电站燃气轮机的结构分析

电站燃气轮机的结构分析

第1节燃气轮机整体结构的型式

1.1概述

在前几章中，我们已经阐明了燃气轮机循环、它们的主要组成部件，即压气

机、燃烧室和燃气透平的工作过程和原理。但是，这些工作过程与性能只有依靠

相当完善和可靠的结构才能实现。当然，在机组的结构上，不仅需要考虑热力和

气动性能方面的要求，而且还要考虑机械强度、工艺、装配和检修方面的要求。

此外，还必须充分注意燃气轮机在高温、高转速的条件下工作时所引起的一系列

问题。

由于机组在高转速条件下工作，在结构上必须注意转动部件的强度、振动和

对中问题。

当然，因高温而引起的结构问题尤为严重，其中有：材料的高温强度；零件

的热应力和热疲劳；高温条件下的腐蚀和热膨胀，以及由此产生的转动零件与静

止零件之间对中和间隙保证等等，这些问题都是在设计燃气轮机结构时，必须认

真研究解决的。

本章中我们将以一些最典型的燃气轮机为对象，对它们的主要零部件进行结

构分析，以使读者能对燃气轮机的总体结构，以及目前世界上主要的一些燃气轮

机的零部件特点有所了解和比较。

1.2燃气轮机整体结构的型式

目前，大中型燃气轮机的结构型式大致可以分为两大类，即工业型和航机改

装型。工业型机组是按照地面工作的要求设计的，它要求使用寿命长，能长期地

安全运行，能有较高的效率，力求少用贵重合金材料以降低机组的造价。航机改

装型机组则是把航空用的涡轮喷气式发动机、涡轮风扇式发动机、涡轮螺浆式发

动机、涡轴式发动机等进行改装设计后，用于工业和船舶的机组，它的主要特点

是：结构要比工业型轻巧、燃气初温高、机组效率高。相对于航机改装型机组来

说，工业型机组的质量较重，尺寸也较大，使用寿命一般需要按105h的要求来

设计。

目前，工业型机组已经完全排除了把压气机、燃烧室和燃气透平彼此分散布

置，用管道相互联接的分散布置型结构模式，而改为压气机、燃烧室和燃气透平

彼此直接联成一个整体的整体式结构型式。这种结构型式与航空燃气轮机有些相

象，因而它的结构也比较紧凑、质量较轻、尺寸也比较小，具有快速起动的特点。

随着整体式结构的推广和发展，逐渐出现了快装式机组，整台机组是在制造

厂内安装在底盘上的，它可以整体运输到现场，安装时燃气轮机只需与所带动的

负载(包括减速齿轮箱)彼此找正后，在现场只需花一个月左右的时间组装，就能

投入试运行。早期的快装式机组是装在厂房内的，称为户内快装机组。此后又发

展成为户外的快装机组，它不需要专门的厂房，而是用多块吸音板构件组成箱体，

把机组罩在其中，既有隔音作用，又可使机组在各种气候条件下都能正常运行。

这种箱式机组可以使整套燃气轮机装置的安装和建筑费用降至最低水平。

从燃气轮机自身的结构来说，可以有重型和轻型的区别。重型结构者零部件

都较厚重。它采用滑动轴承，机组的设计寿命在10万h以上，其比质量一般为

2-5kg/kW；轻型结构者质量较轻，结构紧凑，所有材料都较好，一般采用滚动

轴承，其比质量小于2kg/kW,其中以航机改装的燃气轮机为主体。前者多般用

于地面固定式的发电设备之中；后者常用于车、船等运输机械中。

必须指出：航机改装的燃气轮机已经对航机原型作了很多的改进，首先是需

要降温减速，以求有效地延长其工作寿命；部分零部件的材料也需要变更，以适

应地面的工作条件。此外，在航机的燃气发生器之后要加装动力透平，通常，动

力透平是按照重型燃气轮机的指导思想来设计的，其零部件都较厚重，而且采用

滑动轴承，以便提高使用的可靠性。

第2节GE公司生产的工业型燃气轮机的结构

GE公司的工业型燃气轮是于40年代后期，在TG180(即J-35)飞机发动机的

基础上发展起来的。

就单轴燃气轮机而言，目前GE公司生产的、用于50Hz发电的工业型机组

有MS5001PA、MS6001B、MS6001FA、MS9001E、MS9001EC和MS9001FA

等，它们的性能参数已列于第2章的表2-2中。

GE公司生产的燃气轮机的结构彼此是非常相似的。这些机组的结构特点是：

(1)他们都是整体式结构型式。压气机、燃烧室和燃气透平，包括压气机进

气机匣和燃气透平的排气扩压机匣，彼此联接成为一个整体，安装在同一个底座

±o一些辅助设备，诸如润滑油系统、冷却水系统、燃料系统、起动机系统、传

动齿轮箱等也都安装在另一个底座上。这样就能节省现场的安装时间和机组设备

的运输费用。

(2)MS6001B>MS9001E和MS9001EC型机组都是在燃气透平侧的热端输

出功率的，这样有利于减小压气机转子的传扭负载，但不利于排气扩压机匣与余

热锅炉的联接。MS9001FA和MS6001FA型机组则改为由压气机侧的冷端输出功

率的方案。这样就可以使燃气透平的排气扩压器直接与余热锅炉相联，有利于减

小流阻损失，但却会增大压气机的传扭负载，因而必须对压气机转子的传扭结构

参数进行调整。

(3)除MS9001E型机组为三轴承支承的方案外，其余几种机组均采用双轴承

支承的方案，两个轴承分别位于压气机和燃气透平转子的两端，这样可以使燃气

轮机的总体结构最简单。采用三轴承支承方案有利于改善转子的刚性，可以使压

气机后几级采用较小的径向间隙，略能提高压气机的效率。但是多了一个轴承将

使机组的结构复杂化，特别是对三个轴承的同心度要求很高，否则会由于轴承之

间同心度的偏差，而影响转子的临界转速。

(4)压气机由进气机匣、气缸、静叶、转子、动叶、气封和排气扩压缸等部

件组成。这些机组的压气机级数与压缩比和空气流量的变化关系如表7-1所示。

为了防止起动过程中压气机发生喘振，上述机组的压气机中都装有进口可转

导叶和1~2个中间级的放气口(MS6001B机和MS9001E机在第4和第10级后放

气；MS9001EC机在第13级后放气；MS9001FA和MS6001FA在第9和第13

级后放气)。进口可转导叶还能于联合循环运行时，

表7-1GE公司的某些单轴发电用燃气轮机压气机的参数

机型

MS6001BMS9001EMS9001ECMS9001FAMS6001FA

项目

压气机参数1717181818

压缩比11.812.314.215.415.0

空气流量/kg.J136.99403.70498.51645.02196.47

在一定负荷范围内确保透平前的燃气温度恒定不变，以求提高部分负荷的效

率。

压气机通流部分的前几级采用等内径的结构型式，其后各级则采用等外径的

结构型式。

1)压气机的气缸。气缸是压气机静子的核心，其他的静子部件，如静叶等

均固定在它的上面，它是整台机组的承力骨架，承受着机组的重量、压缩空气的

内压力以及其他的作用力。气缸必须刚性好，以防受力后发生较大的变形，致使

转子和静子在径向间隙处发生碰擦；或者使气缸发生振动，并导致静子各段之间

的同心度被破坏。

GE公司生产的燃气轮机之压气机气缸是采用具有水平中分面式的结构，并

把气缸沿轴向分为2-3段。分段气缸结构的优点是：①由于前后段温度的不同，

前后段可以采用不同的材料，例如：前段可用铸铁，后段则可以采用铸钢；②每

段气缸比较短，便于气缸内表面和静叶叶根槽的加工；③压气机一般需要在中间

级防喘放气，在每段的接合处可以设计成为一圈环状的放气口，使气流能沿圆周

方向均匀地流出，不至于对叶片造成不均匀的激振力。

前后段气缸之间的同心度是依靠垂直法兰上的定位止口来保证的。

进气机匣均采用单独的铸件，它们也是通过定位止口和垂直法兰，与压气机

气缸的前段相联的。进气机匣中收敛器流道的截面是不断缩小的，它能保证气流

在其中均匀地加速，并均匀地流入进口可转导叶。机组的轴承座的下半部分与机

匣的下半部分铸成整体。轴承承受的力是通过压气机匣传到气缸上去的。

压气机的后段，包括排气扩压器在内，是与燃烧室的进气环腔的前锥体铸成

一体的，它的扩压器是采用直线扩压器形式，这样可以获得较高的扩压效率。

2）压气机的静叶。压气机的静叶叶型和扭曲规律取决于压气机的热力和气

动设计。就结构而言，静叶如何安装固定到气缸上去，则是人们关注的问题。

在MS6001B型机组压气机中，1~4级静叶采用装

配式静叶环的结构型式安装到气缸上去的，如图7-1所

示。由图可知：每个静叶以轴向燕尾形叶根装到静叶外

环上去，然后把静叶外环沿周向装入气缸的槽道之中。

为了装配方便起见，通常可以把静叶外环分成几扇形

段。装配时一段一段地周向推入，借以减少摩擦阻力。

MS6001B型机组的5-17级压气机静叶则采用直接

装配式的静叶结构，如图7-2所示。在这种结构中在气1-静叶2-静叶外环3-气缸

缸上加工出T形的叶根槽，每片静叶也制备有T形的图7-1装配式的静叶环

叶根。静叶是一片一片地周向装入叶根槽中去的。

1-固定环2-导叶内环3-轴套4-导叶5-进气机壳

1-静叶2-气缸3-T形叶根槽

6-联动齿轮7-小齿轮8-外罩9-气缸

图7-2直接装配式的静叶结构图7-3可转导叶的结构

MS6001B型机组中进口可转导叶采用图7-3那样的结构型式。为了使叶片

能够旋转，把叶片的两端都加工成为轴颈，它们与轴套相配合，该配合应保证导

叶能够灵活地旋转，同时又能防止气体泄露。轴套必须采用自润滑性良好的材料

（例如：青铜）制作，以求保证具有较长的工作寿命。导叶的旋转是依靠联动齿轮

6,带动装在导叶上端的小齿轮7的转动来实现的。由于可转导叶比较长，为了

加强其刚性，都专门设置了导叶内环2。

为了保证同一列导叶的转动角度一致，应使联动齿轮与小齿轮之间的啮合处

无间隙。

3）压气机的转子。转子是由轮盘、轴和动叶等元件组成的高速旋转部件，

它必须具有足够的强度和刚度，以确保机组能够长期地安全而又可靠地运行。

由GE公司生产的燃气轮机中，压气机的转子采用了外围拉杆螺栓联接的盘

鼓式的转子结构型式，盘鼓式的转子是把各级轮盘在接近轮缘处的鼓环，用多根

细而长的拉杆螺栓，彼此压紧而连接成为一体的，因而它在接近轮缘处是一个转

鼓，这样，可以使转子具有很好的刚性。转子旋转时产生的离心力则是依靠轮盘

来承受的，致使这种转子也能具有很好的强度。

外围拉杆转子则具有多根均布在同一半径上的多根拉杆螺栓。拉杆就位于压

紧端面处，它是依靠压紧端面的摩擦力来传递转矩的。各轮盘之间则是依靠在接

近轮盘中心处的止口来定位的。为了减小转子旋转时外围拉杆上因离心力作用而

产生的弯曲应力，就要把拉杆设计成为沿长度方向有多处与轮盘上的孔彼此相配

合的结构型式。在这种结构型式中，轮盘上的拉杆孔径是大小相间的。在拉杆直

径恒定的前提下，这样就可以使得每间隔一个轮盘

后，孔与拉杆能相互配合一次。当然，在每段未配合n

的小段拉杆上仍然会产生弯曲应力，但由于段距较>2345k卷

小，它们很容易被控制在许可的范围之内。,玉

为了防止工作时拉杆螺栓松脱，就必须锁紧拉杆於鳗-上中

的两端螺母。在MS6001B型机组中是采用异形螺母

来锁紧拉杆的。在压气机转子的前端选用了扇形螺

母，它装在轮盘的槽中，装配好后就无法松动了。转尹

子拉杆的后端则采用了八角螺母，装配好后，可以靠-----------

7o

其中一个面与过渡轴的内圆表面贴合，运行时也不会

松动，如图7-4所示。“压气机转子2-扇形螺母3-螺

栓堵头4-内六角螺栓5-过渡轴

MS6001B型机组压气机的动叶采用轴向装配式6-压气机转子的拉杆螺母7-压气

的燕尾行叶根，叶根装在轮盘的叶根槽中，一般采用机转子的拉杆

有间隙的配合，这样可以降低加工精度，且便于装拆，并能避免对叶根槽产生预

应力。旋转时叶片能自动调位。叶片的轴向定位是采用轮缘冲钏的锁紧结构。这

种锁紧方式的缺点是更换叶片时需要重新冲钾，容易将轮缘端面损坏。由于GE

公司设计的压气机转子中各个轮盘的轮缘端面靠得很近，因而叶片的装拆必须在

转子解体的情况下进行，工作量很大。

4)压气机部件的制造材料。压气机的机匣一般采用球墨铸铁铸造而成的。

MS9001EC和MS9001FA型机组中，静叶和动叶均采用C450和403+C6不锈钢

制造；前几级叶片上还喷涂GECC-1型防腐蚀涂层；转子则选用CrMo,NiCrMo

和CrMoV,NiCrMoV钢制造。

(5)燃烧室采用逆流式分管型式结构型式，如第4章图4-1和图4-8所示，

这样能缩短整台机组的轴向长度，有利于改善整体转子的刚性，并使燃烧室能够

作全尺寸、全参数的调整试验。

表7-2GE公司某些单轴发电用燃气轮机中燃烧室的情况

机型

MS6001BMS9001EMS9001ECMS9001EAMS6001FA

项目

燃烧室个数101414186

每个燃烧室中的喷油

11666

嘴数量

喷油嘴总数10148410836

适用的燃料品种天然气、轻天然气、轻

天然气、轻天然气、轻天然气、轻

油、渣油、油、渣油、

油油油

原油原油

目前，GE公司生产的燃烧室共有2种火焰管直径尺寸，一种为媳68mm,

它被用于MS3000、MS5000和MS6000系列的机组上，另一种为8358mm,它

被用于MS7000和MS9000系列的机组上。由于机组容量的差异，燃烧室的个数

可以有所不同。

在MS6001B和MS9001E型燃气轮机中可以燃用天然气、轻油、渣油和原

油等多种燃料，它们采用第4章图4-3那样的空气雾化式的双燃料喷嘴，在高负

荷工况下依靠喷水或喷蒸汽的方法，来控制NOx的排放量。在MS9001EC、

MS9001FA和MS6001FA型机组中则采用第4章图4-8那样的干式低NOx燃烧室,

它们只能燃用天然气和轻油，而不能燃用渣油等劣质燃

料。

随着燃气透平前温度的提高，燃烧室出口过渡段的冷

却必须加强。为此，在MS9001FA和MS6001FA型机组

上专门设计了一种有冲击冷却效果的过渡段结果，如图

7-5所示。该过渡段是双壳体型式的，内过渡段被一个形

状相同的、钻有许多小孔的外套包围着。从压气机流来的图7-5双壳体的有冲击

压缩空气可以通过这些小孔，形成射流去冲击冷却内过渡冷却妁果的过滤的

段。该多孔的外套是用AISI-304不锈钢制成的；内过渡段是用Nimonic263制作

的，并在其内表面喷涂耐热涂层，这样可以使金属的温度梯度减至最小。

燃烧室的外壳选用SA/516-55钢制造，火焰管的前段用HastelloyX制造,

火焰管尾部278mm长的那一段则改用HS-188材料制造，火焰管的内表面上均

喷涂有耐热的涂层。

（6）燃气透平由气缸、静叶（又称喷嘴）、转子、动叶、气封和排气扩压器等

部件组成。在GE公司设计的上述工业型燃气轮机中，虽然压气机的压缩比各不

相同，但燃气透平均设计成为3级，即透平级的焰降是比较大的，但级的效率却

相对地略有降低。减少燃气透平的级数有利于简化燃气轮机的整体结构，并使制

造成本降低。

图7-6中给出了MS6001B型燃气轮机燃气透平的示意图。

1）燃气透平的气缸。由于透平的级数很少，因而透平气缸的轴向尺寸要比

压气机短很多，又由于透平气缸采用双层结构并有空气进行冷却，致使透平气缸

前后的工作温度相差不大，因而透平气缸一般不再轴向分段，而是选用只有水平

中分面的、上下两半的单个气缸的结构型式。通常，气缸是用耐热铸钢或球墨铸

铁铸造的。

在MS6001B型燃气轮机中，透平的静子部分是设计成为双层结构型式的，

其外层为气缸，内层则由静叶（又称喷嘴）的外缘板和护环等元件组成的。气缸是

与高温燃气隔绝的，这样不仅可以有效地降低气缸的工作温度，以便采用较差的

材料；同时还能减少气缸的热膨胀量和热应力；并能减少对气缸的热冲击，有利

于机组的快速起动和加载，还有利于控制透平动叶顶部径向间隙在运行之中的变

化。

在采用双层结构型式后，外层气缸的温度低，它主要用来承受机组的重量、

燃气的压力和其他作用力；而内层的温度高，使其主要用来承热。显然，这是一

种承力件与承热件分开的结构型式。承力件温度低，就可以选用较差的材料制作;

承热件承力小，就能设计得较薄，致使热应力较小，具有较强的抗热冲击的能力。

1-过渡轴2-压气机的后气缸3-拉杆螺栓4-一级静叶的内支承环5-一级静叶6-燃气导管

7-一级静叶的持环8-透平气缸9-一级保护10-一级劫叶11-二级静叶12-二级保护

13-二级动叶14-三级静叶15-三级保护16-三级动叶17-排气扩压器18-排气扩压

机壳19-盖板20-后轴承前密封21-后轴承座上盖22••后轴承23-后轴承后密封

24-透平后半轴25-三级轮盘26-三级静叶内环27-二、三级级间轮盘

28-二级轮盘29-二级静叶内环30-一、二级级间轮盘31-一级轮盘

图7-6MS6001B型燃气轮机中的燃气透平

双层静子的内层是采用不分段的持环和分段护

环的结构型式。透平的静叶装在持环和护环之间，而

护环则装在气缸上。与高温燃气接触的护环采用沿圆

周方向分成许多扇形段的结构方案，如图7-7所示。

这样可以减小零件的尺寸，有利于减少热应力和提高

抗热冲击的能力。每个扇段均用径向销钉定位。扇段

相邻的端面则做成矩形齿，以便扇段之间相互嵌入，

以防护环前后漏气。齿端处需留有间隙，供周向膨胀

之用。此外，还设置密封片，以防从齿端的膨胀间隙

中漏气。

不与燃气接触的持环，温度略低，可采用不分扇1-密封片2-护环扇级13-矩形齿

段的结构型式，如图7-8所示。那时，持环分为上、4-护环煽段口5-膨胀间隙

下两半，在水平中分面处用螺栓联接成整体。在持环图7-7扇段护环的结构

上则装有静叶组，它可以使持环与燃气隔绝。同时A腔中还有冷却空气流入，

以冷却静叶，因而持环的温度比较低。持环两侧的水平中分法兰搁置在气缸上，

并被压住；上下两端则用偏心销左右定位。总装时可改变中分法兰搁置处的垫片

厚度，来调整持环的高低位置；用转动偏心销来调整持环的左右位置，以确保持

环和透平转子的同心。由于水平搁置处和偏心销部位都有径向间隙，又都是沿径

向布置的，因而持环可以自由热膨胀，以保证热对中。

1-气缸2-持环3-扇形护环4-静叶组5-偏心销

图7-8具有水平中分面的持环之固定结构

2）燃气透平的静叶。透平的静叶被高温而且温度不均匀的燃气所包围，在

起动和停机时承受的热冲击又最严重，因而需要用能耐高温和耐热冲击的耐热钻

基合金铸造，甚至需要用空气进行冷却。

为了加强叶片的刚度，不使在不均匀的高温温度场中发生扭曲或弯曲变形，

GE公司的机组中采用了精铸多片式静叶组，如图7-9所示。静叶是空心的，其

中通以空气，以便进行冷却，冷却空气由静叶尾缘处开设的小孔中流出。

与扇段护环相仿，每个静叶组要用销钉定位，在静叶组之间要留有热膨胀间

隙，此外还要加装密封片，以防漏气。

由于静叶的焰降大，为了减少级间的漏气，在静叶的下方需设置内环，其上

将装有气封，如图7-6所示。静叶内环也是采用扇段结构型式。

a）五叶组b）带有冷却小孔的两叶组

图7-9精铸的静叶组

3）燃气透平的转子。如图7-6所示，GE公司设计的燃气轮机中采用外围

拉杆型式的透平转子，它们是依靠压紧面上的摩擦力传递转矩的。每级轮盘上都

轴向地开出根树形叶根槽，如图7-10所示。这种叶根槽的优点是：①多对齿承

力，强度好，承载能力大；②尺寸紧凑，连接质量轻，可以使动叶的叶根接近于

等强度设计；③采用有间隙的松装结构，能自由热膨胀，可以让冷却空气从间隙

中流过，由此增强了对叶根和轮盘之轮缘的冷却效果。

图7-10柳树形叶根槽的齿形

在GE公司设计的燃气透平中采用的带有根树形叶根的长柄式动叶片。所谓

长柄（颈）式叶片是指在叶片平台与叶根之间，通过较长的、A-A断面为工字型的

“柄（颈）”来连接的动叶结构，这种长柄叶根结构虽然增大了叶根所承受的离心力,

但它却有以下一些明显的优点，即：①减少了叶片对轮盘的传热，在配合以空气

的冷却后，可以使叶根齿和轮缘的温度大大地降低；②改善了叶根齿中第一对齿

的承载条件和叶根应力的不均匀程度；③可以合理地使用材料。因为锲基合金在

650~810℃之间时会出现“塑性低谷”现象，当采用长柄结构后，该现象正好出现

在长柄区。由于长柄部分的应力状况要比叶根处简单，又不承受冲击载荷，材料

的韧性差一些也无妨。否则“塑性低谷”现象将在叶根齿上发生，对承载不利。在

根树形叶根的底平面上均开设有小孔，以便通入冷却空气，使叶根得以冷却。

轴向装配的根树形叶根，像压气机的燕尾形叶根那样，需要轴向锁紧，以防

叶片轴向脱落。在MS6001B行机组中采用卡圈锁紧装置，它

是用钢丝交替地嵌入叶根和轮缘上开出的槽道中。

MS6001B型机组中的三级透平动叶都是精铸叶片，一级

和二级叶片是冷却叶片，中间有冷却空气孔。一级叶片的叶

顶无叶冠，采用图7-11那样的唇状减薄叶顶，这样可以减小

动叶与护环之间的径向间隙，由可保持顶部原有的叶型，有图7-11透平动叶顶部中间去

利于减少端部损失。当叶顶万一与护环碰撞时，也只能磨去掉部分材质、的一、一唇状减薄叶顶

少量金属。二级和三级叶片采用带气封齿的Z形叶冠，这样可以使动叶面调

贴合在一起，形成一个环带（或称围带），有利于减少顶部的漏气损失，并能对叶

片的振动起阻尼作用。各级叶根均为长柄三对齿式的根树形结构。由于一级动叶

工作区域的温度最高，因而长柄部分的长度就最长；二级动叶的长柄长度次之，

三级者最短。图7-12中给出了在MS9001FA型机组中采用的三级动叶顶部的结

构示图，由此可以形象地看清其结构特点。

图7-13上则给出了MS6001B型机组中，透平第一级动叶、第一级护环、

第一级静叶（喷嘴）、第二级动叶、第二级护环和第三级静叶的结构图，它能帮助

我们更形象地了解这些部件的结构形状，以及它们相互之间的配合关系。

a）第一级动叶b）第二级动叶1-第一级动叶2-第一级护环3-第二级静叶

-第二级动叶-第二级护环-第三级静叶

c）第三级动叶456

7-气封8-转子9-气缸

图7-12MS9001FA机组中图7-13MS6001B型机组中

透平动叶的顶部结构透平动叶和静叶的配置关系

4）燃气透平的冷却结构。目前使用的燃气轮机都采用从压气机中抽取空

气，来冷却透平的静子、转子和叶片的方法。由于燃气初温的不断增高，冷却空

气量已增大到压气机进口空气量的10%以上,这对于改善燃气轮机的效率有负面

作用，因而今后有采用水蒸气来冷却燃气透平的趋向。

首先，让我们讨论一下透平转子和静子的冷却问题。图7-14上给出了

MS6001B型机透平的冷却系统图，它可以帮助我们举一反三地来理解GE公司

生产的其他机组的冷却结构。

图7-14MS6001B型燃气透平的冷却系统

按照透平冷却部位所需压力的不同，冷却空气将从压气机的不同级中抽取。

其中有两股抽气是用来冷却气缸和静叶的，另外的三股则用来冷却转子。冷却静

子的第一股空气是取自压气机的出口，它经过燃烧室过渡段周围的空腔引来，其

中较多的部分流入第一级静叶的持环，再流入一级静叶内部的冷却流道，在冷却

静叶后，从静叶出气尾缘的小孔中排至主燃气流中去。另一部分空气则经一级护

环去冷却第二级静叶，其中有一部分再经第二级护环去冷却第三级静叶。流入第

二级静叶的空气在冷却叶片后，有一部分从静叶的出气边排到主燃气中去，另一

部分则从内环前端的孔流出，去冷却第一级叶轮的出气侧和第二级叶轮的进气

侧。第二股冷却空气是从压气机的第5级中引出的，它经气缸上均布的一圈孔道

在冷却气缸后，进入排气扩压壳与扩压器之间的外腔，再经扩压机壳上肋板处的

流道流入内腔，最后从第三级叶轮的出气侧流入扩压器中。因而，第二股空气兼

有冷却扩压机壳和第三级叶轮出气侧的功效。

冷却转子的第一股空气是从压气机出口处的气封部位流过来的，到转子的进

气侧去冷却第一级叶轮的进气侧。第二股空气则是从压气机的第16级经转子内

部的流道引来的，其中大部分空气流入第一级动叶的内部去进行冷却，然后从叶

顶排到主燃气流中去；其余的一部分空气则用来冷却第二级动叶，另外一部分却

流至第三级叶轮的出气侧，对二级叶轮的出气侧和第三级叶轮的进气侧进行冷

却。止匕外，从压气机第五级引入后轴承密封的空气，有一部分要漏入转子的出气

侧，对其进行冷却。

由此可见，MS6001B型机组的气缸和转子都冷却良好。由于每级叶轮的进

气侧面和出气侧面都有冷却空气流过，可以使这些金属表面与高温燃气完全隔

开，冷却效果显然是良好的。因而，燃气轮机可以在燃气初温很高的情况下长期

安全运行。

下面，让我们讨论一下透平叶片的冷却问题。

众所周知：为了提高燃气轮机的初温，需要从改善高温合金材料的性能，以

及提高叶片的冷却效果这两方面着手。据统计：近30年来高温材料的工作温度,

平均每年提高10C左右，因而冷却叶片的效果所致的燃气初温之提高程度，则

要比由于材料改进所获得的效果大两倍，其研究费用仅为开发新材料费用的四分

之一。因而冷却叶片的应用是燃气轮机技术发展中的

突破性进步。

叶片的冷却方式有对流冷却、冲击冷却和气膜冷

却三种。冲击冷却的实质与对流冷却方式相同，只是

冷却空气的流动方向是冲向被冷却的壁面，形成冲击

状态，由此可以提高冷却效果。气膜冷却是指在叶片

的表面形成一层冷却空气的薄膜，使叶片表面与高温

图7-15MS6001B机组中

第一桀静叶的冷却结构

燃气隔开，同时又冷却叶片。

为了强化透平静叶的冷却，人们往往把几种冷却方式一起使用，称之为综合

冷却方式。图7-15中给出了MS6001B型机组中第一级静叶的综合冷却结构，它

在静叶的内部装有一个导管，导管上开有多排冲击冷却空气的流出孔。当冷却空

气流入导管并从这些流出孔流处时，可以在静叶的内表面形成多处冲击冷却。在

静叶的出气边部位除了有一排气膜冷却小孔外，叶片内部还有一排对流冷却小

孔，这样可以增强对出气边的冷却。

图7-16中给出了在MS6001B型机上透平的第一级和第二级动叶片上采用的

冷却结构，冷却空气从叶根底部的小孔流入，从叶顶的小圆孔中排出，其中一级

动叶有12个小圆孔通道，二级动叶因燃气温度较低，而只有4个小圆孔通道。

这种冷却结构是纯对流冷却方式，便于动叶片的精密铸造。

随着燃气初温的进一步提高，一级动叶也有采用综合冷却方式的，图7-17

中给出了MS9001FA机组上透平第一级动叶采用的冷却结构，它可以使燃气初

温tB(FiringTemperature)提高到1288℃。它除了有对流冷却外，在头部有冲击冷

却，还有多处气膜冷却，为了增强对出气的冷却，在冷却流道内还铸有多排针状

的肋条，以求增强换热效果。该叶片的冷却结构是模拟航空发动机CF-6上的动

叶结构精铸的。

图7-16MS6001B型机组中第一、二级动叶图7-17MS9001FA机组上采用的第一级动叶

的冷却结构的冷却结构

⑺GE公司设计的MS6001B型燃气轮机组的转子在两端支承，前轴承座位

于压气机进气机壳内，后轴承座则位于透平

扩压器机壳内。机组从排气端（即热端）输出功

率。从图7-18中可以看出：该机组的前后两

端均用钢板支承，由于钢板较薄，能发生弯

曲弹性变形，这种支承钢板又称弹性钢板。

前弹性板支承在进气机匣与压气机气缸联接

的垂直法兰之下部，与前轴承座很靠近，该

支承板沿机组的轴线方向可以作弹性弯曲变

形，即允许机组轴向移动。后弹性板支承在

透平气缸后端靠近水平中分面的地方，位于

气缸与透平扩压机壳相联的垂直法兰的旁

1-底盘2■•进气机壳3-前弹性板4-压气机气缸

边，与后轴承座很靠近，它是一侧一块的结5-后弹性板6■■透平气缸7-透平打压器机壳

构型式,能沿机组的横向（即左右方向）作弹性8-纵向导键9••导键座

弯曲变形（即允许机组左右热膨胀）。

由于后弹性板沿轴向的宽度较大，刚性好而难于发生轴向变形，因而该处气

缸的轴向位置就被固定住了，加上气缸底部有纵向导键，它将使气缸的中心位置

又被固定下来了，因而该处就是机组的绝对死点。通常，绝对死点总是设置在机

组的功率输出端，这样可以使功率输出端部位的轴向热膨胀位移量为最小。

当机组工作时，在前后两个支承之间，气缸的轴向热膨胀量将由前弹性板的

弹性变形所吸收；在后弹性板处，气缸的径向变形则有后弹性板的弹性变形来吸

收。当机组的前后弹性板的受压稳定性良好时，而且与气缸和底盘的联接牢固可

靠时，就能构成一个良好的支承系统，使机组被可靠地支承固定，工作时既能自

由热膨胀，又能保持中心不变。

第3节Siemens公司生产的工业型燃气轮机的结构

Siemens公司的工业型燃气轮机是由KWU公司开发的。燃气轮机的设计始

于1948年；1954年制造出t3*=1000℃的水冷式燃气轮机的原型机；1960年投

运了8MW的高炉煤气燃气轮机；1961年投运了25MW的燃气轮机；1964年调

试了70MW的完全补燃式的燃气一蒸汽联合循环；1971年投运了52MW的V93

型燃气轮机的原型机；1974年投运了90MW的V94型燃气轮机的原型机；1984

年应用V94.2型114MW的燃气轮机组成750MW的完全补燃式的联合循环；1990

年开发了Siemens公司第一台60Hz的燃气轮机——103MW的V84.2机组；1990

年V94.2型燃气轮机的功率已增至138MW,并采用超低NOx的混合燃烧器，使

机组的NOx排放量（体积分数）低于9X10Q1990年又开发了第三代燃气轮机

—53MW的V64.3机组，进而研制了V94.3型、V84.3型机组。1994年启动了

第一台170MW的V84.3A机组，并以此机组为母型，发展成为240MW的V94.3A

机组和70MW的V64.3型机组。目前，Siemens公司生产的50Hz的燃气轮机有:

V94.2、V94.3、V64.3、V94.3A和V64.3A几种，它们的功率和性能参数见第2

章表2-3。其中A型机组是环型燃烧室，只能燃用天然气和轻质液体燃料，尚不

能燃用低热值煤气。

图7-19上给出了V94.3型机组的纵剖面图。实际上V94.3A和V64.3A型机

组与V84.3A者相似，它们的模化倍率是：V94.3A:V84.3A:V64.3A=1.2:1:0.67。

图7-19V94.3型燃气轮机的纵剖面图

实际上，以上五种机型的总体结构，除了燃烧室外，彼此是非常相似的。这

些机组的结构特点是：

（1）它们也都是整体结构型式。

（2）这五种机型都是在压气机的冷端输出功率的，这样，可以使燃气透平

的排气扩压器直接与余热锅炉联接，排气是轴向的，流阻损失较小。

（3）它们都是双轴承支承方案。

（4）图7-20中给出的是Siemens公司生产的燃气轮机中压气机与燃气透平

转子的总体结构图，它也是盘鼓式的转子结构，但是只用一根中心拉杆，通过各

轮盘外缘压紧面处的端面齿，来对中、压紧和传递转矩的。采用这种固紧方式的

优点是：各轮盘之间不再需要定位止口，工作时各轮盘因温度不同而热膨胀不一

致时，两轮盘之间的端面齿处可以相互滑动，自动对中，并减少了相互之间的作

用力。端面齿与中心拉杆配合使用时，转子的装拆甚为方便。但是端面齿的加工

精度要求高，制造较难。显然，这种转子结构具有质量轻，刚性和强度都好的特

点，同时便于快速起动。

1-压气机转子2-多排可调的压气机静叶3-端面齿4-轮盘5-有空气冷却的燃气透平的进气壳体

6-燃气透平的转子7-排气扩压器8-中心拉杆

图7-20中心拉杆的盘鼓式转子结构

（5）Siemens公司生产的单轴发电用燃气轮机压气机的参数如表7-3所示。

表7-3Siemens公司某些单轴发电用燃气轮机压气机的参数

型

V94.2V94.3V64.3V94.3AV64.3A

项目

压气机级数1717171515

压缩比11.116.616.116.616.1

空气流量/kg.s/513.93623.7191.87639.58198

从V94.2到V94.3,进而到V94.3A型机组的发展，压气机的设计有很大的

改进。在V94.2型机组中17级压气机的压缩比只有11.1,进口导向叶是可调的,

其他各级的静叶则固定，是不可调的；但当发展成为V94.3和V64.3型机组时，

压气机的级数仍然为17级，而压缩比则增至16.6和16.1,那时，进口导叶不仅

可调，前三级静叶也设计成为可以调节的了。在发展成为V94.3A和V64.3A型

机组时，压缩比仍然为16.6和16.1,那时，

进口导叶不仅可调，前三级静叶也设计成为可

以调节的了。在发展成为V94.3A和V64.3A

型机组时，压缩比仍然维持为16.6和16.1,

但压气机的级数却减少到只有15级，质量流

量大约增大了5%,这是由于流经前五级流道

曲面内径型线有较陡的增加，致使动叶片的总

圆周速度较高的缘故，同时压气机的前两级动

叶片采用了按可控扩压翼型设计的叶片型线

和扭型，这种叶型可以减少过高的局部速度，1-透平前温度2-透平的排气温度

并通过较均匀的减速可以防止气流的分离，此3-透平的排气流量4■•压气机的压缩比

外，还尽量减少入射冲角。这种叶片扭曲得更图7-21Siemens公司的机组前四级压气机

厉害，而且弦长更大，如图3-4所示。其第一静叶向■调享叱叁:和右台荷的期住关系

级动叶片是跨音速的，静叶也更弯曲，尤其是顶部。在3A型机组中，又恢复到

只有压气机的进口导叶是可调的方案。

压气机静叶采用多级可调的目的不仅对于防止喘振有用之外，还可以提高部

分负荷工况下机组的效率，它能使负荷从100%降至50%时，燃气透平的排气温

度维持恒定不变。按这种调节方式运行时，机组的透平前温度、透平的排气温度、

透平的排气流量以及压气机的压缩比随机组负荷的变化关系如图7-21所示。

V94.3A机组压气机的气缸是由三段组成的，第一段进气机匣；第二段是压

气机气缸的主段，其上有两个抽气口(一个在第4级静叶之后，另一个在第9级

动叶之后)；第三段与燃烧室外环腔的一部分合二为一，通过两组持环分别组装

第9~13级和第14-15级的静叶栅。压气机的气缸可

以对称的进行径向和轴向的热膨胀，压气机的全部叶

片可以在不吊出转子的条件下拆卸。为此，静叶片固

定环的下半部可以围绕转子向上转动。从图3-4中可

以发现，压气机动叶的叶根是燕尾形的，它们将轴向

的被装入到各级的轮盘上去。

(6)Siemens公司生产的机组中，燃烧室的结构

设计前后有很大变化，在V94.2型机组中每台机组设

置两个直立式的圆筒形燃烧室，每个燃烧室上则装设

8个如图4-18所示那样的干式低NOx的混合型燃烧

器，其实物照片如图7-22所示，在V94.3和V64.3

型机组上，每台机组则设置两个水平卧式的圆筒形燃

烧室，如图7-23所示。图7-24上则给出了在V64.3

型机组上采用的一个水平卧式的圆筒形燃烧室的结

构，它的出口段用成型的陶瓷块拼装而成的。从燃烧

室出口到燃气透平环形入口之间的过渡段也是用成囹7-??干式低NO.的混合•型燃烧器

型的陶瓷块拼装而成的，其上还喷涂以耐热和耐磨蚀的涂层。

a)V94.3型机组b)V64.3型机组

图7-23V94.3和V64.3型机组上燃烧器的布置

1-燃烧器2-人孔3-陶瓮材料制作的出口段4-支承钢架5-保温层

图7-24V64.3型机组上采用的水平卧式的圆筒形燃烧室

在V94.2和V94.3型机组中燃气过渡段分别采用单壳体设计方案和双壳体设

计方案，如图7-25所示。在V94.2型机组中壳体的壁厚12mm,它完全依靠空

气的对流冷却方式进行冷却。在燃烧室出口温度tA=1120℃的条件下，过渡段内

壁的温度已达850℃o在V94.3型和V64.3型机组中则改为双壳体的设计方案，

用陶瓷材料制成的内壳体的厚度仅6mm,内壳体之间留有隙缝，从中可以流过

一定数量的冷却空气，使其在内壳体的内表面

上形成冷却空气膜，使壳体内壁与高温燃气隔

开，这样就可以改善冷却效果，因而在保证过

渡段内壁的温度为850C的前提下，却可以使燃

烧室的出口温度tA升高到1350℃。

在V94.3A和V64.3A型机组中燃烧室改为

环形燃烧室结构形式,如图4-22和图4-23所示,

在V94.2机组上配置了24个尺寸较小的干式低

NOx的混合型燃烧器，这样既可以使机组的结

构大为紧凑，而且能使透平前的燃气温度场比

较均匀。该燃烧室的内环管和燃气过渡段都是

用耐热的陶瓷材料拼装而成的。

值得一提的是：在V94.2、V94.3和V94.3A

机组的燃烧室上都开设有人孔洞，检修人员可

a)V94.2型机组上采用的单壳体设计方案

b)V94.3型机组上采用的双壳体设计方案

图7-25燃气过渡段的结构与温度情况

以进入圆筒型和环形燃烧室中去，对燃烧室和燃气透平的第一级静叶作现场检查

和维修，甚为方便。

显然，在V94.2和V94.3型机组上由于采用了空间尺寸较大的圆筒型燃烧室，

因而它们都比较容易改烧低热值煤气；但是由于V94.3A机组中采用了空间尺寸

较小的环形燃烧室，改烧低热值煤气就很困难，目前尚未实现。

（7）由Siemens公司生产的上述5种工业型机组的燃气透平均设计成为4

级，根据Siemens公司的设计观点认为：无论就热力学、气动效率，还是从冷却

空气消耗所造成的损失之间的关系角度来看，四级透平的结构是最佳设计。事实

也是这样，从表2-2和表2-3中可以发现：初参数相当的机组的效率确实要比采

用3级透平的GE公司的机组略高一些。

在V94.3A型机组的设计中，除了第四级动叶片之外，透平所有静叶片和动

叶都是用空气冷却的

在V94.3型机组中，采用的冷却空气的抽取方式：冷却空气分别从第4级静

叶后，第9级静叶后，第13级静叶后，以及第17级静叶后的排气腔中抽取的，

第17级静叶后的一部分压缩空气还需经空气冷却器的冷却降温后，才被用来冷

却第1级静叶，第1级叶轮和动叶；第2、3、4级叶轮和动叶（第4级的动叶除

外）则用第13级静叶后的抽气来冷却的；第2级静叶、第3级静叶和第4级静叶

却是分别用第13级静叶后、第9级静叶后，以及第4级静叶后的抽气来进行冷

却的。当然燃烧室的燃气过渡段则是用的17级静叶后压气机的排气来进行冷却

的。显然，这种冷却方式是很合理的。但在V94.3A型机组中，由于第1级静叶

和动叶获得了深度的膜式冷却，空气冷却器就可以省去不再使用了。

图7-26上给出了V94.2型机组上第1级静叶和第1级动叶的冷却结构。

,冷却空气流出

a)b)

a）第1级静叶b）第1级动叶

图7-26V94.2型机组上第1级静叶和动叶的冷却结构

在V94.3型机组中第1级动叶是有叶冠的，借以减小径向间隙，但在V94.3A

型机组中，所有各级动叶都是没有叶冠的，所有动叶均采用双齿式的根树形叶跟,

以轴向装配方式装入叶轮上的根树形叶根槽中，它们都是自由叶片。

叶片选用单晶体的耐热合金材料制作。

从图7-20上都可以看到，透平气缸采用空气冷却的双层结构，它通过持环

来固定透平的静叶。

(8)机组的绝对死点是置于压气机进气侧功率输出端的前轴承部位。

Siemens公司生产的工业型燃气轮机的结构

第4节ABB公司生产的工业型燃气轮机的结构

ABB公司的工业型燃气轮机是由原BBC公司开发的。图7-27给出了GT8C

型燃气轮机的纵剖面图。

1••进其涡壳2-压气机3-圆筒型燃烧室4-燃气透平

图7-27GT8C型燃气轮机的纵剖面图

与GE公司和Siemens公司生产的机组相比，ABB公司生产的燃气轮机比较

偏向于重型结构型式，特别是在压气机和透平结构方面，相当程度上受到蒸汽轮

机结构设计的影响。但GT24和GT26型机组则已摆脱了传统设计模式，向较轻

的工业结构方向发展。ABB公司的机组虽然比较笨重，但很结实耐用。综观全

貌，ABB公司的机组具有一下一些特点：

(1)它们也都是整体式结构型式。

(2)这些机组都是在压气机的冷端输出功率，燃气透平采用轴向排气方式，

便于与余热锅炉联接、流阻损失较小。

(3)都采用双轴承支承方案。

(4)图7-28中给出了ABB公司GT13E2机组上采用的压气机与燃气透平转子

的总体结构图，它是一种与盘鼓式结构类似的转子结构。由图可知：它是由许多

个大型盘鼓锻压件和两端的半轴、用焊接方法组合成一体的。它的优点是结构简

单、机加工量少、刚性好，轴的稳定性好，不会发生各盘鼓之间的松动现象，没

有紧固拉杆，因而不会出现拉杆的腐蚀、开裂等故障，从而无需对转子进行定期

维修。其缺点是转子质量大，焊接工艺要求高。

1-半轴2-枫树形叶根槽3-焊接缝4-周向也根槽5-大型盘鼓锻压件

图7-28GT13E2机组的盘鼓式焊接转子

在ABB公司生产的工业型燃气轮机中，压气机与燃气透平的转子都选用与

图7-28类似的结构，只是盘鼓锻压件的数量彼此有所不同而已。

（5）ABB公司生产的单轴发电用燃气轮机压气机的参数如表7-4所示。

表7-4ABB公司某些单轴发电用燃气轮机压气机的参数

机型

GT8CGT11N2GT13DGT13E2GT26

项目

压气机级数1216182122

压缩比15.715.011.914.630.0

空气流量/kg.s」179.2375.1394.2532.1545.3

在GT26型机组中压气机有很大的发展。22级的单轴压气机之压缩比增为

30。据称：压气机的前四级新叶型是按照“可控扩压”原理设计的，它具有很高的

等端压缩效率和良好的喘振裕度，有利于部分负荷下可靠地运行。“可控扩压”

原理特别有利于高亚音速流的头几排叶片。此外，在压气机的后几级中采取了特

别措施，以确保叶尖与气缸之间的间隙很小，这对于提高短叶片级的效率和喘振

裕度都有重要作用。该压气机的进口导叶、第一、二级静叶都是可以调节的，它

可以使机组在100%到60%负荷之间，空气流量线性地减少，压缩比也按比例地

降低，而确保机组的排气温度几乎保持恒定为设计值610℃。从100%负荷到25%

负荷这阶段内，第一级燃烧室的排气温度（也就是第一级透平前的燃气温度）是保

持恒定不变的。GT26机组的排气温度、第一级透平的进气温度以及第二级透平

的进气温度（也就是再热燃烧室的排气温度）随负荷的变化关系如图7-29所示。这

种调节方式有利于提高机组部分负荷工况下的效率。图7-30中给出了用GT26

机组组成的联合循环机组KA26-1之热耗率随负荷之变化关系，与常规的联合

循环机组者的对比关系，可以看到这种调节方式优越性。

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尽

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豢相对功率加年

1-第一级透平前的燃气初温2-第二级

透平前的燃气初温3-机组的排气温度

图7-29GT26机组变工况条件下燃气初温与图7-30KA26-1联合循环机组与常规的联合循环

排气温度的变化关系机组的热效率随负荷之变化关系的对比

显然，对于图7-28那样的压气机转子来说，只能采用周向装入式的叶根槽,

如图7-31所示。

从图7-27上可以看出：压气机的气缸是由好

几段气缸，通过垂直中分而和水平中分面，以螺栓

联接成为一个整体的。一般在气缸上还开设3~4个

抽气口，有的还设置防喘放气阀。对于GT26型机

组来说，压气机的转子是用12CrNiMoV铁素体钢

锻造后焊接的；气缸是用ASTMA-536球墨铸铁铸

造的；压气机的前15级是用高倍含量的钢(A-565

和A-705)制造动叶和静叶的，用A-477钢来制造

16~22级的动叶和静叶。压气机的前几级叶片无需

喷防腐复盖层。

图7-

(6)ABB公司生产的工业型燃气轮机中，一般

根据燃料的性质不同，可以采用三种结构型式的燃烧

室，它们是：①标准