燃气轮机

一、燃气轮机的发展史
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。
一、燃气轮机的发展史
压气机是燃气发生器的一个重要部件，功能是从周围 大气吸入空气并将空气压缩增压，然后连续不断的向燃烧
室提供高压空气。
燃气发生器压气机有三种型式：轴流式压气机、离心 式压气机、轴流+离心混合式压气机。 轴流式压气机与活塞式压气机不同，它不是靠减小体 积增压，轴流式压气机是靠高速旋转的叶片对流动气体作 功来实现增压的，称为动力式压气机。
燃气轮机热力循环
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
三、燃气轮机工作原理
燃气轮机由静止起动时，需用起动机(如液压、气动起动机或 变频电动机)带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。 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。 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。
一、燃气轮机的发展史
当今世界上从事燃气轮机研究，设计，生产，销售的重要企业 近30 家。燃气轮机的研发和生产沿着两条不同的技术道路在发展， 一是以航空发动机四大家：通用电气、普惠、罗.罗、斯奈克玛 （GE,Pratt & Whitney,Rolls-Royce,SNECMA）等为代表的以航空发 动机作为基本型的改型机组，如(GE) LM 系列,(RR) RB211，501K, (P&W) FT-4，FT-8 等。特点是结构紧凑，采用了大量先进和成熟的 航空技术，维修方便，缺点是有的机组刚性稍感不足，另一条路是 以索拉、通用电气、西门子/西屋（Solar,GE,Siemens /Westinghouse）、ABB/Alstom 及俄罗斯、乌克兰、日本一些燃气 轮机厂，以蒸汽机为理念开发的机组，除索拉（Solar）为中小型机 外，大多为供发电站用的重型机组。
到1998年世界上有56个国家在上千艘舰船上使用 了燃气轮机作为动力，燃气轮机数量达2500多台。在 民用高性能商用船舶上的应用也在增加。 在1991至2000年的十年中总共生产了近千台舰船 用燃气轮机。 1987年美国燃气轮机发电量首次超过其他形式的 发电量，专家预测，到2020年全世界燃气轮机发电可 能会接近50%左右。燃气轮机发电较好地解决了高峰及 应急用电及自备电源问题。发电应用是燃气轮机最为 重要的市场领域。
压气机转子
压气机静子
多级轴流式压气机
(一)、压气机 2、压气机工作原理 压气机叶栅构成：转子叶片构成的动叶栅+静子叶片构 成的静叶栅。 压气机“级”的定义 一排动叶栅和紧随其后的一排静叶栅构成压气机的一个 “级”。级是多级轴流式压气机进行能量交换的基本单元。 由于单级增压有限，所以需要多级串连实现需要的增压比。 轴流式压气机通过高速旋转的叶片对流动中的气体做功，把 从涡轮传来的机械能转化为气流的动能和压力能，使气流绝 对速度增大，压力增压。动能在导流叶片通道里再转化成压 力能，使气流压力进一步增大。
一、燃气轮机的发展史
国内燃气轮机生产厂商： 南京汽轮电机公司 哈尔滨汽轮电机公司 绵阳的东方汽轮电机公司 上海汽轮电机公司 沈阳鼓风机厂 北京中航世新燃气轮机公司 沈阳黎明航空发动机公司 西安航空发动机公司 成都航空发动机公司
二、燃气轮机分类
按使用对象分： 航空用燃气轮机（飞机动力） 工业用燃气轮机（驱动发电机、压缩机、泵油机等） 舰船用燃气轮机（驱动舰船螺旋桨） 按功率大小分： 轻型燃气轮机（航机改型） 重型燃气轮机 微型燃气轮机
分管燃烧室
联管燃烧室
(二)、燃烧室
2、燃烧室结构 燃烧室的主要部件有燃烧室外套、燃烧室内 套、进口扩压器、火焰筒、燃料喷嘴、涡流器、 点火器等。
环形燃烧室
环 形 燃 烧 室
(二)、燃烧室
环形燃烧室是一种先进的燃烧室设计，它具有体积 小、重量轻、流阻损失小、联焰方便、排气冒烟少、火 焰筒加工成本低等优点，现代燃气轮机几乎全都采用这 种形式的燃烧室。 燃烧室是静止高温部件，结构设计中主要应考虑热 膨胀和减小局部热应力的问题。火焰筒有气膜保护冷却， 不会被火焰烧坏。但燃烧室工作时的强烈振动会造成火 焰筒裂纹。喷嘴积碳也会使燃料喷雾锥倾斜，将燃料喷 射到火焰筒上，造成火焰筒烧伤。
的下降要小，这就使得在低转速区域低压转子的转速
比高压转子的转速更小。
(一)、压气机 （3）双转子结构 低压压气机转速的降低带来气流周向速度与轴向 速度降低的相配合，减小了气流攻角的增大趋势，防 止了喘振发生。高压转子气流周向速度和轴向速度的
的相对较高相配合，也减少了气流攻角变负的趋势，
使高压压气机不致发生气流堵塞助长喘振发生。
一、燃气轮机的发展史
1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用 的燃气轮机，其效率为13％、功率370kw，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。 1939年，在瑞士制成了4Mw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，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始迅 速发展。
(一)、压气机
攻角
i 1k 1
1k 几何进口角 1 进口气流角 落后角
2k 2
2k 几何出口角 2 出口气流角
叶片的几何角和气流角
(一)、压气机
β1k---进口安装角（几何进口角），叶型前缘点中线的切 线与额线的夹角。 β2k---出口安装角（几何出口角),叶型后缘点中线的切线 与额线的夹角。 β1---气流进口角，或称进气角，是进气相对速度w1与叶 栅前额线的夹角，它随机组工况变化而变化。 β2---气流出口角，或称出气角，是气流出口相对速度w2 与叶栅后额线的夹角，它由出口安装角β2k 所限定。 i---气流进口攻角，可正可负，随机组工况变化而变化。 δ---气流出口落后角，是一个基本不变的固定值。
(一)、压气机
压气机防喘措施： （1）可调导流叶片 利用可转动的压气机进口导叶和/或前面级的 导向叶片来调节气流流向转子叶片的攻角，使低转 速时的气流攻角适应转子叶片的安装角度，不会形 成太大的攻角，以致在转子叶片的叶背上产生气流 分离喘振。
(一)、压气机
(一)、压气机
（2）中间级放气 放气机构根据压气机转速自动在低转速区域打开放气 阀，将一部分空气放入动力涡轮排气烟道。当压气机增速 到较高转速时，放气机构自动关闭放气阀。放气使得放气 阀之前的压气机级流量增大，气流轴向流速增大，抑制了 气流正攻角的增大的程度，保证气流流经叶片叶背的流程 中不会发生附面层分离，产生喘振。放气使得放气阀之后 的压气机级流量减少，气流轴向流速降低，抑制了气流负 攻角的增大的程度，保证气流流经叶片叶盆的流程中不会 发生附面层分离，引起流动堵塞产生喘振。
叶片型面的基本几何参数
x1---前缘方向角，叶型前缘点处中线的切线与叶弦的夹角。 x2---后缘方向角，叶型后缘点处中线的切线与叶弦的夹角。 θ---叶型弯曲角，θ=x1+x2
附面层 气流分离
压气机叶片叶背上的附面层和气流分离
(一)、压气机
3、喘振现象 在启动过程和低转速运转时（非设计状态），压 气机处于不稳定工作状态。由于气流量和转速较小而 且变化不成比例，造成气流攻角变化。多级轴流式压 气机的前面几级气流攻角变大过多时，气流流过叶片 时在叶片的叶背打旋分离，酿成整个压气机的喘振。 喘振现象表现为压气机出口压力、速度的不规则变化 和怪叫声、发动机剧烈振动，持续的喘振会造成压气 机叶片断裂、燃烧室熄火、转子轴承破坏。
(一)、压气机
压气机的“级”和气流参数变化
(一)、压气机
多级轴流式压气机中气流的绝对速度和压力的变化
(一)、压气机
2、压气机工作原理 压气机转子叶片的叶型弯曲角越大，级的增 压能力越强。但弯曲角越大，气流分离的也越容 易发生，使压气机的效率降低，所以压气机转子 叶片的气流弯曲角最大也就30~40度的样子，不 能太大。
二、燃气轮机分类
按热力循环方式分： 简单循环 复杂循环（回热、再热、中冷等） 联合循环（燃机+汽轮机） 按转子数目分： 单转子 双转子 三转子
三、燃气轮机工作原理
三、燃气轮机工作原理
压气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。 流入动力涡轮的燃气工质在动力涡轮中膨胀做功， 推动动力涡轮旋转，并由动力涡轮轴以旋转扭矩的方式 向天然气压缩机提供机械能，驱动离心式压缩机旋转工 作，由压缩机对管道天然气增压。
(一)、压气机
中 间 级 放 气
(一)、压气机
(一)、压气机 （3）双转子结构 当总增压比大于10以上时，采用双转子结构的压 气机对防喘很有效。这是因为在低转速区域运转时，
低压压气机由于气流攻角增大变得相对沉重而低压涡
轮的作功能力下降，高压压气机由于气流攻角减小变 得相对轻松而高压涡轮的做功能力的下降比低压涡轮
一、燃气轮机的发展史
1791年，英国人J.巴伯首次描述了燃气轮工 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。
一、燃气轮机的发展史
我国已建成了有一定规模的汽轮机行业，如哈汽、上汽、 东汽、北汽，能生产30-100 万千瓦的蒸汽轮机机组，还有制 造中小机组的南汽、武汽、杭汽、青汽、广汽等工厂。但是， 燃气轮机工业还处于起步阶段。虽然航空发动机厂都有生产燃 气轮机的技术能力，机械、航天、造船和石化系统部分企业也 已具有一定的维修和生产能力，不过燃气轮机的产量十分有限， 尚未形成专业化设计、研发和生产基地。现在，我国航空工业 已开始与外方合作参与燃气轮机有关的工作，如和UTC 的TPM 公司合作设计、生产FT-8 燃气轮机，为国外公司生产零件等 业务。然而，目前我国在使用的燃气轮机多为进口，尤其是大 型机组。
气动起动机
四、燃气轮机结构
四、燃气轮机结构
燃气轮机(Gas Turbine)由燃气发生器涡轮 （Gas Producer,简称GP）和动力涡轮(Power Turbine,简称PT)组成，再配以进气、排气控制
、以及其他辅助系统。
燃气发生器由压气机、燃烧室、涡轮三大 部件构成。
(一)、压气机
1、压气机的种类
(一)、压气机
轴流式压气机由两大基本部分组成：一部分是以转轴为 主体的可转动部分，称为压气机转子。在转子的轮盘上装有
一排排转子叶片（又称为工作叶片、动叶），是组成转子的
主要部件。另一部分是机匣和装在机匣里的一排排静止叶片 （又称为静叶、导流叶片）构成的静止不动部分，称为压气
机静子。
压气机的构成：压气机转子+压气机静子
SUCK
SQUEEZE
BANG
BLOW
Air Drawn into Gas Generator
LP compression Process
HPCompression Combustio n
Exhaust
RR公司的双转子燃气发生器
(二)、燃烧室
1、燃烧室的基本类型 分管燃烧室 联管燃烧室 环形燃烧室
燃 气 轮 机
2014.12.25
目 录
一、燃气轮机的发展史
二、燃气轮机分类
三、燃气轮机工作原理
四、燃气轮机结构
五、TAURUS 70燃气轮机 六、应用 七、发展趋势
一、燃气轮机的发展史
燃气轮机的发明最 早可追溯到我国古代发 明（1131-1161年） “走马灯”，靠蜡烛火 焰产生的热气吹动顶部 的叶轮来带动剪纸人马 旋转。 西方则把其发展归 结于一种早期的烤鸡装 置。