第26卷第1期2013
年3月《燃气轮机技术》GAS TURBINE TECHNOLOGY Vol.26No.1
Mar．，
2013收稿日期：2012-07-17改稿日期：2012-
08-22作者简介：康振亚（1987-），男，山西太原人，硕士，主要研究方向为燃烧室优化设计与内部流场组织分析和NO x 低排放，E-mail ：yy7094691@126．com 。
微型燃气轮机燃烧室预混结构性能研究及改进
康振亚，郑洪涛，贾翔羽，汤忠滨，胡晓明
（哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨150001）
摘
要：针对微型燃气轮机燃烧室的设计，通过归纳工程中常见结构，对大阪大学的实验装置进行数值模拟
及结构改进。结果表明结构中的燃料喷射流量与喷孔位置无关，与喷孔面积呈正相关，且喷孔的开孔位置和孔径大小对燃料与空气混合均匀性有显著影响。比较两种改进结构的反应区最高温度和污染物CO 排放指标，表明预混非均匀性的降低对燃烧性能的提高和反应区最高温度的降低有显著的作用。通过改进结构，能够强化预混、减小预混非均匀度，降低最高燃烧温度，但CO 的排放会上升。关
键
词：微型燃气轮机；燃烧室；干式低排放；预混模式；非均匀度
中图分类号：TK472
文献标识码：A
文章编号：1009-
2889（2013）01-0021-06微型燃气轮机由于其移动方便、结构简单等优
点得到了快速的发展，但随着人们对环境问题的关注，微型燃气轮机燃烧室所存在的污染物排放问题受到了更多的重视。燃烧过程中常见的排放物有氮氧化物（NO x ）、一氧化碳和未燃烃碳氢化合物（UHC ）等，其中氮氧化物的产生极大的取决于燃烧区的火焰温度。干式低污染燃烧技术（DLN 或DLE ）就是按照预混的方式进行燃烧，有效控制燃烧
区的火焰温度，
抑制NO x 的生成［1］
。采用预混燃烧要求燃料与空气混合均匀，避免因为空间中存在燃
料的富集造成在燃烧时出现高温热点，但由于燃烧室的尺寸限制而很难达到预期，因此人们设计各种结构方案来满足气体燃料和氧化剂充分混合的要求
［2-7］
。本文将采用数值模拟的方法研究燃烧试验段的流动和掺混情况，分析造成掺混不均匀的原因，对结构进行改进，并研究燃料的喷射位置和喷射孔径变化对燃烧室性能的影响，
具体思路如图1［8-11］
所示。本文将工程中经常采用的结构进行归纳分类，选取其中比较有代表性的公司产品举例。GE 公司和西门子公司的预混燃烧室将喷射孔置于旋流叶片上，同时进行预混和旋流，在本文中称之为模式1；三菱公司的设计则为先喷射燃料，再旋流掺混，本文
图1设计思路示意图
称为模式2，图中的标号为专利申请号。模式1在
实际设计中，喷射孔处于叶片的前缘，应此可将模式1视作模式2的特殊情况加以考虑，其实质相当于
先喷燃料后旋流。此外，
还有一些方案为先经叶片预旋，再由喷射孔射流掺混。日本大阪大学
［2］
通过
合理简化工程实际中所采用的结构，
设计了三种实验方案进行对比，最终认为采用先喷射后旋流的方式（即本文中的模式2）能够达到最好的燃烧效果，
燃气轮机技术第26卷
但是并没有考虑孔的结构和布置对燃烧效果的影响。本文在此基础上简化实际结构，重点比较孔结构的设计对预混效果及燃烧性能的影响，最终得到本文中需要分析和改进的结构。
1方案模型的建立
本文中燃烧室结构参考了大阪大学［8］
的某微
型旋流预混燃烧装置，
目标在于分析研究燃料预混通道内采用喷射立柱和旋流叶片的组合设计进行燃
料与空气的掺混过程。美国GE 公司申请的一些专
利中，包含了相似的结构方案［12］
。对喷射立柱上小孔的改进思路如图2所示。针对燃料喷射立柱上的
小孔布置和孔径大小，采用了三种方案：方案1是采用大阪大学的试验结构，其上的三个小孔孔径相同，且采用等距布置，本文中称之为标准孔方案；方案2是对标准孔方案的改进，小孔总的喷射面积不变，但在圆柱两侧的氧化剂流道空间呈相间排列，称为高低孔方案；方案3上的小孔等距排列，孔的总面积和原模型相同，但孔径大小从喷射立柱根部向上逐渐变大，称为大小孔方案。
图2
方案改进示意图
2数值计算方法
原型燃气轮机燃烧室所使用的燃料是Town Gas ，日本城市燃气在各个地区的燃料成分并不相同。本文所使用的燃料为天然气，过量空气系数为2.0，环境压力为大气压，重点研究预混结构方案的设计对燃烧性能的影响。本文使用FLUENT 进行冷态流场和燃烧场的数值模拟，固体壁面采用标准壁面函数，默认为绝热壁面。湍流流动模型采用了realizable 的k －ε双方程模型。热态采用组分输运模型下的EDC 模型来模拟燃料与氧化剂的预混和燃烧过程。计算中，以甲烷作为燃料，假设化学反应
分为两步进行，采用了甲烷的两步反应机理［13］，并采用GAMBIT 软件对流场进行数值离散，整个区域
包含结构和非结构的混合网格。数值模拟中三种方
案的网格数量均在220万左右，能够捕捉流场中的
细节特征。本文采用标准孔方案的数值模拟结果与原始文献的实验数据比较，数值结果与实验数据有一定的差异，但在污染物生成的量级上一致，具有一
定的计算精度，
能够反映结构变化对燃烧性能的影响趋势，可以用来指导实际燃烧装置的方案改进。
FLUENT 软件中NO x 模型的真正功能也恰恰在于准
确地预测变化趋势，而不深究其具体的生成数量，这也是目前CFD 技术所能够实现的一般功能。2.1
平均空间非均匀度N S
平均空间非均匀度N S 定义如式（1）。
N S =（σf /C f
）σf =
1
N －1∑N
i =1
（C f ，i －C f
）槡
{
2
（1）
其中：C
f 为所在平面内燃料浓度的空间平均值；σf 为相应的浓度标准偏差
［9］
。
2.2燃烧模型介绍
燃烧模拟采用了涡-耗散概念（EDC ）模型，其优点在于能够将详细的化学反应机理合并在湍流反应
流动中。基本思想是假定反应发生在被称为良好尺度的湍流结构中，其中长度分数被定义为
［14］
：ξ=C ξ
v ε
k 2
1/4
（2）
由于在该尺度内的反应是在一段时间内开始进
行的，被称为时间尺度，定义为：
τ*
=C τ
v
ξ
1/2
（3）
以上两式中：C ξ为体积分数常量；C τ为时间尺度常量；ν为动力黏度；k 为湍动能；ε为耗散率。反
应经过时间尺度τ*
后开始进行，其反应速率受Ar-rhenius 方程控制。
3
计算结果及分析
3.1
冷态喷射孔燃料流量对比结果及分析
标准孔方案中甲烷从立柱小孔喷出后，由于射
流速度较快且孔口位于同一半径高度，燃料在两个立柱间的气流通道中心发生交汇，形成燃料的富集区，
这对下一步的混合带来不利的影响。高低孔方案为避免在标准孔方案中所出现的富集现象，在燃料喷射立柱两面的不同高度上开设小孔，如图2所示。该方案有利于将燃料射流的空间位置进行交叉布置，避免燃料射流在通道空间同一高度处发生对冲，使燃料在空间的分布趋于合理。
2
2
第1期微型燃气轮机燃烧室预混结构性能研究及改进
在研究中需要首先确定的两点：（1）燃料的喷射量和喷射孔的位置无关；（2）燃料喷射流量与喷射孔直径的大小有关。这两点也是下面进行高低孔和大小孔方案改进的依据。本文中，从旋流叶片根部向上的一系列小孔，分别命名为根部孔、中间孔和端部孔。通过数值模拟监测流场中4个位置的根部孔、中间孔与端部孔的流量，并将数值模拟所得到的监测结论进行比较，可得到表1与表2。由表1可知，在同一喷射立柱上，当每个喷射孔面积相同时，各个孔的燃料喷射量变化不大，最大偏差仅为3.42%，说明对于喷射小孔，空间的位置分布对其喷射流量没有显著影响。标准孔方案中所有喷射立柱上孔的排布位置径向高度相同。
表1标准孔方案小孔流量对比
孔位置燃料流量/（kg·s－1）流量均值/（kg·s－1）偏差根部孔1 3.69E-06
中间孔1 3.77E-06
端部孔1 3.76E-06
3.74E-06
1.34%
0.80%
0.53%根部孔2 3.59E-06
中间孔2 3.74E-06
端部孔2 3.82E-06
3.717E-06
3.42%
0.62%
2.77%根部孔3
3.42E-06
中间孔3 3.44E-06
端部孔3 3.42E-06
3.427E-06
0.21%
0.38%
0.21%根部孔4 3.38E-06
中间孔4 3.44E-06
端部孔4 3.43E-06
3.417E-06
1.08%
0.67%
0.38%
表2大小孔方案中各个孔流量对比
编号监测位置1流量
/（kg·s－1）
监测位置2流量
/（kg·s－1）
监测位置3流量
/（kg·s－1）
监测位置4流量
/（kg·s－1）
监测燃料喷口的面积
/mm2
大孔 5.23E-06 5.30E-06 5.30E-06 5.27E-06 5.62E-01中孔 3.53E-06 3.56E-06 3.55E-06 3.53E-06 3.60E-01小孔 1.76E-06 1.78E-06 1.75E-06 1.77E-06 1.58E-01大、中、小孔比值 2.97?2.01?1 2.98?2.00?1 3.03?2.03?1 2.98?1.99?1 3.56?2.28?1
由表2可知，在喷射立柱上，燃料的喷射量和孔的面积关系较大。开孔的面积影响了燃料的喷射量，且燃料流量的增加并不随喷孔开口面积等比例增加，而是随着面积的增大，燃料流量的增加速度逐渐减小。因此可以通过调节孔径大小来进行燃料量分布的优化，以满足预混燃烧对燃料与氧化剂混合均匀性的要求。以上结论为下一步的结构改进提供了依据。
综上所述，为了使燃料和空气混合均匀，需要对燃料的射流位置和射流量进行合理的布置，即较大的空间对应较多的燃料喷入量。大小孔方案和高低孔方案正是依照这一结论进行改进的。
3.2预混段冷态场非均匀性对比
三种方案的结果对比如图3所示。从燃料喷射出口到预混段出口这段区域内，等距离选取几个平面，计算该平面的燃料浓度的空间非均匀度N S。随着燃料和空气在预混段的流动和掺混，燃料的空间分布逐渐趋于均匀，N S值逐渐减少。出口位置处，大小孔方案的燃料分布最均匀，体现出孔径大小的合理布置对掺混的良好效果，即底部的孔径较小，而顶部的孔径较大，使得燃料的喷射量和氧化剂通过的空间大小变化相一致。该设计精神在德国西门子公司的低排放分级燃烧器中得到了体现。采用大阪大学的设计［2］，即采用标准孔方案时，由于喷射孔结构相同，且处于同一半径高度，燃料喷射后在通道内同一高度位置形成对冲，导致在有限长度的混合段没有进行充分的混合，出口位置混合非均匀度最大。采用方案2即高低孔方案设计，能够使得通过小孔喷射出的燃料在通道空间内形成交叉射流，避免燃料射流的空间相遇，在空间中分布更加均匀，效果比标准孔好，但由于没有改变孔径的大小，在燃料和空气配比上不如大小孔方案合理，因此出口处的非均匀度不如大小孔方案小。
图3预混段燃料分布的非均匀度
32
燃气轮机技术第26卷
3.3燃烧场结果对比及分析
3.3.1速度场分析
如图4所示，三种预混结构的速度场类似，只是回流区尺寸大小略有不同（回流区的尺寸通过轴线速度为零的位置判断，速度为零的轴线位置越远，回流区尺寸越大）。图5以标准孔方案所得到的流场为例，流场结构均为燃料通过喷射立柱射入气流，经过预混通道与氧化剂掺混，再进入突扩燃烧室中分流为3股。第一股混合气流会直接旋转射入燃烧室中，不发生回流；第二股混合气流会在中心处产生回流区，且回流区的产生为燃料的稳定燃烧创造了条件；第三股气流会在突扩燃烧室夹角处出现角落涡。比较回流区的长度，可以看到标准孔方案中分速度为零的位置在轴线处的距离最近，则回流区长度最短；而高低孔方案的回流区和涡结构尺寸最长，结果表明喷射燃料的空间分布会对预混段旋流强度造成一定的影响，进而影响回流区的尺寸大小。
图4三种方案X轴方向速度对比
图5标准孔方案的流场结构
3.3.2温度场分析
图6下侧为大阪大学［8］采用标准孔结构在过量空气系数接近2.0时的实验照片，可作为与数值结果进行对比的参考，重点在于比较火焰的大致结构。由此可见由数值模拟得到的温度分布和采用实验所得到的火焰结构十分接近，这说明了采用EDC模型来模拟预混过程并进一步模拟燃烧过程的方法是可行的。对比3种方案，采用标准孔方案的燃烧高温区域温度大致在1980K左右；大小孔方案的燃烧高温区域温度大致在1575K左右，为三者中最低；采用高低孔方案的燃烧区域温度居中，达到了1755 K左右。可见通过改变燃料的喷射方式，合理地分布燃料的喷射位置和流量大小，能够改善燃料和空气在预混段的混合程度，极大地降低燃烧高温区域的温度水平。但由于大小孔方案的最高燃烧温度比较低，有可能造成甲烷燃烧的不完全。
图6温度场分布及对比图
3.3.3CO
2
浓度场分析
由图7所示，对比3种方案来看，采用标准孔方案的燃烧室前部的CO2浓度较高，高低孔方案居中，而大小孔方案的浓度最低，且在出口处CO2分布最为均匀。原因在于燃烧过程中，采用大小孔方案和高低孔方案能够使火焰长度减短，反应能在燃烧室前部充分快速地进行，为CO2和空气充分掺混提供足够的空间，使得出口处的CO2的分布均匀。
图7CO2浓度分布及对比图
3.4污染物排放对比分析
由图8可知，由于反应的最高温度较高，高低孔方案和标准孔方案的CO排放明显比大小孔要低，
42
第1期微型燃气轮机燃烧室预混结构性能研究及改进
原因在于大小孔方案的燃烧区温度较低，使得甲烷的燃烧不完全，产生大量的不完全燃烧产物CO 。温度提高后加快了燃烧反应的进行，有利于燃料的充分燃烧，从而减小了污染物CO 的排放。
图8污染物CO 排放对比图
对比三种方案，尽管数值计算结果对比实验有一定的差距，但是采用数值模拟软件来进行结构的优化是有价值的。结果很好地反映了污染物排放随结构设计改进的变化趋势，进而指导工程应用中预混燃烧结构的改进。今后将进行相应的实验研究，进一步优化微型燃气轮机燃烧室预混段结构的设计。
4结论
本文基于FLUENT 软件对微型燃气轮机燃烧室
进行了数值计算，
得到以下结论：同一喷射立柱上，喷射孔的燃料喷射量和孔的
位置无关，但和孔径大小有关，随着孔径的增加，燃料喷射量的增速趋缓。
采用大小孔的设计方案，在不同的半径高度处设计不同的燃料喷射孔径，能够更好地达到预混目标。高低孔方案通过交叉布置喷射孔，使得燃料的喷射在空气流道中呈现相间排列，避免燃料在空间中的富集，
对预混非均匀性的降低有利。采用非均匀度的方法来比较掺混的效果能够比较好地反映燃料混合的实际情况，反映出燃料不均匀分布的程度。预混非均匀度的减小，能够极大降低主燃区的温度。
控制主燃区的最高温度，能够使得氮氧化物的排放降低，但会造成燃料燃烧不完全，使得CO 的生成量偏高，需要在实际过程中权衡设计，同时将主要污染物的排放量降至最低。
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5
2
燃气轮机技术第26卷
Research and Improvement of Performance of
Micro-Turbine Combustor Premixing Structure
KANG Zhen-ya，ZHENG Hong-tao，JIA Xiang-yu，TANG Zhong-bin，HU Xiao-ming （College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）
Abstract：For the design of micro-combustor，numerical simulation of the Osaka University experiment and the optimization of its structure are carried out based on the conclusion of common engineering structures．The result shows that the fuel injection rate is inde-pendent of the position of injection holes in the premixed structure；while there is positive correlation between the fuel injection rate and areas of injection holes．Moreover，positions and diameters of injection holes have significant influence on the premixing non-uniformity of fuel and air mixture．Through comparison of the maximum temperature in reacting zone and pollutant emission index of two improved structures，it is found out that the reduction of premixing non-uniformity has significant influence on combustion performance and reduc-tion of maximum temperature．Therefore，intensifying premixing and reducing non-uniformity by improving the structure of combustor could lower maximum combustion temperature，though CO emission will increase．
Key words：micro-turbine；combustor；DLE；premixing mode；
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
unmixedness
（上接第8页）
Fault Analysis of Starting Procedure for A Marine Gas Turbine
ZHU Wei-jun1，YU You-hong2
（1．Unit No.91959，Hainan Sanyan，572000，China；
2．College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan430033，China）
Abstract：The Gas turbine starting procedure includes motor drive，air compression，ignition and burning，turbine acceleration，etc．In the starting procedure that from static condition to dynamic condition，the electric energy and the fuel chemical energy convert to the mechanical energy，and it is a sharp physicochemical change and an easily failing process．Based on analysis the gas turbine starting characteristics，the probability fault types and reasons during starting is analysed．To analyse typical fault，the precautions and recom-mendation in real manipulation and operation are given in this paper．
Key words：marine gas turbine；starting procedure；
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
fault analysis
（上接第14页）
Analysis of the Methods for Estimating Nox Emissions from Syngas Combustor LIN Qing-hua1，2，3，ZHANG Zhe-dian2，3，XIAO Yun-han2，3
（1．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China；2．Key Laboratory of Advanced Energy
and Power，Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China；
3．Research Center for Clean Energy and Power，Chinese Academy of Sciences，Jiangsu Lianyungang222069，China）
Abstract：With regulations governing NO
x emissions becoming more stringent，it's more important to estimate NO
x
emissions in the
process of design gas turbine combustors．Correlations for NO
x
emissions predictions mostly were derived from data based on combustors
experiments burned liquid fuel or natural gas．So it needs validation before using these correlations to predict NO
x
emissions from gas
turbine combustor burned syngas．Compared these correlations results with NO
x
emission experimental data from GE's F-class combus-
tors burned syngas，the results showed that all correlations appeared in this paper can't accurately predict NO
x
emissions from syngas
combustors．Based on the GE's experimental data，a new correlation is proposed which can be used to calculate the NO
x
emissions from syngas combustors．Further validation of the correlation effectiveness and the scope of the parameters will be done．
Key words：NO
x emission predictions；gas turbine combustors；syngas
62
燃气轮机性能指标主要影响因素及提高性能途径研究 摘要: 本文以9e燃机为例，概括介绍了国内已经投产的燃气轮机的主要性能指标，并通过对不同设计和运行条件下技术性能指标的对比，分析对燃气轮机性能指标产生影响的主要影响因素，从而总结和简述了提高性能指标的主要途径。 关键词: 燃气轮机；性能指标；功率；热耗率；影响因素；abstract：illustrated by 9e gas turbine, the main technical performance parameters of gas turbine in china are described, and with the comparison of the technical parameters under different design and operation condition, an analysis on the main influencing factors is presented, so as to summarizethe major way to improve the performance parameters. keywords: gas turbine; performance parameter; power; heat rate; influencing factor 中图分类号：th138.23 文献标识码：a文章编号：2095-2104（2012） 1.引言 燃气轮机是从本世纪50年代开始逐渐登上发电工业舞台的。但是由于当时机组的单机容量较小，而热效率又比较低，因而在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰机组使用。 60年代时欧美的大电网曾发生过电网瞬时解列的大事故，这些事
第三章燃气轮机 3.1概述 （1）燃烧室功用及重要性 1.保证燃机在各种工况下，将燃料化学能转换为热能，加 热压气机压缩的空气，用于涡轮膨胀做功。 2.燃烧室是燃机的主要部件之一，燃机的性能、可靠性、寿命 皆与它有密切关系。 （2）燃烧室的工作条件 ①燃烧室在高温、大负荷下工作 ②燃烧室在变工况下工作 ③燃烧室在具有腐蚀性的环境下工作 ④燃烧室内的燃烧过程是一个极其复杂的物理化学过程 ⑤燃烧室中的燃烧在高速气流及贫油混合气情况下进行 （“空气分股”、“减速扩压”、“反向回流”） （3）燃烧室的设计要求 ①不同工况下，燃烧室工作应稳定 ②燃烧要安全 ③燃烧室具有最小的流体阻力 ④燃烧室出口温度场应能满足涡轮的要求 ⑤在任何使用条件下，燃烧室都应该迅速、可靠地启动点火，且联 焰性好 ⑥工作寿命长 ⑦燃烧室的尺寸和质量要小 ⑧排气污染应能满足国家标准要求 ⑨检视、装拆和维修应当方便 3.2三种基本类型燃烧室 的结构概述 （1）分管燃烧室 1.结构特点 管形火焰筒的外围包有一个单独的壳体，构成一个分管，沿燃气轮机周围6-16 个这样的分管，各分管用传焰管连通，以传播火焰和均衡压力。 2.优点： ①装拆、维修、检修方便 ②因各个分管的工质流量不大，调试容易，实验结果比较接近实际 情况 3.缺点： ①装拆、维修、检修方便 ②因各个分管的工质流量不大，调试容易，实验结果比较接近实际 情况
（2）环管燃烧室 1 .结构特点： 若干个火焰筒均匀排列安装在同一个壳体内，相邻火焰燃烧区 之间用传焰管连通。 2.优点： ①适合与轴流式压气机配合，布局紧凑、尺寸小、刚性小； ②气流转弯小，流体阻力小，热散失亦小； ③调试比较容易，加工制造的工作量比分管小。 3.缺点： ①燃烧室出口温度场沿周向不够均匀； ②燃烧室的流体损失较大； ③耗费的材料、工时较多； ④质量较重。
编订：__________________ 审核：__________________ 单位：__________________ 燃气轮机合成气燃烧室燃烧稳定性的实验研究Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level. Word格式 / 完整 / 可编辑
文件编号：KG-AO-1217-35 燃气轮机合成气燃烧室燃烧稳定性 的实验研究 使用备注：本文档可用在日常工作场景，通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行具体的部署，从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作，使日常工作或活动达到预期的水平。下载后就可自由编辑。 燃气轮机是通过燃烧将化学能转化为机械能的装置，目前燃气轮机广泛的应用到发电、管道输送、船舶动力等领域。对于燃气轮机，燃烧室是燃气轮机最重要的部位，实现稳定安全的燃烧是十分重要的，只有保证燃烧室的稳定燃烧，才能保证燃气轮机的安全稳定的运行。本文通过理论和实验研究，对燃烧室稳定性燃烧进行分析，并且提出了相应促进燃烧稳定的方法，希望为燃气轮机的安全稳定运行提供理论参考。 由于燃气轮机具有功率大、体积小、效率高、污染低等特点，燃气轮机在多种领域具有广阔的应用前景。保证燃气轮机的稳定燃烧，就必须保证燃烧室在任何工况下的稳定燃烧。燃烧室燃烧稳定性关系到燃气轮机的寿命以及安全运行，因此对燃烧室燃烧稳定
燃气轮机系统建模与性能分析 摘要：燃气轮机机组具有超强的北线性，人们掌握它的具体实施工作过程运行 规律是很难得。在我过电力工业中对它的应用又不断加强。为了更加透彻的解决 这个问题，本文将通过建立燃气轮机机组系统建模及模拟比较研究机组设计和运 行中存在的问题，从而分析它的性能。 关键词：燃气轮机；系统建模；性能 1模拟对象燃气轮机的物理模型 在标准IS0工况条件(15℃101.3kpa及相对湿度60%)下，压气机不断从大气中 吸入空气，进行压缩。高压空气离开压气机之后，直接被送入燃烧室，供入燃料 在基本定压条件下完成燃烧。燃烧不会完全均匀，造成在一次燃烧后局部会达到 极高的温度，但因燃烧室内留有足够的后续空间发生混合、燃烧、稀释及冷却等 复杂的物理化学过程，使得燃烧混合物在离开燃烧室进入透平时，高温燃气的温 度己经基本趋于平均。在透平内，燃气的高品位焙值(高温、高压势能)被转化为功。 1.1燃气轮机数值计算模型与方法 本文借助于 GateCycle软件平台，搭建好的燃气轮机部件模块实现燃气轮机以上物理模型的功能转化，进行燃气轮机的热力学性能分析计算的。在开始模拟燃 气轮机之前，首先对燃气轮杋部件模块数学模型及计算原理方法进行简单介绍。1.2压气机数值计算模型 式中，q1 、q2 、ql 分别为压气机进、出口处空气、压气机抽气冷却透平的 空气的质量流量； T1*、 p1* 分别为压气机进出口处空气的温度、压力； T2*、 p2* 分别为压气机出口处空气的温度、压力 ηc、πc分别为压气机绝热压缩效率，压气机压比 γa为空气的绝热指数；ρa为大气温度；?1为压气机进气压力损失系数 ιcs、ιc分别为等只压缩比功和实际压缩比功 i*2s、i*2、i*1分别为等只压缩过程中压气机出口处空气的比焓，实际压缩过程中压气机出日处空气的比烩和压气机进日处空气的比焓； 当压气机在非设计工况下工作时，一般计算方法是将压气机性能简单处理编制成 数表，通过插值公式求得计算压气机的参数，即在压气机性能曲线上引入多条与 喘振边界平行的趋势线，这样可以把压比，流量，效率均视为平行于喘振边界的 等趋势线和转速的函数。本文采用了同样的计算方法，在计算燃气轮机变工况性 能过程中引入无实际物理涵义的无量纲参变量CMV（compressor map variable），仅相当于引入的平行于压气机喘振边界的趋势线，压气机的质量流量、压力和效 率计算是通过上下游回馈的热力计算结果，插值寻找能够使得上下游热力参数 （压力，温度，输出功率，转速，流量）计算收敛的工作点，即压气机的变工况 工作点。 1.3燃烧室数值计算模型 其中 式中： α为过量空气系数： L0为燃料的理论空气量：
第一讲：燃气轮机基本原理及9E燃机性能型号参数授课内容： 第一章：绪论 1）：燃气轮机发电装置的组成 2）：燃气轮机发展史 3）：我国燃气轮机工业慨况 4）：GE公司燃气轮机产品系列及其编号 第二章：燃气轮机热力学基础知识 1）：工质的状态参数 2）：理想气体状态方程 3）：功和热量 第三章：燃气轮机热力循环 1）：燃气轮机热力循环的主要技术指标 2）：燃气轮机理想简单循环 3）：燃气—蒸汽联合循环 第四章：9E燃机性能型号参数 1）：PG9171E型燃机型号简介 2）：PG9171E型燃机性能参数简介
第一章绪论 第一节燃气轮机发电装置的组成 燃气轮机是近几十年迅速发展起来的热能动力机械。现广泛应用的是按开式循环工作的燃气轮机。它不断地由外界吸入空气，经过压气机压缩，在燃烧室中通过与燃料混合燃烧加热，产生具有较高压力的高温燃气，再进入透平膨胀作功，并把废气排入大气。输出的机械功可作为驱动动力之用。因此，由压气机、燃烧室、透平再加上控制系统及基本的辅助设备，就组成了燃气轮机装置。如果用以驱动发电机供应电力，就成了燃气轮机发电装置。 (幻灯)
第二节 燃气轮机发展史 燃气轮机是继汽轮机和内燃机问世以后，吸取了二者之长而设计出来的，它
是内燃的，避免了汽轮机需要庞大锅炉的缺点;又是回转式的，免去了内燃机中将往复式运动转换成旋转运动而带来的结构复杂，磨损件多，运转不平稳等缺点。但由于燃气轮机对空气动力学和高温材料的要求超过其他动力机械，因此，发展燃气轮机并使之实用化，人们为之奋斗了很长时间。如果从1791年英国人约翰·巴贝尔(John Baber)申请登记第一个燃气轮机设计专利算起，经过了半个世纪的奋斗，到1939年，一台用于电站发电的燃气轮机(400OkW)才由瑞士BBC公司制成，正式投运。同时Heinkel工厂的第一台涡轮喷气式发动机试飞成功，这标志着燃气轮机发展成熟而进入了实用阶段·在此以后，燃气轮机的发展是很迅速的。由于燃气轮机本身固有的优点和其技术经济性能的不断提高，它的应用很快地扩展到了国民经济的很多部门· 首先在石油工业中，由于油田的开发和建设，用电量急剧增加·建造大功率烧煤电站不具备条件(没有煤炭，交通不便，水源紧张，施工困难等)，周期也不能满足要求·而燃气轮机电厂功率不受限制，建造速度抉，对现场条件要求不高，油田有充足的可供燃用的气体和液体燃料·不少油田还利用开发过程中一时难以利用的伴生气作燃气轮机燃料，价格便宜，发电成本低，增加了燃气轮机的竞争力，所以在油田地区，燃气轮机装置被广泛应用，除用于发电外，还在多种生产作业申用燃气轮机带动压缩机(例如天然气管道输送，天然气回注，气田采油等)和泵(例如原油管道输送和注水等)。 其他工业部门，如炼油厂、石油化工厂、化工厂、造纸厂等等;它们不仅需要机械动力，而且需要大量热(例如蒸汽)。这时用燃气轮机来功热联供，在满足这两方面需要的同时，还能有效地节能，故应用发展较快。 实践证明，燃气轮机作为舰船推进动力，其优点显著，特别是排水量为数千
图说燃气涡轮发动机的原理与结构 曹连芃 摘要：文章介绍燃气涡轮发动机的工作原理；对燃气轮机的主要部件轴流式压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮分别进行了原理与结构介绍；对燃气涡轮发动机的整体结构也进行了介绍。 关键字：燃气涡轮发动机，燃气轮机，轴流式压气机，燃烧室，轴流式涡轮 1. 燃气涡轮发动机的工作原理 燃气涡轮机发动机（燃气轮机）的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在唐宋时期甚是流行。走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。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，见图1。 图1-走马灯与燃气涡轮 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。图2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。
图2-模型燃气轮机结构 在图3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。 图3-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，如图4所示。
电站燃气轮机课程复习思考题 1. 词语解释： （1）循环效率：当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为机械功l c的百分数。 （2）装置效率（发电效率）: 当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为电功l s的百分数。 （3）净效率（供电效率）: 当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为净功l e的百分数。 （4）比功:进入燃气轮机压气机的1kg的空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的机械功（或电功）l s（kJ/kg）,或净功l e（kJ/kg）. （5）压气机的压缩比: 压气机的出口总压与进口总压之比。 （6）透平的膨胀比: 透平的进口总压与出口总压之比。 （7）压气机入口总压保持系数:压气机的入口总压与当地大气压之比。 （8）燃烧室总压保持系数:燃烧室的出口总压与入口总压之比。 （9）透平出口总压保持系数:当地大气压与透平的排气总压之比。 （10）压气机的等熵压缩效率:对于1kg同样初温度的空气来说，为了压缩达到同样大小的压缩比，等熵压缩功与所需施加的实际压缩功之比。 （11）透平的等熵膨胀效率:对于1kg同样初温度的燃气来说，为了实现同样的膨胀比，燃气对外输出的实际膨胀功与等熵膨胀功之比。 （12）温度比:循环的最高温度与最低温度之比。 （13）回热循环:在简单循环回路中加入回热器，当燃气透平排出的高温燃气流经回热器时，可以把一部分热能传递给由压气机送来的低温空气。这样，就能降低排气温度，而使进到燃烧室燃料量减少，从而提高机组的热效率。 （14）热耗率：当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q，转化成机械功（或电工）
GE公司F级燃气轮机 1 F级燃气轮机产品系列及其性能演变 F级燃气轮机已有多种多样的型号可满足不同用户的需要，在MS6000、MS7000、MS9000系列中都有F级的产品，表1列出F级燃气轮机最新机型简单循环的性能，表2列出50Hz的F级燃气 表1 F级最新机型燃气轮机简单循环性能 基本参数MS9351FA MS7241FA MS6101FA 净出力/MW 255.6 171.7 70.1 效率/% 36.9 36.4 34 透平进口温度/℃1327 1327 1288 压比15.4 15.5 14.9 质量流量/kg·s-1624 432 198 排气温度/℃609 602 597 频率/Hz 50 60 50/60 表2 50HzF级燃气轮机联合循环性能 基本参数S109FA S209FA S106FA S206FA 净出力/MW 390.8 786.9 107.4 218.7 净热耗率/kJ·（kWh）-16350 6305 6767 6654 净效率/% 56.7 57.1 53.2 54.1 MS9001FA、MS7001FA、MS6001FA型燃气轮机都有18级的压气机和3级的涡轮机，以冷端驱动和轴向排气为特点，有利于联合循环布置。F级燃气轮机采用GE公司传统可靠的分管式燃烧系统，
并可配备双燃料燃烧系统，如在以天然气为主燃料时，可以轻油为辅助燃料。当天然气供应发生故障时，机组可自动切换到轻油燃烧，使燃机不因燃料供应故障而停机，进一步保证了机组的可靠性和可用性。机组也可根据要求，在一定条件下使用双燃料混合燃烧。此外，F级燃气轮机可燃用低热值燃料，从而扩大了发电厂的燃料使用范围和灵活性。F级燃气轮机应用于IGCC电厂，可 GE公司在其制造MS6000型、MS7000型和MS9000型机组的基础上，发展完善了底盘部套、控制和辅机组合一体的快装模块结构，这种标准化布置可减少管道、布线及其他现场相关联接的工 F级燃气轮机还显示出不同寻常的环保特点。由于机组的效率高，单位发电量的NO x和CO排放量较少。采用干式低NO x（DLN）燃烧室，大大降低了NO x的排放。180多台采用干式低NO x燃烧室的F级燃气轮机已累计运行近30 0万h。有些电厂的NO x排放量甚至低于10mg/kg。 1.1 7F和7FA、7FB型燃气轮机 自从1987年生产第一台7F型燃气轮机后，经过不断改进，形成了一系列F级的燃气轮机。图１以7000系列中的F级燃气轮机为例，展示了F级燃气轮机的发展过程。(图中华氏温度t F 换算因数为)其主要性能见表3。 图1 F级燃气轮机的发展过程 表3 7F系列燃气轮机主要性能
GE公司9F重型燃气轮机的演化 . 简介 作为一家拥有130年能源创新历史，并在160多个国家拥有机组运行经验的公司，在发电设备，能源服务及能源管理系统领域中，GE业已成为世界最大、产品最多样化的供应商之一。事实上, 在今天，GE产品承担着全世界四分之一的发电量。作为世界燃气轮机技术的领跑者，GE推出的F级燃气轮机实现了多项业界第一，其中包括：第一家机组交运过1000台，第一家机组在世界范围内运行服役超过3500万小时，同时也是第一家为整体煤气化联合循环发电(IGCC)设计并制造F级燃气轮机的厂商。 融汇大量成熟产品技术，紧跟全球不断变化的电力生产需求，GE 9F燃气轮机持续革新改进，在保持原有F级机组运行灵活性的同时，不断改善发电出力，效率，排放并拓展其应用领域。如今，F级燃气轮机产品线下的9FA和9FB两款机型，拥有着世界领先的技术及性能。 II. 产品的演化 9F级50Hz重型燃气轮机家族已有超过20年的发展历史，1991年，GE推出简单循环出力达212MW，效率达35.0%的9F型燃气轮机。随后，很快又推出了增加了14.5MW出力和更高效率的9FA燃机(01版)。如图1所示，9FA燃机持续改进，接着推出了9FA燃机(02版)以及现在的03版设计。目前，9FA燃机(03版)做了多种针对客户需求的改进，包括了机组性能的提高，运行灵活性的增强和机组可用率的提升。这些技术中包括了增强型压气机，干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+), 热通道部件冷却技术升级及叶片状态监测等。 图1：9F重型燃气轮机的演化
随着客户需求的不断发展，9F燃机家族推出了更高出力和效率的9FB燃机。作为GE最先进的50Hz空冷燃机，9FB燃机应用了与9FA燃机相同的压气机设计并提高压比，使用了新型的可适应更高燃烧温度的热通道部件。从干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+)，到更高性能的新型部件，再到可减少安装时间的模块化辅助系统，9FB燃气轮机正用不断的技术革新来满足客户日益发展的需求。 2011年，为满足客户一直以来对机组运行灵活性的需求，GE推出了FlexEfficiency* 50联合循环电厂，该电厂以全面革新的9FB燃机为基础，结合压气机和透平升级技术, 继续采用干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+), 单轴配置下额定出力可达510MW，满负荷下效率大于60%。FlexEfficiency* 50联合循环电厂设计和燃机设计平行进行，整体优化，确保了机组高水平的运行灵活性。9FB 燃机(05版)，9FA燃机，9FB燃机(03版)性能对比，请参见表1。 9FA和9FB燃机系列运行效率高且兼顾运行灵活性。在考虑燃料成本时，9FB燃机的高效率缓解了燃料成本高企给电厂带来的压力，而在考虑机组成本时，9FA 燃机为简单循环调峰运行和联合循环电厂提供了经济的解决方案。9FA和9FB燃机的运行灵活性可满足当今电网调峰及平衡可再生能源供电波动的快速响应的需求。拥有灵活起停及更低的部分负荷运行能力的9FA和9FB燃机为电厂操作人员提供了适应电力需求波动的最佳选择。此外，9FA和9FB燃气轮机还可满足部分区域电网对于频率波动和欠频运行的要求(具体的偏频运行水平需要根据具体现场和地方法规要求而定。) 机群数据统计 目前，9F燃机累计装机240台，总计运行超过9百万小时和9万次启动。9F机组于20年前推出，目前已遍布世界各地。除了在像西欧这样的发达国家市场上运行(如英国，意大利，西班牙等)， 9FA和9FB燃机市场亦扩展到了新兴市场，例如东欧(拉脱维亚，立陶宛)，北非(阿尔及利亚，埃及)，中东，南美(智利，阿根廷)和中国。图2，图3是一些机组的现场安装照片。
影响燃气轮机及其联合循环特性的因素分析 姓名：张瑞琦学号：2012031426 联合循环发电技术对改变电力能源结构、改善环境、提高电网调峰灵活性有重要作用。随着天然气开采技术的提高以及西气东输和引进液化天然气两大工程的启动, 燃气轮机及其联合循环在我国得到迅速发展和应用。对任一个联合循环方案, 其热力系统及组成均有所区别, 而且环境条件和运行参数如环境温度、大气压力、空气相对湿度、海拔高度、空气进口压损及余热锅炉烟气阻力、燃料类型、蒸汽循环方式、循环水温度、入口空气冷却等对整个热力循环的出力和热耗的影响也不同。为使建成后的联合循环电厂单位投资最省、热效率最高、投产后具有较好经济效益, 对影响燃气轮机及其联合循环系统的出力和热耗的相关因素进行分析, 从而选择合适机型和运行方式。 1 环境因素的影响 1. 1 大气温度 大气温度对简单循环燃气轮机及其联合循环的性能有相当大的影响。随着大气温度的升高,空气比容增大, 吸入压气机的空气质量流量减少,导致燃气轮机及其联合循环的出力减小。即使机组的转速和燃气透平前的燃气初温保持恒定, 压气机的压缩比也会有所下降, 燃气透平做功量减少, 但排气温度却有所增高, 使得燃气轮机及其联合循环的出力和热耗产生变化。 随着大气温度升高, 燃气轮机及其联合循环的出力均成线性下降, 但是联合循环的出力的减小较燃气轮机平缓。环境温度每升高10度 , 单循环燃气轮机出力下降5% ~ 7%,联合循环出力下降3. 5% ~ 5. 5% 。这是由于联合循环的燃气透平排气温度略有增高, 可以在余热锅炉中获取更多的能量, 到蒸汽轮机中去做出更大数量机械功的缘故。另外, 随温度升高, 燃气轮机相对效率成曲线下降, 每升高10度相对效率下降0. 05% ~ 1. 8% 。然而, 大气温度对联合循环机组的相对效率影响不大, 这是由于大气温度变化对燃气Brayton 循环及蒸汽Rankine 循 环热效率的影响相反, 在大气温度约为15度时, 联合循环热耗达到最低点, 此时Brayton 循环及蒸汽Rankine 循环热效率的乘积为最大值。 1. 2 空气湿度 有研究表明: 当空气温度< 37度时, 即使相对湿度为100% 时, 大气中所含的水蒸气数量仍然是很少的( 即绝对湿度值很小) , 其影响是可以忽略不计的。然而, 随着燃气轮机单机功率增大, 以及为降低NOx 的排放而进行的注水注汽,绝对湿度的影响变得越来越明显。从图2 中不难看清: 空气绝对湿度与燃气轮机及其联合循环机组的出力和热耗均成线性关系, 且各自的影响几乎一样。绝对湿度每增加0. 01, 出力下降0. 001% ~ 0. 002%, 而热耗上升0. 002%~ 0. 004% 。 1. 3 大气压力和海拔高度的影响 目前燃气轮机及其联合循环大都是按ISO 状态条件( 大气压力p a = 0. 1013MPa、环境温度15度、相对湿度60%) 进行设计的。不同的海拔高度将导致不同的平均大气压力, 随着海拔的升高,p a 和t a 都在下降。而燃气轮机的出力与所吸入的空气质量流量成正比, 而质量
航空发动机 1引言 燃气轮机燃烧室的传统设计 方法主要是依靠经过分析、总结的大量试验数据后，得到的经验公式，而由此设计出的方案还要再通过反复试验来验证 、完善及筛选。因此，传统燃烧室设计需要耗费大量时间、 人力、物力和财力[1]。近来，计算流体力学和计算燃烧学的迅速发展以及计算机商业软件的广泛应用，使得以计算机模拟、诊断技术研究为主的新型设计方法逐步趋向成熟，虽然 目前还不能替代传统的设计方法，但可作为辅助设计手段，以缩短燃烧室设计周期，减少设计费用。 本文在已有燃烧室试验结果 的基础上，使用Fluent 软件，对R0110重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒内部的流场进行了全尺寸的三维数值模拟计算，并与试验结果进行了比较分 齐兵（1981），男，主要从事燃气轮机燃烧室设计工作。 收稿日期：2008-05-13 R0110重型燃气轮机燃烧室 三维数值模拟 齐兵，金 戈，顾铭企 （沈阳发动机设计研究所，沈阳110015） 摘要:采用SIM PL E 算法，应用带有旋流修正的k-ε双方程湍流模型及有限速率/涡耗散化学反应模型，对R 0110重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒进行了三维数值模拟计算。将计算出的燃烧室出口温度场的分布、 品质及火焰筒壁温与试验结果进行了对比分析。燃烧室进口流量、温度、压力等气动参数均与试验时保持一致，火焰筒各部分空气流量也均按火焰筒空气流量分配试验结果给定。计算和对比分析的结果表明，计算得到的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温分布与试验结果比较接近。 关键词：燃烧室；数值模拟；重型燃气轮机；温度场；品质；壁温 3D Numerical Simulation of R0110Heavy Duty Gas Turbine Combustor QI Bing,JIN Ge,GU Ming-qi (Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China) Abstract:3D numerical simulation of the single liner was performed for the R0110heavy duty gas turbine reverse-flow cannular combustor using SIMPLE algorithm based on k-εtwo-equation turbulent model with turbulent corrected and finite-rate/eddy dissipation chemistry reaction model.The comparative analyses between the calculation and experiment results with the distribution and quality of the combustor exist temperature field and the liner wall temperature were conducted.The aerodynamic parameters of the combustor inlet flow,temperature and pressure etc.were consistent with the test values.The air flow distributions of the liner were determined according to the experimental results.The results of the calculation and comparative analysis show that calculation results of the distribution and quality of the combustor exist temperature field and the distribution of liner wall temperature approach to the experimental results. Key words:combustor;numerical simulation;heavy duty gas turbine;temperature field;quality;wall temperature 28/29 2009年第35卷第4期Vol.35No.4Aug.2009
燃气轮机燃烧室性能指标的衡量 （1）燃烧效率。目前，一般燃气轮机组中燃烧室的燃烧效率都能达到95％～99％，航空发动机的燃烧效率更高。 （2）总压保持系数。定义为=P3/P2，是衡量燃烧室气动性能好坏的指标，目前一般燃烧室在设计工况的在0.95～0.97左右。对于连续流动的工质，总压下降有两个原因。一是热力学上的“热阻”，它随工质加热程度（用燃烧室出口总温与进口总温之比τ=T3/T2来表示）的增加而增加，是不可避免的；另一个就是摩擦、掺混等不可逆流动的因素导致的损失，其中有的是为了有效组织燃烧过程而不得不付出的代价。燃气轮机燃烧室研制中要致力于最大限度地减少不必要的总压损失。 （3）出口温度均匀度。在许多燃气轮机中，燃烧室的出口是与透平的入口很靠近的，如果出口处燃气的温度不均匀，即有些地方温度高，有些地方温度低。这样就有可能使透平叶片受热不均，甚至有被烧坏的危险。一般希望燃气的最高温度不能比出口平均温度t3高60～80℃。此外，在装有许多个燃烧室的机组中，还应力争每个燃烧室出口温度场的平均值相互之间的偏差不超过15～20℃。 此外，出口温度沿燃气轮机半径方向的分布有一种中间高，两端低的自然趋势，这正是发挥透平叶片材料的潜力所要求的，因为透平叶片尖部（外径处）受气流加热最严重，容易局部金属温度高；而叶片根部（内径处）则应力最大，希望金属温度低些以保证更好的强度。这样叶片中径处气流温度相对高一些正好满足叶片等强度的要求。 （4）污染物排放。随着环境保护要求的提高，控制燃烧污染物的排放已成为燃气轮机燃烧室研制中首要解决的问题之一。目前我国对燃气轮机的燃烧污染物排放还没有制定限制规范，但国际上对燃气轮机特别是航空燃气轮机排放已做出严格的限制。 （5）火焰筒壁温度水平和梯度。火焰筒壁面温度的高低及其均匀程度对于燃烧室的工作寿命有决定性的影响。一般规定，火焰筒的壁面温度不应超过金属材料长期工作所能承受的温度水平。对于工作寿命要求较长的燃烧室来说，希望能把火焰筒的最高壁温控制在650~700℃左右，但在工作寿命较短的燃烧室中，其最高壁温则有可能超过800～850℃，甚至局部有可能达到900℃左右。火焰筒壁面上温度分布的均匀程度也是一个很重要的安全性指标，因为局部温度梯度是导致热应力的原因，特别是在受冷、热气流冲击和接缝、边缘等传热条件不均匀的部位，容易发生金属温度的差异；必须在调试时严密注意和控制。 （6）燃烧室的变工况特性。随着燃气轮机运行工况的变化，燃烧室也往往会在偏离设计工况的条件下工作。这时，流经燃烧室的空气流量、温度、压力、速度以及燃料消耗量都会发生变化。由于燃烧室没有运动部件，因此供入空气的任何变化对燃烧室内部流动的影响只表现在量的方面。简单地说，不同工况下的流动基本上是“相似”的，即气流的模式相同，只是速度大小成比例地加大或减小。供入燃料量的变化，则会从另一方面对燃烧过程产生重要的影响。一般而言，决定燃烧室工况的独立变量有两个，即特征流动状态（例如入口流动状态）和相对燃料量（用过量空气系数表示）。对于在具体燃气轮机中应用的燃烧室而言，这二者之间有一定的函数关系，一般而言燃烧室的值随燃气轮机负荷的升高而下降。燃烧室的变工况特性可以用燃烧室性能参数，即燃烧效率、总压保持系数，壁面温度、出口温度场等随过量空气系数 的变化来表示。 现有对于燃烧室变工况特性的认识远不如对压气机和透平那样清楚和完整，而且都是通过
燃气轮机的选型 在燃气轮机选型时，对其热力性能方面的考虑应注意以下几点： （1）机组热效率和燃料成本相结合的综合经济性。单方面考虑热效率高低常常是不全面的，一般需把机组热效率和燃用的燃料成本结合起来，更全面权衡机组的经济性。因为有时地理因素更优先于热效率，如某些地区的用户可能更注重燃气轮机对燃用廉价原油和重油的能力与相应的长热部件寿命性能。 （2）热力循环系统优化的问题。影响燃气轮机热力性能的因素有很多，如透平初温、压气机压比、回热度（若采用回热循环）等热力参数，压气机、透平、燃烧室等部件效率，进、排气道等各部分流阻损失等。其中许多参数受到设计制造时的技术与设计水平所制约，一般要根据设计和技术条件选取，如透平初温就要根据高温材料和冷却技术来确定。而压气机压比要通过热力循环设计优化分析来确定。 （3）机组的全工况或变工况热力特性。实际上，随着环境大气条件、外界负荷或系统本身等变化，燃气轮机及其联合循环装置总是处于非设计工况下运行，全面考虑全部可能运行区域的特性，就更为重要和实用。主要包括： 1）随大气条件变化的机组变工况特性。由于燃气轮机的工质来自大气环境、又排回大气，其输出功率对大气条件，特别是对大气温度非常敏感。通过燃气轮机及其联合循环性能（设计工况的效率与功率）相对比值随大气温度变化的典型规律。大气温度总在变化，随着温度的升高，燃气轮机及其联合循环相对的输出功率都会下降，但联合循环的功率减小要比燃气轮机平缓，燃气轮机效率下降，而联合循环的效率稍有增加；反之，当温度下降时，两者的输出功率都会增加，燃气轮机效率提高，联合循环效率稍有降低。至于大气压力则与机组安装地区的海拔高度有密切关系，燃气轮机及其联台循环的功率都与大气压力成正比，而两者的效率与此无关。但当分析机组安装地点的海拔高度对燃气轮机性能影响时，要考虑大气温度和压力两个因素的综合影响。 2）随外界负荷变化的机组变工况特性。燃气轮机是通过调节燃料量、也就是调节透平初温来适应外界负荷变化，而不像汽轮机那样是通过改变蒸汽工质质量流量来改变功率，所以机组热经济性随负荷变化而变化趋势就非常明显。 2.燃料与环境问题 （1）燃料问题。燃气轮机燃用的燃料对电站的环境特性，还有经济性、安全性和可靠性等都有很大的影响，主机选型时需全面考虑可供燃用的燃料问题，包括燃料的来源、供应量、质量以及候选机组对其适应性与要求等。燃气轮机适合燃用气体燃料和从高级的航空煤油到低级的锅炉渣油的液体燃料。但所用燃料的各种品质会严重影响燃气轮机装置的运行、维护和成本。因此，燃料的最佳选择应
燃气轮机燃烧室（机械工程学燃气轮机领域术语） 编辑 燃气轮机燃烧室是燃气涡轮发动机（简称燃气轮机）中必不可少的部件之一，在这里燃料中含有的化学能通过燃烧化学反应，转变成热能，形成高温（通常也是高压的）燃烧产物，推动涡轮做功，随后燃气根据不同的用途，采用不同方式将热能转变为机械能。 目录 1燃烧室简介 2燃烧室特性参数 3燃烧室效率的计算 4总压损失的计算 5参考文献 6燃气轮机简介 1燃烧室简介编辑 燃烧室是一种用耐高温合金材料制作的燃烧设备。在整台燃气轮机中，它位于压气机与涡轮之间。燃气轮机运行时，燃烧室在宽广的工况范围内工作。在燃气轮机变工况的过程中，燃烧室进口的空气流量、温度、压力、速度以及燃油消耗量都会发生变化，这些变化反过来又会影响整台燃气轮机的性能。所以，弄清燃烧室的变工况特性，对整台燃气轮机的变工况运行有积极地意义。 燃气轮机燃烧室
2燃烧室特性参数编辑 表征燃烧室性能指标的参数主要有燃烧室效率、压力损失、稳定性、点火范围、出口温度分布和容热强度等，但与燃气轮机变工况密切相关的参数主要是燃烧室效率和压力损失，前者直接关系到燃气轮机的燃料消耗量（影响燃气轮机的效率），而且还影响到流经涡轮的燃气流量；而后者直接影响到涡轮的膨胀比。由于燃烧室内部燃烧过程的复杂性，人们还不能全部用理论计算的方法给出燃烧室效率和压力损失随工况的变化关系，这些的关系式主要还是以实验为基础的经验公式。 燃气轮机燃烧室（爆炸图） 3燃烧室效率的计算编辑 由于燃烧室壁散热、燃料燃烧不完全以及燃料产物的离解，燃料的热值不能完全利用。燃烧室效率就是用来表征燃料燃烧完全程度的物理量。 燃料室效率的定义是燃油实际用于加热工质的热量与燃油完全燃烧时放出的热量之比。 其表达式 式中： —燃烧室进口空气质量流量 —燃烧室出口燃气质量流量 —燃油流量 —燃烧室出口每千克燃气的焓 —燃烧室入口每千克空气的焓 —每千克燃油的焓 —燃油热值 在已知燃烧室结构尺寸的情况下，燃烧室主要与燃烧室进口压力、进口温度、进口速度和油气比（余气系数）有关，因此燃烧室效率应该具有以下形式 由定性分析可得，随着增加，燃烧室效率逐渐增加，在达到一定温度后，效率基本保持不变。这是因为在温度较低时，燃料与空气的热交换和质量交换不够充分，即燃烧不够充分。温度的升高对燃料的燃烧过程有改善作用，但温度增加到某一值后，燃烧室中混流区的影响远远大于温度提高的影响，所以效率不再明
结构部分 压气机 1.大型压气机的工作温度范围是常温-400℃左右；压气机不需要特殊的降温手段，但在结 构上应满足强度和刚度要求。(C1p2) 2.压气机通流部分的四种型式为：等外径、等内径、等平均直径、混合型。(C1p7-10) 3.轴流式压气机静子主要由气缸和静子叶片组件组成。它是压气机中不旋转的部分。 (C1p11) 4.工业型机组的压气机气缸一般是铸造的。为了减小气缸的厚度，通常采用在气缸外表面 加筋的办法来增强刚性。气缸一般采用分段布置。(C1p13) 5.压气机静叶的功能是把气流在动叶中获得的动能转变为压力能，同时使气流转弯以适应 下级动叶的进口方向。工作时静叶只承受气流作用力，与动叶相比较强度问题不大，但应考虑共振问题。通常，压气机静叶设计成直叶片，且沿叶高各截面的型线一样。(C1p22) 6.转子的刚度问题主要反映在临界转速上，机组的工作转速应避开临界转速。最大工作转 速低于一阶临界转速的称刚性转子，它要求临界转速高于最大工作转速20％— 25％。 当工作转速高于一阶或二阶临界转速的称柔性转子。(C1p37) 7.压气机转子的结构型式有哪三种？鼓筒式、盘式、盘鼓混合式。(C1p39) 8.盘鼓式转子的分类？焊接式、径向销钉式、拉杆式。(C1p43) 9.为获得良好的性能，动叶叶身型面设计主要考虑的两个因素是：是否满足气动及强度的 要求。(C1p63) 燃气透平 1.透平将高温燃气能量转换成为机械功，目前，大型燃机的透平进口初温为1100-1430℃， 膨胀做功后降到约600℃。(C2p3) 2.透平静子由气缸、静叶及支承和传力系统等组成。(C2p5) 3.透平静叶的作用与设计要求(C2p16-17) 透平静叶又称喷嘴，它的作用是使高温燃气在其中膨胀加速，把燃气的内能转化为动能，然后推动转子旋转作功。 对静叶设计的要求为： ①耐高温、耐热腐蚀； ②耐热冲击； ③热应力小；
M701F燃气轮机燃烧室压力波动大跳机原因分析 摘要：本文对M701F燃气轮机燃烧室压力波动大跳机进行简要分析，并提出相 应处理措施。 关键词：燃气轮机；燃烧室；压力波动 1 基于CPFM的燃烧调整 M701F燃气轮机除了常规的通过排气温度进行燃烧监测以外，还采用了燃烧 室压力波动监视系统（CPFM）直接对燃烧状况进行监测。严重超限的燃烧室压力波动可能会导致热部件的损坏，因此CPFM还为燃气轮机提供了连锁保护功能， 在压力波动初期监测到变化，提前快速减负荷或及时跳机来阻止热部件的损坏。 随着大气条件、燃气参数的变化，以及长时间运行后，燃烧状况都可能出现 劣化的趋势，为了能够实现燃烧空燃比的最优化调节，调整燃烧至最佳的状况， M701F燃气轮机专门设置了独立于主控制系统的的自动燃烧调节系统（ACPFM） 对燃烧进行调整。 2 事件描述 2017/9/28 7：18 ，某燃气电厂机组负荷在CC=200MW （联合循环） /GT=115MW（燃气轮机）时，出现#1/#2/#3 CPFM HH2频段的报警，ACPFM系统 没有进行自动修正，压力波动值超过TRIP值（2.0KPa）（见图1）, 触发燃气轮机的保护动作，机组发生跳闸停机。 图1 3 原因分析 图2是事件发生时，ACPFM系统画面状态。ACPFM系统没有进行修正，同时 出现了5项报警（红色模块）：过程信号异常；压力波动传感器异常；不能修正；燃烧振动超限；裕度小。分析认为HH2燃烧振动是真正的燃烧振动，不是噪音， 燃气轮机运行参数无异常，认为是压气机劣化造成空气量的减少，导致HH2燃烧 振动的发生。裕度小可能与保留之前出现过的错误数据有关，同样会造成ACPFM 系统不能修正。 图3 5 实施效果 实施后机组运行正常，稳定区域显示恢复，MARGIN SMALL报警消失，ACPFM系统恢复修正功能，见图4： 图4 6 结束语 基于以上原因分析和实施后的效果，为了避免再次出现类似问题，建议在M701F燃气轮 机日常运行维护过程中应做好以下几点： 1）运行人员在机组运行过程中应密切监视各种报警信号，如遇到不清楚报警内容的应及 时与专业技术人员联系，以防出现不必要的损失。 2）ACPFM系统正常情况可以自动调整使得燃气轮机处于最佳运行工况。但是，由于该 系统的调整范围是有限度的，不能完全依赖该系统的自调性能，运行人员应该做好日常的数 据分析、比较，以便及时发现问题，按照燃气轮机说明书做好相关维护工作，比如按期进行 压气机水洗等。 3）热控人员在机组运行过程中应检查ACPFM系统是否处于正常工作状态，如遇到
燃气轮机和内燃机发电机组性能及经济 性分析 2014-9-9 摘要：介绍燃气分布式能源系统配置。对燃气轮机、燃气内燃机发电机组性能（性能参数、变工况特性、余热特性、燃气进气压力）、经济 性等进行比较。 关键词：分布式能源系统；燃气轮机发电机组；燃气内燃机发电机组；经济性 Analysis on Performance and Economy of Gas Turbine and Gas Engine Generator Units Abstract ：The configuration of gas distributed energy system is introduced ．The performance of gas turbine generator unit including performance parameters ，variable conditions characteristics ，waste heat characteristics and gas inlet pressure as well as the economy are compared with gas engine generator unit ． Keywords：distributed energy system ：gas turbine generator unit ； gas engine generator unit ；eeonomy 1 概述 燃气分布式能源系统（以下简称分布系统）是指布置在用户附近，以天然气为主要一次能源，采用发电机组发电，并利用发电余热进行供冷、 供热的能源系统[1-11]。主要设备包括发电机组、余热利用装置等，作为动 力设备的发电机组是分布系统的关键。 分布系统通常采用的发电机组为燃气轮机发电机组（以下简称燃气轮机组）、燃气内燃机发电机组（以下简称内燃机组）。燃气轮机组是以 连续流动气体为工质，将热能转化为机械能的旋转式动力设备，包括压气 机、燃烧室、透平、辅助设备等，具有结构紧凑、操作简便、稳定性好等 优点。在分布系统中应用的主要是发电功率范围为25?20000kW的微 型、小型燃气轮机组。 内燃机组是将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入气缸内部燃烧并产生动力的设备，是一种将热能转化为机械能的热机，具有体积小、热效 率高、启动性能好等优点，发电功率范围为5?18000kW美国不同规模分 布系统的发电机组发电功率见表 1 。