9E燃机结构与原理

1、燃 气 轮 机 装置,Company Logo,燃气轮机装置,概述 燃气轮机循环 燃气轮机的结构和工作原理 燃气轮机变工况 燃气轮机的主要系统,Company Logo,1.燃气轮机的组成和任务2.燃气蒸汽联合循环3.燃气轮机的发展简史4.我国燃气轮机技术的发展与应用5.燃气轮机发电装置的分类和命名,第一章 概论,Company Logo,一、燃气轮机的组成燃气轮机（Gas Turbine）主要由压气机（Compressor） 燃烧室（Comburstion） 燃气透平（Turbine）三大部分组成。,燃气轮机的组成和任务,Company Logo,燃气轮机的组成和任务,二、燃气轮机的任务 燃

2、气轮机是以空气和燃气作为工作介质（即工质）将其热能转换为机械能的高速旋转式动力机械。其任务就是将燃料的化学能转变为燃气的热能，又将燃气的热能部分转变成旋转机械能。燃气轮机及其外负荷通称为燃气轮机装置或燃气轮机机组。 外负荷（压气机（升压站）、船舶飞机（螺旋桨）、车辆飞机（发动机）及发电机等）。,Company Logo,燃气轮机的组成和任务,三、燃气轮机工作过程 在压气机中空气从外界连续被吸入，并使之增压，同时其温度也相应提高。 在燃烧室中高压空气与燃料（天然气、煤气或油）混合燃烧形成高压高温燃气。 在燃气透平中燃气膨胀做功（压力降低、温度降低）将燃气的热能转变为透平转子的机械能，透平转子带动

3、压气机和外负荷转子高速旋转。 从透平中将做完功的燃气乏气排至大气中放热。,Company Logo,GE公司9FA燃气轮机机剖面图,Company Logo,GE公司9FA燃机转子 实物图：,Company Logo,V94.2燃气轮机,Company Logo,燃气轮机的组成和任务,四、燃气的轮机优点 与内燃机相比： 优点：单机功率较大；重量轻、体积小；启动快； 排气污染小。 缺点：油耗高；制造成本高。 与汽轮机相比： 优点：装置简单、紧楱、重量轻、体积小；启动快、带负荷快；不需大量冷却水。 缺点：单机功率较小 、效率较低、运行寿命短。,Company Logo,燃气蒸汽联合循环,一、燃气蒸

4、汽联合循环的特点 燃气蒸汽联合循环由燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机组成。 将燃气轮机循环透平排出的工质（排气温度较高，约为450600；大型机组排气量达100600kg/s）燃气透平产生的一部分能量用于驱动压气机，而其余部分能量用于驱动发电机；膨胀后的气体则通过余热锅炉从主烟囱排入大气。进入余热锅炉将水加热成过热蒸汽，过热蒸汽进入蒸汽轮机中做功。 对于燃气轮机循环，排气温度T2受排气压力限制，排气温度T2限制了其效率的提高（等效卡诺循环t=1-T2/T1）一般可达到3640%,Company Logo,燃气蒸汽联合循环,对于蒸汽轮机循环，平均吸热温度T1受到了汽轮机材料的耐温耐压的限制（汽轮机进

5、汽温度一般为450600），平均吸热温度T1限制了其效率的提高（等效卡诺循环t=1-T2/T1）一般循环效率可达到40% 采用燃气蒸汽联合循环（发电或热电联产），系统中能源从高品位到中低品位逐级利用，即形成能源的阶梯级利用。一般效率可达5860%,Company Logo,燃气蒸汽联合循环,二、燃气蒸汽联合循环发电的主要优点 （1）电厂整体循环效率高； （2）对环境污染小 ；（无SO2排放，NOx和 CO排放低） （3）在相同条件下，单位容量投资小； （4）调峰性能好，启动快捷； 燃气轮机从启动到带满负荷运行一般不到20min 联合循环从启动到带满负荷运行热启60min、温启90min、冷 启

6、120min。 蒸汽轮机循环热启90min、温启180min、冷启300min。 （5）占地少；（火电厂的3040%） （6）耗水量少；（燃机循环为火电厂210%的用水量。联合循环为同容量火电厂1/3的用水量。） （7）建厂周期短； （8）自动化程度高。 总之，从电网运行的机动性（调峰灵活）和安全可靠（可实现黑启动）性出发，1520%的燃气轮机循环机组是必要的。,Company Logo,燃气蒸汽联合循环,Company Logo,燃气轮机装置的分类和命名,一、燃气轮机装置的分类 （1）按用途分 燃气轮机装置可分为地面燃气轮机、船（车辆）用燃气轮机和航空燃气轮机。 地面燃气轮机可分为工业用燃气

7、轮机和发电用燃气轮机。 （2）发电用燃气轮机按结构形式可分工业型和航机改装型两大类。 工业型燃气轮机是目前应用较广泛的机组，它具有寿命长、能长期连续安全运行、效率高、节省贵重金属材料等优点。缺点机组重而大。,Company Logo,燃气轮机装置的分类和命名,（3）按循环分 按燃气轮机热力循环特点可分为简单循环、中间冷却循环、再热循环和回热循环。 （4）按燃气轮机转子结构分 按燃气轮机转子结构分可分为单轴、双轴或三轴燃气轮机装置。,Company Logo,燃气轮机装置的分类和命名,二、燃气轮机装置命名规则 燃气轮机的命名规则各制造厂各不相同，现以GE公司的重型和航机改装型燃气轮机为例介绍 我

8、国JB/T2783-1992的燃气轮机命名规则与GE的类似。各代号的含义规定如下： 含义 用途燃气轮机系列号输出功率轴式循 环方式压气机改型号 （1）用途以大写字母表示 M 机械驱动 GD 发电设备 PG 箱装式发电设备,Company Logo,燃气轮机装置的分类和命名,（2）燃气轮机系列号3、5、6、7、9 相应表示:MS3002、MS5000、MS6001、 MS7001和MS9001等系列。 （3）输出功率大致为几百、几千或几万hp hp表示英制马力，1hp=0.7457kW （4）轴式单轴用“1”、双轴用“2” （5）循环方式“R”表示回热循环，此项缺省表示简单循环。 （6）压气机改

9、型号代表压气机型号及相关技术,Company Logo,燃气轮机装置的分类和命名,举例 PG9171E表示箱装式发电机组（Package Generator），MS9001系列E型，简单循环，单轴机组，其出力约为17万hp。,Company Logo,燃气轮机装置的分类和命名,三、联合循环命名规则（GE公司产品为例） 含义 联合循环代号燃气轮机数量0（无意义）燃气轮机系列号压气机改型号 （1）联合循环代号用“S”表示，S是STAG（Steame and Gas蒸汽与燃气）的缩写。 （2）燃气轮机数量是指一套联合循环装置中燃气轮机的台数，用1，2，3.表示。 举例 S309E表示配备3台MS90

10、01系列E型燃气轮机和1台汽轮机的燃气蒸汽联合循环机组。,Company Logo,第二章 燃气轮机热力循环,1.概述 2.理想简单燃气轮机循环 3.实际简单燃气轮机循环 4.燃气轮机回热循环 5.复杂燃气轮机循环 6.闭式燃气轮机循环,Company Logo,概述,以理想简单燃气轮机循环为例 燃气轮机的工质视为理想气体；理想简单燃气轮机循环为可逆循环，组成循环的过程分别为： 在压气机中实现工质可逆绝热压缩过程12； 在燃烧室中实现工质可逆定压吸热过程23； 在燃气透平中实现工质可逆绝热膨胀过程34； 燃气透平排气（乏气）排入大气实现工质可逆定压放热过程41。 循环由布雷顿（Brayton）

11、于1872年提出，也被称为布雷顿循环。,Company Logo,概述,Company Logo,概述,Company Logo,概述,Company Logo,概述,燃气轮机发电装置循环的主要性能指标 一、压缩比（增压比） 压缩比（）指压气机出口的气体压力与进口气体压力之比，表示工质被压缩的程度。 一般情况下，压气机进气压力即为大气压力。,Company Logo,概述,二、温比（循环的加热比） 温比（）是指燃气轮机循环中所达到的最高温度T3*与最低温度T1*之比。 T3*亦为燃气的初温，可定义如下： （1）燃烧室出口处燃气的温度 （2）燃气透平第一级喷嘴叶栅后燃气的温度 （3）以进入燃气透

12、平的所有空气流量计算的平均温度。 T3*是一个参考性的透平入口燃气温度，一般根据试验测得的相关参数，进行燃烧系统热平衡计算而得到。,Company Logo,概述,Company Logo,概述,三、比功 比功是指相应于进入燃气轮机的1kg空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的功，用符号“wt”表示，单位的符号kJ/kg空气 wtPGT/G 式中： PGT燃气轮机输出的额定功率 （kW） G 单位时间流入压气机的空气质量（kg/s） 比功的大小在一定程度上反映了机组尺寸的大小，因为当燃气轮机装置输出功率一定时，比功越大，则流经压气机的空气质量流量越少，装置尺寸就可以小些。 比功是航空燃

13、气轮机的重要性能指标。,Company Logo,概述,地面电站燃气轮机对装置的重量没有严格要求，因此对比功不做特别的限制，而将燃气轮机发电装置的输出电功率作为主要的性能指标。 四、单机功率 （1）标准额定功率 标准额定功率是指在ISO工况下（环境温度15，海平面高度，相对湿度60%）以燃天然气的工况连续运行，发电机输出的最大功率。 （2）合同额定功率 （3）现场额定功率 （4）尖峰功率,Company Logo,概述,五、热效率 （1）循环效率 循环效率是指当工质完成一个循环，燃气轮机输出的比功与相应1kg空气的燃料所放出的热量的百分比。 GT wt/q= PGT/Gf.Hu （2）装置效率

14、 MGT wMt/q= GT M （3）发电效率 GGT wGt/q= GT M G,Company Logo,概述,六、热耗率 HRGT=3600Gf.Hu/PGTG 七、有用功系数 有用功系数是指相对于1kg空气的循环净功（比功）与燃气透平输出的轴功之比“”。 wt /wT,Company Logo,理想简单燃气轮机循环,一、理想简单燃气轮机循环比功 结论：图32所示， （1）压比不变时，比功随着温比的增加而增加； （2）温比不变时，比功随着压温比的变化有一最大值，相应于比功最大值时的压比称为比功最佳压比。 图33所示， 温比不变时，压比从小变大，循环面积先从小变大后从大变小，中间必然有一

15、个最大的面积，即最大比功，它相应的压比为比功最佳压比。,Company Logo,理想简单燃气轮机循环,二、理想简单燃气轮机循环热效率 结论：图34所示， 理想简单燃气轮机循环热效率只与压比有关，并随压比的增加单调增加。,Company Logo,实际简单燃气轮机循环,一、实际简单燃气轮机循环比功,Company Logo,实际简单燃气轮机循环,二、实际简单燃气轮机循环效率,Company Logo,实际简单燃气轮机循环,三、影响实际循环比功和实际循环效率的因素 （1）压气机和透平的效率 压气机和透平的效率： 轴流式压气机效率：0.880.91 轴流式透平的效率: 0.890.92,Compa

16、ny Logo,实际简单燃气轮机循环,（2）燃烧室效率 燃烧室效率是工质在燃烧室实际获得的热量与加入燃烧室中的燃料完全燃烧时所放出的热量的比值。由于存在着不完全燃烧和散热损失，燃烧室效率小于1。燃烧室效率一般范围为0.96 0.99。 结论：燃烧室效率主要影响循环效率。 燃烧室效率对循环比功的影响是通过对工质流量的差别来影响的。,Company Logo,实际简单燃气轮机循环,（3）压力损失 进气压力损失： 进气压力损失系数： 进气压力保持系数： 燃烧室压力损失 燃烧室压力损失系数： 燃烧室压力保持系数： 排气压力损失： 排气压力损失系数： 排气压力保持系数： 保持系数： 压力损失使压比减小。

17、,Company Logo,实际简单燃气轮机循环,（4）工质流量的差别 结论：在燃气轮机中f值一般不超过0.02， cl大约为0.040.12，因此进入透平的燃气流量比压气机的空气流量小，导致循环比功和循环效率减小。,Company Logo,实际简单燃气轮机循环,（5）机械损失 （6）工质热力性质的差别,Company Logo,回热循环,回热循环：利用燃气透平的排气（乏气）加热压气机出口的空气，提高它进入燃烧室温度，可使燃烧室中加入的燃料量减少，乏气对环境放热损失减少，从而提高循环热效率。在燃气轮机装置中加入回热器的循环为回热循环。 结论： （1） （2） （3）,Company Logo

18、,复杂循环,一、压缩过程中间冷却循环（间冷循环） 间冷循环是指在压气机中压缩过程中间，把工质引至冷却器冷却后，再回压气机中继续压缩完成压缩过程，冷却器将压气机分为低压和高压两部分。 总的压比一定，压比的最佳分配,Company Logo,思考题,1.应用工程热力学理论，试分析燃气蒸汽联合循环效率高的原因。（提示：应用等效卡诺循环） 2.什么是压缩比、燃气轮机循环比功、燃气轮机循环效率、标准额定功率？ 3.理想简单燃气轮机循环由哪些过程组成？画出理想简单燃气轮机循环装置简图，工质压力、温度变化简图及温熵图（T-s图）。 4.影响实际循环比功和实际循环效率的主要因素有哪些？实际循环效率与理想简单燃

19、气轮机循环效率的根本区别是什么？ 5.燃气轮机循环有哪些？,Company Logo,第三章 燃气轮机结构及工作原理（V94.2型）,1.概述 2.压气机的结构及工作原理 3.燃烧室的结构及工作原理 4.燃气透平的结构及工作原理,Company Logo,概述（V94.2型燃气轮机）,Company Logo,概述（ V94.2型燃气轮机纵剖面图）,Company Logo,概述（ V94.2型燃气轮机）,Company Logo,概述（V94.2型燃气轮机纵剖面图说明及结构特点）,1压气机的轴承箱 2带静叶持环的中心部分 3带中心连杆的压气机和透平转子 4带轴承的排气缸 V94.2型燃气轮机

20、结构特点: 整体式单轴结构形式，双轴承支撑； 转子由单个叶轮组成，盘鼓式转子结构（用一根中心拉杆将压气机叶轮、中空轴及透平叶轮联接对中，通过轮盘外缘压紧面上的Hirth齿压紧轮盘并传递扭矩。）这种转子结构具有重量轻，刚性和强度好的特点，有利于快速启动。 外缸有水平中分面； 独立的静叶持环， 可随温度自由涨缩，机组的绝对死点和相对死点位于压气机进气侧前轴承部位，即径向-推力联合轴承位置。 发电机在压气机侧(冷端) 轴向排气 两个大的立式筒型燃烧室，每个燃烧室上装有8个干式低Nox的混合型燃烧器，火焰筒内装陶瓷遮热瓦块 压气级共15级，设计为可转进口导叶 燃气透平设计为4级，透平转子采用内部冷却，

21、1、2级静叶和动叶均为空心冷却结构， 1、2级静叶和1、2、3级动叶喷涂抗氧化涂层。,Company Logo,概述,压气机和透平是单缸单轴燃气轮机的基本部件，它们共用一个转子。该转子仅仅由两个位于机组的受压端外侧的轴承支撑。该结构保证了良好的同轴度和极好的运行质量。 承压外缸与压气机和透平同轴，承压外缸由一个连接到压气机末端的圆柱形中心部分，一个固定的静叶持环和前轴承箱三部分组成。静叶持环也当作外缸。在中压缸的排气末端安装了支撑后轴承的排气缸。,Company Logo,概述,在缸的中心部分里面，为压气机的静叶片安装了两个静叶持环，为透平的静叶片安装了一个静叶持环。它们以一种允许进行自由热膨

22、胀的方式被支撑。 前轴承箱内包含径向-推力联合轴承，它的外部用来为空气进行导流。在前轴承箱的前端，安装了测速仪和液压盘车装置。轴承装置由经过进气通道的前支架支撑。空气从安装在压气机前面的一个进气口处抽出。排气缸由一个内缸和一个废气经过的窄的锥形外缸组成。内缸和外缸由肋片和两个椭圆形管道连接，椭圆形管道也为后轴承箱提供管道，这些部件在内缸内合成一体。,Company Logo,概述,转子包括：一组压气机轮盘和一组透平轮盘，每个轮盘上装有一排叶片；两组轮盘间为中空轴，三段由紧固螺栓组合在一起的。轮盘间为H齿连接。各轮盘和中空轴由中心拉杆联接构成轴系。该连接以轮盘为中心，允许径向自由膨胀和收缩并有助

23、于传递扭矩。该转子构造形成了一个具有很大刚性的自支撑轮鼓结构，可以在相对低的重量的同时支持很高的临界速度。可以在不用拆卸转子的情况下安装或者拆下所有的动叶片。,Company Logo,概述,透平转子采用内部冷却。一小部分压缩空气在压气机的第12级静叶的轮毂下游和在最后一个压气机的动叶的下游从主流里抽出来，并由中空轴上的孔进入转子内部。空气分布在透平轮盘之间，流向叶根部分和第一级动叶的有效叶片截面。冷却气体进入高温气流之前，将在轮毂表面形成一层冷却膜。,Company Logo,概述,燃机的轴由安装在轴承箱内的径向轴承支撑，燃气轮机轴的固定点由一个推力轴承产生。在这种情况下，叫径向-推力联合轴

24、承，安装在压气机的端。 气缸在前轴承座上，安装在支撑上的出口部分。两个前支撑是在所有边都可调整的固定点。在后面，依靠带附加中心导杆的弹性杆的支撑，因此气缸能在轴向和径向自由地膨胀。,Company Logo,压气机的结构及工作原理,一、压气机的结构： V94.2型燃气轮机中压气机的特点： 1.压气机由16级组成，压比约为11。 2.进气导流叶片的角度可变化。 3.有足够量空气的三根放风（气）管路可以保证压气机在低速下的稳 定运行。在压气机第5级有两根放风管路，在第10有一根放风管路。 在结构上是通过静叶持环间形成环形间隙来实现的，环形间隙将压缩 空气引入静叶持环和中间缸之间的两个环形腔室。放风

25、管路与中间缸 用法兰连接，并配有气动挡板门，把排气引入排扩散段。在压气机的 某些级抽取空气来冷却透平部分。 4.进口导叶、前3级静叶片和前6级动叶片都涂有SERMETAL以防止 叶片积垢。 5.为减小叶片积垢而造成的功率损失，必须对压气机进行清洗。,Company Logo,压气机的结构及工作原理,压气机工作条件：出口空气温度一般为300550以下 压缩比为1030（11） 发电用燃气轮机机组转速为3000转/分 工作中主要承受各种机械力（气体压力、离心力和振动力等） 压气机本体组成 由静子（进气室、进气机匣、气缸、静叶和气封等）和转子（轮盘、轴和动叶）组成,Company Logo,压气机的

26、结构及工作原理,1、静子（气缸） 进气室与气缸分开结构钢板焊接而成； 进气机匣由两个喇叭形的内外环的收敛器与内部的 前轴承座组成 气缸呈圆筒形通常铸造而成，一般分压气机前缸、 中缸和后缸三部分 垂直法兰联接。气缸内加工有安装静叶的根槽或装 持环的槽道以及中间级放气通道和放气口。压气机 出口有环状扩压器。,Company Logo,压气机的结构及工作原理,2、静叶（扩压管） （1）直接装配的静叶 （2）静叶环 （3）可调静叶（可转导叶）联动环与摇臂联动机构 3、气封 （1）弹簧齿式气封 （2）蜂窝气封 （3）刷子气封,Company Logo,压气机的结构及工作原理（PG9351FA型压气机图）

27、,Company Logo,压气机的结构及工作原理（可转导叶示意图）,Company Logo,压气机的结构及工作原理（可转导叶的操控）,Company Logo,压气机的结构及工作原理（可转导叶的作用）,防止燃气轮机在启动过程中发生喘振：低转速时通过关小可转导叶角度来减小一级动叶进气攻角，防止气流在第一级叶片的叶背产生脱离。 减少空气的流量，使得预混燃烧可以在较低的负荷下尽早投入：由于预混燃烧在过量空气系数比较高的情况下部容易稳定，因此，减少空气量使燃料量在较少的情况下也可以进行预混燃烧。 温度匹配：在汽机缸温比较低的情况下启动时，通过打开IGV，增加空气流量，来降低燃机的排烟温度，从而限制

28、主蒸汽的温度，防止汽机的应力过大。 联合循环部分负荷时提高燃机的排烟温度：机组在部分负荷时燃机的排烟温度会降低，这样主蒸汽温度也将降低，汽机的效率下降，通过关小IGV减少空气流量，使燃机的排烟温度提高，从而通过汽机的效率。,Company Logo,压气机的结构及工作原理（ PG9351FA型压气机转子组成图）,Company Logo,压气机的结构及工作原理,4、转子 （1）转子的结构型式 鼓筒式转子，由鼓筒和半轴组成（刚性转子）； 盘式转子，各级轮盘红套在轴上。 盘鼓式转子 （2）盘鼓式转子的结构型式 径向销钉转子 焊接转子 中心拉杆转子：端面齿与中心拉杆配合使用，其缺点是端面齿加工精度要

29、求高，加工较难。 外围拉杆转子,Company Logo,压气机的结构及工作原理,五、动叶 广泛使用轴向装配的燕尾型叶根,Company Logo,压气机的结构及工作原理（压气机抽气）,Company Logo,压气机的结构及工作原理（压气机转子和叶片）,Company Logo,压气机的结构及工作原理（压气机喘振的发生）,发生喘振的机理,失 速,旋转失速,喘 振,back,Company Logo,压气机的结构及工作原理（喘振现象）,喘振现象：在压气机特性线的左侧，有条喘振边界线，如流经压气机的空气流量减小到一定程度而使运行工况进入喘振边界线左侧，则整台压气机就不能正常工作。此时，空气流量会

30、出现波动，忽大忽小，压力出现脉动，时高时低，严重时甚至会出现气流倒流的现象，同时会伴随低频怒吼声响，可能会使机组强烈振动，这种现象称为喘振现象。,Company Logo,压气机的结构及工作原理（喘振现象）,喘振现象形成的原因： 当转速一定时，随着流量的降低，动叶进口气流相对速度方向角变小，形成正冲（攻）角，气流会在动叶背部引起气流分离，它围绕叶轮轴线以低与叶轮的速度连续旋转，这种现象为旋转失速。如失速频率接近叶片的自振频率，因而产生喘振现象。 预防喘振的措施 1.设计压气机时，应该合理选择各级间的流量系数分配关系，增大压气机稳定工作范围。 2.采用可转进口导叶和静叶。 3.在压气机某级后或若

31、干级后安装防喘放气阀。,Company Logo,压气机的结构及工作原理（思考题）,1. V94.2型燃气轮机结构特点: 2.压气机的型式有哪些？燃气轮机常采用哪种型式？原因 3.压气机转子结构型式有哪些？ V94.2型燃气轮机采用哪种型式？ 4.什么是轴流式压气机的级？简述其工作原理。 5.什么是喘振现象？喘振现象形成的原因是什么？如何预防？,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,燃烧室的主要功能：通过燃料(气体燃料、燃料油，或者二者同时)在 燃烧室内燃烧，将燃烧后生成的烟气调整至透平进口温度。即将燃料 的化学能转换为热能，形成高温燃气进入透平做功。 一、燃烧室的结构 燃烧室的结

32、构型式 （1）圆筒形燃烧室（V94.2型双立式圆筒形燃烧室、 V94.3型双卧式圆筒形燃烧室） 优点：结构简单，机组的全部空气在一个或两个燃烧室中完成燃烧加热过程，装拆容易，地面燃机燃烧室可以做的大些，燃烧过程比较容易组织，燃烧效率高，流阻损失小，燃料适应性强。 （2）分管形燃烧室（GE公司9E、9F系列采用逆流式分管形燃烧室） （3）环形燃烧室（西门子公司的3A系列） （4）环管形燃烧室,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,V94.2型双立式圆筒形燃烧室结构特点 （1）燃烧器可以是气体、液体或者双燃料运行的装置。(对燃料的适应性好) （2）燃烧室带有耐火的衬套。（带陶瓷遮热瓦块

33、的火焰筒） （3）两个燃烧室垂直地安装在透平的两侧，并连接到透平气缸侧面法兰上。 （4）压气机到燃烧室，以及燃烧室到透平的同中心的燃气和空气流道处于相 对低的流速，相应产生的压降小。 （5）热通道中承受内压力的外部零件与内部受热缸体零件都被从压气机排出 的空气包围，经热交换冷却。 （6）气体流量的对称流动和双重偏转也确保了均匀的燃气温度分布，只是在 透平叶片的上游有轻微的压力差异。 （7）每一个燃烧室提供八个单独的燃烧系统结构，灵活性好，并且为方便的 检查、容易安装和拆卸所有的部件。 （8）混合燃烧器的扩散以及预混技术的应用，得到了非常低的氮氧化合物和碳水化合物的排放。 （9）外置燃烧室布置可

34、以消除对透平叶片的火焰辐射。 （10）通过人孔可进入燃烧室，直接检查燃烧室和透平一级静叶。,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,V94.2型双立式圆筒形燃烧室结构 2个横向相对的燃烧室用法兰连接至燃气轮机。来自压气机的空气通过环形空间进入燃烧室，并通过压力套和内构件之间的空间流向燃烧器组件。空气由对角旋流器加强旋流以稳定火焰。可按照燃烧室需求安装燃用燃料油、气体燃料或双燃料(燃料油和气体燃料)所用的燃烧器组件。 燃料在火焰筒内燃烧，产生的高温燃气经出口流至透平。人孔便于工作人员进入燃烧室对燃烧室内和透平入口进行检修。火焰由2个光电探测器进行监视。这些装置安装在燃烧室壳体上。如果火

35、焰熄灭，光电探测器便会响应并切断燃料供应。可通过人孔盖内的窥视窗观测火焰。点火火焰用来对燃料进行点火。每个燃烧器组件均带有可产生点火火焰的专用气电点火器。每个燃烧室的顶部均装有带栏杆的平台。燃料、吹扫空气和点火气体管线，以及连接至燃烧器组件的电气管线均装在部分平台上。人员可进入平台的其它部分进行工作，便于安装和检查燃烧器组件。,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,(1)压力套 压力套是燃烧室的外部壳体，并可使内件彼此之间固定就位。 压力套由燃烧室壳体和穹顶组成。燃烧室壳体的主体为空心圆筒，其最上端带有穹形端板，另一端焊接有圆锥弯管。弯管端接在空气进口和高温燃气出口的连接法兰上。穹

36、顶内焊有用于安装燃烧器组件的安装座。燃烧室壳体和穹顶通过双头螺栓连接。穹顶周围分布有3个导销，便于装配穹顶，并将其定位在规定位置上。透平缸体和燃烧室壳体用双头螺栓和六角螺母连接。 (2)燃烧室内件 燃烧室内件是燃料与空气混合燃烧，产生高温燃气的部件。 高温燃气由出口流向透平，经由内端板开口加入燃料和一次空气。内件包括火焰筒端板和火焰筒掺混段。火焰筒端板由支承架、弧形外端板和内端板组成。双外壳端板弧段松散地支承在火焰筒内表面的环形槽内，由中心螺栓将它们连接至燃烧器插件和支承架上，这样可以适应热膨胀。,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,火焰筒由带有陶瓷瓦块衬里的圆筒外壳组成。陶瓷瓦

37、块垂直立在气冷支承环上。瓦块由弹簧钢支架保持水平就位火焰筒上的肋片支承其位于压力套内，并保持在中心位置。掺混段由弧形圆锥弯管组成。水平面(通过机器中心线)与垂直面(通过燃烧室中心线)交线处(与机器中心线平行)的2个螺栓用来支承掺混段，而2个导向板将其定于中心。 (3)燃烧器组件 燃烧气体燃料的燃烧器组件包括：扩散气体燃烧器、轴向旋流器、对角旋流器叶片、值班气体燃料燃烧器、点火器、气体分配器导管和燃烧器托板。对角旋流器和气体燃料分配导管组成与火焰筒联接的接口。 低负荷工况下，气体燃料以扩散模式运行，天然气由扩散燃烧器，气体燃料进口供入环形空间，进入扩散气体燃料燃烧器，再经由轴向旋流器与燃烧空气混

38、合，在燃烧区形成稳定的扩散火焰。启动时使用点火器内火花塞产生的点火气体火炬来点燃扩散气体燃烧器主火焰。,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,在高负荷工况下，大部分一次空气由对角旋流器空气进口进入对角旋流器，在此进行旋流后再通过对角旋流器管道馈送进燃烧区。剩余部分由轴向旋流器空气进口进入轴向旋流器。2个旋流器的旋流方向相同。在高负荷工况下，气体燃料以预混模式燃烧，由预混合气体燃料进口进入的天然气流过预混气体燃料分配器，再通过对角旋流器叶片人口端的小孔进入旋流器流道，与燃烧空气预先混合形成均相的可燃混合气体。混合气体经由对角旋流器出口馈送至燃烧区燃烧。装有值班气体燃料燃烧器以稳定预混

39、合可燃气体燃烧。值班气体燃料在气体燃料燃烧器的出口形成以扩散方式燃烧的值班火焰。 结论：Siemens公司V942型燃气轮机的燃烧室的结构简单，使用寿命长，带陶瓷遮热瓦块的火焰筒内壁温度梯度小，多燃烧器结构能抑制偶发的压力波动，外置燃烧室布置可以消除对透平叶片的火焰辐射，并使透平进口燃气温度分布均匀，从而延长燃气透平的寿命。混合燃烧器灵活性强，在大于50负荷下运行时能保持低NOx。及低CO排放。另外，通过人孔可进入燃烧室，直接检查燃烧室和透平一级静叶。,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理（9FA燃烧室的布置）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理（GE公司9FA燃机火

40、花塞结构）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理（ 9FA联焰管的构造）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理（燃烧室的组成）,GE公司9FA燃机燃烧室的结构,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理（GE公司9FA燃机燃料喷嘴组件结构）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理（火焰筒）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理（导流衬套）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理（燃料喷嘴）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理（过渡段）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,二、燃烧室的工作原理 燃烧室的工作

41、特点 （1）燃烧室要保证连续高速气流与燃料充分混合进行燃烧，保证燃烧稳定经济进行。（时间短、高速进出口处100150m/s、燃烧区2025m/s 、过量空气系数3.04.5） （2）燃烧室在高温、大负荷、变工况下工作（温度场不均，受力为静负荷和热应力，负荷适应能力强） （3）适应燃烧多种燃料的能力 （4）燃烧过程为一个复杂的物理化学过程,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,对燃烧室的基本要求 （1）在各种工况，包括工况急剧变化的过程（过渡过程），燃烧室应保证稳定燃烧，即不熄火，无燃烧脉动。 （2）燃料燃烧要完全。（保证燃烧室效率95%99%） （3）燃烧室具有最小的压力损失。（扩

42、压、摩擦、分流、掺混、倒流热交换等，燃烧室的压力损失系数不大于3%5%） （4）燃烧室出口温度场应能满足透平的要求（温度场均匀） （5）尽可能提高燃烧热强度，减小燃烧室的尺寸和重量，以适应整台燃气轮机结构紧凑性的要求。 （6）任何条件下，燃烧室都能迅速可靠地启动点火，且联焰性能好。 （7）合理选择火焰筒材料和冷却结构，结构紧凑，以保证热强度高，使用寿命长。（2000030000h）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,燃烧过程和气流的组织 （1）燃烧室中空气流的组织 #采取气流分流的办法，以提高燃烧区的温度，使燃烧工况得以改善。 （分管型燃烧室分一次空气、二次空气和冷却空气） #

43、采用火焰稳定器，以稳定高速气流中的火焰，使燃烧工况得以改善。（稳流器、对角旋流器、轴向旋流器） （2）燃烧室中燃料的组织 #把液体燃料雾化成很细的颗粒 #把燃料合理地供应到燃烧空间中去，与空气混合成适宜于高速且稳定燃烧的混合物。（扩散气体燃料燃烧器、预混气体燃料分配器） （3）燃烧室中燃烧火焰的概况 第一区段：火焰筒内壁和火焰波峰之间（空气和燃料混合物预热区） 第二区段：火焰波峰所占的空间（燃烧反应区） 第三区段：火焰波峰与火焰筒轴线之间（充满高温燃烧产物即高温燃气）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,（4）燃烧室中二次掺冷与高温燃气的掺混 燃烧产物温度太高，温度场也不均匀，必

44、须由二次空气掺冷。二次空气约占空气总流量的70%85%，速度80100m/s，在燃烧完成后的区域射入火焰筒，不宜过早过集中。 燃烧室的变工况特性 在实际运行中，燃烧室会经常在偏离设计工况条件下工作。燃烧室的空气流量、温度、压力、速度及燃料耗量都会发生变化，相应燃烧室的工作性能（燃烧室效率、压力损失系数、壁面温度、温度场等）发生变化。 燃烧室的工作性能指标：燃烧室效率、压力损失系数和熄火极限 燃烧室效率随燃机功率的增加而提高，变化范围并不大（0.90.98） 压力损失系数随燃机功率增加而减小，变化范围不大（2.4%2.0%） 熄火极限对机组安全运行有直接影响，必须充分重视。 熄火分为“富油熄火”

45、和“贫油熄火”。 对应富油熄火过量空气系数称为“富油熄火极限”（最小过量空气系数） 对应于贫油熄火的过量空气系数称为“贫油熄火极限”（最大过量空气系数)之间的差值越大，燃烧的稳定性越好。,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,气体燃料燃烧技术（天然气） （1）天然气的主要成分 甲烷和乙烷等饱和碳氢化合物（90%） 少量的CO2、 N2、H2S、SO2、H2和CO等 发热量一般为3344041800kJ/m3 具有容易燃烧、燃烧速度较慢（甲烷含量大）密度小的特点，天然气的可燃范围比较窄（0.61.6）燃烧的稳定性差。 组织天然气的燃烧过程非常重要。 （2）组织天然气的燃烧过程基本方案

46、 预先混合式的燃烧方案 扩散燃烧式的燃烧方案,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,预先混合式的燃烧方案的特点 （1）燃烧火焰比较短，因而燃烧室的热容强度可以做得相当高； （2）燃烧稳定性比较差过量空气系数一般在2.63.0之间，过量空气系数为15左右时燃烧室容易熄火； （3）在低负荷工况下，燃烧室效率降低幅度较大。过量空气系数为1时，燃烧室效率为94%95%；过量空气系数为2时，燃烧室效率为82%83%。 克服这种缺点的方法：在旋流器中心部位安装一个值班天然气喷嘴。空气旋流器前加装一次空气量调节机构。 扩散燃烧式的燃烧方案的特点 （1）混合过程比燃烧过程缓慢得多，火焰比预混式长。

47、 （2）燃烧稳定范围大，燃烧室效率随负荷变化小。 （3）需要很好控制空气和天然气的配合，防止天然气喷至缺氧区。导致不完全燃烧。 （容积浓度在5%14%一突然点火会发生爆炸）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,燃烧室低NOx燃烧技术 燃气轮机的排气污染物主要有未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化合物三种。 成熟的燃烧技术和完善的燃烧室结构，燃烧室效率较高，未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳含量及其微少，可以满足严格的环境要求。排气污染物主要是氮氧化合物。 （1）氮氧化合物的产生 火焰温度达到1650度时，空气中的N2 和O2发生化学反应生成Nox 而温度下降不会分解还原。 （2）常规的

48、燃烧室低氮氧化合物的排放的主要措施 #向扩散燃烧的燃烧室中喷射一定数量的水或水蒸汽 降低最高燃烧火焰温度控制氮氧化合物的产生。缺点机组效率下降1.82.0% #在余热锅炉中安装SCR（催化还原技术） #在燃烧室采用催化燃烧法（试验阶段）,Company Logo,燃烧室的结构及工作原理,干式低NOx(DLN)燃烧室 （1）GE公司的串联式的分级燃烧室 （2）Alstom公司的并联式的分级燃烧室 （3）西门子公司的干式低Nox混合燃烧器（火焰温度较低） （4）三菱的变几何燃烧室,Company Logo,思考题,1.SGT52000E(V94.2)型的燃气轮机配置的燃烧室由哪些主要部件组成？各部

49、件的主要功能是什么？ 2.天然气燃烧的常用方案有哪些？你厂燃烧室采用什么样的运行模式？ 3.燃烧室变工况特性指标有哪些？特性指标对机组运行有何影响？ 4.控制燃气轮机低NOx排放的技术措施有哪些？,Company Logo,燃气透平的结构和工作原理,燃气透平的任务 燃气透平的任务是将来自燃烧室的高温燃气的热能转换为转子的机械能。 燃气透平工作条件: 转子：高温、高转速、压力不高（13MPa） 静子：高温、压力不高（23MPa） 透平进口燃气温度一般为11001300度，最高1430度 与压气机相比，除了承受相应的机械力外，还承受较高的温度，继而 因高温引起一系列问题，如热应力、热膨胀、热变形、

50、热冲击和热腐 蚀等。 为保证燃气透平安全运行，高温金属部件采用耐高温的合金材料， 同时采用有效的冷却技术。 燃气透平,Company Logo,燃气透平的结构和工作原理,一、燃气透平的结构 燃气透平主要由静子和转子组成。 静子：气缸、静叶持环、静叶、轴承和气封等 转子：主轴、叶轮、动叶片、联轴器和盘车装置,Company Logo,燃气透平的结构和工作原理,PG9351FA型燃气轮机的透平结构特点： （1）3级轴流式，以短螺栓拉杆组装的整体转子。 （2）应用压气机的排气冷却。 （3）第1、2级动叶应用空气内冷，并采用真空等离子喷涂保护涂层。第3级动叶不冷却，但应用堆积涂层保护。 （4）第1级动

51、叶无围带，第2、3级动叶应用整体的乙形围带。 （5）3级静叶都应用空气内冷，第1、2级静叶设计成2叶片块结构，应用真空等离子喷涂合金保护涂层。第3级静叶设计成三叶片块结构，应用堆积涂层保护。 （6）轴承：两个可倾瓦支持轴承支承，轴向推力由双销轴推力瓦轴承自行平衡。 （7）排气：排气缸应用加长的轴向扩压器，减小了排气速度。降低了排气损失。,Company Logo,PG9351FA型透平的结构,Company Logo,PG9351FA型透平轮盘的连接级叶片的安装,Company Logo,PG9351FA型透平的转子,Company Logo,PG9351FA型三级喷嘴,气 缸,转 子,三级静

52、叶,三级动叶,Company Logo,PG9351FA型三级动叶,气 缸,转 子,三级静叶,三级动叶,Company Logo,PG9351FA型一级动叶照片,Company Logo,PG9351FA型一级动叶和一级喷嘴的冷却,Company Logo,PG9351FA型动叶冷却空气来源,Company Logo,PG9351FA型冷却和密封空气管道,Company Logo,GE公司9FA燃机透平和排烟框架的冷却和密封,Company Logo,燃气透平的结构和工作原理,SGT52000E(V94.2)型燃气轮机的透平结构特点： （1）透平四级轴流式。燃气轮机叶片由高温合金钢制造，动静叶

53、片的前三级涂有涂层防止热腐蚀。 （2）透平叶片动叶片是由型线、内围带和叶根组成。扭叶片。围带组成热气体通道的内边界并防止转子轮盘边缘受到过度热冲击。叶根是有两或三个锯齿的枞树形叶根。叶片插入转子轮盘的匹配槽中，并用键将其在轴向锁住。 （3）前两级动叶片采用空气冷却。第一级动叶为中空铸造叶片，内部有气孔以便冷却空气通过。冷却空气通过在叶根处的径向孔进入叶片内部，从尾翼的孔排出。第二级动叶片内部有若干扩展径向孔，冷却空气从叶根底部的孔进入叶片内部然后从叶顶气孔排出。 （4）第一级动叶片的冷却空气来自压气机末级下游。其他级的冷却空气来自压气机第12级下游。它们通过中空轴进入轮盘上的气孔最终进入各级叶

54、片。然后用来冷却第2级叶片和第2，3，4级内围带。叶根冷却空气释放到热气体通道内在轮毂上形成一层冷却气膜。该冷却空气循环可以确保在转子各处被气膜包围，包括透平段，以防止任何额外的热冲击包括负荷变化和快速启动时的转子扭曲危险。,Company Logo,燃气透平的结构和工作原理,（5）静叶包括外围带(外环)、叶型和内围带(内环)。外围带把叶片装入静叶持环并形成了热气体通道的外边界。内围带形成了内边界并装有内密封。 （6）静叶1-3级为中空型并空气冷却。第1、2级静叶带有改进的冷却气孔。冷却空气通过尾翼的气孔释放出来。 （7）透平第一部分（第1、2级）的冷却和密封空气自压气机流向燃烧室。通过静叶持

55、环和第1、2级静叶各自外围带形成的环形腔室进入静叶，同时冷却外围带。一部分第2级的叶片冷却空气还用来冷却内围带和密封。 （8）透平第二部分（第3、4级）冷却空气来自压气机第10级后环形腔室。它进入第3、4级静叶及其外围带组成的环形腔室，然后进入第3级静。 （9）热气体通过一个内缸进入透平第一级。来自压气机的压缩空气在该内缸周围流动进入燃烧室，燃烧室与中间缸通过法兰连接。除内缸外所有其他缸的部件均具有水平中分面，便于维修。 （10）受压外缸（压气机透平共用）由以下四部分组成： 带整体前轴承座的压气机进气缸 压气机静叶持环，作为外缸 中间缸，包括压气机静叶持环II、III和透平静叶持环 排气缸,C

56、ompany Logo,燃气透平的结构和工作原理,（11）与压气机进气缸为整体的前轴承座装有联合径向/推力轴承。排气缸由一个锥形外壳和内缸（含径向轴承）组成。 （12）转子将压气机段和透平段连接在一根轴上，并支撑在两端的轴承上。转子是由单个的轮盘和一根前、中、后空心轴组成。空心轴和轮盘用一个中心拉杆拉紧在一起。单个部件间用端面齿对中，可自由地径向膨胀和传递力矩。中心拉杆在某些部位通过嵌入轮盘内的环来拉紧。 （13）轴承：燃气轮机压气机和透平有同一主轴，在缸内由一个压气机进气端径向/推力联合轴承和一个透平出口端径向轴承定位，均为水平中分面式。 （14）盘车：液压马达与发电机的前端用法兰相连。它的

57、功能是在燃气轮机停机后转动燃气轮机转子，从而防止因不均匀冷却导致转子变形。为了形成轴承中带负荷的油楔，防止半液体摩擦，要求盘车有最小速度。液压马达用来自顶轴油泵的润滑油运行。,Company Logo,燃气透平的结构和工作原理,静子 （1）气缸 透平气缸是整台机组的承力骨架，承受机组的重量、燃气的内压力及其他作用力。 透平气缸包括气缸本体和排气缸。 气缸本体 通常为双层缸，（一般与压气机共用一个外缸）目的是将承力件和承热件分开。因为采用双层缸结构，可以在双层缸夹层通入冷却空气，即外缸工作温度低主要承力，内缸受力小，主要承热，承力件由于温度低，可选用较差的材料，承热件由于受力小可设计的较薄，因此

58、， 1.可以节省优质耐热钢材；2运行工况变化时，承热件热应力较小且抗热冲击能力较强， 3.有利于机组的快速启动。 透平排气缸 透平排气缸包括框架和排气扩压器两部分，由内外两层气缸组成，内缸为圆筒形，外缸为扩散形的圆筒面。两者间由径向支柱连接两层之间为乏气通道，支持轴承设置在排气缸内层气缸中，排气扩压器为拼焊结构，位于透平的最后端。,Company Logo,燃气透平的结构和工作原理,（2）静叶 透平静叶又称为喷嘴，其作用是使高温燃气在其中膨胀加速，即将燃气的热能转换为动能。 工作条件差，设计要求为：耐高温、耐热腐蚀；热应力小；耐热冲击；足够的刚度和强度。 首先考虑材料的性能耐高温、耐热冲击，耐热腐蚀；第二，考虑采用叶片冷却技术；第三，采用空心铸造叶片，有利于叶片冷却和叶片厚度减薄。第四，采用精铸透平静叶组，以提高叶片刚度。（如MS9001E透平采用静叶组，一级为两叶组18个扇段36片静叶，二级为三叶组16个扇段48片静叶，三级为四叶组16个扇段64片静叶） 另外，大机组采用焊接静叶环（分段内环且焊有气封片；半环或整环外环） （3）静叶及静叶环的安装 直接装配在气缸上 采用持环和护环的结构 将持环装在气缸上，静叶周向装入持环中，内缸简化为圆筒形,Company