Siemens公司生产的工业型燃气轮机的结构分析.docx

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1、Siemens公司生产的工业型燃气轮机的结构分析Siemens公司的工业型燃气轮机是由KWU公司开发的。燃气轮机的设计始于1948年；1954年制造出t3*=1000C的水冷式燃气轮机的原型机；1960年投运了8MW的高炉煤气燃气轮机；1961年投运了25MW的燃气轮机；1964年调试了70MW的完全补燃式的燃气一蒸汽联合循环；1971年投运了52MW的V93型燃气轮机的原型机；1974年投运了90MW的V94型燃气轮机的原型机；1984年应用V94.2型114MW的燃气轮机组成750MW的完全补燃式的联合循环；1990年开发了Siemens公司第一台60Hz的燃气轮机103MW的V84.2机

2、组；1990年V94.2型燃气轮机的功率已增至138MW,并采用超低Ne）X的混合燃烧器，使机组的NOX排放量（体积分数）低于9X10-6；1990年又开发了第三代燃气轮机53MW的V64.3机组，进而研制了V94.3型、V84.3型机组。1994年启动了第一台170MW的V84.3A机组,并以此机组为母型，发展成为240MW的V94.3A机组和70MW的V64.3型机组。目前，Siemens公司生产的50Hz的燃气轮机有：V94.2、V94.3、V64.3、V94.3A和V64.3A几种，它们的功率和性能参数见第2章表2.3。其中A型机组是环型燃烧室，只能燃用天然气和轻质液体燃料，尚不能燃用

3、低热值煤气。图7-19上给出了V94.3型机组的纵剖面图。实际上V94.3A和V64.3A型机组与V84.3A者相似，它们的模化倍率是：V94.3A:V84.3A:V64.3A=1.2:1:0.67o图7-19V94.3型燃气轮机的纵剖面图实际上，以上五种机型的总体结构，除了燃烧室外，彼此是非常相似的。这些机组的结构特点是：（1）它们也都是整体结构型式。（2）这五种机型都是在压气机的冷端输出功率的，这样，可以使燃气透平的排气扩压器直接与余热锅炉联接，排气是轴向的，流阻损失较小。(3)它们都是双轴承支承方案。(4)图7-20中给出的是Siemens公司生产的燃气轮机中压气机与燃气透平转子的总体结

4、构图，它也是盘鼓式的转子结构，但是只用一根中心拉杆，通过各轮盘外缘压紧面处的端面齿，来对中、压紧和传递转矩的。采用这种固紧方式的优点是：各轮盘之间不再需要定位止口，工作时各轮盘因温度不同而热膨胀不一致时，两轮盘之间的端面齿处可以相互滑动，自动对中，并减少了相互之间的作用力。端面齿与中心拉杆配合使用时，转子的装拆甚为方便。但是端面齿的加工精度要求高，制造较难。显然，这种转子结构具有质量轻，刚性和强度都好的特点，同时便于快速起动。I-压气机转子2多排可调的压气机铮叶3端面齿4-轮盘5-有空气冷却的燃气透平的进气壳体6-燃气透平的转子7.排气打压器8-中心拉杆图7-20中心拉杆的盘鼓式转子结构(5)

5、Siemens公司生产的单轴发电用燃气轮机压气机的参数如表7-3所示。表7-3Siemens公司某些单轴发电用燃气轮机压气机的参数型项目V94.2V94.3V64.3V94.3AV64.3A压气机级数1717171515压缩比11.116.616.116.616.1空气流量kg5513.93623.7191.87639.58198从V94.2到V94.3,进而到V94.3A型机组的发展，压气机的设计有很大的改进。在V94.2型机组中17级压气机的压缩比只有11.1,进口导向叶是可调的，其他各级的静叶则固定，是不可调的；但当发展成为V94.3和V64.3型机组时，压气机的级数仍然为17级，而压缩

6、比则增至16.6和16.1,那时，进口导叶不仅可调，前三级静叶也设计成为可以调节的了。在发展成为V94.3A和V64.3A型机组时，压缩比仍然为16.6和16.1,那时，进口导叶不仅可调，前三级静叶也设计成为可以调节的了。在发展成为V94.3A和V64.3A型机组时，压缩比仍然维持为16.6和16.1,但压气机的级数却减少到只有15级，质量流量大约增大了5%,这是由于流经前五级流道曲面内径型线有较陡的增加，致使动叶片的总圆周速度较高的缘故，同时压气机的前两级动叶片采用了按可控扩压翼型设计的叶片型线和扭型，这种叶型可以减少过高的局部速度，并通过较均匀的减速可以防止气流的分离，此外，还尽量减少入射

7、冲角。这种叶片扭曲得更厉害，而且弦长更大，如图3.4所示。其第一级动叶片是跨音速的，静叶也更弯曲，尤其是顶部。在3A型机组中，又恢复到只有压气机的进口导叶是可调的方案。压气机静叶采用多级可调的目的不仅对于防止喘振有用之外，还可以提高部分负荷工况下机组的效率，它能使负荷从100%降至50%时，燃气透平的排气温度维持恒定不变。按这种调节方式运行时，机组的透平前温度、透平的排气温度、透平的排气流量以及压气机的压缩比随机组负荷的变化关系如图7-21所示。相对负荷（%）I-透平前温度2透平的排气温度3-透平的排气流量4-压气机的压缩比图7-21Siemens公司的机组前四级压气机静叶可谟1师学叱叁新方缶

8、荷的赤伊羊本V94.3A机组压气机的气缸是由三段组成的，第一段进气机匣；第二段是压气机气缸的主段，其上有两个抽气口（一个在第4级静叶之后，另一个在第9级动叶之后）；第三段与燃烧室外环腔的部分合二为一，通过两组持环分别组装第913级和第14-15级的静叶栅。压气机的气缸可以对称的进行径向和轴向的热膨胀，压气机的全部叶片可以在不吊出转子的条件下拆卸。为此，静叶片固定环的下半部可以围绕转子向上转动。从图3-4中可以发现，压气机动叶的叶根是燕尾形的，它们将轴向的被装入到各级的轮盘上去。图7-8干式保NO.的源台刑檄蟒器（6）SiemenS公司生产的机组中，燃烧室的结构设计前后有很大变化，在V94.2型

9、机组中每台机组设置两个直立式的圆筒形燃烧室，每个燃烧室上则装设8个如图4-18所示那样的干式低NoX的混合型燃烧器，其实物照片如图7-22所示，在V94.3和V64.3型机组上，每台机组则设置两个水平卧式的圆筒形燃烧室，如图7-23所示。图7-24上则给出了在V64.3型机组上采用的一个水平卧式的圆筒形燃烧室的结构，它的出口段用成型的陶瓷块拼装而成的。从燃烧室出口到燃气透平环形入口之间的过渡段也是用成型的陶瓷块拼装而成的，其上还喷涂以耐热和耐磨蚀的涂Mo在V94.2和V94.3型机组中燃气过渡段分别采用单壳体设计方案和双壳体设计方案，如图7-25所示。在V94.2型机组中壳体的壁厚12mm,它

10、完全依靠空气的对流冷却方式进行冷却。在燃烧室出口温度tA=H2(C的条件下，过渡段内壁的温度己达850oCo在V94.3型和V64.3型机组中则改为双壳体的设计方案，用陶瓷材料制成的内壳体的厚度仅6mm,内壳体之间留有隙缝，从中可以流过一定数量的冷却空气，使其在内壳体的内表面上形成冷却空气膜，使壳体内壁与高温燃气隔开，这样就可以改善冷却效果，因而在保证过渡段内壁的温度为850的前提下，却可以使燃烧室的出口温度tA升高到1350。在V94.3A和V64.3A型机组中燃烧室改为环形燃烧室结构形式，如图4-22和图4-23所示，在V94.2机组上配置了24个尺寸较小的干式低NoX的混合型燃烧器，这样

11、既可以使机组的结构大为紧凑，而且能使透平前的燃气温度场比较均匀。该燃烧室的内环管和燃气过渡段都是用耐热的陶瓷材料拼装而成的。值得一提的是：在V94.2、V94.3和V94.3A机组的燃烧室上都开设有人孔洞，检修人员可以进入圆筒型和环形燃烧室中去，对燃烧室和燃气透平的第一级静叶作现场检查和维修，甚为方便。显然，在V94.2和V94.3型机组上由于采用了空间尺寸较大的圆筒型燃烧室，因而它们都比较容易改烧低热值煤气；但是由于V94.3A机组中采用了空间尺寸较小的环形燃烧室，改烧低热值煤气就很困难，目前尚未实现。(7)由SiemenS公司生产的上述5种工业型机组的燃气透平均设计成为4级，根据a)V94

12、.2型机组上采用的单壳体设计方案b)V94,3型机组上采用的双壳体设计方案图7-25燃气过渡段的结构与温度情况SiemenS公司的设计观点认为：无论就热力学、气动效率，还是从冷却空气消耗所造成的损失之间的关系角度来看，四级透平的结构是最佳设计。事实也是这样,从表2-2和表2-3中可以发现：初参数相当的机组的效率确实要比采用3级透平的GE公司的机组略高一些。在V94.3A型机组的设计中，除了第四级动叶片之外，透平所有静叶片和动叶都是用空气冷却的在V94.3型机组中，采用的冷却空气的抽取方式：冷却空气分别从第4级静叶后，第9级静叶后，第13级静叶后，以及第17级静叶后的排气腔中抽取的，第17级静叶

13、后的一部分压缩空气还需经空气冷却器的冷却降温后，才被用来冷却第1级静叶，第1级叶轮和动叶；第2、3、4级叶轮和动叶(第4级的动叶除外)则用第13级静叶后的抽气来冷却的；第2级静叶、第3级静叶和第4级静叶却是分别用第13级静叶后、第9级静叶后，以及第4级静叶后的抽气来进行冷却的。当然燃烧室的燃气过渡段则是用的17级静叶后压气机的排气来进行冷却的。显然，这种冷却方式是很合理的。但在V94.3A型机组中，由于第1级静叶和动叶获得了深度的膜式冷却，空气冷却器就可以省去不再使用了。图7-26上给出了V94.2型机组上第1级静叶和第1级动叶的冷却结构。4冷却空气流出b)a)第1级静叶b)第1级动叶图7-26V94.2型机组上第1级静叶和动叶的冷却结构在V94.3型机组中第1级动叶是有叶冠的，借以减小径向间隙，但在V94.3A型机组中，所有各级动叶都是没有叶冠的，所有动叶均采用双齿式的根树形叶跟,以轴向装配方式装入叶轮上的根树形叶根槽中，它们都是自由叶片。叶片选用单晶体的耐热合金材料制作。从图7-20上都可以看到，透平气缸采用空气冷却的双层结构，它通过持环来固定透平的静叶。(8)机组的绝对死点是置于压气机进气侧功率输出端的前轴承部位。Siemens公司生产的工业型燃气轮机的结构