高大上的燃氣輪機,是靠什麼啟動的呢?

在當下燃氣輪機算得上是最炙手可熱的動力設備了吧?無論是應該用在飛機上(航空燃氣輪機),還是應用在艦船上(船用燃氣輪機),再或者應用在發電站(工業燃氣輪機),甚至應用在車輛上(車用燃氣輪機),總之無論應用在哪個領域,燃氣輪機都是這個領域動力設備的佼佼者。那麼問題就來了,這麼高大上的燃氣輪機是靠什麼啟動呢?會不會和其它內燃機(柴油機、汽油機等)一樣呢?

高大上的燃氣輪機,是靠什麼啟動的呢?

燃氣輪機是當下大型水面作戰艦艇的主流動力

燃氣輪機同大多數內燃機一樣,並不能獨立地投入工作(自行啟動),而是需要用藉助外力(能量)來幫助,經過一個人為設定好的啟動過程才能使燃氣輪機達到一個穩定的工作狀態(工況)。通常,把提供能量帶動燃氣輪機旋轉的機械稱為起動機;使燃氣輪機從靜止狀態啟動加速到慢車工況的過程稱為啟動過程;完成啟動過程的各工作部分,如起動機,啟動燃油供給系統,點火系統,自動控制裝置等在內的整套裝置、系統稱為燃氣輪機啟動系統。

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軍用艦艇上的燃氣輪機(主機)

燃氣輪機的啟動過程

燃氣輪機的啟動過程,首先由起動機帶動燃氣輪機轉子加速旋轉,加速到一定轉速後,啟動點火系統開始工作,即點火電嘴點火,啟動燃油系統噴油霧化,在燃燒室內形成啟動火苗。當燃氣輪機轉子加速到n1轉速時,主燃油噴嘴開始供油,並被啟動火苗點燃,形成穩定的燃燒火焰,渦輪也開始輸出功率。此後,燃氣輪機轉子在起動機和渦輪的共同帶動下加速。轉子的轉速提高後,流人燃氣輪機的空氣流量加大,空氣經壓氣機壓縮後的壓力也不斷提高,因此燃燒後燃氣能量不斷增大,使渦輪能發出更大功率,轉子繼續加速。當轉子轉速達到n2時,渦輪發出的扭矩已大大超過轉子的阻力矩。此時,斷開啟動機並中斷啟動燃油供給、點火系統,燃氣輪機僅靠渦輪帶動加速。最後,當渦輪發出的扭矩等於轉子阻力矩時,即達到了慢車工況.啟動過程結束。(注:n1n2是燃氣輪機啟動過程中設定的轉速點)

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燃氣輪機的工作原理

燃氣輪機起動機的類型

通過燃氣輪機的啟動過程,我們不難看出燃氣輪機的啟動都是靠外力作用在轉子上使其旋轉運動,所以起動機是燃氣輪機啟動過程至關重要的部分,因此,燃氣輪機起動機類型的選取顯得至關重要。一般來說燃氣輪機的起動機類型有以下幾種:

電起動機:

一般採用直流電動機作為電起動機,通過減速器和棘輪離合器與燃氣輪機轉子連接。啟動時,由電瓶向啟動用的電機供給直流電,帶動燃氣輪機轉子旋轉。當完成啟動過程後,斷開電源,起動機由棘輪離合器自動地與燃氣輪機轉子脫開。

因為電起動機具有:使用、維護方便,結構簡單,尺寸小,便於啟動自動化等優點,因此,成為一種應用較為廣泛的起動機。但是因為其啟動扭矩不夠大(最大扭矩為400N.m),因此.並不適用於大、中型燃氣輪機的啟動。

高大上的燃氣輪機,是靠什麼啟動的呢?

圖中紅圈裡的既是燃氣輪機(渦噴)的起動電機

燃氣渦輪起動機:

燃氣渦輪起動機其實就是利用一臺完整的小型渦輪軸式燃氣輪機(渦軸),經減速器和離合器等帶動燃氣輪機轉子轉動。因為起動機自身也是燃氣輪機,所以在啟動前還必須要利用電起動機啟動渦輪起動機。如此複雜的設置,其目的只是為了提高起動機的啟動功率(燃氣渦輪起動機,啟動功率能達到:74.5kW~149Kw)。但是因為啟動能量經過多級傳遞,所以存在著效率較低、結構複雜、價格昂貴等問題。

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燃氣渦輪起動機

空氣渦輪起動機

利用0.2~0.4MPa的壓縮空氣驅動空氣渦輪,再經減速器和離合器等帶動燃氣輪機轉子轉動。需要注意的是燃氣輪機的空氣渦輪啟動方式,本質上就是利用壓縮空氣去驅動空氣馬達,再由空氣馬達去帶動燃氣輪機轉子,因此,它和大型船用二衝程低速柴油機的壓縮空氣啟動有著本質的區別(大部分的船用低速機的壓縮空氣啟動,是利用壓縮空氣直接作用在活塞上)。

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氣動馬達被廣泛應用在各個領域

火藥起動機

火藥起動機是利用固體裝藥由電觸發雷管點燃後,在短時間內產生高溫、高壓的燃氣來驅動衝擊式渦輪發出功率,再經減速器和離合器等帶動燃氣輪機轉子轉動。由於火藥燃燒時能在很短時間內釋放大量的能量,所以這種起動機的輸出功率很大,最高的可達745kW,一般可達224kW—298kW。事實上,火藥起動機和空氣渦輪起動機有著相似的原理,只是它省去了壓縮空氣裝置,利用火藥的爆炸能量來代替壓縮空氣。

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爆炸具有巨大的能量

需要注意的是火藥起動機雖然具有,結構質量輕,啟動時間短的優點,但是火藥起動機存在的固體裝藥較貴;裝藥保存不好時易碎裂,從而會造成不良燃燒出現故障;連續啟動次數受裝藥數量限制等問題,所以一般船用燃氣輪機不使用,主要用於航空發動機應急啟動場合。

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高大上的燃氣輪機,是靠什麼啟動的呢?

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作者:小船人的夢想 2019年4月19號


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