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电厂笔记| 燃气轮机结构

 福州电校焊接班 2016-11-29

9FA燃气轮机为例(以下章节来自于互联网)

1 压气机

压气机是燃气轮机的主要部件之一,负责从进气系统吸入空气,并将空气压缩增压,然后连续不断地向燃烧室提供高压空气。燃气轮机使用的压气机主要有轴流式和离心式两种类型。轴流式压气机的气体在压气机内沿轴向流动,优点是流量大,效率高(目前为80%-92%);缺点是每级的增压能力低(级压比一般为1.15-1.35)。离心式压气机的气体在压气机内沿叶轮的径向流动,离心式压气机的优点是级的增压能力高(级压比可达4-4.5);缺点是流量小,效率低(75%-85%)。目前世界上中小功率的燃气轮机主要是采用离心式压气机;而大功率燃气轮机则采用轴流式压气机。

   9FA采用的是轴流式压气机,相邻的动叶和静叶称为一级压气机,共有18级,末尾有两级导向叶片(EGV1、EGV2)。压气机包括三段缸体,分别是压气机进气缸、压气机缸、压气机排气缸。它的气缸、外壳和框架都有水平中分面。当压气机上半缸吊开时,所有静叶能按圆周方向滑出来,以便进行检查、更换而不需要把转子吊出来。可变进口导叶也可以在压气机进气缸上半吊起后按径向滑出。

   从2010年开始,GE的9FA燃气轮机使用的是增强型的压气机,国内现有的31台9FA燃机都已经升级改造完成,改造后压气机对转子0级动叶、0-5级静叶、14-16级静叶、IGV叶片进行叶形的重新设计,对压气机通流间隙进行调整,使压气机运行更为安全,压比从最初的15.4提高到现在的16.5。

1.1  1#轴承及进气缸

压气机进气缸为机组的前端,呈喇叭口状,材料为球墨铸铁。1号轴承座和进气缸铸造在一起,是进气缸的一部分,也是燃机中心的第一个基准点。在线清洗喷嘴和离线清洗喷嘴安装在进气缸前端,进口导叶(IGV)安装在进气缸末端。机组的2个前支撑安装在进气缸下半。


因为支撑轴承和前支腿在进气缸上,转子和所有的缸体重量都压在了压气机进气缸和透平排气缸上,为补偿机组水平时的重力作用,进气缸中心低于压气机缸中心0.010英寸。



支撑(支腿)


  9FA机组与底座之间的支撑有2种形式,机组选用哪种支撑形式和联合循环机组的布置方式有关,单轴联合循环机组燃机和汽轮机采用的是刚性联轴器连接,汽轮机高压缸前机箱,在3号轴承的中心线位置用轴向和横向键锚接到基础板上,并用地脚螺栓压紧,构成本机组热膨胀的绝对死点。这种布置方式的燃机的前支撑可微量移动,并在压气机进气缸下部增加了复合导向键。在燃机进气缸和汽轮机的前机箱之间左右装有两根可调整的、自对中的轴向连接杆,将燃机和汽轮机高压汽缸连接成一个整体。

   全机组只有燃机一个推力轴承,布置在燃机进气缸推力轴承座中,推力轴承的推力面构成了该机组整个轴系的“相对死点”。


   对于“二拖一”或者“一拖一”多轴布置的机组,燃气轮机和蒸汽轮机独立布置,且有独立的确保自由膨胀的滑销系统。燃气轮机和燃机发电机直接相连,燃机机组有自己的死点。因为没有连接杆固定,燃气轮机如果还用单轴机组形式的前支撑,燃机和底座容易形成平行四边形,做相对的前后移动,所以燃机的前支撑有所改变,前支撑是一块和燃机底座连在一起的板,安装在进气缸的下部,且不可移动,它是用螺栓和直销直接固定在压气机进气缸的下部。此位置称为机组的死点。转子相对于静子膨胀的固定点为机组的“相对死点”,也是位于推力轴承的推力面上。


   如果使用9FB燃气轮机,因为是双轴布置,前支撑也将会采用这种形式。

1#轴承

   1#轴承位于进气缸内,轴承是支撑转子并允许转子高速转动的承力部件,机组运行时,轴承受到转子的径向及轴向作用力,再经过轴承座传至气缸上或者直接传至底盘上。9FA燃气轮机有两只径向轴承用来支撑燃气轮机转子,有两只推力轴承用来保持转子与静子的轴向位置,在单轴联合循环机组中,燃气轮机、蒸汽轮机和发电机共用一个推力轴承。

1号径向轴承和推力轴承两侧有挡油环和轴承座组成迷宫式密封,在轴承的两侧也有铝合金材质的油封,它和轴承座的也组成迷宫式密封。


   1号轴承有润滑油系统供应润滑油进行压力润滑。因为挡油环和转子轴颈之间总的间隙大概在0.015英寸左右,间隙很小,再有机组的润滑油油箱有较高的负压,有较大的抽吸作用,所以只用油封,不再使用气封。


   1号径向轴承是自整位可倾瓦轴承,有四个可倾瓦块,瓦块表面材料为巴氏合金,在下半的两个瓦块,每个瓦块上都有一个顶轴油孔和一根测瓦块金属温度的热电偶(BT-J1-1A、1B、BT-J1-2A、2B)。


径向轴承和推力轴承都可在不吊出转子的情况下更换。


   从盘车开始前,润滑油和顶轴油就已经运行,当转子升速到1500转时,顶轴油自动退出。停机时,当转子转速到1500转时,顶轴油自动启动。

推力轴承由一个推力盘和轴承的静止部件组成。推力轴承用来承受燃气轮机在转动时形成的推力负荷,把转子轴向位移固定在长度为0.012英寸的范围内。在燃气轮机正常运行过程中,转子的推力负荷是向排气方向的,在启动和停机过程中,推力负荷的方向通常相反。因此为了承受两个方向的力,推力轴承是两个。承受正常运行中推力负荷方向的为主推力轴承,相反方向的为副推力轴承。轴向位移达到0.025英寸机组报警,达到0.030英寸机组跳机。

推力轴承包括推力盘、推力瓦、均衡板、座环等。推力盘是和转子轴颈一体的,随转子一起转动。静止部件的推力瓦由均衡板的淬硬钢调整杠杆支撑。瓦块和均衡板装在座环中,整个静止组件支撑在轴承座内,并用销钉固定在轴承座下半,防止其随转子一起转动。推力瓦块是扇段形状,主推和副推各有十三块瓦块。在早期的9FA机组中,主推力瓦块是十二块,副推是十三块。瓦块表面镶有巴氏合金。推力轴承是可倾瓦自卫型的。



推力轴承有润滑油润滑,推力瓦和推力盘的相对运动形成和保持的润滑油膜将两者分开。这层油膜承受着推力载荷并防止轴承表面金属之间的接触,同时带走因油膜剪切作用而产生的热量。顶轴油、径向轴承和推力轴承的回油汇流到一起从进气缸前出口排出。

1号轴承座的上半是一个独立的铸件用螺栓和直销固定在轴承座的下半。


在1号轴承盖上共有4个探针和一个震动指示器,分别是检测轴振的2个轴振探针(39VS-11、39VS-12),2个轴向位移探针(96VC-11、96VC-12),检测瓦振的震动指示器(39V-1A/1B)。


1.2  压气机缸和压气机排气缸

   压气机缸是压缩空气的部位,材料为球墨铸铁。压气机排气缸材料为CrMoV或NiCrMo。压气机气缸内壁装有0-12级静叶,压气机排气缸内壁装有13-17级静叶和两级出口导向叶片(EGV1、EGV2),它们共同组成压气机的静子。压气机缸有两级抽气,共8个抽气孔,允许抽出第9级和第13级前的空气。抽出的空气除了用于冷却第二级和第三级透平喷嘴外,还在机组启动和停机时将抽气放掉,防止压气机发生喘振。

   压气机排气缸除了能容纳压气机静子的后七级外,还构成压气机排气通道的内、外壁,同时为第一级喷嘴组件提供支撑,与透平缸连接,并支撑燃烧室外壳。压气机排气缸内有排气室,从排气室抽出的空气为燃料系统提供吹扫气源,为进气加热系统提供气源,压气机防喘放气阀的控制气源也来自排气室抽气。有一点需要注意,压气机抽气的抽气口并不在压气机排气缸,而是在透平缸。



压气机静叶在气缸上有两种固定方式

   第一种是直接装配的静叶,压气机5-16级静叶为单独个体叶片,为长方形基面的T型叶根。气缸上加工有叶根槽,静叶一片一片地装入叶根槽中。

第二种是带有静叶持环的静叶,0-4级静叶,17级、EGV1、EGV2一共7级静叶都是装在静叶持环内,封口用锁键固定,通常分为数个扇形段,一个个装入气缸内。



   压气机转子是分布拉杆式转子,是一个由16个叶轮、2个端轴和叶轮组件、拉杆螺栓及转子动叶组成的组件。前端装有零级动叶片,后端装有第17级动叶片,16个叶轮各自装有第1-16级动叶片。压气机转子和透平转子用螺栓连接。在第16级动叶和第17级动叶之间有间隙,透平转子的内部冷却空气从这里抽取,空气引向压气机转子后联轴器上的15个轴向孔,流到透平前半轴与压气机转子后联轴器相应的15个轴向孔,以从转子内部冷却透平转子的第一级和第二级动叶。

压气机转子



1.3  燃烧室

   燃烧室位于压气机与透平之间,整个部件依托在压气机排气缸上,里侧连着透平一级喷嘴,外部用螺栓固定在压气机排气缸上,部件全部是高温合金材料制造。

   主要有三项基本功能:

   (1)使燃气与压气机送来的一部分压缩空气,在其中进行有效的燃烧。

   (2)使由压气机送来的另一部分压缩空气与燃烧后形成的燃烧产物均匀地掺混,将其温度降低到燃气透平进口的初温水平,以便送到燃气透平中做功。

   (3)控制氮氧化合物的生成,使透平的排气符合环保标准的要求。

   燃烧室通常有单管圆筒形、分管形、环管形和环形。GE公司的重型燃气轮机采用的是分管形结构。

   在国内的9FA燃气轮机最初采用的DLN2.0+型燃烧室,现在使用的是DLN2.6+型燃烧室,燃烧温度达到1327度。

燃烧室的组件主要由燃料喷嘴和燃烧端盖组件、燃料喷嘴外缸、过渡段、导流衬套、火焰筒、联焰管和后缸等组件构成。各组件均可以单独拆卸。



   9FA燃气轮机在压气机排气缸的外缘,沿周围布置着18个逆流分管式DLN2.6+燃烧室,每个燃烧室有6个喷嘴。在各个燃烧室之间有联焰管进行连接。在2号和3号燃烧室配有高能火花塞点火器,火花塞可以伸缩,当点火后机组加速时,火花塞被燃烧室中升高的压力压回,以免被烧坏。停机后,火花塞又被弹簧压进燃烧室,以便下一次点火启动。15-18号燃烧室装有4个火焰探测器,紫外线探头被冷却水套冷却,在检测到燃烧室有火焰后,它会发出信号。每个燃烧室上还装有一个脉动压力探头,用来检测燃烧的脉动。脉动压力探头孔也可以作为内窥镜的进口,通过它进入到火焰筒内进行检查。

   燃烧室的工作过程:压缩空气由压气机排气缸流出,首先对过渡段形成冲击冷却,再逆流向前,流过火焰筒与导流衬套之间的环形空间,流向燃烧室头部组件。其中,有少量空气用于冷却火焰筒和盖帽,其余空气经喷嘴上的旋流器进入预混合室,与由燃料喷嘴喷出的燃料气进行混合。燃料与空气混合物经预混合管流入火焰筒,被位于两只上部燃烧室上的高能点火器点燃,火焰起始于喷嘴出口端面与顶盖形成的平面上,并被限制在火焰筒内,气体燃烧膨胀,冲击透平动叶转动。未安装点火器的燃烧室靠联焰管联焰而着火。

2 燃气透平

燃气透平是燃气轮机中一个重要部件。它的作用是把来自燃烧室的、储存在高温高压燃气中的能量转化为机械功,其中一部分用来带动压气机工作压缩空气,多余的部分才作为燃气轮机的有效功输出,带动外界负荷。大概有将近2/3的能量都用来带动压气机做功。

   9FA燃气轮机的燃气透平是三级轴流式透平。每个透平级由喷嘴和动叶片组成。透平部分包括透平转子、透平气缸、喷嘴、护环、透平排气缸组成。

   燃气轮机的后支撑在透平排气缸上,为补偿机组水平时的重力作用,透平缸和透平排气缸的中心低于压气机缸和压气机排气缸中心0.010英寸。

1 透平气缸

   透平气缸为铸造结构,一般用耐热铸钢或球墨铸铁制成,它的前部和压气机排气缸相连,共同为燃烧室系统提供空间,也是主要的受热部位。透平缸和压气机排气缸在这五段缸体中是最为复杂的两段缸体,所以也是国产化最晚的。

   透平缸内主要包括透平转子、透平喷嘴、护环、持环以及检测透平缸轮间温度的热电偶。透平气缸控制着护环和喷嘴的轴向和径向位置,而燃气轮机第二次水平找中时2号轴承的中心是以透平气缸第三级喷嘴的中心为基准的,因此透平气缸的精度控制着整个燃气轮机的间隙。

   燃气透平有三级喷嘴,他们引导经过膨胀的高速燃气流向透平动叶,使转子转动。由于气流通过喷嘴时产生高压降,因此在喷嘴的内外侧都安装有迷宫式的气封,以防止由泄漏引起的系统能量损失。这些喷嘴工作在热气流中,除了承受燃气压力负荷外,还要承受巨大的热应力。

透平第一级喷嘴接触的温度最高且不均匀的燃气,在启动和停机时又是承受热冲击最严重的零部件,经过冷却后还要承受高达900度的高温,所以对它的材料要求很高,寿命在三级喷嘴里也是最短的,目前国内还没能力来制造。第一级喷嘴每两只叶片组成一个喷嘴段,共24组。在持环的导引下,周向的滑入压气机排气缸的末端。第一级喷嘴和燃烧室的过渡段连接,连接处有气封片,防止高温燃气泄漏。第一级喷嘴采用FSX414精铸叶片,并用真空等离子体喷涂保护层。





第二级喷嘴设计成两只叶片一组的铸造喷嘴段,周向滑入透平缸,共24组。它是采用GTD241镍基合金精铸,用Pack Process工艺渗入保护层。

   第三级喷嘴设计成三只叶片一组的铸造喷嘴段,周向滑入透平缸,共20组。它采用GTD241镍基合金钢精铸,应用堆积涂层保护。

   透平的这三级喷嘴在不吊出转子情况下,都可以检修、更换。

   透平这三级喷嘴全部采用空气冷却,其冷却结构采用薄膜冷却、冲击冷却和对流冷却的复合冷却方法。其中,第一级喷嘴采用压气机排气直接冷却,第二级喷嘴的冷却空气来自压气机第十三级抽气,第三级喷嘴的冷却空气来自压气机第九级抽气。


2 透平排气缸

   透平排气缸用冷拉伸螺栓连接到透平缸后侧。结构上,由其间用径向支柱连接的内外圆柱体组成。燃烧后的尾气从从排气框架径向支柱间穿过。2号轴承位于内圆柱体内。

为了控制转子相对于静子的中心位置,支柱必须保持在均匀的温度下,因此支柱制成空心的,即在内圆柱体、支柱、排气缸内侧加一层金属包壳,使高温尾气不直接接触内外缸体。这样做是因为整个燃气透平的温度要比压气机温度高,热膨胀量也会比压气机大,导致整个轴系的不对中,引起整个轴系震动。这个包壳为冷却空气提供了一个回路,在燃机罩壳外设置的2台风机(88TK)不断吹入冷却空气,冷却完压气机排气缸,然后大部分空气去冷却透平转子第三级动叶后轮间,最后汇入高温尾气进入排气道。


   2号轴承位于排气缸内圆柱体内,轴承型号和1号轴承一样,带有4块可倾瓦,下半2块可倾瓦各有顶轴油孔和一根测量金属温度的热电偶(BT-J2-1A、1B,BT-J2-2A、2B)。在轴承外壳45度方向带有2个测量轴振的非接触式探针(39VS-21,39VS-22)。2号轴承座上半有测量轴振的震动指示器。



3 透平转子

   透平转子采用贯穿螺栓结构,有透平前半轴,一、二、三级叶轮,级间轮盘,透平及拉杆螺栓组成。

透平转子通过叶轮轮轴和级间轮盘上的配合止口控制各部件的同心度,用贯穿拉杆螺栓将它们压合在一起。扭矩靠螺栓压紧的各级轮盘间的摩擦力来克服。


透平转子的动叶片尺寸由第一级(叶高386.69mm)到第三级(叶高519.6mm)逐级增高,因为每一级的能量转化使得压力减少,要求环形面积增加以接收燃气的流量,保持各级的容积流量相等。每级透平动叶都是92片。


透平转子动叶采用带有枞树形叶根的长柄式动叶片,在叶片平台和叶根之间,通过较长的、断面为工字形的叶柄来连接。第一级和第二级动叶片的叶根底平面上均开设有小孔,可以通入来自转子内部从压气机第17级动叶前来的冷却空气,使叶根和叶身得以冷却,可以使叶根齿和轮缘的温度显著下降。

   第一级动叶采用定向结晶一次成型,这种结晶方法能承受更高的温度。

   第一级和第二级动叶片表面均有真空等离子涂层,采用空气冷却结构,冷却通道内表面喷涂一层铝保护层。第三级动叶片为非空气冷却。

   第一级动叶采用对流冷却、冲击冷却、气膜冷却的方法。

为了增强出气边的冷却,在冷却通道内还铸有多排针状的肋条,以增强冷却效果。第二级主要采用对流冷却。第三级,第三级动叶处温度接近于尾气温度,比较低,不采用冷却。


第二级和第三级动叶尖部由Z形围带封装,构成叶尖密封的一部分,这些围带在个叶片间联锁以阻尼振动,另外能更好的密封空气,防止能量损失。




   燃气轮机发电装置除需要燃气轮机外,还需要一些必不可少的辅助系统来完成整个发电过程,下面就主要的辅助系统注意简要介绍。

1 进气系统

燃气轮机是以空气为工质的热机,所以空气的状况,即所含有害杂质的情况,对燃气轮机的安全可靠工作有很大的影响。空气的主要成分是氧气和氮气,同时还含有各种杂质如二氧化碳、水分、粉尘、烟雾等。空气中的杂质颗粒对燃气轮机的运行通常有以下几方面的危害:

①由于燃气轮机的压气机和涡轮是高速旋转部件,当带有灰尘的空气进入燃气轮机后会擦伤或损坏压气机及涡轮上的叶片;

②当空气中的灰尘附着在压气机叶片上形成污垢,会使效率、压比、流量等均降低。同时,大气中的灰尘也会污染其它辅助设备,造成堵塞管路、污染油质等现象;

因此,在空气进入燃气轮机前需要进行滤清处理,除去其中有害的元素及杂质颗粒。

 现在均采用过滤的方式进行处理。

2 排气系统

  燃机做完功的高温尾气需排出,这就要有排气系统。简单循环燃机燃机排气直接通过烟囱排出,需要余热回收的尾气通过余热锅炉回收余热后低温尾气通过烟囱排出。

3 启动系统

  燃机-发电机轴系由静止状态到正常运转状态的过渡需要借助外部动力来完成整个启动过程,这就需要启动系统。

系统以励磁机(直流电机)作为机组起动的动力源。当机组起动时,励磁机作为他励式电动机使用;当机组达到自持转速时,励磁机又将作为他励式发电机使用。

系统由起动柜、励磁机及电缆组成。启动整流柜作为起动用电源,能在起动过程中,输出给励磁机电枢绕组的直流电压按预定曲线自动增至最大,实现了起动过程中电源的自动控制。

4 燃料系统

5 润滑油系统

润滑油系统是任何一台燃气轮机必备的一个重要的辅助系统。它的作用是:在机组启动、正常运行以及停机过程中,向正在运行的燃气轮机发电机组的各个轴承、传动装置及其附属设备,供应数量充足的、温度和压力合适的干净的润滑油,以确保机组安全可靠地运行,防止发生轴承烧毁,转子轴颈过热弯曲等事故。此外,部份润滑油可能从系统分流出来,成为液压油系统的油源,或经过滤后作为控制油系统的用油。

一般燃气轮机发电机组的润滑系统分为两个部分,一个是燃机润滑系统,一个是发电机润滑系统,下面分别作以介绍。

5.1  燃机润滑系统

燃气轮机需要润滑和用滑油作工作介质的部位有:减速器、附件传动装置、转子上的各个轴承等。

燃气轮机本体已安装有主滑油泵、辅助滑油泵、中后轴承抽油泵、传动盒抽油泵等,此外还带有油雾分离器、双油滤、调压活门、空气分离器及连接管路等构成完整的润滑循环,滑油消耗的补充、滑油冷却将依托于外部设备。

燃气轮机的外部供油系统由滑油箱、滑油散热器、过滤器、及连接管路等组成。它们为燃气轮机提供符合要求的温度、压力、流量并经过过滤的滑油。

5.2  发电机润滑系统

  发电机需要润滑的部分是2个滑动轴承,向轴承提供滑油的方式有两种,一是通过外部润滑系统注油,二是轴径带有甩油环自动甩油。

发电机滑油系统向发电机2个轴承提供滑油。在机组正常运行时,通过主滑油泵、溢流阀、油冷却器、双联过滤器及管路等组成的通道向轴承供油。同时,因为每个轴承座油池都有存油,当发电机转子轴径上的甩油环随机旋转时,会将轴承座油池里的滑油带入轴瓦,形成内循环润滑。

滑油系统另设顶轴油泵供油。在机组起动时,顶轴油泵先起动工作,油箱滑油经过滤器、溢流阀及管路分别向发电机2个轴承提供顶轴滑油,使转子轴颈轻微抬起,使轴瓦底部充有少量滑油,用来防止轴承初始转动的干摩擦。当发电机达到一定转速顶轴油泵退出工作。

当机组运行中发生意外故障如主滑油泵不能正常工作或外交流电源断电情况下,控制系统自动起动直流应急泵向发电机2个轴承供滑油,保证机组在停机过程中的轴瓦的润滑,直至停机结束。

在滑油箱上装有电加热器及液位计、温度表、隔爆铂电阻;在滑油母管上安装有压力变送器、压力表、温度表、隔爆铂电阻;在回油管上安装有温度表,压力表;其中压力变送器、隔爆铂电阻直接引至控制中心。上述这些主要元器件构成一套完整的压力、温度监控系统。该系统能确保机组在任何状态下安全可靠的润滑。

  除以上的系统外,还有电器部分、专用的控制系统等,在此不一一表述。

来源于:浩然气韵

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