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燃氣輪機
一種旋轉葉輪式熱力發(fā)動機
燃氣輪機（gas turbines）是一種旋轉葉輪式熱力發(fā)動機。它以連續(xù)流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，從而將燃料的能量轉變?yōu)闄C械能。燃氣輪機的基本組成包括壓氣機、燃燒室、渦輪以及相關的輔助系統(tǒng)。對于簡單理想燃氣輪機的工作過程，通常使用布雷頓循環(huán)來描述。由于燃氣輪機實際工作時，存在熱量、壓力、工質、機械方面的損失以及不可逆性，因此常用燃氣輪機比功和熱效率等參數(shù)來衡量燃氣輪機的技術性能。燃氣輪機最早的雛形可以追溯到唐宋時期，人們用燃氣作為動力驅動銅輪、紙輪轉動。到了工業(yè)革命時期，人們利用熱力學循環(huán)知識對燃氣輪機進行了設計生產。在后面的改進發(fā)展過程中，燃氣輪機的應用領域不斷擴大，可以用于動力發(fā)電、供熱、航空航天、汽車船艦、油氣輸運、鋼鐵冶煉等諸多領域。
基本信息
中文名
燃氣輪機
英文名
gas turbines
別名
燃氣渦輪機、燃氣透平裝置
運用領域
動力發(fā)電、供熱、油氣運輸、鋼鐵冶煉、航空航天、汽車船艦
原理
布雷頓熱力循環(huán)
功能
將燃料能量轉化為機械能
組成部分
壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪及輔助機構
應用學科
熱力學、動力學、燃燒學
歷史發(fā)展
早期雛形
到了北宋年間，民間非常盛行的走馬燈，就是燃氣輪機的雛形。它通過沖壓將空氣抽進去，再利用燈燃燒后產生的熱氣體，來推動一個紙輪，從而驅動走馬。
工業(yè)探索階段
1791年，英國工程師巴伯(J.Barber)，利用熱力循環(huán)知識科學地描述了燃氣輪機的工作過程。
1872年，德國工程師施托爾策(F.Stolze)設計了首臺燃氣輪機，但無法脫離發(fā)動機獨立啟動。
約1905年，法國科學家勒梅爾(C. Lamale)和阿爾芒哥(R. Armengaud)也對燃氣輪機的設計進行了一些探索，雖然可以對外輸出功，但也因效率非常低而無法投入實用。
這些對燃氣輪機的探索大多是伴隨著19世紀末工業(yè)革命的浪潮展開
提升改進階段
1920年，德國工程師霍爾茨 (H.Holzwarth) 做成了第一臺實用的燃氣輪機，效率可達13％。但這一燃氣輪機是按等容加熱循環(huán)工作，存在著只能間斷爆燃等諸多問題。
到了1935年前后，隨著空氣動力學的發(fā)展和耐高溫材料的突破，解決了壓氣機和渦輪效率效率低以及無法使用高溫燃氣的問題。等壓加熱循環(huán)的燃氣輪機也得到成功地應用。
投入實用的階段
1939年，瑞士制成了4MW發(fā)電用燃氣輪機，效率達18％，標志著第一代燃氣輪機的使用。
20世紀70年代，美國GE公司研發(fā)的7F,7FA等“F”型燃氣輪機，燃氣溫度≥1050℃；ABB公司研發(fā)的GT24和GT26型機組，壓比可達30，燃氣溫度可達1235℃，標志著第二代燃氣輪機的使用。
20世紀90年代，美國能源部牽頭的“先進動力系統(tǒng)開發(fā)項目”的展開，標志著第三代燃氣輪機的投入使用。
基本組成
燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和渦輪三大關鍵部件組成，配置燃料系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)等附屬系統(tǒng)及輔助設備。
壓氣機
燃氣輪機中的壓氣機部件通常使用動力式壓氣機，包括軸流式、離心式和混合式三種。它的功能是將大氣中的空氣吸入并壓縮，然后向燃燒室提供高壓空氣。因此通常要求其具有壓縮效率高、單級壓縮比大、氣體流量大、特性可以與渦輪相匹配、工況穩(wěn)定的區(qū)域寬以及可以良好地防喘振等特點。
燃燒室
燃燒室位于壓氣機與渦輪之間，用于將燃料的化學能轉變?yōu)闊崮?，為渦提供高溫高壓燃氣。因此通常具有高溫、高氣流速度、高燃燒強度、高過量空氣系數(shù)
燃氣渦輪
又稱為燃氣輪或者燃氣透平。它設置在燃燒室后面，是將燃燒室出來工質的熱能轉化為透平轉子機械能的裝置。通常由燃氣導管、級組和排氣擴壓器組成。根據(jù)燃氣在渦輪內部的流動方向，燃氣渦輪分為徑流式和軸流式。
輔助機構
燃氣輪機除了由壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪構成的主體外，還有調節(jié)系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、壓力工作油系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，以及各種油泵、風機、管道閥門、冷卻器、加熱器、起動機等眾多輔助系統(tǒng)和輔助設備，以保證機組正常工作。
工作原理
基本原理
燃氣輪機是通過熱力循環(huán)將燃氣的熱能轉化為機械動力輸出的裝置。在簡單理想循環(huán)條件下，燃氣輪機的循環(huán)可以用布雷頓循環(huán)描述。
圖1. 簡單理想循環(huán)下燃氣輪機原理圖
其中“簡單”是指不考慮回熱循環(huán)和再熱循環(huán)；“理想循環(huán)”是指將工質視為理想氣體，忽略熱損失和機械損失。
布雷頓循環(huán)
布雷頓循環(huán)可以很好地描述的簡單理想條件下，燃氣輪機裝置的工作過程。如圖2所示，它由兩個等熵過程和等壓過程描述。
圖2. 簡單理想燃氣輪機循環(huán)的壓容圖、溫熵圖
過程1~ 2，等熵過程
壓氣機消耗一定功w，吸入低溫低壓空氣并其壓縮，空氣體積減小，壓力增大，得到的低溫高壓氣體并進入燃燒室；
能量表現(xiàn)形式：壓氣機的機械能轉化為空氣的壓力能。
過程2~ 3，等壓過程
低溫高壓氣體和燃料在燃燒室混合燃燒，溫度升高，壓力不變，得到高溫高壓燃氣；
能量表現(xiàn)形式：燃料的化學能轉化為燃氣的內能。
過程3~ 4，等熵過程
從燃燒室出來的高溫高壓燃氣，在燃氣渦輪中膨脹做功，壓力下降，體積增大，溫度下降，成為仍有一定溫度和壓力得乏氣；
能量表現(xiàn)形式：燃氣的內能轉化為燃氣渦輪的機械能輸出。
過程4~1，等壓過程
燃氣輪機排出的乏氣體排入大氣，被大氣或者水冷卻。得到低溫低壓氣體被壓氣機吸入后進行下一輪循環(huán)。
實際簡單循環(huán)
技術指標
燃氣輪機比功
為單位質量工質所做的功，也就是指燃氣輪機凈輸出功與壓氣機空氣質量流量之比。
定義為
式中
比功是衡量燃氣輪機熱力學性能和尺寸的重要參數(shù)。比功越大，燃氣輪機的熱力學性能越好，輸出功越大，燃氣輪機的尺寸也越小。
熱效率
為燃氣輪機的輸出功率與單位時間輸人燃料所含熱值之比。
表示為
式中
熱效率反映的是燃氣輪機的燃料利用率。熱效率越高，燃料利用率越高，燃氣輪機也更經濟。
燃氣增壓比
燃氣增壓比
燃氣增縮比
其中，k為工質的比熱比（單原子氣體為
可以看出，燃氣增壓比越大，相應的燃氣輪機的熱效率越高。
燃氣初溫
燃氣初溫是指送入燃氣渦輪的燃氣溫度，也是工質循環(huán)的最高溫度。隨著燃氣初溫的提高，燃氣輪機的熱效率和輸出功率會得到明顯提高，但燃氣初溫越高，燃氣輪機的壽命越短，也受到高溫材料和冷卻技術的限制。
其他技術指標
總壓恢復系數(shù)：燃燒室的進排氣管的通常存在一定阻力，它對燃氣輪機性能有很大的影響。通常采用總壓恢復系數(shù)來對壓力損失進行評估。對于燃燒室的總壓恢復系數(shù)
冷卻引氣系數(shù)：壓氣機引氣量占壓氣機進口總流量的百分數(shù)；
外漏氣損失系數(shù)：表示壓氣機的外漏量占壓氣機進口總空氣流量的百分數(shù)；
冷卻引氣系數(shù)和外漏氣損失系數(shù)，是用于表征壓氣機在吸收空氣時造成的熱量和工質的損失。
特點
優(yōu)點
- 重量輕、體積小、操作維護簡便；
- 功率密度高，適用于船艦航空等動力；
- 單機熱效率一般，但采用聯(lián)合循環(huán)機組，效率將超過其他動力機械。
- 起動加速快，起動的溫度低，無需預熱；
- 燃料多樣化，可以使用柴油、汽油、天然氣等多種燃料工作；
- 不需要額外設置冷卻水系統(tǒng)；
- 安裝建設周期短；
- 振動小，噪聲低，在軍用艦艇上用途廣泛。
缺點
- 燃氣輪機的效率受溫度限制，而高溫會造成葉片壽命急劇下降，若采用耐高溫材料會增加制造和使用成本。
- 由于是連續(xù)做功，需對渦輪葉片冷卻，存在較大的技術困難。
- 燃油消耗量高、需要消耗大量空氣。
- 變工況性能差，尤其是在低轉速部分負荷時，不僅熱效率低，還會進一步增加油耗。
- 燃氣輪機運行過程中存在各種較大的損失，因此經濟性較差。加上制造困難，成本高。
分類
按熱力學循環(huán)類型分類
簡單循環(huán)
簡單循環(huán)的燃氣輪機在理想情況下按照布雷頓循環(huán)工作。具有結構簡單、輕小，容易調節(jié)，但效率低的特點。適用于一些要求不高的場合，例如某些小型發(fā)電廠。
另外簡單循環(huán)又可以分為開式循環(huán)和閉式循環(huán)，開式循環(huán)——工質來自大氣又排入大氣；閉式循環(huán)——工質與外界隔絕被封閉地循環(huán)使用。
復雜循環(huán)
實際過程為了提高燃氣輪機的效率，通常會在簡單循環(huán)的基礎上進行改進，得到回熱循環(huán)、間冷循環(huán)、再熱循環(huán)等多種復雜循環(huán)的燃氣輪機。適合需要高效率和更廣泛應用的場合，例如大型發(fā)電廠以及船艦動力推進系統(tǒng)。
再熱循環(huán)：在膨脹過程中間，把工質引出至再熱燃燒室中加熱后，再回到渦輪中繼續(xù)膨脹以完成膨脹過程，稱為再熱循環(huán)。
間冷循環(huán)和再熱循環(huán)可以提高熱力循環(huán)的比功，此外還有將間冷-回熱，再冷-再熱等組合形式的復雜循環(huán)燃氣輪機。
聯(lián)合循環(huán)
傳統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)是指利用燃氣輪機的余熱產生的水蒸氣，導入蒸汽機中，實現(xiàn)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。一般在大型發(fā)電廠中使用，可以很好的提高能源發(fā)電效率。
隨著發(fā)展，出現(xiàn)了多種新型聯(lián)合循環(huán)，如注蒸汽燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)、濕空氣透平循環(huán)、卡林那聯(lián)合循環(huán)、氫氧聯(lián)合循環(huán)、燃料電池聯(lián)合循環(huán)、化學鏈燃燒的動力循環(huán)、燃煤聯(lián)合循環(huán)等。
按軸系分
單軸燃氣輪機：結構簡單，但工況調節(jié)范圍窄，一般用于發(fā)電饑組。
按使用安裝分類
固定式燃氣輪機
一般是指大、中功率不能整體移動的固定燃氣輪機裝置。它們可以是重載荷型燃氣輪機，也可以是航泛改型燃氣輪機。
運輸式燃氣輪機
包括大中小型海陸空運輸工具的燃氣輪機，以及箱裝式，移動式和便攜式燃氣輪機。它們大都是航機改型或輕結構工業(yè)型燃氣輪機。
其他分類
按用途分類：工業(yè)用燃氣輪機，船艦用燃氣輪機，航空航天用燃氣輪機。
按壓氣機的結構：渦輪式和動力式壓氣機，動力式壓氣機又包括軸流式、離心式和混合式三種。
使用領域
發(fā)電領域
燃氣渦輪的一大用途就是發(fā)電。以燃氣輪機和發(fā)電機為核心的簡易燃氣機組循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，具有裝機容量大，起停時間短的優(yōu)點，主要應用在電力系統(tǒng)的電力調峰、交通和工業(yè)等領域。
船舶領域
由于燃氣輪機具有結構緊湊、重量輕、振動小、操作靈活等優(yōu)點，非常符合船艦對動力的需求。用于船艦領域的燃氣輪機，通常采用多種先進復雜循環(huán)方式。并且由于海洋環(huán)境惡劣，對燃氣輪機有更嚴苛的要求，包括抗高鹽霧和海水腐蝕、抗水下爆炸引起的巨大沖擊、可以經受頻繁的工況變化以及長時間高負荷運行、更長的翻修壽命。
車輛領域
自從1950年，英國Rover公司實現(xiàn)第一輛燃氣輪機汽車制造以來，車輛燃氣輪機的發(fā)展從未間斷過，其機組性能也不斷得到提升。用于車輛領域的燃氣輪機通常需要達到下面的要求：(1)效率高平均油耗率低；(2)能適應不同行駛狀態(tài)的要求；(3) 污染排放低；(4) 抗顛簸振動；(5) 抗沙塵；(6) 能適應環(huán)境溫度的巨大變化。(7) 噪聲低；(8)能燃用多種燃油；(9) 維修方便等等。
航空航天領域
由于燃氣輪機可以連續(xù)做功，輸出功率高且重量輕，以及優(yōu)異的噴氣推進效率，因此燃氣輪機作為噴氣式航空動力具有絕對優(yōu)勢。基本類型有：用于飛機的渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺獎發(fā)動機，用于直升機的渦輪軸發(fā)動機。對各種航空燃氣輪機的基本共同要求是：重量輕、省油、工作安全可靠、啟動迅速可靠、加速性好，以及抗沖擊。
其他領域
供熱
燃氣輪機排出得乏氣仍然具有相當高得溫度，可以在渦輪排氣擴壓器出口，通過安裝余熱鍋爐的方式回收熱量，生產熱水或者蒸汽。用于供暖、蒸汽輪機組、或者部分回注到燃氣輪機以提高燃氣輪機輸出功和效率。
輸送天然氣
管道輸送天然氣為克服流動阻力，常需用壓縮機將天然氣壓縮升壓。使用燃氣輪機驅動離心壓縮機的增壓機組，在大功率范圍內(上千kW)是一種非常經濟合適的方式。一般將燃氣輪機驅動的離心壓縮機通常要求燃氣輪機和離心壓縮機的性能是相互匹配的。
輸送石油
石油長距離管道輸送是最經濟的方法，它需用泵站將原油升壓來輸送，泵站中廣泛用 離心泵，現(xiàn)大多用電動機來驅動。但是，在缺電、邊遠和荒漠無人的地區(qū)，以及大容量的輸油管線中，應用燃氣輪機作驅動動力則是較合適。
鋼鐵冶煉
在鋼鐵冶煉工業(yè)中，會產生大量可燃氣體的副產品（高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣），將這些副產品用于燃氣輪機，一方面，燃氣輪機產生的高壓氣流可以直接分流用于高爐供氣；另一方面，燃氣輪機產生的電力和機械動力可以返回給冶煉高爐使用。
故障分析
常見故障及原因分析
故障現(xiàn)象 | 原因分析 |
機組不能起轉 | 起動機（包括柴油機、電機等）本身有故障 |
液力變扭器充油壓力不足 | |
起動離合器損壞 | |
透平通流部分結垢，使透平阻力增加 | |
壓氣機通流部分污染或者性能變差 | |
燃油系統(tǒng)故障致使燃料流量偏小 | |
點火失敗 | 電點火器線圈失電或斷路 |
點火器電極被積炭短路 | |
燃料系統(tǒng)故障，不能正常供應燃料 | |
燃料噴嘴嚴重結焦堵塞 | |
燃料凝固或固體物質引起堵 | |
換進氣系統(tǒng)因結冰堵塞 | |
機組不能空轉 | 點火后因熄火導致停機或升速緩慢 |
燃料供應量過大，導致起動時產生“熱懸掛” | |
防喘系統(tǒng)失靈 | |
機組喘振 | 加載速度過快導致機組在啟動過程升速慢 |
機組啟動和停止時防喘放氣閥不在打開狀態(tài) | |
帶不足負荷 | 可能是燃料系統(tǒng)由于濾網堵塞、燃料噴嘴結焦等導致供應壓力不足 |
進氣過濾器堵塞，空氣流量不足 | |
可調靜葉開度未達到規(guī)定值 | |
壓氣機葉片、透平噴嘴嚴重積垢 | |
透平噴嘴、動葉嚴重腐蝕磨損 |
發(fā)展趨勢
總體發(fā)展趨勢
不同規(guī)模的燃氣輪機的發(fā)展趨勢有所差異，但各種燃氣輪機的總體的發(fā)展趨勢是：
- 提高燃氣初溫、壓氣機壓比，從而提高改善輸出功率、熱效率等參數(shù)；
- 拓寬燃料適用范圍，滿足燃料多樣性的需求；
- 進一步降低
- 采用新型熱力循環(huán)和新工質以及完善控制系統(tǒng)，從而優(yōu)化總體性能；
- 開發(fā)使用未來級的新一代高溫材料與冷卻技術；
- 使用先進新型熱力循環(huán)和新一代工質，來優(yōu)化總體性能和完善控制系統(tǒng)。
另外對于重型燃氣輪機，采用先進的氣動設計技術來提高壓氣機與渦輪部件性能是一大重要的發(fā)展方向；對于中小型燃氣輪機通過局部的設計改動，實現(xiàn)一機多用是其重要的發(fā)展方向；對于微型燃氣輪機，高效燃燒室研究，變工況性能良好的壓氣機和透平是其一大重要發(fā)展方向。
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作者
