燃气轮机导论课件

燃气轮机概论

燃气轮机是以连续流动的气体（空气和燃气）为工质，将燃料内含的化学能转变为有用功的动力机械。由于其转子高速旋转，因而也称为旋转叶轮式热力发动机。 燃气轮机正常工作时，需要不断地从外界吸入空气（工质），并完成压缩升压、燃烧加热、膨胀做功、排气放热四大过程，即实现一个热力循环后，才能连续地把燃料中的化学能通过热功转换成机械功输出。 用于天然气输气管线增压的离心式压缩机采用燃气轮机作为驱动机是一种理想的选择。燃气轮机有启动快、维护简便、压气站可以设在没有电力供应的荒漠、容易实现遥控、适于直接驱动高速负载（如离心压缩机）等一系列优点。

1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于1900～1904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出机械功的燃气轮机，但效率太低而未获得实用。 1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为13％、功率为370kw，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。 随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，在30年代中期出现了效率达85％的轴流式压气机。与此同时，涡轮效率也有了提高。在高温材料方面，出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。 1939年，在瑞士制成了4Mw发电用燃气轮机，效率达18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始迅速发展。 随着高温材料的不断进展，以及涡轮采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高，单机功率也不断增大，在70年代中期出现了数种100Mw级的燃气轮机，最近几年生产的重型机组甚至高达130Mw。 与此同时，燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验；1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它以1.86MW的燃气轮机作加力动力；1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后，燃气轮机在更多的部门中获得应用。

在燃气轮机获得广泛应用的同时，还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置；50～60年代，出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活塞燃气轮机装置，但由于笨重和系统较复杂，到70年代就停止了生产。此外，还发展了柴油机与燃气轮机的复合装置；另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统，可有效地节约能源，已用于多种工业生产中。 燃气轮机的工作过程是，压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入涡轮中膨胀作功，推动涡轮转子带着压气机转子一起旋转。加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机起动时，需要用起动机带着旋转，待加速到能独立运转后，起动机才脱开。 燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环。此外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环。此外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。

燃气发生器主要由压气机、燃烧室和燃气涡轮三大部件组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。 燃烧室和涡轮不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最恶劣的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。 对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。 燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚重，大修周期长，寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻，所用材料一般较好，其中以航机改燃气轮机的结构为最紧凑、最轻，但寿命相对较短。 与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量，重型燃气轮机一般为2～5千克/千瓦，燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高，在部分负荷下效率下降快，空载时的燃料消耗量高。 不同的应用部门，对燃气轮机的要求和使用状况也不相同。天然气管道增压压缩机驱动用燃气轮机的功率在30～50MW。100Mw以以上的重型燃气轮机则用于于与蒸汽轮机联合循环的发电机组。简单开式热力循环燃气轮机（二）

一、燃气轮机概述 燃气轮机（GasTurbine）是一种热动力机械。它由燃气发生器和动力涡轮两部分组成。燃气发生器的压气机吸入大气中的空气并予以增压，然后进入燃烧室和从燃料喷嘴喷出的气体或液体燃料混合并点火燃烧生成高温、高压燃气，燃气进入涡轮转换成机械功带动压气机。从燃气发生器流出的仍然具有相当高压力和温度的燃气在动力涡轮里转换成输出轴的机械功，带动被驱动设备：发电机、压缩机或其他设备 1.燃气轮机的主要优点：新燃气轮机研制快，成本低 由航空发动机改型的新型燃气轮机大多沿用了航机十分成熟的技术和使用经验(如1964年罗罗公司的Avon航空发动机改为燃气轮机之前已有1000万小时以上的运行经验),大量使用了原先航机的零部件，并用生产航机的设备及工装来制造燃气轮机，从而大大减少了生产成本，节约了研制资金和加快了投产周期。项目建设周期短，投资少 燃气轮机结构十分紧凑，需用工作地面积较小，对厂房建设要求简单，因而建设快，投资费用少。按1990年的数据，燃气轮机发电每千瓦的建设费平均为350美元，是汽轮机-燃气轮机联合循环方式费用的1/2，煤发电的1/4，仅及核电的1/6-1/7。燃气轮机效率高 由于采用性能更好的材料，改进冶金工艺方法（定向结晶，单晶），采用了有效的叶片内部冷却技术（对流，冲击，气膜）来降低温度，还在叶片上施加耐高温的保护层（渗铝，气相沉积）等，改善了叶片的耐高温性能，使燃气轮机涡轮前的温度得到极大提高，从而有效地改进了燃气轮机的效率。如燃气轮机-汽轮机联合循环系列的燃气轮机涡轮前温度可高达摄氏1430℃，机组效率达到了创记录60%，燃气轮机结构紧凑，轻巧 航机改型的燃气轮机结构紧凑，有很高的功率/重量比，机动性好，是沙漠，边远地区，移动式电站以及海上平台最适用的动力装置。起动快，自控程度高 起动快，起动功率低是燃气轮机的一个突出的优点。对于电力系统的高峰和应急电源供应有很好的适应能力。电子技术的发展和进步，使燃气轮机的控制已经达到非常迅速和可靠的程度。除了在滑油，燃料气等系统上还沿用反馈机理控制外，主要的系统已采用自适应，多余度，自动修正的控制方式，保证了机组的可靠正常运行。维护，修理方便 燃气轮机，特别是航机改型的燃气轮机沿用了单元体结构方式，修理和更换十分方便。必要时可以在十多小时中拆卸和换装新单元体，换下来的单元体经过修理/大修后可作为备件使用。运行成本低，适应能力强 航空发动机的燃料消耗率的不断改进，使航机改型的燃气轮机的燃料消耗也随之降低。如罗罗公司由新型航空发动机改型的Trent30船用机组（36,000千瓦）的燃料消耗率仅为0.207千克/千瓦-小时，使燃气轮机的燃料使用费用相应减少，此外，燃气轮机的工作寿命也已足够的长（翻修寿命可达30000-50000小时），维护，修理方便，减少了停机损失，这一切使燃气轮机的运行成本大为降低。另外，燃气轮机可使用多种燃料，如天然气，煤油，煤层气，重油，高炉气等，具有很强的适应能力。排气污染小 由于燃气轮机使用了设计更为合理的，干低污染（DLE）的燃烧室及采用喷水等技术，使燃气轮机排气的Nox，SOX成分降低，排放污染情况得到较大的改善。如日本川崎重工的（Kawasaki）L-20A燃气轮机（18MW）烧天然气时的排放物NOx低于23ppm（ppm-百万分之一），CO为25ppm，达到了较低的水平，对更好地满足环境/健康/安全（EHS）的有关要求非常有利。二.燃气轮机在工业和舰船领域的应用2.1发电 80年代以来，发达国家以燃气轮机以及燃气轮机-汽轮机联合循环作为发电方式的应用日益增多，1987年美国燃气轮机发电量首次超过其他形式的发电量，专家预测，到2020年全世界燃气轮机发电可能会接近50%左右。燃气轮机发电较好地解决了高峰及应急用电及自备电源问题。发电应用是燃气轮机最为重要的市场领域。2.2机械驱动 石油和天然气行业也是燃气轮机驱动装置的重要应用部门，在油田注水、注气、输油、输气管道增压及其他驱动场合得到应用，包括在军用装甲车辆，坦克上的使用等。2.3舰船 到1998年世界上有56个国家在上千艘舰船上使用了燃气轮机作为动力，燃气轮机数量达2500多台。在民用高性能商用船舶上的应用也在增加。在1991至2000年的十年中总共生产了近千台舰船用燃气轮机。

从长远看，燃气轮机本身是一个高科技项目，有很严的技术要求，许多零件的技术要求并不比航空发动机低，如P&W公司FT-8燃气轮机的涡轮盘在进行机械加工时对加工过程的参数，刀具的锋利状况，表面层的变形程度和深度及金相组织均有严格要求，从而保证了零件在高温和恶劣的环境条件下仍然能有很长的使用寿命。燃气轮机从设计、材料到生产，使用，维修都需要一定的技术，知识和技能，参与燃气轮机的研发、生产、使用对提高我国的整体技术水平有很大的好处，另外燃气轮机的应用越来越广泛，其可靠性，经济性在发电行业已得到充分的确认，作为驱动装置也以其灵活、紧凑、可靠等方面显示出优良的综合性能。在舰船上的应用，在运输车辆上的使用大大地改善了效率,提高了战斗力及机动性，可以说注重燃气轮机的研发，生产和应用会对我国国民经济的发展起到积极的作用。 西航公司在民品项目中以航空技术作为基础，成功地开发、研制和生产了数种型号的燃气轮机和废气涡轮，有力地支持了有关部门的工作。在过去几年中还参与了多种型号进口燃气轮机的维修，修理和大修工作，提供的技术支持和技术服务得到用户的普遍好评。在国际合作方面，承接了美国通用电气（GE）公司LM2500涡轮盘的生产任务，由于交付及时，质量可靠，已获得对方批准免检直接进入该公司装配线，并成为该产品的惟一供应商，至今已为GE加工了数千件优质产品。此外，西航还为中美合作项目FT-8燃气轮机制造涡轮盘和其它零件。由于西航公司在燃气轮机维护保养，修理，大修和生产方面的丰富的经验以及技术实力，今后继续在有良好发展前景的燃气轮机项目上加大开发力度，必将会在经济和技术两方面带来双重收益。燃气轮机（三）Taurus（金牛座）60工业燃气轮机燃气轮机的性能指标有效功率Ne=Gwηm 式中 G动力涡轮燃气流量，kg/s