日本新一代船用燃气轮机_SMGT_研究计划pdf

日本新一代船用燃气轮机(SMGT)研究计划闻雪友研究员/博导中船重工第七三研究所[150036]王明为硕士/参谋海军装备部[100481]刘培栋研究生/工程师中船重工第七三研究所[150036]摘要1997年五家日本公司联手实施一项船用燃气轮机研究计划,目标是发展一种低NOx排放(≤1克/千瓦·小时)、高热效率(38%～40%)的下一代船用燃气轮机,本文综述了该项目的目标、组织、计划、性能和关键技术。关键词船舶燃气轮机中图分类号U664.1311背景3)可用A型燃油(JISK2205No.1)。全球范围内的环境问题已成为公众关注的中NOx的目标排放值大致仅为高速柴油机的十分之一,而热效率几乎是同样的。与目前在用的工业心,各国及当地政府也都在陆上采取了严格的排放燃气轮机比,NOx排放降低了三分之一,热效率提高控制。现在,在海事应用方面也已开始实实在在的了约10个百分点(与同一功率等级的相比)。排放控制。日本对近海船舶(包括渔船)的监测数据表明,在离海岸100公里范围内,其NOx的排放量占4计划日本国内排放总量的17%。1997年国际海事组织研究发展计划1997年起开始,周期六年。第一正式通过一项议定书,该文件规定了从2000年起对年,重点是新发动机的总体设计。在技术设计完成降低由船舶排放的NOx必须有实际的计划。但是后将总的目标分解到各部件。1998年开始对各部件现在近海船舶几乎都用柴油机作推进动力,它的热进行严格的试验和对试验结果分析评估,其后进行效率高,但NOx排放量也很高。众所周知,燃气轮施工设计,在2001年中期建成原型机,在2002～2003机的NOx排放量远低于柴油机,因此在船舶上广泛年进行整机试验,对船用燃气轮机的性能作出评估。装用燃气轮机可大大降低在海上排放的NOx总量。5SMGT性能超级船用燃气轮机(SUPERMARINEGASTURBINE)表1列出了发动机的目标性能。发动机的纵剖计划就是要发展一种下一代的船用燃气轮机,它既面图见图1。为使发动机的热效达到38～40%的目是低NOx排放,其热效率又能与当今的高速柴油机标值,SMGT采用了回热循环,其循环计算结果见图相匹敌。2。如果采用简单循环,在燃气初温为1200℃时该2组织1997年,五家日本公司,即KawasakiHeavyIn2dustries,Ishikawajima2HarimaHeavyIndustries,DaihatsuDiesel,NigataEngineeringandYanmarDiesel,联合建立了一个超级船用燃气轮机技术研究协会,开始实施超级船用燃气轮机计划。该项目获得MOT,ASIS和日本基金的支持,并被提作国家项目,按计划应在2003年完成2500kW船用燃气轮机的原型机试验。3目标2500kW船用燃气轮机项目有以下三个特点:1)使NOx排放值低于1克/千瓦·小时;2)热效率达38%～40%;功率等级的热效率上限为35%,图3是船用燃气轮机的系统图。图1SMGT纵剖面图6船舶工程2003年第25卷第1期闻雪友、王明为、刘培栋:日本新一代船用燃气轮机(SMGT)研究计划表1SMGT的性能名称单位规格F型V型额定功率kW25902530热效率%39.138.4空气流量kg/s9.5额定转速r/min21,000压比8.0压气机等熵效率%84.083.7轴流级4离心级1压力损失%4.0(空气侧)回热器压力损失%4.0(燃气侧)回热度%83.0型式板翅式燃烧效率%99.0燃烧室压力损失%4.0型式4管额定转速r/min21,000燃气发生燃气初温℃1.200器涡轮等熵效率%87.5轴流级2额定转速r/min13,000动力涡轮等熵效率%90.289.2轴流级23排气管压损%4.0燃气发生器机械效率%98.0动力涡轮机械效率%99.0NOx排放g/kWh1.06压气机压气机采用轴流加径流的混合式结构以达到84%的等熵效率,低压级(四级)为轴流,高压级(一级)为径流,轴流部分有两种方案:一种是V型,采用四级可调导叶,可使部分负荷下的效率更好,另一种是F型,仅进口导叶图2SMGT循环计算结果可调,可使额定功率时的效率最高,两种方案下轴流压气机的外径均是收缩状,在高效率下实现既定的压比是其目标,第一级是M数最图3SMGT系统图高的地方,其最大相对马赫数也仅0.9,以避免损失随马赫数增加而增大,第一级的温升为31O,第四级为25O。为降低径流压气机的入口损失,进口气流有20°的预旋角,使相对马赫数降至0.7。离心式叶轮有24个叶片,12个长的,12个短的,叶片出口的绝对马赫数为0.8,出口扩压器不仅是要改进压力回收,而且还要降低外径,目前采用的是有29片叶片的扩压器,外径为940mm。7燃烧室发展一种低NOx燃烧室是SMGT研制工作的一个重点。针对船用的特点,发展一种干式低NOx排放燃烧室为宜。对于烧天然气燃料的燃烧室已有许多在应用了,但烧液体燃料的仍在发展阶段,SMGT的研究目标是通过试验和分析,研制一型适于用A型燃油(JISK2205No1)的预蒸发、预混、贫油燃烧型低NOx燃烧室。采用管式燃烧室。它虽然不如环形燃烧室那样紧凑,但对低NOx结构的发动机布置更为灵活,而且可方便地从外面进行维护,工业上应用颇多。当用单管时,涡轮入口温度周向不均度很大,因此不适宜用于高温,为此选择了四管,它有较低的温度不均匀度,图4是两者的比较。图5是蒸发、预混、贫油燃烧型低NOx燃烧室的结构示意图,燃烧室上有三条燃油通路:一个到引燃室供点火和起动,一路到主燃室供预混和贫油燃烧,另一路去补燃室。它们根据各种运行条件切换组合。8涡轮燃气发生器涡轮选用两级,这样可使涡轮均为亚音级(M数低于0.8),叶片的扭角也小图4燃烧室温度分布图(～80°),可达高性能。若用1级跨音级,高气动负荷可能影响叶栅性能。由于燃气初温为1200℃,两级均采用气冷叶片。动力涡轮有两种方案,一种是F型,两级涡轮,设计目标图5燃烧室剖面图Vol.25No.12003SHIPENGINEERING7闻雪友、王明为、刘培栋:日本新一代船用燃气轮机(SMGT)研究计划对船用燃气轮机而言,必须是一个紧凑的、高效的回热器,在回热度为83%的循环计算目标参数下,对四种型式的回热器:板翅式、一次表面式、管壳式和旋转式回热器作详细比较。管壳式回热器的尺寸大。旋转式回热器的密封性差,仅适于低压应用场合。一次表面式回热器的尺寸虽比板翅式回热器更小,但最终确定采用板翅式,主要是由于板翅式回热器的强度、耐久性更好和易于建造大尺寸的回热器。图7示出板翅式回热器的尺寸计算结果,为达到83%回热度,大致要2m3的容积。图6部分负荷性能预测是在额定工况下达到高效率。另一种是V型,三级涡轮,主要是为了改善部分负荷的热效率,这对降低经常变负荷运行的船用燃气轮机的运行费用是至关重要的,V型的主要特征是动力涡轮I级导叶可调,在回热循环中,配之以动力涡轮I级导叶可变几何,可提高部分负荷下的热效率。然而,由于可转导叶机构位于高温区,需从压气机出口引气冷却运动部件。此外,可转导叶片的顶部间隙有流动损失(在通常的涡轮结构中无此损失)。再者,在部分负荷下,I级导叶变几何时,导叶的气动负荷增加,涡轮效率下降。为了防止在宽广的运行范围内有过大的气动负荷,在额定功率下仅给I级导叶设定了一个小的气动负荷,致使V型动力涡轮必需有三级。V型和F型燃气轮机在部分负荷下的热效率比较见图6。9回热器图7板翅式回热器设计结果10结束语日本新研制的船用燃气轮机采用回热开式循式(带紧凑式回热器),混流式(轴流级+径流级)压气机,干式低排放燃烧室,1200℃燃气初温,高温气冷涡轮以及压气机和动力涡轮部分级采用可转导叶等技术的组合实现高效率、低NOx排放和紧凑结构尺度的目标。11参考文献1TakaoSugimoto.R&Dplanforthenext2generationmarinegasturbine(SuperMarineGasTurbine).ProceedingsofIGTC,Kobe,1999.2MitsuoKawamoto.R&Dplanforsupermarinegasturbine.Bul2letinofGTSJ,2000.众所周知,简单循环燃气轮机中燃烧产生的热3环境低负荷型船用推进の研究开发.平成10年能中有近70%随排气而损失。因此,用回热器回收度研究成果报告书,2000.¶ÉÓ¨废气中热能的回热循环将具有更好的热效率。R&DPlanforNext2generationMarineGasTurbineofJapanWenXueyou,WangMingweiandLiuPeidongAbstract:In1997,fiveJapanesecompaniesjointlyestablishedaresearchgrouptocarryonaR&DPlanformarinegasturbine,theSuperMarineGasTurbine.Oneofitsgoalsistodevelopanext2generationmarinegasturbinewithhigh2erthermalefficiencyandlowerNOxemissions(≤1g/kWh).Thispaperdescribesthetargets,organization,planningandkeytechnologiesofthatproject.Keywords:ShipGasturbine8船舶工程2003年第25卷第1期