燃氣輪機（一種旋轉葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機）
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燃氣輪機
一種旋轉葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機
燃氣輪機（gas turbines）是一種旋轉葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機。它以連續流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)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(guān)的輔助系統。對于簡(jiǎn)單理想燃氣輪機的工作過(guò)程，通常使用布雷頓循環(huán)來(lái)描述。由于燃氣輪機實(shí)際工作時(shí)，存在熱量、壓力、工質(zhì)、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來(lái)衡量燃氣輪機的技術(shù)性能。燃氣輪機最早的雛形可以追溯到唐宋時(shí)期，人們用燃氣作為動(dòng)力驅動(dòng)銅輪、紙輪轉動(dòng)。到了工業(yè)革命時(shí)期，人們利用熱力學(xué)循環(huán)知識對燃氣輪機進(jìn)行了設計生產(chǎn)。在后面的改進(jìn)發(fā)展過(guò)程中，燃氣輪機的應用領(lǐng)域不斷擴大，可以用于動(dòng)力發(fā)電、供熱、航空航天、汽車(chē)船艦、油氣輸運、鋼鐵冶煉等諸多領(lǐng)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(lǐng)域
動(dòng)力發(fā)電、供熱、油氣運輸、鋼鐵冶煉、航空航天、汽車(chē)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(xué)科
熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)
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(guò)沖壓將空氣抽進(jìn)去，再利用燈燃燒后產(chǎn)生的熱氣體，來(lái)推動(dòng)一個(gè)紙輪，從而驅動(dòng)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(xué)地描述了燃氣輪機的工作過(guò)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(wú)法脫離發(fā)動(dòng)機獨立啟動(dòng)。
約1905年，法國科學(xué)家勒梅爾(C. Lamale)和阿爾芒哥(R. Armengaud)也對燃氣輪機的設計進(jìn)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(wú)法投入實(shí)用。
這些對燃氣輪機的探索大多是伴隨著(zhù)19世紀末工業(yè)革命的浪潮展開(kāi)
提升改進(jìn)階段
1920年，德國工程師霍爾茨 (H.Holzwarth) 做成了第一臺實(shí)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(zhù)只能間斷爆燃等諸多問(wèn)題。
到了1935年前后，隨著(zhù)空氣動(dòng)力學(xué)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(wú)法使用高溫燃氣的問(wèn)題。等壓加熱循環(huán)的燃氣輪機也得到成功地應用。
投入實(shí)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(zhù)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(zhù)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(jìn)動(dòng)力系統開(kāi)發(fā)項目”的展開(kāi)，標志著(zhù)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(guān)鍵部件組成，配置燃料系統、潤滑系統、啟動(dòng)系統等附屬系統及輔助設備。
壓氣機
燃氣輪機中的壓氣機部件通常使用動(dòng)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、工況穩定的區域寬以及可以良好地防喘振等特點(diǎn)。
燃燒室
燃燒室位于壓氣機與渦輪之間，用于將燃料的化學(xué)能轉變?yōu)闊崮埽瑸闇u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(guò)量空氣系數
燃氣渦輪
又稱(chēng)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(lái)工質(zhì)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。根據燃氣在渦輪內部的流動(dòng)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，還有調節系統、起動(dòng)系統、潤滑油系統、壓力工作油系統、燃料系統、冷卻系統，以及各種油泵、風(fēng)機、管道閥門(mén)、冷卻器、加熱器、起動(dòng)機等眾多輔助系統和輔助設備，以保證機組正常工作。
工作原理
基本原理
燃氣輪機是通過(guò)熱力循環(huán)將燃氣的熱能轉化為機械動(dòng)力輸出的裝置。在簡(jiǎn)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(jiǎn)單理想循環(huán)下燃氣輪機原理圖
其中“簡(jiǎn)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(zhì)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(jiǎn)單理想條件下，燃氣輪機裝置的工作過(guò)程。如圖2所示，它由兩個(gè)等熵過(guò)程和等壓過(guò)程描述。
圖2. 簡(jiǎn)單理想燃氣輪機循環(huán)的壓容圖、溫熵圖
過(guò)程1~ 2，等熵過(guò)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(jìn)入燃燒室；
能量表現形式：壓氣機的機械能轉化為空氣的壓力能。
過(guò)程2~ 3，等壓過(guò)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；
能量表現形式：燃料的化學(xué)能轉化為燃氣的內能。
過(guò)程3~ 4，等熵過(guò)程
從燃燒室出來(lái)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；
能量表現形式：燃氣的內能轉化為燃氣渦輪的機械能輸出。
過(guò)程4~1，等壓過(guò)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(jìn)行下一輪循環(huán)。
實(shí)際簡(jiǎn)單循環(huán)
理論分析時(shí)，壓氣機和透平中工質(zhì)都視為可逆過(guò)程。在實(shí)際工作過(guò)程中，氣流與機械的各種摩擦導致的損耗，會(huì )造成壓氣機和透平中工質(zhì)的熱力過(guò)程并不可逆，循環(huán)中各個(gè)過(guò)程都存在著(zhù)損失。
技術(shù)指標
燃氣輪機比功
為單位質(zhì)量工質(zhì)所做的功，也就是指燃氣輪機凈輸出功與壓氣機空氣質(zhì)量流量之比。
定義為
式中
比功是衡量燃氣輪機熱力學(xué)性能和尺寸的重要參數。比功越大，燃氣輪機的熱力學(xué)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(shí)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(jīng)濟。
燃氣增壓比
燃氣增壓比
燃氣增縮比
其中，k為工質(zhì)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(zhì)循環(huán)的最高溫度。隨著(zhù)燃氣初溫的提高，燃氣輪機的熱效率和輸出功率會(huì )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(shù)的限制。
其他技術(shù)指標
總壓恢復系數：燃燒室的進(jìn)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來(lái)對壓力損失進(jìn)行評估。對于燃燒室的總壓恢復系數
冷卻引氣系數：壓氣機引氣量占壓氣機進(jìn)口總流量的百分數；
外漏氣損失系數：表示壓氣機的外漏量占壓氣機進(jìn)口總空氣流量的百分數；
冷卻引氣系數和外漏氣損失系數，是用于表征壓氣機在吸收空氣時(shí)造成的熱量和工質(zhì)的損失。
特點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
- 重量輕、體積小、操作維護簡(jiǎn)便；
- 功率密度高，適用于船艦航空等動(dòng)力；
- 單機熱效率一般，但采用聯(lián)合循環(huán)機組，效率將超過(guò)其他動(dòng)力機械。
- 起動(dòng)加速快，起動(dòng)的溫度低，無(wú)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；
- 安裝建設周期短；
- 振動(dòng)小，噪聲低，在軍用艦艇上用途廣泛。
缺點(diǎn)
- 燃氣輪機的效率受溫度限制，而高溫會(huì )造成葉片壽命急劇下降，若采用耐高溫材料會(huì )增加制造和使用成本。
- 由于是連續做功，需對渦輪葉片冷卻，存在較大的技術(shù)困難。
- 燃氣輪機在使用時(shí)，燃料中的氮元素會(huì )在高溫下產(chǎn)生氮氧化物；此外高溫的工作條件，會(huì )導致空氣中的氮氣和氧氣反應產(chǎn)生氮氧化物。隨著(zhù)燃氣輪機使用溫度的提高，氮氧化物的含量會(huì )急劇增加。
- 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(shí)，不僅熱效率低，還會(huì )進(jìn)一步增加油耗。
- 燃氣輪機運行過(guò)程中存在各種較大的損失，因此經(jīng)濟性較差。加上制造困難，成本高。
分類(lèi)
按熱力學(xué)循環(huán)類(lèi)型分類(lèi)
簡(jiǎn)單循環(huán)
簡(jiǎn)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(jiǎn)單、輕小，容易調節，但效率低的特點(diǎn)。適用于一些要求不高的場(chǎng)合，例如某些小型發(fā)電廠(chǎng)。
另外簡(jiǎn)單循環(huán)又可以分為開(kāi)式循環(huán)和閉式循環(huán)，開(kāi)式循環(huán)——工質(zhì)來(lái)自大氣又排入大氣；閉式循環(huán)——工質(zhì)與外界隔絕被封閉地循環(huán)使用。
復雜循環(huán)
實(shí)際過(guò)程為了提高燃氣輪機的效率，通常會(huì )在簡(jiǎn)單循環(huán)的基礎上進(jìn)行改進(jìn)，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(chǎng)合，例如大型發(fā)電廠(chǎng)以及船艦動(dòng)力推進(jìn)系統。
再熱循環(huán)：在膨脹過(guò)程中間，把工質(zhì)引出至再熱燃燒室中加熱后，再回到渦輪中繼續膨脹以完成膨脹過(guò)程，稱(chēng)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)
傳統聯(lián)合循環(huán)是指利用燃氣輪機的余熱產(chǎn)生的水蒸氣，導入蒸汽機中，實(shí)現燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。一般在大型發(fā)電廠(chǎng)中使用，可以很好的提高能源發(fā)電效率。
隨著(zhù)發(fā)展，出現了多種新型聯(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(xué)鏈燃燒的動(dòng)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(jiǎn)單，但工況調節范圍窄，一般用于發(fā)電饑組。
按使用安裝分類(lèi)
固定式燃氣輪機
一般是指大、中功率不能整體移動(dòng)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(dòng)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(lèi)
按用途分類(lèi)：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(dòng)力式壓氣機，動(dòng)力式壓氣機又包括軸流式、離心式和混合式三種。
使用領(lǐng)域
發(fā)電領(lǐng)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(jiǎn)易燃氣機組循環(huán)發(fā)電系統，具有裝機容量大，起停時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，主要應用在電力系統的電力調峰、交通和工業(yè)等領(lǐng)域。
船舶領(lǐng)域
由于燃氣輪機具有結構緊湊、重量輕、振動(dòng)小、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，非常符合船艦對動(dòng)力的需求。用于船艦領(lǐng)域的燃氣輪機，通常采用多種先進(jìn)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(jīng)受頻繁的工況變化以及長(cháng)時(shí)間高負荷運行、更長(cháng)的翻修壽命。
車(chē)輛領(lǐng)域
自從1950年，英國Rover公司實(shí)現第一輛燃氣輪機汽車(chē)制造以來(lái)，車(chē)輛燃氣輪機的發(fā)展從未間斷過(guò)，其機組性能也不斷得到提升。用于車(chē)輛領(lǐng)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(dòng)；(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(lǐng)域
由于燃氣輪機可以連續做功，輸出功率高且重量輕，以及優(yōu)異的噴氣推進(jìn)效率，因此燃氣輪機作為噴氣式航空動(dòng)力具有絕對優(yōu)勢。基本類(lèi)型有：用于飛機的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機、渦輪螺獎發(fā)動(dòng)機，用于直升機的渦輪軸發(fā)動(dòng)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(dòng)迅速可靠、加速性好，以及抗沖擊。
其他領(lǐng)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(guò)安裝余熱鍋爐的方式回收熱量，生產(chǎn)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(dòng)阻力，常需用壓縮機將天然氣壓縮升壓。使用燃氣輪機驅動(dòng)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(jīng)濟合適的方式。一般將燃氣輪機驅動(dòng)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(cháng)距離管道輸送是最經(jīng)濟的方法，它需用泵站將原油升壓來(lái)輸送，泵站中廣泛用 離心泵，現大多用電動(dòng)機來(lái)驅動(dòng)。但是，在缺電、邊遠和荒漠無(wú)人的地區，以及大容量的輸油管線(xiàn)中，應用燃氣輪機作驅動(dòng)動(dòng)力則是較合適。
鋼鐵冶煉
在鋼鐵冶煉工業(yè)中，會(huì )產(chǎn)生大量可燃氣體的副產(chǎn)品（高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣），將這些副產(chǎn)品用于燃氣輪機，一方面，燃氣輪機產(chǎn)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(chǎn)生的電力和機械動(dòng)力可以返回給冶煉高爐使用。
故障分析
常見(jiàn)故障及原因分析
故障現象 | 原因分析 |
機組不能起轉 | 起動(dòng)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(dòng)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 | |
燃油系統故障致使燃料流量偏小 | |
點(diǎn)火失敗 | 電點(diǎn)火器線(xiàn)圈失電或斷路 |
點(diǎn)火器電極被積炭短路 | |
燃料系統故障，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(zhì)引起堵 | |
換進(jìn)氣系統因結冰堵塞 | |
機組不能空轉 | 點(diǎn)火后因熄火導致停機或升速緩慢 |
燃料供應量過(guò)大，導致起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生“熱懸掛” | |
防喘系統失靈 | |
機組喘振 | 加載速度過(guò)快導致機組在啟動(dòng)過(guò)程升速慢 |
機組啟動(dòng)和停止時(shí)防喘放氣閥不在打開(kāi)狀態(tài) | |
帶不足負荷 | 可能是燃料系統由于濾網(wǎng)堵塞、燃料噴嘴結焦等導致供應壓力不足 |
進(jìn)氣過(guò)濾器堵塞，空氣流量不足 | |
可調靜葉開(kāi)度未達到規定值 | |
壓氣機葉片、透平噴嘴嚴重積垢 | |
透平噴嘴、動(dòng)葉嚴重腐蝕磨損 |
發(fā)展趨勢
總體發(fā)展趨勢
不同規模的燃氣輪機的發(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；
- 拓寬燃料適用范圍，滿(mǎn)足燃料多樣性的需求；
- 進(jìn)一步降低
- 采用新型熱力循環(huán)和新工質(zhì)以及完善控制系統，從而優(yōu)化總體性能；
- 開(kāi)發(fā)使用未來(lái)級的新一代高溫材料與冷卻技術(shù)；
- 使用先進(jìn)新型熱力循環(huán)和新一代工質(zhì)，來(lái)優(yōu)化總體性能和完善控制系統。
另外對于重型燃氣輪機，采用先進(jìn)的氣動(dòng)設計技術(shù)來(lái)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(guò)局部的設計改動(dòng)，實(shí)現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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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
