航改工业燃气轮机设计特点分析.docx

严严严严严严严航严严严改严严工严严严业严严燃严严气严严严轮严严机严严严设严严计严严特严严严点严严分严严严析严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严龚严严光严英严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严严严严严严严严严严严严严严(中严国严燃严气严涡严轮严研严严究严严院严，四严川严严成严都严6严10严50严0)严严严严严严严严严严严严严严摘 要：航改工业燃气轮机以其研制、维护周期短，研制风险、成本低，以及性能和可靠性高，得到了越来越多的重视和发展。详细介绍了 GE 和 Rolls-Royce 公司应用于发电和机械驱动的几种航改工业燃气轮机的结构设计和性能设 计，分析了其结构技术特点。并针对我国工业燃气轮机的发展现状和技术特点，提出航改工业燃气轮机需突破的关 键技术。本研究可为我国航改工业燃气轮机发展提供参考。 关键词：航改工业燃气轮机；设计特点；通用电气公司；罗罗公司中图分类号：V235文献标识码：A文章编号：1672-2620 (2012) S0-0055-06Design Analysis of Aero-Derivative Industrial Gas TurbinesGONG Guang-ying(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)Abstract：Among various applications of gas turbines, aero- derivative industrial gas turbines have beengot more and more attentions and developments, for its shorter design and maintenance period, lower riskand cost, higher performance and reliability. The structure and performance design of aero-derivative industrial gas turbines by GE and Rolls-Royce were introduced, which can be provided for electrical generators and mechanical drives. And the structural characteristics were analyzed. According to the developingstatus and technology characteristics of aero-derivative industrial turbines in our country, the key technologies improved were presented which could be referential to the development of aero- derivative industrialturbines in China. .Key words：aero-derivative industrial gas turbine；design characteristic；GE；Rolls-Royce1 引言燃气轮机由压气机、燃烧室、涡轮(燃气透平)、 控制系统、辅助起动系统等组成，其工作模式可分为 开式循环、闭式循环、前置循环、联合循环、整体化循 环、核燃联合循环和燃气辅助循环等，在船舶、发电、 机械驱动等众多领域得到广泛应用。航改工业燃气 轮机以其研制和维护周期短、研制风险和成本低以 及性能高等特点，得到越来越多的重视和发展。本 文详细介绍并分析了 GE 和 Rolls-Royce 公司应用于 发电和机械驱动的航改工业燃气轮机的设计和技术 特点，并针对我国工业燃气轮机发展现状提出航改 工业燃气轮机需突破的关键技术。2 GE 和 Rolls-Royce 公 司 航 改 工 业 燃 气 轮机设计2.1 GE 公司GE 公司通过航改工业燃气轮机，制造了一系列 用作油气(天然气开采场、石油开采场、电站等)领域 动力源的燃气轮机。GE 公司的燃气轮机功率范围12 000124 000 kW，主要用作机械驱动和发电机 传动。其 GE10 系列由 PGT10 航改工业燃气轮机发 展而来，可用于发电和机械驱动。GE10-1 前两级涡轮冷却，第二、第三级涡轮采用互锁叶冠设计以减小叶尖气流损失和叶片振动。PGT16 由 F404 发动机 的航改工业燃气轮机 LM1600 的燃气发生器配装动收稿日期：2012-02-02；修回日期：2012-08-31作者简介：龚光英(1982-)，女，江西南昌人，工程师，硕士，主要从事发动机性能设计与试验技术研究。严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严(a) PGT16可调放气阀热端输出轴5 级低压压气机排气可调进口导叶进气5 级低压涡轮 可调静叶2 级高压涡轮冷端输出轴14 级高压压气机(b) LM6000动力涡轮轴CF6-80C2CF6-80E高压压气机 高压涡轮间冷系统排气扩压器 单环形燃烧室动力涡轮MS6001FA 低压压气机中间涡轮(c) LMS100图 1 GE 公司典型航改工业燃气轮机Fig.1 Typical aero-derivative industrial gas turbines in GE燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究第 25 卷56计特性见表 324，RB211、AVON200 和 Trent60 的结构外形见图 22，5，6，用于发电或机械驱动的几款航改工业燃气轮机的相关性能指标如表 4 所示2，4，79。力涡轮组成，可用于发电。PGT25 为 LM2500 航改燃气轮机配装动力涡轮组成，其压气机进口导叶和前6 级静叶可调；LM2500 为 TF39 和 CF6-6 发动机的航 改燃气轮机，并作为机械驱动在舰载、天然气传输上 得 到 广 泛 应 用 。 PGT25 + 、PGT25 + G4 分 别 由 LM2500+和 LM2500+G4 的燃气发生器配装两级动 力涡轮组成。与 LM2500+比，LM2500+G4 效率和性 能高、排放低，其优化设计主要体现在：重新设计压 气机进口导叶，高压压气机动叶采用新材料来增加 使用寿命；重新设计 1 级高压涡轮，加强冷却和增加 氧化涂层，其第 1 级导向器采用热障涂层设计，第 2 级导向器采用新材料增强冷却以致增加使用寿命； 重新设计 6 级动力涡轮的第 2 级和第 3 级导向器以 增加功率输出。LM2500+G4 适用于机械驱动和发 电 。 LM6000 为 CF6-80C2 发 动 机 的 航 改 工 业 燃 气 轮 机 ，其 转 速 可 在 额 定 转 速 (3 600 r/min) 的 50% 105%间变化。LMS100 结合 CF6-80C2/80E 的性能设计和 6FA+e 的结构设计，在高、低压压气机间采用间冷器，通过大幅降低驱动高压压气机所需的功来获得较大输出功，同时燃烧室进口温度较低，能降低氮 氧 化 合 物 排 放 ；动 力 涡 轮 转 速 3 000 r/min 或 3600 r/min 可调，对应于 50 Hz 和 60 Hz 发电。GE 公司航改工业燃气轮机的结构设计特性见表 1，几款典型工业燃气轮机结构外形见图 1，用于发电或机械驱动的几款典型航改工业燃气轮机的相关性能指标如表 2 所示1。2.2 Rolls-Royce 公司Rolls-Royce 公司成立至今，已累计向世界范围 的用户交付了 54 000 台燃气轮机，其中航改工业燃 气轮机在能源和船舶等领域取得了显著成绩。公司 的 RB211-6556/6562/6762/6761 和 RB211-H63/G62/ GT61/GT62 为 RB211 发动机的航改工业燃气轮机， 配装 RT56、RT62 或 RT61 动力涡轮。该两型系列航 改工业燃气轮机由于 RB211 的世界性配装和累积 长达 2.4107 h 的运营经验，其可靠性极高。501-K 系列航改工业燃气轮机燃烧室采用 DLE(干低排放) 技术，可用于石油开采、气体压缩、石油化工厂、发电 站 和 船 舶 动 力 。 AVON200-2648/2656 航 改 工 业 燃 气轮机，性能高、效率高、寿命长，维护费低和污染 低。Trent60 是 Rolls-Royce 公司迄今为止最先进的 航改工业燃气轮机，可在无齿轮传动箱的前提下适 应于 50 Hz 和 60 Hz 发电，也可用于机械驱动。Rolls-Royce 公司航改工业燃气轮机的结构设表 1 GE 公司航改工业燃气轮机结构设计特性Table 1 Configuration characteristics of GEsaero-derivative industrial gas turbines型号压气机燃烧室涡轮GE10-111单一筒形32+2 (自由动力涡轮)GE10-211单一筒形环形，18 个喷嘴1+1+2 (自由动力涡轮)PGT163+7环形，30 个喷嘴2+2 (自由动力涡轮)PGT2516环形，30 个喷嘴2+2 (自由动力涡轮)PGT25+/PGT25+G417环形，30 个喷嘴LM60005+142+5环形，30 个喷嘴2+2+5 (动力涡轮)LMS1006+14(a) RB211新的涡轮机匣 先进气动设计的涡轮导向叶片最新涡轮叶根设计先进气动设计的涡轮叶片(b) AVON200低压涡轮核心机低压压气机(c) Trent60图 2 Rolls-Royce 公司典型航改燃气轮机Fig.2 Typical aero-derivative industrial gas turbines inRolls-Royce龚光英：航改工业燃气轮机设计特点分析增 刊57表 2 GE 公司用于发电、机械驱动的航改工业燃气轮机性能Table 2 Performance of GEs aero-derivative industrial gas turbine served in power generation and mechanical drive用途耗热率/(kJ/kWh)排气流量/(kg/s)涡轮转速/(r/min)型号功率/kW效率/%压比排气温度/发电机械驱动GE10-111 25011 48931.415.547.548211 000GE10-211 98210 82233.315.546.74807 900PGT1613 720/14 24010 295/9 92435.0/36.320.247.34917 900PGT2017 464/18 12110 238/9 86735.2/36.515.762.54756 500PGT2522 417/23 2669 919/9 54836.3/37.717.968.95256 500PGT25+30 226/31 3729 084/8 75139.6/41.121.584.35006 100PGT25+G433 057/34 3029 047/8 71940.0/41.223.2/23.889.65106 100LM6000*43 262/43 8548 787/8 46841.1/43.028.0125.04553 600LMS100*98 196/100 2007 997/8 16045.0/44.140.0206.94173 000/3 600注：*为 DLE 燃烧室。表 3 Rolls-Royce 公司航改工业燃气轮机结构设计特性Table 3 Configuration characteristics of Rolls-Roycesaero-derivative industrial gas turbines型号压气机燃烧室涡轮24 个双燃料燃烧室2+2(动力涡轮)RB211-H638+61+1+2(动力涡轮)RB211-65567+6环形燃烧室1+1+2(动力涡轮)RB211-65627+6环形燃烧室1+1+2(动力涡轮)RB211-67627+6环形燃烧室1+1+3(动力涡轮)RB211-67617+6环形燃烧室501-KC5/KB5/KH5146 个21(加 0 级导叶)+14501-KC7/KB76 个23 GE 和 Rolls-Royce 公 司 航 改 工 业 燃 气 轮机设计特点3.1 GE 公司GE 公司航改燃气轮机的设计特点主要为：压气 机采用低展弦比叶片设计，具有低应力和承受小外物冲击而保持高性能的特点；压气机进口导叶和部 分级静叶可调，其中 PGT25+G4 的高压压气机动叶 采用新复合材料设计来增加使用寿命。燃烧室设计 可满足气态和液态燃料使用，开发天然气和低英热 的 氢 气 使 用 ，采 用 注 水 或 水 蒸 气 以 减 少 氧 化 氮 排 放。LM6000 是 GE 公司第一台采用 DLE 预混燃烧 室设计的航改工业燃气轮机，同时采用注水或水蒸 气减少氧化氮排放；PGT25+和 PGT25+G4 也同样采 用了 DLE 燃烧室设计。涡轮动叶采用互锁叶冠设计以减小叶尖气流损失和叶片振动；一级导叶采用翼型设计，以缓解流道内高温燃气产生的热膨胀，冷102环境温度 22100修正控制逻辑/% 98轴功 96传统控制逻辑9492907580859095100105动力涡轮转速/%图 3 传统控制逻辑与修正控制逻辑对比图Fig.3 The comprarison between traditional control logicand CPC control logic燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究第 25 卷58表 4 Rolls-Royce 公司用于发电、机械驱动的工业燃气轮机性能Table 4 Performance of Rolls-Royces aero-derivative industrial gas turbine served in power generation and mechanical drive用途排气流量/(kg/s)涡轮转速/(r/min)型号功率/kW耗热率/(kJ/kWh)效率/%压比排气温度/发电机械驱动RB211-655625 200/26 02510 390/10 04334.6/35.892.2204884 950RB211-656228 500/29 5309 820/9 47236.7/38.094.5214924 800RB211-676229 400/30 3879 613/9 28837.4/38.89621.5493/4924 800RB211-676132 000/33 1849 214/8 90439.1/40.49421.55034 850RB211-H6337 9188 67641.5106.6-4866 000RB211-H63*42 473/44 0009 157/8 83639.3/40.7115.5-4826 000RB211-G6227 520/29 5309 933/9 48436.2/38.091.8/94.5-500/4914 800RB211-GT6132 135/33 2969 139/8 89039.4/40.594.3/95.3-504/4984 850RB211-GT6229 870/30 9109 546/9 31437.6/38.695.9/96.9-497/4924 800501-KB53 93812 26629.015.49.456014 600501-KB75 30011 38031.521.113.550114 600501-KH5#6 4209 03753014 600501-KC54 10112 17029.615.59.457113 600501-KC75 50011 34031.720.913.552013 600AVON-264816 34711 943-81-4265 500AVON-265617 00711 511-81-4204 950Trent6052 5118 400-3 40050 Hz51 5048 550-151.74443 000Trent 60DLE60 Hz51 6858 586-154.64403 60050 Hz64 0008 755-171.24083 000Trent 60WLE DF ISI* 60 Hz64 0008 677-168.54093 600注：*燃烧室注水减排，#燃烧室注水蒸气减排。气从压气机排出，直接进入导叶进行冷却后从尾缘处排出；另外，PGT25+G4 高压涡轮第 1 级导向器采 用热障涂层设计，第 2 级导向器采用新复合材料设 计以延长使用寿命。GE 公司除采用可调静叶和放气阀外，还包括可 调涡轮导叶、变几何燃烧室及修正参数控制逻辑等， 使航改工业燃气轮机可控性最大化。如 GE10-2，在 下调到 50%载荷过程中采用变几何燃烧室保持最优 火焰温度以减少排放，并在动力涡轮处采用可调涡 轮导叶以确保转速恒定在设计点，以保证最大功率 输出。图 3 为传统控制逻辑和修正参数控制逻辑的 对比1。另外，GE 公司的航改工业燃气轮机，采用除简 单循环外的联合循环或联合发电等工作方式来提高 燃气轮机效率。3.2 Rolls-Royce 公司Rolls-Royce 公司航改工业燃气轮机首先采用 尖端技术改善涡轮设计。其中，AVON200 采用在叶根和叶冠封严的方法减小由于气流泄漏造成的附加损失；三级涡轮叶片均采用防腐涂层保护和新型翼 型设计；用轴对称两凸轮设计的涡轮叶根代替斜切纵树型叶根(图 4)，以减小峰值应力集中，提高高周 疲劳强度；高压涡轮叶片采用单晶材料以取消翼剖面冷却；利用定型尾缘和 3D 空气动力学设计技术提 高级间效率(图 5)。这些先进技术的采用提高了整 机性能并降低了维修成本。其次，低压和中压涡轮0倾斜以提高AVON160 叶根 AVON200 叶根 高周疲劳强度两波瓣轴切锯齿状 铅焊，25倾斜叶根 整体叶盘 设计提高疲劳强度图 4 涡轮叶根改型设计Fig.4 Turbine blade root3D 翼 剖 面 设 计 和定型尾缘增强 涡 轮 效 率 、总 功和耗热率单晶材料取消翼 剖面冷却以提高 效率图 5 涡轮叶片设计Fig.5 Turbine blade定型导向器叶片 尾缘设计增加其 效率3D 表 面 空 气 动 力学设计与铜焊 集 成 ，加 上 定 型 尾缘设计增加级 间效率和总的循 环性能图 6 导向器叶片设计Fig.6 Nozzle blade新 的 几 何 设 计 降 低 应 力 ，改 善 应 力 分 配 和 疲 劳 强 度旧盘几何结构 新盘几何结构图 7 涡轮盘设计Fig.7 Turbine disc传统设计导致叶 尖 间 隙 较 大 ，叶 尖泄漏较大高压涡轮导高压涡轮叶片 向器叶片涡轮叶片叶尖封严新设计增强封严以减少总的叶尖泄漏图 8 涡轮叶尖密封Fig.8 Turbine blade tip seal龚光英：航改工业燃气轮机设计特点分析增 刊59导向器叶片由凹空变为实心翼剖面设计以增加强度，采用定型尾缘设计提高效率(图 6)。第三，涡轮 盘顶部采用新的几何设计减少应力产生，提高疲劳 强度和降低维修成本(图 7)；涡轮盘采用锻造代替原 来的中心旋转式铸造，更厚的盘壁降低了工作应力、 蠕变损伤和维修成本；三级动叶叶尖封严采用分节环式逐步密封，增加了叶尖间隙控制，减少了叶尖气 流泄漏，提高了总性能(图 8)5。Trent60 采用进口喷射冷却，降低进口温度，减少所需压缩功，以达到在环境温度 7以上时有更高的效率和功率输出；采用单元体设计，主要分为低压压气机、核心机、低压涡轮三大部分(图 2(c)，便于安 装和拆卸。4 我国轻型燃气轮机发展基本情况我国轻型燃气轮机工业主要集中在航空系统。20 世纪 70 年代开始，在航空发动机基础上改型生产 了 WJ-5G、WJ-6G、WP-6G 和 WZ-6G 等工业燃气轮 机，用于油田、石化、邮电等部门。1986 年与美国普 惠公司合作开发的 FT-8 燃气轮机，功率 25 MW，效 率 38.4% ，是 当 时 世 界 上 同 功 率 等 级 中 效 率 最 高 的。90 年代，我国引进乌克兰的 GT25000 舰用燃气 轮机，进行燃气发生器国产化。目前，我国在先进航 空发动机基础上，改型研制轻型燃气轮机。随着国 家能源政策的支持与工业技术的革新，我国逐步掌 握了制造先进燃气轮机的工艺技术，可制造各种压 气机和内腔较复杂的定向结晶、单晶等气冷涡轮叶 片，还可制造先进燃烧室、火焰筒、内外套及喷嘴等 零部件，以及重型燃气轮机的部分核心零部件10。燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究第 25 卷605 建议随着国民对能源需求的增加以及能源利用率远 低于发达国家(据 2005 年统计，我国能源利用率为34%，发达国家为 44%)，提高能源利用率已刻不容缓。对比国外航改工业燃气轮机的发展，对我国航改工业燃气轮机提出了几点关键技术研究建议。(1) 提高燃气轮机效率，提高能源利用率。提 高燃气初温和压比可提高燃气轮机效率。提高燃气初温，即改进涡轮叶片的冷却技术，可采用对流冷 却、气膜冷却和冲击冷却；研制能耐更高温度的高温 材料(如高温陶瓷材料)，同时可用于燃烧室火焰筒 设计。在提高热力循环参数(压比)受限的情况下， 可考虑采用间冷回热技术提高燃气轮机效率。另 外，还可通过采用可调静叶与放气阀、可调涡轮导 叶、变几何燃烧室及修正参数控制逻辑等，使燃气轮 机可控性最大化，提高燃气轮机效率。(2) 采用多种工作方式，提高燃气轮机发电效 率。采用前置循环热电联产或发电、联合循环发电 或热电联产、核燃联合循环、燃气热泵联合循环与燃 料电池-燃气轮机联合循环等方式，可大大提高燃 气轮机发电效率。(3) 改进燃烧室设计，降低污染排放，增加使用 寿命。采用注水或水蒸气以减少氧化硫排放；采用 变几何燃烧室，通过控制油气比进而保持最优火焰 温度以减少排放；采用分级燃烧、LPP 和接触反应燃烧室设计降低污染；燃烧室内壁采用热障涂层或双壁设计减少热传导，增加使用寿命。参考文献：12Oil & Gas：Gas TurbinesEB. GE，2006.RB211 Gas Turbines for Oil & Gas ApplicationsEB.USA：Rolls-Royce，2003.The RB211- H63：The Winning Formula for IncreasedPower and EfficiencyEB. England：Rolls-Royce，2010.501- K Gas Turbines for Oil & Gas ApplicationsEB.USA：Rolls-Royce，2002.The Avon 200：Using the Latest Aero Engine TechnologyEB. England：Rolls-Royce，2010.The Trent 60 Gas Turbine for Power Generation and Mechanical DrivesEB. USA：Rolls-Royce，2009.RB211 Gas Turbine EnginesEB/OL. /energy/energy_products/gas_turbines/rb211/.Rolls-Royce，2010.Avon 200 Gas Turbine EnginesEB/OL. /energy/energy_products/gas_turbines/avon_200/. Rolls-Royce，2010.Trent 60 Gas Turbine EnginesEB/OL. /energy/energy_products/gas_turbines/trent_60/.Rolls-Royce，2010.2008-2