第六节 燃气轮机

一、燃气轮机基本原理

燃气轮机是利用燃气（油）燃烧产生的高温烟气为介质的涡轮机械，是将燃气高温烟气的热能转换成机械能的透平装置。

燃气轮机工作原理是：将空气压缩后送入燃烧室，与同时喷入的可燃气体（或液体）燃料进行燃烧，生成的高温烟气在透平中膨胀做功，推动叶轮旋转，把其部分热能转换为机械能，乏气排入大气或再加利用。

燃气轮机基本原理见图3-24。

二、燃气轮机分类、应用

（一）按工质的热力循环来分

1.开式循环 工质取自大气，大都为等压内燃式，但也有某些特殊的开口式循环，采用等压外燃式加热。工质做功后排出至大气放热。

2.闭式循环 因工质封闭并循环于机内，故可采用非空气工质，如氦气，大都为等压外燃式，也能利用原子能。工质做功后由热交换器排热。工质空气大部分在封闭系统循环，小部分燃烧成燃气排放外界并同时从外界补充新空气的半闭式循环也属于这类。

3.工业过程式循环 工质同其他工业设备有联系的燃气轮机循环，是综合利用能量或强化工艺过程的联合循环。

（二）按结构分类

1.固定式燃气轮机 一般是指2000kW以上不能整体移动而固定的大、中功率燃气轮机装置。它们可以是重载荷型燃气轮机，也可以是航机改型燃气轮机。固定式航机改型燃气轮机的应用已日益广泛，市场在不断扩大。

2.运输式燃气轮机 包括大中小型海陆空运输工具的燃气轮机发动机，以及箱装式、移动式和便携式燃气轮机。它们大都是航机改型或轻结构工业型燃气轮机。

（三）按燃气轮机的用途分类

1.发电基本负荷、中间负荷和尖峰负荷，移动电站（列车电站、货车电站或船舶电站）燃气轮机。

2.机械动力供应泵、压气机、鼓风机、风机或其他机械轴功率的燃气轮机。

3.总能利用一台燃气轮机可以同时提供或利用不同能量，如除发电和提供机械动力外：

（1）附带供热。燃气轮机的排气作为热能来供热水、蒸汽或废气供热。

（2）供给压力气体。抽气供应压力空气或排气供应压力燃气，或作为煤矿灭火用的惰性气体发生器。

（3）参与工业过程。燃气轮机可综合利用工业中的废热、可燃产物或压力气体来做功或供应压力气体。

4.航空用 涡轮喷气式、涡轮螺桨式，涡轮风扇式、涡轮桨扇式、涡轮轴式、供气或供热式机上或机场辅机。

5.舰船用 舰艇巡航机、加力机、水翼艇、远洋船、油船。

6.机车用 客货机车，调度机车、高速动车。

7.坦克、汽车用 坦克、装甲车、无轨列车、大型客货年、载重车、越野车、专甩车和小客车。

不论是运输式还是固定式燃气轮机都需采用轻型的结构设计，才能符合燃气轮机本身的发展要求。然而，不同的用途对各类动力装置的要求各不相同，例如对功率、结构、质量、尺寸、热效率及部分负荷性能、投资、燃料品质、用水量、寿命、控制方式、转速、转矩、起动时间以及维护检修方式等，各有不同的要求。

现在许多燃气轮机工厂都已从单机生产过渡到成批生产，并建立起产品系列来尽量降低制造成本。因此在设计标准形式的产品时，就要考虑到更换少量部件就能适应多种性质不同的用途。例如单轴机组可以改成分轴机组，简单循环也可加装回热器，燃油的燃烧室可以燃用多种燃料等。

三、燃气轮机主要结构

典型的燃气轮机结构见图3-25。

（一）构成

燃气轮机一般由压气机、燃烧室、涡轮、控制系统及基本辅助设备组成。压气机、燃烧室、涡轮可称为燃气轮机装置的三个主要部件。

（二）压气机

是组成燃气轮机装置的三个主要部件之一。它的作用是实现燃气轮机装置热力循环中的空气压缩过程。它有轴流式和离心式两种形式。轴流式压气机的特点是：空气流量大，单级压比低，所以通常由多级组成。离心式压气机特点是：空气流量小，单级压比高，效率也较低，但由于其单级压比高，可根据需要的空气压缩动力，既可做成单级，也可做成多级。

在大功率燃气轮机装置中，由于空气流量大，普遍采用轴流式压气机。而在小功率燃气轮装置中则常用离心式压气机。

（三）燃烧室

也是三个主部件之一。燃烧室位于压气机和涡轮之间，其作用是：将经压气机增压后的空气与燃料进行混合和有效燃烧，将燃烧的化学能以热能方式释放出来，从而使燃烧室出口气体（即燃气）温度大大升高。以提高燃气在涡轮中膨胀做功能力。

1.燃烧室构成 通常由喷嘴、火焰管、扩压器、头部进气装置、起动点火器组成。

2.燃烧室的基本要求 燃烧安全、起动点火性能好、燃烧稳定、压力损失小、出口温度场符合要求。尺寸紧凑，排气污染小，寿命长。

3.燃烧室类型 可分为圆筒型燃烧室、分管型燃烧室、环型燃烧室、环管型燃烧室等。

（1）圆筒型燃烧室。由于采用了圆筒形外壳和火焰管而得名，其优点是：结构简单，便于维修，使用寿命长；缺点是：空间利用率差，比容积热强度较低，调试所需风源较大，不适合于要求结构紧凑的机组。该型燃烧器广泛应用于小功率燃气轮机及部分中等功率燃气轮机，大功率燃气轮机采用较少。

（2）分管型燃烧室。其特点是在一台燃气轮机中设置若干个分开的小燃烧室，数目通常为8～12个，各燃烧室围绕燃气轮机轴线均匀布置。每一燃烧室都有单独的外壳、火焰管以及喷油嘴自成体系。但点火器仅安装在个别燃烧室（通常为2个）。燃气轮机起动时先将带有点火器的燃烧室点燃，然后依靠燃烧室之间的联焰管点燃其他燃烧室。该型燃烧室优点是：由于是在一个尺寸较小的管型燃烧室内进行燃烧，故较易组织良好的燃烧过程，且调试所耗人力、物力都较少。另外，比较容易从燃气轮机上拆卸，故检修方便。缺点是燃烧室构造较复杂，空间利用率不高，质量较大，需冷却保护的火焰管表面相对较多，起动时火焰管间传焰性能差。出口温度沿周向不均匀性较大。燃烧室与直流布置的压气机和涡轮流路不适应，故需采用线性复杂的管道过渡，且压力损失较大。目前已较少采用这种燃烧室。

（3）环型燃烧室。特点：在由燃烧室内、外壳体所形成的环型腔内安装一个由火焰管内、外环所构成的火焰管，在环型火焰管头部沿周向均匀布置若干旋流器（通常为12～20个），由于燃烧过程在整个火焰管环型空间内进行，空间利用比较充分，因此燃烧室尺寸很紧凑，需要冷却保护的火焰管面积也较少，故能较好地满足近代燃气轮机燃烧室要求的温升大、比容积热强度高的特点。环型燃烧室能与直流布置的轴流式压气机和涡轮获得最佳的流路配合。管道型线和结构都较为简单，压力损失也小。由于不再需要联焰管传焰，因此不存在起动点火时的传焰问题。它的主要缺点是：调试消耗空气量大，油气匹配难度大，组织燃烧较难；由于对进口流场比较敏感，故不易获得稳定的出口温度场；环型火焰管由于刚性差，高温下易发生变形；另外从检修角度看，这种燃烧室拆卸比较困难。该型燃烧器广泛应用于航改燃气轮机，在工业燃气轮机中也有扩大应用趋势。

（4）环管型燃烧室。这种燃烧室壳体与环型燃烧室相同，但在由内、外壳体所形成的环型腔内，沿周向均匀布置若干管型火焰管（通常8～12个），各火焰管之间为了点火传焰也以联焰管相通。其优缺点介于分管型燃烧室和环型燃烧室之间。

（四）燃气涡轮（透平）

1.“级”——燃气涡轮的基本单元 在涡轮装置里，一列静叶和一列动叶组成一个最基本单元，称为“级”。静叶是一个静止的喷嘴环，动叶是旋转的叶片。

只有一级的涡轮称为单级涡轮。由多个级构成的涡轮称为多级涡轮。

2.透平（燃气涡轮） 由单级或多级“级”组成的，把燃气的热能和压力能转变为机械功的装置，称为“涡轮”或“透平”或“气轮机”。

3.多级轴流式透平的结构 多级轴流式透平主要由气缸、转子、排气室、轴承和支承结构组成。

气缸：采用双层气缸。外层工作温度低，主要承力；内层工作温度高，主要承热。所以外缸可以用较差的材料，如球墨铸铁。转子：由轴和喷嘴、动叶、复环构成。排气室：由排气框架和排气扩压器组成。轴承：由径向轴承和推力轴承组成。

四、燃气轮机与蒸汽轮机基本比较

由于燃气轮机不用水蒸气作工质，故可免去锅炉、冷凝器、给水处理等大型设备，因此燃气轮机装置比汽轮机装置轻且小得多，站址受水源影响较小。

从工质的热力性质上分析，燃气轮机和汽轮机也有重大的差别。目前超超临界参数汽轮机采用的最高蒸汽温度为620℃，相应的最高压力为29MPa，效率可达50%，功率可达1000MW。如果要把蒸汽参数提高到700℃，则压力也要相应地提高。显然，如此之高参数所引起的技术及材料强度问题使得进一步提高汽轮机的经济性目前还难以实现。由于压力高，汽轮机装置必须厚实笨重。

而一般来说，目前燃气轮机的效率已达到40%，同超高压汽轮机机组的效率相当。电站采用燃气-蒸汽联合循环可使效率达到55%以上，却要比纯蒸汽电站轻小得多。就功率而言，目前开式燃气轮机、燃气-蒸汽联合循环发电装置单套可达500～600MW。综合而言，燃气轮机装置同蒸汽轮机装置相比较，具有下列特点。

（1）装置轻小，机重和所占容积往往只有蒸汽轮机装置的几分之一。消耗材料少，也更宜作移动式动力装置，且因厂房基建节约资金，投资成本往往比蒸汽轮机装置少，工期短，有时当年就能从设计到投入运行。

（2）燃料适应性强、污染少，可以燃用多种燃料，如重油，煤气等。同一台机组往往能燃用不同的液体和气体燃料。排气比较洁净，仅NOx一项需要采取措施。总之，对空气污染较少。噪声也可控制在规定的范围之内。

（3）节省厂用水、电、润滑油，不用水作工质，冷却水用量很少，可在缺水地区运转。厂用电极少，宜作无电源起动。润滑油很省。厂用电和润滑油只占燃料费的1%，而蒸汽轮机则要占6%。

（4）起动快、自动化程度高，从冷态起动到满负荷只需几分钟到几十分钟。蒸汽轮机装置起动到满负荷则往往需要数小时。燃气轮机在严寒下也容易起动，并且自动化程度高，便于遥控，现场可不需要运行人员。

（5）维修快、运行可靠、设备简单，磨损件少，系列化，标准化、通用化程度高。能设计成部套单元体快装结构。有的运行可靠性可达99.5%，可用性也可达95%。维修费用只有蒸汽轮机装置的80%左右。

五、燃气轮机热力循环

在燃气轮机各部件中，进行着不可逆的压缩过程、燃烧过程、换热过程和膨胀过程。

1.压缩过程 由于在透平机械中，气体与外界的热交换极微可以忽略不计，故压缩过程为不可逆的绝热过程。

图3-26为燃气轮机压缩过程T-S图。

1-2：过程为压缩过程；1-2a：过程为理想的压缩过程；P1，T1：初始点总压、总温；P2，T2：终了参数。

压缩过程的终了压力P2与初始压力P1之比称为压比πc。

2.燃烧过程 燃烧过程是将燃料中的碳和氢与空气中的氧相互反应生成CO2和水蒸气，同时释放出反应热使燃烧产物的焓值上升。

燃烧过程中加入到工质中的热量可用式（3-14）计算：

Q=CPg（Ta-T2）/η6 （3-14）

式中 CP——燃烧产物在压缩过程中终了温度和膨胀过程起始温度之间的平均等压比热容；

η6——燃烧效率；

Ta——膨胀过程的起始温度。

3.膨胀过程 图3-27为燃气轮机膨胀过程T-S图。3-4表示了实际膨胀过程；3-4a表示了理想膨胀过程，从起始的T3、P3膨胀到终了状态T4、P4是一个不可逆的绝热过程（忽略极少的热交换）。膨胀过程的初始压力与终了压力之比叫膨胀比。

πT=P3/P4 （3-15）

六、燃气-蒸汽联合循环

（一）联合循环基本原理

由燃气轮机与烟气余热锅炉、蒸汽轮机共同构成的热力循环称为燃气-蒸汽联合循环，即燃气轮机做功后，其高温排烟进入余热锅炉将水加热成蒸汽，再将蒸汽引入蒸汽轮机做功。

很显然，在燃气-蒸汽联合循环中，燃气轮机高温排烟的余热得到了进一步利用，其整体热效率要远高于单独的燃气轮机热力循环。所以目前在电力行业，以燃气为燃料进行发电时，几乎都采用燃气-蒸汽联合循环方式。

（二）燃气-蒸汽联合循环系统的汽轮机

燃气-蒸汽联合循环系统的汽轮机和常规火电厂所用汽轮机原理上是完全相同的，但有其自身的一些特点。

1.回热系统 燃气-蒸汽联合循环系统的汽轮机一般不设回热系统。原因如下：

为尽可能利用燃气轮机排气余热，就要尽可能使余热锅炉排烟温度降低（一般为90℃左右）。基于这一原则，通常系统中给水加热和除氧的任务已由余热锅炉完成，不需要汽轮机提供给水加热和除氧用汽。

为满足燃气-蒸汽联合循环发电机组快速起停的要求，汽轮机缸体应尽量对称，不设回热抽气口有助于实现这一目标。

不设回热抽气口有利于实现整个燃气-蒸汽联合循环发电机组的低位布置。

2.通常采用补汽式汽轮机 常规火电厂所用汽轮机一般不采用补汽式，而燃气-蒸汽联合循环系统的汽轮机则较常采用补汽式。

3.主蒸汽参数较低 与同等容量的常规汽轮机相比，其主蒸汽参数较低。

4.一般采用节流调节，不设调节级。