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1、燃气轮机简介1.1 燃气轮机的工作原理燃气轮机是一种动力机械，它主要是由压气机、燃烧室和透平这三大部件组成的。图1-1中给出了简单循环燃气轮机的工作原理图。1-压气机 2-燃烧室 3-透平 4-轴承 5-负荷图1-1 简单循环燃气轮机的工作原理图结合图1-1可以初步看出：在燃气轮机正常工作时，压气机从外界大气中吸入空气，把它压缩到一定的压力(温度也随着升高)，然后送到燃烧室中与喷入的燃料相混合，并燃烧成为高温的燃气。这股高温高压的燃气具有作功的能力，当它流经透平时，就会膨胀作功，推动透平带着压气机一起作高速旋转运动。这样，就能把燃料中的化学能，部分地转化成为机械功。在透平中经过膨胀作功后的燃气
2、，其温度和压力都降低了，它可以直接排向大气；也可以引入废热锅炉回收部分余热后，再排入大气。通常，燃气在透平中所作的机械功，大约有2/3左右被用来带动压气机，消耗在空气的压缩耗功上；而所剩的那部分功，则通过机组的输出轴，去带动外界的各种负荷。只要在机组启动成功后，连续不断地向燃烧室喷入燃料，并维持正常燃烧，那么上述这些过程，即压气机的吸气和压缩过程、燃烧室中燃料的燃烧过程、透平中燃气的膨胀作功过程，以及高温排气在大气中的自然放热过程，就会连续不断地进行下去。与此同时，燃料中的化学能也将部分地、连续不断地转化成为机械功。1.2 燃气轮机发展简介人们对燃气轮机的向往以久，例如公元690年左右我国张遂
3、曾用燃气激动铜轮；公元959年前后，我国已有走马灯的创造；1550年达芬奇(Leonardo da Vinci)也曾设计过利用壁炉烟道中的烟气来转动叶轮等。至于有意识地根据热力循环知识来设计燃气轮机的活动，约在十八世纪末年才开始。1900年前后，司徒尔兹(FStolze)、拉马尔(CLamale)和阿尔芒哥(RArmengaud)等人分别试验了一些燃气轮机，可是都不能发出功率，未获成功。燃气轮机工业是蒸汽轮机和航空发动机两大工业发展而来的。燃气轮机对压气机的要求比通用的透平压气机高，对燃烧室的要求比锅炉高，对透平的要求比蒸汽轮机高，因此三十年代以前虽经试验，但仍未获得实用。第二个阶段是从燃气轮
4、机初步试验成功，发展到制造出有工业价值的装置，前后花了约40年时间。在这个阶段中，工业较先进的欧洲开始在冶炼工艺和空气动力知识方面有了提高，而具备了生产燃气轮机的条件。1907年左右，法国涡轮机协会制造的燃气轮机获得了3%的效率。同时，霍尔兹瓦斯(HHolzwarth)设计了50马力等容燃烧式燃气轮机，它是第一台在工业上长期运转的装置。到1939年，BBC公司制成了第一台功率较大的发电用燃气轮机，这台4000kW装置的效率达到18%。同年Heinkel工厂的第一台涡轮喷气式发动机试飞成功。1940年BBC又制成了第一台燃气轮机车，功率为2200马力，效率达16%。第三阶段是生产了第一代工业上实
5、用的燃气轮机和喷气发动机，并积累了运行经验。在这个阶段中，燃气轮机工业和科学系统开始形成。在40年代后期，航空上涡轮喷气发动机由于比活塞式轻小、功率大，所以得到迅速发展，在军用飞机方面已达到了广泛的程度。第四阶段中，工业用燃气轮机在上述许多机组的设计及运行经验上研制出来。喷气发动机在航空工业基本上取代了活塞式发动机，并且大量的航空结构设计经验被这些工厂用到运输式及固定式燃气轮机上去。它非但对陆海用燃气轮机的改革和发展起了决定性引导作用，而且对蒸汽轮机和透平式压气机工业也起了带动作用。这些轻型结构的燃气轮机在同根据燃气轮机传统设计的重型结构燃气轮机的竞争过程中，到50年代后期，占了优势。同一时期
6、，自1950年Rover公司第一辆燃气轮机汽车行驶后，小功率燃气轮机获得了很大发展。由于小功率装置的技术周期比较短，较成熟的小功率燃气轮机也在这个阶段的后半期制造出来。60年代，轻型结构燃气轮机的经济性和可靠性经受了考验，并被众所公认。喷气发动机被成批地改装成陆海用装置，单机功率已达10万kW，在这种情况下，苏美英三国决策更新海军，使舰艇燃气轮机化。1965年美国又遇到东北电网大停电事故，损失惨重，因此各国电业界决定添建大批燃气轮机峰载应急发电机组。再加上输气、输油管线的建设以及中小功率燃气轮机的推广，故在60年代这十年中，陆海用燃气轮机功率总容量猛增至13倍，其中大都以发展简单循环单轴、分轴
7、机型为主。1970年，全世界陆海用燃气轮机达到了9500万马力，其中4500万马力用于发电，800万马力用于舰船。70年代，指标更高的新一代燃气轮机问世，实现了用电子计算机监视的遥控全自动化。透平进气温度近400，压比近30:1，开式简单循环燃气轮机效率高达36%，回热式效率高达38%，单机功率达11万kW，多台喷气发动机燃气发生器组装，各配或合配一台动力透平，驱动一台发电机时，功率可达1635万马力。进入80年代，由于燃气轮机的单机功率和热效率都有很大程度的提高，特别是燃气-蒸气联合循环渐趋成熟，再加上世界范围内天然气资源的进一步开发，燃气轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位就发生了明显的
8、变化，它们不仅可以用作紧急备用电源和尖峰负荷机组，而且还能携带基本负荷和中间负荷。1.3 燃气轮机的类型燃气轮机的类型很多，可以有不同的分类方法。(1)按循环方式1)开式循环燃气轮机，指实施开口热力循环的燃气轮机。因燃气轮机是以从大气中吸入的空气作为工质，经压缩机压缩后进入燃烧室，并与燃料混合燃烧形成燃气，燃气在涡轮中膨胀作功后又排入大气，故名。与闭式循环燃气轮机相比，具有结构简单，无需配置加热器和预冷器等设备，整台机组重量轻、尺寸小等优点；但对燃料品种的适应性差，通常均需燃用价昂的液体燃料和气体燃料，提高单机功率受到较大的限制，且机组有效效率较低。目前所使用的大多数燃气轮机基本上都采用各种不
9、同型式的开口循环。2)闭式循环燃气轮机，指实施闭口热力循环的燃气轮机。其特点是：工质(一般是空气)经压缩机压缩后，并不参与燃料的燃烧过程，而是在加热器(表面式换热器)内接受燃气的间接加热；工质在涡轮中膨胀作功后并不排入大气，而是被送入预冷器(另一表面式换热器)内接受冷却水的冷却，使其温度降低至压缩机原来的进口温度，然后再进入压缩机，如此循环不已。就工质所经历的过程而言是在完成一个闭口循环。整台燃气轮机的设备大为复杂。这种燃气轮机目前还只有少数试验性的机组，尚未广泛应用。3)简单循环燃气轮机，指依次进行单级压缩(指压缩过程无中间冷却)、定压(或近似定压)加热、单级膨胀(指膨胀过程无中间再热)和定
10、压放热诸过程的燃气轮机。其热力循环是燃气轮机中最简单的。具有设备简单、重量轻、尺寸小和造价低等优点；但热效率和比功较低。为改进其性能，需提高涡轮进口燃气初温和合理地选取压缩机的增压性能以及结构形式。它是目前应用最广泛的燃气轮机类型，常用于移动式电站、应急备用电站、大容量电力网的调峰机组、舰船和运输式动力装置、油田及海上钻井平台动力设备以及某些小功率轻型动力装置。4)复杂循环燃气轮机，泛指采用“回热”、“间冷”和“再热”等措施的燃气轮机。可能仅采用其中任何一种措施，也可能同时采用其中的几种措施。回热循环燃气轮机利用热交换器(亦称“回热器”)回收涡轮排气中的一部分余热，来加热进入燃烧室之前的工质(
11、这一过程称为“回热”)的燃气轮机。采用回热措施可提高燃气轮机效率，降低燃料消耗量，例如简单循环燃气轮机的有效效率可因此而提高2030%左右。但采用回热后，燃气轮机的结构大为复杂，整机重量和尺寸也随之显著增大。再热循环燃气轮机采用由单级压缩、定压加热、在多级膨胀过程中再次加热和定压放热诸过程组成循环的燃气轮机。由于结构过于复杂，大大削弱了燃气轮机的基本优点，致使其应用范围深受限制。间冷循环燃气轮机全称“在压缩过程中带有中间冷却的燃气轮机”。采用由带有中间冷却(通常为一次或两次)的绝热压缩、定压加热、绝热膨胀和定压放热诸过程组成循环的燃气轮机。其压缩过程采用中间冷却的目的在于减少压缩功消耗，以提高
12、机组的比功输出。(2)按轴数分1-压气机 2-燃烧室 3-高压透平 4-低压透平 5-齿轮箱图1-2 分轴燃气轮机的示意图1)单轴燃气轮机指涡轮与压缩机(或包括涡轮所带动的工作机械一起)同轴配置的燃气轮机。结构简单，造价较低。较适于带动转速恒定的工作机械(如交流发电机)，但承担部分负荷时有效效率显著降低；不适用于带螺旋桨式负荷(如舰船)和机械传动牵引式负荷(如汽车、机车等)。由于工作机械转速与燃气轮机转速之间难于匹配，单轴燃气轮机与工作机械之间往往需采用较大减速比的齿轮箱。2)双轴燃气轮机指带有两根转轴的燃气轮机。其涡轮包括不同轴的高压涡轮和低压涡轮，高压涡轮专门用来带动压缩机，低压涡轮则对外
13、承担负荷(见图1-2)。其中，压缩机、燃烧室和高压涡轮所组成的部分称为“燃气发生器”，它不输出功率，仅向低压涡轮提供一定压力和温度的燃气；低压涡轮则依靠燃气在其中膨胀作功，对外输出有效功率，因此亦称“动力涡轮”。双轴燃气轮机具有以下特点：(1)可改善燃气轮机在低负荷工况下的性能，使压缩机不易发生喘振；(2)燃气发生器与工作机械之间无机械联系，高压涡轮和压缩机可选用较高的转速以减小整台燃气轮机的尺寸；(3)起动时只需带动燃气发生器，可降低起动机功率；(4)在动力涡轮低转速运转时可产生较大的扭矩，故能适应牵引式负荷的要求；(5)在甩负荷时，动力涡轮容易超速，故应采取一定的保护措施。双轴燃气轮机能适
14、应各种不同类型的负荷，可用于带动发电机、螺旋桨、各种泵和压缩机等。3)三轴燃气轮机指带有三根转轴的燃气轮机。其涡轮包括不同轴的高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮，压缩机包括不同轴的低压压缩机和高压压缩机，低压涡轮对外输出有效功率。其中，由高、低压压缩机，燃烧室及高、低压涡轮所组成的部分称为“双轴燃气发生器”，它不输出功率，仅向低压涡轮提供一定压力和温度的燃气；低压涡轮则依靠燃气在其中膨胀作功，对外输出有效功率，因此亦称“动力涡轮”。随着燃气初温的提高，这样才能提高燃气轮机的效率。压缩机采用上诉传动方式的目的在变工况时不至于发生喘振。三轴燃气轮机是目前高参数(高燃气初温、高增压比)，大、中功率燃气轮机
15、所广泛采用的型式，它能较好地满足各种不同类型负荷的要求。(3)按用途分1)航空燃气轮机用于飞机的燃气轮发动机，也称燃气涡轮式航空发动机。按结构和工作性能的不同，有涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机等多种形式。涡轮喷气发动机利用由尾喷管喷出的高速气流所产生的反作用力来推动飞机前进。由进气道、压缩机、燃烧室、涡轮和尾喷管等组成，主要有普通涡轮喷气发动机、双轴式涡轮喷气发动机和加力式涡轮喷气发动机三种，用于跨音速和超音速飞机。涡轮风扇发动机也称：双路式喷气发动机、内外函喷气发动机，装有能提高经过进气管道吸入的风扇，将增加压力后的空气流分出一部分，使在外函喷管中膨胀加速，借
16、以获得推动飞机前进的部分推力，另一部分空气则进入内函，经压缩机、燃烧室、涡轮和内函喷管后喷出产生另一部分推力。按其风扇、压缩机和涡轮的匹配方式有单轴式、双轴式、三轴式。涡轮风扇发动机主要用于高亚音速客机、运输机和轰炸机等。涡轮螺旋桨发动机。利用燃气涡轮带动螺旋桨产生的推力，以及燃气在尾喷管内膨胀加速产生的推力(占较次要的地位)的共同作用以推动飞机向前飞行。按压缩机与涡轮的匹配方式，也有单轴与双轴两种，用于亚音速(马赫数小于0.8)飞行时具有较好的经济性能。涡轮轴发动机。特点是以动力轴往外输出功率，工作原理与双轴燃气轮机相同，主要用于驱动直升飞机的螺旋桨。2)船用燃气轮机亦称“舰船用燃气轮机”。
17、用来驱动船舶推进装置(螺旋桨)的燃气轮机。船用燃气轮机基本上采用航空燃气轮机改型，其基本型式为双轴或三轴简单循环燃气轮机，并且还在研制蒸汽-燃气联合循环船用燃气轮机。3)陆用运输式燃气轮机简称“运输式燃气轮机”。赖以驱动陆用交通运输机械的一种燃气轮机。基本构造、工作原里与普通简单循环燃气轮机无异。所采用的基本机型为单轴(采用电力传动)或双轴简单循环燃气轮机。目前仅被用作机车或汽车的动力装置；但从长远来看，它将具有相当广阔的发展前途。4)电站燃气轮机。赖以驱动交流发电机发电的一种燃气轮机。其基本构造和工作原理与普通移动式燃气轮机无异，但燃气初参数较高，单机功率大，油耗率稍低，热力系统和所采用的循
18、环大多较复杂。5)生产流程燃气轮机全称“工业生产流程节能型燃气轮机”。指利用工业生产流程中所产生的可燃气体作为燃料的燃气轮机，也指利用工业生产流程中所产生的具有一定压力的气体在涡轮中膨胀作功的机组。6)原子能气轮机以铀或钚原子核在反应堆内借裂变反应产生的热能作为热源来加热工质(气体)的旋转式发动机。有单回路和双回路两种类型。单回路式总是采用闭式循环，工质(氦、氮等气体)经压缩机压缩后，导入回热器和反应堆吸收热量，然后进入涡轮膨胀作功，再经过回热器和预冷器冷却至原来压缩机的进口温度。如此循环不已。由于工质兼作反应堆冷却剂(即载热剂)，在选择工质时应保证反应堆工作的可靠性和机组在核辐射作用下的安全性。双回路式的工质需通过热交换器从反应堆的一回路获取热量，常用氦、氮等气体或液态金属钠和钾等作为一回路的冷却剂。单回路原子能气轮机比较简单，重量轻，尺寸小，效率也较高；双回路原子能气轮机在技术上较为安全。原子能气轮机目前尚处于研制阶段，根据分析，它在交通运输装置(特别是舰船)上的性能将优于目前所使用的原子能汽轮机。