1课题研究目的和意义
燃气轮机按照结构型式，可分为重型和轻型；按照功率大小，可分为大、中、小、微型。作为先进的动力机械，燃气轮机是一个涉及国家能源和国防安全的战略性产业，是能源动力装备领域的最高端产品，代表了装备制造业的最高技术水平，被誉为动力机械装备领域“皇冠上的明珠”。其体积小、重量轻、适用燃料范围广、发电效率高、占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的的燃气轮机以提高车、船的速度，发展前景广阔。
燃气轮机技术是多种技术集成的高技术，是关系国家能源及国防安全的战略性新兴产业，已经成为一个国家科技水平、军事实力、综合国力的重要标志之一。在电力、能源开采与输送、舰船及国防陆用和分布式能源系统领域有着不可替代的战略地位和作用。
我国的燃气轮机事业起步较早，但相较于国外，发展依然略显滞后。通过此次燃气轮机的结构设计，能够熟悉燃气轮机设计的过程，巩固所学的基础理论知识，提高自身的工程设计能力与独立分析解决问题的能力，从而达到能够在现有的产品的基础上进行优化设计。
2文献综述（课题研究现状及分析）
2.1 国外发展状况
国外舰船燃气轮机的研制始于20世纪40年代，最初走过一段独立发展和航机改装同时进行的发展道路。到了60年代，英国海军部率先宣布，英国今后的舰船燃气轮机全部走航机改型的发展道路。此后，西方各航空发动机公司纷纷将航机技术向舰船燃气轮机转移，直接将成熟的航空发动机改型派生出轻型舰船燃气轮机。依靠航空发动机的技术资源，使航改舰船燃气轮机收到了投资少、周期短、见效快、效率高、经济性好、可靠性高、使用维护方便的效果。 西方国家舰船燃气轮机主要由GE、RR这2大航空发动机公司研发生产，主要航改燃气轮机有LM2500、SMlC、501 K、WR一2l、MT一30等，在数量和机型上占主导地位。LM2500燃气轮机由TF39／CF6—6航空涡扇发动机改型而来。WR一21燃气轮机是以RR公司的RB21l和TRENT航空发动机为基础，将间冷回热技术引入到简单循环发动机结构中发展而来的。MT30燃气轮机是RR公司由Trent800涡扇发动机改进而来，额定功率可达36 MW，热效率 可达39.8%。这三个机型的性能好，技术成熟，能够很好的满足市场的需求。
2.2国内发展现状
我国燃气轮机产业发展开始于上世纪50年代末，起步还是比较早的。产业分散在航空、航天、机械、兵器、舰船、石化、煤炭等多个工业系统，这些燃气轮机设计、制造、运行单位分属不同体系，力量分散，未能集中力量共同攻坚克难，发展自主知识产权的燃气轮机。我国水电部于1959年从瑞士BBC公司引进2套功率为6200kw的简单循环燃气轮机列车发电站用于大庆油田发电，从此开始了燃气轮机的发展研究之路。我国燃气轮机也按照航改燃机和单独设计燃机两条道路发展，但一直成效不大。科技部于2007启动了973国家重点基础研究发展计划重大项目“燃气轮机的高性能热一功转换科学技术问题研究”。该项目集结了我国多所高校和院所的科研力量，重点研究掌握当代先进的F级和IGcc合成气燃气轮机关键科学技术问题，着力于实验台建设、核心实验与测量技术的突破、理论研究方法的创新，集中力量突破燃气轮机的基础科学问题和关键技术，为我国自主开发燃气轮机提供共性技术支持。到目前重型燃机R0110已研制成功。
2.3我国未来的燃气轮机发展趋势
要推动我国燃气轮机技术的全面发展，首先要全面开展燃气轮机各项先进技术的研究，包括：先进的燃气轮机总体设计技术，高性能压气机的设计制造技术，高性能透平设计制造技术，先进的热端部件冷却技术，燃料适应性强、高效、低污染稳定燃烧技术，长寿命整机的结构和强度，高温合金材料与涂层及其工艺，先进的自动控制与防护系统等。对燃气轮机相关的上述技术的研发要采用不同的技术方案。对于能立足自身独立完成的关键技术研究要联合国内优势力量全力突破，在技术突破上要尽量依托成熟技术加以优化集成，要充分重视和利用十年来我国自己的科研成果及设计制造经验。对于非常关键但基础薄弱的技术可以采取引进、消化吸收或国内外合作研究方式，最终为我所用，掌握关键技术。在先进技术的研究中，要注重跟踪前沿再创新，要形成具有自主知识产权的燃气轮机技术。全面提升我国的燃气轮机产业水平。
燃气轮机属于知识密集型的高科技含量产品，燃气轮机技术涉及专业、产业众多，因此对于燃气轮机技术的研发，必须注重产、学、研合作。国家要有统一规划、统筹安排，集中人力物力。以产业发展为导向、以关键技术研究为重点，以示范工程为依托与带动，有机结合基础研究、关键技术研究开发以及产品的研制，在全国范围组织产、学、研合作联合，建立完备的设计体系，建立关键技术验证平台，加强试验验证能力，加强燃气轮机研发的机制体制创新，打破行业壁垒，建立有利于全国大联合的合作研发模式，实现我国燃气轮机技术的全面突破
3设计基本内容、拟解决的主要问题
3.1燃气轮机结构组成及工作原理
燃气轮机是将热能转变为机械能的高速回转式动力机械。燃气轮机装置一般由压气机、燃烧室、透平三大部件及基本辅助设备和控制系统组成。大多数燃气轮机采用等压燃烧开式循环，以空气和燃气为工质，其装置系统简图如下图所示。
压气机从大气吸进空气，增压后送入燃烧室，燃料泵将燃料经喷嘴喷入燃烧室内与空气混燃，燃烧生成的高温高压燃气再进入透平中膨胀作工，最后将废气放回大气。燃气轮机的膨胀工分两部分，一部分通过传动轴传给压气机及其他辅助机械；其余的膨胀功对外输出，用于发电或作为飞机、车辆、舰船等的动力。燃气轮机由启动电机来启动，在启动过程中一般用装在燃烧室中的电火花塞来进行燃料的点火。
其中，在压气机进口的空气流量中仅有25%到30%被送入燃烧室的有效燃烧区参与燃烧过程，这就是所谓的一次空气。而其余的70%到75%的空气除部分用于燃气轮机相关部件进行冷却外，大部分作为二次空气被加入到有效燃烧区后的燃气流中去和燃烧生成物相混合，进行补燃并使燃气轮机进口处燃气温度降低到其规定值。
3.2设计基本内容
1.根据任务书技术参数要求，确定燃气轮机总体结构。
2.根据要求进行热力计算。
3.根据计算结果对各主要机构及主要零部件进行设计选型。
4.书写燃气轮机说明书，绘制装配图及主要结构零件图。
3.3拟解决的主要问题
3.3.1.压气机的部件设计分析
压气机都是按给定的进气条件、转速、增压比和空气流量设计的，但其工作状态（工作环境的温度、压力、转速和空气流量等）实际上是变化的，压气机在各种工作状态下的性能称为压气机特性。在一定转速下，当压气机的增压比增大到某一数值时，压气机就会进入不稳定的工作状态，很容易发生喘振，使整个系统产生低频大振幅的气流轴向脉动，甚至会发生瞬间气流倒流的现象。压气机喘振可能导致叶片断裂、结构损坏、燃烧室超温。
叶片振动,压气机叶片常因振动而产生裂纹甚至断裂。振动分为两类：一类是在周期性外力作用下发生的叶片振动，称为强迫振动。周期性的外力来自工作轮叶片和整流器叶片之间的相互干扰、工作轮叶片的旋转失速等。另一类是由叶片自身的振动以及与相邻叶片自身振动相互干扰而形成的，称为叶片自激振动或叶片颤振。为了避免叶片颤振，工作轮上两相邻叶片可采用不同的厚度，以改变它们的固有频率。
3.3.2.透平部件设计与分析
燃气透平由于在高温下工作，热膨胀、热应力、热腐蚀和冷却等问题突出，对结构设计的要求很高。从燃烧室来的燃气，经过进气蜗壳、3个透平级和扩压器后排出。它的静子由机匣（又称气缸）、持环和静叶片等组成，静叶片装在持环上，持环再装在机匣上，是一种双层结构的静子。在机匣与持环之间有绝热材料，还通以空气（从压气机中引来，其他部位用的冷却空气也由此引来）冷却，因而机匣的工作温度较低。由拉杆螺栓将轮盘等联接而成的组合式转子，能减少热应力。动叶片以承载能力强的枞树形叶根装在轮盘上。转子中也通以冷却空气，以降低轮盘等的工作温度。
3.3.3.燃烧室部件的设计与分析
燃气轮机燃烧室是燃气轮机中使喷入的燃料与从压气机来的高压空气混合燃烧从而形成高温燃气的设备。通常，它是用钢板和高温合金板料制成的。为了适应燃气轮机轻小的等点，燃烧室的尺寸都设计得比较紧凑，一般它在单位时间和单位体积内能够燃烧释放出比常压锅炉大 10～300倍的热量，因而燃烧过程是在高热强度、高速流动的连续气流中进行的。此外，由于进入
燃气透平的燃气初温的限制，供给燃烧室的空气流量与燃料流量的比值总是比理论燃烧条件下的配比关系大得多，而且气流的温度、压力和流速都随燃气轮机负荷的改变而发生较大幅度的变化，有时还要求同一个燃烧室能够兼烧多种燃料。这些特点使得燃烧过程甚难组织，为此必须采取特殊措施。否则，燃烧室会被烧坏，火焰容易被吹灭，燃料不能完全燃烧，火焰会伸得过长而烧毁燃气透平。
一个设计良好的燃烧室应能达到以下性能指标：①燃烧稳定性好，在任何运行情况下都不会发生熄火或强烈的火焰脉动现象；②燃烧效率高，通常要求在90～99％之间变化；③燃烧火焰短，不致伸入燃气透平；④出口的燃气温度场均匀，或者按设计所要求的温度场规律分布；⑤流阻损失小,相对总压降大约为3～6％；⑥结构紧凑、轻小,单位时间内能在单位容积的燃烧空间中燃烬更多的燃料，燃烧热强度大约是 35～190瓦／（牛·米）；⑦点火性能好；⑧高温元件冷却良好，严防烧坏或发生翘曲变形，火焰筒的最高壁温一般不超过700～750℃；⑨火焰筒应有数千到上万小时的使用寿命；⑩排气中污染物的含量符合环境保护条例的规定。
4技术路线或研究方法
1.通过对燃气轮机的结构和原理的分析，了解燃气轮机的总体结构和内部的热力循环。
2.燃气轮机热力系统总体方案设计，确保方案合理。
3.撰写对应的说明书和CAD设计图
5设计进度安排
1、2016年2月29日-3月4日：明确设计内容，查找相关文献资料
2、2016年3月5日-3月18日： 消化资料，开题；
3、2016年3月19日-4月18日：方案设计，画草图；
4、2016年4月19日-5月27日：写说明书草稿，画CAD图；
5、2016年5月28日-6月10日：整理说明书；
6、2016年6月11日-6月15日：准备答辩。
6主要参考文献
[1] 翁史烈.热能与动力工程基础.北京：高等教育出版社，2004
[2] 桑振远.100KW微型燃气轮机总体设计分析方案. 哈尔滨工程大学学报：自然科学版，2006
[3] 胡佳秀.简明机械零件设计实用手册.北京：机械工业出版社，2010
[4] Suh CH.RadcliffeCW.Kinematics and Mechanisms Design,2008
[5] 翁一武,苏明,翁史烈.先进微型燃气轮机的特点与应用前景. 上海交通大学 动力机械与工程教育部重点实验室,2003
[6]
A.B.Mikhailova,
D.A.Akhmedzyanov,
Yu.M.Akhmetov,
A.E.Mikhailov. Joint prediction of aircraft gas turbine engine axial flow compressor off-design performance and surge line based on the expanded method of generalized functions. Russian Aeronautics (Iz VUZ), 2014, Vol.57 (3), pp.291-296
，2014
[7]李贝贝.船用燃气轮机回热器的设计与研究.哈尔滨工程大学学报：自然科学版，2013
[8] 杨养花，李守秋，李鑫.某重型燃气轮机涡轮部件结构设计分析.沈阳发动机设计研究所，2010
[9] 迟重然. 燃气轮机透平冷却结构作用机制与设计优化方法.清华大学，2014
[10]张晓东. 燃气轮机透平气动与冷却优化设汁方法研究.中国科学院研究生院博士学位论文，2011
[11]马一太,王志国,杨昭,吕灿仁.燃气轮机性能评价的模糊综合评判方法.中国电机工程学报，2003
[12]杨洪磊,郑洪涛.双燃料燃气轮机喷嘴结构设计与数值模拟.热科学与技术,2010
[13]
M.H. Gobran. Off-design performance of solar Centaur-40 gas turbine engine using Simulink. Ain Shams Engineering Journal, 2012
[14] 蒋洪德，任静，李雪英，谭勤学.重型燃气轮机现状与发展趋势.中国电机工程学报，2014
[15] 王世刚，张春宜，徐起贺.机械设计实践.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001
