燃气轮机基础知识.

燃气轮机基础知识一、燃气轮机的简单工作过程燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)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，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气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。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，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。燃气轮机转子燃烧室产生的高温膨胀气体是同时作用到涡轮叶片与压气机叶片上，如何保证涡轮带动压气机正向旋转呢，简单说涡轮叶片工作直径大于压气机出口处的叶片工作直径，涡轮叶片的面积也大于压气机出口处的叶片面积，这就初步保证在同一压力下涡轮的输出力矩大于压气机所需的力矩，当然更重要的是压气机叶片与涡轮叶片的良好空气动力学设计才能保证两者高效运行。燃气轮机在设计时就要保证涡轮机输出的功率要大于压气机所需的功率，才能使燃气轮机在带动压气机的同时还能向外输出功率。轴流式压气机压气机负责从周围大气中吸入空气，增压后供给燃烧室，从工作原理上讲，主要有轴流式压气机与离心式压气机。离心式压气机工作原理与离心式鼓风机（或离心式风筒）相同，用得较少，这里介绍轴流式压气机。轴流式压气机的叶轮由叶片与叶盘组成，工作原理如同电风扇的叶片，电风扇的叶片旋转时拨动空气流动产生风；压气机的叶轮旋转把空气推进气缸压缩。为了生成高压空气，压气机在主轴轴向装有多级叶轮，若干叶轮固定在压气机的转轴上构成压气机转子，下图一个13级压气机的转子,转子上的叶片与主轴一同旋转，称为动叶。光有动叶还不能有效的压气，简单说，空气经过动叶后运动方向不单是轴向前进，还沿着动叶旋转的方向运动。这会使下级动叶的压缩效率大大降低。倘若这样一级级下去，压气机内的空气变成跟着转子旋转的气团，根本无法正常压气。在每级动叶后每插入一级静止的叶片（静叶），可改善这种状况。轴流式环管形燃烧室燃气轮机的燃烧室将燃料的化学能转变为热能，将压气机压入的高压空气加热到高温以便到涡轮膨胀做功，燃料为液体燃料（例如汽油）或气体燃料（例如天然气）。燃烧室外壳前面是通往压气机的空气入口，后面是通往涡轮的高温气体出口。燃烧室内有燃烧器，对于液体燃料，燃烧器把进入的燃料雾化从喷嘴喷出；对于气体燃料，燃烧器把进入的气体燃料扩散预混从喷嘴喷出，与压气机来的空气充分混合后燃烧，产生高温高压气体从过渡段出口喷出。在燃烧室内有火焰筒，燃烧器喷出的火焰在火焰筒内燃烧，火焰筒前段是主燃区，保证火焰正常燃烧；中段是补燃区，在火焰筒壁上有许多进气孔，让空气进入补燃，保证完全燃烧；后段是通向涡轮叶片的燃气导管，也称为过渡段。在燃烧室内的白色箭头线就是气流在燃烧室的流向。燃烧室气流方向环管形燃烧室目前燃气轮机的燃烧室主要有四种类型：圆筒形燃烧室、分管形燃烧室、环管形燃烧室、环形燃烧室，后两种用得较多，下面介绍环管形燃烧室。环管形燃烧室只有一个整体的燃烧室，环绕在燃气轮机的腰部，在燃烧室内有若干个火焰筒（包括过渡段）。下图是由12个火焰筒组成的燃烧室剖面图，12个火焰筒共用的空间就是燃烧室的空间，也就是燃烧段气缸内环绕主轴的空间。火焰筒绕燃气轮机主轴一周排列，过渡段出口对向涡轮叶片。燃烧室结构示意图轴流式涡轮涡轮也称透平。涡轮也分轴流式涡轮与径向式两类，燃气轮机大多数采用轴流式涡轮，简单说轴流式涡轮的工作原理就像风吹风车旋转一样，是靠燃气流对涡轮上的叶片作用使其旋转的，由于气流主方向与涡轮轴平行，故称之为轴流式涡轮。涡轮主要由涡轮叶片、涡轮盘（叶盘）、涡轮轴构成，涡轮上的叶片称为动叶，也就是带动涡轮轴旋转的叶片。涡轮机一般有一至四个涡轮，大多数燃气轮机的几个涡轮共一个转轴，一同组成涡轮转子。在涡轮每级动叶的前方还安装一组静止的叶片（静叶），静叶是燃气的导向器，起着喷嘴的作用，使气流以最佳方向喷向动叶。一组静叶加一组动叶为一级涡轮。空气从进气口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见黄色箭头线；高压空气进入燃烧室，燃料与空气混合在燃烧室燃烧，产生高温高压燃气；高温高压燃气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。二、影响燃气轮机效率的两个主要因素燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。70年代末，压缩比最高达到31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右，航空燃气轮机的超过1350℃。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气涡轮等组成。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差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。离心式压缩机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，(油系统—润滑油、控制油、液压油。超温、气体泄露报警装置，轴瓦的振动位移以及温度，超速保护等）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。四、燃气轮机的主要优缺点燃气轮机与其他动力机械，如内燃机，汽轮机相比，有一系列的主要优点：1、结构简单燃气轮机主要结构只有转子（压气机和透平的叶轮在同一根轴上）和静子（导向叶片、机壳、轴承和燃烧室等静止部分）与汽轮机装置相比不需要庞大的锅炉和凝气设备。与内往复相比不需要往复运动的拉杆、活塞和曲轴等部件。由于结构简单给安装、运行和维护带来极大方便。三、燃气轮机的主要辅助部分2、重量轻、体积小燃气轮机电站的金属消耗约为同功率汽轮机电站的1/4，厂房占地面积约为1/3。由于燃气轮机重量轻，体积小，因此占地少，投资省，建设周期短，成本低，因此在航空，船舶，工厂上得到广泛应用。3、单机功率大单机功率指标燃气轮机在动力机械中占第二位，仅次于蒸汽轮机。4、水，润滑油和厂用电量少燃气轮机用水很少，甚至可以不用水，因此可在无水或缺水的地区运行。润滑油用量很少，比内燃机节省25-40倍。燃气轮机的厂用点极省，甚至可无电源起动，因此可在缺点地区运行。5、维护简单由于结构简单，紧凑，因此运行管理人员少，加上节省水，电和润滑油，因此运行成本大大降低6、燃料适应性强，公害少燃气轮机能燃用多种燃料和廉价燃料，如重油、原油、煤气、工艺中可燃气体和核燃料等等。同一台燃气轮机可燃用液体或气体等几种燃料而其设备不需要作太大变化。排气比较干净，对空气污染较少。7、起动快、自动化程度高工业燃气轮机从冷态起动，加速直到带上满负荷，一般需要15分种左右。航空燃气轮机起动只需要30秒。燃气轮机装置易于实现集控、程控和遥控。可实现全盘自动化，减少运行维护人员。运行维护方便。燃气轮机也存在一些缺点，主要有：1、热效率低目前燃气轮机的热效率已相当于中等参数的汽轮机动力厂的热效率。与内燃机和高参数的汽轮机相比，燃气轮机的热效率较低。特别在部分负荷工况下，热效率降低更多，这是燃气轮机与内燃机和汽轮机相比是突出的缺点。2、运行工况窄燃气轮机的运行工况比内燃机和汽轮机的窄。这主要受压气机运行范围影响。因为压气机的稳定运行范围受转速及流量限制。当转速很低和流量很小时，要发生喘振，不能稳定运行，燃气轮机也就无法稳定工作。此外燃气轮机在低负荷下运行时效率严重下降，因此也不宜在低负荷下长期工作。3、制造成本高因为燃气轮机为高温，高速度和高精度的动力机械，因此要求材料强度好，耐高温和耐腐蚀，加工精度要求高。机组的高温部件应用贵重的镍、铬、钴等贵重金属，因此制造成本较高。4、运行维护水平要求较高因为燃气轮机为高温，高速和高精度的大功率高科技动力机械，因此对运行维护提出更高的要求，这并不是缺点而是特点。燃气轮机的设计，制造集中多种学科的先进技术，为了保证安全，高效的运行，对工作人员的素质提出更高的要求。燃气轮机的控制与保护系统应当先进，完善。燃气轮机很易超温，超速，喘振，所以这些现象都是瞬时发生，如不及时处理，都有可能造成重大事故，引起严重破坏后果，因此对运行工作人员素质提出更高的要求，这也是高技术的特点。五、燃气轮机的发展趋势燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温，即改进涡轮叶片的冷却技术，研制能耐更高温度的高温材料。其次是提高压缩比，研制级数更少而压缩比更高的压气机。再次是提高各个部件的效率。高温陶瓷材料能在1360℃以上的高温下工作，用它来做涡轮叶片和燃烧室的火焰筒等高温零件时，就能在不用空气冷却的情况下大大提高燃气初温，从而较大地提高燃气轮机效率。适于燃气轮机的高温陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。六燃气轮机的油系统燃气轮机润滑油系统是任何一台燃气轮机必备的一个重要的辅助系统。它的作用是在机组启动、正常运行以及停机过程中，向正在运行的燃气轮机发电机组的各个轴承、传动装置及其附属设备，供应数量充足的、温度和压力合适的、干净的润滑油，以确保机组安全可靠地运行，防止发生轴承烧毁、转子轴颈过热弯曲、高速齿轮法兰变形等事故。此外，部份润滑油可能从系统分流出来，成为液压油系统的油源，或经过滤后作为控制油系统的用油。整个润滑油系统的组成应包括下列一些设备：1、润滑油箱润滑油箱可设在机组的一个或几个底盘内，也可以设计成单独的容器。当油箱由几个容器组成时，应在它们之间用管道连通以平衡油箱内的压力。油箱除了起贮油的作用外，还担负着分离空气、水分和各种机械杂质的任务。油箱中油流速度应尽量缓慢，回油管应布置在接近油箱的油面，以利于油层内空气逸出。油箱的容量越大，越有利于空气、水分和各种杂质的分离。通常用循环倍率K（全部润滑油每小时通过油箱的次数）表示系统容积的相对情况，以Q表示系统的每小时油的容积流量，V表示系统的容积（油箱+管路），循环倍率K=Q/V。通常规定K=8～10，最大不超过12。这是为了使从系统回来的润滑油，有足够的时间将其夹带的空气、水分分离掉。不过，为了结构紧凑，避免因油箱体积过大而使设备笨重，多数机组油箱容量偏小，这迫使用户要选择分水性能更好和空气释放值较小的润滑油。2、主润滑油泵这是机组正常运行时的工作油泵，可以由主机通过辅助齿轮驱动，也可以由交流电动机驱动，大型机组为了简化结构多采用电动。油泵的容量根据系统总的用油量、调节阀门溢流量和管路的泄漏量决定。主油泵常用的有齿轮泵和螺杆泵，也可以是离心泵。3、辅助润滑油泵这是机组启动和停机时的工作油泵，或在主油泵出故障时投入使用，通常由交流电动机驱动。此泵多采用浸入式离心泵。其压力和容量一般和主油泵相同或稍微高一些。4、应急润滑油泵该泵在停机时因辅助润滑油泵故障而投入，或因失去交流电源而投入，或因主、辅泵都不能工作机组紧急停机而投入。由于应急泵只在故障时工作，其压力和容量一般较小。也有的润滑油系统用高位油箱代替应急油泵。润滑油流过各润滑点（轴承、齿轮等）后温度上升14～33℃（配备减速齿轮时温升可达33℃），因此，从系统回来的润滑油必须冷却以保证合适的供油温度。目前应用较为广泛的仍然是管式冷油器。常用的冷却方式为水冷，其次是气冷，气冷的优点是不需要冷却水，可在缺水地区使用，但由于空气的传热系数比水的要低得多，因此空冷式冷油器体积相对要庞大得多。在采用水冷方式时，常常设置两个并联的可切换的冷油器。主润滑油滤多采