燃气透平原理

1、第三部分 主要部件第三章 燃气透平的原理：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。轴流式透平： 功率大、流量大、效率高燃气透平径流式透平 主要用在小功率燃气轮机中1.2.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，整个透平的级数少燃气透平的工作原理燃气透平的特性曲线燃气透平零部件的冷却燃气透平高温部件的材料和涂层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

2、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。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。5.1.1 透平级的速度三角形5.1.1 透平级的速度三角形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H = u2c2u u1c1u

3、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。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。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

4、将会有一部分压力势能转化为膨胀功。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 度=0W2=W1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0W2W1涡轮喷嘴流动涡轮动叶流动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。T3 T4LTT = *滞止绝热效率T3 T4sLad

5、1 *1 k1RT3 1T * k * *透平效率和透平功率*单级透平的效率范围：0.88-0.91总功率的计算T4 *T31k=NT = mgLT*NT = mg1 *k1 Tkk 1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透平压气机能量转换叶栅通道流动过程级的构成叶型轮缘功工作环境级数多级流程效率焓机械能收敛式膨胀加速静叶动叶厚、弯度大大高温少扩展单级：0.88-0.91多级：0.91-0.94机械能压力势能热能扩散

6、式扩压减速动叶静叶薄、弯度小小低温多缩小单级：0.88-0.90多级：0.83-0.875.1.5透平和压气机的对比23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零部件的冷却燃气透平高温部件的材料和涂层透平输出功率透平与压气机性能影响因素膨胀比（压气机出口压力）流量压比（压气机出口压力）转速T3*（燃料调节）压气机（IGV）N（功率）流量外界环境压力、温度一定时T3*不变膨胀比不变T3*与膨胀比同时改变运行情况T21输出功率34s试验情况5.2 燃气透平的特性曲线(1)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

7、能力达到了极限值。5.2 燃气透平的特性曲线(2)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。5.2 燃气透平的特性曲线(3)在膨胀比一定时，小的折合流量与较大的折合转速对应。5.2 燃气透平的特性曲线(4)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。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零部件的冷却燃气透平高温部件的材料和涂层燃气透平零部件的冷却燃气透平零部件的冷却燃气透平的原理和结构燃气透平的工作原理燃气透平的

8、特性曲线燃气透平零部件的冷却燃气透平高温部件的材料和涂层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。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。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

9、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。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

10、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。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，

11、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。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。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。三、高温材料的涂层燃气轮机高温材料所用的涂层有抗腐蚀和热屏障两种类型。前者的作用是在材料的表面生成一种良好结合的均匀的氧化物层，它能起防止氧的扩散（

12、内氧化）和硫化的作用；后者是为了减少高温燃气与基体的热交换。三、高温材料的涂层目前，经冷却的透平叶片在很高燃气温度运行时，表面需要沉积一层热屏障涂层（TBC）。它至少由两层组成，底层为粘接层，材料为MCrAlY，其主要作用是使面层与基体相连，并保护基体不受氧化。面层为陶瓷材料，常用材料为ZrO2（氧化锆），因为它的热胀系数与金属差不多，并使用氧化钇作为稳定剂。三、高温材料的涂层由于陶瓷材料低的热传导率可以减少燃气对叶片的传热量，它有效地增加了高温气流与金属底层之间的温差。研究表明，采用0.25mm厚的氧化错涂层可以使衬底合金温度降低170左右。热障涂层的第二个好处是可以防止部件在受到热冲击时发生龟裂。此外，热障涂层表面的光亮颜色能抑制辐射传热，使热量返回到气流中，从而使设备热效益提高。三、高温材料的涂层由于这些涂层含有与氧亲和力很强的元素，并且含量很高，所以它们必须用真空等离子喷涂法（VPS）或电子束蒸发物理气相沉积法（EBPVD）进行涂覆。三、高温材料的涂层在运行中，TBC有开裂和剥落两个主要损坏机理必须