燃气轮机内部结构

  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。

  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，寿命一般可以达到10万小时之后。轻型的结构紧密相连而轻，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。

  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，既可节约空间，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。

  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。

  燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动，更加灵活，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。

  燃气轮机的未来发展的新趋势是提高效率、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，即改进涡轮叶片的冷却技术，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。

  高温陶瓷材料能在1360℃以上的高温下工作，用它来做涡轮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幅度的提升燃气初温，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。

  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）同时作为压气机和涡轮的工质。

  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。

  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。

  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：

  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，为了结构紧密相连，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。

  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。油泵的容量依据系统总的用油量、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。

  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到正常的使用中，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。

  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。应用比较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。

  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。

  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主要的因素。早期燃气轮机由于涡轮进口温度不是很高，其所用的润滑油基本与汽轮机用油一致，但随着涡轮进口温度的逐步的提升，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，其性能及常规使用的寿命均优于矿物油，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。

  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。

  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）。

  4.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。

  在选择润滑油时，除了遵照设备制造厂商的建议之外，应该更侧重于下列的性能指标：

  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，为此绝大多数涡轮机械选择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，轴承间隙内的工作时候的温度有可能高达120℃以上，此时要求油的黏度高一些。为此，应选择黏度随气温变化较为平缓的、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.

  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。

  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时候的温度颇有距离，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。

  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，对油的破乳化值不可以忽视，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。

  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。

  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，一定要考虑油的承载能力，应选择承载能力（FZG）7级以上的油。

  以上内容均根据学员实际在做的工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。

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