燃气轮机

相关tags:

[外文]:gasturbine以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。简史中国在南宋高宗年间(1131~1162)已有走马灯的记载,它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末,意大利人列奥纳多·达芬奇设计出烟气转动装置,其原理与走马灯相同。至17世纪中叶,透平原理在欧洲得到了较多应用。1791年,英国人J.巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程。1872年,德国人F.施托尔策设计了一台燃气轮机,并于1900~1904年进行了试验,但因始终未能脱开起动机独立运行而失败。1905年,法国人C.勒梅尔和R.阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机,但效率太低,仅3~4%,因而未获得实用。1920年,德国人H.霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机,其效率为13%、功率为370千瓦,按等容加热循环工作,但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热,存在许多重大缺点而被人们放弃。随着空气动力学的发展,人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点,解决了设计高效率轴流式压气机的问题,因而在30年代中期出现了效率达85%的轴流式压气机。与此同时,透平效率也有了提高。在高温材料方面,出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢,因而能采用较高的燃气初温。等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。1939年,在瑞士制成了4兆瓦发电用燃气轮机,效率达18%。同年,在德国制造的喷气式飞机试飞成功,它是以推力为4900牛的He-S3B涡轮喷气发动机(一种航空发动机)作动力的。从此,燃气轮机进入了实用阶段,并开始迅速发展。随着高温材料的不断进展,以及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果,燃气初温逐步提高,使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大,在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机,最高能达到130兆瓦。与此同时,燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年,瑞士制造的第一辆燃气轮机机车(1.64兆瓦)通过了交货试验。1947年,英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水,它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力。1950年,英国制成第一辆燃气轮机汽车(75千瓦)。此后,燃气轮机在更多的部门中获得应用。在燃气轮机获得广泛应用的同时,还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置。50~60年代出现以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活塞-燃气轮机装置(见自由活塞式发动机),但由于笨重和系统较复杂,到70年代就停止了生产。此外,还发展了柴油机-燃气轮机复合装置(见复合式发动机)。燃气-蒸汽联合循环装置能有效地利用燃气轮机高温排气的热量,提高热能的利用率,至70年代末,这类装置的效率最高的已达46%。另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统,可有效地节约能源,已用于多种工业生产中。利用工厂生产过程中排放的压力气体在透平中膨胀作功,以带动生产过程所需的压气机供气的装置,称为能量回收装置,这种装置与废气涡轮增压器(见废气涡轮增压)类似。1936年,瑞士制成第一台能量回收装置,用于催化裂化炼油厂中。工作原理图1是燃气轮机工作过程示意图。压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩。压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即流入燃气透平(以下简称透平)中膨胀作功,推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转。加热后的高温燃气的作功能力显著提高,因而透平在带动压气机的同时,尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。从燃烧室到透平进口的燃气温度称为燃气初温。初温越高透平出功越多,燃气轮机的输出功就越大。燃气轮机由静止起动时,需用起动机(如电动机)带着旋转,待加速到能独立运行后,起动机才脱开。图1中的燃气轮机的工作过程是最简单的,称为简单循环。此外,还有回热循环和复杂循环。图中燃气轮机的工质来自大气,最后又排至大气,是开式循环。此外,还有工质被封闭循环使用的闭式循环(见燃气轮机循环)。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。燃气初温和压气机的压缩比,是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温,并相应提高压缩比,可使燃气轮机效率显著提高。70年代末,压缩比最高达到31。工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右,航空燃气轮机(简称航机)的超过1350℃。按简单开式循环工作的工业和船用燃气轮机,在上述燃气初温和压缩比下的效率达38%。主要部件燃气轮机由压气机、燃烧室(见燃气轮机燃烧室)和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种。轴流式是多级的,离心式是一级或两级的,其工作原理和性能分别与通用的轴流压缩机和离心压缩机相同。轴流式压气机效率较高,适用于大流量的场合,在功率大于1兆瓦的大、中型燃气轮机中普遍应用。在小流量时,轴流式压气机因后面几级叶片很短,效率低于离心式,因而在1兆瓦以下的小功率燃气轮机中广泛采用离心式压气机,由于级数少因而缩短了压气机的轴向长度。功率为数兆瓦的燃气轮机中,有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级,因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。压气机的性能对燃气轮机性能有很大的影响。压气机的喘振工况是气流强烈脉动的工况。在这种工况下运行的燃气轮机不仅振动大,而且可能发生叶片折断的严重事故,因而不允许在这种工况下运行。通常,压气机在低转速下运行(如起动工况)时会碰到喘振问题,为此需要采用防喘振装置,即在压气机处加装放气阀和在进气端采用可调静叶。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。为确保有足够的寿命,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。对于一台燃气轮机来说,除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统(见燃气轮机控制系统),此外还需要配备良好的附属系统和设备,包括:起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。结构型式燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚重,大修周期长,寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻,所用材料一般较好,其中以航机的结构为最紧凑、最轻,但寿命较短。图2为重型燃气轮机的主体剖视图。它是一台由12级轴流式压气机、双管回流式燃烧室和3级轴流式透平组成的燃气轮机,在压气机进气端通过联轴器带动负荷。压气机和透平的机匣(又称气缸)连接成一个整体(两者以多个叶轮组成的转子也连接成一体)。两个燃烧室垂直立于顶部。机匣分为上下两半,在水平中分法兰处用螺栓连接成一体。在机匣的前后两端各有1个轴承座,其中装有轴承以支承转子。前轴承座中装有推力轴承,因而能承受转子的轴向推力。整台燃气轮机以4个支座支承在底盘上。将航机加以改装(可延长其寿命,改装后能适应工业用或船用等的工作条件)可得到航机改装的燃气轮机,它是轻型结构。与新研制的燃气轮机相比,它的改造周期短、投资少;与同功率的重型燃气轮机相比,它的燃气初温和压缩比一般较高,即效率较高。因此,自60年代以来,航机改装的燃气轮机发展很快,应用广泛。将整台燃气轮机(包括附属系统等)在制造厂内装配成数个组装单元,成为快装机组,可使在工地的安装工作量大大减少,工期缩短,投资减少。不需一般厂房的户外快装机组(见彩图),能更有效地缩短工期和减少投资,应用很广泛。特点与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较,燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质(重)量:重型燃气轮机一般为2~5千克/千瓦,个别的大于10千克/千瓦,而航机一般低于0.2千克/千瓦,燃气轮机占地面积小,当用于车、船等运输机械时,既可节省空间,也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高,在部分负荷下效率下降快,空载时的燃料消耗量高。相对于蒸汽动力装置来说,燃气轮机设备简单,可不用或少用水,起动和加速所需的时间少,重型燃气轮机一般为2~10分,轻型燃气轮机一般为1分左右,甚至更短。但是燃气轮机还不能燃用价廉且资源丰富的煤,已达到的最大单机功率(130兆瓦)仅为汽轮机的1/10。相对于活塞式内燃机来说,燃气轮机结构较简单,运行平稳,润滑油消耗少,排气污染小(NOX等有害成分的含量低),在高原地区功率下降少,最大单机功率大。采用滚动轴承的轻型燃气轮机,可在-30~-50℃的气温下顺利起动。应用不同的应用部门,对燃气轮机的要求和使用状况也不相同。发电用燃气轮机功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电,而30~40兆瓦以上的几乎全部用于发电。燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动,机动性好,在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用,能较好地保障电网的安全运行,所以应用广泛。在汽车(或拖车)电站和列车电站等移动电站中,燃气轮机因其轻小,应用也很广泛。此外,还有不少利用燃气轮机的便携电源,功率最小的在10千瓦以下。工业用燃气轮机主要用在液体、气体燃料丰富的石油工业部门,例如油、气田、海洋平台、油、气输送管道等。在这些场所,燃气轮机主要用于带动各种泵、压缩机和发电机等。石油化工厂的有些副产品可作为燃气轮机的燃料,可用燃气轮机和余热锅炉组成全能量系统,为生产过程同时提供动力和蒸汽,还可将燃气轮机作为能量回收装置。在带动泵和压缩机时,燃气轮机一般为变转速运行,这时需要用输出转速能在大范围内变化的、以独立动力透平带动负荷的分轴或三轴燃气轮机(见燃气轮机变工况性能)。船用燃气轮机60年代,燃气轮机被确认为舰艇合适的推进动力而得到迅速推广,到70年代已成为舰艇中的主要推进动力之一。对于商船,燃气轮机因经济性要求高,它的应用仍处于试验阶段。在舰艇中,燃气轮机常以组合机组的形式使用。如柴油机-燃气轮机组合机组,以功率较小的柴油机作巡航动力,功率大的燃气轮机作加力动力。前者经常运行,后者在作战等特殊情况下需要全速航行时才投入运行。这种机组不仅较轻,且燃料消耗也较少。还有用两台燃气轮机的全燃组合机组,其中一台作巡航动力,另一台作加力动力。与柴油机-燃气轮机组合机组相比,全燃机组的燃料消耗虽多一些,但由于是同类机器的机组,管理使用较方便,且能更合理地利用空间。舰艇的负荷规律要求推进动力的转速在很宽的范围内变化,因而与带动泵等负荷时相似,船用燃气轮机也应是分轴或三轴的。车辆燃气轮机对车辆燃气轮机的一个重要要求是高的效率(包括部分负荷时),即低的平均耗油率。因此,车辆用的燃气轮机都是有高效率回热器的燃气轮机。在坦克和其他作战车辆中,更着重于综合性能的好坏。如以1.12兆瓦燃气轮机为动力的美国M1坦克,其综合性能优于以相同功率柴油机为动力的坦克。70年代后期已制成最低耗油率为238克/(千瓦·时)的大型货运汽车用燃气轮机。但总的来说,汽车燃气轮机还处于试验阶段。车辆燃气轮机一般用分轴(个别为三轴)时扭矩性能好,能适应车辆负荷的要求。为了改善加速性能、降低部分负荷时的耗油率并获得动力制动,燃气轮机的动力透平采用可调静叶。机车燃气轮机燃气轮机机车(载客列车用)较轻,车速高(可达300公里/时以上),用来装载旅客的空间相对较大,在一些国家应用较多。一般机车的特点是空载运行时间很长,要求有低的空载燃料消耗量。与柴油机(见机车柴油机)机车相比,燃气轮机机车的这一问题更为突出。高效率的机车燃气轮机尚在继续研制中。航空燃气轮机航空燃气轮机除本身轻小外,还有迎风面积小、效率高(空中气温低所致)、适宜于高速飞行等优点,因而在50年代末就基本上取代了活塞式航空发动机。航空燃气轮机有多种类型。(1)涡轮喷气发动机:不输出轴功率,由压气机、燃烧室和透平组成燃气发生器(图3),从中流出的燃气在尾喷管中膨胀加速,高速向后喷出,产生反作用力,推动飞机前进,即喷气推进。(2)涡轮风扇发动机:也靠喷气推进,但它在压气机进口处装有长叶片的风扇(图4)。风扇外圈的空气通过外涵道直接向后喷出,与中间部分从尾喷管喷出的燃气共同推动飞机前进。这种发动机推进效率较高,耗油率较低,因而应用广泛。(3)涡轮轴发动机:与普通燃气轮机一样输出轴功率,用于在直升飞机中带动旋翼。(4)涡轮螺旋桨发动机:主要输出轴功率以带动螺旋桨。此外,排气还有少量推力,推动飞机前进。发展趋势燃气轮机的主要发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。(1)提高效率:关键是提高燃气初温,即改进透平叶片的冷却技术,研制能耐更高温度的高温材料。其次是提高压缩比,研制级数更少而压缩比更高的压气机。再次是提高各个部件的效率。(2)采用高温陶瓷材料:这种材料能在1360℃以上的高温下工作,用它来做透平叶片和燃烧室的火焰筒等高温零件时,就能在不用空气冷却的情况下大大提高燃气初温,从而较大地提高燃气轮机效率。适于燃气轮机的高温陶瓷材料有氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC)等。(3)利用核能:按闭式循环工作的装置能利用核能,它用高温气冷反应堆作为加热器,反应堆的冷却剂(氦或氮等)同时作为压气机和透平的工质。(4)发展燃煤技术:重点是研制燃煤的燃气-蒸汽联合循环装置。它可用沸腾炉燃煤,也可将煤先气化后再燃用。煤气化的煤气-蒸汽联合循环装置能达到更高的效率,颇引人注目。此外,在燃气轮机中直接燃煤也是人们正在研究的新技术。参考书目清华大学电力工程系燃气轮机教研组编:《燃气轮机》(上册),水利电力出版社,北京,1978。H.Cohen,G.F.C.Rogers,H.I.H.Saravanamuttoo,Gas Turbine Theory,2nded.,Longman GroupLimited,London,1972.Л.β.Αpсеньев,β.γ.Τырыщκин,γазоmурбинныеусmановки,Μащиностроение.Ленинград,1978.

燃气轮机发电机组(电力公司的发动机-燃气轮机)

燃气轮机的工作过程是,压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即流入燃气涡轮中膨胀做功,推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加...

燃气轮机发电机组(电力公司的发动机-燃气轮机)

燃气轮机的工作过程是,压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即流入燃气涡轮中膨胀做功,推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加...

柴油机-燃气轮机联合(史上最全GE燃气轮机技术发展简史)

(原标题:聚焦|GE燃气轮机技术发展简史——史上最全!)本文译自2019年7月8日POWERMagazine发表的“GE燃气轮机技术发展简史”。作者SonalPatel系POWERMagazine副主编为纪念世界上第一台工业燃气轮机投入商业运行80周年,以及世界上第...

燃气轮机和蒸汽轮机哪个好(蒸汽动力和燃气动力的区别)

...条件来最大化性能。这里有一个简单的指南,蒸汽轮机和燃气轮机之间的区别,提供了它们的关键区别因素。燃气轮机与汽轮机的基本区别是燃气轮机易启动、易控制,而蒸汽轮机难启动、难控制。燃气轮机的概念是很古老的,...

燃气轮机与汽轮机的区别(蒸汽动力和燃气动力的区别)

...条件来最大化性能。这里有一个简单的指南,蒸汽轮机和燃气轮机之间的区别,提供了它们的关键区别因素。燃气轮机与汽轮机的基本区别是燃气轮机易启动、易控制,而蒸汽轮机难启动、难控制。燃气轮机的概念是很古老的,...

燃气轮机和蒸汽轮机哪个好(蒸汽动力和燃气动力的区别)

...条件来最大化性能。这里有一个简单的指南,蒸汽轮机和燃气轮机之间的区别,提供了它们的关键区别因素。燃气轮机与汽轮机的基本区别是燃气轮机易启动、易控制,而蒸汽轮机难启动、难控制。燃气轮机的概念是很古老的,...