电站燃气轮机轴流式压气机的结构与性能要求

电站燃气轮机轴流式压气机的结构与性能要求结构概述压气机是燃气轮机中的一个重要部件，它的作用是实现燃气轮机热力循环中的空气压缩过程，以求连续不断地向燃烧室提供高压空气。目前，在燃气轮机中应用得较广的压气机类型有轴流式压气机和离心式压气机两种，图3-1和图3-2中分别给出了这两种压气机的结构示图。a)轴流式压气机的通流部分示意b)轴流式压气机的纵剖面1-进口收敛器2-进口导流器3-工作叶轮4-扩压叶列5-转子6-汽缸(或机匣)7-出口导流器8-出口扩压器9-端轴图3-1轴流式压气机的示图a)工作叶轮的进口速度三角形b)双面进气式离心压气机1-进口导流器2-工作叶轮3-扩压器4-机匣图3-2离心式压气机的示图在轴流式压气机中，气体质点大体上是在圆柱形回转面上沿轴线方向流动的(参见图3-1a)。在离心式压气机中，气体质点则主要是沿着工作回转面的离心方向作径向流动(参见图3-2b)。1-进口可转导叶2-叶片(动叶)3-静叶4-气缸5-工作叶轮(转轮)6-主轴图3-3轴流式压气机的结构示图a)旧式叶片a)旧式叶片b)按可控扩压原理设计的新叶片1-扭曲式叶身2-叶根图3-4压气机的动叶片结构由图3-3可知：安装在转轮5或整体式转鼓上的转子是由许多叶片(动叶)2，与主轴6一起组成的一个高速回转部件。安装在转轮上的一圈叶片是一个叶列，称为工作叶栅或动叶栅。叶栅中的叶片称为工作叶片或简称为动叶。轴流式压气机的叶片是由叶身和叶根两部分组成的，如图3-4所示。其中叶身是叶片与空气流相互作用的部分。通常，叶身的整体形状是扭曲式的，它的断面形状薄而宽，厚度由根部向颈部逐渐减小。叶根则是叶片固定到转轮或转鼓上去的部分。叶根的形状有纵树型、燕尾型等多种形式。在燃气轮机中压气机的转子由燃气透平带着一起旋转。压缩空气所需要的耗功是由燃气透平提供的，并通过压气机转子上的各个叶片传递给空气流。静子则是由许多圈叶片3安装在气缸上而组成的静止部件(参见图3-3)。静子上的一圈叶片称为导流器或静叶栅，组成导流器的叶片称为导流叶片或简称为静叶。通常，静叶断面形状的厚度比动叶者薄，因为它承受的机械应力要比动叶小。静叶的厚度也是从根部向顶部逐渐减小的(当然也有等厚度的静叶)，其扭曲程度也常比动叶小。压气机机匣进口处的气流通道称为进气道，出口处称为排气道。在压气机进口端的第一列工作叶栅前，有时在机匣(气缸)上安装一圈附加的静叶栅，称为进口导叶栅，现在经常把它做成为可以旋转的，借以改变气流的导流方向。在机匣(气缸)出口端的最后一列导流叶栅的后面，有时也附加一圈静叶栅，称为出口整流叶栅，它是把气流整流导向到轴向流动的装置。在轴流式压气机中动叶栅和静叶栅是沿着轴线方向交替排列的。在每一列动叶栅的后面都有一列静叶栅。由各列叶栅的通道组成的压气机轴向通道就是空气的流动通道，称为压气机的通流部分。一列动叶栅与它下游方向的一列静叶栅共同组成轴流式压气机的一个级。通常，轴流式压气机都是由若干个级组合在一起，成为一个多级压气机。对于轴流式压气机来说，一个级的增压比只有1.15~1.35左右，而整台燃气轮机的总压比ε*却要高得多，因而在燃气轮机中轴流式压气机必然是多级的。对于离心式压气机来说，在工作叶轮中流动的气体，由于能够得到离心力的帮助，因而一个级的压比就有可能达到3~4.5，甚至更加高一些。但是其气流流动的路线却比较曲折，因此，其压缩效率要比轴流式压气机的低。当然，多级离心式压气机的效率会更低一些。通常，轴流式压气机的效率可以达到87%以上，而离心式压气机效率只有84%~85%左右，甚至在80%以下。在离心式压气机中，由于受材料强度的制约，工作叶轮的尺寸不能做的太大，因而进入这种压气机的空气流量就会受到限制，即使把工作叶轮设计成为双面进气的型式，如图3-2b所示，其空气流量仍然不能做得很大。轴流式压气机的情况则不然，它的空气流量可以做得很大，而且多级轴流式压气机的效率又比较高，因而，在近代大功率的燃气轮机中，几乎毫无例外地都采用轴流式压气机作为压缩空气的基本设备。通常，离心式压气机只在中小型燃气轮机中有所应用。压气机的级是轴流式压气机中能量交换的基本单位，所以级的工作原理就成为研究整台多级压气机的理论基础。对轴流式压气机的性能要求为了适应高效、大功率燃气轮机的发展需要，必须要求轴流式压气机的性能按以下方向发展，即：增大压气机的空气流量，它将受限于压气机的机械强度和高速气动特性的影响。目前，大功率燃气轮机中，轴流式压气机的空气流量已经做到670kg/s。为了进一步增加燃气轮机的单机容量，压气机的空气流量尚需进一步增大。提高单转子压气机的压缩比，适应高温、高效率燃气轮机发展的需要。目前，单转子压气机的压缩比已达到23-30，远远超脱了以往长期徘徊于12~15之间的局面。为此，必须提高压气机的级压缩比，改善级与级之间气流流动的匹配特性。改善压气机的效率。如第2章所述，可以用等商压缩效率η*y来描写压气机效率之高低。由于轴流压气机一般要消耗燃气透平所发功率的60%左右，因而改善压气机的效率，以减少燃气轮机中空气压缩的自身消耗，是至关重要的