燃气轮机原理、结构及与冷热电联供系统应用

燃气轮机（GasTurbine）是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，包括压气机、加热工质的设备（如燃烧室）、透平、控制系统和辅助设备等。
走马灯是燃气轮机的雏形我国在11世纪就有走马灯的记载，它靠蜡烛在空气燃烧后产生的上升热气推动顶部风车及其转轴上的纸人马一起旋转。15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计的烟气转动装置，其原理与走马灯相同。

走马灯与燃气涡轮燃气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转。见上图。

燃气轮机基本原理与结构

现代燃气轮机发动机主要由压气机、燃烧室和透平三大部件组成。当它正常工作时，工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功的转化的热力循环。压气机从外界大气环境吸入空气、并逐级压缩（空气的温度与压力也将逐级升高）；压缩空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气；然后再进入透平膨胀做功；最后是工质放热过程，透平排气可直接排到大气、自然放热给外界环境，也可通过各种换热设备放热以回收利用部分余热。在连续重复完成上述的循环过程的同时，发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功。

燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是助燃剂，燃料燃烧使空气膨胀做功，也就是燃料的化学能转变成机械能。下图是一台燃气轮机原理模型剖面，通过它来了解燃气轮机的工作原理。从外观看燃气轮机模型：整个外壳是个大气缸，在前端是空气进入口；在中部有燃料入口，在后端是排气口（燃气出口）。

燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器，把燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮（透平），是空气膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。燃气轮机动力装置是指包括燃气轮机发动机及为产生有用的动力（例如：电能、机械能或热能）所必需的基本设备。为了保证整个装置的正常运行，除了主机三大部件外，还应根据不同情况配置控制调节系统、启动系统、润滑油系统、燃料系统等。
在下图中表示了燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。

燃气轮机工作过程
在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子，燃烧室产生的高温膨胀气体是同时作用到涡轮叶片与压气机叶片上，如何保证涡轮带动压气机正向旋转呢？

简单说涡轮叶片工作直径大于压气机出口处的叶片工作直径，涡轮叶片的面积也大于压气机出口处的叶片面积，这就初步保证在同一压力下涡轮的输出力矩大于压气机所需的力矩，当然更重要的是压气机叶片与涡轮叶片的良好空气动力学设计才能保证两者高效运行。燃气轮机在设计时就要保证涡轮机输出的功率要大于压气机所需的功率，才能使燃气轮机在带动压气机的同时还能向外输出功率。

注：本文之后的实体将以此机型为例进行剖析。
1. 轴流式压气机
压气机负责从周围大气中吸入空气，增压后供给燃烧室，从工作原理上讲，主要有轴流式压气机与离心式压气机。离心式压气机工作原理与离心式鼓风机（或离心式风筒）相同，用得较少，这里介绍轴流式压气机。轴流式压气机的叶轮由叶片与叶盘组成，工作原理如同电风扇的叶片，电风扇的叶片旋转时拨动空气流动产生风；压气机的叶轮旋转把空气推进气缸压缩。为了生成高压空气，压气机在主轴轴向装有多级叶轮，若干叶轮固定在压气机的转轴上构成压气机转子，下图是一个12级压气机的转子,转子上的叶片与主轴一同旋转，称为动叶。光有动叶还不能有效的压气，简单说，空气经过动叶后运动方向不单是轴向前进，还沿着动叶旋转的方向运动。这会使下级动叶的压缩效率大大降低。倘若这样一级级下去，压气机内的空气变成跟着转子旋转的气团，根本无法正常压气。在每级动叶后每插入一级静止的叶片（静叶），可改善这种状况。

压气机转子
转子安装在压气机的气缸（外壳）内（见下图），静叶机匣固定在气缸内壁。

压气机结构
多数燃气轮机的压气机有十几级，上图是一个12级压气机的剖面图。高速旋转的动叶把空气从进气口吸入压气机，经过一级又一级的压缩，变成高压空气。由于压气机内气体流动方向与旋转轴平行，称为轴流式压气机。压气机的主要参数是增压比，即压气机出口空气压力与进口空气压力之比。理论上进入燃烧室的空气压力越高越好，实际上综合各种因素，较多为12至20。燃气轮机的压气机由本身的涡轮机带动，燃气轮机启动时，先使用外动力带动压气机旋转，把空气压入燃烧室。燃气轮机点火后进入运转状态，则转变至由涡轮带动压气机旋转压气。
2. 环管形燃烧室
燃气轮机的燃烧室将燃料的化学能转变为热能，将压气机压入的高压空气加热到高温以便到涡轮膨胀做功，燃料为液体燃料（例如汽油）或气体燃料（例如天然气）。下图是一个管式燃烧室的结构示意图。

燃烧室结构
燃烧室外壳前面是通往压气机的空气入口，后面是通往涡轮的高温气体出口。 燃烧室内有燃烧器，对于液体燃料，燃烧器把进入的燃料雾化从喷嘴喷出；对于气体燃料，燃烧器把进入的气体燃料扩散预混从喷嘴喷出，与压气机来的空气充分混合后燃烧，产生高温高压气体从过渡段出口喷出。在燃烧室内有火焰筒，燃烧器喷出的火焰在火焰筒内燃烧，火焰筒前段是主燃区，保证火焰正常燃烧；中段是补燃区，在火焰筒壁上有许多进气孔，让空气进入补燃，保证完全燃烧；后段是通向涡轮叶片的燃气导管，也称为过渡段。在燃烧室内的白色箭头线就是气流在燃烧室的流向。
目前燃气轮机的燃烧室主要有四种类型：圆筒形燃烧室、分管形燃烧室、环管形燃烧室、环形燃烧室，后两种用得较多，下面介绍环管形燃烧室。环管形燃烧室只有一个整体的燃烧室，环绕在燃气轮机的腰部，在燃烧室内有若干个火焰筒（包括过渡段）。下图是由12个火焰筒组成的燃烧室剖面图，12个火焰筒共用的空间就是燃烧室的空间，也就是燃烧段气缸内环绕主轴的空间。火焰筒绕燃气轮机主轴一周排列，过渡段出口对向涡轮叶片。

环管形燃烧室结构侧视
下图是一个火焰筒组件的剖面模型。燃烧室由外壳与火焰筒组成，在燃烧室外壳端部有燃料（天然气）入口，在燃烧室内装有燃烧器，其燃料喷嘴在在火焰筒前端内部。在火焰筒尾部联接过渡段，在过渡段上装有可控流量的补气口。

环管形燃烧室火焰筒组件结构
燃料（燃油或天然气）通过燃烧室端部燃料入口进入，由燃烧器喷嘴喷入火焰筒，喷入的天然气与压气机压入的高压空气在燃烧室火焰筒里混合燃烧。燃烧使气体温度剧烈上升，膨胀的高温高压燃气从过渡段喷出，进入透平做功。下图中的白色箭头线是压气机进入燃烧室的气流走向；黄色箭头线是燃烧室喷向涡轮叶片的气流走向。一般燃气轮机有六个至十几个火焰筒组件，在一个环形燃烧室内安装多个火焰筒组件，故称为环管形燃烧室。

环管形燃烧室气流走向
3. 轴流式涡轮
从燃烧室喷出的高压燃气推动涡轮旋转，把燃气的内能转化为涡轮的机械能。
涡轮也称透平。涡轮也分轴流式涡轮与径向式两类，燃气轮机大多数采用轴流式涡轮。
简单说轴流式涡轮的工作原理就像风吹风车旋转一样，是靠燃气流对涡轮上的叶片作用使其旋转的，由于气流主方向与涡轮轴平行，故称之为轴流式涡轮。 涡轮主要由涡轮叶片、涡轮盘（叶盘）、涡轮轴构成，涡轮上的叶片称为动叶，也就是带动涡轮轴旋转的叶片。涡轮机一般有一至四个涡轮，大多数燃气轮机的几个涡轮共一个转轴，一同组成涡轮转子。在涡轮每级动叶的前方还安装一组静止的叶片（静叶），静叶是燃气的导向器，起着喷嘴的作用，使气流以最佳方向喷向动叶。一组静叶加一组动叶为一级涡轮。下图为涡轮叶片的气流走向图，图中蓝色叶片是静叶，绿色叶片是动叶，橙红色箭头表示燃气气流的走向。

涡轮叶片气流走向图
为了充分利用燃气的热能膨胀做功，为获得最大的机械能，大型燃气轮机一般为3级或4级涡轮，图（1）是一个有4级涡轮的涡轮机剖面图，图（2）是这个4级涡轮机侧视剖面图。

（1）4级涡轮机正视剖面图

（2）是这个4级涡轮机侧视剖面图。
4. 环管形燃烧室燃气轮机
燃气涡轮机发动机有多种结构形式，有环形燃烧室燃气轮机、环管形燃烧室燃气轮机、分管形燃烧室燃气轮机等，本文根据前面介绍的环管形燃烧室介绍环管形燃烧室燃气轮机，其他类型燃气轮机与涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机等相关知识可到鹏芃科艺的燃气涡轮发动机章节查找。下图是环管形燃烧室燃气轮机的外观图。主要由轴流式压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮组成。

环管形燃烧室燃气轮机

燃气轮机的压气机转子与涡轮转子共用同一根转轴，一同组成燃气轮机转子，涡轮在向外部提供动力的同时也带动压气机一同旋转，上图是燃气轮机转子。
燃气轮机剖面图，燃气轮机转子安装在机壳（气缸）内；在压气机与涡轮之间有环形燃烧室，燃烧室内安装12个管式火焰筒与12个燃烧器，由燃料管向燃烧器输送燃料。

环管形燃烧室燃气轮机剖面
燃气轮机工作简单过程见下图：空气从进气口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见黄色箭头线；高压空气进入燃烧室，燃料与空气混合在燃烧室燃烧，产生高温高压燃气；高温高压燃气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。

环管形燃烧室燃气轮机气流走向
目前许多大型燃气——蒸汽联合循环发电机组使用的燃气轮机是采用环管形燃烧室燃气轮机，利用天然气作为燃料可以大大减少对环境的污染。

燃气轮机实体结构

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。

燃气冷热电联供分布式能源系统形式及系统图

燃气冷热电联供分布式能源站一般是分散地建设在终端用户或其邻近处，以适应各种类型的终端用户对冷、热、电的供应需求、负荷变化；可以做到燃气发电装置余热的充分利用、并因运行管理的灵活性与智能电网或微电网的紧密配合，为城市电网的调峰作贡献；由于设置在终端用户或其邻近处，可以减少冷、热、电输送过程的损耗，只要在DES/CCHP能源站的规划设计中认真做到系统和设备的优化配置，既可获得明显的节能减排效果，又能得到较好的经济效益。鉴于我国改革开放以来各地区各种类型城市经济发展的实际情况，必须结合DES/CCHP的特点，充分发挥其优越性。在推广应用中的DES/CCHP按供冷、供热范围和建设规模，其形式有区域的建筑群用区域型（DCCHP）和楼宇型（BCCHP），区域型冷热电联供能源站主要是建设在有供冷、供热需求的工业企业、高科技产业、商业等较大范围的群体建筑中或邻近处，一般采用规模较大的轻型或重型燃气轮机发电机组和余热利用设施以及一定供冷能力的制冷设备，并应与正在推广应用的智能电网、微电网结合，对所在区域的工业企业、公共建筑、科研机构、学校、医院等供冷、供热和供应部分电力，冷、热供应应由统一管理调度控制；电力供应由微电网或智能电网统一管理调度控制，协商确定电价。楼宇型冷热电联供能源站是在有供冷、供热需求的一幢建筑物内或具有若干幢建筑物的一个单位或“院落”中建设，设置容量较小的燃气轮机或内燃气或微燃机和余热利用设施等，直接对所在建筑物或建筑群供冷、供热和供应电力，通常采取与城市电力网并网不售电的连接方式。由于DES/CCHP的规模不同、终端用户的冷、热、电负荷变化和使用要求不同以及所在地的条件不同，经过技术经济分析可以采取各种不同设备或设备配置方式，主要有如下考虑：（相关课件请见暖通南社微信推广平台发布的《分布式能源（冷热电三联供技术）及其应用和开发》。
1.1 燃气轮机发电装置+余热锅炉+抽凝式汽轮机发电装置+烟气/热水换热器+蒸汽吸收式制冷机+减温减压装置等
系统流程如图1所示。该系统主要适用于较大规模的区域型冷热电联供能源站，一般采用轻型或重型燃气轮机发电装置，发电能力在50~500MW范围，建设在有较大供热、供冷负荷的各种类型的“园区”或集中的商务区（CBD），为了适应冷、热负荷的变化情况，配置了抽凝式汽轮机组和减温减压装置。通常能源站应外供1MPa左右的蒸汽或150℃以上的高温热水，在“园区”内需冷、热负荷的终端用户或邻近处设供冷站或供热站，以较好地满足终端用户的冷、热需求，但这些供冷站、供热站应由DES/CCHP能源站统一进行管理、调度，以期实现优良的一次能源利用效率。我国南方、北方地区的气象条件不同，供冷、供热时间，负荷及变化也不相同，在南方建设的DES/CCHP能源站因供热负荷较小，为此在能源站内尚需设置热水型吸收式制冷机，采用150℃左右的热水进行制冷。对能源站外供应1MPa蒸汽、120℃~150℃热水、5℃左右冷水和电力。

图1. DES/CCHP（一）①燃气轮机发电装置，②余热锅炉，③汽轮机发电装置，④蒸汽吸收式制冷，⑤电制冷，⑥烟气/热水换热器，⑦水/水换热器，⑧水处理系统，⑨减温减压装置，⑩凝冷器
1.2 燃气轮机发电装置+余热锅炉+背压式汽轮机发电装置+烟气/热水换热器+蒸汽吸收式制冷机+热水型吸收式制冷机+蒸汽/热水换热器+电制冷机等
其系统示意见图2.这种基本流程主要适用于中小型DES/CCHP能源站，发电能力可在10MW~100MW范围，建设在较小规模的“园区”或在“园区”内设多个分散能源站或一些公共建筑集中的建筑群；为了适应终端用户的冷热负荷变化，设置了多种制冷方式和换热装置。DES/CCHP能源站对外供应热水、冷水和电力。

图2. DES/CCHP（二）
①气轮机发电装置，②余热锅炉，③背压式汽轮发电装置，④蒸汽吸收式制冷，⑤热水吸收式制冷，⑥电制冷机，⑦烟气/热水换热装置，⑧水/水换热器，⑨水处理系统，⑩汽/水换热器
1.3 燃气轮机发电装置+高压余热锅炉+背压式汽轮发电装置+低压余热锅炉+蒸汽型吸收式制冷机+电制冷机+蓄冷装置+蓄热装置+换热装置等
系统流程如图3所示。燃气轮机的高温烟气首先在高压余热锅炉制取过热蒸汽，该蒸汽经过汽轮机（背压式）做功和排出背压蒸汽，其背压蒸汽与低压余热锅炉制取的低压蒸汽都经蒸汽集气罐后，送至蓄热装置或换热装置。由换热装置制取热水，供应给用户。利用蓄热装置调节用户热负荷变化时的供热量。夏季余热制冷量不能满足用户需冷量时，应设电制冷机增加制冷量，满足用户所需冷量。若冬季供热量需求较大时，可根据具体条件配置热泵系统供热，满足用户对热量的需求。这种流程适用于25MW以下的中小型DES/CCHP能源站。

图3.DES/CCHP（三）
1.4 燃气轮机发电装置+补燃型吸收式冷暖机+电制冷机（热泵型）+烟气/热水换热器+蓄热装置
系统流程如图4所示。一定压力的燃气与经压气机压缩的空气在燃烧室燃烧后驱动透平机发电和排出400~650℃的高温烟气，补燃型余热吸收式冷暖机夏季只利用高温烟气制冷，若制冷量不能满足用户需冷量时，以电制冷机补充不足冷量；吸收式冷暖机冬季利用高温烟气制热，若制热量不能满足用户所需热量时，采用补燃增加冷暖机供热量；还可根据项目的实际条件采用热泵系统增加供热量。由于吸收式冷暖机排出的烟气温度为150~180℃， 为利用烟气显热和冷凝热配置烟气/热水换热器，夏季供应生活热水等，冬季增加供热量。流程还设置了蓄热器用于各类高峰期的热量调节。

图4. DES/CCHP（四）
1.5 燃气轮机发电装置+余热锅炉+蒸汽型吸收式制冷机+电制冷机（热泵）+换热装置+燃气锅炉
系统流程如图5所示。燃气轮机发电装置排出的高温烟气经余热锅炉生产一定压力的饱和蒸汽，夏季将蒸汽送入蒸汽型吸收制冷机制冷供用户所需冷量，不足冷量由电制冷机补充；冬季将蒸汽送至汽水换热装置得到规定温度的热水供应用户供热，不足热量可由热泵系统和燃气锅炉补充供热。上述三种不同的DES/CCHP能源站的适用范围基本相似，均可适用于小型燃气轮机发电装置的DES/CCHP能源站，但应根据具体工程项目的终端用户的冷、热负荷及其不同时段的变化情况和当地的条件（包括气象条件、可能获得的热泵系统的热源、占地状况、地质条件等），经过技术经济比较，进行设备配置和系统集成优化后合理选择，达到一次能源利用率高、节能减排的优选方案。

图5.DES/CCHP（五）
1.6 燃气内燃机发电装置+余热锅炉+蒸汽型吸收式制冷机+电制冷机+烟气/水换热器+汽/水换热装置+水/水换热装置+蓄热装置
系统流程如图6所示。这种基本流程主要用于MW级以上的燃气内燃机发电装置，为了充分利用内燃机的烟气和缸套水、中冷水的多种余热，设置余热锅炉利用高温烟气生产0.5~0.8MPa的饱和蒸汽，再利用烟气/热水换热器将烟气降至60~80℃；套缸水和中冷水经水/水换热装置降温循环。夏季采用蒸汽吸收式制冷机制冷，不足的冷量由电制冷机补充；冬季采用蒸汽/水换热装置得到热水与水/水换热装置得到的热水共同供热用，为调节热负荷设置一定容量的蓄热装置。这种流程应用场所夏季应具有一定容量的热负荷，以充分利用套缸水等余热所获得的热水；冬季热负荷较大时，可在余热锅炉上设置补燃装置在高峰热负荷时段进行补燃供热。
图6. DES/CCHP（六）
①燃气内燃机，②余热锅炉，③烟气/水换热器，④蒸汽型吸收式制冷机，⑤电制冷机，⑥蓄热装置，⑦汽/水换热器，⑧水/水换热器
1.7 燃气内燃机发电装置+烟气/热水型吸收式冷暖机+烟气/水换热器+水/水换热装置+电制冷机（热泵型）+蓄冷装置等
系统流程如图7所示。这种系统适用于小型的DES/CCHP能源站。内燃机的高温烟气和缸套水等分别接入吸收式制冷机的高压发生器和低压发生器，可以得到较好的制冷效率，为适应终端用户对冷、热负荷变化的需求，配置了电制冷机、蓄冷装置；冬季由烟气/热水吸收式冷暖机供应热水，也可将缸套水等经水/水换热装置与烟气/水换热装置将烟气降温至60~80℃共同提供热水，不足热量可根据所在地区条件，在具有合适低温热源的寒冷地区或需供应热水时配置热泵型电制冷机提供热水；或在吸收式冷暖机配置补燃装置以满足冬季高峰段的供热需求。

图7. DES/CCHP（七）
①气内燃机，②烟气/热水型吸收式冷暖机，③烟气/水换热器，④电制冷机，⑤蓄冷装置，⑥水/水换热装置
1.8 燃气内燃机发电装置+热水型吸收式制冷机+电制冷机（热泵）+燃气锅炉
系统流程如图8所示。这种基本流程主要适用于小型DES/CCHP能源站。内燃机的高温烟气经烟气/水换热装置获得90~95℃的热水，内燃机的缸套水等可与上述热水串联或并联进入热水型吸收式制冷机制冷，也可通过配置的水/水换热器装置获得终端用户所要求的供热温度的热水。夏季不足冷量由电制冷机补充供应，冬季不足热量可根据当地条件配置热泵型电制冷机或燃气锅炉或二者皆有的方式供热。在实际应用中应根据项目的实际条件和冷热负荷变化情况，结合DES/CCHP（六）或（七）进行技术经济比较后选择。

图8.DES/CCHP（八）
1.9 微燃机+补燃吸收式冷暖机
系统流程如图9所示。微燃机排出的烟气经吸收式冷暖机利用余热制冷后排放至大气，由于微燃机设有回热器、排出烟气温度较低，为适应终端用户冷热负荷变化的需求宜设补燃装置补足供热、制冷。这种流程只适用冷热负荷较小的建筑物。

图9.DES/CCHP（九）
1.10 微燃机+热水型吸收式制冷机+电制冷机（热泵）
系统流程如图10所示。微燃机排出的烟气经烟气/水换热器将烟气降温至85~95℃，充分利用烟气显热和潜热获得90℃左右的热水，夏季采用热水型吸收式制冷机制冷，不足冷量由电制冷机补充；冬季直接应用热水供热，不足热量根据具体条件可采用热泵系统补充供热或配置小型常压燃气锅炉补充供热。

图10.DES/CCHP（十）