[科普中国]-燃气轮发电机

燃气轮发电机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。由燃气轮机与发电机组成的。

燃气轮机发展历史中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载，它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计出烟气转动装置，其原理与走马灯相同。至17世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较多应用。1

1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于1900～1904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。1

1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为13%、功率为370千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。1

随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，因而在30年代中期出现了效率达85%的轴流式压气机。与此同时，透平效率也有了提高。在高温材料方面，出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。1

1939年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率达18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始迅速发展。1

随着高温材料的不断进展，以及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大，在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机，最高能达到130兆瓦。

与此同时，燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验；1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力；1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后，燃气轮机在更多的部门中获得应用。1

在燃气轮机获得广泛应用的同时，还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置；50～60年代，出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活塞燃气轮机装置，但由于笨重和系统较复杂，到70年代就停止了生产。此外，还发展了柴油机燃气轮机复合装置；另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统，可有效地节约能源，已用于多种工业生产中。1

燃气轮机的工作原理燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。2

燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环；此外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；此外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。2

燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。70年代末，压缩比最高达到31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右，航空燃气轮机的超过1350℃。2

燃气轮机的内部结构及分类内部结构燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。

压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。2

燃烧室和透平不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。2

对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。2

分类燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚重，大修周期长，寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻，所用材料一般较好，其中以航机的结构为最紧凑、最轻，但寿命较短。2

燃气轮机的优缺点与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量，重型燃气轮机一般为2～5千克/千瓦，而航机一般低于0.2千克/千瓦。燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高，在部分负荷下效率下降快，空载时的燃料消耗量高。3

燃气轮机应用不同的应用部门，对燃气轮机的要求和使用状况也不相同。功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电，而30～40兆瓦以上的几乎全部用于发电。3

燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动，机动性好，在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用，能较好地保障电网的安全运行，所以应用广泛。在汽车(或拖车)电站和列车电站等移动电站中，燃气轮机因其轻小，应用也很广泛。此外，还有不少利用燃气轮机的便携电源，功率最小的在10千瓦以下。3

燃气轮机的未来发展趋势燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温，即改进透平叶片的冷却技术，研制能耐更高温度的高温材料。其次是提高压缩比，研制级数更少而压缩比更高的压气机。再次是提高各个部件的效率。3

高温陶瓷材料能在1360℃以上的高温下工作，用它来做透平叶片和燃烧室的火焰筒等高温零件时，就能在不用空气冷却的情况下大大提高燃气初温，从而较大地提高燃气轮机效率。适于燃气轮机的高温陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。3

按闭式循环工作的装置能利用核能，它用高温气冷反应堆作为加热器，反应堆的冷却剂(氦或氮等)同时作为压气机和透平的工质。3

润滑油系统概述燃气轮机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、高速齿轮法兰变形等事故。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。4

为保证对燃气轮机及其驱动的设备提供良好的润滑，除了有设计完善的润滑油系统外，选择性能优越的润滑油也是一个重要因素。早期燃气轮机由于透平进口温度不是很高，其所用的润滑油基本与汽轮机用油一致，但随着透平进口温度的不断提高，燃气轮机对润滑油质量指标的侧重点与汽轮机的侧重点明显不同，燃气轮机强调的是油的高温抗氧化性能，而汽轮机则看重油的抗乳化性能（分水性能）。不少厂商正在研制上述两种性能均优的联合循环用油，特别是同一润滑油系统的单轴机组的用油。润滑油为基础油添加防锈、防腐、抗氧化等各种添加剂后的制成品。基础油可以是矿物油，也可以是合成油。由于合成油纯度高，其性能及使用寿命均优于矿物油，但价格一般为矿物油的2～3倍。评价润滑油优劣的性能指标有油的物理性能、表面性能和氧化性能三个方面，对此燃气轮机制造厂商会提出选择建议。4

联合循环发电装置的润滑油系统有几种不同的配置，对于单轴机组，燃气轮机与汽轮机共用一套润滑油系统；对于多轴机组，燃气轮发电机组与汽轮发电机组可以共用一套润滑油系统，也可以各自单设一套润滑油系统，这要视机组的总体布置而定，不过，由于电站分期建设的需要，大多数多轴机组采取各自单设一套的方式；还有一种航空衍生型的燃气轮机，由于燃气初温很高，其燃气发生器要求使用品质更高的润滑油，因此燃气发生器单独设一套润滑油系统，而动力涡轮与发电机另设一套，前者用合成油，后者用矿物油。4

润滑油系统的组成单就润滑油系统而言，不管是共用系统还是分设系统，其设计原理是一样的。整个润滑油系统的组成应包括下列一些设备：4

润滑油箱

润滑油箱可设在机组的一个或几个底盘内，也可以设计成单独的容器。当油箱由几个容器组成时，应在它们之间用管道连通以平衡油箱内的压力。油箱除了起贮油的作用外，还担负着分离空气、水分和各种机械杂质的任务。油箱中油流速度应尽量缓慢，回油管应布置在接近油箱的油面，以利于油层内空气逸出。油箱的容量越大，越有利于空气、水分和各种杂质的分离。通常用循环倍率K（全部润滑油每小时通过油箱的次数）表示系统容积的相对情况，以Q表示系统的每小时油的容积流量，V表示系统的容积（油箱+管路），循环倍率K=Q/V。通常规定K=8～10，最大不超过12。这是为了使从系统回来的润滑油，有足够的时间将其夹带的空气、水分分离掉。不过，为了结构紧凑，避免因油箱体积过大而使设备笨重，多数机组油箱容量偏小，这迫使用户要选择分水性能更好和空气释放值较小的润滑油。4

主润滑油泵

这是机组正常运行时的工作油泵，可以由主机通过辅助齿轮驱动，也可以由交流电动机驱动，大型机组为了简化结构多采用电动。油泵的容量根据系统总的用油量、调节阀门溢流量和管路的泄漏量决定。主油泵常用的有齿轮泵和螺杆泵，也可以是离心泵。4

辅助润滑油泵

这是机组启动和停机时的工作油泵，或在主油泵出故障时投入使用，通常由交流电动机驱动。此泵多采用浸入式离心泵。其压力和容量一般和主油泵相同或稍微高一些。4

应急润滑油泵

该泵在停机时因辅助润滑油泵故障而投入，或因失去交流电源而投入，或因主、辅泵都不能工作机组紧急停机而投入。由于应急泵只在故障时工作，其压力和容量一般较小。也有的润滑油系统用高位油箱代替应急油泵。

润滑油流过各润滑点（轴承、齿轮等）后温度上升14～33℃（配备减速齿轮时温升可达33℃），因此，从系统回来的润滑油必须冷却以保证合适的供油温度。应用较为广泛的仍然是管式冷油器。常用的冷却方式为水冷，其次是气冷，气冷的优点是不需要冷却水，可在缺水地区使用，但由于空气的传热系数比水的要低得多，因此空冷式冷油器体积相对要庞大得多。在采用水冷方式时，常常设置两个并联的可切换的冷油器。4

主润滑油滤多采用两个并联的可切换的滤油器。主油滤应设置在冷油器的下游。

除上述的设备之外，润滑油系统还需要有阀门、孔板、温度开关、压力开关、油箱液位指示器、润滑油加热器等各种组件和设施，以保证系统正常、安全、可靠地工作。4

对润滑油的要求原则上有下列几个方面：4

1、要求适应轴承、齿轮装置等的启动、加速、满转速及超速等各种工况所需要的润滑油性能。

2、要求适应液压系统如油缸、伺服阀等所需要的液压油性能。

3、热传递油性能。能把轴承、齿轮装置等各种热表面的热量吸收，并将其传输给润滑油换热器（冷油器）。

G4、在一定温度和压力下工作、静止或贮存状态都具有稳定的物理性能、表面性能和氧化性能。

5、能适应润滑系统中及其他用油系统中的各种机械材料，并能保护材料不受腐蚀。

6、具有自动排除空气和水等污染物的性能。

7、具有一定的抗燃能力等。4

润滑油性能指标在选择润滑油时，除了遵照设备制造厂商的建议（如文献49）之外，应该更侧重于下列的性能指标：4

黏度和黏度指数

为了常温下燃气轮机启动时确保各轴承的静压润滑和液压系统的快速反应能力，希望在启动时润滑油的黏度不要太高，为此绝大多数透平机械选择40℃时黏度为28.8～35.2/s的润滑油，即黏度等级为ISOVG32的润滑油。在燃气轮机正常带负荷运行时，轴承间隙内的工作温度有可能高达120℃以上，此时要求油的黏度高一些。为此，应选择黏度随温度变化较为平缓的、即黏度指数较大的润滑油。这里建议油的黏度指数在100以上，至少不应小于90。4

氧化安定性

燃气轮机工作时，润滑油受到强烈的热氧化作用，汽轮机油常用的挥发型防锈抗氧化剂对燃气轮机用的润滑油已不适宜。对于在温度高于260℃的环境中工作的轴承，文献49中明确规定其使用的润滑油中不宜含有DBPC（二叔丁基对甲酚）一类的挥发型抗氧化剂。对于氧化安定性，传统的考核指标是油氧化后酸值达2.0mgKOH/g时所需要的小时数（国外常简称为TOSTLife，即总的氧化稳定性试验寿命），在燃气初温不是很高的情况下，仅考核这一指标已足够，而且只要求其在2000h以上就可。4

但是，由于TOST是在95℃的试验条件下进行，而这一温度与燃气轮机轴承的工作温度颇有距离，对新一代燃气初温更高的燃气轮机，光考核TOST已经不够，因此增加了油的旋转氧弹试验指标，以便在更高的温度下考核油的性能。旋转氧弹试验的温度为150℃，比TOST要高得多。4

分水性能

这是指油和水的分离能力，测量的方法是在专用的试管内放入40mL的油和40mL的水，按规定的试验程序混合，然后测量油水完全或基本完全分离的时间（min），油水分离的程度可以是40-37-3、40-40-0等。对于燃气轮机，这不是十分强调的性能指标，因为在燃气轮机中，润滑油被水（或蒸汽）污染的可能性不大。而在汽轮机中，油水混合的可能性很大，对油的破乳化值不能忽视，其指标至少是油水分离至40-37-3，时间不大于15min。对于联合循环发电装置，如果燃气轮机与汽轮机共用润滑油系统，则必须兼顾油的高温性能和分水性能。4

空气释放值

由于大多数燃气轮机的轴承均使用密封空气，因此轴承的回油中必然会混进空气。这些进入油层中的空气，必须要在油回到油箱后的短暂停留时间内从油层中释放掉。在选择润滑油时，其空气释放值应不大于油在油箱内循环一次的时间。4

起泡性能

起泡性能与空气释放值是两个相互关联而又容易混淆的概念。其实空气释放发生在油层之内，泡沫则产生于油的表面之上。通常认为，在油面上形成5mm的泡沫是正常的。但泡沫过多，油箱的通（排）气口充满泡沫时，就会因妨碍空气的排放而招致严重的后果。因此油的起泡性能至少应符合一般汽轮机油的标准。

除此之外，新油的颜色应浅，以不超过ASTMD1500中的2.0为宜。对于带有负荷齿轮箱的机组，必须考虑油的承载能力，应选择承载能力（FZG）7级以上的油。4

燃气轮机发电厂英文名： gas turbine power plant

以高温气体为工质，按照等压力加热循环工作燃料中的化学能转变为机械能和电能的工厂。燃气轮机发电厂用液体和气体燃料通过燃气轮机转变为机械能，然后带动发电机发电。5

燃气轮机的绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压放热等四个过程分别在压气室、燃烧室、燃气透平和回热器或大气中完成。大型燃气轮机的压气机为多级轴流式，中小型的为离心式。燃气透平一般为轴流式，在小型机组中有用向心式的。燃气透平带动压气和发电机。燃气轮机组单机容量小的约为10~20kW，最大的已达140MW 。热效率30%~34% ，最高达38%。燃气轮机结构有重型和轻型两种，后者主要由航空发动机改装。5

由于体积小、重量轻、启动快、安装快，用水少或不用水，能使用多种液体和气体燃料，在发电上多用于调峰。此外，燃气轮机在油气开采输送、交通、冶金、化工、舰船等领域也得到广泛应用。5

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所