機匣裏,並由後者支承。燃氣發生器渦輪與壓氣機轉子是機-械聯接的,從燃氣中獲取能量後可以直接驅動壓氣機旋轉。渦輪轉子的前支承在壓氣機轉子後軸上,由徑向止推球軸承承力,轉子後端由渦輪中間機匣內的徑向軸承支承。渦輪中間機匣除了支承燃氣發生器渦輪轉子之外,也支承動力渦輪轉子。中間機匣包括過渡段,燃氣流從燃氣發生器渦輪經過過渡段進入動力渦輪。
燃氣發生器渦輪轉子由壹個錐形前軸、兩個帶葉片和護圈的渦輪盤、壹個圓錐形轉子隔板、壹個熱屏蔽和壹個後軸組成,兩級渦輪葉片均為長葉柄、內冷卻式結構,葉根為機樹形。長葉柄葉片不但為冷卻空氣提供了通路,而且因為較高的阻尼作用減小了振動,輪盤外緣的溫度也降低了。葉片成對地釬焊在壹起,材料為Rene80鈷基合金,表面滲有抗腐蝕、抗氧化的鈷鉻鋁釔保護層。
渦輪轉子和兩級渦輪葉片均由壓氣機排出的空氣進行冷卻。氣流通過第1級導向器支承和渦輪軸前的孔引入。空氣首先冷卻轉子內部和兩個盤端,然後經過成對葉樵間的通路進入葉片。第1級渦輪轉子葉片由內部對流和外部冷卻氣膜進行冷卻,第2級葉片只使用對流方式進行冷卻,所有冷卻空氣最後都由葉尖排出。燃氣發生器渦輪轉子的前軸、隔板、熱屏蔽、後軸、輪盤等部件通過短螺栓聯接,形成剛性很好的可拆卸轉子結構。
LM2500燃氣輪機的動力渦輪來自於TF39渦輪風扇發動機帶動風扇的低壓渦輪,在進行艦用化改裝時,動力渦輪的進口溫度明顯下降,是壹種典型的低負荷設計,級數達到了6級,以獲得較高的效率(設計工況效率達92.5%)和良好的變工況特性。為適應高效率要求,在結構上使用了帶冠工作葉片。靜子機匣內壁采用了具有蜂窩結構可容損材料制成的襯裏,減小了泄漏。因為級數多,采用了兩端支承結構,設置了兩個專門的承力支承部件―前支架和後支架。
前支架又稱為渦輪中機匣,前安裝邊與燃氣發生器的後安裝邊聯接,後安裝邊則與動力渦輪的靜子機匣相連接。前支架主要由內座圈、外殼體和聯接二者的整流支板組成,是壹個整體傳力元件。渦輪第1級導向器葉片環固定於其內,內座圈處安裝前軸承組合體。後支架又稱為渦輪後機匣,前安裝邊與動力渦輪靜子機匣相聯接,後安裝邊與排氣渦殼聯接。後支架也是整體傳力元件,主要由內座圈、外殼體和聯接二者的整流支板組成,內座圈處安裝後軸承組合件。
動力渦輪靜子為水平剖分式結構,第2到第6級導向器葉片環固定在靜子機匣的環槽中。在各級靜子葉片環之前,機匣的內壁面處以及葉片環內環壁面處,均嵌裝蜂窩結構可容損材料制成的密封裝置,以減少動力渦輪工作葉片與機匣之間的徑向減小,以及減小葉片環內環壁面與轉子之間的級間密封間隙,從而提高了動力渦輪的效率。
動力渦輪轉子為短螺栓聯接、盤鼓混合式結構。錐形前鼓軸固定在第3級輪盤之前,錐形後鼓軸固定在第6級輪盤之前,使得轉子支點間距大大縮短,結構緊湊,增強了轉子的抗彎剛性。這種由短螺栓聯接的多級盤鼓式結構的優點是簡單、重量輕、聯接剛性好,而且布局靈活,拆裝、.更換損壞的元件也比較方便。動力渦輪的6級工作葉片全部為帶冠結構,抗振性能好,效率高,用耐腐蝕材料Rene77合金制造,前3級工作葉片表面還塗有防腐蝕塗層。導向器葉片的前3級也是用Rene77合金制造,後3級則改為用Rene41合金制造。 附件傳動裝置在艦船燃氣輪機上有許多需要由燃氣發生器轉子帶動的附屬系統以及設備的附件,如滑油泵、燃油泵、燃油自動調節器等。而另外壹些附屬系統以及設備的附件,又用來帶動燃氣輪機轉子轉動,如起動機、盤車裝置等。為了實現燃氣輪機轉子和這些附件間的傳動,需要設置專門的傳動裝置,即附件傳動裝置。
附屬系統和設備中的附件壹般都裝在附件傳動機構的機匣上,其中裝有若幹組齒輪組以及離合器等。只要燃氣輪機轉動這個附件的傳動機構,被帶動的附件即可投入運轉,燃氣輪機的各個附屬系統和設備就能進入正常工作。同樣,起動機、盤車裝置等附件工作時,也可以拖動燃氣輪機轉子轉動。附屬系統、設備的工作可靠性直接影響燃氣輪機的性能和工作可靠性,因此,壹方面要求附屬系統和設備具有較高的性能,另壹方面也要求附件傳動裝置結構可靠,能在各種工況下保證所有附件的轉速、轉向、功率傳遞等方面的技術要求。同時,還要求附件傳動裝置尺寸、重量小,使用、維護和更換都要比較方便。
LM2500燃氣輪機的附件傳動裝置位於壓氣機前機匣處,主要由輸入齒輪箱、徑向傳動軸和傳動齒輪箱等部件組成。輸入齒輪箱裝置由鑄鋁殼體、軸、壹對圓錐齒輪、軸承以及滑油噴嘴等構成。徑向傳動軸是空心軸,軸的兩端用花鍵分別與輸入齒輪箱以及轉換齒輪箱內的圓錐齒輪相聯接,其作用是將功率由輸入齒輪箱傳至轉換齒輪箱的前部。
轉換齒輪箱則由兩個鋁制殼體、壹個油氣分離器、齒輪、軸承、密封件、滑油噴嘴以及附件聯系器等部分組成。殼體底部有個入口蓋,為徑向傳動軸的安裝提供了方便。在後面部分的所有附件聯接器和惰輪,均采用“插入式”齒輪的設計思想,這樣在進行齒輪、軸承、密封件、聯接器組件等進行拆卸或更換時,就不用對齒輪箱進行分解。安裝在轉換齒輪箱上的附件有:燃氣輪機起動機、滑油供油泵和回油泵、燃油泵以及主燃油控制器。油氣分離器安裝在轉換齒輪箱前部,並作為齒輪箱的壹部分而存在。 燃氣輪機不能依靠自身投入工作,需要外界能源來幫助起動,經過壹個預先設定的起動過程,才能使主機進入穩定的工作狀態。通常把提供能量、拖動燃氣輪機旋轉的輔助機械稱為起動機,使燃氣輪機從靜止狀態起動加速到慢車工況的過程稱為起動過程,而用於完成燃氣輪機起動過程的各個工作部分,如起動機、起動燃油供給系統、點火系統、自動控制裝置等在內的壹整套裝置、系統稱為燃氣輪機起動系統。在燃氣輪機起動系統中,起動機用於拖動燃氣發生器轉子轉動,使之加速到壹定轉速,從而使進入燃燒室的空氣具有足夠壓力,保證燃燒室內混合氣可靠點火燃燒,使燃氣輪機進入自主運行狀態,是起動系統中的核心部件。現代燃氣輪機常用的起動機有電起動機、燃氣渦輪起動機和空氣渦輪起動機等三類,不管哪種,都要求有足夠的功率來拖動主機轉動。
LM2500燃氣輪機采用了同時具有液壓油馬達起動機和空氣渦輪起動機的雙重動力源起動系統,但由於艦船上的高壓空氣獲取比較方便,壹般以空氣渦輪起動機為主用起動機。該機由進氣裝置、渦輪裝置、減速齒輪、切斷開關、超速離合器以及花鍵輸出軸組成。其中渦輪為單級軸流式渦輪,減速齒輪為帶有壹個轉動齒環的復合式行星齒輪系統,超速離合器為棘爪-棘輪式,在起動期間可以保證可靠接合,而主機起動後,能保證起動機的順利脫開。 這是燃氣輪機各系統中最復雜的部分,其功用是保證向燃氣輪機的燃燒室可靠地供給壹定壓力和流量的燃油,依靠燃油系統中自動調節器的調節作用,按照壹定規律控制、調節燃氣輪機的供油量,使燃氣輪機在任何運行工況下,都能夠高效、安全可靠地工作。燃油系統可以分為供油和調節兩大部分,通常由燃油箱、燃油過濾器、低壓燃油泵、燃油加溫器(有時兼作滑油冷卻器)、高壓燃油泵、燃油自動調節器、燃油分配器、燃油總管、燃油噴嘴等組成。在管理中,也經常以高壓油泵為界,將燃油系統劃分為低壓燃油部分和高壓燃油部分。
在LM2500燃氣輪機的燃油系統中,通過調節和分配噴射到燃燒室中的燃油數量,可以控制燃氣發生器的轉速。動力渦輪的轉速是無法直接控制的,但可以根據燃氣發生器產生的燃氣流能量大小來確定。為了防止動力渦輪超速,由安裝在電子控制箱裏的電子超速開關來保護,當動力渦輪轉速偏高時,自動減小燃燒室供油量,以保證動力渦輪的安全。
來自艦船油艙的燃油,流經燃氣輪機底座處的燃油進口接頭,進入主燃油泵增壓部分進行初步加壓,然後再進入燃油泵的高壓部分。高壓燃油流經燃油過濾器,然後進入燃油控制器。如果燃油過濾器堵塞,可以使用過濾器旁通閥使燃油繞過過濾器。艦船燃氣輪機通常只使用高質量的輕柴油,燃油中細小雜質的含量相對較少,只用過濾器就可以滿足燃油清潔的要求。為了保障燃氣輪機的正常運行,必須保證供給充足的燃油,所有燃油泵的流量要高於燃氣輪機的最大燃油消耗率,燃油在燃油控制器裏被分為計量(供油)流量和旁通(回油)流量,超出需要的部分燃油通過旁通閥回流到燃油泵高壓部分的進口。
安裝在燃油控制器出口處的增壓閥可以保持壹定的背壓,保證有足夠的燃油壓力,使燃油控制器可以正常工作。串聯布置的兩個電控燃油停車閥,保證了燃油供應的可靠切斷。當停車閥開啟時,燃油從燃油控制器流出,經過增壓閥、燃油停車閥、燃油總管輸送到燃油噴嘴,30個燃油噴嘴經壓氣機後機匣伸進燃燒室,將燃油霧化噴出,維持正常的燃燒。當停車閥關閉時,燃油停止向燃油總管供應,旁通回流到燃油泵進口。此時,停車閥的殘油泄放口開啟,將燃油總管、支管和噴嘴中的殘油泄出,防止因為剛停機時部件的高溫導致殘余燃油結焦,堵塞油路。
燃油和轉速調節系統可以控制可轉葉片(進口導葉和前6級靜葉可以轉動),以保證在整個運行工況的範圍內,使壓氣機保持良好的工作性能,防止燃氣輪機出現喘振。 滑油系統是保證燃氣輪機各支承和傳動元件潤滑、冷卻的滑油儲存、供油和回油系統。其功用是向軸承、齒輪等摩擦部件的工作表面供應滑油,起到液體潤滑的作用,減少這些工作表面的磨損和摩擦損失,同時帶走摩擦表面的熱量,維持軸承、齒輪等工作溫度的正常。由此可見,燃氣輪機的工作可靠性,很大程度上取決於滑油系統的工作可靠性。
艦船燃氣輪機的滑油系統通常設計為兩個獨立的系統:燃氣發生器部分的前滑油系統,以及動力渦輪、推進系統主傳動裝置部分的後滑油系統。但也可以將前、後滑油系統合並為壹個系統,特別是在燃氣發生器和動力渦輪都使用滾動軸承支承的情況下,這種統壹的滑油系統比較簡單、可靠,實用性強。
LM2500燃氣輪機的滑油系統,就是燃氣發生器和動力渦輪壹體化的潤滑、冷卻系統。該系統包括了滑油供油、滑油回油以及回油池通風等三個分系統。滑油從儲油箱裏靠重力供給安裝在主機上的滑油供油壹回油泵,滑油泵的供油部分將流入的滑油加壓,輸送到要求潤滑、冷卻的部件和區域。滑油供油的過濾是由安裝在箱裝體內的雙聯式滑油過濾器來保證的。供油管路末端的滑油噴嘴直接將滑油噴進軸承、齒輪和花鍵等部位進行潤滑、冷卻。經過使用的滑油流到4個回油池和轉換齒輪箱底部,分別被回油泵抽出,返回滑油儲存、調節油箱,並進行冷卻。回油的過濾是由安裝在滑油箱上的雙聯式滑油過濾器來保證的。
滑油系統中的滑油在運行過程中會發生損耗,主要包括了滑油自身的分解、滑油蒸汽經密封裝置滲漏到氣流中以及經通氣管逸出到外界大氣中。燃氣輪機的滑油消耗量普遍不大,LM2500燃氣輪機的最大滑油消耗率約0.9公斤/時,平均滑油消耗率僅有約0.09公斤/時,與柴油機相比要小壹個數量級。但由於燃氣輪機工作轉速高,對滑油的質量要求要遠遠高於柴油機。 早期的艦船燃氣輪機跟蒸汽輪機、柴油機壹樣,也是呈“裸機”狀態布置於機艙內,雖然便於監測和接近、維護,但是燃氣輪機運行時的高溫和噪音等問題,對機艙環境影響很大,特別是高頻噪音的強度過大,嚴重影響機艙人員的正常工作。也許是受已經坍塌的“紅色帝國”長久以來片面拔高人的主觀能動性、忽視人員舒適性的習慣思維影響,烏克蘭在上世紀90年代設計的l)A80燃氣輪機依然采用“裸機”狀態,僅燃燒室及其後部分包裹了隔熱、隔音效果很差的簡單金屬罩。
為了避免這些不利影響,同時利於實現自動化和遠距離控制、充分發揮燃氣輪機的技術性能,出現了將燃氣輪機整體組件化的解決方案,即將燃氣發生器、動力渦輪、進氣室、排氣渦殼以及燃氣輪機附件、相關電氣設備等組裝在壹個帶有防震底座的箱體裏,構成壹個完整的箱裝體(也稱為燃氣輪機模件)。燃氣輪機模件可以在工廠中裝配、調試好,而後裝艦使用,這樣可以大大減少在艦上的裝配工作量、降低裝配難度,同時保證模件工作的可靠性。箱裝體結構有利於隔熱、隔音和防震,內部布置有照明、加熱、滅火、通風等設備,極大改善了機艙工作條件。通常,燃氣輪機箱裝體為鋼制的密封罩殼,外觀壹般為長方體。整臺燃氣輪機安裝在底座上之後,用箱體罩起,然後和單獨裝箱的其他設備組成壹個有機的整體,方便進行操縱、監測和維護。
LM2500燃氣輪機是最早采用箱裝體結構的艦船燃氣輪機之壹,其箱裝體長約8米,寬約2.7米,高約3.1米。其中,底座是燃氣輪機和箱裝體的支承基礎,通過32個抗沖擊支承安裝到艦體機座結構上,底座上設置有燃氣輪機支承、渦殼支承、箱體以及間壁。底座上還設置有密封的貫穿孔,用以安裝抽氣管、燃油管、滑油管、控制電纜、儀表電纜、清洗水管、動力電纜、起動空氣管、滅火劑輸送管,以及殘油、殘水的泄放管。此外,還有燃油溢流閥、滑油過濾器及各種接頭、插座等附件。
箱裝體頂部布置由空氣進口、通風冷卻空氣口以及排氣口,各通過壹個撓性接頭與船體結構相連。在空氣進口處有壹組永久性的導軌,通過另外壹組臨時安裝的導軌,可以將從底座脫開的燃氣輪機移動到進氣口的導軌處,此時移動到進氣口處的起吊裝置將協助把發動機從導軌拉出,從而吊出船外。箱體上有檢修門、天窗等開口。箱體本身為帶夾層和填料的多層隔音結構,從箱體內傳出的氣動和機械噪音都很低,當燃氣輪機工作時,在箱體外可進行正常交談。