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详细解析燃气轮机工作过程、分类、工作原理

2019-04-09 admin

  燃气轮机是一种利用燃气和空气作为动力的一种机器,在大型工业上应用得多。很多人都没听说过这个名词,更不知道燃气轮机是什么东西。下面就来为大家介绍一下燃气轮机的工作过程、分类、工作原理、特点以及关键技术。

     燃气轮机的简介
       燃气轮机(Gas Turbine)是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中,只有压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气透平(Turbine)这三大部件组成的燃气轮机循环,通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为它的结构最简单,而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、启动快、少用或不用冷却水等一系列优点。
       通常在燃气轮机中,压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的,它是透平的负载。在简单循环中,透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机,其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。在燃气轮机起动的时候,首先需要外界动力,一般是起动机带动压气机,直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时,外界起动机脱扣,燃气轮机才能自身独立工作。
      燃气轮机的工作过程
       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做功,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做功能力显著提高,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℃。

     燃气轮机的分类
      1、重型燃气轮机
       设计特点:零部件较为厚重,设计时不以减轻重量为主要目的,而是在应用不太好的材料情况下能够达到长期安全工作的目的。单位功率的质量为2——5千克/千瓦。
      2、轻型燃气轮机
       设计特点:用较好的材料制造,结构紧凑,质量轻,单位功率的质量小于2千克/千瓦。
       结构特点:
    (1)、采用轴向装配方式,即整个静子不是全部水平中分的,仅局部静子例如压气机缸分为两半以便拆装。

    (2)、转子一律采用滚动轴承支撑。
     3、微型燃气轮机
      设计特点:将燃气轮机与发电机设计成整体,体积小,质量很轻
      结构特点:
    (1)、采用径流式叶轮机械。

    (2)、一些机组还采用了空气轴承,不需要润滑油。
      4、大中型燃气轮机功率大于20MW的燃气轮机。
      5、小型燃气轮机功率范围在0.3MW——20MW。
      6、微型燃气轮机功率范围在30——300KW或更小的燃气轮机。

    燃气轮机的工作原理
     压气机从外部吸收空气,空气从燃气轮机进气口进入,通过压气机叶片将其压力升高,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燃烧受热后膨胀,进入透平区经过一级一级的叶片,推动动力叶片高速旋转,直至从出气口排出,成为废气,废气排入大气中或再加利用(如利用余热锅炉进行联合循环)。
     叶片转动后带动轴也转动,轴带动负荷的机械转动,实现热能和机械能的转换。通常,将压气机、燃烧室、透平称为燃气轮机的三大核心部件。

    燃气轮机的特点
     1、最大效率,最优效益。随着高温材料的不断进展,以及涡轮采用冷却叶片并不断提高冷却效果,透平前燃气的初温逐步提高,加之研制级数不断减少压缩比越来越高的压气机和各个部件效率的提高,使燃气轮机效率不断提高。
     2、体积较小,使用便捷。燃气轮机动力部件设计构造衍生于涡轮增压器和辅助动力装置,结构简单、紧凑。与传统设备相比,燃气轮机设备规模、体积比传统的锅炉、蒸汽轮机小,占地面积小,便于移动。
     3、减少燃煤,清洁环保。燃气轮机可以采用天然气、丙烷、油井气、煤层气、沼气、汽油、柴油、煤油、酒精等煤炭以外的燃料。而且燃气轮机通过在燃烧过程中控制NOx的生产,或在NOx 生成后排入余热锅炉时进行尾部烟气脱硝,达到超低的NOx排放效果,而且能够实现资源充分循环利用,真正达到零排放。
     4、噪声最小,安全可靠。燃气轮机运行时产生的低频份量很低。而且可以通过采用数字式遥控的联网离网变换装置,弥补其它设备在安全稳定性方面的不足。

   燃气轮机的关键技术
    1、压气机关键技术
   气动高负荷高效率设计技术;气动性能高稳定性设计技术;气动多级匹配设计技术;整机多级气动性能数值模拟与验证技术;转子结构与强度设计技术。
    2、燃烧室关键技术 
   燃烧场组织设计与测试技术;火焰筒壁结构设计技术;喷嘴设计与测试技术;高温零部件冷却、防护、强度设计技术;低排放燃烧设计与试验技术;宽范围稳定燃烧设计与试验技术;燃烧场数值模拟与验证技术。
    3、透平关键技术
   动叶、导叶、轮盘空气冷却设计与试验技术;叶片蒸汽冷却设计与试验技术;叶片和轮盘的温度场、应力场与强度寿命分析和试验技术;掺混冷却气流的涡轮级性能分析设计技术;冷却叶片多物理场数值模拟与验证 技术;转子结构与强度设计技术。
    4、燃气轮机重要系统关键技术
   冷却空气系统设计、性能分析和调试技术;控制系统先进调节部件、控制器和控制规律;起动系统技术;轴承和滑油系统技术。
    5、燃气轮机材料技术方面
   主要包括:强抗热腐蚀定向和单晶高温合金的研制;高温合金材料体系的完善;高温材料5000——10000小时近使役条件下性能测试;大尺寸铸件近使役条件下力学性能研究;大尺寸铸件抗氧化、抗热腐蚀性能研究;拉杆用CrMoV 高强钢。
    6、燃气轮机工艺技术
   主要包括:复杂结构陶瓷型芯制造技术;高强抗热冲击陶瓷模壳制造技术;大尺寸定向结晶、单晶叶片定向凝固技术;高温透平叶片加工、焊接、热处理、检测等工艺;叶片涂层技术;燃气轮机叶片的工程化研究;燃气轮机叶片制造规范和验收标准;大型涡轮盘的制造技术;高强钢拉杆制造工艺;燃烧器制造技术。

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