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燃氣輪機内部結構

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燃氣輪機内部結構

發布日期:2016-08-17 作者: 點擊:

       燃燒室和渦輪不僅工作溫度高,而且還承受燃氣輪機在起動和停機時,因溫度劇烈變化引起的熱沖擊,工作條件惡劣,故它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為确保有足夠的壽命,這兩大部件中工作條件最差的零件如火焰筒和葉片等,須用鎳基和钴基合金等高溫材料制造,同時還須用空氣冷卻來降低工作溫度。

  對于一台燃氣輪機來說,除了主要部件外還必須有完善的調節保安系統,此外還需要配備良好的附屬系統和設備,包括:起動裝置、燃料系統、潤滑系統、空氣濾清器、進氣和排氣消聲器等。

  燃氣輪機有重型和輕型兩類。重型的零件較為厚重,大修周期長,壽命可達10萬小時以上。輕型的結構緊湊而輕,所用材料一般較好,其中以航機的結構為最緊湊、最輕,但壽命較短。

  與活塞式内燃機和蒸汽動力裝置相比較,燃氣輪機的主要優點是小而輕。單位功率的質量,重型燃氣輪機一般為2~5千克/千瓦,而航機一般低于0.2千克/千瓦。燃氣輪機占地面積小,當用于車、船等運輸機械時,既可節省空間,也可裝備功率更大的燃氣輪機以提高車、船速度。燃氣輪機的主要缺點是效率不夠高,在部分負荷下效率下降快,空載時的燃料消耗量高。

  不同的應用部門,對燃氣輪機的要求和使用狀況也不相同。功率在10兆瓦以上的燃氣輪機多數用于發電,而30~40兆瓦以上的幾乎全部用于發電。

  燃氣輪機發電機組能在無外界電源的情況下迅速起動,機動性好,在電網中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用,能較好地保障電網的安全運行,所以應用廣泛。在汽車(或拖車)電站和列車電站等移動電站中,燃氣輪機因其輕小,應用也很廣泛。此外,還有不少利用燃氣輪機的便攜電源,功率最小的在10千瓦以下。

  燃氣輪機的未來發展趨勢是提高效率、采用高溫陶瓷材料、利用核能和發展燃煤技術。提高效率的關鍵是提高燃氣初溫,即改進渦輪葉片的冷卻技術,研制能耐更高溫度的高溫材料。其次是提高壓縮比,研制級數更少而壓縮比更高的壓氣機。再次是提高各個部件的效率。

  高溫陶瓷材料能在1360℃以上的高溫下工作,用它來做渦輪葉片和燃燒室的火焰筒等高溫零件時,就能在不用空氣冷卻的情況下大大提高燃氣初溫,從而較大地提高燃氣輪機效率。适于燃氣輪機的高溫陶瓷材料有氮化矽和碳化矽等。

  按閉式循環工作的裝置能利用核能,它用高溫氣冷反應堆作為加熱器,反應堆的冷卻劑(氦或氮等)同時作為壓氣機和渦輪的工質。

  潤滑系統

  燃氣輪機潤滑油系統是任何一台燃氣輪機必備的一個重要的輔助系統。它的作用是在機組啟動、正常運行以及停機過程中,向正在運行的燃氣輪機發電機組的各個軸承、傳動裝置及其附屬設備,供應數量充足的、溫度和壓力合适的、幹淨的潤滑油,以确保機組安全可靠地運行,防止發生軸承燒毀、轉子軸頸過熱彎曲、高速齒輪法蘭變形等事故。此外,部份潤滑油可能從系統分流出來,成為液壓油系統的油源,或經過濾後作為控制油系統的用油。

  聯合循環發電裝置的潤滑油系統有幾種不同的配置,對于單軸機組,燃氣輪機與汽輪機共用一套潤滑油系統;對于多軸機組,燃氣輪發電機組與汽輪發電機組可以共用一套潤滑油系統,也可以各自單設一套潤滑油系統,這要視機組的總體布置而定,不過,由于電站分期建設的需要,大多數多軸機組采取各自單設一套的方式;還有一種航空衍生型的燃氣輪機,由于燃氣初溫很高,其燃氣發生器要求使用品質更高的潤滑油,因此燃氣發生器單獨設一套潤滑油系統,而動力渦輪與發電機另設一套,前者用合成油,後者用礦物油。

  單就潤滑油系統而言,不管是共用系統還是分設系統,其設計原理是一樣的。整個潤滑油系統的組成應包括下列一些設備:

  潤滑油箱

  潤滑油箱可設在機組的一個或幾個底盤内,也可以設計成單獨的容器。當油箱由幾個容器組成時,應在它們之間用管道連通以平衡油箱内的壓力。油箱除了起貯油的作用外,還擔負着分離空氣、水分和各種機械雜質的任務。油箱中油流速度應盡量緩慢,回油管應布置在接近油箱的油面,以利于油層内空氣逸出。油箱的容量越大,越有利于空氣、水分和各種雜質的分離。通常用循環倍率K(全部潤滑油每小時通過油箱的次數)表示系統容積的相對情況,以Q表示系統的每小時油的容積流量,V表示系統的容積(油箱+管路),循環倍率K=Q/V.通常規定K=8~10,最大不超過12.這是為了使從系統回來的潤滑油,有足夠的時間将其夾帶的空氣、水分分離掉。不過,為了結構緊湊,避免因油箱體積過大而使設備笨重,多數機組油箱容量偏小,這迫使用戶要選擇分水性能更好和空氣釋放值較小的潤滑油。

  主潤滑油泵

  這是機組正常運行時的工作油泵,可以由主機通過輔助齒輪驅動,也可以由交流電動機驅動,大型機組為了簡化結構多采用電動。油泵的容量根據系統總的用油量、調節閥門溢流量和管路的洩漏量決定。主油泵常用的有齒輪泵和螺杆泵,也可以是離心泵。

  輔助油泵

  這是機組啟動和停機時的工作油泵,或在主油泵出故障時投入使用,通常由交流電動機驅動。此泵多采用浸入式離心泵。其壓力和容量一般和主油泵相同或稍微高一些。

  應急油泵

  該泵在停機時因輔助潤滑油泵故障而投入,或因失去交流電源而投入,或因主、輔泵都不能工作機組緊急停機而投入。由于應急泵隻在故障時工作,其壓力和容量一般較小。也有的潤滑油系統用高位油箱代替應急油泵。

  潤滑油流過各潤滑點(軸承、齒輪等)後溫度上升14~33℃(配備減速齒輪時溫升可達33℃),因此,從系統回來的潤滑油必須冷卻以保證合适的供油溫度。應用較為廣泛的仍然是管式冷油器。常用的冷卻方式為水冷,其次是氣冷,氣冷的優點是不需要冷卻水,可在缺水地區使用,但由于空氣的傳熱系數比水的要低得多,因此空冷式冷油器體積相對要龐大得多。在采用水冷方式時,常常設置兩個并聯的可切換的冷油器。

  主潤滑油濾多采用兩個并聯的可切換的濾油器。主油濾應設置在冷油器的下遊。

  除上述的設備之外,潤滑油系統還需要有閥門、孔闆、溫度開關、壓力開關、油箱液位指示器、潤滑油加熱器等各種組件和設施,以保證系統正常、安全、可靠地工作。

  為保證對燃氣輪機及其驅動的設備提供良好的潤滑,除了有設計完善的潤滑油系統外,選擇性能優越的潤滑油也是一個重要因素。早期燃氣輪機由于渦輪進口溫度不是很高,其所用的潤滑油基本與汽輪機用油一緻,但随着渦輪進口溫度的不斷提高,燃氣輪機對潤滑油質量指标的側重點與汽輪機的側重點明顯不同,燃氣輪機強調的是油的高溫抗氧化性能,而汽輪機則看重油的抗乳化性能(分水性能)。不少廠商正在研制上述兩種性能均優的聯合循環用油,特别是同一潤滑油系統的單軸機組的用油。潤滑油為基礎油添加防鏽、防腐、抗氧化等各種添加劑後的制成品。基礎油可以是礦物油,也可以是合成油。由于合成油純度高,其性能及使用壽命均優于礦物油,但價格一般為礦物油的2~3倍。評價潤滑油優劣的性能指标有油的物理性能、表面性能和氧化性能三個方面,對此燃氣輪機制造廠商會提出選擇建議。

  &對潤滑油的要求,原則上有下列幾個方面:

  1.要求适應軸承、齒輪裝置等的啟動、加速、滿轉速及超速等各種工況所需要的潤滑油性能。

  2.要求适應液壓系統如油缸、伺服閥等所需要的液壓油性能。

  3.熱傳遞油性能。能把軸承、齒輪裝置等各種熱表面的熱量吸收,并将其傳輸給潤滑油換熱器(冷油器)。

  4.在一定溫度和壓力下工作、靜止或貯存狀态都具有穩定的物理性能、表面性能和氧化性能。

  5.能适應潤滑系統中及其他用油系統中的各種機械材料,并能保護材料不受腐蝕。

  6.具有自動排除空氣和水等污染物的性能。

  7.具有一定的抗燃能力等。

  在選擇潤滑油時,除了遵照設備制造廠商的建議之外,應該更側重于下列的性能指标:

  1.黏度和黏度指數

  為了常溫下燃氣輪機啟動時确保各軸承的靜壓潤滑和液壓系統的快速反應能力,希望在啟動時潤滑油的黏度不要太高,為此絕大多數渦輪機械選擇40℃時黏度為28.8~35.2/s的潤滑油,即黏度等級為ISOVG32的潤滑油。在燃氣輪機正常帶負荷運行時,軸承間隙内的工作溫度有可能高達120℃以上,此時要求油的黏度高一些。為此,應選擇黏度随溫度變化較為平緩的、即黏度指數較大的潤滑油。這裡建議油的黏度指數在100以上,至少不應小于90.

  2.氧化安定性

  燃氣輪機工作時,潤滑油受到強烈的熱氧化作用,汽輪機油常用的揮發型防鏽抗氧化劑對燃氣輪機用的潤滑油已不适宜。對于在溫度高于260℃的環境中工作的軸承,文獻49中明确規定其使用的潤滑油中不宜含有DBPC(二叔丁基對甲酚)一類的揮發型抗氧化劑。對于氧化安定性,傳統的考核指标是油氧化後酸值達2.0mgKOH/g時所需要的小時數(國外常簡稱為TOSTLife,即總的氧化穩定性試驗壽命),在燃氣初溫不是很高的情況下,僅考核這一指标已足夠,而且隻要求其在2000h以上就可。

  但是,由于TOST是在95℃的試驗條件下進行,而這一溫度與燃氣輪機軸承的工作溫度頗有距離,對新一代燃氣初溫更高的燃氣輪機,光考核TOST已經不夠,因此增加了油的旋轉氧彈試驗指标,以便在更高的溫度下考核油的性能。旋轉氧彈試驗的溫度為150℃,比TOST要高得多。

  3.破乳化值,也稱分水性能

  這是指油和水的分離能力,測量的方法是在專用的試管内放入40mL的油和40mL的水,按規定的試驗程序混合,然後測量油水完全或基本完全分離的時間(min),油水分離的程度可以是40-37-3.40-40-0等。對于燃氣輪機,這不是十分強調的性能指标,因為在燃氣輪機中,潤滑油被水(或蒸汽)污染的可能性不大。而在汽輪機中,油水混合的可能性很大,對油的破乳化值不能忽視,其指标至少是油水分離至40-37-3,時間不大于15min.對于聯合循環發電裝置,如果燃氣輪機與汽輪機共用潤滑油系統,則必須兼顧油的高溫性能和分水性能。

  4.空氣釋放值

  由于大多數燃氣輪機的軸承均使用密封空氣,因此軸承的回油中必然會混進空氣。這些進入油層中的空氣,必須要在油回到油箱後的短暫停留時間内從油層中釋放掉。在選擇潤滑油時,其空氣釋放值應不大于油在油箱内循環一次的時間。

  5.起泡性能

  起泡性能與空氣釋放值是兩個相互關聯而又容易混淆的概念。其實空氣釋放發生在油層之内,泡沫則産生于油的表面之上。通常認為,在油面上形成5mm的泡沫是正常的。但泡沫過多,油箱的通(排)氣口充滿泡沫時,就會因妨礙空氣的排放而招緻嚴重的後果。因此油的起泡性能至少應符合一般汽輪機油的标準。

  除此之外,新油的顔色應淺,以不超過ASTMD1500中的2.0為宜。對于帶有負荷齒輪箱的機組,必須考慮油的承載能力,應選擇承載能力(FZG)7級以上的油。

  以上内容均根據學員實際工作中遇到的問題整理而成,供參考,如有問題請及時溝通、指正。


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