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【知识课堂】燃气轮机科普贴!你想知道的这里都有!

中国动力6004822018-07-10 10:05:11

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1、燃气轮机是什么?


燃气轮机(Gas Turbine)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。


燃气轮机结构最简单,而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、启动快、少用或不用冷却水等一系列优点。


2、基本简介     


燃气轮机在空气和燃气的主要流程中,只有压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气透平(Turbine)这三大部件组成的燃气轮机循环,通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。


压气机从外界大气环境吸入空气,并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压,同时空气温度也相应提高;压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体;然后再进入到透平中膨胀做功,推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转,实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功,并输出电功。从透平中排出的废气排至大气自然放热。这样,燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能,又把部分热能转变成机械能。通常在燃气轮机中,压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的,它是透平的负载。在简单循环中,透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机,其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。在燃气轮机起动的时候,首先需要外界动力,一般是起动机带动压气机,直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时,外界起动机脱扣,燃气轮机才能自身独立工作。


3、工作原理   


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,随即流入燃气涡轮中膨胀做功,推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加热后的高温燃气的做功能力显著提高,因而燃气涡轮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℃。


4、优势与劣势


优势上

1. 直接输出旋转运动,不要将直线往复运动转换成旋转运动的情境适用于燃气轮机较好,所以喷射机和船舶很适合,但一般人使用的发电机或汽车则不是最佳适用。


2. 不需要暖机也没有那么多冷启动问题,在冷天候地区不需要加防冻液之类。


3. 支持多种燃料:汽油,柴油,煤油,花生油,几乎任何可燃性液体甚至混和液体都适用。

劣势上

1. 适合高速稳定运转情境,怠速或者加速时效率相对要低很多,并且怠速时油耗费用极高。这可以算是家用汽车最不适用的成因。


2. 运转时发动机内温度持续很高,对材料抗高温和耐久性是高要求造成价格昂贵。


3. 噪声大,有一种独特的尖锐噪音就算分贝降低对许多人仍难以忍受。

瞬时响应并不好,对汽车在城市环境下使用有影响。


4. NOx氮氧化物的排放与温度成指数相关,因此高温的轮机就有极高排放,这可算是排放标准趋严的态势下最致命缺点。


5、内部结构       


燃烧室和涡轮不仅工作温度高,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,即改进涡轮叶片的冷却技术,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,用它来做涡轮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)同时作为压气机和涡轮的工质。


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END

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