燃气涡轮发动机是什么?

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楼主 2020-04-02 13:36:40
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Modicon发动机,我们在日常生活、工作中都经常用到,但不知道大家对“燃气涡轮发动机”是否知道呢?本文收集整理了一些资料,希望本文能对各位读者有比较大的参考价值。


燃气涡轮发动机
 
发展

燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备,是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体,燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平,是21世纪的先导技术。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业,是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一,具有十分突出的战略地位。

由于多方面的原因,我国燃气轮机同国际先进水平相比仍存在很大差距,尚未形成真正的产业。诸多领域动力落后的状态,已成为制约国民经济发展的“瓶颈”,其技术仅被世界上少数几个发达国家所控制,目前,先进的燃气轮机在西方国家仍然限制对华出口。

燃气轮机属于重大核心装备,如果长期依赖进口,在关键技术上受制于人,不利于我国燃气轮机动力产业及相关产业的健康、快速发展。从市场容量看,我国新世纪四大工程中“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”等三大工程均需要大量30兆瓦级工业型燃气轮机,同时我国舰船制造业的健康快速发展需要大量30兆瓦级舰船燃气轮机,我国已成为世界最大的燃气轮机潜在市场。

面对经济全球化、国际燃气轮机市场激烈竞争和国外高度垄断的新形势,国家对我国民族燃机产业的发展非常重视,国家发改委和科技部已经将我国燃气轮机市场发展的思路和对策纳入“十二五”及长期发展规划中,重型燃气轮机是国家优先发展的10项重大技术装备之一。是国家装备制造业重点发展的领域,特别是燃气-蒸汽联合循环机组和整体煤气化燃气-蒸汽联合循环机组。前瞻网预计随着中国能源需求迅猛增长以及天然气资源进入大规模开发利用阶段,燃气轮机正在形成一个“爆发性增长”的市场。到2020年,全国燃气轮机联合循环装机容量将达到5500万千瓦,是2000年之前50年已建成同类装机容量的25倍。据《中国燃气轮机行业发展前景与投资预测分析报告前瞻》[1]数据显示,仅中石油一家,每年需要的燃气轮机价值就达到了30亿元。到2015年,国内燃气轮机的市场容量能达到300亿元,而国际市场容量则能达到2700亿元。

基本原理


一般可以通过两种不同的作用原理来实现:一种是冲动作用原理,另外一种是反动作用原理。

1、冲动作用原理

当一运动物体碰到另外一个运动速度比其低的物体时,就会受到阻碍而改变其速度,同时给阻碍它的物体一个作用力,这个作用力被称为冲动力。冲动力的大小取决于运动物体的质量以及速度的变化。质量越大,冲动力越大;速度变化越大,冲动力也越大。受到冲动力作用的物体改变了速度,该物体就做了机械功。

最简单的单级冲动式汽轮机结构如图1-1。蒸汽在喷嘴4中产生膨胀,压力降低,速度增加,蒸汽的热能转变为蒸汽的动能。高速气流流经叶片3时,由于气流方向发生了改变,长生了对叶片的冲动力,推动叶轮2旋转做功,将蒸汽的动能转变为轴旋转的机械能。这种利用冲动力做功的原理,称为冲动作用原理。

2、反动作用原理

有牛顿第二定律可知,一个物体对另外一个物体施加一作用力时,这个物体上必然要受到与其作用力大小相等、方向相反的反作用力。在该力作用下,另外一个物体产生运动或加速。这个反作用力称为反动力。利用反动力做功的原理,称为反动作用原理。

在反动式汽轮机中,蒸汽不仅仅在喷嘴中产生膨胀,压力降低,速度增加,高速气流对叶片产生一个冲动力,而且蒸汽流经叶片时也产生膨胀,使蒸汽在叶片中加速流出,对叶片还产生一个反作用力,即反动力,推动叶片旋转做功。这就是反动式汽轮机的反动作用原理。

燃气涡轮机主要由压缩机(compressor)、燃烧室(combustion chamber)、涡轮(turbine)等部份构成。新鲜空气由进气道进入燃气轮机后,首先由压缩机加压成高压气体,接着由喷油嘴喷出燃油与空气混合后在燃烧室进行燃烧成为高温高压气体,然后进入涡轮段推动涡轮,将热能转换成机械能输出,最后的废气由排气管排出。而由涡轮输出的机械能中,一部份会用来驱动压缩机,另一部份则经由传动轴输出,用以驱动我们希望驱动的机构如发电机、传动系统等。

压缩机

压缩机的功用是对气流做功,以提高气流的压力。一般燃气轮机的压缩机通常有轴流式和离心式两种。

轴流式压缩机会有许多的叶片,形状类似螺旋桨叶片,但是分为“静子”(stator)与“转子”(rotor)两种。转子就像螺旋桨一般地旋转,在旋转的过程中将气流向后推,这时气流的压力就会提高,温度也会升高。静子的功用是将因为转子的作用而产生旋转的气流导引回轴向,以正确的角度进入下一组转子。通常是一组转子和一组静子交互配置,而一组转子和静子就称为一级。

离心式压缩机则是利用叶轮旋转时产生的离心力将气流向外推,而产生加压的效果。一级的离心式压缩机就能有数级轴流式压缩机的压缩比,对于较小型的燃气轮机来就是不错的选择,但是由于气流是向外辐射,必须以大幅弯曲的通道折回内部,故能量的耗损也较大。

压缩比是压缩机的主要性能指标,指的是气流压力在加压后与加压前的比,通常压缩比较高的燃气轮机,效率也较高,但是气流在压缩过程中温度会上升,考虑到涡轮所能承受的温度有一定的限度,压缩比太高反而不好。理想的压缩过程应该是等熵过程,但是实际上压缩后的气流的温度和熵都会大于理想值,压力则低于理想值,而压缩机的效率则定义为:

 其中ηc代表压缩机效率,h1代表气流进入压缩机之前的焓,h2i代表理想状况下气流离开压缩机时的焓,h2a代表实际状况下气流离开压缩机时的焓。依据热力学定律,压缩机效率不可能大于1。

燃烧室


涡轮


燃气轮机通常使用轴流式涡轮,构造上与轴流式压缩机相似,同样是一组定子与一组转子合称为一级。涡轮叶片与螺旋桨及飞机机翼相似,气流流过时产生作用力,对转子叶片作功而使其转动,而能将气流的能量转换成机械能输出,因此气流在通过涡轮后,温度与压力都会下降。

与压缩机不同的是,涡轮的目的是将气流的能量转换为机械能,因此叶片的形状与压缩机会稍有不同,重视的是气流通过时能产生的作用力,与飞机机翼希望升力大而阻力小的要求类似。涡轮叶片直接受到高温高压气流的冲击,为了提高燃烧温度以提升燃气轮机的效率,涡轮叶片必须使用耐高温、在高温下仍保有高强度及寿命的耐热材料制成。叶片结构上也常使用一些特殊设计,例如常见的作法是将叶片设计为中空,然后将冷空气或冷却液导入内部,在叶片内部流动时可以产生冷却效果,还有在表面设计许多小孔喷出冷空气,随着空气流动而覆盖整个叶片,阻隔以避免高温空气直接冲击叶片,以达到保护的效果。

与压缩机相同,理想的涡轮应该是等熵过程,但是实际上通过涡轮后气流的温度和熵都会大于理想值,涡轮的效率定义为:

其中ηt代表涡轮效率,h3代表气流进入涡轮之前的焓,h4i代表理想状况下气流离开涡轮时的焓,h4a代表实际状况下气流离开涡轮时的焓。依据热力学定律,涡轮效率不可能大于1。

应用


 喷射引擎


 现在的中大型飞机几乎都使用涡轮发动机做为动力来源,因其体积较小而输出动力大,更重要的是没有螺旋桨在高速时所会遭遇到的音障问题,因此也是一般超音速飞机的唯一选择(只有少数机型会使用冲压喷射引擎或火箭)。由于是使用于直接推进,以喷出高温废气的反作用力产生推进力,因此在设计上会尽量缩小涡轮段的能量转换及损耗,只输出驱动压缩机及发电机等附件所需的功。

辅助动力单元

大型飞机上除了主引擎外,通常还会装设一具小型的燃气轮机,即称为辅助动力系统(auxiliary power unit,APU),用以在主引擎尚未启动时提供液压、发电、空调等的动力需求,也可以用来启动主引擎。飞机上的APU通常是不具推进力的,而某些船舰也有称为副推进单元(auxiliary propulsion unit)的装置,但这种APU是为了在无法使用主轮机时用做备用轮机推供推进力的。

微型燃气涡轮引擎


微型燃气涡轮也可以称为:

微型燃气涡轮

交流涡轮

MicroTurbine (该名称已经被顶石涡轮公司注册商用)

Turbogenerator (该名称已经被霍尼韦尔电力公司注册商用)

微型燃气涡轮 本质上是瞄准分布式发电和气电共生用途. 也是混和动力车的重点科技之一. 商用中从一千瓦到数十数百千瓦功率都有市场潜力.

成功之处也得利于电子学的变革,包含无人运作和公用电网电脑化. 电力切换调度科技可以使得发电来源不必和电网绑死. 使得发电机可以加入涡轮构造并提供2倍的效能.因为微型燃气涡轮引擎有许多优点超越传统往复式发动机,可以产生更高能量密度效率(与重量和尺寸相关),极低的热辐射和极少的移动部件使其容易维修。还可以省下空调所需的润滑油和冷媒. 通常涡轮也能更有效降低废热消耗,同时也能省下冷却系统的耗能. 但是,活塞引擎发电机对需电量变化的反应比较快、而且活塞引擎通常比较有效率──虽然说微型燃气涡轮引擎的效率正在增加。相较于活塞引擎、微型燃气涡轮引擎的效率在低输出状态时下降更多。

微型燃气涡轮引擎接受多种燃料,例如汽油、天然气、丙烷、柴油、煤油,也可以利用可再生燃料,例如E85酒精汽油、生物柴油及生物气体.另外一大好处是可以用氢为动力燃料,就像目前热门的燃料电池,可以从水中分离的氢作为来源。但是缺点是易燃,使得这种便携式装置未来可能不能带上飞机或其他敏感场所。

微型燃涡机使用单段式压缩机设计,但是单段式涡轮机件比较难生产因为必须承受高温高压下运作。废热可以用来提供热水、暖气、干燥用途或吸收式冷却法──这是一种不利用电能而是热能提供冷气的方法。

典型的燃涡机效率约25 到 35%。但是连上废热发电系统(气电共生)系统时,可以提升到80%。

麻省理工学院 1990年代中期开始公厘尺寸燃涡机研发专案由航太教授Alan H. Epstein带领开始研拟个人用的燃涡机可以达成所有现代电力需求,就像目前一些小型都市用的大型发电用燃涡机一样。 Epstein教授说目前商用可充电锂离子电池只约有120-150 Wh/kg能量比,麻省理工学院的公厘尺寸燃涡机已经可以达成500-700 Wh/kg能量,也有极大希望在不久的将来达成1200-1500 Wh/kg。

澳大利亚发明家开始研究这种微电机系统科技(MEMS)为便携式装置供电的可能性.这种系统使用氢或丁烷为燃料以达到超高速的2百万RPM转速。这种燃气涡轮引擎的制造采用芯片产业的科技,而且大多以硅为原料。这种燃气涡轮引擎可以接上发电机来提供电力。

汽轮机常见问题


在汽轮机运行过程中,汽轮机渗漏和汽缸变形是最为常见的设备问题,汽缸结合面的严密性直接影响机组的安全经济运行,检修研刮汽缸的结合面,使其达到严密,是汽缸检修的重要工作,在处理结合面漏汽的过程中,要仔细分析形成的原因,根据变形的程度和间隙的大小,可以综合的运用各种方法,以达到结合面严密的要求。

汽轮机汽缸漏气原因:

1.汽缸是铸造而成的,汽缸出厂后都要经过时效处理,就是要存放一些时间,使汽缸在住铸造过程中所产生的内应力完全消除。如果时效时间短,那么加工好的汽缸在以后的运行中还会变形,这就是为什么有的汽缸在第一次泄漏处理后还会在以后的运行中还有漏汽发生。因为汽缸还在不断的变形。

2.汽缸在运行时受力的情况很复杂,除了受汽缸内外气体的压力差和装在其中的各零部件的重量等静载荷外,还要承受蒸汽流出静叶时对静止部分的反作用力,以及各种连接管道冷热状态下对汽缸的作用力,在这些力的相互作用下,汽缸发生塑性变形造成泄漏。

3.汽缸的负荷增减过快,特别是快速的启动、停机和工况变化时温度变化大、暖缸的方式不正确、停机检修时打开保温层过早等,在汽缸中和法兰上产生很大的热应力和热变形。

4.汽缸在机械加工的过程中或经过补焊后产生了应力,但没有对汽缸进行回火处理加以消除,致使汽缸存在较大的残余应力,在运行中产生永久的变形。

5.在安装或检修的过程中,由于检修工艺和检修技术的原因,使内缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨胀间隙不合适,或是挂耳压板的膨胀间隙不合适,运行后产生巨大的膨胀力使汽缸变形。

 6.使用的汽缸密封剂质量不好、杂质过多或是型号不对;汽缸密封剂内若有坚硬的杂质颗粒就会使密封面难以紧密的结合。博科思高温密封剂是最新汽轮机汽缸密封材料,高、中、低压缸可通用,避免了型号选择不当而造成的汽缸泄漏。

7.汽缸螺栓的紧力不足或是螺栓的材质不合格。汽缸结合面的严密性主要靠螺栓的紧力来实现的。机组的起停或是增减负荷时产生的热应力和高温会造成螺栓的应力松弛,如果应力不足,螺栓的预紧力就会逐渐减小。如果汽缸的螺栓材质不好,螺栓在长时间的运行当中,在热应力和汽缸膨胀力的作用下被拉长,发生塑性变形或断裂,紧力就会不足,使汽缸发生泄漏的现象。

8.汽缸螺栓紧固的顺序不正确。一般的汽缸螺栓在紧固时是从中间向两边同时紧固,也就是从垂弧最大处或是受力变形最大的地方紧固,这样就会把变形最大的处的间隙向汽缸前后的自由端转移,最后间隙渐渐消失。如果是从两边向中间紧,间隙就会集中于中部,汽缸结合面形成弓型间隙,引起蒸汽泄漏。

汽轮机汽缸结合面泄漏的解决方法

汽缸结合面产生变形和泄漏的原因不同,而且出现的部位和变形泄漏的程度不也不同。采用高温密封快速有效的解决泄漏问题。

 高温密封剂(胶)是用于火力发电厂汽轮机汽缸结合面的密封剂。汽轮机的汽缸结合面是曲线形缸面,密封面积很大,密封性能要求很严格,为减少热损失,要求接近于零泄漏。超高压机组最大压差为13.24MPa,温度540℃ ,密封剂必须在这种工况下长期运行、性能稳定,无任何形式的破坏造成泄漏,并且能在大修时易于清除。

目前,国内汽缸结合面及蒸汽管道法兰的密封剂(胶)多年来没有一种定型产品,一直沿用50年代初苏联专家提供的老配方,即汽机检修规程规定的方法。如由二硫化钼粉、红丹粉、还原铁粉、铅粉、以及氧化镁等配制而成,其主要缺点为油脂耐温低、粉料易固化粘附等,造成密封过程中耐温差、易粘附于缸面,难以清除等缺陷,另外,还有保质期较短等缺点

所以,在选择汽轮机汽缸密封剂时,就要选在技术先进,产品质量有保证的正规品牌,以保证检修处理后汽缸的严密性。德国的博科思高温封剂,是在世界一流实验室中研发,并经过了几十年实际应用检验,成为siemens (西门子)、Alstom(阿尔斯通)等大型跨国企业的指定合作伙伴。采用油脂是天然的饱和与不饱和脂肪酸甘油脂的混合物,严格筛选粉料种类及搭配粒度级配。在高温环境下长期工作只会变粘稠而不会焦化,最大限度满足密封要求,而且在下次检修时非常容易清除。美嘉华-博科思高温密封剂是一种单组份、膏状密封剂,工业用途,优质密封混合物,适用于对光滑、平整密封面(对接接头)的温度和压力情况要求高的工况。

对于高压汽轮机,博科思高温密封剂保证产品能承受高达900℃、压力高达250巴的高温蒸汽、气体、热和冷水、轻质燃油、润滑剂、矿物油及天然气。根据应用指导使用并正常运行时,对于蒸汽轮机和燃气轮机,我们保证在机加密封面(对接接头)的使用寿命在10年。详细资料请咨询美国美嘉华国际公司。

优异的耐温性能,最高耐温可达900℃;良好的耐压性能,在蒸汽压力下承受25Mpa,无密封环法兰承受45Mpa,螺管接头55Mpa;极好的密封性能,由于产品具有良好的塑变性,受热不会固化,密封膜不会被破坏,从而保证了机件密封面的密封;产品易于清除,使用过的密封面可以用无水乙醇或丙酮轻易的擦去,而不会附着于密封面;保质期较长,产品在正确储存的情况下,我们保证两年的适用期;使用寿命长,根据应用指导使用并正常运行时,对于蒸汽轮机和燃气轮机,我们保证在机加密封面(对接接头)的使用寿命在10年。详细资料请咨询美国美嘉华国际公司。

燃气涡轮发动机
发展历史

公元1世纪,亚历山大的希罗记述的利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球,又称为风神轮,是最早的反动

式汽轮机的雏形。1629年,意大利的Gde布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮。1882年,瑞典的C.G.Pde拉瓦尔制成第一台5马力(3.67千瓦)的单级冲动式汽轮机。1884年,英国的C.A.帕森斯制成第一台10马力(7.35千瓦)的多级反动式汽轮机。1910年,瑞典的B.& F.容克斯川兄弟制成辐流的反动式汽轮机。

19世纪末,瑞典拉瓦尔和英国帕森斯分别创制了实用的汽轮机。拉瓦尔于1882年制成了第一台5马力(3.67千瓦)的单级冲动式汽轮机,并解决了有关的喷嘴设计和强度设计问题。单级冲动式汽轮机功率很小,现在已很少采用。   20世纪初,法国拉托和瑞士佐莱分别制造了多级冲动式汽轮机。多级结构为增大汽轮机功率开拓了道路,已被广泛采用,机组功率不断增大。帕森斯在1884年取得英国专利,制成了第一台10马力的多级反动式汽轮机,这台汽轮机的功率和效率在当时都占领先地位。

20世纪初,美国的柯蒂斯制成多个速度级的汽轮机,每个速度级一般有两列动叶,在第一列动叶后在汽缸上装有导向叶片,将汽流导向第二列动叶。现在速度级的汽轮机只用于小型的汽轮机上,主要驱动泵、鼓风机等,也常用作中小型多级汽轮机的第一级。

综上所述,本文已为讲解燃气涡轮发动机,相信大家对燃气涡轮发动机的认识越来越深入,希望本文能对各位读者有比较大的参考价值。

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