燃氣輪機動力裝置，是指以燃氣輪機作為主機的“船舶動力裝置”。其工作原理是：空氣或氣體由壓縮機壓縮後到燃燒室與噴人的燃料混合燃燒，形成高溫高壓燃氣，燃氣進人渦輪內膨脹作功，推動渦輪葉輪高速旋轉，轉變成機械能，機械能的一部分用來帶動壓氣機和附屬檔案系統工作，一部分通過減速器帶動推進器，作為船舶推進動力。燃氣輪機單位重量輕，尺寸小，單機功率大，機動性好，操縱管理方便以及容易實現自動化，使它在飛機、軍艦上得到了廣泛運用，但因其經濟性差，使用壽命短，巨大的排氣管使機艙難以布置,以致目前在商船上較少採用。
基本介紹
- 中文名：燃氣輪機動力裝置
- 外文名：Gas turbine power plant
- 主體：船舶
- 主機：燃氣輪機
- 優點：功率大、質量輕、自動化程度高等
- 定義：船舶的一種主動力裝置
單機特性,安裝與系統,特點,優點,缺點,
單機特性
燃氣輪機的優點是功率大、質量輕、自動化程度高、操作簡單、工作可靠、維護方便等。現今海軍正在服役和建造的大、中型水面艦艇中，基本上以柴燃聯合動力裝置、全燃聯合動力裝置為主。其中全燃聯合動力裝置約有600艘。燃氣輪機的全部性能一般遵從以下(ISO)條件。
進氣溫度27℃；環境壓力101．32 kPa；相對濕度60%；進氣總壓力損失於壓氣機進氣管法蘭處1．961 kPa；排氣靜壓損失於渦輪排氣管法蘭處1．470 kPa，不考慮外用抽氣及箱裝體冷卻裝設引射器所引起的排氣背壓損失。
當環境條件改變，裝艦後使用條件變化時，一般對規定的燃氣輪機性能特別是功率、耗油率進行相應修正。應指出的是，燃氣輪機對環境溫度，壓氣機抽氣量及進氣阻力損失比較敏感，且對壓氣機進口流場分布要求非常嚴格。
美國海軍及我國20世紀90年代裝艦使用的為美國通用電氣公司生產的LM2500型燃氣輪機，額定功率為20 200 kW/3 600 r/min，耗油率為0．25 kg/kW·h；低於0．2工況的耗油率為0．43 kg/kW·h。Fr8型燃氣輪機，額定功率為24 840 kW/3 600 r/min，耗油率為0．222 kg/kW·h。
英國海軍艦用斯貝SM2C型燃氣輪機，額定功率為19 220 kW/5 500 r/min，耗油率為0．229 kg/kW·h；奧林普斯TM3B型燃氣輪機，額定功率為15 800 kW/5 660 r/min，耗油率為0．317 kg/kW·h；船用太因RMlC型燃氣輪機，額定功率為3 920 kW/3 425 r/min，耗油率為0．291 kg/kW·h。
俄羅斯艦用BTl6000型燃氣輪機，額定功率為16 300 kW/5 200 r/min，耗油率為0．280 kg/kW-h；
烏克蘭艦用GT25000型燃氣輪機額定功率為24 260 kW/3 270 r/min，耗油率為0．275 kg/kW·h左右。
以LM2500為代表的美、英等國的燃氣輪機一般是壓縮空氣啟動，可在60 s內從啟動過程加速到慢車，亦可在停車60 s以內進行再啟動；烏克蘭GT25000型為代表的燃氣輪機為電啟動，其瞬態供電負荷很大，對電網要求較高。但二者都能從啟動加速到慢車，再加速到額定功率轉速而整個過程所需時間不超過390 s，應急條件下不超過90 s，惰轉工況加速到額定工況轉速的時間可不超過30 s。
LM2500燃氣輪機通常加裝外用引氣的設施，以滿足自身進氣防冰系統或螺旋槳通氣系統使用，以及二台燃氣輪機之間互作啟動壓縮空氣使用。
燃氣輪機一般採用箱裝體，箱裝體大質量高剛度底座與船體基座之間由單級隔振抗衝擊裝置連線，構成燃氣輪機整體模件。
箱裝體的隔聲罩隔聲量一般可達25 dB(A)，氣密性能確保三防要求並提供足夠的檢修空間，觀察窗，內部照明設施；並設定有火警探測和滅火系統。
箱裝體的隔振抗衝擊系統，確保了整個系統不出現耦合振動，滿足國軍標規定的抗衝擊要求，使傳遞到船體基座的振級與柴油機箱裝體在20 Hz~10 kHz的三分之一倍頻程中心頻率基本平衡。
安裝與系統
燃氣輪機動力裝置在艦船上的安裝布置，主要設備如燃氣輪機、減速齒輪箱、軸系的軸線儘可能相對於船體中線面平行且對稱布置，燃氣輪機的進、排氣管路一般應垂直向上，以滿足燃氣輪機對進、排氣系統流阻的要求。各設備之間的間距有條件時不小於600 mm，設備外表面和管路布置不妨礙艙壁、艙頂和艙底的清洗要求，並確保修理、保養換裝所需的空間及吊裝通道與設施。各機艙所有設備與管道的最終布置結果，應使橫向重心儘可能靠近船體中線面且位於艦艇水線以下。
各機艙配置在條件允許時，為確保艦艇戰鬥破損生命力，各獨立推進系統可互為備用並持續運行。
彈性安裝設備的管道設定有相應的撓性接管，高溫管道如燃氣輪機排氣管道，設定有吸收位移的補償器。高溫管道經絕熱包紮後外表面溫度一般不高於60℃。彈性安裝設備與周圍船體構件之間的最小間距應大於50 mm。
燃氣輪機箱裝體內及艦上進氣管道中可安裝燃氣輪機的拆裝軌道系統，實現燃氣發生器、動力渦輪或整台燃氣輪機，從機艙吊運到岸上車間維護保養更換。
機艙內各系統的布置為主要輔助設備的維修、更換留有必需的空間，儘可能少拆卸管子、電纜、通風管道和其他已安裝設備的情況下實施。
(1)燃油系統
燃氣輪機艙均為每台機組設定有獨立的日用燃油(艙)櫃，其容量按所在艙設備額定工況運行4小時耗油量考慮。其中燃氣輪機艙高置油櫃的位置應保證產生的油壓可滿足燃氣輪機所需的燃油壓力。所有燃油櫃的泄放附屬檔案應為自閉式的，泄放的油通過泄放管排入污油艙。油櫃的通氣管一般應通至甲板以上，並在管口設定空氣管頭。油(艙)櫃設定部位儘可能避開因燃油溢出或泄漏可能產生危險的處所。
燃氣輪機日用燃油系統一般由燃油增壓泵、燃油粗濾器、燃油聚水型濾器、燃油預熱器、燃油流量計、燃油壓力調節閥、電動/手動控制閥和燃油速關閥等管路附屬檔案組成。通常每台機組配置一台增壓泵，另外，為二台燃氣輪機配置一台備用燃油增壓泵。增壓泵的排量和出口壓力能夠滿足燃氣輪機最大工況的耗油量和進口壓力的需求，而燃油壓力調節閥可按燃氣輪機不同工況所需的燃油量自動進行調節，以保持燃氣輪機的穩定運行。燃油預熱器是利用柴油發電機的高溫缸套水，在冬季加熱燃油以使燃氣輪機正常啟動。
常艦船左、右兩舷獨立的燃氣輪機日用燃油系統之間設有三處橋管，橋管分別設定在燃油吸入口處，燃油增壓泵出口處，燃氣輪機聚水型濾器出口處，當一舷日用燃油系統損壞後。另一舷日用燃油系統可以通過橋管向另一台燃氣輪機提供燃油。可以保證兩台燃氣輪機處於部分負荷工況穩定運行。
燃氣輪機燃油系統一般分別在兩個主機艙內各設定一台燃油駁運泵，其排量按1 h注滿日用燃油(艙)櫃規定容量考慮。
(2)滑油系統
燃氣輪機的滑油系統一般由循環滑油櫃、滑油冷卻器、滑油濾器、滑油溫控閥和滑油補油箱等組成。每台燃氣輪機的滑油系統獨立設定，各自的循環滑油櫃其容量按燃氣輪機裝置滑油循環油量、消耗量和壽命等要求設計。配備的備用滑油櫃，或儲備一定容量的桶裝滑油，其容量可滿足燃氣輪機裝置在規定續航力的滑油耗量。
燃氣輪機滑油系統是通過機帶滑油循環泵將工作過的滑油由機體排出，油溫大致在50～120℃範圍。排出的滑油經過滑油濾器過濾後，分兩路，一路至滑油冷卻器，一路至溫控閥。進入冷卻器的滑油經冷卻後進入溫控閥，經過溫控閥調控後保證溫控閥出口的油溫大致在50℃左右，由溫控閥出口進入循環滑油櫃，同時燃氣輪機的機帶循環滑油泵，不停地從油櫃中吸油，構成一個滑油循環迴路。
另外在燃氣輪機備車時，由機器上的電動滑油預供油泵從滑油循環櫃吸油，供燃氣輪機啟動時使用。當冬季機艙溫度較低時，滑油循環櫃可以自動加熱滑油，以供燃氣輪機隨時使用，在滑油溫度低於5℃時，自動加熱器工作，能在1小時內將櫃中滑油加熱到15℃。
(3)冷卻系統
燃氣輪機海水冷卻系統一般由電動海水泵、海水濾器冷卻器、減壓閥、安全閥和止回閥等組成。每套燃氣輪機設定獨立的海水冷卻系統，且海水冷卻系統除可由兩舷通海閥進水之外，亦能由消防總管應急供水。為提高系統的可靠性，一般兩舷海水冷卻系統有聯通橋管以保證應急時使用。
燃氣輪機海水冷卻系統是為燃氣輪機滑油冷器提供冷卻海水，原則上海水壓力不得高於滑油系統油壓。
按規範規定海水管路設計的流速不得大於規定值，管路採用B10管材時，內表面採取必要措施自形成氧化層後投入使用；通海閥濾網孔眼流通面積一般不小於濾器排出管流通面積的3倍；舷側設定的防堵格柵有效流通面積不得大於通海閥流通面積的3倍。系統管路易積水、淤塞和可能積有空氣的部位要設放泄、放氣或吹洗裝置，通海閥進口在條件允許時採用壓縮空氣設定吹洗設施。
(4)進排氣系統
燃氣輪機進氣系統按燃氣輪機對進口處空氣品質的要求，能自動地分離進氣中的水分及固體顆粒，嚴格控制空氣中的含鹽量，在環境溫度和相對濕度達不到規定值時可以加熱進氣，防止結冰，在氣水分離器發生阻塞時，具有應急旁通進氣功能，並能有效地降低燃氣輪機的進氣噪聲。
燃氣輪機進氣系統通常由進氣網罩、進氣百葉柵門(窗)、進氣防冰集管、進氣氣水分離器水清洗集管、進氣三級氣水分離器、進氣室、進氣消聲器和消聲管道以及整流、防護設施構成，一般經百葉柵的流速為(3～5)m/s，慣性分離器的流速為10 m/s，濾網流速(或聚水器流速)為(5～6)m/s，消聲器的流速不大於22 m/s，直管道流速不大於12 m/s，燃氣發生器壓氣機前的流場分布由進氣室和整流防護設施保證。進氣系統設計的總阻力不大於2 kPa。此外，進氣系統還設定有進氣三級氣水分離器，堵塞時應急旁通控制設施。
燃氣輪機排氣系統是將燃氣輪機的廢氣排出艦外，帶箱裝體的燃氣輪機排氣口通常帶有引射器，引射器出口流速一般大於90 m/s，過渡管內的流速為87 m/s左右，直管道的錐度一般不大於80，流速在75 m/s以內，由直管道進入排氣口紅外抑制裝置，它是利用廢氣的能量，通過紅外抑制裝置引射環境空氣來降低排出艦外的廢氣溫度，達到降低紅外輻射的目的。
(5)壓縮空氣系統
利用壓縮空氣啟動的燃氣輪機，一般均應設定獨立的啟動空氣管路及附屬檔案。其中燃氣輪機啟動空氣管路應設定盤車空氣調節閥或減壓閥，以滿足盤車和啟動不同狀態對壓縮空氣壓力的要求。啟動空氣進入燃氣輪機之前應經設定的乾燥器。兩台燃氣輪機之間應允許相互自壓氣機直接抽氣(電啟動燃氣輪機除外)啟動。
燃氣輪機艙通常配置有電動高壓空壓機，其排量和出口壓力按1 h內注滿高壓空氣瓶組至額定工作壓力考慮，高壓空壓機還配備有獨立海水冷卻系統，其冷卻能力能確保空壓機排氣冷卻後的溫度不超過60℃。
特點
優點
燃氣輪機作為船用主機的時問雖不太長．但獲得了迅速的發展．尤其是在水面艦船上得到極其廣泛的套用。這主要是燃氣輪機動力裝置較其他裝置有許多突出的優點所致。
(1)燃氣輪機對艦船所需的功率指令反應迅速，從冷態啟動到發出全功只需2～3 min，在緊急狀態下，還可縮短到1 min左右，這為改善艦船的機動性和操縱性創造了優越的條件。
(2)艦船燃氣輪機的單機功率比較大。單機功率已達29400～36750 kW，有比較成熟的機組。因此，燃氣輪機的發展已為艦船航速的提高和動力裝置的簡化提供了有利的條件。
(3)脫船燃氣輪機的重量尺寸非常輕巧。單位功率的機組重量已降低到0．22～0．27 kg/kW。它幾乎是柴油機的1/10。這一點極其可貴。它既能有效地縮小動力裝置的重量尺寸．增加燃油裝載量、擴大通信和武器裝備的總容量，又能提高生命力和續航力。
(4)艦船燃氣輪機的所有輔助系統和設備均附設於機組本體上．而且配有可靠的自動控制和凋爺沒備。因此，操作簡便，容易實現全船自動化和遠距離集中操縱等。
(5)因為燃氣輪機是迴轉機械，又比較輕巧，結構上容易實施合理的減振支承和撓性支承，所以機械噪聲源少，機械噪聲量小，且不易通過艦體向水下傳播，使作戰艦船的隱蔽性有所改善。
(6)艦船燃氣輪機的運行可靠性較好，其翻修壽命有的已能達到10 000 h以上。由於機組本身的重量尺寸比較小，容易實現快速更換。這樣就大大提高了艦船的實際服役率。同時，也大大簡化了艦上的維修保養工作，有利於減少在艦人員。
(7)與蒸汽輪機和柴油機動力裝置相比，燃氣輪機的潤滑油消耗量比較低。目前已達1～5 g/(kW·h)，故潤滑油貯存量較少。
(8)正由於燃氣輪機輕巧，又容易實現全自動化監控和遠距離集中控制，故一般均將機組置於密閉機罩內，以利隔音、隔熱、防化、防核，從而改善了機艙工作條件。
缺點
在艦艇燃氣輪機動力裝置的發展中，與其他動力裝置相比，還有許多急待研究和解決的問題。
(1)燃氣輪機的油耗率與柴油機的相比偏高：以美國比較先進的LM一2500機組為例，其額定負荷下的燃油消耗率已達240 g/(kW·h)，接近中、高速柴油機的水平。但在低工況運行時燃油消氂率大為增加，且會引起燃氣輪機超溫、易喘振和工作不穩定。
(2)目前的艦船燃氣輪機，幾乎均使用低黏度、優質燃料油。這樣，其燃料費用大大增加。
(3)艦船燃氣輪機的空氣消耗量很大：一般為16～23 kg /(kW·h)(柴油機約為5kg/(kW·h)，蒸汽輪機約為0．5 kg/(kW·h))，因此在艦船上，必須設定非常龐大的進、排氣管。這樣使動力裝置的重量尺寸增大：大的甲板開口也影響艦船有效甲板面積的利用以及艦體結構強度。
(4)在燃氣輪機的氣體流路中，氣流的紊流度強，渦流源多．因此，燃氣輪機工作時會發出頻譜很寬的、能量較幔的氣動噪聲。在進、排氣管管口附近的噪聲可達115 dB以上，嚴重影響艦船指戰員的正常工作和健康，影響艦船的隱蔽性，所以必須採取消爵措施。
(5)目前的艦船燃氣輪機不能逆轉，因此，當艦船需要制動和倒航時，要靠可調螺距螺旋槳或倒車傳動齒輪來解決。此外燃氣輪機必須藉助啟動電動機或其他啟動機械啟動。這些都導致動力裝置的複雜化。
