燃气轮机原理与结构解析

1/11图说燃气涡轮发动机的原理与结构曹连芃摘要：文章介绍燃气涡轮发动机的工作原理；对燃气轮机的主要部件轴流式压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮分别进行了原理与结构介绍；对燃气涡轮发动机的整体结构也进行了介绍。关键字：燃气涡轮发动机，燃气轮机，轴流式压气机，燃烧室，轴流式涡轮1.燃气涡轮发动机的工作原理燃气涡轮机发动机（燃气轮机）的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在唐宋时期甚是流行。走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。燃气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转，见图1。图1-走马灯与燃气涡轮燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是助燃剂，燃料燃烧使空气膨胀做功，也就是燃料的化学能转变成机械能。图2是一台燃气轮机原理模型剖面，通过它来了解燃气轮机的工作原理。从外观看燃气轮机模型：整个外壳是个大气缸，在前端是空气进入口；在中部有燃料入口，在后端是排气口（燃气出口）。燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器，把燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮（透平），是空气膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。2/11图2-模型燃气轮机结构在图3中表示了燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空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。图3-燃气轮机工作过程在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子，如图4所示。3/11图4-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。2.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，图5是一个12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。4/11图5-压气机转子图6是运动的动叶与静叶的相对位置与气流走向示意动画（仅演示两级动叶一级静叶）。图中蓝色叶片是静叶，绿色叶片是动叶，橙红色箭头表示空气气流的走向。转子旋转时，空气从轴向进入，经过一级动叶后空气运动角度转向右下方,这个角度的空气如果直接进入下级动叶,压缩效果会很差。但通过静叶整流后，空气运动方向转回轴向，再进入二级动叶压缩，效果可大大改善，在鹏芃科艺的燃气涡轮发动机的轴流式压气机章节有压气机叶片的气流走向动画，可形象演示这个过程。图6-压气机动叶与静叶气流图转子安装在压气机的气缸（外壳）内（见图7），静叶机匣固定在气缸内壁。5/11图7-压气机结构多数燃气轮机的压气机有十几级，图7是一个12级压气机的剖面图。高速旋转的动叶把空气从进气口吸入压气机，经过一级又一级的压缩，变成高压空气。由于压气机内气体流动方向与旋转轴平行，称为轴流式压气机。压气机的主要参数是增压比，即压气机出口空气压力与进口空气压力之比。理论上进入燃烧室的空气压力越高越好，实际上综合各种因素，较多为12至20。燃气轮机的压气机由本身的涡轮机带动，燃气轮机启动时，先使用外动力带动压气机旋转，把空气压入燃烧室。燃气轮机点火后进入运转状态，则转变至由涡轮带动压气机旋转压气。3.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）。图8是一个管式燃烧室的结构示意图。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。6/11图8-燃烧室结构示意图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）。图9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。图9-环管形燃烧室结构侧视图10是一个火焰筒组件的剖面模型。燃烧室由外壳与火焰筒组成，在燃烧室外壳端部有燃料（天然气）入口，在燃烧室内装有燃烧器，其燃料喷嘴在在火焰7/11筒前端内部。在火焰筒尾部联接过渡段，在过渡段上装有可控流量的补气口。图10-环管形燃烧室火焰筒组件结构燃料（燃油或天然气）通过燃烧室端部燃料入口进入，由燃烧器喷嘴喷入火焰筒，喷入的天然气与压气机压入的高压空气在燃烧室火焰筒里混合燃烧。燃烧使气体温度剧烈上升，膨胀的高温高压燃气从过渡段喷出，进入透平做功。图11中的白色箭头线是压气机进入燃烧室的气流走向；黄色箭头线是燃烧室喷向涡轮叶片的气流走向。一般燃气轮机有六个至十几个火焰筒组件，在一个环形燃烧室内安装多个火焰筒组件，故称为环管形燃烧室。图11-环管形燃烧室气流走向4.轴流式涡轮从燃烧室喷出的高压燃气推动涡轮旋转，把燃气的内能转化为涡轮的机械能。8/11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，本节介绍轴流式涡轮。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。图12为涡轮叶片的气流走向图，图中蓝色叶片是静叶，绿色叶片是动叶，橙红色箭头表示燃气气流的走向。在鹏芃科艺的燃气涡轮发动机的轴流式涡轮章节有涡轮叶片的气流走向动画，可形象演示这个过程。图12-涡轮叶片气流走向图为了充分利用燃气的热能膨胀做功，为获得最大的机械能，大型燃气轮机一般为3级或4级涡轮,图13是一个有4级涡轮的涡轮机剖面图，图14是这个4级涡轮机侧视剖面图。9/11图13-4级涡轮机正视剖面图图14-4级涡轮机侧视剖面图5.环管形燃烧室燃气轮机燃气涡轮机发动机有多种结构形式，有环形燃烧室燃气轮机、环管形燃烧室燃气轮机、分管形燃烧室燃气轮机等，本文根据前面介绍的环管形燃烧室介绍环管形燃烧室燃气轮机，其他类型燃气轮机与涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机等相关知识可到鹏芃科艺的燃气涡轮发动机章节查找。图15是环管形燃烧室燃气轮机的外观图。主要由轴流式压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮组成。10/11图15-环管形燃烧室燃气轮机燃气轮机的压气机转子与涡轮转子共用同一根转轴，一同组成燃气轮机转子，涡轮在向外部提供动力的同时也带动压气机一同旋转，图2是燃气轮机转子。图16-燃气轮机转子图3是燃气轮机剖面图，燃气轮机转子安装在机壳（气缸）内；在压气机与涡轮之间有环形燃烧室，燃烧室内安装12个管式火焰筒与12个燃烧器，由燃料管向燃烧器输送燃料。11/11图17-环管形燃烧室燃气轮机剖面燃气轮机工作简单过程见图4：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。图18-环管形燃烧室燃气轮机气流走向目前许多大型燃气——蒸汽联合循环发电机组使用的燃气轮机是采用环管形燃烧室燃气轮机，利用天然气作为燃料可以大大减少对环境的污染。