燃氣渦輪發動機

燃氣渦輪發動機

動力機械裝置
燃氣渦輪發動機(Gas turbine engine或Combustion turbine engine)或稱燃氣輪機,是屬于熱機的一種發動機。燃氣輪機可以是一個廣泛的稱呼,基本原理大同小異,包括渦輪噴射引擎等等都包含在内。而一般所指的燃氣渦輪引擎,通常是指用于船舶(以軍用作戰艦艇為主)、車輛(通常是體積龐大可以容納得下燃氣渦輪機的車種,例如坦克、工程車輛等)、發電機組等的。與推進用的渦輪發動機不同之處,在于其渦輪機除了要帶動壓縮機外,還會另外帶動傳動軸,傳動軸再連上車輛的傳動系統、船舶的螺旋槳或發電機等。
    中文名:燃氣渦輪發動機 外文名: 别名:燃氣輪機 英文名:Gas turbine engine 屬性:熱機的一種發動機 主要組成:進氣道 壓氣機 燃燒室 渦輪 噴管 主要應用:噴射引擎、輔助動力單元

簡介

燃氣輪機是利用燃料在燃燒室内燃燒産生的高溫燃氣進入燃氣輪機推進葉輪運轉作功。它主要由三部分組成:壓縮機、燃燒室、燃氣輪機。在所有船舶動力裝置中,燃氣輪機具有單位千瓦重量最輕、體積最小、啟動迅速、振動的磨損小、使用可靠、維護方便等優點;但它又有耗油率高,經濟性較差、壓縮機容易産生失速和振動、需龐大的進排氣管、布置困難等缺點,而且它不能直接倒車,需要另設倒車設備,使裝置複雜化,它作為單一機組發展較慢,它卻适宜在采用聯合動力裝置的軍用艦艇中擔任加速裝置的任務。nn 燃氣輪機重量輕、尺寸小、啟動快、加速性好,運行維護簡便。因而在艦船上得到了廣泛的應用。其缺點是,為适應艦船工作環境條件,進氣必須進行鹽霧濾清;進排氣管道尺寸很大,熱效率也低于柴油機動力裝置。在艦艇上使用的燃氣輪機多為航空改型燃氣輪機。為了提高效率,特别是改善部分負荷的效率,采用了回收排氣餘熱,增加中間冷卻等措施,因而構成各種複雜循環燃氣輪機裝置。nn 燃氣輪機動力裝置在20世紀50年代開始用于船舶。目前主要用于軍用艦艇。燃氣輪機同柴油機和汽輪機比較,單機功率大、體積小、重量輕、加速性能好,能随時起動并很快發出最大功率。燃氣輪機在高溫、高壓下工作,對燃油質量要求很高,熱效率也比柴油機低得多,因此在民用運輸船舶上應用不多。僅在某些氣墊船上用于驅動空氣螺旋槳。

工作原理

燃氣輪機的工作過程是,即壓縮機連續地從大氣中吸入空氣并将其壓縮;壓縮後的空氣進入燃燒室,與噴入的燃料混合後燃燒,成為高溫燃氣,随即流入燃氣渦輪中膨脹作功,推動渦輪葉輪帶着壓氣機葉輪一起旋轉;加熱後的高溫燃氣的作功能力顯著提高,因而燃氣渦輪在帶動壓氣機的同時,尚有餘功作為燃氣輪機的輸出機械功。而由渦輪輸出的機械能中,一部份會用來驅動壓縮機,另一部份則經由傳動軸輸出,用以驅動我們希望驅動的機構如發電機、傳動系統等。燃氣輪機由靜止起動時,需用起動機帶着旋轉,待加速到能獨立運行後,起動機才脫開。

燃氣輪機的工作過程是最簡單的,稱為簡單循環;此外,還有回熱循環和複雜循環。燃氣輪機的工質來自大氣,最後又排至大氣,是開式循環;此外,還有工質被封閉循環使用的閉式循環。燃氣輪機與其他熱機相結合的稱為複合循環裝置。

燃氣初溫和壓氣機的壓縮比,是影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。提高燃氣初溫,并相應提高壓縮比,可使燃氣輪機效率顯著提高。

國内狀态

燃氣輪機是一種先進而複雜的成套動力機械裝備,是典型的高新技術密集型産品。作為高科技的載體,燃氣輪機代表了多理論學科和多工程領域發展的綜合水平,是21世紀的先導技術。發展集新技術、新材料、新工藝于一身的燃氣輪機産業,是國家高技術水平和科技實力的重要标志之一,具有十分突出的戰略地位。

由于多方面的原因,我國燃氣輪機同國際先進水平相比仍存在很大差距,尚未形成真正的産業。諸多領域動力落後的狀态,已成為制約國民經濟發展的“瓶頸”,其技術僅被世界上少數幾個發達國家所控制,目前,先進的燃氣輪機在西方國家仍然限制對華出口。

《中國燃氣輪機行業發展前景與投資預測分析報告前瞻》顯示,燃氣輪機屬于重大核心裝備,如果長期依賴進口,在關鍵技術上受制于人,不利于我國燃氣輪機動力産業及相關産業的健康、快速發展。從市場容量看,我國新世紀四大工程中“西氣東輸”、“西電東送”、“南水北調”等三大工程均需要大量30兆瓦級工業型燃氣輪機,同時我國艦船制造業的健康快速發展需要大量30兆瓦級艦船燃氣輪機,我國已成為世界最大的燃氣輪機潛在市場。

面對經濟全球化、國際燃氣輪機市場激烈競争和國外高度壟斷的新形勢,國家對我國民族燃機産業的發展非常重視,國家發改委和科技部已經将我國燃氣輪機市場發展的思路和對策納入“十二五”及長期發展規劃中,重型燃氣輪機是國家優先發展的10項重大技術裝備之一。是國家裝備制造業重點發展的領域,特别是燃氣-蒸汽聯合循環機組和整體煤氣化燃氣-蒸汽聯合循環機組。前瞻網預計随着中國能源需求迅猛增長以及天然氣資源進入大規模開發利用階段,燃氣輪機正在形成一個“爆發性增長”的市場。到2020年,全國燃氣輪機聯合循環裝機容量将達到5500萬千瓦,是2000年之前50年已建成同類裝機容量的25倍。保守估計,僅中石油一家,每年需要的燃氣輪機價值就達到了30億元。到2015年,國内燃氣輪機的市場容量能達到300億元,而國際市場容量則能達到2700億元。

主要構造

燃氣渦輪機主要由壓縮機(compressor)、燃燒室(combustion chamber)、渦輪(turbine)等部份構成。除了主要部件外還必須有完善的調節保安系統,此外還需要配備良好的附屬系統和設備,包括:起動裝置、燃料系統、潤滑系統、空氣濾清器、進氣和排氣消聲器等。

壓縮機

壓縮機的功用是對氣流做功,以提高氣流的壓力。一般燃氣輪機的壓縮機通常有軸流式和離心式兩種。

1、軸流式壓縮機

有許多的葉片,形狀類似螺旋槳葉片,但是分為“靜子”(stator)與“轉子”(rotor)兩種:

(1)、轉子就像螺旋槳一般地旋轉,在旋轉的過程中将氣流向後推,這時氣流的壓力就會提高,溫度也會升高。

(2)、靜子的功用是将因為轉子的作用而産生旋轉的氣流導引回軸向,以正确的角度進入下一組轉子。

通常是一組轉子和一組靜子交互配置,而一組轉子和靜子就稱為一級。

2、離心式壓縮機

是利用葉輪旋轉時産生的離心力将氣流向外推,而産生加壓的效果。一級的離心式壓縮機就能有數級軸流式壓縮機的壓縮比,對于較小型的燃氣輪機來就是不錯的選擇,但是由于氣流是向外輻射,必須以大幅彎曲的通道折回内部,故能量的耗損也較大。

燃燒室

燃燒室不僅工作溫度高,而且還承受燃氣輪機在起動和停機時,因溫度劇烈變化引起的熱沖擊,工作條件惡劣,故它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為确保有足夠的壽命,這個部件中工作條件最差的零件如火焰筒和葉片等,須用鎳基和钴基合金等高溫材料制造,同時還須用空氣冷卻來降低工作溫度。

渦輪

燃氣輪機通常使用軸流式渦輪,構造上與軸流式壓縮機相似,同樣是一組定子與一組轉子合稱為一級。渦輪葉片與螺旋槳及飛機機翼相似,氣流流過時産生作用力,對轉子葉片作功而使其轉動,而能将氣流的能量轉換成機械能輸出,因此氣流在通過渦輪後,溫度與壓力都會下降。

與壓縮機不同的是,渦輪的目的是将氣流的能量轉換為機械能,因此葉片的形狀與壓縮機會稍有不同,重視的是氣流通過時能産生的作用力,與飛機機翼希望升力大而阻力小的要求類似。

渦輪葉片直接受到高溫高壓氣流的沖擊,為了提高燃燒溫度以提升燃氣輪機的效率,渦輪葉片必須使用耐高溫、在高溫下仍保有高強度及壽命的耐熱材料制成。

葉片結構上也常使用一些特殊設計,例如常見的作法是将葉片設計為中空,然後将冷空氣或冷卻液導入内部,在葉片内部流動時可以産生冷卻效果,還有在表面設計許多小孔噴出冷空氣,随着空氣流動而覆蓋整個葉片,阻隔以避免高溫空氣直接沖擊葉片,以達到保護的效果。

概述

1791年,英國人巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程;1872年,德國人施托爾策設計了一台燃氣輪機,并于1900~1904年進行了試驗,但因始終未能脫開起動機獨立運行而失敗;1905年,法國人勒梅爾和阿芒戈制成第一台能輸出功的燃氣輪機,但效率太低,因而未獲得實用。

1920年,德國人霍爾茨瓦特制成第一台實用的燃氣輪機,其效率為13%、功率為370千瓦,按等容加熱循環工作,但因等容加熱循環以斷續爆燃的方式加熱,存在許多重大缺點而被人們放棄。

随着空氣動力學的發展,人們掌握了壓氣機葉片中氣體擴壓流動的特點,解決了設計高效率軸流式壓氣機的問題,因而在30年代中期出現了效率達85%的軸流式壓氣機。與此同時,渦輪效率也有了提高。在高溫材料方面,出現了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼,因而能采用較高的燃氣初溫,于是等壓加熱循環的燃氣輪機終于得到成功的應用。

1939年,在瑞士制成了四兆瓦發電用燃氣輪機,效率達18%。同年,在德國制造的噴氣式飛機試飛成功,從此燃氣輪機進入了實用階段,并開始迅速發展。

随着高溫材料的不斷進展,以及渦輪采用冷卻葉片并不斷提高冷卻效果,燃氣初溫逐步提高,使燃氣輪機效率不斷提高。單機功率也不斷增大,在70年代中期出現了數種100兆瓦級的燃氣輪機,最高能達到130兆瓦。

與此同時,燃氣輪機的應用領域不斷擴大。1941年瑞士制造的第一輛燃氣輪機機車通過了試驗;1947年,英國制造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水,它以1.86兆瓦的燃氣輪機作加力動力;1950年,英國制成第一輛燃氣輪機汽車。此後,燃氣輪機在更多的部門中獲得應用。

在燃氣輪機獲得廣泛應用的同時,還出現了燃氣輪機與其他熱機相結合的複合裝置。最早出現的是與活塞式内燃機相結合的裝置;50~60年代,出現了以自由活塞發氣機與燃氣輪機組成的自由活塞燃氣輪機裝置,但由于笨重和系統較複雜,到70年代就停止了生産。此外,還發展了柴油機燃氣輪機複合裝置;另有一類利用燃氣輪機排氣熱量供熱(或蒸汽)的全能量系統,可有效地節約能源,已用于多種工業生産中。

曆史

中國在公元十二世紀的南宋高宗年間就已有走馬燈的記載,它是渦輪機(透平)的雛形。

15世紀末,意大利人列奧納多·達芬奇設計出煙氣轉動裝置,其原理與走馬燈相同。至17世紀中葉,透平原理在歐洲得到了較多應用。

1791年,英國人巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程。

1872年,德國人施托爾策設計了一台燃氣輪機,并于1900~1904年進行了試驗,但因始終未能脫開起動機獨立運行而失敗。

1905年,法國人勒梅爾和阿芒戈制成第一台能輸出功的燃氣輪機,但效率太低,因而未獲得實用。 

1920年,德國人霍爾茨瓦特制成第一台實用的燃氣輪機,其效率為13%、功率為370千瓦,按等容加熱循環工作,但因等容加熱循環以斷續爆燃的方式加熱,存在許多重大缺點而被人們放棄。 

随着空氣動力學的發展,人們掌握了壓縮機機葉片中氣體擴壓流動的特點,解決了設計高效率軸流式壓縮機的問題,因而在20世紀30年代中期出現了效率達85%的軸流式壓縮機。與此同時,渦輪效率也有了提高。在高溫材料方面,出現了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼,因而能采用較高的燃氣初溫,于是等壓加熱循環的燃氣輪機終于得到成功的應用。 

1939年,在瑞士制成了四兆瓦發電用燃氣輪機,效率達18%。同年,在德國制造的噴氣式飛機試飛成功,從此燃氣輪機進入了實用階段,并開始迅速發展。 

随着高溫材料的不斷進展,以及渦輪采用冷卻葉片并不斷提高冷卻效果,燃氣初溫逐步提高,使燃氣輪機效率不斷提高。單機功率也不斷增大,在70年代中期出現了數種100兆瓦級的燃氣輪機,最高能達到130兆瓦。 

1941年瑞士制造的第一輛燃氣輪機機車通過了試驗;1947年,英國制造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水,它以1.86兆瓦的燃氣輪機作加力動力;1950年,英國制成第一輛燃氣輪機汽車。此後,燃氣輪機在更多的部門中獲得應用。 

在燃氣輪機獲得廣泛應用的同時,還出現了燃氣輪機與其他熱機相結合的複合裝置。最早出現的是與活塞式内燃機相結合的裝置;20世紀50~60年代,出現了以自由活塞發氣機與燃氣輪機組成的自由活塞燃氣輪機裝置,但由于笨重和系統較複雜,到70年代就停止了生産。此外,還發展了柴油機燃氣輪機複合裝置;另有一類利用燃氣輪機排氣熱量供熱(或蒸汽)的全能量系統,可有效地節約能源,已用于多種工業生産中。

2012年9月12日,上海市科委重大專項課題“高溫合金葉片制造技術研究”通過專家驗收,标志着中國掌握燃氣輪機核心部件制造技術。

類别

燃氣輪機有重型和輕型兩類。

重型

零件較為厚重,大修周期長,壽命可達10萬小時以上。

輕型

結構緊湊而輕,所用材料一般較好,其中以航機的結構為最緊湊、最輕,但壽命較短。 

應用範圍

不同的應用部門,對燃氣輪機的要求和使用狀況也不相同。功率在10兆瓦以上的燃氣輪機多數用于發電,而30~40兆瓦以上的幾乎全部用于發電。 

發電

燃氣輪機發電機組能在無外界電源的情況下迅速起動,機動性好,在電網中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用,能較好地保障電網的安全運行,所以應用廣泛。

在汽車(或拖車)電站和列車電站等移動電站中,燃氣輪機因其輕小,應用也很廣泛。此外,還有不少利用燃氣輪機的便攜電源,功率最小的在10千瓦以下。 

簡單發電

由燃氣輪機和發電機獨立組成的循環系統,也稱為開式循環。其優點是裝機快、起停靈活,多用于電網調峰和交通、工業動力系統。目前的最高效率的開式循環系統是GE公司LM6000PC 輕型燃氣輪機,效率為43%。

發電

由燃氣輪機及發電機與餘熱鍋爐共同組成的循環系統,它将燃氣輪機排出的功後高溫乏煙氣通過餘熱鍋爐回收,轉換為蒸汽或熱水加以利用。主要用于熱電聯産,也有将餘熱鍋爐的蒸汽回注入燃氣輪機提高燃氣輪機出力和效率。最高效率的前置回注循環系統是GE公司LM5000-STIG120 輕型燃氣輪機,效率為43.3%。前置循環熱電聯産時的總效率一般均超過80%。為提高供熱的靈活性,大多前置循環熱電聯産機組采用餘熱鍋爐補燃技術,補燃時的總效率超過90%。

熱電聯産

燃氣輪機及發電機與餘熱鍋爐、蒸汽輪機或供熱式蒸汽輪機(抽汽式或背壓式)共同組成的循環系統,它将燃氣輪機排出的功後高溫乏煙氣通過餘熱鍋爐回收轉換為蒸汽,再将蒸汽注入蒸汽輪機發電,或将部分發電作功後的乏汽用于供熱。形式有燃氣輪機、蒸汽輪機同軸推動一台發電機的單軸聯合循環,也有燃氣輪機、蒸汽輪機各自推動各自發電機的多軸聯合循環。主要用于發電和熱電聯産,發電時的最高效率的聯合循環系統是ABB公司GT26-1,效率為58.5%。

整體化循環

由煤氣發生爐、燃氣輪機、餘熱鍋爐和蒸汽輪機共同組成的循環系統,也稱為IGCC。主要解決使用低廉的固體化石燃料代替燃氣輪機使用氣體、液體燃料,提高煤炭利用效率,降低污染物排放。可作為城市煤氣、電力、集中供熱和集中制冷、以及建材、化工原料綜合供應系統。GE公司使用MS7001F技術組成的整體循環系統發電效率可達到42%。

聯合循環

由燃氣輪機、餘熱鍋爐和核反應堆、蒸汽輪機共同組成的發電循環系統。通過燃氣輪機排出的煙氣再熱核反應堆輸出的蒸汽,主要為提高核反應堆蒸汽的溫度、壓力,提高蒸汽輪機效率,降低蒸汽輪機部分的工程造價。目前處于嘗試階段。

輔助循環

在以煤、油等為燃料的後置循環發電汽輪機組中,使用小型燃氣輪機作為電站輔助循環系統,為鍋爐預熱、鼓風,改善燃燒,提高效率,并将動力直接用于驅動給水泵。1947年美國第一台工業用途燃氣輪機就是采用該種方式參與發電循環系統運行的。

燃氣煙氣

由燃氣輪機和煙氣輪機組成的循環系統,利用燃氣輪機排放煙氣中的剩餘壓力和熱焓進一步推動煙氣輪機發電。該系統與燃氣蒸汽聯合循環系統比較可完全不用水,但煙氣輪機造價較高,還未能廣泛使用。

燃氣熱泵

由燃氣輪機和煙氣熱泵,燃氣輪機、煙氣輪機和煙氣熱泵,或燃氣輪機、餘熱鍋爐、蒸汽熱泵,以及燃氣輪機、餘熱鍋爐、蒸汽輪機和蒸汽(煙氣)熱泵組成的能源利用系統。該系統在燃氣輪機、煙氣輪機、餘熱鍋爐、蒸汽輪機等設備完成能量利用循環後,進一步利用熱泵對煙氣、蒸汽、熱水和冷卻水中的餘熱進行深度回收利用,或将動力直接推動熱泵。這一工藝可用作熱電聯産、熱電冷聯産、熱冷聯産、電冷聯産、直接供熱或直接制冷使用,該系統熱效率極高,如果用于直接供熱,熱效率可達150%,是未來能源利用的主要趨勢之一。

燃料電池

美國能源部宣布開發出了世界第一個将燃料電池和燃氣渦輪機結合在一起的發電設備,這種設備能更有效地産生電力并大大減少環境污染。據了解,這一設備的燃料電池由1152個陶瓷管構成,每個陶瓷管就像一塊電池。電池以天然氣為燃料,能放出高溫高壓的廢氣流,燃氣渦輪機則用燃料電池産生的熱廢氣流制第二輪電力。由于燃料電池中沒有燃燒過程,隻是通過化學分解天然氣燃料來産生電力,因此可以大幅度減少污染。設備不會産生二氧化硫,其反應産物中的氮氧化物含量不及天然氣發電設備的2%,二氧化碳排放量則減少了15%。而且,隻要有天然氣和空氣存在,燃料電池就能工作。新型發電設備的發電功率為220千瓦,能為200戶人家提供電力。其發電效率達到55%,這意味着來自天然氣燃料的能量中有55%轉化成了電能,遠遠高于燃煤發電設備的35%發電效率,也高于燃氣渦輪機50%的發電效率。

艦船

艦船燃氣輪機動力裝置是指以燃氣輪機為主機的全燃化動力裝置。它自五十年代末期起,尤其是六十年代中期以來,已得到了極其廣泛的應用。功率總數日益增長,裝艦使用範圍日益擴大,已由快艇發展到了護衛艦、導彈驅逐艦、巡洋艦和直升機航空母艦等。

動力優勢

在軍艦動力方案選擇上,燃氣輪機的主要競争對手是艦用柴油機和艦用蒸汽輪機,但是由于燃氣輪機先天優勢與軍艦動力系統性能要求更為吻合,燃氣輪機成為了各國軍艦動力系統發展的唯一選擇。老牌海軍強國如美國海軍、英國海軍、日本海上自衛隊的主力水面作戰艦隻早已完成動力燃氣輪機化。

燃氣輪機第一個優勢是功率密度極大。一般情況下,同等功率的燃機體積是柴油機的三分之一到五分之一,是蒸汽輪機的五分之一到十分之一左右。這是由于燃氣輪機本身精巧的連續轉動熱力學循環結構造成的,體積小、功率大,非常适合軍艦分艙小、航速要求高的特點。

燃氣輪機的第二個優勢是啟動速度快。雖然燃機的轉速是三種動力系統中最高的,但是由于整個轉子十分輕巧,在啟動機幫助下在1-2分鐘就可以達到最高轉速。而柴油機由于轉子運動源于活塞的往複,加速較慢,蒸汽輪機更是“反應遲鈍”,整個系統達到最高功率輸出可能需要長達一小時的時間。而啟動速度,對于軍艦的戰時出動和反潛作戰時加減速性能有着直接的影響。

燃氣輪機第三個優勢是噪聲低頻分量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩定轉動當中,産生的噪聲更多是高頻嘯聲。而柴油機的活塞往複産生了大量低頻機械振動噪聲,恰好迎合了海洋容易傳播低頻噪聲的特點,導緻軍艦容易被敵方聲納探測。所以柴油機動力尤為不适合給反潛軍艦作動力系統。

飛機

1、噴射引擎

中大型飛機幾乎都使用渦輪發動機做為動力來源,因其體積較小而輸出動力大,更重要的是沒有螺旋槳在高速時所會遭遇到的音障問題,因此也是一般超音速飛機的唯一選擇(隻有少數機型會使用沖壓噴射引擎或火箭)。由于是使用于直接推進,以噴出高溫廢氣的反作用力産生推進力,因此在設計上會盡量縮小渦輪段的能量轉換及損耗,隻輸出驅動壓縮機及發電機等附件所需的功。

2、輔助動力單元

大型飛機上除了主引擎外,通常還會裝設一具小型的燃氣輪機,即稱為輔助動力系統(auxiliary power unit,APU),用以在主引擎尚未啟動時提供液壓、發電、空調等的動力需求,也可以用來啟動主引擎。飛機上的APU通常是不具推進力的,而某些船艦也有稱為副推進單元(auxiliary propulsion unit)的裝置,但這種APU是為了在無法使用主輪機時用做備用輪機推供推進力的。

微型燃氣渦輪

微型燃氣渦輪也可以稱為:交流渦輪。本質上是瞄準分布式發電和氣電共生用途,也是混和動力車的重點科技之一,商用中從一千瓦到數十數百千瓦功率都有市場潛力。

微型燃氣渦輪引擎有許多優點超越傳統往複式發動機,可以産生更高能量密度效率(與重量和尺寸相關),極低的熱輻射和極少的移動部件使其容易維修。還可以省下空調所需的潤滑油和冷媒,通常渦輪也能更有效降低廢熱消耗,同時也能省下冷卻系統的耗能。

微型燃渦機使用單段式壓縮機設計,但是單段式渦輪機件比較難生産因為必須承受高溫高壓下運作。廢熱可以用來提供熱水、暖氣、幹燥用途或吸收式冷卻法,這是一種不利用電能而是熱能提供冷氣的方法。  

市場份額

全世界從事燃氣輪機研究、設計、生産、銷售的著名企業有28家,全世界使用的工業燃氣輪機約有5萬台,而且全球的燃機市場幾乎被歐美公司所壟斷。

由于不同的曆史背景,燃氣輪機不同技術道路發展,一條以羅羅、普惠、GE為代表的航空發動機公司用航空發動機改型而形成的工業和船用航改輕型燃氣輪機(俗稱“航改機”);一條是以西門子、ABB、GE公司為代表,遵循傳統的蒸汽輪機理念發展起來的工業重型燃氣輪機(俗稱“工業機”),主要用于機械驅動和大型電站。世界範圍内市場主要被GE公司、西門子/西屋、阿爾斯通/ABB、索拉公司、羅羅公司、三和俄羅斯的企業瓜分。

優缺點

優點

1、與活塞式内燃機和蒸汽動力裝置相比較,燃氣輪機的主要優點是小而輕。單位功率的質量,重型燃氣輪機一般為2~5千克/千瓦,而航機一般低于0.2千克/千瓦。

2、燃氣輪機占地面積小,當用于車、船等運輸機械時,既可節省空間,也可裝備功率更大的燃氣輪機以提高車、船速度。

缺點

燃氣輪機的主要缺點是效率不夠高,在部分負荷下效率下降快,空載時的燃料消耗量高。 

密封

燃氣輪機先進密封技術是近十幾年來在國外引起高度重視的一個分支領域,先進密封技術帶來的好處,已經實實在在地體發動機性能提高、燃油消耗率降低、運行和維修成本減少等方面。

汽缸密封:

在汽輪機運行過程中,汽輪機滲漏和汽缸變形是最為常見的設備問題,汽缸結合面的嚴密性直接影響機組的安全經濟運行,檢修研刮汽缸的結合面,使其達到嚴密,是汽缸檢修的重要工作,在處理結合面漏汽的過程中,要仔細分析形成的原因,根據變形的程度和間隙的大小,可以綜合的運用各種方法,以達到結合面嚴密的要求。

汽缸密封是金屬對金屬的密封接觸,隻有在密封接觸壓力使接觸面産生永久變形時,才能形成絕對的密封。但這是不允許的,缸面變形必将影響下一次的密封效果。因此,螺栓預緊力的極限必須保證缸面變形在彈性範圍内。然而,這種使缸面産生彈性變形的螺栓力不足以形成耐高溫高壓的氣密性密封,即使在具有超高表面光潔度的完善的缸面情況下,也仍會出現洩漏。因為,盡管表面非常良好,但總是存在着極其細微的能生成足以通過空氣流的洩漏通道的表面缺陷。

汽缸密封可采用博科思高溫密封劑,博科思高溫密封劑已經在西門子渦輪機上用了50多年(1952年與西門子合作研發)。博科思高溫密封劑是一種單組份、膏狀密封劑,是一種工業用途優質密封劑,适用于對光滑、平整密封面(對接接頭)的溫度和壓力情況要求高的工況。尤其适用于密封金屬接頭:蒸汽輪機和燃氣輪機、壓縮機、泵、外殼、法蘭接頭等。博科思耐高達900℃的熱蒸汽、氣體,熱、冷水,輕質燃油、潤滑劑,原油及天然氣。密封面及接頭處極好的粘着力可确保耐壓高達250巴(255kg/cm2)的壓力。我們可以發布一個對于産品應用在蒸汽渦輪機和燃氣渦輪機機加密封面(對接接頭)10年的擔保,但要基于産品的正确使用和行業規定的維修。博科思不是一種危險物質。

潤滑油選擇

對潤滑油的要求,原則上有下列幾個方面:

1.要求适應軸承、齒輪裝置等的啟動、加速、滿轉速及超速等各種工況所需要的潤滑油性能。

2.要求适應液壓系統如油缸、伺服閥等所需要的液壓油性能。

3.熱傳遞油性能。能把軸承、齒輪裝置等各種熱表面的熱量吸收,并将其傳輸給潤滑油換熱器(冷油器)。

4.在一定溫度和壓力下工作、靜止或貯存狀态都具有穩定的物理性能、表面性能和氧化性能。

5.能适應潤滑系統中及其他用油系統中的各種機械材料,并能保護材料不受腐蝕。

6.具有自動排除空氣和水等污染物的性能。

7.具有一定的抗燃能力等。

在選擇潤滑油時,除了遵照設備制造廠商的建議之外,應該更側重于下列的性能指标:

1.黏度和黏度指數

為了常溫下燃氣輪機啟動時确保各軸承的靜壓潤滑和液壓系統的快速反應能力,希望在啟動時潤滑油的黏度不要太高,為此絕大多數渦輪機械選擇40℃時黏度為28.8~35.2/s的潤滑油,即黏度等級為ISOVG32的潤滑油。在燃氣輪機正常帶負荷運行時,軸承間隙内的工作溫度有可能高達120℃以上,此時要求油的黏度高一些。為此,應選擇黏度随溫度變化較為平緩的、即黏度指數較大的潤滑油。這裡建議油的黏度指數在100以上,至少不應小于90。

2.氧化安定性

燃氣輪機工作時,潤滑油受到強烈的熱氧化作用,汽輪機油常用的揮發型防鏽抗氧化劑對燃氣輪機用的潤滑油已不适宜。對于在溫度高于260℃的環境中工作的軸承,文獻49中明确規定其使用的潤滑油中不宜含有DBPC(二叔丁基對甲酚)一類的揮發型抗氧化劑。對于氧化安定性,傳統的考核指标是油氧化後酸值達2.0mgKOH/g時所需要的小時數(國外常簡稱為TOSTLife,即總的氧化穩定性試驗壽命),在燃氣初溫不是很高的情況下,僅考核這一指标已足夠,而且隻要求其在2000h以上就可。

但是,由于TOST是在95℃的試驗條件下進行,而這一溫度與燃氣輪機軸承的工作溫度頗有距離,對新一代燃氣初溫更高的燃氣輪機,光考核TOST已經不夠,因此增加了油的旋轉氧彈試驗指标,以便在更高的溫度下考核油的性能。旋轉氧彈試驗的溫度為150℃,比TOST要高得多。

3.破乳化值,也稱分水性能

這是指油和水的分離能力,測量的方法是在專用的試管内放入40mL的油和40mL的水,按規定的試驗程序混合,然後測量油水完全或基本完全分離的時間(min),油水分離的程度可以是40-37-3.40-40-0等。對于燃氣輪機,這不是十分強調的性能指标,因為在燃氣輪機中,潤滑油被水(或蒸汽)污染的可能性不大。而在汽輪機中,油水混合的可能性很大,對油的破乳化值不能忽視,其指标至少是油水分離至40-37-3,時間不大于15min。對于聯合循環發電裝置,如果燃氣輪機與汽輪機共用潤滑油系統,則必須兼顧油的高溫性能和分水性能。

4.空氣釋放值

由于大多數燃氣輪機的軸承均使用密封空氣,因此軸承的回油中必然會混進空氣。這些進入油層中的空氣,必須要在油回到油箱後的短暫停留時間内從油層中釋放掉。在選擇潤滑油時,其空氣釋放值應不大于油在油箱内循環一次的時間。

5.起泡性能

起泡性能與空氣釋放值是兩個相互關聯而又容易混淆的概念。其實空氣釋放發生在油層之内,泡沫則産生于油的表面之上。通常認為,在油面上形成5mm的泡沫是正常的。但泡沫過多,油箱的通(排)氣口充滿泡沫時,就會因妨礙空氣的排放而招緻嚴重的後果。因此油的起泡性能至少應符合一般汽輪機油的标準。

除此之外,新油的顔色應淺,以不超過ASTMD1500中的2.0為宜。對于帶有負荷齒輪箱的機組,必須考慮油的承載能力,應選擇承載能力(FZG)7級以上的油。

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