燃气轮机结构

1、2-1 燃气轮机压气机燃气轮机压气机 按照空气流动方向与轴关系划分按照空气流动方向与轴关系划分 轴流式与离心式压气机轴流式与离心式压气机 1-进口收敛器；进口收敛器； 2-进口导流器；进口导流器；3-工作叶轮；工作叶轮；4-扩压时列；扩压时列；5-出口导流器；出口导流器；6-出口扩压器；出口扩压器；7-转子；转子；8-气缸气缸(或机匣或机匣)；9-端轴。端轴。 轴流式压气机的一个级只有轴流式压气机的一个级只有1.151.35左右左右,实现高压比需实现高压比需多级多级离心式压气机离心式压气机1-进口导流器；进口导流器；2-工作叶轮；工作叶轮；3-无叶扩压器；无叶扩压器；4-有叶扩压器；有叶扩压器

2、；5-排气管；排气管；6-连接轴连接轴 主要应用在小型、微型燃气轮机。主要应用在小型、微型燃气轮机。 一级离心式压气机就可以达到一级离心式压气机就可以达到4.54.5或更高的压比或更高的压比 在压气机特性线的左侧在压气机特性线的左侧, ,有一条有一条喘振边界线喘振边界线。这表明，压气。这表明，压气机在一定的转速下运行时，如果空气流量减小到一定程度，运机在一定的转速下运行时，如果空气流量减小到一定程度，运行工况点进入了喘振边界线左侧的区域，那么整台压气机就不行工况点进入了喘振边界线左侧的区域，那么整台压气机就不能稳定地工作。能稳定地工作。 这时，空气流量会忽大忽小，压力会时高时低，甚至会出现这时

3、，空气流量会忽大忽小，压力会时高时低，甚至会出现气流向气流向压气机进口方向倒流压气机进口方向倒流的现象，同时还会发生巨大声响，的现象，同时还会发生巨大声响，机组伴随有强烈振动。这种现象通称为机组伴随有强烈振动。这种现象通称为喘振喘振。 几何入口角几何入口角ljlj与几何出口角与几何出口角2j2j中弧线中弧线在叶型入口边在叶型入口边和出口边的切线与和出口边的切线与前、后额线前、后额线之间的夹角。之间的夹角。 冲角冲角i i= = 1j1j- - 1 1 图图3-17 压气机叶栅中旋转脱离现象的发生压气机叶栅中旋转脱离现象的发生 冲角加大冲角加大冲角减小冲角减小 如果某一个叶片上由于正攻角过大而发

4、生了脱流，但相如果某一个叶片上由于正攻角过大而发生了脱流，但相邻叶片还没有发生，则这一叶片处就会发生局部的气流堵塞，邻叶片还没有发生，则这一叶片处就会发生局部的气流堵塞，迫使来流向两侧偏转。迫使来流向两侧偏转。 在该叶片前方（相对于叶片运动方向而言）来流攻角会在该叶片前方（相对于叶片运动方向而言）来流攻角会变小而抑制了脱流的趋势，但其后方的来流攻角会进一步加变小而抑制了脱流的趋势，但其后方的来流攻角会进一步加大而很快发生脱流。大而很快发生脱流。 与此同时，原来发生脱流的叶片却因其后方叶片的脱流而与此同时，原来发生脱流的叶片却因其后方叶片的脱流而状况改善，并退出脱流。这种情况就像脱流区沿着周向在

5、传状况改善，并退出脱流。这种情况就像脱流区沿着周向在传递一样。递一样。 防喘振措施防喘振措施: :在设计压气机时留在设计压气机时留有较大的有较大的“喘振裕度喘振裕度”，例如可以在设计工况时在前面各，例如可以在设计工况时在前面各级预先取一定的负攻角，这样在低转速变工况时即使攻角增加也不容易达到级预先取一定的负攻角，这样在低转速变工况时即使攻角增加也不容易达到旋转脱离的程度。旋转脱离的程度。(2)(2)在选用现成的压气机时，将燃气轮机机组的设计运行点选在离压气机喘振在选用现成的压气机时，将燃气轮机机组的设计运行点选在离压气机喘振边界较远处，从而留出一定的安全裕量。边界较远处，从而留出一定的安全裕量

6、。(3)在轴流式压气机的第一级，或者前面若干级中，装设在轴流式压气机的第一级，或者前面若干级中，装设可调旋转导叶可调旋转导叶，作为防喘，作为防喘措施。措施。对于高压比的压气机有时前面三级都装有可转导叶。对于高压比的压气机有时前面三级都装有可转导叶。(4)(4)在压气机通流部分的某一个或若干个截面上，在压气机通流部分的某一个或若干个截面上，安装防喘放气阀安装防喘放气阀。 (5) 把一台高压比的压气机，分解成为两个压比较低的串联运行把一台高压比的压气机，分解成为两个压比较低的串联运行的高、低压压气的高、低压压气机，并分别用两个转速可以独立变化机，并分别用两个转速可以独立变化的透平来驱动的透平来驱动

7、. . 2-2 燃气轮机透平燃气轮机透平轴流式轴流式 大型燃气轮机大型燃气轮机,流量大流量大.径流式：径流式： 离心式和向心式离心式和向心式 用于微燃机用于微燃机,小功率燃机小功率燃机.透平叶片的冷却透平叶片的冷却 燃气轮机的发展靠高温材料和冷却技术，两者相燃气轮机的发展靠高温材料和冷却技术，两者相辅相成。辅相成。图图 1 1 燃气初温逐年提高情况燃气初温逐年提高情况叶片冷却形式叶片冷却形式1 1、对流冷却、对流冷却 冷却空气流经叶片内部流道后，自叶片的冷却空气流经叶片内部流道后，自叶片的端或出气边排出至主燃气流端或出气边排出至主燃气流中，空气靠与叶片内部通道壁面的对流放热来冷却叶片，因而称为

8、对流冷却。中，空气靠与叶片内部通道壁面的对流放热来冷却叶片，因而称为对流冷却。 图图2 2 板料焊接的对流冷却静叶片板料焊接的对流冷却静叶片 图图 3 3 板料焊接的对流冷却动叶片板料焊接的对流冷却动叶片 图图 4 4 冷却叶片自叶顶排出的动叶冷却叶片自叶顶排出的动叶2 2 冲击冷却冲击冷却 在空心的叶片内部加一导管，导管上开有许多小孔，冷却空气先流入导管，在空心的叶片内部加一导管，导管上开有许多小孔，冷却空气先流入导管，再从导管上的小孔流出去冷却叶片。下图为一有冲击冷却的静叶导管上开的一排再从导管上的小孔流出去冷却叶片。下图为一有冲击冷却的静叶导管上开的一排小孔正对着片进气边内表面，冷却空气

9、自小孔流出直接冲击进气边内表面进行冷小孔正对着片进气边内表面，冷却空气自小孔流出直接冲击进气边内表面进行冷却，故称冲击冷却。却，故称冲击冷却。 图图 5 5 有冲击冷却的静叶有冲击冷却的静叶3 3、气膜冷却、气膜冷却 冷却空气从空心叶片顺着燃气流动方向流出，冷却空气从空心叶片顺着燃气流动方向流出，在叶片表面形成在叶片表面形成一层膜，把叶片表面而与燃气隔开而对叶片起到保护作用，同时一层膜，把叶片表面而与燃气隔开而对叶片起到保护作用，同时冷却叶片，为气膜冷却。冷却叶片，为气膜冷却。4 4 发散冷却发散冷却 当空心叶片用多孔的透气材料做成时，叶片内部的冷却空气就当空心叶片用多孔的透气材料做成时，叶片

10、内部的冷却空气就象象“出汗出汗”那样自叶片表面流出，为发散冷却。那样自叶片表面流出，为发散冷却。图图 6 6 发散冷却叶片与表面温度发散冷却叶片与表面温度图图 7 7 多排冲击和气膜冷却的综合冷却静叶多排冲击和气膜冷却的综合冷却静叶图图 8 8 采用冷却技术后，典型的静叶出口温度与叶片温度采用冷却技术后，典型的静叶出口温度与叶片温度XglXgl：冷却空气系数：冷却空气系数 Xgl=GL/Ga Xgl=GL/Ga 这里这里 GLGL为从压气机抽出用于冷却燃气透平叶片空气量为从压气机抽出用于冷却燃气透平叶片空气量 GaGa为进入燃气轮机压气机的流量为进入燃气轮机压气机的流量燃气轮机初温越高燃气轮机

11、初温越高 所需冷却空气流量越大，冷却空气系数越大所需冷却空气流量越大，冷却空气系数越大700800900100011001200130014001500051015202530Xgl (%)T3( )图图 9 9 燃气轮机初温与冷却空气系数的关系燃气轮机初温与冷却空气系数的关系未来冷却技术的发展未来冷却技术的发展（1）采用综合冷却手段提高冷却效果）采用综合冷却手段提高冷却效果（2）提高工作可靠性）提高工作可靠性（3）蒸汽冷却）蒸汽冷却图图 10 GE-H10 GE-H型燃气型燃气- -蒸汽联合循环系统蒸汽联合循环系统燃机透平特性燃机透平特性四个特征参数：四个特征参数： 折合流量，折合流量， 膨

12、胀比，膨胀比， 折合转速，效率折合转速，效率知道其中任意两个可知其它参数。知道其中任意两个可知其它参数。图图 燃机透平通用特性曲线的表示方法燃机透平通用特性曲线的表示方法1 f12 f21212fmmmAcAcqqvvAcqv联合运行工况点确定：联合运行工况点确定：压气机与透平转速相同，压比与膨胀比之间存在联系。压气机与透平转速相同，压比与膨胀比之间存在联系。燃烧室燃烧室 燃烧的稳定性；燃烧的稳定性； 燃烧效率；燃烧效率； 火焰筒的有效冷却；火焰筒的有效冷却； 燃料喷嘴的合理布置；燃料喷嘴的合理布置； 多种燃料的适应性。多种燃料的适应性。 燃烧室结构分类燃烧室结构分类1 1 分管燃烧室分管燃烧

13、室2、环管型燃烧室、环管型燃烧室3 环行燃烧室环行燃烧室4 圆筒形燃烧室圆筒形燃烧室低污染燃烧技术低污染燃烧技术 1 1）干式低排放（）干式低排放（DLNDLN，或称为，或称为“dry low NOx”DLNdry low NOx”DLN）燃烧室燃烧室 NOxNOx生成温度生成温度16501650度度 干式低污染燃烧的基本措施就是干式低污染燃烧的基本措施就是“贫预混贫预混”，即以适当的过，即以适当的过量空气系数将空气与燃料量空气系数将空气与燃料预先混合均匀后预先混合均匀后再进入燃烧室燃烧，再进入燃烧室燃烧，这就从根本上改变了传统的以扩散燃烧为主的概念。这就从根本上改变了传统的以扩散燃烧为主的概

14、念。 预混燃烧的特点是反应区内的燃料浓度和反应温度都是均预混燃烧的特点是反应区内的燃料浓度和反应温度都是均匀的，也是匀的，也是预先通过燃料和预混空气的配比预先通过燃料和预混空气的配比加以严格控制的。加以严格控制的。图图3-33 DLN燃烧室的一个火焰筒示意图燃烧室的一个火焰筒示意图 2 2）催化燃烧）催化燃烧 其基本思想是在燃烧室的适当部位引入其基本思想是在燃烧室的适当部位引入催化燃烧组件（模催化燃烧组件（模块），块），催化燃烧的特性是具有催化燃烧的特性是具有“化学恒温作用化学恒温作用”。这种组件实。这种组件实际上是由金属薄片衬底构成的蜂窝结构，衬底上涂敷催化剂，际上是由金属薄片衬底构成的蜂窝

15、结构，衬底上涂敷催化剂，可燃混合物通过时与催化剂有很大的接触面积。可燃混合物通过时与催化剂有很大的接触面积。 催化剂组件由多个截面区域组成，每个区域具有专门的功催化剂组件由多个截面区域组成，每个区域具有专门的功能，以达到特定的燃烧温度，因此不论可燃混合物浓度如何，能，以达到特定的燃烧温度，因此不论可燃混合物浓度如何，即使燃料即使燃料- -空气比很高，在空气比很高，在催化剂组件中进行无焰燃烧时也可以催化剂组件中进行无焰燃烧时也可以控制在较低的反应温度，控制在较低的反应温度，从而将从而将NOxNOx的产生控制在极低的水平。的产生控制在极低的水平。 图图3-34 3-34 催化（催化（XononXonon）燃烧室示意图）燃烧室示意图 GE的的DLN燃烧室燃烧室关于燃烧室初温关于燃烧室初温T3的定义的定义 由于燃气轮机透平叶片需冷却，因而在不同部由于燃气轮机透平叶片需冷却，因而在不同部位注入冷却空气，导致了有不同的温度。位注入冷却空气，导致了有不同的温度。（1 1）燃烧室出口温度）燃烧室出口温度T TA A（2 2）燃气轮机透平第一级喷嘴后的温度）燃气轮机透平第一级喷嘴后的温度T TB B（3 3）以进入燃气轮机透平的所有空气流量计算）以进入燃气轮机