燃气轮机

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[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.