工业燃气轮机概述课件

1、Sinopec Training SGT100 (TYPHOON) DRIVING TRAIN INTRODUCE前言 燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后，发展起来的热能动力装置。它实际上是集蒸汽轮机和内燃机的优点在一体的综合产物，由于是旋转装置，转速高，工质质量大，因此具有重量轻、体积小、单机功率大、可应用多种燃料类型（柴油、天然气、重油、油田伴生气、煤气）等优点，使它在国民经济各个领域都得到广泛的应用。 1939年瑞士诞生的第一台发电用，功率为4000KW的燃气轮机至今，燃气轮机的技术领域发展迅速。改进叶型和调整控制，提高级间压力，从而增加总压比；新型耐高温材料和冷却技术的应用，采用新型的复

2、合喷嘴，使得燃烧室热容温度由1100K提高到1600K（820提高到1320），提高了透平涡轮的进口温度；采用复合材料，应用新的加工工艺，发展轻型结构，提高设备的使用寿命。 燃气轮机在应用方面可分为航空系列燃气轮机和工业用燃气轮机。航空系列燃气轮机是燃气轮机领域里的最尖端的产品，它们在科技含量、技术应用、运行性能等方面处于领先的水平。工业燃气轮机吸收了航空系列燃气轮机的研究成果，提高了性能，改进结构，使得工业用燃气轮机很快的发展起来，并走上了独立的系列研发。 涡轮喷气发动机原理是将空气吸入，与燃油混合、点火、燃烧膨胀后的空气向后喷出，其反作用力则推动飞机向前。具有加速快、设计简便等优点。但如果

3、要让涡喷发动机提高推力，则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比，这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此涡喷发动机油耗大，对于商业民航机来说是个致命弱点。 涡轮风扇发动机 涡轮风扇发动机吸入的空气一部分从外部管道(外涵道)后吹，一部分送入内涵道核心机(相当于一个纯涡喷发动机)。最前端的“风扇”作用类似螺旋桨，通过降低排气速度达到提高喷气发动机推进效率的目的。同时通过精确设计，使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道，同样解决了排气速度过快的问题，从而降低了发动机的油耗。由于该风扇设计要兼顾内外涵道的需要，因此难度远大于涡喷发动机。 航空系列燃气轮机航空系列燃气轮机

4、热能动力是利用热能转化成机械能，从而获得生产、生活所需的原动力，为生产提供了一种强有力的原动力，推动了生产的飞速发展。在现代社会中，热能动力工程的地位是极为重要的。今天工、农业生产和人民生活所消耗的大量电能都是由热能动力发电厂所生产的电能供应的。各种生产中直接用热机作为驱动机械设备的原动力。热力机械主要有蒸汽动力装置，内燃机和燃气轮机三大领域。工业热能动力的分类 蒸汽动力装置是最早得到应用的一种热机，由于它可以燃用固体燃料，甚至廉价的劣质燃料（如煤矸石），可以制成很大功率的机组，因此蒸汽动力装置现在仍然应用广泛，是生产电力的主要设备。也常用作大型运输工具如船舶和机车的动力设备。此外蒸汽机在机车

5、和道路建筑机械上还有一定的使用。 内燃机是十九世纪末期开始出现的一种热机。它具有重量轻、体积小、使用方便、热效率高等特性，因而得到广泛的应用。其主要缺点是机械作往复式运动、振动大、功率的发展受到一定的限制，它广泛应用于交通运输方面，如汽车、机车、轮船等。 内燃机主要分柴油机和汽油机二类，从它工作方式上以可分为四冲程和二冲程。 燃气轮机装置是在二十世纪四十年代后才得到迅速发展的热能动力装置，它实际上是蒸汽轮机和内燃机的优点综合后的产物。由于它是旋转式机械，可连续地吸气、排气，具有转速高，工质流量大等优点；因此燃气轮机装置每单位功率的重量和体积都比内燃机小很多。相应地它的单机功率可达二十多万千瓦以

6、上，远远大于内燃机。正是由于这些因素使得它首先在航空上得到应用，它和喷气技术相结合而成为航空用涡轮喷气发动机，现已成为航空中占绝对优势的动力。此外，燃气轮机亦常应用于舰船动力，由于它起动快的特点，从而可提高舰船的机动性。现对三种热力机械作一简要比较：特 性热机种类蒸汽轮机内燃机燃气轮机工作原理用燃料燃烧获得的蒸汽膨胀作功在活塞运动中燃料燃烧膨胀作功用燃料燃烧获得高温燃气膨胀作功单机功率从1000千瓦到60万千瓦，甚至更大从十多千瓦到数千千瓦从几千瓦到20多万千瓦结构组成锅炉、蒸汽轮机,水循环设备气缸、活塞、曲轴联杆一体化结构压气机、燃烧室、涡轮比功（单位功率及重量）小中大热效率中等较高已接近内

7、燃机（平均为29%）30-42%起动特性慢中快应用燃料可用廉价劣质燃料燃料较优（柴油为主）可用多种燃料维修难易复杂简易较复杂投资安装投资大、安装周期长投资小、安装快投资大、安装快占地面积大中小使用年限长短中等机动性差好好环保影响锅炉烟灰污染厉害，煤渣大量占用土地燃烧排气污染厉害可降低到合理水平燃气轮机工作原理 环境空气由压气机吸入，在沿着轴向逐渐收缩的通道里，被逐级压缩。产生的高压助燃空气在进入燃烧室后，与喷入的燃料充分混合燃烧，所产生的高温高压燃气在沿着轴向扩张的通道里膨胀作功，推动透平涡轮旋转。透平涡轮在带动压气机旋转后，将剩余扭矩输出带动负载。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待

8、加速到能独立运行后，起动机才脱开。压气机约占透平涡轮输出负载的70。燃气轮机工作原理 燃气轮机的分类 工业燃气轮机根据热效率应用方式的不同可分为：简单循环、回热循环、闭式循环、复杂循环燃气轮机。 当高温高压燃气在进入透平涡轮膨胀作功后，将产生的尾气排放到大气，所完成的工作循环为简单循环；回热循环和复杂循环则是将膨胀作功后的尾气，或是经过特殊处理再次进入压气机重新循环应用；或是将尾气的剩余能量转化成其它形式的能量进入燃烧室重新参加作功过程；或是把尾气的热能利用起来，应用在其它需要热能的装置上。闭式循环的工作装置多应用在核能方面，它用高温气冷反应堆作为加热器，反应堆的冷却剂(氦或氮等)同时作为压气

9、机和透平的工质。 目前简单循环燃气轮机的热效率已提高到接近38（达到现在蒸汽发电厂的最高水平）。而复杂循环燃气轮机的热效率达到或超过44，甚至接近50的水平。文昌油田所选用的燃气轮机属于简单循环燃气轮机，热效率为30。 简单循环燃气轮机回热循环燃气轮机复杂循环燃气轮机闭式循环燃气轮机联合循环燃气轮机燃气轮机的系统组成 一套完整的燃气轮机应包括：压气机、燃烧室、透平涡轮、空气系统、启动系统、润滑系统、燃料系统、控制系统、火焰/可燃气探测和消防系统、排气系统、减速/联轴节装置、水洗系统、发动机隔音罩和就地仪表盘等辅助系统。其中压气机、燃烧室、透平涡轮是燃气轮机的三大部件。而空气系统、启动系统、润滑

10、系统、燃料系统、控制系统则被称为燃气轮机的五大支持系统。 燃气轮机系统示意图 “台风”系列燃气轮机内部结构 压气机的分类 压气机是燃气轮机的三大部件之一，它是把机械功转化为气体势能（压力）的机械装置。它的主要功能是压缩空气、提高气体压力，使得燃气轮机在获得较高效率的同时，又可有较低的燃料消耗。 压气机的种类有很多，适用范围很广。主要类型有：活塞式、转子式、离心式、轴流式等。活塞式和转子式是通过直接改变工质容积的过程获得气体压缩的；离心式和轴流式则是通过高速旋转的叶轮推动气体，使得气体也以很高的速度流动，然后利用扩压口通道使得高速流动的气体速度降低，从而提高气体压力。 轴流式压气机有着体积小、流

11、量大、单位效率高的优点；离心式压气机虽然效率比较差，而且重量大，但离心式压气机的工作比较稳定、结构简单而且单级增压比也比轴流式压气机要高数倍。压气机的形式 (a)活塞式压缩机 (b)转子式压缩机 (c)离心式压缩机 (d)轴流式压缩机离心式压气机 离心式压气机 轴流式压气机 压气机结构组成 压气机的结构包括：静子总成、转子轮盘和压气机的低/高压机匣。 压气机的静子总成是由静叶分别镶嵌安装在低/高压两个机匣内。包括了进口导向叶片在内的前5级静叶安装在低压机匣内，高压机匣内安装剩余的5级静叶和末级出口的整流导叶。其中压气机的进口导向叶片和第1、2、3级静叶片是可以改变朝向角度的，简称为可转导叶。

12、压气机转子轮盘是由10级带有动叶的叶轮，用一根中心拉杆叠装在一起组成的。除了第1级轮盘的动叶片是直接鋳造在轮盘上的，其余9级的动叶片都是安装在由两个相互紧挨的叶轮组合的位置上。叶轮间的特殊连接结构既保证了叶轮间功率的传递，又有良好的啮合组合方式。压气机转子叶片 压气机在外部橇体上设计有内窥镜检查孔，通过它可以检查压气机的静子叶片和转子叶片。轴流式压气机工作原理 压气机将环境空气经进气涡壳吸入，动叶通过吸收转子的旋转动能推动空气在具有特殊叶型型线的动叶、静叶中高速流动，在与静子之间进行扩压后，气体流速降低，吸收了能量，产生了具有一定压力和温度的压缩气体。由于1级的动叶和静叶所组成的级间通道较小，

13、气体获得的级压比有限，所以为了得到较高的出口压力，必须采用多极串联的结构方式。 压气机在透平涡轮带动的相同转速下，各个工作区域的工况是不同的。有的效率较低，有的效率较高，符合要求的只是其中的一部分。为了使压气机的应用效率更高，从而获得更大的气体压比，有的较复杂的压气机将结构分成两部分或三部分，每一部分的压气机都用它自己的透平涡轮驱动，它们各自转动在自身最佳转速下，从而形成了共轴、分轴和单轴三种类型的燃气轮机。压气机的喘振 气体在流经多极压气机通道时，流速是基本保持不便的（在一个较小的范围内波动）。当空气的容积流量偏离设计值时(流速降低或流量减小时)，在动叶和静叶流道中会产生气流脱流，造成不稳定

14、的流动，出现喘振现象。喘振发生时，出现强烈的不稳定工作现象：流过压气机的气流沿压气机的轴线方向产生低频高振幅的强烈振荡，压气机出口平均压力急剧下降，出口总压、流量、流速产生大幅度脉动，并伴随有强烈放炮声 。压气机在喘振工况下压力和速度的波动情况P : 压力 PP : 平均压力 C : 速度a)压气机正常运行情况 b)喘振工况轴流压气机，在下面两种情况下容易发生喘振： 在一定转速下工作时，若出口反压增大，使空气流量降低到一定程度时，就会出现喘振。这是因为当空气流量降低时，各级叶片的气流攻角增加，容易产生气流分离和堵塞。 当发动机偏离设计工作状况而降低转速时容易发生喘振。这是因为多级轴流压气机气流

15、通道截面积沿轴向逐级减小，其面积变化程度是由压气机的设计增压比值决定的。当压气机转速降低时，增压比随之降低，于是通道截面积的变化与降低的增压比不相适应，出口面积显得太小而进口面积显得太大，造成多级轴流压气机前几级轴向流速低、攻角大， 后几级轴向流速高、攻角小。这就使得多级轴流压气机在低转速时前几级容易发生大攻角气流分离、堵塞和喘振。根据这样的分析，可以看出，对于设计增压比较低的多级轴流压气机，进出口截面积的变化较小，不容易发生喘振。主要的防喘措施有以下三种： 从多级轴流压气机的某一级或数级中间截面放气。 当压气机转速低于一定数值时将放气门打开，其目的是为了增加前几级压气机的空气流量，避免前几级

16、因攻角过大而产生气流分离。中间级放气也避免了后几级压气机进口流速过大，攻角过小，甚至为负值，使增压比和效率降低的现象。 与其他防喘方法相比较，这种方法在结构上比较简单，但是使用中并不经济，因为它把已经压缩过的空气放到周围大气中去，损失了压缩这部分空气的机械功。 级间放气阀级间放气阀 1.放气和排放管2.O形环密封圈 3.“V”型夹具 4.阀体 5.用于管连接的孔 6.护罩 7.密封圈 8.活塞 9.密封圈 10.O形环密封圈 11.端帽 12.有头螺钉 13.偏导器 14.O形环密封圈 15.三通阀 16.供给孔 17.有头螺钉 18.导销和带锁片的垫圈19.固定螺钉主要的防喘措施有以下三种：

17、 旋转一级或数级导流叶片（可转导叶系统）。 用这种方法防喘时，在第一级压气机前面往往装有进口导流叶片。由于压气机在低转速工作时前几级和末几级的攻角偏离最大，首先产生分离，所以可调导流叶片往往设置在多级轴流压气机的前几级和末几级。 燃气轮机采用的可转导叶系统安装在压气机上，通过机械连杆装置与压气机相连。控制系统通过可转导叶系统改变进口导向叶片和第1、2、3级压气机静叶片的朝向角度，以改变进入压气机的空气流量，达到优化启动和运行的性能，避免喘振现象的发生。 在机组启动过程中，当转速低于额定值的70时，导叶保持最小开度，使得空气进气量维持在最低水平，随着转速从7095 上升，导叶也将逐渐开启，直至完

18、全打开。可转导叶系统可转导叶系统机构 1.第3级同度环 2.第2级同度环 3. 第1级同度环 4.入口导叶同度环 5.驱动板 6.操纵杆7.分配轴臂 8.螺栓和Nyloc螺母 9.间隔片 10.大型垫圈 11.杆端 12.锁紧螺母和带锁片的垫圈 13.锁紧螺母和带锁片的垫圈 14.杆端 15.大型垫圈 16.间隔片 17.螺栓和Nyloc螺母主要的防喘措施有以下三种： 采用双轴或三轴结构。 将压气机分成二个或三个转子，分别由各自的涡轮来带动，于是一台高增压比的压气机就成为二个或三个低增压比的压气机了。 如果在设计工作状态下，双轴压气机二个转子的转速是相同的，当转速降低以后，压气机前几级攻角加大

19、，而后几级攻角减小。因而带动低压压气机需要较大的功率，而带动高压压气机需要较小的功率。形象地说，转动低压压气机较“重”，转动高压压气机则较“轻”。这二个压气机是由各自的涡轮带动的，于是低压压气机就自动的处于较低的转速下工作，而高压压气机则处于较高的转速下工作。 这种转速的自动调整使前几级和末几级的攻角变化较小，从而避免了喘振的发生。 燃气涡轮（透平） 燃气涡轮高温、高压的燃烧产物在其中不断地膨胀，将热能转化成机械功的装置。是燃气轮机的另一主要部件。涡轮分为轴流式和离心式两种，多半燃气涡轮是采用轴流式的涡轮 ，只有在小功率的燃气轮机上，有时会使用离心式涡轮。 涡轮也是由静子和转子两部分组成。涡轮

20、的叶间通道正好和压气机相反，它是收缩式的，气流流经它的时候是加速的通道，从而推动叶片带动轴一起转动，以产生带动其他机械的功。涡轮产生的功分成两部分使用的。一部分用来带动压气机，它占了燃气涡轮产生功的70%左右，另一部分则用于向外输出，通过减速齿轮箱来带动被驱动装置如发电机、压缩机。由于涡轮中是膨胀流动，它的作功能力很大，相对压气机而言它只有很少的级数。燃气轮机输出功率（净功率）是燃气轮机所作的轴功率和压气机所消耗的功率的差。通常所说的燃气轮机功率多少，多少千瓦就是指的净功率。 燃气涡轮的结构 压气机和涡轮中的气流流动图形 涡轮叶片 随着技术的发展，对燃气轮机的综合性能提出了更高的要求，为满足高

21、推重、低油耗的性能目标，各国除了采用高涵道比和高压比的技术手段外，还采用了提高涡轮进口温度的方法。提高涡轮进口温度，对改善发动机热力循环性能，提高推重比有很大的作用。由于各国大力发展涡轮技术，涡轮进口温度提高很快。燃气轮机的涡轮进口温度已高达19002100左右。 涡轮叶片是燃气轮机的关键零件，其承受温度的能力是评价燃气轮机性能和寿命的极其重要的因素。为了使涡轮叶片获得高耐温能力，人们从两方面进行研究，一方面是铸造工艺，由于目前已发展的高效冷却叶片具有非常复杂的形状和结构，因此对其铸造方法和工艺的要求越来超高；另一方面是叶片材质自身世能的改善或提高，这包括研究合金成分（定向结晶、单晶合金、DZ

22、-4 、DZ22和DD3合金等） 、制造方法、处理工艺等等。 涡轮叶片 涡轮叶片结构 高温涡轮叶片高效冷却设计技术 就涡轮叶片而言，尽管高温材料研究取得了很大的成就，但在燃气涡轮发动机中，实现高效率热力过程所需的涡轮进口温度值仍大大超过了材料强度容许的工作温度，这就要求涡轮叶片要有良好的冷却系统。随着涡轮进口温度的上升，涡轮叶片的冷却技术也得到不断的发展。 目前，一般采用开式冷却系统。引入的冷却空气将从被冷却构件上吸取热量后排入燃气通道。涡轮冷却通常利用引自压气机的空气对涡轮进行冷却。冷却方法有三种：对流冷却、气膜冷却和发散冷却。其中对流冷却和对流-气膜复合冷却用得最广。目前先进发动机涡轮冷却

23、普遍采用复杂多通道强迫对流加气膜冷却技术，这种方法冷却效果达450-500K。 未来涡轮叶片的冷却结构有：a迷宫冷却通道，在空心叶片里制成像迷宫一样的冷却通道。冷却空气通过冷却通道后，再由叶型表面的小孔排出，以提高冷却效果。b发散（发汗）冷却，它是由高温合金多孔层板构造而成的空心叶片，高压冷却空气由叶片内腔通过壁面的密集的细孔渗出并流到叶片外表面，在高温燃气和叶片表面之间形成一层完整连续的空气隔热层，它既能使叶片表面与燃气隔开，又能吸收叶片表面部分热量。采用这种方法可使叶片材料温度接近冷却空气的温度，发散冷却的冷却效果可达800C以上c多孔层板发散冷却技术，这种冷却具有对流、冲击及气膜冷却的效

24、果。采用这种发散冷却技术可承受高达22002477K的燃气温度，并减少一半的冷却空气量。从而能使燃油消耗量大大减少。 新型冷却介质：目前涡轮叶片冷却介质主要是空气。国外已有了新型冷却介质的研究，即：a利用空气与燃料混合冷却研究。由于燃料燃烧后氧化物会堵塞气膜孔，因此实际运用还有困难b空气与氢气混合冷却研究c液体水冷却研究d氢气冷却研究，这是一种很有希望的冷却介质，因为氢气的导热系数很大。目前俄罗斯已有燃用氢气的飞机。 涡轮转子叶片 涡轮静子叶片 燃烧室 燃烧室是燃气轮机的主要部件之一，它介于压气机与涡轮之间。“台风”系列SGT100燃气轮机中，设置了6个燃烧室，均匀的分布着燃气轮机中心机匣内。

25、其中每个火焰筒都是坐落在后端的“过渡段”上，前段借助两个固定托架固定在机组机匣后板上的支架上。 燃烧室的作用：压气机出口的高压气流进入燃烧室，在其中喷入燃料（燃油、燃气）进行燃烧，成为高温燃气进入涡轮。 而在空气流中连续不断的喷入燃料，形成火焰，稳定燃烧，则必须满足以下两个条件： 一、油气比在一定的范围内才能进行燃烧。 二、火焰周围气流速度必须低于火焰传播速度。燃烧室的结构形式 燃气轮机的燃烧室有三种基本结构形式。有单管燃烧室、联管燃烧室和环形燃烧室。 单管型燃烧室 单管燃烧室由多个(一般是816个)单个燃烧室组成。它们之间有联焰管相联，起传播火焰和均压的作用。每个单管燃烧室各有自己单独的火焰

26、筒和外套。这种燃烧室在设计过程中，可以用空气流量较小的气源进行试验研究，便于进行设计调试，因而在早期的涡轮喷气发动机用得较多，与离心式压气机配合使用，在结构上比较简单。此外，在使用中，可以单独的拆换，因而维扩也比较方便。但是它的缺点较多，主要是它的空间利用率低；在重量上不仅本身比较重，而且因为它不能传递涡轮和压气机壳体上的扭矩，还要增加其他结构部件(轴承机匣)的重量。 单管型燃烧室 单管型燃烧室内部结构 联管型燃烧室 与单管燃烧室相同的是：联管燃烧室也是有单独的火焰筒。但是这些火焰筒被包容在一个共同的环形腔道里。联管燃烧室的优点是结构比较紧凑，外壳可传递扭矩，因而有利于减轻发动机的结构重量。此外，它的火焰筒与单管燃烧室相似，联管型燃烧室。联管型燃烧室 环形燃烧室 它是由四个同心的圆筒组成。在燃烧室的外机匣和内壳所形成的腔道中，安装着环形的火焰筒。在火焰筒的头部装有一圈燃油喷嘴和火焰稳定装置。环形燃烧室的气流通道与压气机出口和涡轮进口的环形气流通道可以有很好的气动配合，因而可以减少流动损失，并可以缩短燃烧室头部的扩压段。且可以得到较均匀的出口周向温度