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航空发动机 燃气轮机 ​

燃气轮机与汽轮机是两种最为常见的热力涡轮机械,二者工作原理类似,它们均在人类工业制造与社会活动中发挥了重要功用,二者在实际应用中还有不少共同之处。本文详尽比较了两者在整机结构与运行方向的优劣,分析探讨了其变化,并且做出了将来展望。

​燃气轮机与汽轮机的区别(异同)

前言

燃气轮机与汽轮机是两种最为常见的热力涡轮机械,它们在工业制造中发挥了重要功用。二者工作原理相类似,但在科技特点、结构等方面也存在差别。

汽轮机是将蒸汽的能量转化变成机械功的旋转式动力机械。又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机,也能直接驱动各种泵、风机、压缩机和船用螺旋桨等。还可以借助汽轮机的排汽或后面抽汽满足制造和生活上的供热需要。

燃气轮机(Gas Turbine)是一种以连续流动的氮气作为工质、把热能转化为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中欧宝体育,只有压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气透平(Turbine)这三大部件构成的燃气轮机循环,通称为简单循环。大多数燃气轮机均配备简单循环方案。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让之增压,同时空气浓度也相应增加;压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混和燃烧生成低温低压的燃气;然后再转入至透平中膨胀做功,推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速转动,实现了氧气或液态燃料的化学能部分转换为机械功,并输出电功。从透平中排出的废水排到大气自然放热。这样,燃气轮机就把燃料的物理可转换为热能,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推动的,它是透平的负载。在简单循环中欧宝体育官方,透平发出的机械功有1/2至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。在燃气轮机起动时,首先必须外界动力,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开始工作。

比较汽轮机和燃气轮机的差别将有助于我们对其特性技术与结构的知道,并在实际应用中扬长避短。

1.燃气轮机的技术特点

燃气轮机作为一种常见的动力装置,相比于汽轮机动力装置具备下面的科技特点与优势:

结构紧凑,体积小,重量轻;

噪音低,运动平稳,振动较小。燃气轮机是一种旋转机械,运转时高频震动较少;

SOx欧宝体育,NOx等有害气体排放少;

功率重量比大,单机容量大,启动加速性好;

润滑油消耗低,保养量小,管理人员少;

少用或不用冷却水;

初期投资成本较低。

​燃气轮机与汽轮机的区别(异同)

2.结构上的变化

2.1整机结构

汽轮机有着大量的附属机械仪器,诸如泵,风机,冷凝器,真空设备,以及繁杂的管系。各类的附属设施占据较大的空间,并且品质较大。而燃气轮机相比于汽轮机有着结构简单的优势,于所占空间跟机件质量,均大于汽轮机装置。在输出功率相近的前提下,燃气轮机整机装置的质量,大约为汽轮机装置的1/3,约为柴油机装置的1/5~1/2。航空燃气轮机的研发方向重点在于整机轻量化,相比于陆用跟船用燃气轮机而言,质量更轻。燃气轮机的外部流通部分构架更为简单航空发动机 燃气轮机,应为不同于汽轮机,燃气轮机内一般没有中间抽汽与调节级。此外,燃气轮机的进排气装置重量均较大,往往会挤占相当的空间。

2.2可靠性

汽轮机与燃气轮机通常都可以稳固工况进行运转。对于汽轮机而言,其辅助机械仪器构造简单,并且技术成熟。其循环寿命与平均大修间隔都较长。如蒸汽温度维持在1000°F以下,会更有利于汽轮机保持大量平稳而安全的运行。燃气轮机的平均大修间隔一般较短,而其原因主要源自燃气的高温,于这种的高温之下,运行一定的时长以后,即使选用了很好的叶片涂层,依然容易造成低温部件工作状况下降。需要留意的是,燃气轮机的故障造成一般较为迅速,往往发生于数秒之中,而汽轮机的故障一般发生较为缓慢,易于阻止灾难性破坏的形成。由于相对于整个能量转化机制来讲,汽轮机的动力装置部分是最小的一部分而燃气轮机的叶轮和燃气发生器构成了能量转化的主体部份,因此其故障以及零件的损毁,往往是致命的,相比于汽轮机来说更为严重。

2.3零件供应

汽轮机装置一般采取相同的壳体,需要小型且复杂的后方零部件供应体制。而燃气轮机的生产一般选用批量生产技术,生产厂家可以提供带有较多互换性的工件、部件和模件。不论燃气轮机是航改型,船用型,高参数型,其所需的零部件总量是相对较少的,随着模件所需范围的缩减,更加应该简化维护保养的程序,降低运行费用。燃气轮机装置,尤其像航改型,其购置及加装费用,都比同等容量的汽轮机与柴油机装置更为便宜。

2.4进排气道

燃气轮机通常必须大长度的进排气管路,而汽轮机则不然。燃气轮机进气口通常会造成长期噪音,为了确保运行环境和工作人员舒适度,有必要采用降噪设备。通常船用燃气轮机需要于进气道布置悬浮粒子分离装置,从而保障整机的运转安全与稳固。

3.整机运行方向上的变化

3.1工质

燃气轮机的工质为高温燃气,形态上很接近于理想气体,无物态变化,并且工作初温相对较高,通常必须使用耐热合金或者耐磨钢材来进行生产,材料对耐低温与腐蚀都有一定要求。汽轮机的工质通常为过热蒸汽,通常会在排气口发生液化现象。燃气轮机在较低的初温下工作,其工质膨胀过程中燃气比容会减少5~20倍,而汽轮机内部工质的比容则会减少数百倍。因此,燃气轮机第一级与更末级叶片的高度差,相比于汽轮机中会小得多,对应而言,其各级的径高比都非常小,并且流通部分差异较为平缓。燃气轮机的燃气中含有非常数量的氢气,如燃料中富含钾、汞、硫化物等时,高温燃气还可能会侵蚀叶片。因此燃气轮机流通部件所采取的金属比如需具备较高的热效率之外,还要具备较高的热稳定性,耐低温腐蚀性等。

​燃气轮机与汽轮机的区别(异同)

3.2燃料消耗

目前航空燃气轮机的比燃料消耗与柴油机、汽轮机相比,已不相上下,重型燃气轮机装置,通常燃用重质燃油,比燃料消耗很低。而在功率偏离设计指标之时,燃气轮机的比燃料耗费则逐渐降低,而汽轮机则以非常小的速度提高。这主要是因为汽轮机在此种情况下,通常会采取个别进汽、旁通调节等机制,而燃气轮机则不然。通常能将燃气轮机与其它动力装置联合,以消除这个特点,如与汽轮机联合产生燃气-蒸汽联合循环等。

3.3响应性

虽然汽轮机发出的功率较为平稳,但是其改变容量大小的能力相对迟缓。燃气轮机则带有良好的高速性能和良好的运转响应性能,短时间内即可发出全容量。汽轮机从金属冷态到正常运转,通常必须数十小时,在紧急状况下欧宝体育官方,一般也必须3~4小时。而燃气轮机则可以在数分钟内从惰转停车状况过渡至全速运转状态。

3.4监护管理规定

燃气轮机通常更容易推动自动化控制,有着自动数据显示、记录、控制等特征,值班监控任务相对较为简单,而汽轮机由于平台庞杂,附属设施较多,通常必须更多的值班监护人员。

3.5振动与噪声

如果不采取任何的消音措施,一般状况下燃气轮机的进排气噪音会比较高,但是在排气道或者围绕着发动机壳体处所加装的抑制噪音装置,已可将噪音减少至实际要求的安全水平范围内。汽轮机由于泵、风机等辅助装置众多,因此通常都存在流体噪声和结构震动的状况。

3.6燃料适应性

曾经认为航空发动机 燃气轮机,可以将燃气轮机设计成可以燃用任何一种燃料的热机,从人造黄油至人造煤气。但是针对燃气初温有较高要求的燃气轮机而言,实际上需要非常注意选用及处理其燃料,因此,诸如航空燃气轮机通常选用燃用轻质汽油航空发动机 燃气轮机,而重型燃气轮机可燃用重油以及丙酮。汽轮机作为靠燃料加温水产生过热蒸汽而做功的外燃式动力机械,对燃料则近乎没有要求,燃用煤时,通常必须进行脱硫脱硝处理。

3.7环境适应性

有别于汽轮机装置,燃气轮机对于进口环境条件的差异异常的脆弱,尤其是国产温度。由于燃气轮机是直接对工作流体进行加温,因此高进口温度一般会增加其容量输出。对于汽轮机而言,则必须监控给水状况,以免破损锅炉等设施。

3.8装置效率

燃气轮机中,涡轮的精度对整机的强度影响更为显着,涡轮效率降低1%时,整机效率通常会降低2%~4%,因此,对燃气轮机内部流通部分进行设计时,往往比汽轮机的要求更高。

3.9各种损失

燃气轮机的级内损失与汽轮机相类似,其中不存在湿汽损失,但是仍有叶片冷却损失。燃气轮机末端叶片排气轴向分速能超过150~200m/s,此时的排气余速可超过燃气轮机可用能的10%,存在着一定程度的余速损失。

3.10装机容量

燃气轮机可用的焓降大约为汽轮机的1/5~1/3,因此其级数与轴向长度与汽轮机相比有所减少跟缩短。为了超过与汽轮机相同的功耗,燃气轮机需要更多的流量,因此其第一级通常低于汽轮机的对应级数。燃气轮机涡轮大部分的扭矩通常用于驱动压气机,大约只有1/3~2/5的功率能对外输出。综合来讲,现有燃气轮机的最大装机容量远大于汽轮机的装机容量。

4.展望与结语

燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械武器,是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的契机欧宝体育官方,燃气轮机代表了多理论学科跟多项目领域发展的综合水准,是21世纪的先导科技。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业,是国家高技术水平跟技术实力的重要标志之一,具有非常突显的战略地位。由于多方面的缘由,我国燃气轮机同国际先进水准相比却存在巨大差异。因此,我们应加强民族燃机产业的演进,优先发展重型燃气轮机,不断地提高与推进燃气轮机与汽轮机的动力性、可靠性、经济性和灵活性,以适应跟满足不断增长的行业需求,为促进机械工业的不断发展而拼命。

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