航机改型燃气轮机设计及试验技术pdf/txt下载_在线阅读全文

内容简介

本书在简要介绍燃气轮机分类、国内外燃气轮机发展和应用概况、燃气轮机技术回顾和展望，以及航机改型（简称航改）燃气轮机设计的一般原则的基础上，重点论述了航机改型燃气轮机九大特征技术。叙述中既突出航改燃气轮机总体设计技术，又包含了航改燃气轮机系统、部件技术以及试车调试技术。本书取材新颖、实用，是一本航改燃气轮机工程专著。

本书可供高等院校航空、舰船、电力等动力专业的师生，以及相关专业的科研、生产、管理、使用部门的工程技术人员参考。

作者简介

中航工业动力所副所长、燃机型号总师、自然科学研究员。享受国务院政府特殊津贴，国防科技工业“511人才工程”学术技术带头人，中航工业首席技术专家。

目　　录

第１章　概论..........................（１）
　１. １　燃气轮机分类............. （１）
　１. ２　国内外燃气轮机发展概况......................（２）
　１. ３　国内外地面燃气轮机的应用概况......... （９）
　１. ４　燃气轮机技术回顾和展望......................（１６）
　　１. ４. １　燃气轮机技术回顾要点........... （１６）
　　１. ４. ２　燃气轮机技术前景展望........... （２０）
　１. ５　航机改型燃气轮机设计的一般原则........… （２１）
　　１. ５. １　总体性能综合平衡.......................（２１）
　　１. ５. ２　部件结构尽量继承.......................（２２）
　　１. ５. ３　要尽量与航空母型机资源共享.........… （２２）
第２章　简单循环燃气轮机设计......................（２３）
　２. １　航改单轴燃气发生器燃气轮机设计（双轴燃气轮机） ....… （３０）
　　２. １. １　总体性能设计........................（３１）

第１ 章　概论..........................（ １ ）
　１. １　燃气轮机分类............. （ １ ）
　１. ２　国内外燃气轮机发展概况......................（ ２ ）
　１. ３　国内外地面燃气轮机的应用概况......... （ ９ ）
　１. ４　燃气轮机技术回顾和展望......................（ １６ ）
　　１. ４. １　燃气轮机技术回顾要点........... （ １６ ）
　　１. ４. ２　燃气轮机技术前景展望........... （ ２０ ）
　１. ５　航机改型燃气轮机设计的一般原则........… （ ２１ ）
　　１. ５. １　总体性能综合平衡.......................（ ２１ ）
　　１. ５. ２　部件结构尽量继承.......................（ ２２ ）
　　１. ５. ３　要尽量与航空母型机资源共享.........… （ ２２ ）
第２ 章　简单循环燃气轮机设计......................（ ２３ ）
　２. １　航改单轴燃气发生器燃气轮机设计（双轴燃气轮机） ....… （ ３０ ）
　　２. １. １　总体性能设计........................（ ３１ ）
　　２. １. ２　总体结构设计........................（ ４７ ）
　　２. １. ３　设计案例分析........................（ ４７ ）
　２. ２　双轴燃气发生器燃气轮机设计（三轴燃气轮机） .....… （ ７４ ）
　　２. ２. １　改型技术途径........................（ ７４ ）
　　２. ２. ２　双轴燃气发生器工作原理......................（ ７５ ）
　　２. ２. ３　主要性能参数选取.......................（ ７６ ）
　　２. ２. ４　航改舰用燃机中、低工况总体性能参数的匹配和优化.....… （ ７９ ）
　　２. ２. ５　起动参数的确定............ （ ８９ ）
　２. ３　典型案例分析............. （１０３）
　　２. ３. １　ＬＭ１６００ 燃气轮机............ （１０３）
　　２. ３. ２　ＭＴ３０ 燃气轮机........................（１１３）
　　２. ３. ３　ＦＴ８ 燃气轮机........................（１２１）
　　２. ３. ４　ＬＭ６０００ 双轴燃气轮机（合轴输出） ........…
（１２６）
　　２. ３. ５　ＱＤ１２８ 燃气轮机............ （１３３）
　　２. ３. ６　ＱＤ１８５ 燃气轮机............ （１３６）
第３ 章　先进循环燃气轮机设计......................（１４２）
　３. １　间冷循环燃气轮机设计........... （１４５）
　　３. １. １　总体性能设计........................（１４５）
　　３. １. ２　设计案例分析........................（１６７）
　３. ２　回热循环燃气轮机设计........... （１９２）
　　３. ２. １　总体性能设计........................（１９３）
　　３. ２. ２　设计案例分析........................（１９９）
　３. ３　间冷回热循环燃气轮机设计.......... （２０４）
　　３. ３. １　总体性能设计........................（２０４）
　　３. ３. ２　设计案例分析........................（２１４）
　３. ４　ＦＴ４０００ 湿空气涡轮循环燃气轮机设计.......… （２２６）
　　３. ４. １　烧天然气ＨＡＴ 循环参考系统的设计和参数选择......… （２２７）
　　３. ４. ２　ＮＧＨＡＴ 燃气轮机参考系统......................（２３４）
　　３. ４. ３　水分回收和羽烟传播.......................（２４２）
　　３. ４. ４　ＨＡＴ 循环高输出功率的解释.......... （２４３）
　　３. ４. ５　结论..........................（２４５）
　３. ５　加汽式燃气轮机设计.......................（２４５）
　　３. ５. １　概念..........................（２４５）
　　３. ５. ２　性能分析.........................（２４６）
　　３. ５. ３　辅助系统.........................（２４７）
　　３. ５. ４　应用展望.........................（２４８）
第４ 章　提高性能技术........................（２５０）
　４. １　湿空气涡轮技术........................（２５４）
　　４. １. １　国外湿空气涡轮技术的研究概况......... （２５６）
　　４. １. ２　国内湿空气涡轮技术的研究进展......... （２５９）
　　４. １. ３　湿空气涡轮的设计.......................（２６０）
　　４. １. ４　湿空气涡轮循环在我国的应用前景........… （２６１）
　４. ２　湿压缩技术.........................（２６２）
　　４. ２. １　湿压缩循环的概念.......................（２６２）
　　４. ２. ２　湿压缩技术的发展.......................（２６４）
　　４. ２. ３　湿压缩循环的特点.......................（２６５）
　　４. ２. ４　喷水位置对湿压缩的影响......................（２６６）
　　４. ２. ５　湿压缩中对喷水的限制因素.......... （２６７）
　　４. ２. ６　存在的技术问题............ （２６７）
　　４. ２. ７　应用前景分析........................（２６８）
　４. ３　蒸汽冷却技术............. （２６８）
　　４. ３. １　国外蒸汽冷却技术的研究概况.........… （２６９）
　　４. ３. ２　国内蒸汽冷却技术的研究进展.........… （２７０）
　　４. ３. ３　蒸汽冷却技术的工业应用......................（２７０）
　　４. ３. ４　蒸汽冷却系统设计.......................（２７９）
　　４. ３. ５　蒸汽冷却叶片设计.......................（２７９）
第５ 章　燃烧室设计技术............ （２８２）
　５. １　常规燃烧室设计技术.......................（２８４）
　　５. １. １　改烧液体燃料的燃烧技术......................（２８４）
　　５. １. ２　改烧气体燃料的燃烧技术......................（２９２）
　５. ２　干式低排放燃烧技术.......................（２９９）
　　５. ２. １　概述..........................（２９９）
　　５. ２. ２　航改燃机ＤＬＮ 燃烧室........... （３００）
　　５. ２. ３　干低排放燃烧室技术难点......................（３０６）
　５. ３　湿低排放燃烧技术............ （３１４）
　　５. ３. １　概述..........................（３１４）
　　５. ３. ２　湿低排放燃烧技术应用........... （３１７）
　５. ４　催化燃烧技术............. （３２５）
　　５. ４. １　概述..........................（３２５）
　　５. ４. ２　典型的催化燃烧室方案........... （３２６）
　　５. ４. ３　常用催化剂和制备.......................（３３０）
第６ 章　动力涡轮设计技术.......................（３３３）
　６. １　动力涡轮导向器面积调整对燃机性能的影响......… （３３３）
　６. ２　动力涡轮结构设计特点........... （３３４）
　６. ３　ＱＤ１２８ 燃气轮机动力涡轮的研制及应用.......… （３３６）
　　６. ３. １　项目简介.........................（３３６）
　　６. ３. ２　主要科技创新........................（３３７）
　　６. ３. ３　动力涡轮结构设计.......................（３３９）
　６. ４　ＱＤ１８５ 燃机动力涡轮研制......................（３４４）
　　６. ４. １　项目简介.........................（３４４）
　　６. ４. ２　动力涡轮性能设计.......................（３４５）
　　６. ４. ３　动力涡轮结构设计.......................（３５０）
　６. ５　ＬＭ２５００ 系列动力涡轮........... （３５２）
　　６. ５. １　ＬＭ２５００ ＋动力涡轮.......................（３５２）
　　６. ５. ２　ＬＭ２５００ ＋ Ｇ４ 燃气轮机设计改进.........… （３５４）
　６. ６　ＦＴ８ 动力涡轮............. （３５４）
　　６. ６. １　ＦＴ８ 燃机动力涡轮总体结构.......... （３５５）
　　６. ６. ２　动力涡轮过渡段结构.......................（３５５）
　　６. ６. ３　转子支点布局及轴承密封......................（３５６）
　　６. ６. ４　盘轴连接结构........................（３５７）
　　６. ６. ５　动力涡轮选材........................（３５８）
第７ 章　进排气装置设计............ （３５９）
　７. １　进气装置设计............. （３５９）
　　７. １. １　概述..........................（３５９）
　　７. １. ２　燃气轮机进气系统数值模拟方法......... （３６７）
　　７. １. ３　燃气轮机进气系统试验研究方法......... （３６８）
　　７. １. ４　某燃机进气系统设计方案......................（３７３）
　　７. １. ５　结论..........................（３７９）
　７. ２　排气装置设计............. （３７９）
　　７. ２. １　概述..........................（３７９）
　　７. ２. ２　国内外研究现状............ （３８０）
　　７. ２. ３　主要设计研究方法.......................（３８４）
　　７. ２. ４　排气装置的设计............ （３８５）
第８ 章　燃气轮机系统设计.......................（３９２）
　８. １　空气系统.............. （３９２）
　　８. １. １　概述..........................（３９２）
　　８. １. ２　组成及原理............. （３９２）
　　８. １. ３　排气系统.........................（３９３）
　８. ２　点火系统.............. （３９３）
　　８. ２. １　概述..........................（３９３）
　　８. ２. ２　工作原理.........................（３９４）
　　８. ２. ３　ＱＤ１１ 燃气轮机点火系统应用.......... （３９４）
　８. ３　起动系统.............. （３９５）
　　８. ３. １　概述..........................（３９５）
　　８. ３. ２　组成..........................（３９６）
　　８. ３. ３　工作原理.........................（３９６）
　　８. ３. ４　ＱＤ１２８ 燃气轮机起动系统应用.........… （３９６）
　８. ４　燃料调节系统............. （３９８）
　　８. ４. １　概述..........................（３９８）
　　８. ４. ２　主要部件及性能参数.......................（３９９）
　　８. ４. ３　ＱＤ１２８ 燃气轮机燃料系统应用.........… （４０１）
　８. ５　控制系统.............. （４０３）
　　８. ５. １　概述..........................（４０３）
　　８. ５. ２　控制系统组成........................（４０３）
　　８. ５. ３　主要性能参数........................（４０４）
　　８. ５. ４　系统功能.........................（４０５）
　　８. ５. ５　控制规律.........................（４１８）
　　８. ５. ６　ＱＤ１２８ 燃机控制器应用........... （４３０）
　　８. ５. ７　安全保护参数要求.......................（４４３）
第９ 章　燃气轮机总体性能仿真......................（４４５）
　９. １　仿真概述.............. （４４５）
　　９. １. １　国外研究概况........................（４４５）
　　９. １. ２　国内研究概况........................（４４７）
　９. ２　燃气轮机工作机理与数学物理模型........… （４４７）
　　９. ２. １　模块化建模方法............ （４４７）
　　９. ２. ２　燃气轮机现代仿真技术........... （４４９）
　　９. ２. ３　燃气轮机机热力过程描述......................（４５０）
　９. ３　燃气轮机工作机理与数学物理模型........… （４５０）
　　９. ３. １　燃气轮机数学模型.......................（４５０）
　　９. ３. ２　数学模型的建立............ （４５２）
　　９. ３. ３　基于部件特性的燃气轮机非线性数学模型.......… （４５６）
　９. ４　燃气轮机过渡态工作过程......................（４６４）
　　９. ４. １　燃气轮机过渡态数学模型......................（４６５）
　　９. ４. ２　容积法建模............. （４６８）
　　９. ４. ３　Ｍａｔｌａｂ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ
软件平台简介......... （４６９）
　　９. ４. ４　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 环境下的过渡态模型.........… （４７０）
　　９. ４. ５　无迭代解法............. （４７８）
第１０ 章　燃气轮机试车调试技术......................（４８０）
　１０. １　试车设备.........................（４８０）
　　１０. １. １　试车台总体布置............ （４８０）
　　１０. １. ２　主体设备.........................（４８０）
　　１０. １. ３　辅助系统.........................（４８４）
　　１０. １. ４　土建工艺要求........................（４８７）
　　１０. １. ５　试车台的调台试验.......................（４８７）
　　１０. １. ６　试车台设备的维护和保养.......... （４８８）
　１０. ２　试车测试要求....…........ （４８９）
　　１０. ２. １　测试项目.........................（４８９）
　　１０. ２. ２　测试精度的要求............ （４８９）
　　１０. ２. ３　测量方式的要求............ （４９０）
　　１０. ２. ４　测试系统寿命和环境适用性要求......... （４９２）
　　１０. ２. ５　测试要求示例........................（４９２）
　１０. ３　燃机试车调试技术.......................（４９４）
　　１０. ３. １　调试试验.........................（４９４）
　　１０. ３. ２　燃机性能试验........................（４９９）
　　１０. ３. ３　耐久性／可靠性考核试验......................（５０３）
　１０. ４　先进循环燃机试车调试技术.........… （５１１）
　　１０. ４. １　台架和模型试验............ （５１２）
　　１０. ４. ２　系统研制试验........................（５１４）
　　１０. ４. ３　定型试验.........................（５３０）
附录１　燃气轮机技术方面英文名词及缩略语........ （５３６）
附录２　国外典型燃气轮机参数（ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＷＯＲＬＤ， ２０１３） ... （５３９）
参考文献...........................（５７６）

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前　　言

航空用燃气轮机和地面与水面用燃气轮机，从工作原理和基本技术上同属燃气涡轮发
动机（简称燃气轮机）。由于应用对象的差异很大，将前者称为航空发动机，后者称为燃气轮机。由于发展路线和结构形式的差异，燃气轮机又分为轻型燃气轮机（一般为分轴
输出）和重型燃气轮机（一般为单轴结构）。
燃气轮机是航空、舰船和能源的核心装备，直接关系到国防安全、经济发展和科技发
展，具有极高的政治价值、军事价值和经济价值。由于其研制涉及到气动、传热、燃烧、
结构、强度、材料、控制、精密制造等技术的最高端，被誉为机械制造业皇冠上的明珠，
是一个国家工业综合实力的体现。正是由于地位极端重要和技术异常高深，航空发动机工

航空用燃气轮机和地面与水面用燃气轮机， 从工作原理和基本技术上同属燃气涡轮发
动机（简称燃气轮机）。由于应用对象的差异很大， 将前者称为航空发动机， 后者称为燃气轮机。由于发展路线和结构形式的差异， 燃气轮机又分为轻型燃气轮机（一般为分轴
输出） 和重型燃气轮机（一般为单轴结构）。
燃气轮机是航空、舰船和能源的核心装备， 直接关系到国防安全、经济发展和科技发
展， 具有极高的政治价值、军事价值和经济价值。由于其研制涉及到气动、传热、燃烧、
结构、强度、材料、控制、精密制造等技术的最高端， 被誉为机械制造业皇冠上的明珠，
是一个国家工业综合实力的体现。正是由于地位极端重要和技术异常高深， 航空发动机工
业被美国、英国和俄罗斯等国家长期列为优先发展、高度垄断、严密封锁的战略性产业。这些国家以国家意志不惜投入巨资加以扶持， 集中高科技人才进行大力研发， 推动了航空发动机技术、产品和产业的迅猛发展。
由于航空发动机和燃气轮机的天然联系， 由航空发动机派生发展轻型燃气轮机（简
称航改燃气轮机） 成为必然， 它可以与航空发动机在设计、制造和试验体系方面实现最
大限度的共享， 甚至大部分构件可以共用， 使研制风险明显降低， 研制经费大大减少和研制周期显著缩短。因此， 在航空发动机问世不久， 航空发动机改型的轻型燃气轮机以其先天性技术优势， 广泛应用于电力、船舶和机械驱动等领域。２０ 世纪８０ 年代以来， 重型燃气轮机也大量引进、吸收航空发动机先进技术和采用先进热力循环， 性能水平大幅度提高， 特别是大功率档次的联合循环机组的性能已超过轻型燃气轮机。因此， 航空发动机和地面轻、重型燃气轮机（国外三者可统称为燃气轮机） 已成为热动力装置中最为先进的类型， 可以说， 谁掌握了先进的燃气轮机技术， 谁就掌握了２１ 世纪动力的未来。
世界上航空发动机技术最为先进的美国通用电气公司、普拉特－ 惠特尼公司， 英国的
罗尔斯－ 罗伊斯公司以及俄罗斯的彼尔姆航空发动机股份公司等， 无一例外地将先进成熟的航空发动机改型发展为轻型燃气轮机， __________并占据了世界轻型燃气轮机的大部分市场。新中国成立后， 由于在一穷二白的基础上建立我国的工业体系， 技术、经济实力不够以及政策多变等原因， 使中国航空发动机的研制发展步履维艰， 远远落后于航空发达国家， 轻型燃气轮机更是如此。改革开放以来， 尤其是２１ 世纪以来， 我国的国力大幅增强， 技术和工业体系得到大幅完善， 技术与经济实力显著提升， 同时， 由于国家国防安全和经济建设的需要， 中国政府对航空发动机和燃气轮机更加重视， 航空发动机技术和产品得到快速发展， 自主研制的第二代和第三代航空发动机相继定型并批量生产， 为研制航机改型燃气轮机打下了良好的技术基础和工业基础。在中国“十三五” 规划中， 航空发动机和燃气轮机国家科技重大专项列入计划实施的百大工程之首， 舰船对燃气轮机动力的急需、节能减排对燃气轮机动力的急需、海上采油平台等对燃气轮机动力的急需， 都为航改燃气轮机的发展带来了千载难逢的机遇。
据Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ
Ｆｏｒｅｃａｓｔ ２０１３ 年１２ 月预测， ２０１４—２０２３ 年世界燃气轮机产值达２５２４? １１亿美元。
为抓住航改燃气轮机发展的历史机遇， 结合从事航空发动机和燃气轮机研制３０ 多年的工作经历， 尤其是从事航改燃气轮机近２０ 年和多个型号的研制经历， 搜集整理相关资料， 总结工作体会， 特编写《航机改型燃气轮机设计及试验技术》一书， 从航空发动机改型燃气轮机的实践角度出发， 阐述燃气轮机设计、试验技术与航空发动机的异同、设计解决方法和实例， 供从事航改燃气轮机和其他燃气轮机技术工作的科技人员、高等院校教师和学生参考， 希望能起到抛砖引玉的作用。
本书共分１０ 章对航机改型燃气轮机特征技术进行论述和讨论， 与航空发动机技术基本相同的内容尽量简化或不再论述。第１ 章主要介绍燃气轮机分类， 国内外燃气轮机发展、应用概况， 燃气轮机技术回顾和展望， 以及航机改型燃气轮机设计的一般原则， 让读者有一个全局性的认识； 第２ 章介绍了航机改型为简单循环燃气轮机的设计技术和案例，分燃气发生器为单轴、双轴的情况进行了介绍； 第３ 章介绍了航机改型为先进循环燃气轮机的设计技术和案例， 分间冷循环、回热循环、间冷回热循环、湿空气涡轮循环、加汽燃气轮机等进行介绍； 第４ 章总结了燃气轮机提高性能的相关技术， 主要介绍了湿空气涡轮技术、湿压缩技术、蒸汽冷却技术等； 第５ 章介绍了航改燃气轮机燃烧室设计技术， 主要为改烧多种燃料和满足低排放要求的设计技术； 第６ 章介绍了具有燃气轮机特色的动力涡轮设计技术； 第７ 章介绍了具有燃气轮机特色的进排气装置设计技术； 第８ 章主要介绍了燃气轮机点火、起动、燃料调节、控制等系统设计技术； 第９ 章介绍了燃气轮机总体性能仿真设计技术； 第１０ 章主要介绍了燃气轮机试车台架设备、测试要求、试车调试技术和先进循环燃气轮机试车调试技术实例。
在本书的编写过程中， 得到了多位同事的大力支持和帮助。非常感谢梁春华、张世
福、欧永钢、郑培英、金戈、徐晶、刘志江、韩晓光、徐鑫、吉奎栓、朱敏、郝彬、刘长
青、于淼、张亚东， 他们为本书的编写提供了相关资料或参与了部分章节初稿的编写。感
谢张世福同志帮助完成了本书的统稿和编辑工作。
由于作者理论水平和实践经验所限， 书中难免会有疏漏、不足或错误之处， 恳请读者批评指正。
李孝堂
２０１６ 年１０ 月１０ 日

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