目前可用的燃燒燃氣輪機設計

最後更新於2022年1月18日星期二|熱回收

以下是幾種燃氣輪機的描述，涵蓋了各種能力和設計，並突出了一些基本的設計和性能特征。功率輸出容量和熱燃料效率曲線和圖形是用於多種型號的。

圖10-63是一個拆卸視圖，10-64是一個組裝的通用LM2500航空衍生燃氣輪機的剖視圖，設計能力約32,000馬力(23,860千瓦)。ob体育赛事該機組具有16級軸向設計壓氣機，由兩級高壓渦輪驅動，壓比為18:1。動力通過壓縮機前端的徑向傳動軸提取。輸出功率通過連接軸傳遞給負載尾部動力渦輪轉子軸。裸燃氣輪機長14.1英尺(4.3米)，高5.0英尺(1.5米)，重量隻有10300磅(4672公斤)。這種航空導數設計固有的低轉子慣性，

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圖10-63 LM2500航空衍生型燃氣輪機拆卸示意圖。資料來源:通用電氣公司

: 圖10-64 LM2500航空衍生型燃氣輪機剖麵圖。資料來源:通用電氣公司

導致低啟動扭矩和功率要求，這減少了相關起動係統的大小（例如，電動機，氣動介質存儲器或發動機驅動的液壓係統）。本機的起始扭矩小於750英尺（1,017 n-M）。該裝置的動力渦輪機以3,000或3,600轉/分，允許直接，無齒輪耦合到50Hz和60 Hz發生器。

圖10-65示出了大容量工業渦輪機的轉子，正在進行動態全速平衡和超速測試。16級壓縮機的塗布在右側示出，左側示出了四級渦輪機的葉片。圖10-66是表示轉子的位置的開放式模型，其垂直於筒倉燃燒器。

: 圖10-65轉子接受平衡和測試的壓縮機，左側的右側和渦輪機葉片上的壓縮機。來源：ABB.

圖10-66重型工業燃氣輪機轉子和筒倉燃燒室位置開箱模型。來源：ABB.

: 圖10-67燃氣輪機35,000 HP（26 MW）的X射線圖片。資料來源：ABB Stal

燃燒器和兩級壓縮機渦輪機。兩級動力渦輪機（左側）驅動負載。

圖10-68是撬裝、包裝的MAN GHH工業燃氣輪機的標簽剖開圖，其功率容量約為12,400 hp (9,250 kW)。ob体育赛事輔助設備的標準化、橇裝設計非常適合在惡劣環境下偏遠地區的機械驅動應用。

圖10-69是ST18航空衍生型燃氣輪機的剖視圖。在幹重為772磅(350公斤)的情況下，該裝置在19,000轉/分時實現了約2,660馬力(1,984千瓦)的基本負載能力，在卸載的ISO海平麵條件下，熱燃料效率約為30ob体育赛事% (LHV基準)。渦輪機械由三個獨立的旋轉組件組成同心軸．該壓縮機由兩個離心葉輪組成，每個葉輪由單級渦輪驅動。動力由一個兩級渦輪提取並傳送到發動機的入口端，如圖所示。燃燒係統包括一個逆流環形燃燒室、14個燃料噴嘴和兩個火花點火器。

圖10-66重型工業燃氣輪機轉子和筒倉燃燒室位置開箱模型。來源：ABB.

圖10-67為設計額定容量約為35,000 hp (26 MW)的ABB GT10燃氣輪機的x射線圖。ob体育赛事對於重型工業渦輪，該機組提供了一個相對輕量和緊湊的設計。該機組具有一個10級壓縮機(右側)，幹燥的低nox

: 圖10-68 MAN GHH工業燃氣輪機剖麵圖。來源:男人GHH

圖10-70顯示了一種雙軸Aeroderivative Allison燃氣輪機，容量約為5,000 HP（3,700 kW）。ob体育赛事

: 圖10-69 ST18 2,660 HP（1,984 kW）的剖視圖（1,984 kW）Aeroderivative燃氣輪機。資料來源：聯合技術普拉特和惠特尼加拿大

這種裝置的特點是模塊化設計，其中主要的子組件是可互換的。這種燃氣輪機的機械尺寸是15英尺(4.6米)長8英尺(2.4米)寬9英尺(2.7米)高。如圖10-71所示

: 圖10-70雙軸Aeroderivative Allison燃氣輪機。資料來源：Stewart和Stevenson

圖10-71小容量Kawasaki渦輪機，顯示徑向壓縮機和軸向渦輪機。資料來源：美國汽輪機公司

容量Kawasaki Aeroderivative工業燃氣輪機。徑向壓縮機顯示在右側，軸向渦輪機上方顯示在左側。燃燒盒位於中心的中心，燃料噴嘴在頂部所示。

圖10-72是帶有冷端驅動的單軸太陽土星燃氣輪機的標記截麵圖;適用於發電機組恒速運行。在年度燃燒室的左邊是八級軸流式壓縮機。環形燃燒室的右側是三級軸流式渦輪。當設計額定轉速為22,300 rpm時，在13.5 lbm/sec (6.1 kg/sec)的質量流量下，壓力比為6.5:1，機組輸出功率約為1,600 hp (1,200 kW)。ob体育赛事這一單元的特點是行星減速驅動(如圖所示)，在1500轉/分時，它提供了約15:1的整體減少，在1800轉/分輸出時，約12.5:1。ob体育赛事圖10-73a和圖10-73a分別用英文和SI單位表示了該機組應用於發電時的性能曲線。

圖10-74是一個帶標簽的兩軸太陽能半人馬(Solar Centaur)燃氣輪機的橫切麵圖，設計滿載容量約為4,500 hp (3,350 kW)。ob体育赛事渦輪部分，具有三個軸向級，顯示在右側。在這種配置中，前兩個渦輪級隻驅動壓縮機。離開氣體發生爐渦輪的氣體流過動力渦輪，形成流體耦合。能量被動力渦輪機吸收並傳遞到輸出軸。渦輪冷卻是通過內部放空的壓縮空氣來完成的。軸上的調速器

圖10-72小容量單軸燃氣輪機截麵圖。來源:太陽能發電機

圖10-71小容量Kawasaki渦輪機，顯示徑向壓縮機和軸向渦輪機。資料來源：美國汽輪機公司

圖10-72小容量單軸燃氣輪機截麵圖。來源:太陽能發電機

: 圖10-73A適用於電力發電（英文單位）的單軸太陽能汽輪機的性能曲線。來源:太陽能發電機

調節煤氣發生段的速度來控製功率水平。動力渦輪機的運行速度僅依賴於負載，這使得它適合於驅動諸如離心式壓縮機和泵。

在圖10-74的左側是11級壓縮機

: 圖10-74雙軸燃氣輪機截麵圖。來源:太陽能發電機

圖10-73b用於發電(SI機組)的單軸太陽土星燃氣輪機性能曲線。來源:太陽能渦輪機，運行在15,000 rpm的速度。ob体育赛事壓縮機部分具有可變導葉組件、壓縮機殼、定子組件和轉子組件。所述進口導葉根據所述煤氣發生器部分的速度被調製。在啟動時，葉片處於關閉位置，限製了進入的空氣流量(繞過一部分氣流進入排氣收集器)，允許在相對較低的渦輪轉子進口溫度下快速加速，同時防止壓縮機達到喘振極限。環形燃燒室如圖所示。燃燒室部分包括燃燒室殼體、燃燒襯套和燃油噴射器。在LHV的基礎上，該裝置的熱效率約為9100 Btu/hp-h (1ob体育赛事2,877 kJ/kWh)，簡單循環的熱燃料效率約為28% (LHV)。

川崎S2A-01燃氣輪機外觀如圖10-75所示。在ISO條件下，沒有進口或出口損失，峰值容量約為940馬力(700千瓦)。ob体育赛事在這些條件下，用天然氣運行時，約為11,590 Bob体育赛事tu/hp-h (16,400 kJ/kWh)，單循環效率約為21.9% (LHV基準)。圖10-76是燃氣輪機機組的剖麵圖。本單元設有兩個階段

: 圖10-75 940馬力(700千瓦)燃氣輪機。資料來源：川崎重工業有限公司

離心壓縮機，在31,500 rpm的設計轉速下，壓力比為9.0:1。渦輪進口溫度為1706°F(930°C)，排氣溫度為923°F(495°C)，質量流量為每秒10.4 lbm (4.7 kg)。燃燒室是一種單罐型，有一個燃料噴嘴和火花塞點火。非冷卻的三級軸流式渦輪的設計轉速也達到了31,500 rpm。該設備的幹重為2,866磅(1,300公斤)，長6.6英尺(2.0米)，寬3.9英尺(1.2米)，高4.3英尺(1.3米)。

圖10-77顯示了用於發電的M7A-01川崎單軸簡單循環燃氣輪機，其ISO基本負載能力額定約為8,000 hp (6,000 kW)。ob体育赛事在ISO條件下，在無進出口損失和減速齒輪軸功率輸出的情況下，天然氣運行的熱率為8,339 Btu/hp-h (11,800 kJ/kWh)，相當於熱燃料效率30.5%(以LHV為基準)。該裝置配備了一個12級軸向壓縮機，在設計轉速為14000 rpm和質量流量為每秒47.4磅(21.5公斤)的情況下，壓比達到12.7:1。前三個定子和IGV是可變的喘振控製在部分速度和質量流量控製在額定速度。燃燒室的特點是六罐六個燃料噴嘴和兩個點火器。渦輪部分有一個四級軸向渦輪，帶有風冷葉片和用於第一和第二級的葉片。渦輪進排氣溫度分別為2147°F(1175°C)和1067°F(575°C)。該機組的幹重量為9921磅(4500公斤)，長度為11.8英尺(3.6米)，直徑為3.6英尺(1.1米)

圖10-77設計用於發電的單軸8,000 HP（6,000千瓦）燃氣輪機。資料來源：川崎重工業有限公司

: 圖10-76 940hp (700kw)燃氣輪機剖麵圖。資料來源：川崎重工業有限公司

圖10-77設計用於發電的單軸8,000 HP（6,000千瓦）燃氣輪機。資料來源：川崎重工業有限公司

集成控製包由32位CPU控製，能夠速度，溫度監控，啟動和停止序列控製，報警和關機控製。

當應用於電力熱電聯產時，使用天然氣和蒸汽噴射以150%的燃料流量控製NOX，該係統的ISO額定基本負荷容量約為5500 kW。ob体育赛事在該額定值下，包括發電機和進出口損失在內的單周期發電效率約為28%。ob体育赛事高排氣溫度允許高速率的熱回收，導致高淨發電效率。

圖10-78是GE LM1600燃氣輪機的剖視圖。該渦輪由雙轉子燃氣發生器和動力渦輪組成。燃氣發生器壓縮比為22:1，由3級低壓壓縮機和7級可變幾何高壓壓縮機組成。環形文丘裏旋渦燃燒室裝有18個燃料噴嘴。有單級高壓渦輪和單級低壓渦輪。低壓壓氣機由低壓渦輪利用同心傳動軸通過高壓轉子驅動。高壓轉子由高壓渦輪驅動的高壓壓氣機形成。高壓和低壓渦輪噴嘴和葉片都采用空氣冷卻，並塗有塗層，以提高抗氧化、侵蝕和腐蝕能力。兩級動力轉

: 圖10-78 GE LM1600航空衍生型燃氣輪機剖麵圖。資料來源:通用電氣公司

燃氣輪機通過過渡管連接到燃氣發生器上，過渡管也用於引導從燃氣發生器排出的廢氣進入動力渦輪的第一級噴嘴。安裝在發動機上的附件驅動變速箱用於啟動機組和對運行至關重要的驅動附件。

通過電動渦輪轉子軸的後端的耦合適配器將輸出電源傳輸到負載。在機械驅動服務中，LM1600具有約19,100 HP（14.3 MW）的設計輸出，LHV的熱速率為7,020 BTU / Hob体育赛事P-H（9,932 kJ / kWh），簡單循環熱燃料效率36.3％（LHV）。排氣流量在915°F（490℃）的溫度下為104LBm / s（47.3kg / s）。對於發電機驅動器應用，動力渦輪機設計成以7,900轉/分的恒定速度運行，在發動機工作範圍內，並以9,414 BTU / kWh（10,548 kJ / kWh）的熱速率提供14,250kW的電氣輸出LHV基礎。這

: 圖10-79 GE LM6000剖麵圖。資料來源:通用電氣公司

渦輪尺寸為26英尺(7.9米)長，12英尺(3.7米)寬，13英尺(4.0米)高，底板基礎負載重量為130,000 LBM(58967公斤)。

GE LM6000的剖麵圖如圖10-79所示。該裝置基於GE CF6-80C2飛機發動機，能夠從機器的冷端或熱端驅動負載，不需要單獨的空氣動力學耦合動力渦輪。它的容量超過56,000 hp (42 MW)，熱效率超過40%。到目前為止，已經生產了500多台這樣的設備。

圖10-80是航空衍生FT8燃氣輪機的剖麵圖。該機組根據不同的應用，設計了不同的動力渦輪優化速度。動力渦輪優化為3000轉/分(50赫茲)，3600轉/分(60赫茲)用於發電應用。對於機械服務驅動應用，更高轉速的動力渦輪機經過優化，運行速度為5,000至5,500轉/分，能夠在2,500至5,750轉/分之間變化。發電機組和機械驅動配置都可以選擇順時針或逆時針旋轉輸出軸，以匹配驅動負載。

圖10-81至10-83顯示了在應用於發電時的FT8的性能特征。圖10-81顯示了功率輸出與環境溫度。FT Power Pac附帶是雙包的額定數據。雙包裝配置有兩個燃氣輪機，驅動單個發電機的相對端，對於51,100 kW電力輸出的組合電力輸出在低於50°F（10°C）的溫度下，具有相應的改進如圖所示的熱速率如圖所示。10-80 FT8 Aeroderivativative氣體10-82的Cutaway插圖。在海拔，沒有渦輪機。資料來源：United Inlet或Outlet損失，技術Turbo Power Div。