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LM2500系列燃气轮机发展探析
导读

通过对GE公司生产的 LM2500系列航改燃气轮机发展历程进行回顾,讨论 LM2500系列航改燃机的技术特点、优势及发展过程,介绍航改燃机改进的原则及方法,为促进我国的航改燃机产业的健康发展提供理论参考。


与其他传统动力相比,航改燃气轮机(简称燃机)具有功率大、结构紧凑、质量轻、维护方便、可靠性高等优点, 自诞生之日起就受到工业界的高度重视,在电力工业、管道输送、石化冶金、舰船动力等领域得到了广泛的应用。 随着相关技术的不断进步,航改燃机不断改良,朝着更可靠、更经济、更环保的方向发展。


随着新技术和新材料的逐步升级改造,GE公司的LM2500系列航改燃机已经产生LM2500、LM2500+、LM2500+G4等一系列型号,整机性能不断提高,涵盖了从23MW至33MW的功率等级。自LM2500系列航改燃机于20世纪70年代初正式投入使用以来,现已销售2000余套。在工业中,LM2500系列机组总运行时间已超过4000万小时;在舰船中,LM2500系列机组总运行时间已超过5000万小时,是任何一种燃机都难以企及的。这主要归功于LM2500系列机组的高性能、高可靠性和高利用率。


1LM2500燃机

1970年,GE公司对第一台LM2500燃机样机进行海试。样机输出功率达17.9MW,效率为35.5%,完全能够满足军方要求,随后 LM2500燃机进行批量生产。


1.1 航改途径

LM2500燃机由航改燃机航空涡轮风扇发动机TF39军用型)及CF6-6(民用型)改制而成。


1.2 结构特点

LM2500燃机(如图1所示)由单转子燃气发生器和动力涡轮部件组成。其中,燃气发生器由压气机、环形燃烧室、涡轮构成。


图1:LM2500燃机


压气机采用16级轴流式压气机,其中1—6级静子叶片可调。燃烧室为环形,有30个燃油喷嘴及2个点火装置,整体采用气膜冷却技术。涡轮采用2级轴流式,其转子叶片和静子叶片均采用气冷结构。 涡轮机匣为蜂窝状篦齿密封结构。


动力涡轮采用原航空发动机(TF39/CF6-6)的低压涡轮。燃机改装时,动力涡轮进口温度较航机大幅下降,为低负荷设计,级数为6级。因此,动力涡轮的工况效率高达92.5%,且性能良好。动力涡轮的制造采用抗腐蚀材料,并且涂有涂层,能大大延长其使用寿命。


同时,LM2500也在不断发展中,功率由1970年的17.9MW增加到目前的23.3MW,热效率也由35.5%增至36.6%。


2LM2500+燃机

LM2500+燃机是在LM2500燃机的压气机前增加0级压气机,从而使其空气流量和输出功率有较大提高。LM2500+燃气轮机的结构如图2所示。


图2:LM2500+燃机


2.1升级原因

20世纪90年代初,虽然通过各类技术改进,GE公司将LM2500燃机的功率提高至22.0MW级别,但随着各国海军舰艇对动力装置功率要求的不断提高,其燃机功率已不能满足需求。在此背景下,GE公司决定在LM2500燃机的基础上,研制其改进型燃机。LM2500+燃机在1998年研制成功,其功率达到29.8MW,热效率为38%。


升级过程中,保留原LM2500燃机的结构特点、材料工艺及配套设施,并继承其高可靠性和高使用寿命。在此基础上,采用保守设计方法研制LM2500+燃机。


2.2改进设计

在原有的16级压气机前新增0级压气机,形成新的17级轴流式压气机。新增加的0级压气机采用整体叶盘结构,可靠性及寿命都有所提高。同时,可调进口导向叶片与其后的0—6级可调静子叶片相配合,保证了良好的压气机性能并降低了喘振的可能性。


重新设计的第1级转子叶片采用基于航机CF6-80C2叶型的宽弦叶片,去掉了原LM2500燃机第1级转子叶片的突肩。同时第2、3 级转子叶片采用航机CF6-80C2的叶型设计。0—11级静子叶片也采用航机 CF6-80C2的叶型设计。新型压气机使空气流量增加了23%,压比从19.3增加到23.3,效率提高了0.5%。


动力涡轮流通面积增加了大约11%,以适应空气流量的提高。同时,各传动部位也得到了增强,以适应输出功率的提高。LM2500燃机与LM2500+燃机结构对比如图3所示。


图3:LM2500燃机与LM2500+燃机结构对比


3LM2500+G4燃机

LM2500+燃机投产以后,GE公司于2005年开发了新一代的LM2500+G4燃机,其功率由30.0MW提高到33.4MW,同时增加了燃气初温及压比,且空气流量约增加5%。


3.1升级基本原则

综合考虑复杂程度、进度安排、技术风险和费用支出等因素,增加功率的最容易、稳妥方法是增加空气流量。其技术风险最低,且升级费用合理。


3.2 主要设计改进

对转子叶片和静子叶片叶型做小规模改动,以便提供更高的空气流量。同时压气机和涡轮叶片采用新型冷却技术和材料,使其可以承受更高的温度。


3.3 主要性能

新一代LM2500+G4燃机的功率高达33.4MW,热效率高达39%。LM2500系列燃气轮机与其他型号燃机性能对比见表1。


表1 LM2500系列燃气轮机性能参数


4燃机发展启示

显而易见,航空发动机是按照飞机的使用条件来设计制造的,其运行环境、状态等都跟陆地、海洋有着非常大的区别。因此,必须根据陆地、海洋环境的特殊要求,对航空发动机进行适当的改造,才能获得性能优异、质量可靠的工业、舰用燃机。


通常来讲,航改燃机主要对原航机进行以下方面的改进:

1)降低工作参数。为了达到较高的性能,航机一般采用比较高的工作参数,其中最具代表性的参数是燃气初温(涡轮前温度),但其工况变化范围比较小。这跟工业、舰船用燃机的要求差异很大。由于其工作条件远比航机恶劣,因此,航改燃机最有效的方法就是降低燃气初温和转速。虽然降低工作参数会降低燃机效率和功率,但可以使燃机寿命和可靠性大幅提高。


2)各部件改动。航机大部分时间工作于空气稀薄的高空,而燃机工作在海平面高度,空气密度大、压强高。所以必须对压气机和涡轮的设计进行适当修改甚至重新设计,以适应新的气动参数。同时,航机的燃料为高质量的航空煤油,而燃机的燃料通常为柴油甚至重油,具有密度高、黏度大、气化速度慢、燃烧能力差等缺点。所以必须对燃烧室进行改动,在保证性能要求的前提下,提高燃烧室的效率和寿命。


3)增加部件。燃机必须以轴功率形式输出动力,因此航改燃机需要去掉原航机的反推装置、加力燃烧室、尾喷管等部件,加配符合要求的动力涡轮。


4)改进材料。航机在高空洁净的大气中工作,部件工作条件较好。而燃机在工作过程中会吸入大量的烟雾、粉尘等污染物,腐蚀燃机部件,影响燃机的工作性能和使用寿命。航改过程中,必须对原航机部件的材质进行更换或者采取表面处理,以提高部件的防腐性能。


纵观世界燃气轮机发展史,航改燃机可以最大程度继承航机的资源,具有节约资金、缩短研发周期、降低风险等诸多优势,是燃机发展的一个最重要方向。以一款成功的燃机为基础,经过不断升级改进,可以逐步衍生发展出一系列燃机,这不仅赋予原形燃机强大的生命力,而且形成更新换代的良性发展态势,同时也保证了后续燃机的可靠性、低风险、低成本、短周期。


通常升级的途径主要有3个:一是提高燃气初温和压比;二是增加空气流量;三是采用复杂循环(GE公司的LMS100燃机)。在升级改进中,增加空气流量是低成本和低风险的方式。GE公司航改燃机发展示意图见图4。


图4:GE航改燃机发展示意图(红线下方为航改燃机)


5结语

来源于航空涡扇发动机的LM2500燃机自诞生之日起,逐步得到改进和提高。从最初的18.0MW到G4的33.4MW,LM2500燃机涵盖了2个连续的功率等级,充分满足了各类客户的需求。可以认为,LM2500燃机是世界上最成功和优秀的燃机,其发展历程为我国大规模开展燃机轮机研究提供了宝贵经验。


来源:LM2500系列燃气轮机发展探析,沈烨,农业科技与装备第10期,2012

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