第1卷 燃气轮机说明

1、第一卷 燃气轮机结构目录燃气轮机基本知识3燃气轮机功能说明22.引言22A. 概要22B 详细定位23C. 燃气路径描述23.底座和支撑23A. 透平底座24B. 透平支撑24.压气机部分24A. 概要25B. 转子25C. 静子26. 透平部分27A概要27B透平转子27C透平静叶32. 轴承35A.概要35. 负荷联接器35GT Basic燃气轮机基本知识 注：仅供参考 燃气轮机基本负荷下的温度和压力分布国际标准化组织为标准化燃气轮机在大气环境变化时的性能，将下列标准设为大气环境条件的基准：59°(15)14.7磅/平方英寸大气压力60相对湿度国际标准化组织火焰温度l 参考燃气轮

2、机进口温度l 不是一个实测的温度l 低于GE规定的真实温度燃气轮机功能说明引言概要MS9001FA是单轴燃气轮机，设计用于简单循环机组或者用于燃气蒸汽联合循环机组当中。燃机系统主要由六大零件或组件构成：1. 空气进口2. 压气机3. 燃烧系统4. 透平5. 排气系统这一部分主要描述燃气轮机如何运行以及主要部件的相互关系。文章附有相关图表。燃气轮机法兰与法兰连接也被相当详细的描述了，有单独一段是描述空气入口和排气系统的。与润滑油、冷却水等有关的支撑系统的详细描述包含在各有关系统描述中。详细定位燃气轮机的前后、左右以及组成部件说明贯穿在此手册中。我们定义，空气入口为燃机的前端，同时排气端为末端。每

3、个组件的前后端的确定用同样的方法并参照其在整个机组中的位置。燃机或特定部件的左右通过站在前端向后端看来确定。燃气路径描述燃气流过燃机的燃气路径是从空气入口经过压气机、燃烧段、透平和透平排气的路径。当燃机启动系统启动和离合器接合时，周围空气经过入口通风组件被吸入，并在多级单轴压气机中过滤和压缩。为了启动过程中的喘振保护，压气机放气阀打开，进口可转导叶关闭。当高转速继电器启动时，放气阀开始自动运行，进口导叶驱动器启动使进口导叶定位在燃机正常运行时对应的位置。从压气机来的压缩空气流进燃烧室周围的环形空间，并从这边流入燃烧室外壳和内衬之间，然后通过在每个燃烧室衬垫的限流孔进入燃烧区域。来自脱离基础源头

4、的燃料供到流线区，每条流线在一次和在各自燃烧室端盖上的二次燃料喷嘴处终止。使用液体的燃料机组中，燃料在分配到喷嘴前控制，以便提供相等的燃料量到每个装置，在端盖分配阀和在二次喷嘴组件上的液体燃料流线。当燃烧天然气时，燃料喷嘴即计量孔，提供适当的流量到燃烧室中的燃烧区域。喷嘴在每个燃烧室中引导燃料进入燃烧区域，在此燃料与燃烧空气混合并用一个或者多个火花塞点燃。当燃料在一个燃烧室中点燃时，火焰通过联焰管传播到其他燃烧室，并在联焰管处装有四个火焰探测器探测火焰。探测器装在燃烧室壳体的法兰上。来自燃烧室的高温燃气流进连接在燃烧室尾部内衬的过渡段，并从那儿流入三级透平。每一级由一排静叶和一排动叶片组成。在

5、喷嘴中伴随压力的降低，射流的动能增加，动能作为有用功被透平动叶吸收，使轴转动带动发电机发电。经过三级叶片后，燃气进入扩压排气室，然后燃气进入排气通风装置，通过烟囱引排向大气。底座和支撑透平底座支撑燃气轮机的底座是铁桁条和铁板焊接成的钢结构做成，主要功能是支撑装在其上面的燃气轮机。底座的每边有两个耳轴及支撑装置和底座框架的十字形组件在一条直线上。基座下面加工过的衬垫使其容易固定到地基上。在基座框架上面的两个加工过的衬垫用于装配后面的透平支撑器件。透平支撑MS9001FA在压气机端部有刚性的腿型支撑，在透平尾部有带有顶部和底部铰链的支撑腿。在每个支撑腿的内表面都有一水箱，冷却水通过此使热膨胀最小化

6、，并帮助保持透平和负荷设备的对中。支撑腿保持透平的轴向位置和垂直位置，同时两个凹字形锲块与支撑腿配合维持透平的侧向位置。其中一个布置在排气框架的下半部位，另一个布置在压气机前缸下半部分。这两个锲块嵌入焊接在透平底座上的十字桁条上的块。锲块通过螺栓顶着两边保持其在引导块中的位置，这样的布置可以防止透平的侧向位移和转动位移，并且允许了因热膨胀引起的轴向和径向位移。压气机部分 概要轴流式压气机由压气机转子和压气机壳组成。在压气机的壳体内有可变进口导叶，不同的转子级和静子叶片以及出口导叶。压气机中，气体被限制在动静叶之间的空间中，并在一系列动静叶中被压缩。动力提供压缩动力，静叶保证空气以适当的角度进入

7、下一级。压缩空气从压气机排出进入燃烧室，空气从压气机中抽出，供透平冷却和启动过程中的喘振控制。转子燃气轮机转子的压气机部分是由轮盘、速度环、紧固螺栓、压气机动叶片和前短轴组成的组件（见图1）每个轮盘周围有开口槽。动叶片和垫片插入这些槽中，并在每个槽的末端通过铆接以保证叶片的轴向位置。轮盘通过连接榫头装配在一起以保证对中并通过紧固螺栓固定在一起。为了减少平衡校正，在装配过程中轮盘的定位是有选择性的。装配结束后，转子要做动平衡。前短轴加工有承受前后部轴向负荷的推力盘，同时加工有轴颈（用于1轴承的）、密封面（用于1轴承油封的），和压气机低压空气密封。第17级叶轮除了安装动叶外，还安装了用于高压空气密

8、封的密封表面，以及压气机和透平连接的法兰。 静子概要压气机缸体主要有三部分组成：进气缸压气机气缸压气机排气缸这些壳体和透平气缸相连接形成燃气轮机的主体结构。它们在轴承点处支撑转子，并构成燃气通道环的外墙。所有这些缸体都是水平中分的，这样便于维修。进气缸进气缸（见图2）安装在燃气轮机的前端。它的主要功能是均匀的引导空气进入压气机，同时还提供一号推力轴承组件。一号轴承的下盖于内承口铸成一体，上盖是个单独的铸件，与下盖用法兰和螺栓连接。内承口九个翼状周向分布的压杆定位到为承口上。撑杆铸造在内承口的壁中，同时它们还将结构负荷从相邻的缸体转移到与进气缸用螺栓和销相连接的前部支撑上。可变进口可转导叶放置在

9、进气缸的尾部端，并通过一个控制环和与液压驱动装置和连接臂相连的小齿轮装置机械定位。这些导叶的位置对压气机的进气流的质量有一定影响。压气缸压气气缸前部包括第04级压气机定子级。压气机气缸的下半部分装有两个大的整体铸造的耳轴，这是用于将燃气轮机从其基座上分离时，提升（吊起）燃气轮机的。压气缸的后部包括第512压气机定子级。可以从第13级后抽出压缩空气。抽出的压缩空气用作冷却和启动及停机过程中的喘振保护。压气机排气缸压气机排气缸是压气机的终端部分，是最长的单缸，它位于前后支撑的中点，实际上就是燃气轮机结构的主干。压气机排气缸包括最后的压气机级，形成压气机扩压段的内外壁，并且连接压气机和透平缸体。排气

10、缸还为燃烧室外缸体和第一级透平喷嘴提供支撑。压气机排气缸有两个圆筒组成，一个室压气机缸的延伸，另一个是围住压气机转子的内圆筒。两个圆筒通过14个径向布置的支撑对中。扩压段是由排气缸内外筒之间的锥形环面形成，扩压段可以将一部分离开压气机气体的速度转化成有利与燃烧空气供应的静压。叶片安装压气机的动叶片和静叶片是翼状，设计成在高叶顶速度下高效压缩空气。叶片用楔形榫头装置安装在压气机叶轮上。楔形榫头的尺寸和位置要佷精确，用以保证每个叶片在设定的位置并固定在叶轮上。压气机静叶是翼状的，在前5级中，每个叶片用锲形榫接合到环形段中，然后环形段被插入到气缸中的环形凹槽内，并用锁定键固定。剩下的静叶片自带正方形

11、基座的楔形榫头，直接插入缸上的环形凹槽内，并用定位销维持它们的空间位置。 图2压气机进气缸和一号轴承透平部分A 概要三级透平是压气机和燃烧室中产生的高温高压燃气的能量转化为机械能的地方。MS9001FA燃气轮机硬件包括透平转子、透平缸、排气框架、排气扩压段、喷嘴和护罩。B 透平转子结构如图12所示，透平转子组件由前后透平轮轴和带有测间隔装置和turbine bucket的第1、2、3级叶轮组件组成。对中控制由透平轮、轮轴和测间隔装置上的配合槽口实现。轮盘通过螺栓和轮轴上的连接法兰及测间隔装置上的法兰装配在一起。转子可以选择性的定位以便使平衡校正最简化。轮轴透平转子定距块从第一级透平轮延伸到压气

12、机转子组件的的后法兰。透平转子的后轴包括二号轴承。轮盘组件第一级和第二级之间、第二级和第三级之间的测间隔装置确定每个轮盘的位置。这些测量装置带有隔膜密封件连接盘，一二级的测距离装置和前后面有幅状的开槽作为冷却空气的通道。透平叶片用杉树形榫装配进叶轮圆周上的匹配开口槽，透平的三级都是耐火材料的、长柄状的叶片组成。长柄状叶片的设计有效地防护了在高温燃气通道中的轮周和叶根的固定装置，同时减少了叶片振动的机械阻尼。第二三级叶片的顶部还有联锁的防护罩作为又一个减少振动的的方法。这些防护罩使叶顶损失最小化，从而提高了透平的效率。叶片防护罩上的齿与静叶上的梯状表面形成曲径环式密封通道，防止了叶顶燃气的泄漏。

13、图13所示为用于MS9001FA机组的典型一二三级叶片，每级中的能量转化降低的压力，这就需要不断增加的环形面积容纳燃气流，从而使得叶片尺寸的增加成为必要。冷却透平转子的冷却使之维持一定的运行温度，以得到更长的透平维护寿命。冷却是通过来自压缩空气的抽气的冲刷，并从透平叶轮和静叶之间的空间放射状排入燃气流。面积称为轮间。图14所示为透平冷却空气流。第一级轮间第一级前轮间由压气机的排气冷却。曲径环式密封通道是在压气机转子的后端由压气机排气缸中转子和内腔之间形成的。通过此的泄漏空气供应经过第一级到轮间的空气流。冷却空气在第一级喷嘴后排入主燃气流。轮间后的第一级冷却空气来自压气机点第13级抽气并流向第二

14、级喷嘴。这股空气在第二级喷嘴的前部回到燃气流。第二级轮间第二级前部轮间由来自第一级的后部轮间经过级间密封通道的泄漏冷却。这股空气在第二级动叶的入口处回到主燃气流。第二级后部轮间冷却空气来自压气机第13级抽气并流向第三级喷嘴。来自这个轮间的空气在第三级喷嘴入口回到主燃气流。第三级轮间第三级前部轮间由来自第一级的后部轮间经过级间密封通道的泄漏冷却。这股空气在第三级叶片的入口处回到主燃气流。第三级后部轮间从冷却空气环面的排气框架中获得冷却空气。这股空气流过第三级后部轮间，在排气扩压段的入口进入燃气流。叶片空气从叶片榫头的底部高压腔室引入第一级的每个叶片。流经遍布整个叶片上的叶缘、叶顶的蜿蜒冷却洞口。

15、洞之间是互相隔开的，其尺寸可以用最小的抽气量达到最好的冷却效果。图15所示为MS9001FA的第一级叶片的设计。与第一级叶片不同，第二级叶片通过叶片上的顺流空气流道冷却。空气的引入和第一级相似，从叶片榫头的地步高压腔室引入第二级的每个叶片。同样，叶片的冷却效果在牺牲最小的热效率的情况下达到。见图16。第三级叶片没有内部冷却；这些叶片的顶部和第二级一样，被一作为顶部密封的护罩围住。这些护罩在叶片之间互锁，实现振动衰减。C 透平静叶1. 结构透平缸和排气框架构成了MS9001FA燃气轮机的静子的主要结构。透平喷嘴、护罩和排气扩压段都是从这些元件得到内部支撑。2. 透平气缸透平缸控制护罩和喷嘴的轴向

16、和径向位置，它决定了透平的净空间和喷嘴相对于动叶的位置，这样的定位对燃机透平的性能至关重要。包含在缸体中的高温燃气是一股进入缸体的热流，为了控制缸体的直径，减少热流和限制温度是佷重要的。热流的限制具体体现在绝热材料、冷却和多层结构上。13级压气机抽气排到透平的第二三级喷嘴周围的环形空间。从那儿空气被引导经过喷嘴进入轮间。结构上，透平缸的前部法兰用螺栓连接到在压气机排气室末端的缸壁法兰。透平缸的后部法兰用螺栓连接到排气框架的前部法兰。3. 喷嘴透平段有三级静叶喷嘴，将高温高速燃气引流进入动叶，推动转子旋转对外做功，由于喷嘴前后的压降大，在进气侧与出气侧均带有气封，减少漏气损失。因喷嘴处于高温燃气

17、环境下运行，除了受到压力负载，还遭受较大的热应力。 4. 第一级喷嘴来自燃烧系统的高温燃气经过过渡段进入第一级喷嘴静叶。过渡段在喷嘴进口侧的外侧与内侧壁都带有密封，使进入喷嘴的压气机排气泄漏最小化。MS9001FA燃气轮机第一级喷嘴叶（图17）片内有前后两个腔室，叶片的冷却是在叶的内部和边缘，采用冲刷式冷却技术和对流冷却技术相结合。每个喷嘴段，有两块叶片组成，通过水平中分持环固定，保证叶片对中，即使在高温下叶片径向发生变化，叶片仍能保持对中。叶片持环的后端外径正对着第一级动叶护罩的前端面，起到气封的作用，阻止压气机排气在透平气缸与喷嘴间的泄漏。喷嘴在内侧壁上的密封，是通过侧壁内径上的法兰实现，

18、法兰与第一级持环的啮合面紧紧配合，保持相对静止。偏心衬套和定位销将猫爪固定在内侧壁，阻止喷嘴内侧沿周向滑动。为防止喷嘴前移，在持环外缘面上焊接与水平中心线和垂直中心线都成45度角的猫爪。猫爪插入透平机匣叶片槽，紧挨第一级轮盖T型弯钩前端。取出水平中分面支持块、底部中心线导向销及内径侧定位销，喷嘴的内半可以随透平转子取出。图17 MS9001FA 第一级静叶喷嘴冷却方式5. 第二级喷嘴从第一级动叶出口的燃气，在第二级喷嘴中继续膨胀，导流入第二级动叶。喷嘴分段精铸，每一组有两块叶片组成。第二级喷嘴的进气端外侧与出气端外侧凸型弯钩分别与第一级动叶的出气端凹槽和第二级动叶的进气端凹槽相配合，保证喷嘴与

19、透平机匣和透平转子的对中。喷嘴和动叶之间的紧密凹凸配合起到密封的作用。喷嘴段沿周向插入到外机匣槽，径向定位销定位。第二级喷嘴叶片的冷却空气从压气机第13级抽气。6. 第三级喷嘴从第二级动叶出口的燃气，进入第3级喷嘴叶片，继续膨胀，提高速度，由喷嘴导流进入第3级动叶。喷嘴由铸造段组成，每一段由3块叶片组成。其前部保持在外侧壁，其后侧在透平护罩的凹槽内，安装方式与第二级类似。冷却空气从压气机第13级抽气，对流冷却方式，同时冷却轮间。7. 隔板在第二级和第三级喷嘴段的内圆都附有喷嘴隔板，阻止经过喷嘴内侧壁和透平转子间的空气泄漏。高低迷宫式密封齿装配在隔板的内圆，它们和透平转子上相对的密封表面紧密配合

20、。尽可能减小静止部件（隔板和喷嘴）和运动的转子之间的径向间隙，这样就使级间泄漏较低，透平效率将随之提高。8. 护罩与压气机叶片不一样，燃机透平的叶片末端不直接对着气缸整体加工表面，而是对着环形曲面的护罩。护罩的主要功能是形成一个圆柱形表面使叶片顶部间隙泄漏最小化。第二个功能是在高温燃气和温度相对较低的缸体之间形成较大的热阻。因为这个功能，透平气缸的冷却负荷被大大的减小，透平气缸的直径被控制，透平气缸的圆度被维持，更重要的是透平间隙被保证。第一二级固定护罩部分分成两块；燃气侧的内护罩与支撑性的外部护罩是分开的，这就可以允许它的自由膨胀和收缩，因此改善了低循环疲劳寿命。第一级的护罩的冷却结合冲刷冷却、气膜冷却和对流冷却。护罩的圆周定位用透平上的径向销。护罩段之间的连接处用相互连接的舌片和凹槽密封。9. 排气框架排气框架是用螺栓固定在透平缸的后部法兰上，由通过径向支撑相连接的外部圆筒和内部圆筒组成。二号轴承被支撑内圆筒上。排气扩压器布置在透平的尾端，用螺栓连接于排气框架。从透平第三级排出的燃气进入扩压器，通过扩压，压力增大，速度减少。在扩压器的出口，燃气直接流进排气通风系统。排气框架的径向支撑与排气流相交，这些支撑决定了内圆筒和二号轴承相对于透平外缸的位置。这些撑杆必须维持一定的温度，以保证转子相对于静子的中心位置。为了实现径向支撑杆温度的稳定，通过使用金属整流罩，