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燃气轮机原理、结构及与冷热电联供系统应用

2016-12-28 08:24| 发布者: admin| 查看: 136| 评论: 0

摘要: 燃气轮机(GasTurbine)是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械,包括压气机、加热工质的设备(如燃烧室)、透平、控制系统和辅助设备等。走马灯是燃气轮机的雏形我国在11世纪就有走马灯的记 ...

燃气轮机(GasTurbine)是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械,包括压气机、加热工质的设备(如燃烧室)、透平、控制系统和辅助设备等。

走马灯是燃气轮机的雏形我国在11世纪就有走马灯的记载,它靠蜡烛在空气燃烧后产生的上升热气推动顶部风车及其转轴上的纸人马一起旋转。15世纪末,意大利人列奥纳多·达芬奇设计的烟气转动装置,其原理与走马灯相同。



走马灯与燃气涡轮

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。见上图。


燃气轮机基本原理与结构

现代燃气轮机发动机主要由压气机、燃烧室和透平三大部件组成。当它正常工作时,工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功的转化的热力循环。压气机从外界大气环境吸入空气、并逐级压缩(空气的温度与压力也将逐级升高);压缩空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气;然后再进入透平膨胀做功;最后是工质放热过程,透平排气可直接排到大气、自然放热给外界环境,也可通过各种换热设备放热以回收利用部分余热。在连续重复完成上述的循环过程的同时,发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功。

燃气轮机属热机,空气是工作介质,空气中的氧气是助燃剂,燃料燃烧使空气膨胀做功,也就是燃料的化学能转变成机械能。下图是一台燃气轮机原理模型剖面,通过它来了解燃气轮机的工作原理。从外观看燃气轮机模型:整个外壳是个大气缸,在前端是空气进入口;在中部有燃料入口,在后端是排气口(燃气出口)。


燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成,左边部分是压气机,有进气口,左边四排叶片构成压气机的四个叶轮,把进入的空气压缩为高压空气;中间部分是燃烧器段(燃烧室),内有燃烧器,把燃料与空气混合进行燃烧;右边是涡轮(透平),是空气膨胀做功的部件;右侧是燃气排出口。燃气轮机动力装置是指包括燃气轮机发动机及为产生有用的动力(例如:电能、机械能或热能)所必需的基本设备。为了保证整个装置的正常运行,除了主机三大部件外,还应根据不同情况配置控制调节系统、启动系统、润滑油系统、燃料系统等。

在下图中表示了燃气轮机的简单工作过程:空气从空气入口进入燃气轮机,高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气,其流向见浅蓝色箭头线;燃料在燃烧室燃烧,产生高温高压空气;高温高压空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。


燃气轮机工作过程

在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转,压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子,燃烧室产生的高温膨胀气体是同时作用到涡轮叶片与压气机叶片上,如何保证涡轮带动压气机正向旋转呢?

简单说涡轮叶片工作直径大于压气机出口处的叶片工作直径,涡轮叶片的面积也大于压气机出口处的叶片面积,这就初步保证在同一压力下涡轮的输出力矩大于压气机所需的力矩,当然更重要的是压气机叶片与涡轮叶片的良好空气动力学设计才能保证两者高效运行。燃气轮机在设计时就要保证涡轮机输出的功率要大于压气机所需的功率,才能使燃气轮机在带动压气机的同时还能向外输出功率。



注:本文之后的实体将以此机型为例进行剖析。

1.轴流式压气机

压气机负责从周围大气中吸入空气,增压后供给燃烧室,从工作原理上讲,主要有轴流式压气机与离心式压气机。离心式压气机工作原理与离心式鼓风机(或离心式风筒)相同,用得较少,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,电风扇的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。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,下图是一个12级压气机的转子,转子上的叶片与主轴一同旋转,称为动叶。光有动叶还不能有效的压气,简单说,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。倘若这样一级级下去,压气机内的空气变成跟着转子旋转的气团,根本无法正常压气。在每级动叶后每插入一级静止的叶片(静叶),可改善这种状况。


压气机转子

转子安装在压气机的气缸(外壳)内(见下图),静叶机匣固定在气缸内壁。


压气机结构

多数燃气轮机的压气机有十几级,上图是一个12级压气机的剖面图。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,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。

2.环管形燃烧室

燃气轮机的燃烧室将燃料的化学能转变为热能,将压气机压入的高压空气加热到高温以便到涡轮膨胀做功,燃料为液体燃料(例如汽油)或气体燃料(例如天然气)。下图是一个管式燃烧室的结构示意图。


燃烧室结构

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。 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。

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,下面介绍环管形燃烧室。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。


环管形燃烧室结构侧视

下图是一个火焰筒组件的剖面模型。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。


环管形燃烧室火焰筒组件结构

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。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。


环管形燃烧室气流走向

3.轴流式涡轮

从燃烧室喷出的高压燃气推动涡轮旋转,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。


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。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。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。


涡轮叶片气流走向图

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,图(1)是一个有4级涡轮的涡轮机剖面图,图(2)是这个4级涡轮机侧视剖面图。


(1)4级涡轮机正视剖面图


(2)是这个4级涡轮机侧视剖面图。

4.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,本文根据前面介绍的环管形燃烧室介绍环管形燃烧室燃气轮机,其他类型燃气轮机与涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机等相关知识可到鹏芃科艺的燃气涡轮发动机章节查找。下图是环管形燃烧室燃气轮机的外观图。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,上图是燃气轮机转子。

燃气轮机剖面图,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燃料。


环管形燃烧室燃气轮机剖面

燃气轮机工作简单过程见下图: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

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。


燃气轮机实体结构


9FA燃气轮机为例(以下章节来自于互联网)

压气机

压气机是燃气轮机的主要部件之一,负责从进气系统吸入空气,并将空气压缩增压,然后连续不断地向燃烧室提供高压空气。燃气轮机使用的压气机主要有轴流式和离心式两种类型。轴流式压气机的气体在压气机内沿轴向流动,优点是流量大,效率高(目前为80%-92%);缺点是每级的增压能力低(级压比一般为1.15-1.35)。离心式压气机的气体在压气机内沿叶轮的径向流动,离心式压气机的优点是级的增压能力高(级压比可达4-4.5);缺点是流量小,效率低(75%-85%)。目前世界上中小功率的燃气轮机主要是采用离心式压气机;而大功率燃气轮机则采用轴流式压气机。

9FA采用的是轴流式压气机,相邻的动叶和静叶称为一级压气机,共有18级,末尾有两级导向叶片(EGV1、EGV2)。压气机包括三段缸体,分别是压气机进气缸、压气机缸、压气机排气缸。它的气缸、外壳和框架都有水平中分面。当压气机上半缸吊开时,所有静叶能按圆周方向滑出来,以便进行检查、更换而不需要把转子吊出来。可变进口导叶也可以在压气机进气缸上半吊起后按径向滑出。

从2010年开始,GE的9FA燃气轮机使用的是增强型的压气机,国内现有的31台9FA燃机都已经升级改造完成,改造后压气机对转子0级动叶、0-5级静叶、14-16级静叶、IGV叶片进行叶形的重新设计,对压气机通流间隙进行调整,使压气机运行更为安全,压比从最初的15.4提高到现在的16.5。

1.1 1#轴承及进气缸

压气机进气缸为机组的前端,呈喇叭口状,材料为球墨铸铁。1号轴承座和进气缸铸造在一起,是进气缸的一部分,也是燃机中心的第一个基准点。在线清洗喷嘴和离线清洗喷嘴安装在进气缸前端,进口导叶(IGV)安装在进气缸末端。机组的2个前支撑安装在进气缸下半。


因为支撑轴承和前支腿在进气缸上,转子和所有的缸体重量都压在了压气机进气缸和透平排气缸上,为补偿机组水平时的重力作用,进气缸中心低于压气机缸中心0.010英寸。



支撑(支腿)

9FA机组与底座之间的支撑有2种形式,机组选用哪种支撑形式和联合循环机组的布置方式有关,单轴联合循环机组燃机和汽轮机采用的是刚性联轴器连接,汽轮机高压缸前机箱,在3号轴承的中心线位置用轴向和横向键锚接到基础板上,并用地脚螺栓压紧,构成本机组热膨胀的绝对死点。这种布置方式的燃机的前支撑可微量移动,并在压气机进气缸下部增加了复合导向键。在燃机进气缸和汽轮机的前机箱之间左右装有两根可调整的、自对中的轴向连接杆,将燃机和汽轮机高压汽缸连接成一个整体。

全机组只有燃机一个推力轴承,布置在燃机进气缸推力轴承座中,推力轴承的推力面构成了该机组整个轴系的“相对死点”。

对于“二拖一”或者“一拖一”多轴布置的机组,燃气轮机和蒸汽轮机独立布置,且有独立的确保自由膨胀的滑销系统。燃气轮机和燃机发电机直接相连,燃机机组有自己的死点。因为没有连接杆固定,燃气轮机如果还用单轴机组形式的前支撑,燃机和底座容易形成平行四边形,做相对的前后移动,所以燃机的前支撑有所改变,前支撑是一块和燃机底座连在一起的板,安装在进气缸的下部,且不可移动,它是用螺栓和直销直接固定在压气机进气缸的下部。此位置称为机组的死点。转子相对于静子膨胀的固定点为机组的“相对死点”,也是位于推力轴承的推力面上。



如果使用9FB燃气轮机,因为是双轴布置,前支撑也将会采用这种形式。

1#轴承

1#轴承位于进气缸内,轴承是支撑转子并允许转子高速转动的承力部件,机组运行时,轴承受到转子的径向及轴向作用力,再经过轴承座传至气缸上或者直接传至底盘上。9FA燃气轮机有两只径向轴承用来支撑燃气轮机转子,有两只推力轴承用来保持转子与静子的轴向位置,在单轴联合循环机组中,燃气轮机、蒸汽轮机和发电机共用一个推力轴承。

1号径向轴承和推力轴承两侧有挡油环和轴承座组成迷宫式密封,在轴承的两侧也有铝合金材质的油封,它和轴承座的也组成迷宫式密封。

1号轴承有润滑油系统供应润滑油进行压力润滑。因为挡油环和转子轴颈之间总的间隙大概在0.015英寸左右,间隙很小,再有机组的润滑油油箱有较高的负压,有较大的抽吸作用,所以只用油封,不再使用气封。


1号径向轴承是自整位可倾瓦轴承,有四个可倾瓦块,瓦块表面材料为巴氏合金,在下半的两个瓦块,每个瓦块上都有一个顶轴油孔和一根测瓦块金属温度的热电偶(BT-J1-1A、1B、BT-J1-2A、2B)。


径向轴承和推力轴承都可在不吊出转子的情况下更换。


从盘车开始前,润滑油和顶轴油就已经运行,当转子升速到1500转时,顶轴油自动退出。停机时,当转子转速到1500转时,顶轴油自动启动。

推力轴承由一个推力盘和轴承的静止部件组成。推力轴承用来承受燃气轮机在转动时形成的推力负荷,把转子轴向位移固定在长度为0.012英寸的范围内。在燃气轮机正常运行过程中,转子的推力负荷是向排气方向的,在启动和停机过程中,推力负荷的方向通常相反。因此为了承受两个方向的力,推力轴承是两个。承受正常运行中推力负荷方向的为主推力轴承,相反方向的为副推力轴承。轴向位移达到0.025英寸机组报警,达到0.030英寸机组跳机。

推力轴承包括推力盘、推力瓦、均衡板、座环等。推力盘是和转子轴颈一体的,随转子一起转动。静止部件的推力瓦由均衡板的淬硬钢调整杠杆支撑。瓦块和均衡板装在座环中,整个静止组件支撑在轴承座内,并用销钉固定在轴承座下半,防止其随转子一起转动。推力瓦块是扇段形状,主推和副推各有十三块瓦块。在早期的9FA机组中,主推力瓦块是十二块,副推是十三块。瓦块表面镶有巴氏合金。推力轴承是可倾瓦自卫型的。



推力轴承有润滑油润滑,推力瓦和推力盘的相对运动形成和保持的润滑油膜将两者分开。这层油膜承受着推力载荷并防止轴承表面金属之间的接触,同时带走因油膜剪切作用而产生的热量。顶轴油、径向轴承和推力轴承的回油汇流到一起从进气缸前出口排出。

1号轴承座的上半是一个独立的铸件用螺栓和直销固定在轴承座的下半。


在1号轴承盖上共有4个探针和一个震动指示器,分别是检测轴振的2个轴振探针(39VS-11、39VS-12),2个轴向位移探针(96VC-11、96VC-12),检测瓦振的震动指示器(39V-1A/1B)。

1.2 压气机缸和压气机排气缸

压气机缸是压缩空气的部位,材料为球墨铸铁。压气机排气缸材料为CrMoV或NiCrMo。压气机气缸内壁装有0-12级静叶,压气机排气缸内壁装有13-17级静叶和两级出口导向叶片(EGV1、EGV2),它们共同组成压气机的静子。压气机缸有两级抽气,共8个抽气孔,允许抽出第9级和第13级前的空气。抽出的空气除了用于冷却第二级和第三级透平喷嘴外,还在机组启动和停机时将抽气放掉,防止压气机发生喘振。

压气机排气缸除了能容纳压气机静子的后七级外,还构成压气机排气通道的内、外壁,同时为第一级喷嘴组件提供支撑,与透平缸连接,并支撑燃烧室外壳。压气机排气缸内有排气室,从排气室抽出的空气为燃料系统提供吹扫气源,为进气加热系统提供气源,压气机防喘放气阀的控制气源也来自排气室抽气。有一点需要注意,压气机抽气的抽气口并不在压气机排气缸,而是在透平缸。



压气机静叶在气缸上有两种固定方式

第一种是直接装配的静叶,压气机5-16级静叶为单独个体叶片,为长方形基面的T型叶根。气缸上加工有叶根槽,静叶一片一片地装入叶根槽中。

第二种是带有静叶持环的静叶,0-4级静叶,17级、EGV1、EGV2一共7级静叶都是装在静叶持环内,封口用锁键固定,通常分为数个扇形段,一个个装入气缸内。



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