电站燃气轮机的结构分析

电站燃气轮机的结构分析燃气轮机整体结构的型式概述在前几章中，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。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2~5㎏/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2㎏/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。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：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，安装在同一个底座上。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。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。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。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项目MS6001BMS9001EMS9001ECMS9001FAMS6001FA压气机参数1717181818压缩比11.812.314.215.415.0空气流量/kg·s-1136.99403.70498.51645.02196.47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。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。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。1-静叶1-静叶2-静叶外环3-气缸图7-1装配式的静叶环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。在这种结构中在气缸上加工出T形的叶根槽，每片静叶也制备有T形的叶根。静叶是一片一片地周向装入叶根槽中去的。1-静叶2-气缸3-T形叶根槽1-固定环2-导叶内环3-轴套4-导叶5-进气机壳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。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。1-压气机转子1-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6-压气机转子的拉杆螺母7-压气机转子的拉杆图7-4压气机转子与过渡轴的联接为了防止工作时拉杆螺栓松脱，就必须锁紧拉杆的两端螺母。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。转子拉杆的后端则采用了八角螺母，装配好后，可以靠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。MS6001B型机组压气机的动叶采用轴向装配式的燕尾行叶根，叶根装在轮盘的叶根槽中，一般采用有间隙的配合，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铆的锁紧结构。这种锁紧方式的缺点是更换叶片时需要重新冲铆，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。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。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项目MS6001BMS9001EMS9001ECMS9001EAMS6001FA燃烧室个数101414186每个燃烧室中的喷油嘴数量11666喷油嘴总数10148410836适用的燃料品种天然气、轻油、渣油、原油天然气、轻油、渣油、原油天然气、轻油天然气、轻油天然气、轻油目前，GE公司生产的燃烧室共有2种火焰管直径尺寸，一种为φ268mm，它被用于MS3000、MS5000和MS6000系列的机组上，另一种为φ358mm，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。图7-5双壳体的有冲击冷却效果的过渡段在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图7-5双壳体的有冲击冷却效果的过渡段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。从压气机流来的压缩空气可以通过这些小孔，形成射流去冲击冷却内过渡段。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。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，即透平级的焓降是比较大的，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。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10-一级动叶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1-密封片1-密封片2-护环扇级Ⅰ3-矩形齿4-护环煽段Ⅱ5-膨胀间隙图7-7扇段护环的结构不与燃气接触的持环，温度略低，可采用不分扇段的结构型式，如图7-8所示。那时，持环分为上、下两半，在水平中分面处用螺栓联接成整体。在持环上则装有静叶组，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钴基合金铸造，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。由于静叶的焓降大，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枞树形叶根槽，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枞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枞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。因为镍基合金在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。在枞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。图7-11透平动叶顶部中间去掉部分材质的、唇状减薄叶顶之示图轴向装配的枞树形叶根，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。图7-11透平动叶顶部中间去掉部分材质的、唇状减薄叶顶之示图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，有利于减少端部损失。当叶顶万一与护环碰撞时，也只能磨去少量金属。二级和三级叶片采用带气封齿的Z形叶冠，这样可以使动叶的叶冠贴合在一起，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枞树形结构。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c）第三级动叶1-第一级动叶2-第一级护环3-第二级静叶4-第二级动叶5-第二级护环6-第三级静叶7-气封8-转子9-气缸图7-12MS9001FA机组中透平动叶的顶部结构图7-13MS6001B型机组中透平动叶和静叶的配置关系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。此外，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10℃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。图7-15MS6001B机组中第一级静叶的冷却结构图7-15MS6001B机组中第一级静叶的冷却结构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、二级动叶的冷却结构图7-17MS9001FA机组上采用的第一级动叶的冷却结构1-底盘1-底盘2-进气机壳3-前弹性板4-压气机气缸5-后弹性板6-透平气缸7-透平扩压器机壳8-纵向导键9-导键座图7-18MS6001B型燃气轮机的支承和固定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。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－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9X10-6；1990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：它们也都是整体结构型式。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。它们都是双轴承支承方案。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机型项目V94.2V94.3V64.3V94.3AV64.3A压气机级数1717171515压缩比11.116.616.116.616.1空气流量/kg.s-1513.93623.7191.87639.58198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，并通过较均匀的减速可以防止气流的分离，此外，还尽量减少入射冲角。这种叶片扭曲得更厉害，而且弦长更大，1-透平前温度1-透平前温度2-透平的排气温度3-透平的排气流量4-压气机的压缩比图7-21Siemens公司的机组前四级压气机静叶可调时，某些参数岁负荷的变化关系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。图7-22干式低NOx图7-22干式低NOx的混合型燃烧器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-陶瓷材料制作的出口段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℃。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850℃的前提下，却可以使燃烧室的出口温度tA升高到1350℃。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。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。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枞树形叶跟，以轴向装配方式装入叶轮上的枞树形叶根槽中，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。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-枞树形叶根槽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项目GT8CGT11N2GT13DGT13E2GT26压气机级数1216182122压缩比15.715.011.914.630.0空气流量/kg.s-1179.2375.1394.2532.1545.3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，它具有很高的等熵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。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排气温度的变化关系图7-30KA26-1联合循环机组与常规的联合循环机组的热效率随负荷之变化关系的对比1-周向装入式的叶根槽1-周向装入式的叶根槽2-压气机动叶3-锁紧螺钉图7-31ABB公司生产的机组上采用的压气机周向装入式的叶根槽从图7-27上可以看出：压气机的气缸是由好几段气缸，通过垂直中分面和水平中分面，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级是用高铬含量的钢(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。(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标准的圆筒型燃烧室(SBK)，如图7-32所示。在这种燃烧室的头部采用挂片式气膜冷却结构(图7-33)、大型的包角旋流器和切向孔面积可以调节的离心式喷油嘴，它适用于燃烧重油和低热值煤气，每台机组上仅设置一个直立式的圆筒形燃烧室，该燃烧室是按照扩散燃烧原理设计的，需要用喷水或喷蒸汽的方法来控制NOx的排1-包角旋流器2-挂片式冷却结构1-包角旋流器2-挂片式冷却结构3-火焰筒4-燃烧室外壳图7-32SBK圆筒型燃烧室1-冷却挂片2-由挂片组成的火焰管内壁3-火焰管的外衬筒4-挂片5-肋片6-冷却空气图7-33挂片式的气膜冷却结构(7)由ABB公司生产的工业型机组的燃气透平的级数因功率的大小而异，GT8C机组上采用了3级燃气透平，透平的静叶装在静叶持环上，持环则装在透平的气缸上，透平的动叶则采用轴向装入式的树型叶根形式。向持环通以冷却空气，可以冷却静叶顶部的固定件。GT11N2机组上有四级燃气透平；GT13D、GT13E2和GT26机组上则设计成5级燃气透平。增加透平级数有利于改善等熵膨胀效率，但机组结构较笨重。在GT26机组中四级透平是有空气冷却的，第一级透平静叶是用MAR-M247C材料精铸的，它采用冲击，对流和气膜复合冷却结构，冷却空气量比较少，其表面温度的设计值低于899℃，第二、三、四级静叶是用IN378LC材料精铸的，叶片内部装入一个插入件，以便形成单一的冲击式冷却结构。第一级透平动叶是用IN378LC或CM247LC合金材料精铸的，后几级均用MAR-M247C材料精铸。前四级动叶内部设计成蛇形通道，以便流过冷却空气，进行对流冷却。透平的动、静叶片都喷涂有SV20(NiCrAIY)高温的防腐涂层。后三级动叶装有围带。透平气缸是用A-356(Gr.6)钢和球墨铸铁铸造的，它具有水平中分面。透平的排气缸分成两层，外壳为碳钢，内衬用奥氏体不锈钢制作。(8)机组的绝对死点置于压气机进气侧功率输出端的前轴承部位。(9)ABB公司生产的工业型燃气轮机大都选用变频器，使发电机作为变速的同步电动机来起动燃气轮机。一台变频器可以用来起动多台燃气轮机，可靠性很高，还可以快速再起动。珠江天然气发电有限公司MS9001FA燃气轮机结构MS9001FA燃气轮机主要性能参数如表7-5所示表7-5MS9001FA燃气轮机主要性能参数燃气轮机参数联合循环参数输出功率255.6MW净输出功率390.8MW热耗率9757kJ/kWh热耗率6350kJ/kWh压比17.0:1电厂净效率56.7%质量流量641kg/sec转速3000rpm排气温度602°C型号PG9351FA概述MS-9001FA是一种为简单蒸汽燃气联合循环而设计的单轴燃气轮机，它包括空气进气装置、压气机、燃烧系统、燃气轮机、废气系统、支持系统六大主要部分。当燃气轮机起动时，从环境来的空气被压气机通过空气进口设备收集、过滤并加压。为了起动时的震动保护，压缩机出口阀门开启，可调进气口导向叶片关闭。当趋于高速运转时，出口阀门开始自动运行，进气口导向叶片的电机也开始供电，使导向叶片按燃气轮机正常需求运行。从压缩机出来的压缩空气流进燃烧室周围的环状空间，从这里再流进燃烧室壳体与耐火层之间的通道，最后再由每个耐火层的测量孔进入燃烧区域。从远端来的燃料循序提供给每个燃烧器，燃烧器有主要和次要之分，最后覆盖每个燃烧室。喷嘴引入燃料至每个燃烧室里面的燃烧区域，燃料在此与助燃空气混合，并由一个或者更多的火花塞点燃。燃料一旦在某一燃烧室点燃，立刻通过联焰管传播到其他所有的燃烧室。在点燃的燃烧室中，安装有四个火焰探测器，它们设置在燃烧室缸体的凸缘上。从燃烧室出来的热燃气流进单独的过渡区段，这些区段附在燃烧室衬垫尾部。燃气从这里进入三级涡轮，驱动涡轮旋转，从而带动发电机发电。尾气进入排气扩压器，然后由烟囱排入大气。基座和支撑涡轮的基座燃气轮机的基座是钢结构，包括焊接的梁和平板。它的首要功能是支撑燃气轮机的重量。起吊轴颈和支撑各设两处于基座的每一边，和底座的两种交叉结构在同一直线上。基座每一边底部的机械垫片有利于固定地基。在底座两边顶上的机械垫片，用来固定涡轮的支撑。涡轮的支撑MS9001FA燃气轮机具有位于压缩机尾端的刚性腿型支撑，和位于涡轮尾端支撑顶部和底部的枢轴。每一支撑点内表面都有一水套，冷却水在里面循环。冷却水起到最小化热量扩散和辅助维持涡轮与负载设备的调准。各支撑点维持燃气轮机轴向和垂直方向的位置，而两个凹型楔片外加涡轮支撑点则维持横向位置。一个凹型楔片位于尾气装置的后半区，另一个位于前燃烧室缸体的后半区。楔片与焊接于燃气轮机基座横梁上的导向块相吻合，它们被螺栓安全地夹持于导向块的适当位置，螺栓是用于承担基座。这种楔块结构，在燃气轮机允许轴向和径向运动的时候，有效地阻止了燃气轮机的横向运动或转动，从而阻止热量扩散。压气机轴流式压气机包扩转子和缸体。在压气机缸体内部是可调进气口导向叶片、各级转子、静叶片和出口导叶。转子燃气轮机涡轮转子的压气机部分由一群叶轮、一个速度环、若干连接螺栓、压气机转子叶片和一个向前的短轴组成。(见图7-34)图7-34压气机转子每个叶轮的外围都开有槽孔。动叶片和垫圈嵌入这些槽孔中，并通过槽孔尾端的标定线保持其轴向位置。叶轮之间通过有同心控制作用的匹配榫头组装起来，并用连接螺栓连接在一起。叶轮选择性的配置在装配期间被用来减少平衡修正。装配结束后，转子是动态平衡的。前端短轴被制造来提供推力环，该推力环支撑向前和尾端的推力负荷。前端短轴也为一号轴承提供止推轴颈，为一号轴承油封和压气机低压气封提供封接面。第17级叶轮既支撑动叶片，也为高压气封和压气机燃气轮机连接法兰提供封接面。定子压气机的缸体由进口缸体、压气机主缸体、压气机排气缸体三个主要部分组成，它们和涡轮缸体连接在一起，形成燃气轮机主要结构。它们在轴承支撑点支持转子，并组成燃气环面的外墙。所有这些缸体都是水平分离的，以便维修。1)进气缸体如图7-35所示，进气缸体位于燃气轮机前端末尾。它的最主要的作用是使空气均匀进入压气机。进气缸体也支撑一号轴承组件。一号轴承下半部分支座完全与内部支撑铸在一起。上半部分轴承支座是一个单独的铸件，由法兰和螺钉与下半部分连接。内部支撑通过九个螺旋桨状的径向支柱布置于外部承口。这些支柱浇铸在承口壁上。它们还从临近缸体转移结构负载至连接到本缸体前面的支撑。图7-35压气机进气缸体和一号轴承可调进气口导向叶片安装在进气缸尾部，和一个控制环与小齿轮装配在一起，小齿轮与一个液压驱动器和连接臂装配连接。这些叶片的位置对压气机进口空气流量起调节作用。2)压气机主缸体压气机主缸体前端包含0-4级压气机定子。压气机下半部装备有两个大型完整的铸造耳轴，这两个铸造耳轴是在燃气轮机与其基座分离时用来提升燃气轮机的。压气机主缸体后部包含5-12级压气机定子。后部缸体抽气口允许放出第13级压缩空气。这些空气是作冷却用途的，也用在起动和停机时的震动控制。3)压气机排气缸体压气机排出缸体是压气机单元最后一部分。它是最长单缸体，置于正中央，在前端和后端支撑之间，是燃气轮机结构的重点有效部分。压气机排气缸体包含最后一级压气机定子，形成压气机扩散段的内外壁，并和压气机和涡轮缸体连接在一起。排气缸体也支撑燃烧室外缸体和第一级涡轮喷嘴。压气机排气缸体由两个圆筒组成，其中一个是压气机缸体的延续，另一个是围绕压气机转子的内圆筒。这两个圆筒由14根径向支柱定位于同一中心轴上。扩散段由位于排出缸体外部圆筒和内部圆筒之间的锥形环面形成的。扩散段把一部分压气机排气动能转化成排气静压。4)叶片安装压气机转子和静叶片都是螺旋桨形的，能在叶梢高速旋转的情况下有效地压缩空气的。静叶片由整齐有序的楔形榫头嵌于压气机轮缘上。楔形榫头尺寸和布置都是非常精确的，目的是确保每个静叶片都精确安装在轮缘的预期位置上。压气机静叶片都是螺旋桨形的，用相似的楔形榫头装配进前五级环形片中。环形片被插入位于缸体内圆周凹槽里，并用锁键固定位置。剩下各级静叶片都有一个正方形的基座楔形榫头，它们被直接插入缸体内圆周凹槽里，也用锁键固定位置。DLN-2型燃烧室燃烧室系统是由18个环绕在压气机排气缸体外围的回流式燃烧室组成的，如图7-36所示。由燃气流向来看，燃烧室是从左上方开始逆时针方向编号的。这个系统也包括燃料喷嘴、点火系统、火焰探测器和联焰管。燃烧室中燃料燃烧产生的热气体流经缓冲冷却过渡段进入涡轮。压气机排出的高压空气被导进过渡段周围。一部分空气进入缓冲套筒里面的孔，冷却过渡段，并流入套筒。其余的空气由套筒底部的孔进入套筒与燃烧室耐火层之间环面。如图7-37和图7-38所示。这些空气通过喷口盖组进入燃烧区域使燃料完全燃烧。燃料通过燃烧室上的5个喷嘴进入燃烧室，这些喷嘴具有合理调配燃料空气比例和充分混合的功能。图7-36典型MS9001FADLN-2燃烧系统布置图7-37所示的双燃料DLN-2燃烧系统是一个单级的，双模型燃烧室适用于气体和液体燃料。当燃机处于低负载(<50%负载)时，是扩散燃烧，当燃机处于高负载(>50%负载)时，是预混燃烧。当燃烧器超过负载范围处于扩散燃烧时，需要注入二次空气消除NOx的生成。燃烧室外壳和流动套筒燃烧室外壳作为燃烧室的受压壳层。它们同样具有为燃料喷嘴端盖而设置的法兰、联焰管法兰和备选择的火花塞、火焰探测器、错误起动防止装置。流动套筒(如图7-38所示)形成的顶盖和衬垫组之间的环形空间引导助燃空气和冷却空气进入反应区域。为了维持缓冲套筒压差，联焰管、火花塞和火焰探测器的开口处都用滑动垫圈密封。图7-37典型MS9001FADLN-2燃烧系统图7-38流动套筒联焰管所有的燃烧室都用联焰管相互连接。燃烧室外壳和一个外部联焰管相连，而燃烧室耐火层主要区域由内部联焰管相接在一起。燃料喷嘴端盖每个燃烧室都有一组为数5个的燃料喷嘴。图7-39和图7-40所示为DLN-2型燃料喷嘴的剖面图。图示喷嘴为双燃料型的，标出了扩散气体、预混气体、油和水的流径。如图7-39所示，安装端盖的时候，4个燃料喷嘴的扩散通道是从一个共同的主总管加载的，主总管设置在端盖里面。同样4个喷嘴的预混通道是从另一个内在的次总管加载的。余下喷嘴的预混通道是由第三燃料系统供应的；这些喷嘴的预混通道通常由压气机排气冲刷，并没有燃料通过。图7-39可选择双燃料DLN-2燃料喷嘴顶盖和衬筒图7-41为燃烧室衬筒，开有外部沟槽和常规冷却狭槽作冷却用。衬筒内表面和顶盖都是隔热层，涂上隔热层是为了降低金属温度和热梯度。图7-42和图7-43所示为顶盖，顶盖具有5个从属于各燃料喷嘴的预混室管路。它由薄膜冷却和缓冲冷却共同作用冷却，其内表面涂有隔热层。(进图7-42和图7-43)图7-41燃烧室衬筒图7-42燃烧室顶盖图7-43燃烧室顶盖（从气流方向看）火化塞燃烧采用火花塞点火。火花塞用螺钉固定在燃烧室外壳的凸缘上，并嵌入临近燃烧室的衬筒和流动圆套筒里。图7-44所示为一组典型的火花塞。这些火花塞由电容器供电。点火的时候，一个或者多个火花塞的火星点燃燃烧室里的燃气；其余燃烧室通过相互连接的联焰管点火。图7-44火花塞紫外火焰探测器在起动阶段，有必要把火焰燃熄与否的情况传到控制系统。因此，使用了由若干火焰探测器组成的火焰监视系统，具体位置见图7-36。图7-45和图7-46为火焰探测器，它具有水冷却套，用来维持允许工作温度。紫外火焰传感器包含一个充满气体的探测器。该探测器里的气体对碳氢化合物化合物产生的紫外线非常敏感。由放大器提供的直流电压加到探测器终端。有火焰的时候，探测器的电离气体允许电流传导，从而诱导电子设备发出有火焰标志。相反，火焰熄灭则发出无火焰标志。图7-45火焰探测器图7-46水冷火焰探测器4个火焰探测器的信号被送到控制系统。控制系统利用一个内在的逻辑系统测定是否存在火焰。涡轮三级涡轮是将压气机和燃烧室产生的高温高压燃气内能转化成机械能的设备。MS9001FA燃气轮机包括涡轮转子、涡轮缸体、排气装置、排气扩压器、喷嘴和轮盖。涡轮转子1)结构图7-47为涡轮转子，它由前后轮轴、三级涡轮转子，通过定位片和涡轮叶片组装起来。由涡轮轮缘、轮轴和定位片控制同轴性。各轮子通过位于轮轴和定位片上螺栓和法兰连接起来。合理布置各转子是为了使平衡修正最容易。图7-47涡轮转子2)轮轴涡轮转子中间轴从第一级透平叶片延伸到压气机转子尾端凸缘。涡轮转子尾轴包括第二个支承轴颈。3)转轮第一、二级轮缘之间和第二、三级轮缘之间的定位片决定了单个轮子的轴向位置。这些定位片支撑密封隔板。前部和后部端面的1-2号定位片留有供冷却空气通道的径向缝。涡轮叶片用枞树形的楔形榫头组装在一起，这些楔形榫头刚好适合涡轮轮缘的缺口。所有三级涡轮的叶片都是精密铸造的长柄叶片。长柄叶片有效地防护轮缘和叶根，当产生叶片震动机械阻尼时，免受高温气体破坏。作为震动阻尼的进一步预防，第二和第三级叶片在叶片尾端有联锁护环。这些护环能够减少叶片末端漏气，从而起到提高涡轮效率的作用。叶片护环上的径向齿和定子上的楔形面连接在一起，构成一个迷宫式密封阻止燃气从叶片尾端泄漏。图7-48展示了典型的MS9001FA燃气轮机第一、二、三级涡轮叶片。叶片尺寸从第一级到第三级的增加是由压力降低决定的，压力降低伴随着能量的转化，同时，气体体积增加，需要增加环面面积来通过气流。图7-48MS9001FA第一、二、三级涡轮叶片4)冷却冷却涡轮转子是为了维持其允许的运行温度，从而确保其运行寿命。采用从压气机抽出的正压冷空气进行冷却，冷空气通过位于涡轮轮缘和定子之间的空间径直释出，汇入主燃气流。这片区域叫做叶轮间隙。图7-49为涡轮冷却空气流。图7-49涡轮部分冷却空气局部图5)第一级叶轮间隙第一级叶轮前端间隙用压气机排气冷却。在压气机转子尾端的转子与压气机排气缸体内套筒之间安装有迷宫式密封。透过这个密封的泄漏供给到通过第一级叶轮前端间隙的空气流。这一空气流在第一级喷嘴尾端注入主气流。第一级叶轮后端间隙的冷却是由从压气机的第13级抽取来的空气通过第二级喷嘴冷却的。这些空气在第二级喷嘴前端返回到燃气主气流。6)第二级叶轮间隙第二级叶轮前端间隙用透过级间密封的第一级叶轮后端间隙的漏气来冷却的。这些空气在第二级叶片进口处汇入到主燃气。第二级叶轮后端间隙的冷却是由从压气机的第13级抽取来的空气通过第三级喷嘴冷却的。这些空气在第三级喷嘴前端返回到燃气主气流。7)第三级叶轮间隙第三级叶轮前端间隙是用透过级间密封的第二级叶轮后端间隙的漏气来冷却的，这些空气在第三级叶片进口处汇入到主燃气。第三级叶轮后端间隙是从排气装置的冷却空气环面获得冷却空气的。这部分空气流经第三级叶轮后端间隙，在排气扩压器入口处进入主燃气管路。8)叶片空气通过叶片楔形榫头基座上的高压气箱被引入每个一级叶片中，如图7-49所示。它蜿蜒流过延伸至叶片的冷却孔，在叶翼后缘和叶片末端流出。合理设置冷却孔以从螺旋翼获得最适宜的压缩空气量。图7-50为MS9001FA第一级叶片的设计图。图7-50MS9001FA燃气轮机第一级叶片冷却通道与第一级叶片不同的是，第二级叶片用流经螺旋翼的顺翼空气流来冷却的。和第一级一样，空气由叶片楔形榫头基座上的高压气箱被引入每个二级叶片中。同样，螺旋翼用热力循环所需最少空气量冷却。见图7-51。图7-51MS9001FA燃气轮机第一级叶片冷却通道第三级叶片不是中心空冷的。这些叶片的末端，如第二级叶片，附上了一层防护罩，该防护罩是尾端密封的一部分。这些防护罩一个挨一个互锁，以减少震动。涡轮固定部分1)结构涡轮缸体和排气装置构成了MS9001FA燃气轮机的主要固定部分。涡轮导向装置、防护罩和涡轮排气扩压器是主要固定部分的支撑。2)涡轮缸体涡轮缸体控制防护罩和喷嘴的轴向和径向位置。它决定涡轮间距以及喷嘴和涡轮叶片之间的相对位置。这些位置对于燃气轮机运行是苛刻的。被涡轮缸体包含的热气体