燃气轮机结构
燃气轮机介绍
西门子 燃气轮机
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GE 燃气轮机
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三菱燃气轮机
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2、燃气轮机结构组成
❖ 2.1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，分轴流式压气机与离心式压 气机（应用较少），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，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。
❖ 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，，压比较多为 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。
西门子 燃气轮机
西门子 燃气轮机
西门子 燃气轮机
1、燃气轮机基本原理
❖ 电站燃气轮机循环主要性能指标：
压比：压气机出口的气体压力P2*与进口的气体压力P1* 之比值，反映工质被压缩的程度。 温比：循环最高温度t3*（燃气初温：第一级喷嘴后缘 平面处的燃气的平均滞止温度）与最低温度t1*之比值。 比功：是指相应于进入燃气轮机的每lkg空气，在燃气 轮机中完成一个循环后所能对外输出的功。 单机功，率：燃气轮发电机组的输出电功率PGTG，为主要的 性能指标。 热效率：当工质完成一循环时，把外界加给工质的热量 转化成为机械功或电功的百分数。
❖ 燃气轮机定义：燃气轮机是将燃料（石油、天然 气）的能量转化为某种形式的有用功，例如机械 功或者高速喷气式动力装置的推力。
❖ 最简单的燃气轮机包括三部分：压气机、燃烧室、 涡轮。
❖压气机——压缩空气（消耗功） ❖燃， 烧室——燃料与空气燃烧（化学能转化为热能） ❖涡 轮——燃气膨胀做功，一部分功用来带动压
燃气轮机结构-燃烧室
第三章燃气轮机3.1概述（1）燃烧室功用及重要性1.保证燃机在各种工况下，将燃料化学能转换为热能，加热压气机压缩的空气，用于涡轮膨胀做功。
2.燃烧室是燃机的主要部件之一，燃机的性能、可靠性、寿命皆与它有密切关系。
（2）燃烧室的工作条件①燃烧室在高温、大负荷下工作②燃烧室在变工况下工作③燃烧室在具有腐蚀性的环境下工作④燃烧室内的燃烧过程是一个极其复杂的物理化学过程⑤燃烧室中的燃烧在高速气流及贫油混合气情况下进行（“空气分股”、“减速扩压”、“反向回流”）（3）燃烧室的设计要求①不同工况下，燃烧室工作应稳定②燃烧要安全③燃烧室具有最小的流体阻力④燃烧室出口温度场应能满足涡轮的要求⑤在任何使用条件下，燃烧室都应该迅速、可靠地启动点火，且联焰性好⑥工作寿命长⑦燃烧室的尺寸和质量要小⑧排气污染应能满足国家标准要求⑨检视、装拆和维修应当方便3.2三种基本类型燃烧室的结构概述（1）分管燃烧室1.结构特点管形火焰筒的外围包有一个单独的壳体，构成一个分管，沿燃气轮机周围6-16个这样的分管，各分管用传焰管连通，以传播火焰和均衡压力。
2.优点：①装拆、维修、检修方便②因各个分管的工质流量不大，调试容易，实验结果比较接近实际情况3.缺点：①装拆、维修、检修方便②因各个分管的工质流量不大，调试容易，实验结果比较接近实际情况（2）环管燃烧室1 .结构特点：若干个火焰筒均匀排列安装在同一个壳体内，相邻火焰燃烧区之间用传焰管连通。
2.优点：①适合与轴流式压气机配合，布局紧凑、尺寸小、刚性小；②气流转弯小，流体阻力小，热散失亦小；③调试比较容易，加工制造的工作量比分管小。
3.缺点：①燃烧室出口温度场沿周向不够均匀；②燃烧室的流体损失较大；③耗费的材料、工时较多；④质量较重。
（3）环形燃烧室1.结构特点：内、外壳体与环管燃烧室类似，但火焰筒却有很大差别。
在内外壳体之间的环形腔中，布置了一个呈环形的火焰筒，即火焰筒内外壁构成环形主燃区。
燃气轮机的整体结构特点PPT课件
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§6.3.2 支架的型式
1、弹性板支承
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§6.3.2 支架的型式
2、支座支承
燃气轮机的两端都用支座支承时，支座位于机组两 侧，一般有四个支座。
支座支承的气缸下半部靠近水平中分面处有专门的 支承面，支座就支承在该处。支承面能够滑动，以 便气缸能自由热膨胀。故支承面处的固紧螺栓孔要 比螺栓直径大，螺栓也不宜固紧，只是设法把螺栓 锁住使机组被可靠地定位。对位于机组冷端的支座， 当机组死点也在该处时，可把支承面螺栓囤紧。
§6.2.1 转子的支承方式
悬臂支承: 主要用于小功率燃气轮机
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§6.2.1 转子的支承方式
与双支点外伸支承的转子相比较，三支点支
承转子的刚性好，有利于压气机后几级采用较小 的径向间隙，但多了一个轴承使结构复杂了不少， 且三个轴承同心度的偏差对转子临界转速也有影 响，因此对同心度的要求高，这给机组安装、调 整及检修带来极大不便，也影响运行的稳定性， 这是一种过渡性的设计。
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§6.1 燃气轮机的整体布置
当发电机由温度变化较小的压气机端驱动（冷 端输出），机组工作时轴系中心稳定；透平排 气采用轴向排气方式，易于与余热锅炉组合连 接，且烟气流动阻力小，循环效率高。但冷端 驱动机组的压气机传递的扭矩大，转子强度要 求高。冷端输出方式普遍用于Siemens KWU、 Siemens WH、Alstom的重型燃气轮机，GE公 司近年推出的F、FA、H系列燃气轮机也采用这 种方式。
采用透平排气端连接发电机的方式通常叫做热 端输出，如GE公司的MS6001B、MS9001E系 列燃气轮机采用。
燃气轮机构造及其原理
燃气轮机构造及其原理燃气轮机是一种利用压缩机压缩空气混合燃料并在燃烧室内进行燃烧，从而驱动涡轮转动，最终产生推力或动力的装置。
燃气轮机的构造包括压气机、燃烧室、涡轮和辊道等部分，其主要工作原理是压缩空气、加热并燃烧混合燃料、将高温高压燃气喷向涡轮，推动涡轮旋转产生功率。
一、压气机部分压气机部分是燃气轮机的前置部分，主要功能是将大气中的空气压缩成高压气体，并将其传递到燃烧室中。
压气机通常采用多级叶轮式结构，每一级叶轮上都覆盖着叶片，在叶片的作用下，气体被一次次地压缩，最终达到一个非常高的压力。
在压力增加的气体也会受到相应的温度升高。
在压缩过程中需要对气体进行适当的冷却，以避免过热对整个系统的危害。
二、燃烧室部分燃烧室部分是燃气轮机的核心部分，主要功能是将经过压缩的空气与燃料混合并点燃进行燃烧，从而产生高温高压的燃气，这些燃气将用于驱动涡轮旋转。
为了达到理想的燃烧效果，燃烧室内的燃料与空气必须以适当的比例混合，并且需要在足够高的温度、压力和时间下进行燃烧，以充分释放能量。
常见的燃烧室构造包括环形燃烧室、喷嘴型燃烧室和壳体燃烧室等。
三、涡轮部分涡轮部分是燃气轮机的重要部分，主要由高压涡轮和低压涡轮构成。
在燃气通过高压涡轮和低压涡轮时，这些涡轮都会受到燃气高速流动的冲击，从而旋转产生动力。
低压涡轮主要作用是从高压涡轮中回收能量，并将其输送到输出轴上。
涡轮部分的输出轴连接到主机，提供动力。
四、辊道部分辊道部分是燃气轮机的输出部分，它主要通过喷射燃气来产生推力或者驱动风扇进行输出。
辊道是一个曲面形的导管，对于燃气准确地定向，将其高速射出来，从而产生推力或者风力。
辊道部分常用对空气流动进行控制的可调谐导向叶片和可控复合材料等技术进行设计和制造。
燃气轮机的设备构造十分复杂，由于其集电机、载荷和控制系统于一身，难度非常大，但其输出功率和效率要远远高于内燃机，特别适用于航空、船舶、发电等领域要求高功率输出和高效率的场合。
典型燃气轮机结构
典型燃气轮机结构
典型燃气轮机结构如下：
燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。
压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。
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。
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。
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，因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，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。
燃气轮机结构PPT课件
图3-33 DLN燃烧室的一个火焰筒示意图
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2）催化燃烧
其基本思想是在燃烧室的适当部位引入催化燃烧组件（模 块），催化燃烧的特性是具有“化学恒温作用”。这种组件实 际上是由金属薄片衬底构成的蜂窝结构，衬底上涂敷催化剂， 可燃混合物通过时与催化剂有很大的接触面积。
催化剂组件由多个截面区域组成，每个区域具有专门的功能， 以达到特定的燃烧温度，因此不论可燃混合物浓度如何，即使 燃料-空气比很高，在催化剂组件中进行无焰燃烧时也可以控制 在较低的反应温度，从而将NOx的产生控制在极低的水平。
图 6 发散冷却叶片与表面温度
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图 7 多排冲击和气膜冷却的综合冷却静叶
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图 8 采用冷却技术后，典型的静叶出口温度与叶片温度
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Xgl：冷却空气系数 Xgl=GL/Ga
这里 GL为从压气机抽出用于冷却燃气透平叶片空气量 Ga为进入燃气轮机压气机的流量
燃气轮机初温越高 所需冷却空气流量越大，冷却空气系数越大
1、对流冷却
冷却空气流经叶片内部流道后，自叶片的—端或出气边排出至主燃气流中， 空气靠与叶片内部通道壁面的对流放热来冷却叶片，因而称为对流冷却。
图2 板料焊接的对流冷却静叶片
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图 3 板料焊接的对流冷却动叶片
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图 4 冷却叶片自叶顶排出的动叶
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2 冲击冷却
在空心的叶片内部加一导管，导管上开有许多小孔，冷却空气先流入导管，再 从导管上的小孔流出去冷却叶片。下图为一有冲击冷却的静叶导管上开的一排小 孔正对着片进气边内表面，冷却空气自小孔流出直接冲击进气边内表面进行冷却， 故称冲击冷却。
图 5 有冲击冷却的静叶
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3、气膜冷却 冷却空气从空心叶片顺着燃气流动方向流出，在叶片表面形成
汽轮机工作原理__结构
汽轮机工作原理和结构1汽轮机工作原理汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。
在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。
如图1所示。
高速汽流流经动叶片3时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮2旋转做功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械图1冲动式汽轮机工作原理图1-轴；2-叶轮；3-动叶片；4-喷嘴2汽轮机结构汽轮机主要由转动部分（转子）和固定部分（静体或静子）组成。
转动部分包括叶栅、叶轮或转子、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件。
固定部件包括气缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套（或静叶持环）、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统以及有关紧固零件等。
套装转子的结构如图2所示。
套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别制造的，然后将它们热套（过盈配合）在主轴上，并用键传递力矩。
图2套装转子结构1-油封环2-油封套3-轴4-动叶槽5-叶轮6-平衡槽汽轮机主要用途是在热力发电厂中做带动发电机的原动机。
为了保证汽轮机正常工作，需配置必要的附属设备，如管道、阀门、凝汽器等，汽轮机及其附属设备的组合称为汽轮机设备。
图3为汽轮机设备组成图。
来自蒸汽发生器的高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀进入汽轮机。
由于汽轮机排汽口的压力大大低于进汽压力，蒸汽在这个压差作用下向排汽口流动，其压力和温度逐渐降低，部分热能转换为汽轮机转子旋转的机械能。
做完功的蒸汽称为乏汽，从排汽口排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水，此凝结水由凝结水泵抽出送经蒸汽发生器构成封闭的热力循环。
为了吸收乏汽在凝汽器放出的凝结热，并保护较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供应冷却水。
由于汽轮机的尾部和凝汽器不能绝对密封，其内部压力又低于外界大气压，因而会有空气漏入，最终进入凝汽器的壳侧。
若任空气在凝汽器内积累，凝汽器内压力必然会升高，导致乏汽压力升高，减少蒸汽对汽轮机做的有用功，同时积累的空气还会带来乏汽凝结放热的恶化，这两者都会导致热循环效率的下降，因而必须将凝汽器壳侧的空气抽出。
燃气轮机结构及用于发电的主要形式
燃气轮机结构及用于发电的主要形式燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。
主要结构有三部分：1、燃气轮机(透平或动力涡轮);2、压气机(空气压缩机);3、燃烧室。
其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料(气体或液体燃料)也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。
生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作工，推动动力叶片高速旋转，乏气排入大气中或再加利用。
燃气轮机具有效率高、功率大、体积小、投资省、运行成本低和寿命周期较长等优点。
主要用于发电、交通和工业动力。
燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机轻型燃气轮机为航空发动机的转型，如LM6000PC和FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。
重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26和PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。
燃气轮机用于发电的主要形式：简单循环发电：由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统，也称为开式循环。
其优点是装机快、起停灵活，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。
目前的最高效率的开式循环系统是GE公司LM6000PC 轻型燃气轮机，效率为43%。
前置循环热电联产或发电：由燃气轮机及发电机与余热锅炉共同组成的循环系统，它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收，转换为蒸汽或热水加以利用。
主要用于热电联产，也有将余热锅炉的蒸汽回注入燃气轮机提高燃气轮机出力和效率。
最高效率的前置回注循环系统是GE公司LM5000-STIG120 轻型燃气轮机，效率为43.3%。
前置循环热电联产时的总效率一般均超过80%。
为提高供热的灵活性，大多前置循环热电联产机组采用余热锅炉补燃技术，补燃时的总效率超过90%。
联合循环发电或热电联产：燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机(抽汽式或背压式)共同组成的循环系统，它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发电，或将部分发电作功后的乏汽用于供热。
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7-转子；8-气缸(或机匣)；9-端轴。
轴流式压气机的一个级只有1.15～1.35左右,实现高压比需 多级
离心式压气机
1-进口导流器；2-工作叶轮；3-无叶扩压器； 4-有叶扩压器；5-排气管；6-连接轴
图 7 多排冲击和气膜冷却的综合冷却静叶
图 8 采用冷却技术后，典型的静叶出口温度与叶片温度
Xgl：冷却空气系数 Xgl=GL/Ga
这里 GL为从压气机抽出用于冷却燃气透平叶片空气量 Ga为进入燃气轮机压气机的流量
燃气轮机初温越高 所需冷却空气流量越大，冷却空气系数越大
Xgl (%)
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机，并分别用两个转速可以独立变化的透平来驱动.
2-2 燃气轮机透平
轴流式 大型燃气轮机,流量大.
径流式： 离心式和向心式 用于微燃机,小功率燃机.
透平叶片的冷却 燃气轮机的发展靠高温材料和冷却技术，两者相 辅相成。
图 1 燃气初温逐年提高情况
叶片冷却形式
1、对流冷却
冷却空气流经叶片内部流道后，自叶片的—端或出气边排出至主燃气流中， 空气靠与叶片内部通道壁面的对流放热来冷却叶片，因而称为对流冷却。
图2 板料焊接的对流冷却静叶片
图 3 板料焊接的对流冷却动叶片
图 4 冷却叶片自叶顶排出的动叶
2 冲击冷却
在空心的叶片内部加一导管，导管上开有许多小孔，冷却空气先流入导管，再 从导管上的小孔流出去冷却叶片。下图为一有冲击冷却的静叶导管上开的一排小 孔正对着片进气边内表面，冷却空气自小孔流出直接冲击进气边内表面进行冷却， 故称冲击冷却。
知道其中任意两个可知其它参数。
图 燃机透平通用特性曲线的表示方法
qm1
A1cf 1 v1
qm2
A2cf 2 v2
qm
Acf v
联合运行工况点确定： 压气机与透平转速相同，压比与膨胀比之间存在联系。
燃烧的稳定性； 燃烧效率； 火焰筒的有效冷却； 燃料喷嘴的合理布置； 多种燃料的适应性。
燃烧室
燃烧室结构分类 1 分管燃烧室
几何入口角βlj与几何出口角β2j—中弧线在叶型入口边和 出口边的切线与前、后额线之间的夹角。
冲角i=1j-1
冲角加大
冲角减小
图3-17 压气机叶栅中旋转脱离现象的发生
如果某一个叶片上由于正攻角过大而发生了脱流，但相邻 叶片还没有发生，则这一叶片处就会发生局部的气流堵塞， 迫使来流向两侧偏转。
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0
700
800
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1400
1500
T3(℃)
图 9 燃气轮机初温与冷却空气系数的关系
未来冷却技术的发展 （1）采用综合冷却手段提高冷却效果 （2）提高工作可靠性 （3）蒸汽冷却
图 10 GE-H型燃气-蒸汽联合循环系统
燃机透平特性
四个特征参数： 折合流量， 膨胀比， 折合转速，效率
在该叶片前方（相对于叶片运动方向而言）来流攻角会变 小而抑制了脱流的趋势，但其后方的来流攻角会进一步加大 而很快发生脱流。
与此同时，原来发生脱流的叶片却因其后方叶片的脱流而 状况改善，并退出脱流。这种情况就像脱流区沿着周向在传 递一样。
防喘振措施:
(1)在设计压气机时留有较大的“喘振裕度”，例如可以在设计工况时在前面各 级预先取一定的负攻角，这样在低转速变工况时即使攻角增加也不容易达到 旋转脱离的程度。
2、环管型燃烧室
3 环行燃烧室
4 圆筒形燃烧室
低污染燃烧技术
1）干式低排放（DLN，或称为“dry low NOx”— DLN）燃烧室
NOx生成温度1650度 干式低污染燃烧的基本措施就是“贫预混”，即以适当的过 量空气系数将空气与燃料预先混合均匀后再进入燃烧室燃烧， 这就从根本上改变了传统的以扩散燃烧为主的概念。 预混燃烧的特点是反应区内的燃料浓度和反应温度都是均匀 的，也是预先通过燃料和预混空气的配比加以严格控制的。
图3-33 DLN燃烧室的一个火焰筒示意图
2）催化燃烧
其基本思想是在燃烧室的适当部位引入催化燃烧组件（模 块），催化燃烧的特性是具有“化学恒温作用”。这种组件实 际上是由金属薄片衬底构成的蜂窝结构，衬底上涂敷催化剂， 可燃混合物通过时与催化剂有很大的接触面积。
催化剂组件由多个截面区域组成，每个区域具有专门的功能， 以达到特定的燃烧温度，因此不论可燃混合物浓度如何，即使 燃料-空气比很高，在催化剂组件中进行无焰燃烧时也可以控制 在较低的反应温度，从而将NOx的产生控制在极低的水平。
图 5 有冲击冷却的静叶
3、气膜冷却
冷却空气从空心叶片顺着燃气流动方向流出，在叶片表面形成 一层膜，把叶片表面而与燃气隔开而对叶片起到保护作用，同时 冷却叶片，为气膜冷却。
4 发散冷却 当空心叶片用多孔的透气材料做成时，叶片内部的冷却空气就象
“出汗”那样自叶片表面流出，为发散冷却。
图 6 发散冷却叶片与表面温度
图3-34 催化（Xonon）燃烧室示意图
GE的DLN燃烧室
关于燃烧室初温T3的定义
由于燃气轮机透平叶片需冷却，因而在不同部位注 入冷却空气，导致了有不同的温度。
（1）燃烧室出口温度TA （2）燃气轮机透平第一级喷嘴后的温度TB （3）以进入燃气轮机透平的所有空气流量计算
一级离心式压气机就可以达到4.5或更高的压比 主要应用在小型、微型燃气轮机。
在压气机特性线的左侧,有一条喘振边界线。这表明，压气机 在一定的转速下运行时，如果空气流量减小到一定程度，运行 工况点进入了喘振边界线左侧的区域，那么整台压气机就不能 稳定地工作。
这时，空气流量会忽大忽小，压力会时高时低，甚至会出现气 流向压气机进口方向倒流的现象，同时还会发生巨大声响，机 组伴随有强烈振动。这种现象通称为喘振。
(2)在选用现成的压气机时，将燃气轮机机组的设计运行点选在离压气机喘振边 界较远处，从而留出一定的安全裕量。
(3)在轴流式压气机的第一级，或者前面若干级中，装设可调旋转导叶，作为防喘 措施。对于高压比的压气机有时前面三级都装有可转导叶。
(4)在压气机通流部分的某一个或若干个截面上，安装防喘放气阀。 (5) 把一台高压比的压气机，分解成为两个压比较低的串联运行的高、低压压气