航改工业燃气轮机的发展

航改工业燃气轮机的发展

1航改工业燃气轮机主要发展方向原油泵由压气机、燃料泵、涡轮（气平）、管理系统和辅助动力系统组成。它的工作模式分为开放式、封闭式、前曲线、联合式、整体化、核燃联合循环和辅助气循环，广泛应用于船舶、发电、机械等领域。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。2ge和roys-royce航空改造工业机车的设计2.1燃气发生器配装设计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12000～124000kW，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(3600r/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3000r/min或3600r/min可调，对应于50Hz和60Hz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。2.2航改工业燃气轮机Rolls-Royce公司成立至今，已累计向世界范围的用户交付了54000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2.4×107h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50Hz和60Hz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计特性见表3，RB211、AVON200和Trent60的结构外形见图2，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。3航改工业燃气轮机采用dle预混燃烧设计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。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燃油悬架的高效设计技术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)。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燃气发生器的研制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25MW，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。5提高低能耗的燃气轮机和效率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