航空發(fā)動機(jī)改燃?xì)廨啓C(jī)成套關(guān)鍵技術(shù)

■ 張瀟/中國航發(fā)動科 張世福/中國航發(fā)動力所

在實際應(yīng)用中，必須通過不同的成套設(shè)計，配備相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，才能使航空發(fā)動機(jī)改燃?xì)廨啓C(jī)滿足發(fā)電、機(jī)械驅(qū)動、船舶推進(jìn)等不同用途，其中所涉及到的通用關(guān)鍵技術(shù)包括燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組輔助系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、試驗驗證技術(shù)以及燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組智能化運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)等。

隨著航空發(fā)動機(jī)的不斷發(fā)展，由技術(shù)成熟、性能優(yōu)良的航空發(fā)動機(jī)改型的燃?xì)廨啓C(jī)（航改燃機(jī)），廣泛應(yīng)用于地面發(fā)電、船艦和機(jī)車動力、管道增壓等能源、國防和交通領(lǐng)域，具有研制周期短，研發(fā)費(fèi)用低，單機(jī)功率大，尺寸小，質(zhì)量輕，起動快等特點。對于一臺燃?xì)廨啓C(jī)而言，除了主要部件外還必須有完善的調(diào)節(jié)安保系統(tǒng)并配備良好的輔助系統(tǒng)和設(shè)備，才能滿足不同領(lǐng)域的用途。因此，燃?xì)廨啓C(jī)成套是保證燃?xì)廨啓C(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，除了燃?xì)廨啓C(jī)本體外，還包括控制系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、齒輪箱等各類輔助裝置。

航改燃機(jī)機(jī)組相關(guān)輔助系統(tǒng)設(shè)計

進(jìn)氣系統(tǒng)

航改燃機(jī)無論是在地面還是在海上的工作環(huán)境都較為特殊。為了保護(hù)壓氣機(jī)及整個燃?xì)廨啓C(jī)，要針對進(jìn)氣系統(tǒng)采取一些特殊措施。

典型航改燃機(jī)機(jī)組的示意圖

目前，大多數(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的空氣是由垂直于機(jī)組中心線的管道流入，然后轉(zhuǎn)90°的彎變成環(huán)狀軸向流動至壓氣機(jī)進(jìn)口，完成這種功能的部件叫進(jìn)氣蝸殼。在艦用燃?xì)廨啓C(jī)中，由于對燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的體積和質(zhì)量的要求較高，進(jìn)氣蝸殼通常不可避免地設(shè)計成彎曲式的，但容易造成較嚴(yán)重的二次流和邊界層的脫離，以及壓氣機(jī)進(jìn)口速度場的不均勻性，帶來燃?xì)廨啓C(jī)性能的不穩(wěn)定。所以，評定進(jìn)氣蝸殼優(yōu)劣的主要指標(biāo)是其出口（即壓氣機(jī)進(jìn)口）流暢速度、壓力是否均勻、穩(wěn)定，進(jìn)口總壓損失是否足夠小。

由于燃?xì)廨啓C(jī)需要將大量空氣以很高的速度吸入壓氣機(jī)，伴隨著速度的提高，氣流溫度將相應(yīng)降低，通常降低約10℃。在一定進(jìn)口溫度和濕度下，接觸氣流的冷金屬面上將有沉淀冰和冷凝冰的出現(xiàn)。這種情況下，就需要進(jìn)氣系統(tǒng)具備防冰的功能，目前采用的防冰形式主要有兩種。一種是在進(jìn)氣口噴入熱空氣，使之與進(jìn)氣流混合而達(dá)到給進(jìn)氣加溫的目的，例如，DD963艦的進(jìn)氣防冰系統(tǒng)從LM2500的燃燒室、火焰筒混合段后部抽取二次冷卻空氣，送至進(jìn)氣裝置的進(jìn)口濾器，并噴入進(jìn)氣流，達(dá)到加溫的效果。另一種是在機(jī)組易于產(chǎn)生沉淀冰的表面添加熱空氣防冰系統(tǒng)。例如，羅羅公司典型的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的進(jìn)氣道通常制作成環(huán)形，整流罩為錐形，由輕質(zhì)合金材料制成，采用雙層結(jié)構(gòu)，帶有熱空氣防冰系統(tǒng)；奧林巴斯公司的燃?xì)廨啓C(jī)各型的進(jìn)氣道也是環(huán)形，采用固定進(jìn)口導(dǎo)向葉片和錐形整流罩，并有熱空氣防冰系統(tǒng)。

此外，艦用燃?xì)廨啓C(jī)由于海鹽的吸入，壓氣機(jī)葉片表面會沉積鹽垢，使葉片型面發(fā)生變化而使其性能下降，因此需要增加清洗裝置。

控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組最重要的組成部分，它對整個機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行、性能發(fā)揮、故障診斷、安全保障起到關(guān)鍵作用。控制系統(tǒng)主要采集燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)、高壓保護(hù)電器、減速齒輪箱、燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體、滑油系統(tǒng)、壓縮機(jī)和鍋爐等系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信號，同時接受來自控制面板發(fā)出的各種控制指令。

不同燃?xì)廨啓C(jī)制造商生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)具有各自的特性，是由燃?xì)廨啓C(jī)熱力性能和機(jī)械構(gòu)造決定的。但不論各家燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)有多少特征差別，控制和保護(hù)一個完整熱力循環(huán)機(jī)組的自動化設(shè)備，都必須具有嚴(yán)謹(jǐn)完善的測量、控制、順控、保護(hù)四大功能，以及設(shè)備維護(hù)和故障診斷的分析判斷功能。對于一套完整的自動化系統(tǒng)，還必須具備完整的測量方法和控制策略。

20世紀(jì)70年代中期，GE公司帶有SPEEDTRONIC商標(biāo)的燃?xì)廨啓C(jī)控制盤被用于MS5001燃?xì)廨啓C(jī)的控制，并漸漸發(fā)展成大型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各種用途的機(jī)組上。采用SPEEDTRONIC輪控盤商標(biāo)的控制系統(tǒng)，從MARK-I，MARK-II，MARK-IV，MARK-V發(fā)展到MARK-VI，最終繼承了GE公司經(jīng)過幾十年驗證的渦輪控制和保護(hù)控制思想。同時，MARK-VI控制系統(tǒng)在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、硬件設(shè)備功能、可靠性、人機(jī)界面（HMI）、系統(tǒng)開放性和全生命周期、設(shè)備故障診斷等技術(shù)方面逐步進(jìn)行了改進(jìn)，是名副其實的數(shù)字式電子控制系統(tǒng)。

羅羅公司典型機(jī)組控制系統(tǒng)是由電子-液壓式、電子式控制系統(tǒng)逐步發(fā)展為全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)。工業(yè)RB211燃?xì)廨啓C(jī)采用了電子-液壓式控制系統(tǒng)，斯貝SM1A燃?xì)廨啓C(jī)采用了電子式控制系統(tǒng)，后續(xù)開發(fā)的工業(yè)遄達(dá)、WR-21、MT30則采用了更為先進(jìn)的FADEC系統(tǒng)。

燃料系統(tǒng)

MT30艦用燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

燃?xì)廨啓C(jī)的主要優(yōu)點之一就是使用燃料的靈活性，可選擇的燃料可以從氣體、液體到固體。目前的航改燃機(jī)發(fā)展為普遍采用天然氣或者液體輕質(zhì)油的雙燃料系統(tǒng)且允許交替工作，在任何的功率級可由一種燃料切換為另一種燃料。在整個功率范圍內(nèi)，也可以以不同的混合百分比同時使用兩種燃料。例如，GE公司的LM1600和LM6000航改燃機(jī)都采用了雙燃料系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了燃?xì)廨啓C(jī)的燃料適應(yīng)性。在雙燃料系統(tǒng)中，還應(yīng)加裝控制兩種燃料比例的裝置。為了降低使用輕柴油時氮氧化物（NOx）的排放，在機(jī)組使用輕柴油時要往燃燒室噴水或水蒸氣。

燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常被稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要功能是依據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)控制器的輸出指令向燃燒室供給燃料，同時能精確控制流量大小。目前，燃?xì)廨啓C(jī)燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)已由機(jī)械液壓式燃油控制發(fā)展為電子控制，引領(lǐng)燃油控制系統(tǒng)新的發(fā)展方向。例如，羅羅公司的MT30高壓燃油系統(tǒng)包括燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動燃料泵和液體燃料節(jié)流系統(tǒng)（FMS）兩個主要部件。其中，F(xiàn)MS包括：1個燃油節(jié)流閥，在燃?xì)廨啓C(jī)電子控制器（EEC）的控制下調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)的燃料供應(yīng)，溢出的燃料既能夠重新回到油箱，也可以通過燃料冷卻器再循環(huán)流入泵中；1個由EEC控制的高速節(jié)流閥，起動和關(guān)停燃?xì)廨啓C(jī)并在停機(jī)的情況下能夠從燃?xì)廨啓C(jī)主燃油總管放出殘余燃油；1個獨(dú)立的控制回路，與燃?xì)廨啓C(jī)電子保護(hù)系統(tǒng)（EPS）連接為燃?xì)廨啓C(jī)提供超速保護(hù)。

排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)是按照需要的排氣方向把動力渦輪出口的燃?xì)馀湃氪髿饣蛴酂徨仩t，各型燃?xì)廨啓C(jī)的排氣蝸殼結(jié)構(gòu)形式各不相同，多采用箱式結(jié)構(gòu)，而具體的結(jié)構(gòu)要根據(jù)實際發(fā)動機(jī)需要來設(shè)計，以滿足燃?xì)廨啓C(jī)對排氣系統(tǒng)的要求。如果燃?xì)廨啓C(jī)作為陸用發(fā)電使用，對空間要求不是很嚴(yán)格，這樣可以適當(dāng)增加蝸殼尺寸以降低排氣阻力損失，但如果作為艦船動力應(yīng)用，則要兼顧阻力損失和結(jié)構(gòu)尺寸兩方面來考慮蝸殼的設(shè)計。

羅羅公司的斯貝SM1C燃?xì)廨啓C(jī)的排氣蝸殼是一體化設(shè)計，擴(kuò)壓段和轉(zhuǎn)向段被整合成為一部分，采用逐漸過渡的形式完成氣流由軸向向徑向的轉(zhuǎn)變。WR-21是采用軸流式、三軸、中間冷卻回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)，用作水面戰(zhàn)斗艦艇推進(jìn)主機(jī)，為了與回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)相連接，排氣蝸殼的出口較大，為了使回?zé)崞魅肟谔幍臍饬鞣植季鶆颍谖仛ぜ瘹鈿?nèi)部設(shè)置了多個氣流導(dǎo)向片。MT30燃?xì)廨啓C(jī)使用的排氣蝸殼結(jié)構(gòu)簡單，由直線環(huán)狀擴(kuò)壓器和外部集氣殼構(gòu)成，這也是目前排氣蝸殼中廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式。

滑油系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)由滑油箱、滑油附件、滑油散熱器、油氣分離器、放油開關(guān)、滑油壓力表和滑油溫度表組成。它的功能是通過滑油壓力循環(huán)，將壓力滑油送往燃?xì)廨啓C(jī)所有旋轉(zhuǎn)件支點軸承、傳動齒輪和傳動裝置的各摩擦表面進(jìn)行潤滑，以便滿足減少零部件磨損、調(diào)節(jié)軸承工作環(huán)境溫度、減少因機(jī)件摩擦所消耗功率等要求。該系統(tǒng)不僅是燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中配合機(jī)件的潤滑劑和冷卻劑，還是零件、部件出現(xiàn)故障的信息載體。

羅羅公司的燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)具有緊湊式設(shè)計、多功能部件設(shè)計的特點。例如，WR-21燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)為單元體式緊湊設(shè)計結(jié)構(gòu)，降低了自身復(fù)雜度、減輕質(zhì)量并提高了工作可靠性；具有冷卻、存儲和過濾燃?xì)廨啓C(jī)滑油的功能，將功能相關(guān)的部件進(jìn)行集成，能夠減少部件數(shù)量，有利于滑油系統(tǒng)的輕量化。

GE公司則采用一體化結(jié)構(gòu)的滑油/液壓油系統(tǒng)。例如，LM2500燃?xì)廨啓C(jī)的滑油系統(tǒng)為燃?xì)獍l(fā)生器和動力渦輪一體化的潤滑、冷卻系統(tǒng)，由軸轉(zhuǎn)動的容積式（正排量式）供油泵、5個獨(dú)立的回油泵、分配管路系統(tǒng)和1套滑油噴嘴構(gòu)成。LM1600使用合成的滑油/液壓油，為了控制燃?xì)廨啓C(jī)的可調(diào)幾何結(jié)構(gòu)，配裝了供油泵、回油泵、液壓泵、油濾，另有兩個液壓蓄壓箱用于平衡瞬態(tài)壓力。

通風(fēng)系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組須配備通風(fēng)系統(tǒng)，目的是使燃?xì)廨啓C(jī)保持在固定溫度范圍內(nèi)，從而保證人員的安全和設(shè)備的防護(hù)；同時，通風(fēng)系統(tǒng)還具有保持汽缸四周溫度均衡，有助于維持燃?xì)廨啓C(jī)動靜葉片間隙的作用；此外，通風(fēng)系統(tǒng)提供了稀釋泄漏的煙氣和燃?xì)獾墓δ堋?/p>

通風(fēng)系統(tǒng)普遍采用非壓力冷卻系統(tǒng)，在箱體出口上用風(fēng)扇抽吸，使周圍空氣通過箱體輸送到機(jī)組外。通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是驅(qū)散任何霧化的泄漏燃油或滑油，以及冷卻安裝在燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)周圍的子系統(tǒng)，尤其是電力設(shè)備。

起動系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)不能獨(dú)立投入工作，需要用外界能源來幫助起動。通常，把提供能量帶動燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械稱為起動機(jī)，使燃?xì)廨啓C(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)起動加速到慢車工況的過程稱為起動過程。完成燃?xì)廨啓C(jī)起動過程的各工作部分，例如，起動機(jī)、起動燃油供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、自動控制裝置等在內(nèi)的一整套裝置被稱為燃?xì)廨啓C(jī)起動系統(tǒng)。

起動系統(tǒng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室正常工作前的起動運(yùn)行狀態(tài)及燃?xì)廨啓C(jī)的冷運(yùn)轉(zhuǎn)、假開車、啟封、油封和清洗等工作狀態(tài)的運(yùn)行。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)對起動規(guī)律的要求，地面燃?xì)廨啓C(jī)更適合用液壓起動系統(tǒng)，液壓起動系統(tǒng)由電控液壓泵、電控液壓馬達(dá)、液壓驅(qū)動電路等關(guān)鍵部件組成，可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，起動特性不受大氣溫度影響，滿足了燃?xì)廨啓C(jī)對壽命、可靠性、使用環(huán)境條件的要求。

試驗驗證技術(shù)

通過使用現(xiàn)場音頻和高清視頻，在測試期間和之后交換即時反饋，并幫助確保關(guān)鍵的測試數(shù)據(jù)和決策可同時進(jìn)行討論和轉(zhuǎn)移，加速了新機(jī)型的開發(fā)和產(chǎn)品進(jìn)入市場的進(jìn)程。

此外，西門子公司還運(yùn)營著一個完整的燃?xì)廨啓C(jī)測試機(jī)構(gòu)——柏林燃?xì)廨啓C(jī)試驗電站，目前該試驗電站的最大容量已達(dá)400 MW。該測試設(shè)施的一個重要特點是空氣預(yù)熱系統(tǒng)，利用水力測功器的熱水和熱交換器，可將周圍空氣溫度提高30℃。這有助于模擬不同的氣候條件，例如炎熱的環(huán)境條件，或者可以在冬天模擬符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）條件的整機(jī)試驗航改燃機(jī)機(jī)組的試驗驗證包括調(diào)試試驗、性能試驗和耐久性/可靠性考核試驗。其中，調(diào)試試驗包括燃?xì)廨啓C(jī)起動系統(tǒng)調(diào)試、控制系統(tǒng)調(diào)試、滑油系統(tǒng)調(diào)試、燃料系統(tǒng)調(diào)試、磨合試驗、性能優(yōu)化試驗以及其他研究性試驗。

性能試驗是按照相關(guān)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的起動性能試驗、機(jī)動性能試驗、熱力學(xué)性能試驗、振動測量、安全性試驗、空氣噪聲測量、結(jié)構(gòu)振動加速度測量、煙度測量、燃油消耗率測量、抽氣試驗、清洗試驗以及鹽霧試驗等其他需要的試驗。

西門子公司在2015年成立了清潔能源中心（CEC），CEC為燃燒系統(tǒng)測試提供了3個相對獨(dú)立的測試單元，其中2個用于大型電廠的裝機(jī)容量可達(dá)400MW的燃?xì)廨啓C(jī)，另1個用于裝機(jī)容量可達(dá)66MW的小型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)。該中心采用自主開發(fā)的工程壽命可視化(ELvis)軟件來處理巨大的數(shù)據(jù)流并分析部件的特性，

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組智能化運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)

現(xiàn)代化的工業(yè)領(lǐng)域維護(hù)策略已經(jīng)從修理設(shè)備故障發(fā)展到有計劃的整體性能維護(hù)。在燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，隨著數(shù)字化、信息化、可視化和智能化的不斷發(fā)展，機(jī)組運(yùn)行的可靠性、可用性、經(jīng)濟(jì)性與安全性顯著提高。

三菱日立電力系統(tǒng)株式會社(MHPS)的數(shù)字化燃?xì)廨啓C(jī)電廠可實現(xiàn)遠(yuǎn)程無人監(jiān)控，甚至是遠(yuǎn)程起停機(jī)。該公司建立了數(shù)字化燃?xì)廨啓C(jī)電廠，通過數(shù)據(jù)分析，提供聯(lián)合循環(huán)機(jī)組監(jiān)視和診斷服務(wù)，包括人工智能檢測、關(guān)鍵參數(shù)分析、報警智能導(dǎo)向、升級建議、提高可用性和24小時支援等功能。

西門子公司建立了智能化燃?xì)廨啓C(jī)電廠，它能夠依托數(shù)字孿生、三維可視化技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提高電廠運(yùn)行的可靠性、可用性、經(jīng)濟(jì)性與安全性；依托聯(lián)網(wǎng)機(jī)群的數(shù)據(jù)收集和分析，通過先進(jìn)的診斷功能提高市場響應(yīng)速度和運(yùn)營效率；運(yùn)用VR/AR技術(shù)在全球范圍內(nèi)實時連接服務(wù)團(tuán)隊與主設(shè)備制造商。

大唐集團(tuán)借力數(shù)字化手段，建立起國際電力數(shù)據(jù)監(jiān)測診斷：一方面，幫助電廠利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)和算法，對機(jī)組進(jìn)行性能測評，監(jiān)測到處于萌芽狀態(tài)的問題，發(fā)出預(yù)警，實現(xiàn)防患未然；另一方面，提升自動化水平，控制燃料和運(yùn)維成本，通過大數(shù)據(jù)優(yōu)化資源的配置，以此實現(xiàn)降本增效。

京西熱電公司將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等數(shù)字技術(shù)引用到實際生產(chǎn)當(dāng)中，成熟運(yùn)用“一鍵啟停”“移動智能兩票”和“點檢一體化系統(tǒng)”，最大程度減少人為干預(yù)，真正實現(xiàn)現(xiàn)代燃?xì)怆姀S運(yùn)檢的高度自動化，使安全保障系數(shù)大幅提升；輔之倉儲管理智能化，電廠管網(wǎng)數(shù)字集成化，燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)濟(jì)性小指標(biāo)分析系統(tǒng)，環(huán)保排放指標(biāo)在線監(jiān)測系統(tǒng)等，編織起周密而強(qiáng)大的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)生產(chǎn)與效益的實時互聯(lián)互通，為提供高效、及時、精準(zhǔn)的運(yùn)營決策提供有力支持。

結(jié)束語

目前，隨著航改燃機(jī)成套技術(shù)水平不斷提高，通過運(yùn)用新技術(shù)、新材料及新設(shè)計，使可靠性更高；采用簡化結(jié)構(gòu)、易于維護(hù)、通用性設(shè)計等措施，使機(jī)組維修更容易；運(yùn)用信息化手段，不斷提升設(shè)備監(jiān)測、控制、自動化、智能化水平，使得產(chǎn)品保障性、安全性不斷提升。