燃气轮机基础知识

轴流式
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）。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。
燃气轮机基础知识
一、燃气轮机的简单工作过程
燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，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 中膨胀作功，推动涡轮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，因而燃气涡轮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。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速 到能独立运行后，起动机才脱开。
燃烧室结构示意图
轴流式涡轮
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。
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。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。燃气轮机与其他热机相结合的称 为复合循环装置。
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。
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。
二、影响燃气轮机效率的两个主要因素
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，航空燃气轮机的超过1350℃。
燃烧室气流方向
环管形燃烧室
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。
离心式压缩机
三、燃气轮机的主要辅助部分
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，(油系统—润滑油、控制油、液压油。超温、 气体泄露报警装置，轴瓦的振动位移以及温度，超速保护等） 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。
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 图一个13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。
燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气涡轮等组成。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。
燃烧室和涡轮不仅工作温度高，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。