探讨ABB公司燃气轮机产品发展的道路下.docx

继 v o 1. 13 n o. 4 p 12公司燃气轮机产品发展的道路 (下)林公舒探讨 a bb(哈尔滨汽轮机有限责任公司, 黑龙江 哈尔滨150006)摘 要: 介绍了 a bb 公司的不同历史阶段中的燃气轮机产品的特色, 探讨了其设计思想和技术创新的道路,分析了其持续发展的内在原因。关 键 词: 燃气轮机; 产品; 发展2889 (2001) 01- 0037- 05中图分类号: t k 14; t k 47文献标识码: c文章编号: 1009-这段时间发展道路的小结:a 1 gt 13 型 经 历 了 20 年 的 发 展, 从 55m w ,2810% 效 率, 发 展 到 16413m w , 3517% , 并 明 显 降 低了n o x 和 co 的排放。13e 型 (包括 13e 2) 到 2000年 1 月统计已销售了 83 台。a bb 认为实践证明 13型成功的道路主要原因是: 一方面不断收集了与每 阶段技术水平相适应的成熟机组的大量运行经验,根据市场需要, 不失时机地使用可使用的最新方法 促进机组的技术进步, 进行改造; 并依靠新的运行经 验使之进一步完善。 整个产品的发展采用了小步伐 稳步前进的战略, 机组的流量、初温、压比在不间断 地提高, 使得在不断发展中功率、效率适应了当时的技术水平。另一方面大力借助于科研工作, 形成气动 力学、热力学、燃烧、力学、强度学和数学等学科的紧 密配合。b 1 压气机的亚音速与跨音速问题:尽管西方 (包括前苏联) 的压气机到大流量后都 发展了跨音速级, 哪怕是一级, a bb 的压气机却始终坚持了亚音速。 由于流量提高导致的线速度提高而导致的 m 数提高问题, a bb 坚持使用入口预旋图 4 流量系数 8 的变化的办法, 用预旋减少 m w 1 ( 不大于 0.65) 以保证出口图 5 级压比 的变化过试验有所改进) 但它的参数均比 n a cam 数不高于 018 019, 当沿叶高选择的预旋的反动度的分配合适时, 可以达到全亚音速级的目标。a bb 虽然使用了 n a ca 65 的原始叶型 (后经使用的为低但效率却比 n a ca 为高。 如图 5 图 8, 由图可见, a bb 机组的级负荷较低, 但效率较高。 ( 图发表收稿日期: 200020621337于 70 年代, 延长部分供参考)c 1 ev 燃烧器ev 燃烧器是在 13 型的后期发展的具有 a bb特色的均相预混式燃烧器, 应用它装备的并联式分 级 燃 烧 的 dln 燃 烧 室 在 贫 油 燃 烧 下 火 焰 温 度 低( 据 a bb 介绍可较扩散燃烧火焰温度降低 500左右, 而热 n o x 的生成率与燃烧火焰的温度成指数函 数关系) , 火焰长度短 (燃烧过程 n o x 的生成率与氮在燃烧区中的逗留时间成线性关系) , 从而得到低排放 ( 10ppm ) , 并为从 gt 13e 2 开始的燃烧室改为图 6 转子第一级叶顶马赫数m w 1, g 的变化环形燃烧室创造条件。ev 燃烧器的设计原理见图 10。燃烧器不需要旋转叶片、火焰稳定器和连ev焰管, 火焰不接触燃烧室壁和燃烧室出口壁, 稳定性较高, 气体液体燃料均可使用。从排放角度看, 尽管 ev燃烧器与其它形式的dln 燃烧器比较有些优点 ( 包括加工比较简单整体为一精铸件) , 但当燃烧柴油时, 液体燃料不可能在 锥体出口处完全蒸发成为气体, 因而所形成的火焰仍然带有相当程度的扩散火焰的性质, 而且其燃烧火焰温度要比烧天然气的预混气体时高, 如要进一 步降低排放则必须向锥体内的混合区段喷射一定数 量的水或蒸汽。图 7顶部和根部圆周速度马赫数m u 的变化图 8级效率 的变化图 10ev 燃烧器的工作原理图 9 a bb 机组一级动叶顶部马赫数变化38 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 214 a bb 时代的联合产生了 gt 2426 机组1988 年 bbc (瑞士、西德) 与瑞典的 a sea 合并,成立 a bb 公司。 该公司的成立使得 bbc 的科研得 到更快的发展。a bb 在得到 r 2r 公司的技术支持后发展了 gt 2426 机组。gt 2426 的特点是装有环形燃烧室的单轴双 支撑的再热循环机组, 在高功率密度、高效率和大功率方面为目前国际第一流的水平。目前的材料用在 t3a 为 1350等级已接近极限,尽管国际上许多大公司都在向 1500等级发展, 但 用空气冷却时还要更大地提高冷却空气量 ( 用蒸汽则另说) , 它将部分抵销 t3 提高的效果, 此外, 对热n o x 增加的对策也是不可缺少的, 在可靠性、研究 开发费、初期投资费和维修保养费等方面, 也有抵销t3 提高效果的危险。a bb 的再热循环已有数十年的 历史, 效率的发展如图 11:机组的继承性 (也是设计可靠性的主要保证) : 再热循环, a bb 在 1939 年就开始应用 (德国 的 b eznau 电站) , 80 年代后再次在单轴机组上使用( 两个燃烧室均为直立在机组上部的单筒式) , 到目前生产了 27 台机组, 有 9 台现在仍在运行。 压气机做了 13 模型试验, 在没有跨音速 的 gt 11n 2 的 16 级压比为 1417 的基础上增加了 6级后仍然基本保持亚音速。选用了可控扩压设计, 通过计算机设计研制并经台架试验证实, 端部气流与数低, 第一级为 1107, 第二级不是计算很好符合。m跨音速级, 末级为 017。如图 9。前 16 级压比为 15,16 22 级压比为 2, 喘振余度很大。 三列可转导叶,流量可降到 60% , 以 保 证 50% 负 荷 时 效 率 只 降 低5% 。 气缸材料、有水平中分面、两个椭圆瓦轴承, 可 倾瓦推力轴承等都是成熟结构。 低压透平 4 级, 以 gt 11n 2 为基础, 改进了 叶片和扩压器。 环形燃烧 室 在 gt 10 和 gt 13e 2 ( 1993 年)中已有业绩。 燃烧室挂片为挠性结构扇形件 ( 弹性 壁) 由耐盐酸镍基合金 x 材料铸造, 用压气机出口空气在后面进行对流冷却, 高压部分壁温 850, 两个丙烷点火器, 由于轴对称的多个燃烧器形成同心的 四圈稳定火焰使得周向温度场均匀, 沿透平叶片高度温度场较易控制; 火焰不接触燃烧器出口壁和燃烧室内壁, 这些结构形式都在 13e 2 中有成熟的实 践经验。 再热燃烧室壁温 950。 经过试验的冷却系统保证了透平表面金属 温度不超过 899。 ev 燃烧器, 从 1990 年开始运行, 发展 gt 26时已在 gt 10 和 gt 13e 2 中累计运行 25 万小时。装 备这种燃烧器的燃烧室采用了贫油预混形式, 火焰很短, 因此 排 气 n o x 含 量 很 低 ( 10ppm ) , 再 热 燃 烧室中不生成新的 n o x。 单轴焊接转子是 a bb 的传统结构, 透平部图 11 a bb 燃气轮机效率的发展gt 2426 参 数: iso 条 件, 天 然 气 下 单 机 功 率240m w e, 压 比 30, 排 气 流 量 542k gs, 排 气 温 度610, 简 单 循 环 效 率 3718% , 联 合 循 环 效 率5815% , n o x 排放 25ppm v, 环形燃烧室燃烧器形 式 ev + sev , 个数 30+ 24。这种循环的优点: 高低压透平的动叶入口温度都控制在较低 的 1235的水平, 较同行业的其它公司机组为低, 在确保高效率之下达到高的可靠性。 高压透平出口温度约 1000, 确保低压再热燃烧室的燃烧稳定和低 n o x 排放。 排气温度 610, 对提高联合循环效率有利。 使用了三压再热的蒸汽循环后联合循环效率达到5815% , 是同等级机组中最高的。部分报道称目前已 调整到 640。分为 12% c r 和含有 n mi ov模锻组成。的无中心孔铁素 体 钢 机组通过变频器用发电机启动。综合以上, 设计可靠性达到 98% 。 为减少维修费用, 热部件还进 行 了 不 少 考 虑,如: 燃烧室和透平之间无过渡段, 燃烧室无连焰管,尽 量 减 小 燃 烧 室 表 面 积, 没 有 热 的 燃 气 气 缸 以 及ev 、sev 燃烧器是不用维护的等。 试验研究项目:39 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 在过去机组的基础上 gt 2426 的发展还做了以下试验:历史的启示a bb 的历史给予我国重新发展燃气轮机的技 术路线以许多有益的启示。311 关于技术道路bbc 的燃气轮机结构由汽轮机发展而来, 初期 依靠在汽轮机中的优势和名望, 搞重型结构的机组,而且依靠单个部件效率高结构成熟的优势, 使得机 组尽管比重量较大但效率高使用可靠。我国 1960 年开始自行设计的第一台民用机组 3000 马力机车用燃气轮机就有这种设计思想的影子, 该机组运 行 可 用 率 高, 被 运 行 人 员 誉 为“皮 实 可 靠”、“抗 折 腾”。也是由于可靠性高,“6200 机组”在我国大庆发展初期起了很大的作用。bbc 用不同的独立部件组合, 形成不同的复杂 循环, 在世界燃气轮机发展的初期也生产了数十台;但 bbc 也并没有仅仅限于复合循环, 在单循环机组 方面依仗其部件效率高取胜, 也同样取得发展。它的机组循环形式多, 应用范围广, 燃料品种多样, 广泛 的实践不但占领了市场而且锻炼了自己, 在初期燃 气轮机运用推广中解决了许多技术问题, 为燃气轮 机的发展作了很大的贡献。五六十年代正值世界经济发展, 油田不断开发,石油价廉如水, 燃气轮机发展较快。 但 bbc 并没有 满足于重型的现状, 在 b st 阶段大力开发单轴、压气机透平合缸、双支点的方案 (9、11、13 型) , 先于石油危机的暴发, 看到了简单循环比较轻型的机组结 构的趋势 (指较原重型机组中的较轻的型式, 可以说从 bbc 产生了这种机型之后原来的重型机组中的 重型结构基本上已不再发展了, 但按 90 年代的概念这 种机组仍属“重型机组”的范畴) , 致力于它的发 展, 从而跟上了时代的潮流, 使得自己的燃气轮机得 以不断地发展。70 年代两次石油危机的暴发, 给予机械制造业重大的冲击, 但 bbc 不但没有在危机中倒下, 却在 危机完善建立了自己的系列, 继之又在 13 型中发展了自己的系列技术, 这得益于自己科研力量的发展 和决策的正确。80 年代开始国际上看准了利用冷却技术以在 现有材料基础上提高初温的道路, 千方百计提高初 温, 在材料几乎达到极限和冷却空气量显著增大的 情况下 (当然, 材料本身也还要发展定向结晶和单晶技术) , a bb 提出了走再热循环的道路, 而且应用自3据 分 析 联 合 循 环 为 三 压, 主 蒸 汽 压 力 约 为1110m p a 是 最 佳 的, 温 度 565。 实 际 使 用 三 压,90ba r585, 26ba r565, 5ba r565。余热锅炉压 损 300mm h 2o。 到 1999 年 12 月为止 gt 24 已销售 了 38 台, gt 26 已销售了 23 台。215 aa p:1999 年 a bb 与 a lstom动 力 部 分 合 并 成 立a bb a lstom pow er (a a p ) , 由于大功率发电用燃气轮机部分 a lstom 原为 ge 系统故该部分由 ge 收 购, a lstom 的发电燃气轮机部分对 a bb 没有影响。目前, a bb a lstom 经营燃气轮机与联合循环的 部门有三个:a a p 瑞 士 公 司: 经 营 gt 24, gt 26, gt 13e 2, gt 11n 2, gt 8c 2 和 gt 8c 等。a a p 瑞典 a g: 经营 gtx 100, gt 10c , gt 10b ,gt 35 及 p fbc 等。a a p 英 国 公 司: 经 营 c yclone, t em p est,to rnado , t yp hoon 和 tb 5000 等原 gec a lstom产品, 它们均可发电或机械驱动。的40 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 部件课 题试 验 内 容转子焊接技术压气机2透平过渡轴耐热合金钢焊接方法的试 验研究压气机 入口最优形状利用 n - s 模型, 模拟三元流 cfd , 通过分析 以最优压力损失求得型线。 利用 18 模型试 验进行确认。压气机性能确认制作 13 模型, 做不同转速和压比下的性能、 启动特性、叶片应力、喘振边界。ev 燃烧器no x、co、未燃 碳等有害排放 火焰传播 振动燃烧利用单燃烧器试验, 掌握压力、温度和有 害排放物的关系。利用实物大小 3 组燃烧器试验, 确认点火效果及稳定燃烧。sev燃烧器no x、co、未燃 碳等有害排放 火焰传播 振动燃烧利用单一燃烧器试验, 掌握压力、温度和有 害排放物的关系。利用实物大小 2 组燃烧器试验, 确认点火 效果及稳定燃烧。透平 1 级叶片冷却 热传递叶片性能 材料开发进行冷却流量测量确认。利用示温涂料萘升华法, 可视化测量利用锌结晶测量温度利用三元流 cfd 确认叶片材料的蠕变断裂强度, 低频疲劳透平25 级叶栅性能 热传递 排气扩压器 高温试验叶栅风洞试验关于有、无气膜冷却情况, 通过可视化测量利用实物大的试验模型测量在 a edc 冷却状态下的试验己的技术 (及与航空工厂联合得到的技术) 成功地解劲。决了独特的予混式燃烧的 ev 燃烧器、sev燃烧器 a bb 90 年代技术进步的另一个最明显的效果是使用了几十年的单筒燃烧室改为环形燃料室,这 种 修 改 有 自 己 的 特 点 走 了 自 己 的 路, 而 这 条 路( ev 燃料器和挂片式燃烧室) 也是 a bb 经过研究 和实践成果。 连航空发动机的设计者都认为环形燃烧室是解决主机最小迎风面积的最佳燃烧室选择,a bb 一次性地走了环形燃烧室的道路显然是具有 发展潜力的选择。 由于机组功率不断增大, 高功率密度的设计 很早就在动力机械的设计中提出, 燃气轮机的比重 量本来就比汽轮机和低速柴油机小得多, 但随着主 机体积增大, 主机本体整机箱装体的运输逐渐成为一些地方的问题, 尽管单筒燃烧室可以在运输中与 主机分离, 但毕竟整机连燃烧室成为一个箱装体仍 然具有最大的优势; 环形再热燃烧室加上双支点转子是 gt 2426 极具特点的结构形式, 使得 gt 26 的 比重量为 1125k gkw , 达到世界领先的水平。 a bb 花了 8000 万美元在巴 登 的 b ir r 厂 建造了燃气轮机试验中心, 它既是 gt 26 的整机试车 台又具有整机研究和多种综合试验的功能, 该机试验时发出的电并网, 由与之达成协议的另一电厂调 整负荷的平衡, 燃用德国到意大利天然气输气管线的天然气并备有柴油。 它的试验目的既可用来改善 现有燃气轮机, 也可用于开发未来的燃气轮机。如大 范围的调节透平冷却空气的流量 (以调整叶片间隙) 从而检验燃气轮机性能; 保持压比不变之下降低压气机级数提高机组的功率密度等。由于我们对 a bb整台燃机发展的大步骤资料不足, 尚难以详细评论, 但起码可以看到, 整机的一些性能必须在工厂内有 整机试验台, 并在试验中具有足够的调整手段, 这是 我们在决定自己发展道路时必须考虑的。313 压气机的研制方法a bb 的新型压气机的研制一般按下列程序:和再热机组结构与环形燃烧室的问题, 仍然声称自己可以取比较低的初温也能达到与竞争对手同样的 效率, 从而成功地发展了 gt 2426 型机组。 它的投产比 ge 的“f ”系列晚, 累计生产的数量不如 ge 公 司的多, 但是从技术内含角度看, 是世界第一流的。很根本的一条是 bbc 坚持了自己的科研和传 统中的优秀的部分, 摒弃其中过时的部分, 使得一直以保守著称的 bbc 技术上仍然不断得到发展, 从而 至今仍然有立于不败之地的技术后盾。70 年代日本的东芝学习了 a bb 的技术而三菱则学了西屋的技 术, 后者成了学生超过老师的例子被人们津津乐道,而前者却没有超过 a bb , 除了它的本身的和其它的 原因之外, 这是重要的内在原因。312bbc 的一些设计思想五六十年代 bbc 始终坚持用较低的初温, 而用较好的部件补偿由它引起的循环效率的降低, 实际达到良好的效果, 正值那时重油、高炉煤气等燃料 较丰富, 几乎占领了很大一部分这方面的市场, 但也 没有放弃轻油和天然气的市场。 70 年代后国际重型燃气轮机都先后走了与 航空技术结合的道路, 部件效率也大大提高, 特别是ge 公司, 航空部分、船用部分、重型部分都在一个 公司内部, 与之相比似乎 bbc 优势在减弱。但 80 年代后 a bb 也吸取了竞争对手的所长, 还走了与 r -r 联合的道路, 但却以自己曾经发展过的再热循环 作为自己的目标 (a bb 在发展单轴再热循环前, 曾 经在 gt 10 上发展了在套轴的机组上设置外置的前后两个单筒燃烧室的再热机组, 并经过运行实践的检验)。 由于从 bbc 开始就没有放弃这方面的研究 与实物试验, 因而在新形势下, 仍然实现了较低的初温 ( 可以用较少的冷却空气量) , 用再热来补偿循环效率降低的机组。压低初温仍然是a bb 可以吹嘘的 道路, 同时也为自己留下了继续超过竞争对手的后 叶 栅 试 验 取 得 叶 栅 数 据, bbc 用 的 是n a ca 65 型线, 测量建立了自己的数据。 设计 5 6 级模型压气机进行多级试验。这是发展的一个核心环节, 模型压气机进行41 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 了逐级的测量。 由多级特性换算成标准级的参数。 级间的影响已经在多级试验中包括进去。故标准级的效率修正只考虑间隙的影响、鼓风 摩擦、拉筋等影响。 由标准级逐级计算, 设计实物压气机 实测实物压气机取得各级主要参数 修正标准级。 在以上程序中多次反复。回忆我国自己压气机发展的道路似乎证明这种道路是正确的。 我国五六十年代时压气机发展基本 是按部就班的从平面叶栅、单级、多级 ( 3 4 级) 然 后再上整台的苏联初期走的道路。 尽管也出过一些成果, 但 70 年代时我们就曾经思考过如何解决各环节的内在联系和可能的简化。bbc 的道路是以标准 级为原始的设计基础, 与五六十年代的“单级 ( 模型级) ”不同的是标准级的数据来自多级试验和它的多 次反复, 因此标准级的数据包括了级间影响, 由于多级试验的级数足够多, 故这种影响能得到比较充分 的考虑。我国民用压气机设计的实力不强, 现有的设计 方法是在一个母型的基础上加级, 后加级一般没有 单独的级试验, 前加级则需要多级试验, 在多级试验来不及的情况下也直接上过整台, 这样虽然也达到 了整台的总体上的成功, 但整台试验发现的一些问 题在整台中都难得以完善的解决。 为了能在压气机 领域自力更生角度有所作为, 从科研角度应特别注 意功能完全的多级试验台 (5 6 级) 和 13 的整台试验。314 a bb 联合的道路bbc 发展燃气轮机 60 余年的历史经过了 3 次 更 换 公 司 牌 子 的 联 合 和 更 多 的 小 联 合, 除 了 成 立a a p 的联合时间还很短之外, 每次联合都产生了重大的科研成果, 更新了一代产品, 为 bbc 的市场竞 争做出了不可磨灭的贡献。a bb 年代我们曾经问bbc 的人为什么要和 a sia 联合, 对方的答复是为了 更 有利于科研。 实际上可以说, 无论哪一次联合,bbc 的工厂都还是搞自己的产品生产, 但科研却都 上了一个台阶。 强强联合的重点 (起码是重点之一)是为了科研和发展新产品, 而在发展科研和新产品 中又必须坚持自己的风格, 自己的风格是在实践中不断提炼和完善的。 当然, 对于我们, 能做到坚持自己的风格首先必须自己有基本的风格, 根据我国几 十年的经验基本风格是必须研究和总结的。包括 a bb 在内的所有外国生产重型燃气轮机 的大公司都以各种形式实现了与航空发动机生产厂的联合以发展新机组, ge 公司内部本身就有航空、 船用和重型部, a bb 吸收了 r - r 的技术, 还有西门子、西屋等, 这种联合都使重型燃气轮机的设计出现重大的进展。 从航空部门科研的实力与已有的成 果看, 有一些是成熟的并完全可以用在民用, 如: 冷却系统