燃气轮机

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。 **在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载，它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计出烟气转动装置，其原理与走马灯相同。至17世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较多应用。 1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872年，德国人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，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。 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％、功率为370千瓦，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。 随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，因而在30年代中期出现了效率达85％的轴流式压气机。与此同时，透平效率也有了提高。在高温材料方面，出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。 1939年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，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。 随着高温材料的不断进展，以及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大，在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机，最高能达到130兆瓦。 与此同时，燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验；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。此后，燃气轮机在更多的部门中获得应用。 在燃气轮机获得广泛应用的同时，还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置；50～60年代，出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活塞燃气轮机装置，但由于笨重和系统较复杂，到70年代就停止了生产。此外，还发展了柴油机燃气轮机复合装置；另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统，可有效地节约能源，已用于多种工业生产中。 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，因而燃气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。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，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。 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℃。 燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。 燃烧室和透平不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。 对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。 燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚重，大修周期长，寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻，所用材料一般较好，其中以航机的结构为最紧凑、最轻，但寿命较短。 与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量，重型燃气轮机一般为2～5千克/千瓦，而航机一般低于0.2千克/千瓦。燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高，在部分负荷下效率下降快，空载时的燃料消耗量高。 不同的应用部门，对燃气轮机的要求和使用状况也不相同。功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电，而30～40兆瓦以上的几乎全部用于发电。 燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动，机动性好，在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用，能较好地保障电网的安全运行，所以应用广泛。在汽车(或拖车)电站和列车电站等移动电站中，燃气轮机因其轻小，应用也很广泛。此外，还有不少利用燃气轮机的便携电源，功率最小的在10千瓦以下。 燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温，即改进透平叶片的冷却技术，研制能耐更高温度的高温材料。其次是提高压缩比，研制级数更少而压缩比更高的压气机。再次是提高各个部件的效率。 高温陶瓷材料能在1360℃以上的高温下工作，用它来做透平叶片和燃烧室的火焰筒等高温零件时，就能在不用空气冷却的情况下大大提高燃气初温，从而较大地提高燃气轮机效率。适于燃气轮机的高温陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。 按闭式循环工作的装置能利用核能，它用高温气冷反应堆作为加热器，反应堆的冷却剂(氦或氮等)同时作为压气机和透平的工质。rolls-royce公司（以下简称罗·罗公司）主要业务范围包括民用航空燃气轮机、**航空燃气轮机、船用燃气轮机与船用设备、电站和油/气四用燃气轮机以及特种业务等。1999年罗·罗公司收购了著名的vickers公司组建了罗·罗公司船用部，显著地提高了它在船用领域的业务能力，目前罗·罗公司船用部可为全球的客户提供以下的服务：舰船和推进系统设计；供应发动机（燃气轮机、柴油机）、推进设备（轴承、定距/调距/导管螺旋桨、吊舱式推进器、喷水推进器与反应堆装置）和甲板机械（锚机、舵和舵机、减摇装置）等。因而，罗·罗公司船用部业务范围覆盖全球，居领先地位。 船用燃气轮机以其功率大、结构紧凑、重量轻、效率高、便于操纵和实现自动化等突出特点，已成为当今世界包括炮艇、轻型护卫舰、护卫舰、驱逐舰、巡洋舰到轻型航母的主要推进主机和发电机组的原动机，并且已正在进入高速、大功率、先进的民用船舶市场。西方大功率船用燃气轮机市场主要由美国通用电气（general electric-ge）公司和罗·罗公司公司所占有。目前，世界船用领域应用的是简单循环燃气轮机。由northrop grumman公司、罗·罗公司、allied signal和cea联合组成的一个国际工业集团所研制的wr-21型船用燃气轮机是目前唯一的一型中冷－回热式复杂循环船用燃气轮机，它是根据美海军合同并得到英国、法国财务支持，迄今耗资约4.8亿美元，历时超过8年所开发的新一代机型，罗·罗公司称wr-21是目前“世界最先进的船用燃气轮机”。 中冷－回热循环燃气轮机 从图1可见，wr－21这种带中间冷却－加热（icr－intercooled recuperated cycle）的复杂循环燃气轮机比目前普遍采用的简单循环船用燃气轮机多了一个中间冷却器和一个回热器。研究表明：中、高压比的中间冷却－回热循环燃气轮机，具有提高压比、提高热效率、增加输出功率的特点。wr-21研制证明：wr-21的杰出性能得益于其三项独有的特点： 位于低压压气机和高压压气机之间的中间冷却器，对进入高压压气机的空气进行冷却，减少了高压压气机所需的功率，改进高压轴的效率并增加约25%的发动机输出功率。 回热器将排气余热予以回收利用，对进入燃烧室的燃气进行预热，明显地降低了燃油消耗率。实际运行表明：尺寸相同的高压透平进口处的燃气温度如果相同，采用回热器的wr-21燃气轮机的燃油消耗率明显小于常规的船用燃气轮机。 第一级高压透平采用可变几何导叶（van）叶轮，随着负荷的减少，通过透平的质量流量减少，可变几何导叶逐渐关小，保持了恒定的透平入口处燃气温度，从而提高了部分负荷工况时回热器的效率，其结果是在整个运行范围里提高了发动机的效率，特别是在低负荷时取得令人注目的效果。实船运行表明：wr-21的回热器加可变几何导叶的节油效果可达30～40%。 wr－21主要特点 由表1可见，在**o条件（15℃，无损失）下，wr-21输出功率为25.2兆瓦，足以满足护卫舰、驱逐舰和轻型航母以及大型高速民船的功率需求。 经济指标 wr-21是目前效率最高的船用燃气轮机——具有柴油机的燃油耗油率指标。 由表1可见，wr-21最大功率（**o条件下，25.2兆瓦）时的燃油耗油率仅为184克/千瓦·小时（135克/马力·时）。从表2的比较可见，wr-21是迄今效率最高的船用燃气轮机，这样的经济指标足以与大功率低速船用柴油机相媲美。 变负荷工况和低负荷工况时的经济性 从耗油率－功率曲线（图2）可见，在部分工况时，wr-21比典型的简单循环船用燃气轮机也具有较高的推进效率。这样，在使用最为频繁的21节和17节航速（假设舰的最大航速为30节）时，与简单循环船用燃气轮机相比，wr-21可节约燃油分别为27%和30%。即使在约11节航速的低负荷时，wr-21节油竟可高达40%。对于要求在这种航速游弋或在更低航速的拖曳声呐工作状态下的运行，则意味着有可观的节油效果。 由图2还可发现，在11～25.2兆瓦（即自其44%到最大工况）运行范围里，其燃油耗油率指标近乎相同。对于发动机直接驱动的推进方式，提供了在很宽的运行范围里的运行经济性。罗·罗公司称，这是wr-21所特有的运行图谱，与简单循环燃气轮机相比，wr-21用于发电机组的原动机时，其平坦的燃油耗油率特别适合于综合电力推进（ifep或ips）系统。 舰船推进系统配置新理念 wr-21具有巡航机与加速机的特点，结合到典型的舰船功率－效率图谱，就有望取代原来所必须的4到8兆瓦左右的巡航柴油机/燃气轮机。取消巡航发动机不仅带来推进系统的初始投资方面的节省，而且无疑将腾出宝贵的有效舱容。不论对舰只还是民用船舶，都将带来巨大的好处，无疑将对简化机舱设备和系统、改善机舱布置和舰船的总体设计带来创新的局面，从而增加舰的有效载荷和全面提升民用船舶的潜在收益。 数字**/传感器 wr-21配置了目前最新的数字**/传感器，它具有以下特点： ●由双以太网通道提供wr-21和舰船之间通讯灵活性。 ●包括一整套运行监测与发动机趋势传感器，提供工程技术人员用以分析性能、研究趋势和按计划之维护所必须的资料。数字**的任务是在故障发生之前能通过预测故障来减少停机。在正常运行期间，该系统自动地监测数百个系统参数，其中12个参数是评价发动机安全运行的关键参数。 ●遥控设施采用虚拟机械环境（vme）的结构，主机为目前所流行的以奔腾为基础的cpu的商用机。使用中，经一个与能用以太网接口相联的笔记本计算机能实现对主机进行机旁操纵和随机诊断。通过控制系统中的遥控插头，该数字**适合于全船计算机环境并且可以在船上的任何地方实施故障诊断。 笔者认为，有了这样的vme将是wr-21及其周边环境的监控和故障诊断的能力的保障，也是虚拟现实（virtual reality，简称vr）在舰船推进领域里的第一次应用，是值得关注的。 结构紧凑 鉴于wr-21有其独有的中间冷却器、回热器及其管系、附件，势必要比简单循环燃气轮机增加更多的空间与重量。但wr-21的设计布局巧妙、结构紧凑。题图可反映出其紧凑的外形。特别值得一提的是，它的独特的中间冷却器和燃烧室的设计。中间冷却器由10个扇形体的铜－镍鳍片的板式空气/淡水（系淡水和乙二醇1:1配比）热交换器所组成。通过紧凑的设计和气流良好的组织，将这10个扇形体呈环形布置在燃气发生器转子的外圈的360度环形空间内。燃烧室则由9个经流式火焰筒燃烧器所组成。它们在高压压气机的外圈的360度空间内呈辐射状布置。上述这二个设计有效地缩短了icr换件的轴向尺寸。wr-21有着与lm2500模件完全相同的长度、宽度，其最大高度处仅比lm2500模件高出1.74米。应该说，为了获得回热所带来的巨大收益，这些付出是值得的。通过适当的总体设计，即使是排水量在3000吨以上的护卫舰，也是可望解决其布置问题的。一般来说，民用船舶就不会存在无法布置的局面。 排放指标 进一步降低发动机的排放指标是柴油机、燃气轮机研制中必须面临的问题。罗·罗公司称在wr-21燃气轮机上已经采用了其处于领先地位的清洁燃烧技术。wr-21则在保持杰出性能的同时还满足了当前和预见的关于nox和co排放的标准。 lm2500燃气轮机由tf-39航空涡轮风扇发动机改装而成,技术先进,性能可靠。大修时间长达15000小时。lm2500燃所轮机为单循环，双轴旋转式燃气轮机。它由1台燃气发生器及1个动力涡轮构成。电液压启动系统可在60秒钟内使涡轮由冷车状态运行至空载转速。lm2500燃所轮机放在一个隔声/热罩内，该罩可使燃气轮机运行时机舱噪音得以减弱，并可阻止燃气轮机与外部环境之间的热交换。罩上安装有通风管以利于燃气轮机散热。lm2500燃气轮机的总输出功率为17兆瓦. 20210311