燃气轮机介绍 王鹏宇PPT课件

1、燃气轮机介绍,王鹏宇,掌握核心科技,创造改变一切,，,1、燃气轮机基本原理,燃气轮机的原理与中国的走马灯相同，走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。燃气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转。,，,1、燃气轮机基本原理,燃气轮机定义：燃气轮机是将燃料（石油、天然气）的能量转化为某种形式的有用功，例如机械功或者高速喷气式动力装置的推力。 最简单的燃气轮机包括三部分：压气机、燃烧室、涡轮。 压气机压缩空气（消耗功） 燃烧室燃料与空气燃烧（化学能转化为热能） 涡 轮燃气膨胀做功，一部分功用来带动压气机、剩余

2、的功输出，提供动力或推力。,，,1、燃气轮机基本原理,，,1、燃气轮机基本原理,，,1、燃气轮机基本原理,热力过程图表示为 四个基本的热力过程（理想循环）： 等熵压缩（12）压气机 定压加热（23）燃烧室 等熵膨胀（34）涡轮 定压放热（41）大气中,部分负荷时效率低,，,1、燃气轮机基本原理,现代燃气轮机的基本特点： 在燃烧的过程中，燃烧室的压力近似不变，称为定压加热过程。 做功的气体来自大气，最后排入大气，称为开式循环。 通常称这个循环为布雷顿（Brayton）循环。 地面燃机的分类： 重型、轻型和微型； 简单循环和复合循环； 单轴和多轴； 工业用和舰船用；,，,1、燃气轮机基本原理,电站

3、燃气轮机循环主要性能指标： 压比：压气机出口的气体压力P2*与进口的气体压力P1*之比值，反映工质被压缩的程度。 温比：循环最高温度t3*（燃气初温：第一级喷嘴后缘平面处的燃气的平均滞止温度）与最低温度t1*之比值。 比功：是指相应于进入燃气轮机的每lkg空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的功。 单机功率：燃气轮发电机组的输出电功率PGTG，为主要的性能指标。 热效率：当工质完成一循环时，把外界加给工质的热量 转化成为机械功或电功的百分数。,，,西门子 燃气轮机,，,GE 燃气轮机,，,三菱燃气轮机,，,2、燃气轮机结构组成,2.1轴流式压气机 压气机负责从周围大气中吸入空气，增压后

4、供给燃烧室，分轴流式压气机与离心式压气机（应用较少），这里介绍轴流式压气机。 轴流式压气机的叶轮由叶片与叶盘组成，工作原理如同电风扇的叶片，叶片旋转时拨动空气流动产生风；压气机的叶轮旋转把空气推进气缸压缩。,，,2.1轴流式压气机,为了生成高压空气，压气机在主轴轴向装有多级叶轮，若干叶轮固定在压气机的转轴上构成压气机转子，转子上的叶片与主轴一同旋转，称为动叶。 在压气机中，空气被压缩、比容减小、压力增高，因此必须输入一定的压缩功。这些压缩功由透平提供，透平所做的功约有2/3是压气机消耗的，只有1/3用于驱动负载。因此减少压气机耗功、提高压气机效率是提高燃气轮机出力的有效途径。,，,压气机转子,

5、，,2.1轴流式压气机,空气经过动叶后运动方向不单是轴向前进，还沿着动叶旋转的方向运动，这会使下级动叶的压缩效率大大降低。为此，在每级动叶后插入一级静止的叶片（静叶），可改善这种状况。 运动的动叶与静叶的相对位置与气流走向（仅演示两级动叶一级静叶）。蓝色叶片是静叶，绿色叶片是动叶，橙红色箭头表示空气气流的走向。转子旋转时，空气从轴向进入，经过一级动叶后空气运动角度转向右下方,这个角度的空气如果直接进入下级动叶,压缩效果会很差。但通过静叶整流后，空气运动方向转回轴向，再进入二级动叶压缩，效果可大大改善。 转子安装在压气机的气缸（外壳）内，静叶机匣固定在气缸内壁。,，,2.1压气机动叶与静叶气流图

6、,，,2.1轴流式压气机结构,，,2.1轴流式压气机,多数燃气轮机的压气机有十几级，高速旋转的动叶把空气从进气口吸入压气机，经过一级又一级的压缩，变成高压空气。由于压气机内气体流动方向与旋转轴平行，称为轴流式压气机。 压气机的主要参数是增压比，即压气机出口空气压力与进口空气压力之比。 理论上进入燃烧室的空气压力越高越好，实际上综合各种因素，压比较多为 12 至 20。燃气轮机的压气机由本身的涡轮机带动，燃气轮机启动时，先使用外动力带动压气机旋转，把空气压入燃烧室。燃气轮机点火后进入运转状态，则转变至由涡轮带动压气机旋转压气。,西门子 燃气轮机,西门子 燃气轮机,西门子 燃气轮机,，,2.2环管

7、形燃烧室,燃气轮机的燃烧室将燃料的化学能转变为热能，将连续喷入的燃料在压缩后的空气流中不断稳定燃烧，成为高温的燃气,以便到涡轮膨胀做功，燃料为液体燃料（汽油）或气体燃料（天然气）。 燃烧室外壳前面是通往压气机的空气入口，后面是通往涡轮的高温气体出口。,，,2.2环管形燃烧室,燃烧室内有燃烧器，对于液体燃料，燃烧器把进入的燃料雾化从喷嘴喷出；对于气体燃料，燃烧器把进入的气体燃料扩散预混从喷嘴喷出，与压气机来的空气充分混合后燃烧，产生高温高压气体从过渡段出口喷出。 在燃烧室内有火焰筒，燃烧器喷出的火焰在火焰筒内燃烧，火焰筒前段是主燃区，保证火焰正常燃烧；中段是补燃区，在火焰筒壁上有许多进气孔，让空

8、气进入补燃，保证完全燃烧；后段是通向涡轮叶片的燃气导管，也称为过渡段。在燃烧室内的白色箭头线就是气流在燃烧室的流向。,，,2.2燃烧室结构示意图,，,2.2等压燃烧室的基本要求,1.燃气出口平均温度6501400，过量空气系数2.720。即等压燃气轮机中，在燃烧完成之后需大量的过剩空气来掺冷燃烧产物。 2.火焰短、稳定、出口温度场均匀，不均匀度(1015%),不均匀系数10%。 3.燃烧效率8899.5%燃料要尽量燃烧完全，燃烧效率与燃料品质、雾化、混合、油气比、空气流速、温度、压力等有关。 4.燃烧室压损率保持在35% 。 5.寿命20000100000h，选材合理，易维修。,，,2.2环管

9、形燃烧室,目前燃气轮机的燃烧室主要有四种类型：圆筒形燃烧室、分管形燃烧室、环管形燃烧室、环形燃烧室，后两种用得较多，主要介绍环管形燃烧室。 环管形燃烧室只有一个整体的燃烧室，环绕在燃气轮机的腰部，在燃烧室内有若干个火焰筒（包括过渡段）。 下图 是由 12 个火焰筒组成的燃烧室剖面图，12个火焰筒共用的空间就是燃烧室的空间，也就是燃烧段气缸内环绕主轴的空间。火焰筒绕燃气轮机主轴一周排列，过渡段出口对向涡轮叶片。,，,2.2环管形燃烧室结构侧视,，,2.2环管形燃烧室,，,2.2环管形燃烧室,燃烧室由外壳与火焰筒组成，在燃烧室外壳端部有燃料（天然气）入口，在燃烧室内装有燃烧器，其燃料喷嘴在在火焰筒

10、前端内部。在火焰筒尾部联接过渡段，在过渡段上装有可控流量的补气口。 燃料（燃油或天然气）通过燃烧室端部燃料入口进入，由燃烧器喷嘴喷入火焰筒，喷入的天然气与压气机压入的高压空气在燃烧室火焰筒里混合燃烧。燃烧使气体温度剧烈上升，膨胀的高温高压燃气从过渡段喷出，进入透平做功。,，,2.2环管形燃烧室火焰筒组件结构,，,2.2环管形燃烧室,下图中的白色箭头线是压气机进入燃烧室的气流走向；黄色箭头线是燃烧室喷向涡轮叶片的气流走向。 一般燃气轮机有六个至十几个火焰筒组件，在一个环形燃烧室内安装多个火焰筒组件，故称为环管形燃烧室。,，,2.2环管形燃烧室气流走向,，,2.3 轴流式涡轮,从燃烧室喷出的高压燃

11、气推动涡轮旋转，把燃气的内能转化为涡轮的机械能。涡轮也称透平。涡轮也分轴流式涡轮与径向式两类，燃气轮机大多数采用轴流式涡轮，主要介绍轴流式涡轮。 简单说轴流式涡轮的工作原理就像风吹风车旋转一样，是靠燃气流对涡轮上的叶片作用使其旋转的，由于气流主方向与涡轮轴平行，故称之为轴流式涡轮。 涡轮主要由涡轮叶片、涡轮盘（叶盘）、涡轮轴构成，涡轮上的叶片称为动叶，也就是带动涡轮轴旋转的叶片。涡轮机一般有一至四个涡轮，大多数燃气轮机的几个涡轮共一个转轴，一同组成涡轮转子。,，,2.3 轴流式涡轮,在涡轮每级动叶的前方还安装一组静止的叶片（静叶），静叶是燃气的导向器，起着喷嘴的作用，使气流以最佳方向喷向动叶。

12、一组静叶加一组动叶为一级涡轮。 下图 为涡轮叶片的气流走向图，图中蓝色叶片是静叶，绿色叶片是动叶，橙红色箭头表示燃气气流的走向。 为了充分利用燃气的热能膨胀做功，为获得最大的机械能，大型燃气轮机一般为 3 级或 4 级涡轮。,，,2.3涡轮叶片气流走向图,，,2.3 涡轮机正视剖面图,，,2.3 涡轮机侧视剖面图,，,涡轮叶片,，,环管形燃烧室燃气轮机,燃气涡轮机发动机有多种结构形式，有环形燃烧室燃气轮机、环管形燃烧室燃气轮机、分管形燃烧室燃气轮机等。 此处主要介绍环管形燃烧室、环管形燃烧室燃气轮机。 主要由轴流式压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮组成。,，,环管形燃烧室燃气轮机,，,燃气轮机转

13、子,燃气轮机的压气机转子与涡轮转子共用同一根转轴，一同组成燃气轮机转子，涡轮在向外部提供动力的同时也带动压气机一同旋转。,，,环管形燃烧室燃气轮机,燃烧室和透平不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。 为确保寿命，这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。,西门子燃气轮机,，,环管形燃烧室燃气轮机,燃气轮机转子安装在机壳（气缸）内；在压气机与涡轮之间有环形燃烧室，燃烧室内安装 12 个管式火焰筒与 12 个燃烧器，由燃料管向燃烧器输送

14、燃料。,，,环管形燃烧室燃气轮机剖面,，,环管形燃烧室燃气轮机,燃气轮机工作简单过程： 空气从进气口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见黄色箭头线；高压空气进入燃烧室，燃料与空气混合在燃烧室燃烧，产生高温高压燃气；高温高压燃气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。,，,环管形燃烧室燃气轮机气流走向,，,3、燃气轮机的特点,在燃气轮机中，压缩、燃烧、膨胀过程不像往复式机械（内燃机）那样，发生在一个部件内。这些过程发生在独立的部件内，意味着他们可以单独地进行设计、实验和研究发展，并且这些部件可以通过不同的组合方式形成燃气轮机。 不同的轴系布置方

15、式影响着效率随输出功的变化和输出扭矩随转速的变化。有的布置适合于带动负荷变化但转速恒定的交流发电机，有的布置适合于带动变转速的船用螺旋桨。,，,按照轴系布置,，,3、燃气轮机的特点,根据需要，为了增加效率或者输出功，通常采用回热、再热、间冷等复杂循环。 这些优化增加输出功和装置效率的代价是附加了复杂性、重量和价格。,，,3、燃气轮机的特点,优点： 结构紧凑、质量轻、体积小、占地面积小，单位功率质量较低；相对于汽轮机，省去了庞大的锅炉系统。 启动快、从冷态启动至满负荷，通常只用几分钟至半小时。 耗水少或者不用水。 缺点： 部分负荷时效率低，油耗高。,，,燃气蒸汽联合循环发电,，,燃气蒸汽联合循环

16、发电,，,H级机组,，,4、燃气轮机的应用,目前许多大型燃气蒸汽联合循环发电机组使用的燃气轮机是采用环管形燃烧室燃气轮机，利用天然气作为燃料可以大大减少对环境的污染。 工业领域 陆地和海上运输 航空领域,，,4、燃气轮机的应用,工业领域： 电站基本负荷、调峰运行和备用机组；无电网的孤立地区供电；与汽轮机组成联合循环供电。 天然气管道输运增压用燃气轮机、石油化工领域去动泵、压缩机等；燃气轮机的排气可以实现热电联供。 陆地和海上运输：在大型舰船中广泛应用。但由于燃气轮机在低负荷时油耗高，通常与汽轮机、柴油机组成联合动力装置。,，,GE燃气轮机技术介绍,，,GE燃气轮机技术介绍,，,GE燃气轮机技术

17、介绍,，,GE燃气轮机技术介绍,，,GE燃气轮机技术介绍,，,GE燃气轮机技术介绍,，,5、燃气轮机故障类型,1.启动过程中“热挂” 2.压气机喘振 3.机组运行振动大 4.点火失败 5.燃烧故障 6.启动不成功,7.燃机大轴弯曲 8.燃机轴瓦烧坏 9.燃机严重超速 10.燃机通流部分损坏 11.润滑油温度高 12.燃机排气温差大,，,燃气轮机故障原因,1、“热挂”的原因： （1）启动系统的问题。启动柴油机出力不足；液力变扭器故障等。 （2）压气机进气滤网堵塞、压气机流道脏，压缩效率下降。 （3）燃机控制系统故障。 （4）燃油雾化不良。 （5）透平出力不足。,，,燃气轮机故障原因,2、产生压气

18、机喘振的原因： 压气机喘振主要发生在启动和停机过程中。引起喘振的原因主要有： 机组在启动过程升速慢，压气机偏离设计工况； 机组启动时防喘放气阀不在打开状态； 停机过程防喘放气阀没有打开。,，,2.1防止压气机发生喘振的措施,1、喘振的根本原因:由于攻角过大，使气流在叶背处发生分离而且这种气流分离严重扩展至整个叶栅通道。,，,2.2防止压气机发生喘振的措施,2、喘振时的现象： 发动机的声音由尖哨转变为低沉、振动加大；压气机出口总压和流量大幅度的波动；转速不稳定，推力突然下降并且有大幅度的波动；发动机的排气温度升高，造成超温；严重时会发生放炮，气流中断而发生熄火停车。因此，一旦发生上述现象，必须立

19、即采取措施，使压气机退出喘振工作状态。,，,2.3防止压气机发生喘振的措施,3、防止喘振措施： 1）、设计压气机时合理选择各级之间流量系数的配合关系，力求扩大压气机的稳定工作范围。 2）、在压气机第一级或若干级装设可旋转叶片。 3）、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。 4）、合理选择压气机的运行工况点，使机组在额定负荷工况下的运行点离压气机喘振边界有足够的安全裕量。 5）、把一台高压比的压气机，分解成两个压比较低的高低压气机，依次串联工作，并分别用两个透平来分别带动。,，,燃气轮机故障原因,3、机组运行振动大的原因： 引起燃气轮机运行振动的原因较多，对机组安全运行构成威胁

20、，因此应高度重视。下面列举部分引起机组振动的情况： （1）机组启动过程过临界转速时振动略微升高，属正常现象，但在临界转速后振动会下降。按正常程序启动燃气轮机时，机组会快速越过临界转速，如果由于升速慢引起振动偏高，应检查处理升速较慢的原因。 （2）启动过程中由于压气机喘振引起的振动偏高，喘振时压气机内部发出“嗡嗡”声，对这种情况应检查压气机喘振的原因和对机组带来的不良影响。,，,燃气轮机故障原因,（3）机组启停后没有按冷机程序执行，或冷机过程对气缸和转子的非均匀性冷却，致使燃气轮机转子临时性弯曲，造成在启动过程中晃动量大，引起振动偏大。 （4）转子存在动不平衡引起的振动偏高，必须对转子进行动平衡

21、来消除。 （5）由转子内部缺陷（拉杆螺栓紧力不均、轮盘接触不良等）引起的振动，反映在启动过程（特别是冷态启动更为突出）和运行初期的振动较高，但运行一段时间后振动有所下降，这种情况主要反映出转子在启动后传热不均匀引起转子局部变形，可通过延长启动时间来解决，但严重时需要对转子进行解体大修。,，,燃气轮机故障原因,（6）由于轴承损坏而引起的振动偏大，一般同时会伴随着机组惰走时间偏短，那需要更换轴承；油膜振荡也会引起振动偏大。 （7）由于动静部件相磨引起的振动偏大。 （8）由于套齿联轴器或传动齿轮磨损，接触不良也会引起机组的异常振动。 （9）转子中心偏离引起振动大。 （10）基础不牢、机组地脚螺栓松动

22、、机组滑销系统在热膨胀时受阻等，也可能引起机组振动偏高。,，,燃气轮机故障原因,4、点火失败的原因： 点火失败的主要原因有：点火故障（点火线圈及点火变压器故障）；燃油系统及燃油控制系统故障；雾化空气系统故障、燃油喷嘴结焦堵塞等等。,，,燃气轮机故障原因,5、燃烧故障的原因： 燃烧不完全或个别燃烧室燃烧不良导致出口温度不均匀，透平出口处的最大排气温差超过允许值，便引发燃烧故障报警；引起故障的原因主要有：燃油进油量不均匀（主要有流量分配器故障、燃油喷嘴堵塞、燃油管道堵塞等）；雾化不良（主要有雾化空气系统故障、燃油压力偏低等）；燃油喷嘴故障（喷嘴变形）、燃烧室及过渡段故障等；压气机故障；压比低、燃烧及掺冷空气不足；透平故障（主要有流道堵塞、叶片变形等）。,，,燃气轮机故障原因,6、启动不成功的原因： 启动过程发生故障导致机组启动不成功的原因很多，主要有以下几个方面：启动系统故障；点火失败；燃烧故障；机组“热挂”；压气机喘振；压气机进口导叶IGV打开故障；启动过程振动大；发电机同期故障；其他主要辅机故障等。,，,燃气轮机故障原因,7、燃机大轴弯曲的原因： 主要原因有： 机组运行中振动偏大； 机组动、静部件相磨造成大轴局部过热变形； 轴瓦烧损至轴颈严重磨损； 盘车系统故障造成转子热态无法均匀冷却。,，,燃气轮机故障原因,8、燃机轴瓦烧坏的原因： 主要原