燃氣輪機簡介

燃氣輪機簡介燃氣輪機的工作原理燃氣輪機是一種動力機械，它主要是由壓氣機、燃燒室和透平這三大部件組成的。圖1-1中給出了簡單循環(huán)燃氣輪機的工作原理圖。1-壓氣機2-燃燒室3-透平4-軸承5-負荷圖1-1簡單循環(huán)燃氣輪機的工作原理圖結(jié)合圖1-1可以初步看出：在燃氣輪機正常工作時，壓氣機從外界大氣中吸入空氣，把它壓縮到一定的壓力(溫度也隨著升高)，然后送到燃燒室中與噴入的燃料相混合，并燃燒成為高溫的燃氣。這股高溫高壓的燃氣具有作功的能力，當(dāng)它流經(jīng)透平時，就會膨脹作功，推動透平帶著壓氣機一起作高速旋轉(zhuǎn)運動。這樣，就能把燃料中的化學(xué)能，部分地轉(zhuǎn)化成為機械功。在透平中經(jīng)過膨脹作功后的燃氣，其溫度和壓力都降低了，它可以直接排向大氣；也可以引入廢熱鍋爐回收部分余熱后，再排入大氣。通常，燃氣在透平中所作的機械功，大約有2/3左右被用來帶動壓氣機，消耗在空氣的壓縮耗功上；而所剩的那部分功，則通過機組的輸出軸，去帶動外界的各種負荷。只要在機組啟動成功后，連續(xù)不斷地向燃燒室噴入燃料，并維持正常燃燒，那么上述這些過程，即壓氣機的吸氣和壓縮過程、燃燒室中燃料的燃燒過程、透平中燃氣的膨脹作功過程，以及高溫排氣在大氣中的自然放熱過程，就會連續(xù)不斷地進行下去。與此同時，燃料中的化學(xué)能也將部分地、連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成為機械功。燃氣輪機發(fā)展簡介人們對燃氣輪機的向往以久，例如公元690年左右我國張遂曾用燃氣激動銅輪；公元959年前后，我國已有走馬燈的創(chuàng)造；1550年達·芬奇(LeonardodaVinci)也曾設(shè)計過利用壁爐煙道中的煙氣來轉(zhuǎn)動葉輪等。至于有意識地根據(jù)熱力循環(huán)知識來設(shè)計燃氣輪機的活動，約在十八世紀(jì)末年才開始。1900年前后，司徒爾茲(F·Stolze)、拉馬爾(C·Lamale)和阿爾芒哥(R·Armengaud)等人分別試驗了一些燃氣輪機，可是都不能發(fā)出功率，未獲成功。燃氣輪機工業(yè)是蒸汽輪機和航空發(fā)動機兩大工業(yè)發(fā)展而來的。燃氣輪機對壓氣機的要求比通用的透平壓氣機高，對燃燒室的要求比鍋爐高，對透平的要求比蒸汽輪機高，因此三十年代以前雖經(jīng)試驗，但仍未獲得實用。第二個階段是從燃氣輪機初步試驗成功，發(fā)展到制造出有工業(yè)價值的裝置，前后花了約40年時間。在這個階段中，工業(yè)較先進的歐洲開始在冶煉工藝和空氣動力知識方面有了提高，而具備了生產(chǎn)燃氣輪機的條件。1907年左右，法國渦輪機協(xié)會制造的燃氣輪機獲得了3%的效率。同時，霍爾茲瓦斯(H·Holzwarth)設(shè)計了50馬力等容燃燒式燃氣輪機，它是第一臺在工業(yè)上長期運轉(zhuǎn)的裝置。到1939年，BBC公司制成了第一臺功率較大的發(fā)電用燃氣輪機，這臺4000kW裝置的效率達到18%。同年Heinkel工廠的第一臺渦輪噴氣式發(fā)動機試飛成功。1940年BBC又制成了第一臺燃氣輪機車，功率為2200馬力，效率達16%。第三階段是生產(chǎn)了第一代工業(yè)上實用的燃氣輪機和噴氣發(fā)動機，并積累了運行經(jīng)驗。在這個階段中，燃氣輪機工業(yè)和科學(xué)系統(tǒng)開始形成。在40年代后期，航空上渦輪噴氣發(fā)動機由于比活塞式輕小、功率大，所以得到迅速發(fā)展，在軍用飛機方面已達到了廣泛的程度。第四階段中，工業(yè)用燃氣輪機在上述許多機組的設(shè)計及運行經(jīng)驗上研制出來。噴氣發(fā)動機在航空工業(yè)基本上取代了活塞式發(fā)動機，并且大量的航空結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗被這些工廠用到運輸式及固定式燃氣輪機上去。它非但對陸海用燃氣輪機的改革和發(fā)展起了決定性引導(dǎo)作用，而且對蒸汽輪機和透平式壓氣機工業(yè)也起了帶動作用。這些輕型結(jié)構(gòu)的燃氣輪機在同根據(jù)燃氣輪機傳統(tǒng)設(shè)計的重型結(jié)構(gòu)燃氣輪機的競爭過程中，到50年代后期，占了優(yōu)勢。同一時期，自1950年Rover公司第一輛燃氣輪機汽車行駛后，小功率燃氣輪機獲得了很大發(fā)展。由于小功率裝置的技術(shù)周期比較短，較成熟的小功率燃氣輪機也在這個階段的后半期制造出來。60年代，輕型結(jié)構(gòu)燃氣輪機的經(jīng)濟性和可靠性經(jīng)受了考驗，并被眾所公認。噴氣發(fā)動機被成批地改裝成陸海用裝置，單機功率已達10萬kW，在這種情況下，蘇美英三國決策更新海軍，使艦艇燃氣輪機化。1965年美國又遇到東北電網(wǎng)大停電事故，損失慘重，因此各國電業(yè)界決定添建大批燃氣輪機峰載應(yīng)急發(fā)電機組。再加上輸氣、輸油管線的建設(shè)以及中小功率燃氣輪機的推廣，故在60年代這十年中，陸海用燃氣輪機功率總?cè)萘棵驮鲋?3倍，其中大都以發(fā)展簡單循環(huán)單軸、分軸機型為主。1970年，全世界陸海用燃氣輪機達到了9500萬馬力，其中4500萬馬力用于發(fā)電，800萬馬力用于艦船。70年代，指標(biāo)更高的新一代燃氣輪機問世，實現(xiàn)了用電子計算機監(jiān)視的遙控全自動化。透平進氣溫度近400℃，壓比近30:1，開式簡單循環(huán)燃氣輪機效率高達36%，回?zé)崾叫矢哌_38%，單機功率達11萬kW，多臺噴氣發(fā)動機燃氣發(fā)生器組裝，各配或合配一臺動力透平，驅(qū)動一臺發(fā)電機時，功率可達16~35萬馬力。進入80年代，由于燃氣輪機的單機功率和熱效率都有很大程度的提高，特別是燃氣-蒸氣聯(lián)合循環(huán)漸趨成熟，再加上世界范圍內(nèi)天然氣資源的進一步開發(fā)，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)在世界電力系統(tǒng)中的地位就發(fā)生了明顯的變化，它們不僅可以用作緊急備用電源和尖峰負荷機組，而且還能攜帶基本負荷和中間負荷。燃氣輪機的類型燃氣輪機的類型很多，可以有不同的分類方法。(1)按循環(huán)方式1)開式循環(huán)燃氣輪機，指實施開口熱力循環(huán)的燃氣輪機。因燃氣輪機是以從大氣中吸入的空氣作為工質(zhì)，經(jīng)壓縮機壓縮后進入燃燒室，并與燃料混合燃燒形成燃氣，燃氣在渦輪中膨脹作功后又排入大氣，故名。與閉式循環(huán)燃氣輪機相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，無需配置加熱器和預(yù)冷器等設(shè)備，整臺機組重量輕、尺寸小等優(yōu)點；但對燃料品種的適應(yīng)性差，通常均需燃用價昂的液體燃料和氣體燃料，提高單機功率受到較大的限制，且機組有效效率較低。目前所使用的大多數(shù)燃氣輪機基本上都采用各種不同型式的開口循環(huán)。2)閉式循環(huán)燃氣輪機，指實施閉口熱力循環(huán)的燃氣輪機。其特點是：工質(zhì)(一般是空氣)經(jīng)壓縮機壓縮后，并不參與燃料的燃燒過程，而是在加熱器(表面式換熱器)內(nèi)接受燃氣的間接加熱；工質(zhì)在渦輪中膨脹作功后并不排入大氣，而是被送入預(yù)冷器(另一表面式換熱器)內(nèi)接受冷卻水的冷卻，使其溫度降低至壓縮機原來的進口溫度，然后再進入壓縮機，如此循環(huán)不已。就工質(zhì)所經(jīng)歷的過程而言是在完成一個閉口循環(huán)。整臺燃氣輪機的設(shè)備大為復(fù)雜。這種燃氣輪機目前還只有少數(shù)試驗性的機組，尚未廣泛應(yīng)用。3)簡單循環(huán)燃氣輪機，指依次進行單級壓縮(指壓縮過程無中間冷卻)、定壓(或近似定壓)加熱、單級膨脹(指膨脹過程無中間再熱)和定壓放熱諸過程的燃氣輪機。其熱力循環(huán)是燃氣輪機中最簡單的。具有設(shè)備簡單、重量輕、尺寸小和造價低等優(yōu)點；但熱效率和比功較低。為改進其性能，需提高渦輪進口燃氣初溫和合理地選取壓縮機的增壓性能以及結(jié)構(gòu)形式。它是目前應(yīng)用最廣泛的燃氣輪機類型，常用于移動式電站、應(yīng)急備用電站、大容量電力網(wǎng)的調(diào)峰機組、艦船和運輸式動力裝置、油田及海上鉆井平臺動力設(shè)備以及某些小功率輕型動力裝置。4)復(fù)雜循環(huán)燃氣輪機，泛指采用“回?zé)帷薄ⅰ伴g冷”和“再熱”等措施的燃氣輪機?？赡軆H采用其中任何一種措施，也可能同時采用其中的幾種措施?；?zé)嵫h(huán)燃氣輪機利用熱交換器(亦稱“回?zé)崞鳌?回收渦輪排氣中的一部分余熱，來加熱進入燃燒室之前的工質(zhì)(這一過程稱為“回?zé)帷?的燃氣輪機。采用回?zé)岽胧┛商岣呷細廨啓C效率，降低燃料消耗量，例如簡單循環(huán)燃氣輪機的有效效率可因此而提高20~30%左右。但采用回?zé)岷?，燃氣輪機的結(jié)構(gòu)大為復(fù)雜，整機重量和尺寸也隨之顯著增大。再熱循環(huán)燃氣輪機采用由單級壓縮、定壓加熱、在多級膨脹過程中再次加熱和定壓放熱諸過程組成循環(huán)的燃氣輪機。由于結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，大大削弱了燃氣輪機的基本優(yōu)點，致使其應(yīng)用范圍深受限制。間冷循環(huán)燃氣輪機全稱“在壓縮過程中帶有中間冷卻的燃氣輪機”。采用由帶有中間冷卻(通常為一次或兩次)的絕熱壓縮、定壓加熱、絕熱膨脹和定壓放熱諸過程組成循環(huán)的燃氣輪機。其壓縮過程采用中間冷卻的目的在于減少壓縮功消耗，以提高機組的比功輸出。(2)按軸數(shù)分1-壓氣機1-壓氣機2-燃燒室3-高壓透平4-低壓透平5-齒輪箱圖1-2分軸燃氣輪機的示意圖2)雙軸燃氣輪機指帶有兩根轉(zhuǎn)軸的燃氣輪機。其渦輪包括不同軸的高壓渦輪和低壓渦輪，高壓渦輪專門用來帶動壓縮機，低壓渦輪則對外承擔(dān)負荷(見圖1-2)。其中，壓縮機、燃燒室和高壓渦輪所組成的部分稱為“燃氣發(fā)生器”，它不輸出功率，僅向低壓渦輪提供一定壓力和溫度的燃氣；低壓渦輪則依靠燃氣在其中膨脹作功，對外輸出有效功率，因此亦稱“動力渦輪”。雙軸燃氣輪機具有以下特點：(1)可改善燃氣輪機在低負荷工況下的性能，使壓縮機不易發(fā)生喘振；(2)燃氣發(fā)生器與工作機械之間無機械聯(lián)系，高壓渦輪和壓縮機可選用較高的轉(zhuǎn)速以減小整臺燃氣輪機的尺寸；(3)起動時只需帶動燃氣發(fā)生器，可降低起動機功率；(4)在動力渦輪低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時可產(chǎn)生較大的扭矩，故能適應(yīng)牽引式負荷的要求；(5)在甩負荷時，動力渦輪容易超速，故應(yīng)采取一定的保護措施。雙軸燃氣輪機能適應(yīng)各種不同類型的負荷，可用于帶動發(fā)電機、螺旋槳、各種泵和壓縮機等。3)三軸燃氣輪機指帶有三根轉(zhuǎn)軸的燃氣輪機。其渦輪包括不同軸的高壓渦輪、中壓渦輪和低壓渦輪，壓縮機包括不同軸的低壓壓縮機和高壓壓縮機，低壓渦輪對外輸出有效功率。其中，由高、低壓壓縮機，燃燒室及高、低壓渦輪所組成的部分稱為“雙軸燃氣發(fā)生器”，它不輸出功率，僅向低壓渦輪提供一定壓力和溫度的燃氣；低壓渦輪則依靠燃氣在其中膨脹作功，對外輸出有效功率，因此亦稱“動力渦輪”。隨著燃氣初溫的提高，這樣才能提高燃氣輪機的效率。壓縮機采用上訴傳動方式的目的在變工況時不至于發(fā)生喘振。三軸燃氣輪機是目前高參數(shù)(高燃氣初溫、高增壓比)，大、中功率燃氣輪機所廣泛采用的型式，它能較好地滿足各種不同類型負荷的要求。(3)按用途分1)航空燃氣輪機用于飛機的燃氣輪發(fā)動機，也稱燃氣渦輪式航空發(fā)動機。按結(jié)構(gòu)和工作性能的不同，有渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機等多種形式。渦輪噴氣發(fā)動機利用由尾噴管噴出的高速氣流所產(chǎn)生的反作用力來推動飛機前進。由進氣道、壓縮機、燃燒室、渦輪和尾噴管等組成，主要有普通渦輪噴氣發(fā)動機、雙軸式渦輪噴氣發(fā)動機和加力式渦輪噴氣發(fā)動機三種，用于跨音速和超音速飛機。渦輪風(fēng)扇發(fā)動機也稱：雙路式噴氣發(fā)動機、內(nèi)外函噴氣發(fā)動機，裝有能提高經(jīng)過進氣管道吸入的風(fēng)扇，將增加壓力后的空氣流分出一部分，使在外函噴管中膨脹加速，借以獲得推動飛機前進的部分推力，另一部分空氣則進入內(nèi)函，經(jīng)壓縮機、燃燒室、渦輪和內(nèi)函噴管后噴出產(chǎn)生另一部分推力。按其風(fēng)扇、壓縮機和渦輪的匹配方式有單軸式、雙軸式、三軸式。渦輪風(fēng)扇發(fā)動機主要用于高亞音速客機、運輸機和轟炸機等。渦輪螺旋槳發(fā)動機。利用燃氣渦輪帶動螺旋槳產(chǎn)生的推力，以及燃氣在尾噴管內(nèi)膨脹加速產(chǎn)生的推力(占較次要的地位)的共同作用以推動飛機向前飛行。按壓縮機與渦輪的匹配方式，也有單軸與雙軸兩種，用于亞音速(馬赫數(shù)小于0.8)飛行時具有較好的經(jīng)濟性能。渦輪軸發(fā)動機。特點是以動力軸往外輸出功率，工作原理與雙軸燃氣輪機相同，主要用于驅(qū)動直升飛機的螺旋槳。2)船用燃氣輪機亦稱“艦船用燃氣輪機”。用來驅(qū)動船舶推進裝置(螺旋槳)的燃氣輪機。船用燃氣輪機基本上采用航空燃氣輪機改型，其基本型式為雙軸或三軸簡單循環(huán)燃氣輪機，并且還在研制蒸汽-燃氣聯(lián)合循環(huán)船用燃氣輪機。3)陸用運輸式燃氣輪機簡稱“運輸式燃氣輪機”。賴以驅(qū)動陸用交通運輸機械的一種燃氣輪機?；緲?gòu)造、工作原里與普通簡單循環(huán)燃氣輪機無異。所采用的基本機型為單軸(采用電力傳動)或雙軸簡單循環(huán)燃氣輪機。目前僅被用作機車或汽車的動力裝置；但從長遠來看，它將具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前途。4)電站燃氣輪機。賴以驅(qū)動交流發(fā)電機發(fā)電的一種燃氣輪機。其基本構(gòu)造和工作原理與普通移動式燃氣輪機無異，但燃氣初參數(shù)較高，單機功率大，油耗率稍低，熱力系統(tǒng)和所采用的循環(huán)大多較復(fù)雜。5)生產(chǎn)流程燃氣輪機全稱“工業(yè)生產(chǎn)流程節(jié)能型燃氣輪機”。指利用工業(yè)生產(chǎn)流程中所產(chǎn)生的可燃氣體作為燃料的燃氣輪機，也指利用工業(yè)生產(chǎn)流程中所產(chǎn)生的具有一定壓力的氣體在渦輪中膨脹作功的機組。6)原子能氣輪機以鈾或钚原子核在反應(yīng)堆內(nèi)借裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱能作為熱源來加熱工質(zhì)(氣體)的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機。有單回路和雙回路兩種類型。單回路式總是采用閉式循環(huán)，工質(zhì)(氦、氮等氣體)經(jīng)壓縮