05燃气透平原理和结构

23:47:14,1,第五章燃气透平的原理和结构,23:47:14,2,燃气透平的原理和结构,燃气透平是燃气轮机的另一主要部件，它的功能是把高温、高压燃气中的能量转变为机械功。,燃气透平,轴流式透平：,功率大、流量大、效率高,径流式透平：,主要用在小功率燃气轮机中,23:47:14,3,燃气透平的原理和结构,燃气透平的工作特点：工作气体温度高；燃气透平级焓降高、转换能量大、燃气透平级的气动负荷大，整个透平的级数少,23:47:14,4,燃气透平的原理和结构,燃气透平的工作原理燃气透平的特性曲线燃气透平的结构燃气透平零部件的冷却燃气透平高温部件的材料和涂层,23:47:14,5,5.1 燃气透平的工作原理,当高温高压的燃气流过透平静叶（喷嘴）时，使气流加速，相应地燃气的压力和温度却会逐渐下降。在静叶中燃气的部分焓值转化成为动能，当这股具有相当速度的燃气以一定的方向喷射到工作轮上的动叶流道中去时，就会在动叶片上产生周向分力，从而推动工作叶轮连续旋转，并使燃气速度下降，在这个过程中，燃气就把部分能量传递给了工作叶轮，使叶轮在高速旋转中对外界作出机械功。,23:47:14,6,5.1 燃气透平的工作原理,透平级的速度三角形工作叶轮对外界所作的外功透平级中工质能量的转换关系多级轴流燃气透平涡轮和压气机的对比,23:47:14,7,5.1.1 透平级的速度三角形,在透平中完成能量转换的基本单元则是单级透平，简称为级。,级由一列静叶和一列动叶串联组成。,23:47:14,8,5.1.1 透平级的速度三角形,23:47:14,9,5.1.1 透平级的速度三角形,23:47:14,10,5.1.2 工作叶轮对外界所作的外功,由涡轮机械的基本方程式,单位质量流量的流体所获得的能量为,23:47:14,11,5.1.3 透平级中工质能量的转化关系,由速度三角形和余弦定理，可知,23:47:14,12,5.1.3 透平级中工质能量的转化关系,当1kgs高温高压的燃气流过工作叶轮时，对外界所作的膨胀功应等于工质的绝对速度动能与相对速度动能变化量的总和。,23:47:14,13,5.1.3 透平级中工质能量的转化关系,高温高压的燃气在流过静叶时，由于工质压力和温度的降低所发生的膨胀过程，将使气流的速度由c0增高到c1 ，并伴随有流动损失。气流动能的增加则完全是由于工质本身所具有的能量（热焓或压力势能）的下降转化来的。,23:47:14,14,5.1.3 透平级中工质能量的转化关系,燃气流过动叶时，燃气压力继续下降（同时会引起温度和焓值的降低），可以促使相对速度w2增高，其结果在工作叶轮上将会有一部分压力势能转化为膨胀功。,23:47:14,15,5.1.3 透平级中工质能量的转化关系,在透平级中，动叶流道的通流面积为等截面的燃气透平级，称为冲动式透平级，反动度=0,W2=W1,23:47:14,16,在透平级中，动叶流道的通流面积逐渐缩小的燃气透平级，称为反动式透平级， 反动度0,W2W1,23:47:14,17,5.1.4 多级轴流式燃气透平,在实际的透平设计中，当机组的总焓降较大时，总是把总焓降分做几段，每一段焓降在一个级中加以利用，几个级串联在一起，就成了多级透平。 在多级透平中，每一级的焓降都不会很大，因而可以保证在较小的动叶圆周速度下达到最佳速度比值，从而获得满意的轮周效率。,23:47:14,18,透平效率和透平功率,滞止绝热效率,单级透平的效率范围：0.88-0.91,总功率的计算,23:47:14,19,多级采用的优点,级数多，每级焓降较小，工作时圆周速度不高，涡轮的安全性好，寿命长,级焓降减少，变工况性能也较好,多级透平中，上一级的损失会引起下一级温度的升高，使各级理想焓降之和大于整个透平的理想焓降，这个现象称为重热现象,23:47:14,20,5.1.5透平和压气机的对比,23:47:14,21,燃气透平的原理和结构,燃气透平的工作原理燃气透平的特性曲线燃气透平的结构燃气透平零部件的冷却燃气透平高温部件的材料和涂层,23:47:14,22,透平与压气机性能影响因素,透平,功率（转速调节）,T3*（燃料调节）,膨胀比（压气机出口压力）,流量,压气机,压比（压气机出口压力）,N（功率）,IGV,流量,外界环境压力、温度一定时,23:47:14,23,T3*和p3*常数时透平变工况特性,膨胀比因素,23:47:14,24,T3*因素,当燃烧室出口压力和转速恒定时，随着燃气初温的增高，为了流过同量的燃气体积流量，所必须保证的透平的膨胀比可以降低。 或者说相同的膨胀比下，流量会适当增大。,23:47:14,25,5.2 燃气透平的特性曲线,与轴流式压气机类似，轴流式透平的变工况特性也可以由表征透平工作状况的各个无因次参数（相似参数）来表示。,无因次参数,23:47:14,26,5.2 燃气透平的特性曲线,(1)折合转速与折合流量、膨胀比的各自组合均可确定透平的运行工况点,23:47:14,27,5.2 燃气透平的特性曲线,(2)在折合转速一定时，膨胀比提高，透平的通流能力增大，但到达临界线时，透平中的气流达到了声速条件，透平的流通能力达到了极限值。,23:47:14,28,5.2 燃气透平的特性曲线,(3)在折合流量一定时，折合转速随膨胀比提高而增加，但膨胀比的增加会有一个最大值。相同膨胀比对应的大折合转速点为低效率点。,对应膨胀比,23:47:14,29,5.2 燃气透平的特性曲线,(4)在膨胀比一定时，小的折合流量与较大的折合转速对应。,对应膨胀比,w1和w2整体下降，但需w1降低更多才能保证膨胀比不变,23:47:14,30,5.2 燃气透平的特性曲线,(5)在折合转速一定时，透平都具有一个最佳效率运行点。若膨胀比或折合流量无论是从增大或减少的方向偏离最佳效率运行点，透平效率都要降低。,23:47:14,31,燃气透平的原理和结构,燃气透平的工作原理燃气透平的特性曲线燃气透平的结构燃气透平零部件的冷却燃气透平高温部件的材料和涂层,23:47:14,32,5.3 燃气透平的结构,透平在结构上应满足的要求：（1）承受高的温度。即零件在其工作温度下有足够的强度和好的抗热腐蚀性能。（2）承受热应力和热冲击。应注意设法减少热应力，所用材料应有好的抗热疲劳性能。（3）保持热对中。,23:47:14,33,5.3.1 透平的静子,透平静子由气缸、静叶及支承和传力系统等组成。,23:47:14,34,（一）气缸,透平气缸也是整台机组的承力骨架，承受机组的重量、燃气的内压力及其他的作用力。透平气缸包括气缸本体和排气缸（由排气框架和排气扩压器组成）两部分。,23:47:14,35,（一）气缸,1透平气缸本体,23:47:14,36,（一）气缸,1透平气缸本体在工业型机组中，多级透平的通流部分，常用的是等内径或等平均直径或与该两者相近的流道。透平气缸广泛采用耐热铸钢或球墨铸铁铸造结构。由于透平级数少，气缸短而粗，故沿长度的刚性问题不大。铸造气缸一般在外表较少加筋。,23:47:14,37,（一）气缸,1透平气缸本体透平气缸应与高温燃气相隔绝：减少气缸的热膨胀量，有利于叶片顶部径向间隙的控制；减少对气缸的热冲击及热应力，有利于机组的快速启动；可用较差的材料等。为使气缸与燃气相隔绝，可在静叶的固定结构中采取措施，例如采用持环结构。,23:47:14,38,1透平气缸本体,采用上述措施后的透平静子是双层结构，它的显著特点是将承力件与承热件分开，即外层气缸工作温度低、主要承力，内层受力小、主要承热。承力件由于温度低，可用较差的材料。承热件由于受力小可设计得较薄，使热应力较小和抗热冲击能力较强。,23:47:14,39,2透平排气缸,透平排气缸包括框架和排气扩压器两部分。排气缸通过螺栓与透平气缸的后法兰面相连接。在结构上，排气缸由内外两层气缸组成，两者之间由径向支柱连接，两层之间为燃气通道，轴承支承在排气缸的内层气缸中。,23:47:14,40,（一）气缸,1透平气缸本体,23:47:14,41,2透平排气缸,排气扩压器位于燃气轮机的最后端，通过螺栓使之与排气缸连接，并由排气缸提供支承。,23:47:14,42,2透平排气缸,排气扩压器为拼焊结构，内缸为圆筒形，构成排气扩压器的内表面；外缸为扩散形的圆筒面，构成排气扩压器的外表面，外缸在出口端扩展成喇叭形，与余热锅炉相连。,23:47:14,43,2透平排气缸,排气缸内外层间的径向支柱横穿排气气流，这些径向支柱给内层气缸和轴承提供相对于透平外缸的相互连接、支承和定位，因此各支柱的温度必须保持相同，以控制转子相对于定子的中心位置。各支柱的温度相同性和稳定是这样来保证的：即在每根支柱外都装上金属导流罩，在支柱四周便形成一定的空隙，空间内通人冷却空气，从而使支柱与燃气排气隔开。,23:47:14,44,（二）静叶,透平静叶又称喷嘴，它的作用是使高温燃气在其中膨胀加速，把燃气的内能转化为动能，然后推动转子旋转作功。透平静叶被高温燃气包围着，工作条件是很恶劣的。特别是第一级静叶，所接触的燃气温度最高，且温差最大。在启动和停机时，又是受到热冲击最厉害的零件。,23:47:14,45,（二）静叶,对静叶设计的要求为：耐高温、耐热腐蚀；耐热冲击；热应力小；足够的刚度和强度。,23:47:14,46,（二）静叶,耐高温及耐热冲击首先是靠材料性能来保证。当燃气温度高于材料所能承受的温度时，则采用空气冷却叶片，这时不仅能降低叶片的工作温度，还能使叶片的温度趋于均匀以减少热应力。透平静叶广泛采用精铸叶片。由多片静叶组成的静叶组时，静叶的刚性可明显增强，从而有效地避免扭曲或弯曲变形。,23:47:14,47,（二）静叶,23:47:14,48,（二）静叶,23:47:14,49,（二）静叶,除上述单片静叶和静叶组外，在大中型机组中工作温度不太高的透平级中有应用和压气机相似的焊接静叶环，这时静叶本身无内外缘板，而是和压气机的静叶环一样插人内外环的叶型槽中焊住。在水平中分式结构的机组中，静叶环亦分为上下两半。,23:47:14,50,（三）静叶及静叶环的固定,目前应用的主要有直接装在气缸上以及通过持环装在气缸上两种。,23:47:14,51,1、直接固定在气缸上,23:47:14,52,2、采用持环和护环的结构,持环在工业型燃气轮机中被广泛应用，持环又称隔板套，是专门安装固定静叶的零件。静叶装在持环上，持环再装在气缸上。,23:47:14,53,2、采用持环和护环的结构,三级透平静叶均以T形叶根周向装入持环中，持环安装在气缸上，而透平气缸简化成一圆筒。在气缸与持环之间形成空腔，装有遮热绝缘层，并在空腔内通有冷却空气。空腔的冷却空气最后通过持环头部和第一、二级静叶内部孔道流至静叶内环处，以冷却持环、静叶内环及转子等。,23:47:14,54,2、采用持环和护环的结构,23:47:14,55,2、采用持环和护环的结构,级数较多的透平，有的还把持环沿轴向分段。例如四级透平，前两级静叶用一持环，后两级静叶用另一持坏。其优点是减少了每个持环前后的温度差，从而减少了热应力。 不少机组，数级静叶合用的持环采用沿周向分段的结构。如持环沿圆周分为六个扇段，每段之间留有膨胀间隙1.62.0mm。持环在前后两端以单钩装在气缸上，每段的前挂钩处用一螺钉将其与气缸固定，以防持环沿周向滑动。分段持环结构每段持环的尺寸不大且能自由膨胀，故热应力小，有利于快速起动。,23:47:14,56,2、采用持环和护环的结构,23:47:14,57,2、采用持环和护环的结构,对于燃气初温较高的透平，与燃气直接接触的持环要用较好的耐热材料，己不利于降低热应力。因此，宜采取措施使持环不与燃气接触。,23:47:14,58,3、静叶内环的固定,透平静叶广泛应用有内环的结构。它的优点是内环上设有气封，可减少漏气以提高透平级效率，其次是内环增大了静叶的刚度。由于整个静叶环的面积较大，故又称隔板。,23:47:14,59,3、静叶内环的固定,23:47:14,60,5.3.2 转子,透平转子是透平转动部分的总称，由透平轮盘、透平轴、工作叶片及联接件等组成。,23:47:14,61,（一）轮盘,透平转子结构也分为鼓筒式、盘式、盘鼓式三类。但鼓筒式因为强度差等原因，在透平中未被应用。盘式转子主要用在级数较少的航空燃气轮机及小功率燃气轮机申。在大型燃气轮机中，广泛采用盘鼓式转子，有焊接式、螺栓连接的两种方式。,23:47:14,62,1、焊接转子,焊接转子的特点是轮盘的个数少于透平动叶的级数，且转子的外径与动叶底部流道平齐，以适应静叶无内环的等内径流道。,23:47:14,63,1、焊接转子,另一种焊接转子，它是一级动叶一个轮盘，两级动叶均用枞树形叶根装在轮盘上。该透平转子，还与整锻的压气机转子焊接成整体。,23:47:14,64,1、焊接转子,透平采用焊接转子的主要缺点是，转子焊接成一整体，易产生较大的热应力，承受热冲击的能力也较差。,23:47:14,65,2、螺栓连接的转子,过渡轴、一级轮盘和二级轮盘之间均以止口定位，用短螺栓连接固紧，靠压紧面摩擦力传扭。该转子的定位止口为过盈配合。,23:47:14,66,2、螺栓连接的转子,23:47:14,67,2、螺栓连接的转子,23:47:14,68,2、螺栓连接的转子,为v94.2燃气轮机转子的透平部分，轮盘间以端面齿对中和传扭，用一根粗长的中心拉杆螺栓把所有透平轮盘、压气机轮盘和前后半轴等压紧连成一整体。其压气机轮盘之间亦以端面齿传扭和对中。该拉杆螺栓长约十米，直径很粗，预紧力很大，是用液压机来拉伸预紧的。这种转子结构是Siemens KWU的传统结构。,23:47:14,69,（二）动叶,透平动叶的作用是把高温燃气的能量转变为转子机械功。工作时，动叶不仅被高温燃气所包围，而且由于高速旋转而产生巨大的离心力，同时还承受着气流的气动力，以及交变作用力可能引起的振动等。当燃气温度沿圆周不均匀时，将使动叶承受周期的温度变化。此外，动叶还要承受高温燃气引起的腐蚀和侵蚀，因而透平动叶的工作条仵是很恶劣的，它是决定机组寿命的主要零件之一。,23:47:14,70,1、叶身,由于透平级中转换的能量大，即气流速度高且转弯折转大，故相对于压气机叶型来说透平叶型厚实且折转角大,23:47:14,71,1、叶身,为改善透平级的效率，透平的叶片一般都是扭转叶片。为减少叶身根部截面及叶根的应力，叶片厚度沿叶高亦不断减薄。在不用空气冷却的动叶中，也有采用空心叶片的结构，它是精铸叶片，叶身上半部是空心的。它的优点首先是减轻了叶片重量，减少了叶片的离心力。其次是空心部分叶片材料的厚度较薄且趋于均匀，降低了这部分叶片的热应力，改善了抗热冲击能力。,23:47:14,72,2、叶顶,透平动叶叶顶的结构，有带叶冠的和不带叶冠的两种：（1）无叶冠的动叶。为减少顶部的漏气损失，必须减小和静子之间的间隙。由于透平叶型较厚，故叶顶必须减薄，减薄后剩下的材料厚度常为12mm，使工作中叶顶与静子万一碰擦时只磨掉少量金属，不致酿成较大的事故。,23:47:14,73,2、叶顶,（2）带冠的动叶。带冠动叶装在轮盘上后，每片动叶的叶冠拼合起来，在叶顶处形成了一个环带，将燃气限制在叶片流道内流动，有助于提高透平级效率。其次是对叶片振动起阻尼作用，这对展弦比较大的透平动叶是很理想的。,23:47:14,74,2、叶顶,叶冠的形状可以做成平行四边形，也可以做成“Z”形曲折状平行四边形叶冠结构简单，便于装拆，但对振动的抑制性能比较差； “z”形曲折状叶冠能克服上述不足，但在叶片向盘上装配时，需一圈叶片扣成一个整环推人榫槽内，因此装配比较麻烦。尽管如此，除位于高温区域的第一级动叶外，“Z”形叶冠由于减振性能好而被广泛应用。,23:47:14,75,2、叶顶,带冠动叶的缺点是叶冠较重，工作时增加了叶身的离心拉伸应力，也增加了轮盘的负荷，而且叶冠和叶身连接处易造成应力集中。为了减轻叶冠的重量，通常采用减小叶冠的轴向宽度的办法。为了减少叶冠与静子之间的间隙中的漏气，通常在叶冠上加工有气封齿，一齿、二齿、三齿的都有。由于气封齿能加强叶冠的刚性，有利于设计较薄的叶冠，故还可能会减轻叶冠的重量。,23:47:14,76,3、叶根,在燃气透平的动叶中，广泛采用的是枞树形的叶根。,23:47:14,77,3、叶根,枞树形叶根有着下述一些优点：（1）多对齿承力，强度好，承载能力大；（2）叶根形状单楔形，接近于等强度，材料利用合理；（3）尺寸紧凑，连接重量最轻，在相同直径的轮缘上可安装较多的叶片；（4）与轮盘根槽为间隙配合，是松装结构，在离心力作用下能自动定心，使叶根各部分受力趋于均匀；（5）由于是间隙配合，叶根与轮缘均能自由热膨胀。同时可从间隙中通过冷却空气对叶根及轮缘进行有效的冷却；（6）拆装方便。,23:47:14,78,3、叶根,枞树形叶根齿与叶身的连接结构,23:47:14,79,3、叶根,长柄叶根明显的加大了根齿所承受的离心力。但它却带来了下述显著的获益：（1）减少了叶片对轮盘的传热，在配合以空气冷却后效果更为显著，使叶根齿与轮缘的温度大为降低，并使温度趋于均匀而减少了热应力。（2）改善了第一对齿的承载条件及叶根应力分布的不均匀程度。长柄有利于第一对齿的圆角半径R1采用较大的数值，以减小第一对齿的应力集中。（3）合理地使用材料。当采用长柄后，再配以空气冷却，可使根齿的工作温度低于650，从而避开了塑性低谷区。,23:47:14,80,4、叶片的固定,（1）扇形板锁紧的结构。,23:47:14,81,（2）销钉锁紧的结构。,23:47:14,82,（2）销钉锁紧的结构。,23:47:14,83,（3）“D”形止块锁紧的结构。,23:47:14,84,燃气透平的原理和结构,燃气透平的工作原理燃气透平的特性曲线燃气透平的结构燃气透平零部件的冷却燃气透平高温部件的材料和涂层,23:47:14,85,燃气透平零部件的冷却,23:47:14,86,燃气透平零部件的冷却,23:47:14,87,燃气透平零部件的冷却,一、冷却介质1、开式空气冷却 目前在燃气透平中广泛采用的是开式冷却系统，冷却空气从压气机引出，对透平需要冷却部位进行冷却后排入透平通道的燃气中。这一方案比较简单，结构上容易实现，缺点是引用了部分经过压气机压缩的空气，会带来额外损失和作功量的减少。而且随着增压比的增加，冷却空气本身温度增高，冷却效果变差。,23:47:14,88,1、开式空气冷却,冷却气流可能从三个方面影响透平效率，使透平效率降低：（1）从叶片流出的冷却空气会改变叶片的阻力特性，可能增加阻力；（2）冷却空气在流过冷却通道时有压力损失，因此当它进人下游混合时，压力较低，使混合后的燃气压力下降，混合时还有附加损失；（3）因为燃气主流和冷却空气之间混合时有热交换，燃气的膨胀功减小。,23:47:14,89,1、开式空气冷却,在开式系统中，来自压气机的抽气直接对叶片进行冷却，而后随即排入透平的通流部分。用于冷却的空气量通常占总流量的24左右，这些空气在透平中是不作功的，因此会导致装置效率的下降。1的冷却流量大致可能使装置效率下降12。然而，提高初温带来整个装置的得益仍胜于不冷却的情况。,23:47:14,90,2、闭式蒸汽冷却,透平叶片采用蒸汽冷却具有以下优点：蒸汽是一种比空气要好的冷却介质，有较好的冷却效果；闭路循环的冷却蒸汽完成冷却后再次进人联合循环的汽轮机中做功，使功率增加；节省冷却用的压缩空气，提高燃气轮机的功率。,23:47:14,91,燃气透平零部件的冷却,23:47:14,92,二、叶片的冷却方式,1、对流冷却 在叶片中间沿半径方向有一组大小不同、型式不同的小孔，冷却空气和燃气在叶片壁面二侧流过，通过冷却空气进行对流传热降低叶片壁温。,23:47:14,93,二、叶片的冷却方式,2、冲击冷却 在空心的叶片内部加一导管，导管上开有许多小孔，冷却空气自小孔流出直接向被冷却的叶片内表面喷射进行冷却，故称冲击冷却。,23:47:14,94,二、叶片的冷却方式,3、气膜冷却 在叶片前缘处的壁面上开有许多排小孔，冷却空气从空心叶片的小孔或缝隙顺着燃气流动的方向流出，在叶片表面形成一层薄膜，把叶片表面与燃气隔开，减少燃气对叶片表面的热交换，既对叶片起保护作用，同时叉冷却叶片。,23:47:14,95,二、叶片的冷却方式,4、综合冷却,23:47:14,96,二、叶片的冷却方式,23:47:14,97,23:47:14,98,二、叶片的冷却方式,23:47:14,99,三、转子的冷却方式,透平的转子，一般都要采取冷却措施来改善它的工作条件。特别是应力和温度分布复杂的轮线部分，尤其要精心组织冷却气流和采取将高温燃气与转子隔开的措施。从叶轮选材考虑，一般要求轮缘处的温度在450500以下。,23:47:14,100,三、转子的冷却方式,1、空气沿叶轮侧面径向对流冷却,这种方式常用于燃气初温不太高长颈叶根的转子。这种冷却方法的冷却效果较差，所消耗的冷却空气量也比较多。此外，还会使轮盘的中心部分冷却较强，从而造成轮盘的径向温度场分布极不均匀，以致在轮盘中会出现较大的热应力。但是由于这种冷却方法比较简单，所以目前在燃气透平中还应用甚多。,23:47:14,101,三、转子的冷却方式,2、空气通过具有长颈叶根的空腔时所进行的对流冷却,这种冷却方法的冷却效果要比径向吹风冷却方法强很多。这是由于在这种方案中，冷却空气与叶根和工作叶轮的接触面积很大，以致可以带走大量热量的缘故。,23:47:14,102,三、转子的冷却方式,3、空气通过喷嘴射流撞击冷却轮缘,从压气机出口引来的空气，通过透平进气缸垂直截面上的各个小孔，直接喷到第一级轮盘的外缘上去冷却第一级动叶的叶根和轮缘。这种方式由于射流有强烈的冷却效果和隔开高温燃气的作用，因此有较好的冷却效果，但因结构上的限制，只适用于第一级叶轮。,23:47:14,103,三、转子的冷却方式,4、空气通过叶根槽道对流冷却,把冷却空气直接通过透平的枞树形叶根与轮盘上叶根槽之间的装配间隙，可以大大减少叶片对轮盘的导热作用，从而获得冷却效果。这种方式冷却气流渗入叶根与轮缘的区域内，冷却效果较显著。但冷却空气流动阻力大，需用较高的冷却空气压力，同时对冷却空气清洁度的要求高，否则易于堵塞间隙而使冷却失效。,23:47:14,104,三、转子的冷却方式,4、空气通过叶根槽道对流冷却,把冷却空气直接通过透平的枞树形叶根与轮盘上叶根槽之间的装配间隙，可以大大减少叶片对轮盘的导热作用，从而获得冷却效果。这种方式冷却气流渗入叶根与轮缘的区域内，冷却效果较显著。但冷却空气流动阻力大，需用较高的冷却空气压力，同时对冷却空气清洁度的要求高，否则易于堵塞间隙而使冷却失效。,23:47:14,105,三、转子的冷却方式,在实际的转子上，往往同时采用几种冷却方式强化冷却过程，以达到较好的冷却效果。,23:47:14,106,四、静子的冷却方式,在高温条件下，透平气缸的热膨胀、热变形会影响转子和静子的热对中和动静部件之间的间隙。因此，静子也要采用冷却和隔热措施。对于燃气初温不很高的透平，一般采用在静叶环和动叶护环与气缸连接的根部沿圆周上开有若干纵向冷却气孔的结构，以通空气冷却。但大多数高温透平气则采用由持环和外缸组成的双层气缸结构。外缸承载，内缸受热，在内外缸夹层中通冷却气流。为减少辐射热，夹层间有的还敷设绝热材料或遮热板。在一些情况下，可设法提高气流速度来增强冷却效果。,23:47:14,107,四、静子的冷却方式,23:47:14,108,五、典型的燃气透平冷却方式,（一）GE公司MS9001E透平的冷却方式,23:47:14,109,（一）GE公司MS9001E透平的冷却方式,1，气缸及静叶的冷却,23:47:14,110,（一）GE公司MS9001E透平的冷却方式,1，气缸及静叶的冷却,23:47:14,111,（一）GE公司MS9001E透平的冷却方式,1，气缸及静叶的冷却,23:47:14,112,（一）GE公司MS9001E透平的冷却方式,2、转子的冷却,23:47:14,113,（一）GE公司MS9001E透平的冷却方式,2、转子的冷却,23:47:14,114,（二）三菱501F型透平的冷却方式,23:47:14,115,燃气透平的原理和结构,燃气透平的工作原理燃气透平的特性曲线燃气透平的结构燃气透平零部件的冷却燃气透平高温部件的材料和涂层,23:47:14,116,5.5 燃气透平高温部件的材料和涂层,透平所用高温材料需具备下述特性：在最大可能温度下的高强度；低的蠕变率；在高温下有高的抗氧化和抗热腐蚀能力；良好的抗热疲劳和机械疲劳性能；良好的导热性；良好的工艺性，易于加工，即较好的切削、铸、焊性能等。,23:47:14,117,5.5.1燃气轮机的腐蚀、氧化的类型,腐蚀会导致重型燃气轮机中的叶片和导向叶片发生毁坏，其缘由主要是由于燃料和空气的杂质（碱金属硫酸盐等）在表面上的凝聚。重型燃气轮机遭受的腐蚀氧化通常有三种类型，即低温热腐蚀、高温热腐蚀及高温氧化。,23:47:14,118,1，高温热腐蚀（I型热腐蚀）,高温热腐蚀是一种急速产生的破坏形式，高温热腐蚀发生在816927的温度范围内，与钠和钾等碱金属杂质有关。在燃烧过程中，碱金属同在燃料中含有的硫和氧化合形成Na2SO4和K2S04，当这些碱金属盐类在叶型表面凝结为液体时，它们就破坏了通常的保护性氧化膜，并阻止这种膜重新形成，这样会使硫渗入金属基体，引起硫化和金属的快速腐蚀。这种腐蚀形式的特征是形成毫无保护作用的疏松的表面膜，引起叶片基体材料中铝和铬等元素的贫化。,23:47:14,119,2、低温热腐蚀（型热腐蚀）,低温热腐蚀在一定条件下是有很强的侵蚀性的，它发生在593760的温度范围内，并需要有很大的SO3分压。低温热腐蚀是由硫酸钠和一些合金成分如镍与钴组成的混合物形成低熔点共晶体引起的。这种腐蚀破坏速率较其他腐蚀形式大。经受过这种腐蚀的特征是有一个多孔状的结膜层，表现为不均匀的点状腐蚀，在形式上与其他腐蚀形式有明显的区别。在基体材料上很少甚至没有可见的金属损耗现象，形成的硫化物也很少。,23:47:14,120,3、高温氧化,金属的氧化是在当氧原子同金属原子化合形成氧化膜时发生的，温度愈高，这个过程反应愈急速，如果在氧化物的形成过程中消耗掉了太多的基体材料就有可能导致损坏。在高于900的温度下，如果金属表面没有阻止氧扩散的隔膜，则某些材料会发生相当快速的氧化破坏。若高温合金中铝含量足够高，则在高温卞将在合金表面形成氧化铝，这样，合金在氧化的初期自身产生一个致密的附着力强的氧化铝保护膜。但是，为获得高强度和金属稳定性等优良性能的合金，其成分要求不一定能满足使合金自身抗腐蚀和抗氧化的最佳条件，所以现在使用的很多高强度高温合金不能形成完好的保护膜，因此，大多数高温合金都必须靠特殊的工程涂料来实现其氧化保护。,23:47:14,121,二、高温材料的冶炼技术,对现代燃气轮机来说，透平进口温度的大幅度提高，主要得益于叶片材料冶炼技术的改进。,23:47:14,122,二、高温材料的冶炼技术,对于透平的各类超耐热合金钢，基本上是以镍基为主加上其他一些关键元素的合金，主要含有铬（525）、铝（8）以及少量的钼、钨和钛，以改善合金的性能。设计要求这些金属能够在低于金属熔点的几百度高温下可靠地工作。但是，运行经验表明，许多燃气轮机的高温通流部分的部件并未能达到其所预期的工作寿命。,23:47:14,123,二、高温材料的冶炼技术,传统铸造的等轴晶粒叶片中，叶片晶界的蠕变会导致强度减弱，特别是当晶界与初应力方向成横向时。为了克服上述的缺陷，目前已经转向对金属铸造工艺方面进行改进。,23:47:14,124,二、高温材料的冶炼技术,由于定向凝固使叶片材料中晶界平行于叶片轴线，横向晶粒边界即显微结构中传统的薄弱环节消除了，从而使蠕变寿命或一定寿命下的应力大大增加。采用定向结晶工艺（DS）铸造的叶片可以使运行温度比传统工艺铸造的叶片约高25。,23:47:14,125,二、高温材料的冶炼技术,为了进一步提高叶片的工作温度和疲劳寿命，还可通过使用不含有晶界的材料来实现，即采用单晶体铸造工艺（SC）。 在单晶体叶片材料中，所有的晶粒边界从材料结构中消除了，于是在叶型中形成了一个被控晶向的单晶体。由于所有晶粒边界及其附加物被消除，从而可以大幅度提高合金熔点并使相应的高温强度增加。同时，横向蠕变和疲劳强度也比等轴和定向凝固结构增加，因而单晶的韧性大大提高，断裂寿命也有所改善。单晶合金的比重约为8.0，比普通镍基合金低50，故具有很高的比强度。,23:47:14,126,二、高温材料的冶炼技术,此外，由于金属材料性能和加工的限制，人们梦寐以求的目的是将工作于高温通流部分的部件采用陶瓷材料。但由于陶瓷是脆性材料，变形率和热传导系数均低，在设计上仍有许多专门的课题需要研究。,23:47:14,127,三、高温材料的涂层,燃气轮机高温材料所用的涂