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燃气轮机的检修任其智编著机 械 工 业 出 版 社中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-本书总结了作者最近十多年的工作经验，较全面、详细地介绍了燃气轮机的结构，燃气轮机检修计划的制定，影响燃气轮机检修周期的各有关因素，检修工作的组织实施，检修中应注意的有关事项及检修后的验收等。虽然本书主要是根据 系列的发电用重型燃气轮机的有关资料编写的，但对其他公司生产的发电用重型燃气轮机的检修也有较重要的借鉴作用。图书在版编目（）数据燃气轮机的检修 任其智编著 北京：机械工业出版社，燃 任 燃气轮机 检修 中国版本图书馆 数据核字（）第 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 号邮政编码 ）策划编辑：吉玲责任编辑：刘星宁版式设计：张世琴责任校对：姚培新封面设计：陈沛责任印制：洪汉军北京京丰印刷厂印刷新华书店北京发行所发行 年 月第 版第 次印刷 印张 插页 千字 册定价：元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换本社购书热线电话（）、封面无防伪标均为盗版中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-前言燃气轮机是一种新型的动力机械，它具有起动快、建设周期短、排气污染轻、占地面积小和耗水量少等显著优点，近来发展非常迅速。在西方一些发达国家，发电用燃气轮机的装机容量占发电总装机容量的一半左右。对于我国目前缺电严重且峰谷用电量相差很大的情况，燃气轮发电机组作为调峰机组，具有其他发电机组无法比拟的优越性。燃气轮机在改造热效率低、排气污染严重且耗水量很大的中、小型电厂的工作中，也占有很重要的地位，所以燃气轮机在我国的应用具有非常光明、广阔的前景。改革开放以来，我国陆续建造了几个燃气轮机电厂。在西气东输和大规模使用液化天然气的形势下，目前正在大规模地建造燃气轮机电厂。因此燃气轮机的检修也就很自然地提上了议事日程，为适应这种形势，作者根据十多年的工作经验写成了此书，以供同仁及有志于从事燃气轮机检修工作的人士参考。由于作者的知识水平及经历有限，不当和错误之处在所难免，敬请广大读者批评指正。在本书的写作和出版过程中，得到了南京汽轮电机（集团）有限责任公司的大力帮助和支持，在此表示衷心的感谢。南京汽轮电机（集团）有限责任公司任其智中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-目录前言第 章概述 燃气轮机应用的现状及发展前景 燃气轮机检修的重要性 检修计划的制定及检修周期的确定 检修的分类 燃烧系统检查（亦称小修）热通道检查（亦称中修）整机检查（亦称大修）第 章燃气轮机的工作原理和结构 燃气轮机的工作原理 燃气轮机的结构 压气机 燃烧室 透平 与燃气轮机本体配套的主要辅助设备 与燃气轮机本体配套的主要辅助系统 第 章燃气轮机的检修方法 检修前的准备工作 监理单位和检修队伍的确定 备品备件的准备 专用工具的准备 技术准备 检修过程中应注意的事项 检修过程中应注意的关键部位 保证检修质量的措施 检修后的验收 检修报告的编写 第 章 燃气轮机的大修工艺 拆卸部分 中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden- 检查部分 主机部分 辅机系统的拆卸、检查和复装 复装部分 后记 附录 附录 缝隙式火焰筒的检查标准 附录 鱼鳞孔型燃烧室头部端盖的检查标准 附录 联焰管和弹性卡板的检查标准 附录 过渡段的检查标准 附录 导流衬套的检查标准 附录 点火火花塞的检查标准 附录 检查报告范例 参考文献 中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-第 章概述 燃气轮机应用的现状及发展前景燃气轮机作为新型的动力设备，由于具有结构紧凑，单位功率重量轻，运行平稳且安全可靠，可以大型化且热效率较高，可以快速起动和带负荷等显著的优点，受到世人的广泛关注，应用的范围越来越广。在航天航空领域里是独一无二、不可替代的动力设备；在航海和陆上交通运输领域里也占有越来越重要的地位，在一些现代化的舰船上，均采用燃气轮机作动力设备。陆上交通运输工具，如汽车、火车机车及军用坦克上也采用燃机作动力设备；在发电领域里，由于燃气轮机电厂占地面积少、建设周期短、水的消耗量少、排气污染轻受到人们的广泛关注，尤其是以燃气轮机为主组成的燃气蒸汽联合循环电厂不仅排气污染轻，而且其热效率已达到和超过了最新型的超超临界参数的蒸汽轮发电机组，所以在发电行业里的应用也越来越多，已动摇了蒸汽轮发电机组在发电行业的霸主地位。可以预期，在不久的将来必定会取代蒸汽轮发电机组在发电行业的霸主地位。据 年的统计，全世界新增发电容量中，燃气轮机及其联合循环已占到 ；在一些西方发达国家里，这个比例还要高，例如 年美国的新增发电容量中，燃气轮机及其联合循环占 ，传统的蒸汽轮发电机组占 ；而在德国，燃气轮机及其联合循环在新增发电容量中占到 。由此可见，在世界范围内燃气轮机及其联合循环已成为火电发展的重要方向。由于以前的燃气轮机及其联合循环电厂以石油及其制品和天然气为燃料，大大制约了燃气轮机的应用和发展，但随着近期煤气化联合循环技术的发展和成熟，燃气轮机不仅可以以油气为燃料，而且可以以中低热值煤气为燃料，这就为燃气轮机的大发展和更广泛的应用奠定了坚实的基础。特别是以燃气轮机为主组成的煤气化联合循环，可以用来改造现有的燃煤的蒸汽轮发电机组，在继续以煤为燃料的同时，又解决了严重的排气污染，还可以增加出力和热效率，这为改造能耗高、排气污染严重的燃煤的蒸汽轮发电机组提供了非常好的选择。此外，燃气轮机还在一些新型发电技术中占据着很重要的地位，如湿空气透平（）循环和燃料电池燃气轮机循环等新型发电技术，这将是今后发电技术发展的主要方向之一。由此可知，燃气轮机具有非常光明的发展前景，其应用会越来越广泛。中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden- 燃气轮机检修的重要性随着燃气轮机的广泛应用，燃气轮机的检修也就很自然地越来越受到人们的关注。尽管燃气轮机的工质的工作压力不是很高，基本上在 之内，但其工质的温度很高，型技术燃气轮机的进气温度为 ，而 型、型技术燃气轮机的进气温度为 左右；并且是高速旋转式机械。在此条件下工作的燃气轮机除了必须加强日常的运行维护之外，还必须定期进行检修，以确保机组能安全的运行。燃气轮机的燃料，可以是天然气，也可以是轻油和重油或原油，甚至是低热值煤气。根据所用燃料的不同，燃气轮机的维护和定期检修的内容和工作量也不同。由于燃气轮机的工作温度很高，又是高速旋转式机械，其工作条件是相当恶劣的，尽管在燃烧系统和热通道部件的选材、加工工艺、涂层及冷却等诸多方面采取了很多抗高温的措施，但在燃气轮机的运行中仍不时发生因高温而引发的各种事故，所以对燃气轮机的定期检修规定了明确且严格的时间周期和具体的检修内容，要严格按照燃气轮机制造厂商提供的技术文件和有关的规范要求进行施工，以期通过检修解决机组运行中发现的问题和虽没有发现但已存在的威胁机组安全运行的隐患，确保机组的安全运行。同时，合理而科学的检修还可以延长燃气轮机各零部件的使用寿命，提高燃机运行的经济性。检修计划的制定及检修周期的确定首先要说明的是，国内燃气轮机电厂中所使用的燃气轮机，绝大多数是 系列的产品，所以我们所能看到的技术文件也基本上是 的，故而我们的叙述也是以 的产品为主。由于燃气轮机所使用燃料的多样性和运行方式的多样化，会对燃气轮机检修计划的制定产生很大的影响。影响燃气轮机检修计划的主要原因如图 所示，而燃气轮机的运行方式又将决定每一个因素的轻重。燃气轮机中特别需要关注的是那些与燃烧过程有联系的及暴露在从燃烧系统中排出的高温烟气中的部件，即火焰筒、联焰管和过渡段等燃烧系统部件及透平喷嘴、透平护环和透平动叶等热通道部件。由于它们在腐蚀性的高温环境里工作，所以发生故障的几率也就比较高，检修中应予以充分的关注。由于材料、加工工艺及涂层等原因，这些高温部件价格很昂贵，是检修的备品备件费用中的主要部分，所以燃气轮机的用户们应对机组的运行予以应有的注意，尽可能地避免超温运行，避免尖峰负荷运行，每次开机尽可能地多运行一些时间，尽量减少超中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-温和频繁的交变热应力对这些高温部件所造成的损害，以延长这些高温部件的使用寿命，提高电厂的经济效益。重型燃气轮机的基本设计和检修的建议是为了达到以下目标：（）检修和大修之间的最长运行周期；（）现成在位检查和维修；（）使用当地的技术力量进行拆卸、检查和复装。图 影响检修计划的主要因素燃气轮机检修计划的制定和检修周期的确定就是根据图 所示的影响检修计划的主要因素和机组的运行方式来决定的。在图 所示的影响检修计划的主要因素中，起主导作用的 也就是影响检修和设备寿命的 因素是机组的运行方式、燃烧温度、燃料和注水 蒸汽。对连续负荷运行的机组，影响机组寿命的主要因素是氧化腐蚀和蠕变，而影响周期负荷运行（调峰）机组寿命的主要是热力机械疲劳；燃料对机组检修周期的影响是显而易见的，因为燃料不同，燃料中对金属材料有害的杂质的含量就不同，所以对机组的燃烧系统部件、热通道部件及透平排气部件所造成的损害也就不同，在图 中列出了各有关因素的热通道（喷嘴和动叶片）检修系数。图 上所示曲线为燃料对检修系数影响的曲线，由于燃料类型的不同，燃料中所含氢的重量百分比也不同，对检修的影响自然也就不同。由图中曲线可以看出，燃料中所含氢的重量百分比越小，检修的周期就越短，反之检修周期就越长。中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-典型的最大检修周期（）热通道检修 或 次起动整机检修 或 次起动以运行小时数或起动次数为基准（先到者为准）影响检修的系数运行时间系数 燃料 天然气 轻油 原油 渣油 尖峰负荷 水 蒸汽注入：干控 （）湿控 （的水，）起动次数系数 满负荷跳闸 快速带负荷 紧急起动 图 热通道（喷嘴和动叶片）检修系数 所推荐的表 中的检修周期是以烧天然气、基本负荷运行且没有注水或注蒸汽作为基本条件的，当机组的实际运行情况与上述基本条件不同时，机组图 燃料类型对检修的影响的真实的检修周期应由推荐的检修周期除以一个大于 的检修系数，而检修系数的大小由燃料类型、尖峰负荷运行的时间、注水 蒸汽的情况、正常负荷起动停机的循环次数、部分负荷起动停机的次数、紧急起动的次数、跳闸次数等因素确定。图 是以运行时数为基准的热通道检修周期，图 是以起动次数为基准的热通道检修周期，这两种热通道的检修周期无论哪一种先达到，均应进行热通道的检修。图 是以运行时数为基准的转子检修周期，图 是以起动次数为基准的转子检修周期，跟热通道的检修一样，无论哪一种周期先达到，均应进行转子的检修。表 推荐的检修周期检测形式（运行时间 ）起动次数 燃烧系统 热通道 整机 转子 转子检修周期不适用于 机组。中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-检修周期（运行时数）检修系数其中检修系数 因素时间实际时间而因素时间（）（）用天然气每年按基本负荷运行的时数用轻油每年按基本负荷运行的时数用重油每年按基本负荷运行的时数重油严重系数（渣油 ，原油 ）每年尖峰负荷运行的时数 水 蒸汽注入占进气流量的百分比和 水 蒸汽注入常数控制蒸汽注入量 材料干 干 干 湿 湿 图 以运行时数为基准的热通道检修周期检修周期（起动次数）检修系数其中检修系数 因素次数实际起动次数而因素次数 实际起动次数 因机组型号而异的以起动次数为基准的最大检修周期 每年部分负荷起动停机循环次数（负荷 ）每年正常基本负荷起动停机循环次数 每年尖峰负荷起动停机循环次数 每年紧急起动次数 每年快速升负荷起动次数每年跳闸次数跳闸严重系数（负荷）（见图 ）跳闸种类数（如满负荷，部分负荷等）机型 图 以起动次数为基准的热通道检修周期中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-转子检修周期（运行时数）检修系数其中检修系数 而 基本负荷运行时数尖峰负荷运行时数 盘车时数图 以运行时数为基准的转子检修周期转子检修周期（起动次数）（不要达到 次）检修系数（检修系数）其中检修系数 热起动系数（停机 ）暖起动 系数（停机 ）暖起动 系数（停机 ）冷起动系数（停机超过 ）甩负荷跳闸系数快速带负荷正常带负荷 注：在停机后 内重新起动时用冷起动的转子维修系数 热起动次数 暖起动 次数 暖起动 次数 冷起动次数 跳闸次数图 以起动次数为基准的转子检修周期图 甩负荷跳闸的检修系数中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-根据图 图 就可以确定热通道和整机（即大修）的检修周期，但燃烧系统的检修周期没有给出这样的形式，对于燃烧系统设备的时间、燃料、稀释剂种类和排放水平都分别给出了建议，对于特定应用方式的机组的燃烧系统检修周期可由燃气轮机制造厂商的现场服务代表给予推荐，或参照 燃烧系统检修周期的例子（由表 ）来确定。制定检修计划和确定检修周期时除了根据燃气轮机制造厂商提供的技术文件和推荐的检修周期之外，还应在机组停机时利用孔探仪对机组的实际运行状况进行检查，综合考虑孔探仪检查的情况和机组在实际运行的过程中发现的问题来确定具体的检修日期和检修范围，以确保机组运行的安全可靠和降低检修的费用。表 推荐的 燃烧系统检修周期燃烧室设计 排放（）稀释剂燃料天然气轻油（运行时数 ）起动次数标准燃烧室 干 蒸汽 水 蒸汽 水 多喷嘴燃烧室 蒸汽 水 蒸汽 水 干低 干 注：燃烧系统耐磨件使燃烧检修延至 。检修的分类由于燃气轮机各部分工作温度的高低不同，所以检修的周期也不同，通常可中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-将燃气轮机的检修分成以下三种不同形式。燃烧系统检查（亦称小修）由于燃烧系统是燃气轮机中工作温度最高的，所以燃烧系统的部件出故障的几率也就多些，燃烧系统的检查，即小修的周期也就最短。燃烧系统检查的目的是消除燃烧系统中影响机组安全运行的因素。根据机组型号的不同，按以烧天然气、基本负荷运行且没有注水或注蒸汽作为基本条件所推荐的检修周期也不同，详见表 。燃烧系统检修的范围包括从燃料喷嘴开始到过渡段为止的整个燃烧系统的所有部件，详见图 。图 各种检修的工作范围燃烧系统是燃气轮机的各组成部分中变化最大、型式最多的一个组成部分，所以其检修的方式方法和技术要求的变化也最多。如 系统的燃气轮机基本都是采用逆流分管式的燃烧系统，如图 图 所示，只是由于机组容量的不同，分管式燃烧室的数量有所不同而已，如 型燃气轮机有 个分管式燃烧室，而 型燃气轮机有 个分管式燃烧室；德国 公司生产的燃气轮机多采用圆筒式燃烧室和环形燃烧室，如图 是双立式的圆筒形燃烧室，图 是双卧式的圆筒形燃烧室，图 则是环形燃烧室；公司生产的燃气轮机采用圆筒形燃烧室和二次燃烧的环形燃烧室，如图 是立式的单圆筒形燃烧室，图 是二次燃烧的环形燃烧室，这种结构形式虽增加了转子的轴向长度，但可以降低燃气轮机的初温，也就是降低燃烧温度，从而达到降低 排放造成的污染且保持较高的机组热效率。由此可见，燃气轮机燃烧系统的变化还是很大的，因此燃烧系统检修的方式方法也应有很大的差异。中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-图 系列燃气轮机上采用的分管型燃烧室的总成图 燃料喷嘴 盖板 外壳 点火器 导流衬套 火焰筒 环腔 过渡段 混合区 混合射流孔 一次射流孔 燃烧区 过渡锥顶 配气盖板 旋流器图 燃气轮机的示意图中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-图 双立式圆筒形燃烧室的结构中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-图 双卧式圆筒形燃烧室的结构图 环形燃烧室的结构中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-图 单立式圆形燃烧室的结构图 二次燃烧的环形燃烧室的结构目前，我国各燃机电厂使用的燃气轮发电机组，无论是引进机组还是国产机组，主要是以 系列的燃气轮机为主。根据 系列燃气轮机的分管式燃烧系统，其检修的主要工作是拆下燃料喷嘴，打开燃烧室端盖，拆出联焰管、火焰筒、过渡段和导流衬套，重点检查燃料喷嘴、火焰筒、过渡段、联焰管、导流衬套、单向阀、火花塞和火焰探测器等零部件，检查其积碳、结垢、烧蚀、烧融、中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-烧穿、裂纹、腐蚀、涂层剥落等情况，并检查单向阀的密封性和开启压力、火花塞和火焰探测器的性能等等。对某些可以现场修复的零部件现场修复后回用；对某些现场不能修复的更换新件，换下的旧件送制造厂或专门的修理厂修复后作为下次检修时的备件，以降低检修中备品备件的费用。热通道检查（亦称中修）热通道部分是燃气轮机各组成部分中工作温度仅次于燃烧系统的工作温度，是燃气轮机中将工质的热能和压力能转换成机械功的部分，并且是高速旋转件，可以说是燃气轮机的各组成部分中工作条件最恶劣的部分，尽管热通道部分的零部件采用了耐热合金钢，并采取了尺可能完善的冷却技术和抗氧化、抗腐蚀的涂层，发生故障的几率还是较高的，所以必须定期进行检修，其检修的周期比燃烧系统的检修周期长些。由图 可知，热通道检修的范围包括从燃料喷嘴开始到透平末级动叶为止的所有零部件，由此可知热通道检修时也要进行燃烧系统的检查，检查的内容和技术要求如前所述，在此就不重复了。热通道检查的主要部分是透平通流部分，吊起透平上缸，拆吊出一级喷嘴的上下半；其他几级喷嘴是否拆吊出根据实际情况而定；检查诸级喷嘴和动叶的积垢、裂纹、烧蚀、腐蚀、烧融、外物击伤、涂层剥落及其他的损坏情况；检查各级护环的烧蚀、烧融、腐蚀和其他的损坏情况；检查压气机进口可转导叶及两端衬套的情况，并用孔探仪检查压气机的叶片。仔细、彻底地清除透平喷嘴叶片和动叶片上的积垢，必要时更换某些受损严重的零部件，特别是一级喷嘴。通常在热通道检查期间对辅机部分也进行检查，打开辅助齿轮箱检查各传动轴的轴颈和轴瓦，检查燃油泵、燃油分配器及燃油旁通阀，检查主滑油泵、交流辅助滑油泵、直流应急（事故）滑油泵，检查冷却水泵、液压油泵、各种油滤的滤芯，滑油冷却器和雾化空气预冷器等，必要时还要检查燃油的前置系统，清洗和检查进气过滤器室，甚至更换过滤元件。以期通过热通道检查消除热通道部分运行中已发现的故障和运行中虽未发现但已存在的各种隐患，从而提高机组运行的安全可靠性，并提高机组的出力和热效率。整机检查（亦称大修）由图 可知，大修的范围包括从压气机的进气室开始到透平排气室为止的所有零部件。由此可知大修中亦包括了燃烧检查和热通道检查两部分，这两部分的检查内容和技术要求前面已叙述过，在此就不重复了。大修中除吊下透平上缸之外，还要吊下压气机的进气弯头、压气机的进气上缸、前缸的上缸、后缸的上缸、压气机的排气缸上缸及排气内缸的上缸；吊下透平排气缸上缸；吊下辅助联轴器和负荷联轴器；吊下机组各轴承的上轴承盖、上半轴瓦，最终吊出压气机和透平的转子；并且还要拆下透平的诸级喷嘴。仔细检查压气机各级动叶和静叶的积垢及外物击伤的情况，并进行彻底清洗，仔细检查各轴颈的划痕、摩擦损伤、中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-椭圆度和锥度并进行相应的处理；仔细检查各轴瓦的顶隙、侧隙、划痕和摩擦损伤并进行相应的处理；仔细检查各轴承座的紧力、油封和气封的间隙等；检查压气机进气系统和透平排气系统，必要时进行相应的处理。大修是所有检修中工作量最大、耗时最长、所需备品备件最多的一项检修工作，费用也是最高的，所以各燃气轮机用户均对此给予极大的关注，期望通过大修不仅要消除运行过程中已发现的各种不正常现象，也希望消除运行过程中虽未发现但已存在的危及机组安全运行的各种隐患，从而提高大修后机组运行的安全可靠性，所以大修工作，是一项非常严谨而仔细，技术要求很高的工作。大修之前必须彻底了解燃气轮机制造厂商提供的所有技术文件和有关的规程，并以此为依据仔细施工，以保证检修的质量。许多燃气轮机制造厂商，根据自己所生产机组多年的运行经验，对某些零部件的修复和更换周期给燃气轮机用户推荐了一些参考图表，用户可按这类图表确定是否对零部件进行拆下修复以作下次检修时的备件或更换后报废，这样既确保了机组的安全运行，又可以降低检修中备品备件的费用，尤其在备品备件多为进口的情况下，这一点显得尤为重要。下面的几张图表就是 公司为自己生产的几种型号的机组向用户推荐的某些零部件的修复和更换周期。表 是早期生产的 型技术的燃气轮机某些零部件的修复和更换周期，表 是较早期生产的 型技术的燃气轮机某些零部件的修复和更换周期，表 是近期生产的 型技术的燃气轮机某些零部件的修复和更换周期。表 某些零部件的修复和更换周期零部件名称修复周期更换周期（运行时间）更换周期（起动次数）火焰筒 （）（）过渡段 （）（）燃料喷嘴 （）（）联焰管 （）（）燃油分配器（轻油）（）（）燃油泵（轻油）（）（）一级喷嘴 （）（）二级喷嘴 （）（）三级喷嘴 （）（）一级动叶 （）（）（）二级动叶 （）（）三级动叶 （）（）一级护环 （）（）二和三级护环 （）（）注：为燃烧系统检查周期；为热通道检查周期。按以运行时间为基准的热通道检查周期进行重涂。是没有重涂的热通道检查周期；是有重涂的热通道检查周期。中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-表 （）（）（）（）（）某些零部件的修复和更换周期零部件名称修复周期更换周期（运行时间）更换周期（起动次数）火焰筒 （）（）端盖 （）（）过渡段 （）（）燃料喷嘴 （）（）联焰管 （）（）一级喷嘴 （）（）二级喷嘴 （）（）三级喷嘴 （）（）一级护环 （）（）二级护环 （）（）三级护环 （）（）排气室 一级动叶 （）（）（）二级动叶 （）（）三级动叶 （）（）注：为燃烧系统检查周期；为热通道检查周期。现在的零部件可能无法达到这个时间间隔。目标是要达到 （），根据机组负责人的经验而定。要求 部件或有 涂层和其他设计改进的 部件；同时要求在每次 时进行修复和重新涂层。叶冠加焊硬面，并在第一次 时重新涂层才能达到 的更换寿命。表 某些零部件的修复和更换周期零部件名称修复周期更换周期（运行时间）更换周期（起动次数）火焰筒 （）（）端盖 （）（）过渡段 （）（）燃料喷嘴 （）（）联焰管 （）（）一级喷嘴 （）（）二级喷嘴 （）（）三级喷嘴 （）（）一级护环 （）（）中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-（续）零部件名称修复周期更换周期（运行时间）更换周期（起动次数）二级护环 （）（）三级护环 （）（）排气室 一级动叶 （）（）二级动叶 （）（）三级动叶 （）（）注：为燃烧系统检查周期；为热通道检查周期。目标是要达到 （），根据机组负责人的经验而定，并且每次 时进行修复和重新涂层。要达到 （）的更换寿命需要在第一次 时重新涂层。此二项有误，很可能是右边相同二项的更换寿命 作者注。中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-第 章燃气轮机的工作原理和结构 燃气轮机的工作原理燃气轮机是内燃式的旋转式动力机械，它综合了内燃机（其中也包含柴油机）和蒸汽轮机双方的优点且避免了两者的缺点，所以它是一种新型的动力机械。内燃机和柴油机是内燃式的动力机械，但它是往复式的，所以运行时振动很大。尽管内燃机和柴油机的热效率较高，但单机功率较小，且极难实现大型化，运行时价格昂贵的润滑油的消耗量较大，维修费用又较高且维修后的出力总比新机时低，单位功率的金属消耗量也较大，所以只能应用在对功率要求较小的汽车及中小型船舶等运输工具上。蒸汽轮机是外燃的旋转式动力机械，运行平稳且振动较小，也可以较容易地大型化。但由于是外燃式的，运行时必须配备体积庞大的冷凝器、锅炉本体及煤处理设备等附属设备，所以占地面积很大且排烟造成的污染很严重，运行时锅炉给水和冷却水的消耗量很大，单位功率金属的消耗量也很大。燃气轮机是内燃的旋转式动力机械，运行平稳且振动较小，也不需要体积庞大的冷凝器、锅炉本体及煤处理等附属设备，占地较小，水的消耗量也很少，而且排气造成的污染也轻，也能较容易地实现大型化，单位功率的金属消耗量是三种动力设备中最少的，所以发展极其迅速，应用的场合也越来越广。燃气轮机的工作原理见图 。图 简单循环燃气轮机的工作原理图 压气机 燃烧室 透平 轴承 负荷中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-由图 可知，空气由压气机的入口处进入压气机 ，经过压缩提高压力后排入燃烧室 ，与进入燃烧室的燃料混合燃烧，提高燃烧所产生燃气的温度后进入透平 ，高温、高压的燃气在透平里膨胀，将燃气的热能和压力能先转变成燃气高速运动的动能，随后再进一步转变成机械功。大约 的机械功用来拖动压气机，以提高空气的压力，维持燃气轮机的运行，另外所剩的约 的机械功对外输出，以驱动其他的机械或驱动发电机产生电力。对航空燃气轮机来说，高温、高压的燃气在透平里膨胀所产生的机械功仅够用来驱动压气机，以提供维持机组运行所需的高压空气；燃气中没有转变成机械功的那部分热能和压力能转变成燃气高速运动的动能从透平的尾喷管向外高速喷出，以产生推动飞机或其他飞行器向前飞行的推力。从严格的意义上来说，图 仅是发电用或机械拖动用燃气轮机的工作原理图，如果是航空燃气轮机，图 中的负荷 就不存在了。燃气轮机的结构从上述可知，燃气轮机的主机部分是由压气机、燃烧室和透平三大部件构成的，现分别介绍如下：压气机压气机是燃气轮机的主要组成部件之一，它是由固定在基础上不动的气缸和在气缸内旋转的转子两大部件组成，其作用是为燃气轮机的运行提供高压力的空图 离心式压气机示意图 轴承 气封 无叶扩压器 有叶扩压器 回流器 转子 工作叶轮 气缸气。由此可知，压气机是一个耗功的部件，由透平为压气机提供对空气进行压缩增压所需的能量。压气机有离心式压气机与轴流式压气机之分。在离心式压气机里，气流是径向流动的，其示意图如图 所示。这种压气机的单级压比较大，在总压比一定的条件下，所需压气机的级数较少。这种压气机的流量比较小且效率也较低，仅能用在小型的燃气轮机上。轴流式压气机是叶片式机械，气流在其中是轴向流动的。这种压气机的单级压比较中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-小，在总压比一定的情况下，所需压气机的级数比离心式压气机要多，但这种压气机的流量比相同直径下离心式压气机的流量要大，效率也较高，并且可以大型化，所以在大型燃气轮机上毫无例外地均采用轴流式压气机。为了减轻转子的重量，目前轴流式压气机多采用拉杆式转子。转子由若干个大饼式的叶轮组成，在每个叶轮上安装有一级动叶片，这些叶轮组装好后由若干根拉杆按一定的紧力拉紧而组成一个完整的转子。这种结构的转子在更换动叶片时必须将拉杆拆下，将转子拆成一个个的叶轮，更换好动叶片后再用新的拉杆重新拉紧。轴流式压气机的示意图见图 。图 轴流式压气机示意图 进口收敛器 进口导向叶片 动叶片 静叶片 出口导向叶片 出口扩压器 转子 气缸 轴承空气经进气过滤器室滤去空气中的灰尘等固体颗粒进入进气道，经进气消音器降低进气噪声后，再经进口收敛器加速和进气导向叶片改变进气方向，进入压气机的第一级，通过安装在转子上的动叶片输入能量使气流加速，随后进入安装在气缸上的扩压式通道的静叶片，气流在静叶片里降低速度而提高压力，气流再依次通过后面的诸级，重复第一级里的过程，由最后一级排出的气流再经过出口导向叶片改变方向后，进入排气扩压器进一步降速增压，最后进入燃烧室，与进入燃烧室的燃料混合、燃烧，提高温度，经过渡段引入到透平里膨胀做功。空气在压气机里的增压主要是在静叶片里实现的，动叶片主要是向气流提供能量、增加气流的速度，在某些压气机里，气流在动叶片里加速的同时，压力也略有增加。前面已提到过，为了提高压气机的排气压力，大型燃气轮机的压气机都是由若干个级组成的多级压气机，如 型和 型燃气轮机的压气机都是由 个级组成的。每个级都是由位于前面（顺气流方向看）、安装在转子上的动叶片和位于动叶片之后、安装在气缸上的静叶片组成的。动叶片随转子一起旋转，并通过动叶片向气流提供能量使其加速，从动叶片出来的气流立即进入静叶片，并在静叶片通道里减速增压。为了提高压气机运行的安全性，压气机第一级之前的进口导向叶片设计成可中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-以转动的，称为进口可转导叶。在一些高性能的燃气轮机上，除了压气机的进口导向叶片可以转动之外，其第一级静叶片，甚至第二级静叶片也设计成可以转动的，这无疑增加了压气机结构的复杂性，增加了生产成本。但可以根据运行的需要改变其安装角，从而确保压气机运行的安全可靠性和部分负荷下较高的效率，提高了部分负荷下燃气轮机的热效率。为了保证机组在起动和停机时的安全性，在多级压气机里除设计有进口可转导叶之外，还在压气机的某中间级后设有防喘放气阀。如 型和 型燃气轮机的压气机第 级后设有防喘放气阀，在机组起动或停机时防喘放气阀打开，而在正常运行时防喘放气阀处于关闭状态。图 所示即为防喘放气阀的结构示意图。图 多级轴流式压气机上的防喘放气阀轴流式压气机的耗功量是很大的，约 燃气轮机所发出的功率被压气机消耗掉，所以要尽可能地降低压气机的耗功，提高燃气轮机的静输出功一直是叶轮机械工作者孜孜追求的目标，要达到这个目标有以下几种方法：首先是提高压气机动叶片和静叶片的空气动力性能，尽量提高压气机的效率。压气机的设计者和制造者为此花费了大量的人力、物力和财力，目前压气机的效率已达到了相当高的程度。第二是降低进口空气的温度，从而降低压缩功，这样就可以达到降低压气机耗功的目的。尤其是对在热带地区运行的燃气轮机组和夏季高温季节运行的燃气图 一级中间冷循环燃气轮机的示意图 低压压气机 间冷器 高压压气机 燃烧室 燃气透平 负荷轮机组，降低进口空气温度的效果是非常显著的。第三是采用中间冷却循环。因为随着空气压力的增加，空气的温度也要升高，从而使压缩空气消耗的功就增加，为了降低压气机后面几级的压缩功，可在压气机中间某一级之后将空气全部抽出，进入中间冷却器将空气的中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-温度降低之后，再重新进入压气机进行后面几级的压缩，进一步提高空气的压力，这样就可以降低压气机所消耗的功，图 所示就是一级冷却的中间冷却循环。比不带中间冷却的循环，中间冷却循环在相同的压比下可明显降低压气机所消耗的功率，增加燃气轮机的输出功率。并且，中间冷却后空气温度降低得越多，就越能降低压气机的耗功，并增加燃气轮机输出功率。但中间冷却循环无异会使压气机的结构复杂化，并且会增加压气机的轴向长度，也要消耗空气的部分压力，从而使生产成本上升，究竟采用何种循环，要进行技术、经济综合比较，最后才能确定。第四是采用双转子甚至三转子结构，这种结构形式通常用于航空燃气轮机。图 是一种双转子结构的涡轮风扇航空发动机的结构示意图。高转速的高压透平带动高压压气机，而低转速的低压透平带动低转速的风扇。图 加力涡轮风扇发动机示意图 风扇 高压压气机 高压透平 加力燃烧室喷油杆 火焰稳定器 排气喷管 进口导流叶片 高压压气机可调叶片 燃烧室 低压透平图 是另一种双转子结构的涡轮喷气航空发动机，也是由高转速的高压透平带动高压压气机，低转速的低压透平带动低压压气机。由两种不同转速的透平分别带动低压压气机（或风扇）和高压压气机，在相同的总压比下，比由同一转速的透平带动的压气机所消耗的功要少些。但是，这种结构比单轴结构要复杂，技术上的难度也大，导致生产成本也高，所以发电用燃气轮机很少采用这种结构。第五是采取喷水冷却技术。在压气机的某中间级之后喷入雾化成颗粒很细小的水，在较高的空气温度下，细小颗粒的水滴很快汽化，从而可以明显地降低喷水后空气的温度，显著地降低喷水后压气机的空气压缩功。因为水的汽化潜热高达 左右，而空气的比热只有 （）左右，的水要吸收约 （）的热量才可以变成同样温度条件下的蒸汽，从而可以使大量空气的温度显著降低，所以实际的喷水量很有限。虽然喷水可以增加空气的湿度而使燃气轮中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-图 双轴结构的涡轮喷气发动机示意图机的出力有所降低，但由于喷水量有限，故出力的降低也很有限，而喷水使压气机耗功的降低却是非常显著的，故燃气轮机出力的增加也是很明显的，所以两者综合之后，喷水冷却还是可以显著增加燃气轮机的出力。惟一需要考虑的是，增加喷水装置会使压气机的结构复杂化，增加生产成本，另外，喷水装置必须确保能使水雾化成颗粒很细小的水滴，使水能很快全部汽化成蒸汽，这项技术难度较大。燃烧室燃烧室是燃气轮机的另一个主要组成部件，它的作用是通过向燃烧室加入燃料进行燃烧，将燃料的化学能转变成热能，此热能把进入燃烧室的高压空气加热成高温、高压的燃气。然后这种高温、高压的燃气进入透平并膨胀作功，燃气中所含的热能和压力能转变成机械功。这些机械功的一部分用来带动压气机对空气进行压缩，以提供维持机组运行所需的高压空气；而另一部分则对外输出，或用来带动发电机而提供电能，或直接驱动其他动力机械，如水泵、船舶螺旋浆等。从这个意义上来说，燃烧室就是一个加热器，为高压空气的加热提供热能。对燃烧室的主要要求如下：（）满足给定的出口平均温度 这是燃烧室必须要达到的最基本的要求，因为 低了，机组就会出力不足；如果 高了，热通道部件的材料因无法承受过高的燃气温度而使机组无法安全运行。（）火焰短而稳定，出口温度场均匀这也是对燃烧室最基本的要求，因为火焰长的话，将会烧到热通道的部件上，尤其透平第一级喷咀叶片，很容易被烧坏，所以火焰必须限制在燃烧室之内，否则就要重新进行调整，直到满足要求为止。燃烧室必须在机组的各种运行工况下都能稳定的燃烧，不得发生强烈的火焰脉动，以免造成高温零部件的过热或热冲击，更不能熄火而停机；出口温度场均匀则表示燃烧室里流动的紊流度较低，则压力损失就小，就会增强透平的做功能中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-力，通常可用下述两种方法表示出口温度场的不均匀程度：最大不均匀度最高温度 出口平均温度出口平均温度 入口平均温度不均匀系数最高温度 出口平均温度出口平均温度一般要求，最大不均匀度 ，不均匀系数 。（）燃烧效率高燃烧效率高表示燃烧室里燃料燃烧的完全程度高和燃烧室的散热损失较少，所以在给定的出口温度 下所消耗的燃料较少，从而在其他条件不变的情况下可以提高机组的热效率，提高机组运行的经济性。目前燃烧室的效率可达 。（）燃烧室的压力损失要小在透平结构已确定的情况下，透平里膨胀比的高低就是决定透平做功能力高低的一个关键因素。我们知道，在机组结构已确定的情况下，压气机的排气压力是一定的，如果空气在燃烧室里加热时压力损失较大，则燃气进入透平时的压力就较低，因此膨胀比就要降低，从而降低了透平的作功能力，这是我们所不希望的；只有空气在燃烧室里加热时的压力损失较小，才可以增加透平的作功能力