LM2500燃气轮机的介绍

从上世纪70年代初正式投入使用以来，LM2500系列燃气轮机已经销售了2000多台（包括工业和舰船），占据了世界舰船燃气轮机的绝大部分份额。目前，用于舰船推进的LM2500和LM2500+燃气轮机的总运行时数已经超过惊人的5千万小时，这是其他任何一种舰船燃气轮机都难以企及的高度。这一切都得益于LM2500的高性能、高可靠性和高利用率，也得益于其不断的升级改进。从最初的25500马力(18755千瓦）到G4的47370马力（34841千瓦）,LM2500连续跨越了两个功率等级的台阶，从而充分满足了客户的需求。可以说，LM2500是最优秀、最成功的燃气轮机。从目前世界燃气轮机发展的趋势来看，很再难出现一种可以挑战甚至超越这座丰碑的新型燃气轮机了。而且燃气轮机属于高技术产品，研发必须具备雄厚的工业基础和长期不断的投入，目前世界上真正能设计、制造船用大功率燃气轮机的厂商数量也很少。由于日益复杂、昂贵的作战系统推动了舰船大型化，从1990年代以来，大功率燃气轮机已经成为各国海军舰船动力需求的主流。新一代大功率燃气轮机的输出功率普遍超过了3万马力（22065千瓦），最大功率已经达到约5万马力（36775千瓦），效率也大大提高了，简单循环效率达到约40%，复杂循环效率达到42%，如果引入废气锅炉组成燃-蒸循环，效率可以达到50%甚至更高。根据大功率船用燃气轮机的发展趋势可以推断，未来10～15年内，4万到5万马力（29420千瓦～36775千瓦）功率等级的燃气轮机足以满足各国海军对于大中型水面舰艇主动力装置的要求。

压气机是燃气轮机的主要部件之一，它的作用是提高流经空气的压力，向燃烧室供给符合要求的压缩空气。压气机性能的优劣直接影响燃气轮机的功率、油耗、工作稳定性和可靠性等主要性能。LM2500的压气机为16级、高压比、轴流单转子设计，主要由压气机前承力机匣、压气机转子、压气机静子（中机匣）和压气机后承力机匣等组成。压气机静子的前端由前承力机匣壳体支撑，后部由压气机后承力机匣支撑。而压气机转子的前端由滚柱轴承支撑，后端由滚珠轴承支撑。前承力机匣形成了压气机进口空气的流通通道，毂部与外壳之间用导流支板联接，支板为空心结构，内有回油池的滑油供油和回油管路。该机匣同时还支承着压气机前轴承、进气管、整流罩、压气机壳体的前端、进气导叶内支承、输入齿轮箱和回油池端盖。在机匣中还有密封压力和通风等的空气通道，以及监测压气机进口空气压力、温度等参数的传感器。压气机转子是一个高速旋转、对吸入空气做功使其压力上升的部件，核心是一个带有圆周分布的燕尾榫槽的短鼓-轮盘混合结构，压气机叶片通过燕尾榫槽固定在其上。所有的法兰联接都采用过盈配合，以保证零件良好的定心和联接刚性。转子的短鼓-轮盘材料分别为：第1到10级为钦合金，其余部分使用Inconel718合金制造。第l到14级工作叶片的材料为钦合金，第15和16级工作叶片的材料为A286合金钢。由于第1级工作叶片相对比较狭长、刚性较差，为了减少振动，在叶片的中部有减振阻尼凸台，当所有的第1级叶片安装好之后，凸台共同组成了一个阻尼圈。压气机静子是气流减速扩压的部件，也是燃气轮机的主要承力壳体构件之一，它与前承力机匣和后承力机匣构成了一个整体。各级整流器（静子叶片环）固定在静子机匣内，形成气流通道的静子部分。静子机匣由4部分组成，并用螺栓固定在一起。前两段对分式机匣用钦合金制造，而后两段对分式机匣用Inconel718合金制造。该压气机静子由一级进口导叶和16级静叶组成，进口导叶和第1到6级的静叶为可调叶片。进口导叶和第1、2级静叶的材料为钦合金，第3到16级静叶的材料为A289合金钢。为了保证压气机工作的效率，要求工作叶片、静叶片与静子、转子之间的间隙尽可能小，以减少气流从叶尖逸漏的损失，但叶片又必须跟壁面保持足够的间隙，以方便安装，并防止工作时叶片受热膨胀与壁面碰撞，造成发动机损伤。为了解决这个矛盾，在工作叶片、静叶片项部相对的静子、转子壁面上喷涂有可磨损的材料，叶片的叶尖也作成可以磨损的形式，这样，当发动机投入正常运行后，通过涂料跟叶尖之间的磨合，就能使间隙维持在一个合适的较小值，从而保证了压气机的高效运行。压气机后承力机匣用Inconel718合金制造，由外壳体导流支板、毂以及回油池壳体组成，其外壳支撑着燃烧室、燃油总管、燃油喷嘴（30个）、点火器（2个）以及第1级涡轮导向器支承。轴承的轴向和径向负荷以及第1级涡轮导向器负荷的一部分由毅承受，并通过10个径向导流支板穿至机匣外壳。毅与导流支板以及外壳体通过焊接连成一体。机匣外壳既是燃烧室外壳，又是压气机机匣与涡轮中机匣之间结构负荷的传递通路。 燃烧室是保证燃气轮机在各种工况下，顺利将燃料的化学能转换为热能、并用来加热工质的装置。来自压气机的高压空气进入燃烧室后，与喷油嘴喷入的燃料混合燃烧，变成具有较大作功能力的高温高压燃气，然后驱动涡轮作功。燃烧室是燃气轮机的重要部件，燃气轮机的性能和可靠性与其有着密切的关系。例如，燃烧室出口局部温度过高，会引起涡轮叶片的过热和烧毁；烧过程的不稳定会导致意外的熄火甚停机；燃烧组织不好，会使燃烧过程流动损失增加，降低燃烧效率、黔增大燃油消耗等等。因此，一个合适的燃烧室，是燃气轮机工作良好的关键。LM2500的燃烧室为单环形燃烧室，由燃烧室外套、火焰筒内环、火焰筒外环、火焰筒头部、燃烧室内套、进口导流器、旋流器、双油路压力喷射式喷油嘴（30个）和半导体高能点火电嘴（2个）等零件构成。燃烧室内、外壁均采用气膜冷却，使得壁面温度不至于过高，从而保证燃烧室的工作可靠性和寿命。燃烧室外套通过位于燃烧室进口处的10个肋板，与燃烧室内套在前端联成一体，同时作为承力结构，支承压气机后轴承座。 燃气涡轮是燃气轮机的另一种要部件，其主要作用是将来自燃烧室高温、高压燃气中的部分热能和压力能转换成机械功，用以带动压气机、附件和船舶推进装置。涡轮的工作条件十分恶劣，要承受高温、高转速、频繁的热循环、热冲击、不均匀加热、由于转子不平衡和燃气压力脉动造成的不均衡负荷的作用，是燃气轮机中热负荷和动力负荷最大的部件。舰船燃气轮机多采用轴流式涡轮，其主要特点是功率大、转速高、燃气温度高、效率高，能有效满足船舶推进的动力要求。在舰船燃气轮机中，用来带动压气机和附件的涡轮称为燃气发生器涡轮，用来带动减速器、螺旋桨等外负荷、进行功率输出的称为动力涡轮，二者在结构上大同小异，都是由转子跟静子两大部分组成。燃气发生器涡轮与动力涡轮间通常只存在气动上的联系，它们通常由中间扩压器（也称为中间机匣）联通起来。一般而言，动力涡轮的直径比燃气发生器涡轮大得多，所以中间机匣具有一定的扩散锥角，以利于将燃气发生器涡轮出口的燃气以最小的流动损失引入动力涡轮作功。LM2500燃气轮机的燃气发生器涡轮是典型的单转子、2级轴流式涡轮，由涡轮转子、第1和第2级涡轮导向器以及涡轮中间机匣等组成。涡轮导向器负责将从燃烧室出来的高温、高压燃气以要求的角度和速度直接导向涡轮转子的叶片，装在压气机后机匣里，并由后者支承。燃气发生器涡轮与压气机转子是机-械联接的，从燃气中获取能量后可以直接驱动压气机旋转。涡轮转子的前支承在压气机转子后轴上，由径向止推球轴承承力，转子后端由涡轮中间机匣内的径向轴承支承。涡轮中间机匣除了支承燃气发生器涡轮转子之外，也支承动力涡轮转子。中间机匣包括过渡段，燃气流从燃气发生器涡轮经过过渡段进入动力涡轮。燃气发生器涡轮转子由一个锥形前轴、两个带叶片和护圈的涡轮盘、一个圆锥形转子隔板、一个热屏蔽和一个后轴组成，两级涡轮叶片均为长叶柄、内冷却式结构，叶根为机树形。长叶柄叶片不但为冷却空气提供了通路，而且因为较高的阻尼作用减小了振动，轮盘外缘的温度也降低了。叶片成对地钎焊在一起，材料为Rene80钴基合金，表面渗有抗腐蚀、抗氧化的钴铬铝钇保护层。涡轮转子和两级涡轮叶片均由压气机排出的空气进行冷却。气流通过第1级导向器支承和涡轮轴前的孔引入。空气首先冷却转子内部和两个盘端，然后经过成对叶樵间的通路进入叶片。第1级涡轮转子叶片由内部对流和外部冷却气膜进行冷却，第2级叶片只使用对流方式进行冷却，所有冷却空气最后都由叶尖排出。燃气发生器涡轮转子的前轴、隔板、热屏蔽、后轴、轮盘等部件通过短螺栓联接，形成刚性很好的可拆卸转子结构。LM2500燃气轮机的动力涡轮来自于TF39涡轮风扇发动机带动风扇的低压涡轮，在进行舰用化改装时，动力涡轮的进口温度明显下降，是一种典型的低负荷设计，级数达到了6级，以获得较高的效率（设计工况效率达92.5%）和良好的变工况特性。为适应高效率要求，在结构上使用了带冠工作叶片。静子机匣内壁采用了具有蜂窝结构可容损材料制成的衬里，减小了泄漏。因为级数多，采用了两端支承结构，设置了两个专门的承力支承部件―前支架和后支架。前支架又称为涡轮中机匣，前安装边与燃气发生器的后安装边联接，后安装边则与动力涡轮的静子机匣相连接。前支架主要由内座圈、外壳体和联接二者的整流支板组成，是一个整体传力元件。涡轮第1级导向器叶片环固定于其内，内座圈处安装前轴承组合体。后支架又称为涡轮后机匣，前安装边与动力涡轮静子机匣相联接，后安装边与排气涡壳联接。后支架也是整体传力元件，主要由内座圈、外壳体和联接二者的整流支板组成，内座圈处安装后轴承组合件。动力涡轮静子为水平剖分式结构，第2到第6级导向器叶片环固定在静子机匣的环槽中。在各级静子叶片环之前，机匣的内壁面处以及叶片环内环壁面处，均嵌装蜂窝结构可容损材料制成的密封装置，以减少动力涡轮工作叶片与机匣之间的径向减小，以及减小叶片环内环壁面与转子之间的级间密封间隙，从而提高了动力涡轮的效率。动力涡轮转子为短螺栓联接、盘鼓混合式结构。锥形前鼓轴固定在第3级轮盘之前，锥形后鼓轴固定在第6级轮盘之前，使得转子支点间距大大缩短，结构紧凑，增强了转子的抗弯刚性。这种由短螺栓联接的多级盘鼓式结构的优点是简单、重量轻、联接刚性好，而且布局灵活，拆装、．更换损坏的元件也比较方便。动力涡轮的6级工作叶片全部为带冠结构，抗振性能好，效率高，用耐腐蚀材料Rene77合金制造，前3级工作叶片表面还涂有防腐蚀涂层。导向器叶片的前3级也是用Rene77合金制造，后3级则改为用Rene41合金制造。 附件传动装置在舰船燃气轮机上有许多需要由燃气发生器转子带动的附属系统以及设备的附件，如滑油泵、燃油泵、燃油自动调节器等。而另外一些附属系统以及设备的附件，又用来带动燃气轮机转子转动，如起动机、盘车装置等。为了实现燃气轮机转子和这些附件间的传动，需要设置专门的传动装置，即附件传动装置。附属系统和设备中的附件一般都装在附件传动机构的机匣上，其中装有若干组齿轮组以及离合器等。只要燃气轮机转动这个附件的传动机构，被带动的附件即可投入运转，燃气轮机的各个附属系统和设备就能进入正常工作。同样，起动机、盘车装置等附件工作时，也可以拖动燃气轮机转子转动。附属系统、设备的工作可靠性直接影响燃气轮机的性能和工作可靠性，因此，一方面要求附属系统和设备具有较高的性能，另一方面也要求附件传动装置结构可靠，能在各种工况下保证所有附件的转速、转向、功率传递等方面的技术要求。同时，还要求附件传动装置尺寸、重量小，使用、维护和更换都要比较方便。LM2500燃气轮机的附件传动装置位于压气机前机匣处，主要由输入齿轮箱、径向传动轴和传动齿轮箱等部件组成。输入齿轮箱装置由铸铝壳体、轴、一对圆锥齿轮、轴承以及滑油喷嘴等构成。径向传动轴是空心轴，轴的两端用花键分别与输入齿轮箱以及转换齿轮箱内的圆锥齿轮相联接，其作用是将功率由输入齿轮箱传至转换齿轮箱的前部。转换齿轮箱则由两个铝制壳体、一个油气分离器、齿轮、轴承、密封件、滑油喷嘴以及附件联系器等部分组成。壳体底部有个入口盖，为径向传动轴的安装提供了方便。在后面部分的所有附件联接器和惰轮，均采用“插入式”齿轮的设计思想，这样在进行齿轮、轴承、密封件、联接器组件等进行拆卸或更换时，就不用对齿轮箱进行分解。安装在转换齿轮箱上的附件有：燃气轮机起动机、滑油供油泵和回油泵、燃油泵以及主燃油控制器。油气分离器安装在转换齿轮箱前部，并作为齿轮箱的一部分而存在。 燃气轮机不能依靠自身投入工作，需要外界能源来帮助起动，经过一个预先设定的起动过程，才能使主机进入稳定的工作状态。通常把提供能量、拖动燃气轮机旋转的辅助机械称为起动机，使燃气轮机从静止状态起动加速到慢车工况的过程称为起动过程，而用于完成燃气轮机起动过程的各个工作部分，如起动机、起动燃油供给系统、点火系统、自动控制装置等在内的一整套装置、系统称为燃气轮机起动系统。在燃气轮机起动系统中，起动机用于拖动燃气发生器转子转动，使之加速到一定转速，从而使进入燃烧室的空气具有足够压力，保证燃烧室内混合气可靠点火燃烧，使燃气轮机进入自主运行状态，是起动系统中的核心部件。现代燃气轮机常用的起动机有电起动机、燃气涡轮起动机和空气涡轮起动机等三类，不管哪种，都要求有足够的功率来拖动主机转动。LM2500燃气轮机采用了同时具有液压油马达起动机和空气涡轮起动机的双重动力源起动系统，但由于舰船上的高压空气获取比较方便，一般以空气涡轮起动机为主用起动机。该机由进气装置、涡轮装置、减速齿轮、切断开关、超速离合器以及花键输出轴组成。其中涡轮为单级轴流式涡轮，减速齿轮为带有一个转动齿环的复合式行星齿轮系统，超速离合器为棘爪-棘轮式，在起动期间可以保证可靠接合，而主机起动后，能保证起动机的顺利脱开。 这是燃气轮机各系统中最复杂的部分，其功用是保证向燃气轮机的燃烧室可靠地供给一定压力和流量的燃油，依靠燃油系统中自动调节器的调节作用，按照一定规律控制、调节燃气轮机的供油量，使燃气轮机在任何运行工况下，都能够高效、安全可靠地工作。燃油系统可以分为供油和调节两大部分，通常由燃油箱、燃油过滤器、低压燃油泵、燃油加温器（有时兼作滑油冷却器）、高压燃油泵、燃油自动调节器、燃油分配器、燃油总管、燃油喷嘴等组成。在管理中，也经常以高压油泵为界，将燃油系统划分为低压燃油部分和高压燃油部分。在LM2500燃气轮机的燃油系统中，通过调节和分配喷射到燃烧室中的燃油数量，可以控制燃气发生器的转速。动力涡轮的转速是无法直接控制的，但可以根据燃气发生器产生的燃气流能量大小来确定。为了防止动力涡轮超速，由安装在电子控制箱里的电子超速开关来保护，当动力涡轮转速偏高时，自动减小燃烧室供油量，以保证动力涡轮的安全。来自舰船油舱的燃油，流经燃气轮机底座处的燃油进口接头，进入主燃油泵增压部分进行初步加压，然后再进入燃油泵的高压部分。高压燃油流经燃油过滤器，然后进入燃油控制器。如果燃油过滤器堵塞，可以使用过滤器旁通阀使燃油绕过过滤器。舰船燃气轮机通常只使用高质量的轻柴油，燃油中细小杂质的含量相对较少，只用过滤器就可以满足燃油清洁的要求。为了保障燃气轮机的正常运行，必须保证供给充足的燃油，所有燃油泵的流量要高于燃气轮机的最大燃油消耗率，燃油在燃油控制器里被分为计量（供油）流量和旁通（回油）流量，超出需要的部分燃油通过旁通阀回流到燃油泵高压部分的进口。安装在燃油控制器出口处的增压阀可以保持一定的背压，保证有足够的燃油压力，使燃油控制器可以正常工作。串联布置的两个电控燃油停车阀，保证了燃油供应的可靠切断。当停车阀开启时，燃油从燃油控制器流出，经过增压阀、燃油停车阀、燃油总管输送到燃油喷嘴，30个燃油喷嘴经压气机后机匣伸进燃烧室，将燃油雾化喷出，维持正常的燃烧。当停车阀关闭时，燃油停止向燃油总管供应，旁通回流到燃油泵进口。此时，停车阀的残油泄放口开启，将燃油总管、支管和喷嘴中的残油泄出，防止因为刚停机时部件的高温导致残余燃油结焦，堵塞油路。燃油和转速调节系统可以控制可转叶片（进口导叶和前6级静叶可以转动），以保证在整个运行工况的范围内，使压气机保持良好的工作性能，防止燃气轮机出现喘振。 滑油系统是保证燃气轮机各支承和传动元件润滑、冷却的滑油储存、供油和回油系统。其功用是向轴承、齿轮等摩擦部件的工作表面供应滑油，起到液体润滑的作用，减少这些工作表面的磨损和摩擦损失，同时带走摩擦表面的热量，维持轴承、齿轮等工作温度的正常。由此可见，燃气轮机的工作可靠性，很大程度上取决于滑油系统的工作可靠性。舰船燃气轮机的滑油系统通常设计为两个独立的系统：燃气发生器部分的前滑油系统，以及动力涡轮、推进系统主传动装置部分的后滑油系统。但也可以将前、后滑油系统合并为一个系统，特别是在燃气发生器和动力涡轮都使用滚动轴承支承的情况下，这种统一的滑油系统比较简单、可靠，实用性强。LM2500燃气轮机的滑油系统，就是燃气发生器和动力涡轮一体化的润滑、冷却系统。该系统包括了滑油供油、滑油回油以及回油池通风等三个分系统。滑油从储油箱里靠重力供给安装在主机上的滑油供油一回油泵，滑油泵的供油部分将流入的滑油加压，输送到要求润滑、冷却的部件和区域。滑油供油的过滤是由安装在箱装体内的双联式滑油过滤器来保证的。供油管路末端的滑油喷嘴直接将滑油喷进轴承、齿轮和花键等部位进行润滑、冷却。经过使用的滑油流到4个回油池和转换齿轮箱底部，分别被回油泵抽出，返回滑油储存、调节油箱，并进行冷却。回油的过滤是由安装在滑油箱上的双联式滑油过滤器来保证的。滑油系统中的滑油在运行过程中会发生损耗，主要包括了滑油自身的分解、滑油蒸汽经密封装置渗漏到气流中以及经通气管逸出到外界大气中。燃气轮机的滑油消耗量普遍不大，LM2500燃气轮机的最大滑油消耗率约0.9公斤/时，平均滑油消耗率仅有约0.09公斤/时，与柴油机相比要小一个数量级。但由于燃气轮机工作转速高，对滑油的质量要求要远远高于柴油机。 早期的舰船燃气轮机跟蒸汽轮机、柴油机一样，也是呈“裸机”状态布置于机舱内，虽然便于监测和接近、维护，但是燃气轮机运行时的高温和噪音等问题，对机舱环境影响很大，特别是高频噪音的强度过大，严重影响机舱人员的正常工作。也许是受已经坍塌的“红色帝国”长久以来片面拔高人的主观能动性、忽视人员舒适性的习惯思维影响，乌克兰在上世纪90年代设计的l)A80燃气轮机依然采用“裸机”状态，仅燃烧室及其后部分包裹了隔热、隔音效果很差的简单金属罩。为了避免这些不利影响，同时利于实现自动化和远距离控制、充分发挥燃气轮机的技术性能，出现了将燃气轮机整体组件化的解决方案，即将燃气发生器、动力涡轮、进气室、排气涡壳以及燃气轮机附件、相关电气设备等组装在一个带有防震底座的箱体里，构成一个完整的箱装体（也称为燃气轮机模件）。燃气轮机模件可以在工厂中装配、调试好，而后装舰使用，这样可以大大减少在舰上的装配工作量、降低装配难度，同时保证模件工作的可靠性。箱装体结构有利于隔热、隔音和防震，内部布置有照明、加热、灭火、通风等设备，极大改善了机舱工作条件。通常，燃气轮机箱装体为钢制的密封罩壳，外观一般为长方体。整台燃气轮机安装在底座上之后，用箱体罩起，然后和单独装箱的其他设备组成一个有机的整体，方便进行操纵、监测和维护。LM2500燃气轮机是最早采用箱装体结构的舰船燃气轮机之一，其箱装体长约8米，宽约2.7米，高约3.1米。其中，底座是燃气轮机和箱装体的支承基础，通过32个抗冲击支承安装到舰体机座结构上，底座上设置有燃气轮机支承、涡壳支承、箱体以及间壁。底座上还设置有密封的贯穿孔，用以安装抽气管、燃油管、滑油管、控制电缆、仪表电缆、清洗水管、动力电缆、起动空气管、灭火剂输送管，以及残油、残水的泄放管。此外，还有燃油溢流阀、滑油过滤器及各种接头、插座等附件。箱装体顶部布置由空气进口、通风冷却空气口以及排气口，各通过一个挠性接头与船体结构相连。在空气进口处有一组永久性的导轨，通过另外一组临时安装的导轨，可以将从底座脱开的燃气轮机移动到进气口的导轨处，此时移动到进气口处的起吊装置将协助把发动机从导轨拉出，从而吊出船外。箱体上有检修门、天窗等开口。箱体本身为带夹层和填料的多层隔音结构，从箱体内传出的气动和机械噪音都很低，当燃气轮机工作时，在箱体外可进行正常交谈。

LM2500系列燃气轮机是美国通用动力公司于上世纪六十年代以TF39涡轮风扇发动机为蓝本研制的航改式燃气轮机。该系列燃气轮机有着非常广泛的用途，可应用于船舶动力，发电，石油开采等多种目的。最为主要的用途是作为军用舰艇的动力装置。由于该型燃气轮机性能优秀，所以美国与其他海军均采购LM2500燃气轮机作为作战舰艇的动力装置。从上世纪70年代初正式投入使用以来，LM2500系列燃气轮机已经销售了2000多台(包括工业和舰船)，占据了世界舰船燃气轮机的绝大部分份额。