航改工業(yè)燃?xì)廨啓C設(shè)計特點分析.docx

嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)航嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)改嚴(yán)嚴(yán)工嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)業(yè)嚴(yán)嚴(yán)燃嚴(yán)嚴(yán)氣嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)輪嚴(yán)嚴(yán)機嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)設(shè)嚴(yán)嚴(yán)計嚴(yán)嚴(yán)特嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)點嚴(yán)嚴(yán)分嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)析嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)龔嚴(yán)嚴(yán)光嚴(yán)英嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán) 嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)(中嚴(yán)國嚴(yán)燃嚴(yán)氣嚴(yán)渦嚴(yán)輪嚴(yán)研嚴(yán)嚴(yán)究嚴(yán)嚴(yán)院嚴(yán)，四嚴(yán)川嚴(yán)嚴(yán)成嚴(yán)都嚴(yán)6嚴(yán)10嚴(yán)50嚴(yán)0)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)摘 要：航改工業(yè)燃?xì)廨啓C以其研制、維護(hù)周期短，研制風(fēng)險、成本低，以及性能和可靠性高，得到了越來越多的重視和發(fā)展。詳細(xì)介紹了 GE 和 Rolls-Royce 公司應(yīng)用于發(fā)電和機械驅(qū)動的幾種航改工業(yè)燃?xì)廨啓C的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能設(shè) 計，分析了其結(jié)構(gòu)技術(shù)特點。并針對我國工業(yè)燃?xì)廨啓C的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點，提出航改工業(yè)燃?xì)廨啓C需突破的關(guān) 鍵技術(shù)。本研究可為我國航改工業(yè)燃?xì)廨啓C發(fā)展提供參考。 關(guān)鍵詞：航改工業(yè)燃?xì)廨啓C；設(shè)計特點；通用電氣公司；羅羅公司中圖分類號：V235文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-2620 (2012) S0-0055-06Design Analysis of Aero-Derivative Industrial Gas TurbinesGONG Guang-ying(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)Abstract：Among various applications of gas turbines, aero- derivative industrial gas turbines have beengot more and more attentions and developments, for its shorter design and maintenance period, lower riskand cost, higher performance and reliability. The structure and performance design of aero-derivative industrial gas turbines by GE and Rolls-Royce were introduced, which can be provided for electrical generators and mechanical drives. And the structural characteristics were analyzed. According to the developingstatus and technology characteristics of aero-derivative industrial turbines in our country, the key technologies improved were presented which could be referential to the development of aero- derivative industrialturbines in China. .Key words：aero-derivative industrial gas turbine；design characteristic；GE；Rolls-Royce1 引言燃?xì)廨啓C由壓氣機、燃燒室、渦輪(燃?xì)馔钙?、 控制系統(tǒng)、輔助起動系統(tǒng)等組成，其工作模式可分為 開式循環(huán)、閉式循環(huán)、前置循環(huán)、聯(lián)合循環(huán)、整體化循 環(huán)、核燃聯(lián)合循環(huán)和燃?xì)廨o助循環(huán)等，在船舶、發(fā)電、 機械驅(qū)動等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。航改工業(yè)燃?xì)?輪機以其研制和維護(hù)周期短、研制風(fēng)險和成本低以 及性能高等特點，得到越來越多的重視和發(fā)展。本 文詳細(xì)介紹并分析了 GE 和 Rolls-Royce 公司應(yīng)用于 發(fā)電和機械驅(qū)動的航改工業(yè)燃?xì)廨啓C的設(shè)計和技術(shù) 特點，并針對我國工業(yè)燃?xì)廨啓C發(fā)展現(xiàn)狀提出航改 工業(yè)燃?xì)廨啓C需突破的關(guān)鍵技術(shù)。2 GE 和 Rolls-Royce 公 司 航 改 工 業(yè) 燃 氣 輪機設(shè)計2.1 GE 公司GE 公司通過航改工業(yè)燃?xì)廨啓C，制造了一系列 用作油氣(天然氣開采場、石油開采場、電站等)領(lǐng)域 動力源的燃?xì)廨啓C。GE 公司的燃?xì)廨啓C功率范圍12 000124 000 kW，主要用作機械驅(qū)動和發(fā)電機 傳動。其 GE10 系列由 PGT10 航改工業(yè)燃?xì)廨啓C發(fā) 展而來，可用于發(fā)電和機械驅(qū)動。GE10-1 前兩級渦輪冷卻，第二、第三級渦輪采用互鎖葉冠設(shè)計以減小葉尖氣流損失和葉片振動。PGT16 由 F404 發(fā)動機 的航改工業(yè)燃?xì)廨啓C LM1600 的燃?xì)獍l(fā)生器配裝動收稿日期：2012-02-02；修回日期：2012-08-31作者簡介：龔光英(1982-)，女，江西南昌人，工程師，碩士，主要從事發(fā)動機性能設(shè)計與試驗技術(shù)研究。嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán) 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嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)(a) PGT16可調(diào)放氣閥熱端輸出軸5 級低壓壓氣機排氣可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉進(jìn)氣5 級低壓渦輪 可調(diào)靜葉2 級高壓渦輪冷端輸出軸14 級高壓壓氣機(b) LM6000動力渦輪軸CF6-80C2CF6-80E高壓壓氣機 高壓渦輪間冷系統(tǒng)排氣擴壓器 單環(huán)形燃燒室動力渦輪MS6001FA 低壓壓氣機中間渦輪(c) LMS100圖 1 GE 公司典型航改工業(yè)燃?xì)廨啓CFig.1 Typical aero-derivative industrial gas turbines in GE燃 氣 渦 輪 試 驗 與 研 究第 25 卷56計特性見表 324，RB211、AVON200 和 Trent60 的結(jié)構(gòu)外形見圖 22，5，6，用于發(fā)電或機械驅(qū)動的幾款航改工業(yè)燃?xì)廨啓C的相關(guān)性能指標(biāo)如表 4 所示2，4，79。力渦輪組成，可用于發(fā)電。PGT25 為 LM2500 航改燃?xì)廨啓C配裝動力渦輪組成，其壓氣機進(jìn)口導(dǎo)葉和前6 級靜葉可調(diào)；LM2500 為 TF39 和 CF6-6 發(fā)動機的航 改燃?xì)廨啓C，并作為機械驅(qū)動在艦載、天然氣傳輸上 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 。 PGT25 + 、PGT25 + G4 分 別 由 LM2500+和 LM2500+G4 的燃?xì)獍l(fā)生器配裝兩級動 力渦輪組成。與 LM2500+比，LM2500+G4 效率和性 能高、排放低，其優(yōu)化設(shè)計主要體現(xiàn)在：重新設(shè)計壓 氣機進(jìn)口導(dǎo)葉，高壓壓氣機動葉采用新材料來增加 使用壽命；重新設(shè)計 1 級高壓渦輪，加強冷卻和增加 氧化涂層，其第 1 級導(dǎo)向器采用熱障涂層設(shè)計，第 2 級導(dǎo)向器采用新材料增強冷卻以致增加使用壽命； 重新設(shè)計 6 級動力渦輪的第 2 級和第 3 級導(dǎo)向器以 增加功率輸出。LM2500+G4 適用于機械驅(qū)動和發(fā) 電 。 LM6000 為 CF6-80C2 發(fā) 動 機 的 航 改 工 業(yè) 燃 氣 輪 機 ，其 轉(zhuǎn) 速 可 在 額 定 轉(zhuǎn) 速 (3 600 r/min) 的 50% 105%間變化。LMS100 結(jié)合 CF6-80C2/80E 的性能設(shè)計和 6FA+e 的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在高、低壓壓氣機間采用間冷器，通過大幅降低驅(qū)動高壓壓氣機所需的功來獲得較大輸出功，同時燃燒室進(jìn)口溫度較低，能降低氮 氧 化 合 物 排 放 ；動 力 渦 輪 轉(zhuǎn) 速 3 000 r/min 或 3600 r/min 可調(diào)，對應(yīng)于 50 Hz 和 60 Hz 發(fā)電。GE 公司航改工業(yè)燃?xì)廨啓C的結(jié)構(gòu)設(shè)計特性見表 1，幾款典型工業(yè)燃?xì)廨啓C結(jié)構(gòu)外形見圖 1，用于發(fā)電或機械驅(qū)動的幾款典型航改工業(yè)燃?xì)廨啓C的相關(guān)性能指標(biāo)如表 2 所示1。2.2 Rolls-Royce 公司Rolls-Royce 公司成立至今，已累計向世界范圍 的用戶交付了 54 000 臺燃?xì)廨啓C，其中航改工業(yè)燃 氣輪機在能源和船舶等領(lǐng)域取得了顯著成績。公司 的 RB211-6556/6562/6762/6761 和 RB211-H63/G62/ GT61/GT62 為 RB211 發(fā)動機的航改工業(yè)燃?xì)廨啓C， 配裝 RT56、RT62 或 RT61 動力渦輪。該兩型系列航 改工業(yè)燃?xì)廨啓C由于 RB211 的世界性配裝和累積 長達(dá) 2.4107 h 的運營經(jīng)驗，其可靠性極高。501-K 系列航改工業(yè)燃?xì)廨啓C燃燒室采用 DLE(干低排放) 技術(shù)，可用于石油開采、氣體壓縮、石油化工廠、發(fā)電 站 和 船 舶 動 力 。 AVON200-2648/2656 航 改 工 業(yè) 燃 氣輪機，性能高、效率高、壽命長，維護(hù)費低和污染 低。Trent60 是 Rolls-Royce 公司迄今為止最先進(jìn)的 航改工業(yè)燃?xì)廨啓C，可在無齒輪傳動箱的前提下適 應(yīng)于 50 Hz 和 60 Hz 發(fā)電，也可用于機械驅(qū)動。Rolls-Royce 公司航改工業(yè)燃?xì)廨啓C的結(jié)構(gòu)設(shè)表 1 GE 公司航改工業(yè)燃?xì)廨啓C結(jié)構(gòu)設(shè)計特性Table 1 Configuration characteristics of GEsaero-derivative industrial gas turbines型號壓氣機燃燒室渦輪GE10-111單一筒形32+2 (自由動力渦輪)GE10-211單一筒形環(huán)形，18 個噴嘴1+1+2 (自由動力渦輪)PGT163+7環(huán)形，30 個噴嘴2+2 (自由動力渦輪)PGT2516環(huán)形，30 個噴嘴2+2 (自由動力渦輪)PGT25+/PGT25+G417環(huán)形，30 個噴嘴LM60005+142+5環(huán)形，30 個噴嘴2+2+5 (動力渦輪)LMS1006+14(a) RB211新的渦輪機匣 先進(jìn)氣動設(shè)計的渦輪導(dǎo)向葉片最新渦輪葉根設(shè)計先進(jìn)氣動設(shè)計的渦輪葉片(b) AVON200低壓渦輪核心機低壓壓氣機(c) Trent60圖 2 Rolls-Royce 公司典型航改燃?xì)廨啓CFig.2 Typical aero-derivative industrial gas turbines inRolls-Royce龔光英：航改工業(yè)燃?xì)廨啓C設(shè)計特點分析增 刊57表 2 GE 公司用于發(fā)電、機械驅(qū)動的航改工業(yè)燃?xì)廨啓C性能Table 2 Performance of GEs aero-derivative industrial gas turbine served in power generation and mechanical drive用途耗熱率/(kJ/kWh)排氣流量/(kg/s)渦輪轉(zhuǎn)速/(r/min)型號功率/kW效率/%壓比排氣溫度/發(fā)電機械驅(qū)動GE10-111 25011 48931.415.547.548211 000GE10-211 98210 82233.315.546.74807 900PGT1613 720/14 24010 295/9 92435.0/36.320.247.34917 900PGT2017 464/18 12110 238/9 86735.2/36.515.762.54756 500PGT2522 417/23 2669 919/9 54836.3/37.717.968.95256 500PGT25+30 226/31 3729 084/8 75139.6/41.121.584.35006 100PGT25+G433 057/34 3029 047/8 71940.0/41.223.2/23.889.65106 100LM6000*43 262/43 8548 787/8 46841.1/43.028.0125.04553 600LMS100*98 196/100 2007 997/8 16045.0/44.140.0206.94173 000/3 600注：*為 DLE 燃燒室。表 3 Rolls-Royce 公司航改工業(yè)燃?xì)廨啓C結(jié)構(gòu)設(shè)計特性Table 3 Configuration characteristics of Rolls-Roycesaero-derivative industrial gas turbines型號壓氣機燃燒室渦輪24 個雙燃料燃燒室2+2(動力渦輪)RB211-H638+61+1+2(動力渦輪)RB211-65567+6環(huán)形燃燒室1+1+2(動力渦輪)RB211-65627+6環(huán)形燃燒室1+1+2(動力渦輪)RB211-67627+6環(huán)形燃燒室1+1+3(動力渦輪)RB211-67617+6環(huán)形燃燒室501-KC5/KB5/KH5146 個21(加 0 級導(dǎo)葉)+14501-KC7/KB76 個23 GE 和 Rolls-Royce 公 司 航 改 工 業(yè) 燃 氣 輪機設(shè)計特點3.1 GE 公司GE 公司航改燃?xì)廨啓C的設(shè)計特點主要為：壓氣 機采用低展弦比葉片設(shè)計，具有低應(yīng)力和承受小外物沖擊而保持高性能的特點；壓氣機進(jìn)口導(dǎo)葉和部 分級靜葉可調(diào)，其中 PGT25+G4 的高壓壓氣機動葉 采用新復(fù)合材料設(shè)計來增加使用壽命。燃燒室設(shè)計 可滿足氣態(tài)和液態(tài)燃料使用，開發(fā)天然氣和低英熱 的 氫 氣 使 用 ，采 用 注 水 或 水 蒸 氣 以 減 少 氧 化 氮 排 放。LM6000 是 GE 公司第一臺采用 DLE 預(yù)混燃燒 室設(shè)計的航改工業(yè)燃?xì)廨啓C，同時采用注水或水蒸 氣減少氧化氮排放；PGT25+和 PGT25+G4 也同樣采 用了 DLE 燃燒室設(shè)計。渦輪動葉采用互鎖葉冠設(shè)計以減小葉尖氣流損失和葉片振動；一級導(dǎo)葉采用翼型設(shè)計，以緩解流道內(nèi)高溫燃?xì)猱a(chǎn)生的熱膨脹，冷102環(huán)境溫度 22100修正控制邏輯/% 98軸功 96傳統(tǒng)控制邏輯9492907580859095100105動力渦輪轉(zhuǎn)速/%圖 3 傳統(tǒng)控制邏輯與修正控制邏輯對比圖Fig.3 The comprarison between traditional control logicand CPC control logic燃 氣 渦 輪 試 驗 與 研 究第 25 卷58表 4 Rolls-Royce 公司用于發(fā)電、機械驅(qū)動的工業(yè)燃?xì)廨啓C性能Table 4 Performance of Rolls-Royces aero-derivative industrial gas turbine served in power generation and mechanical drive用途排氣流量/(kg/s)渦輪轉(zhuǎn)速/(r/min)型號功率/kW耗熱率/(kJ/kWh)效率/%壓比排氣溫度/發(fā)電機械驅(qū)動RB211-655625 200/26 02510 390/10 04334.6/35.892.2204884 950RB211-656228 500/29 5309 820/9 47236.7/38.094.5214924 800RB211-676229 400/30 3879 613/9 28837.4/38.89621.5493/4924 800RB211-676132 000/33 1849 214/8 90439.1/40.49421.55034 850RB211-H6337 9188 67641.5106.6-4866 000RB211-H63*42 473/44 0009 157/8 83639.3/40.7115.5-4826 000RB211-G6227 520/29 5309 933/9 48436.2/38.091.8/94.5-500/4914 800RB211-GT6132 135/33 2969 139/8 89039.4/40.594.3/95.3-504/4984 850RB211-GT6229 870/30 9109 546/9 31437.6/38.695.9/96.9-497/4924 800501-KB53 93812 26629.015.49.456014 600501-KB75 30011 38031.521.113.550114 600501-KH5#6 4209 03753014 600501-KC54 10112 17029.615.59.457113 600501-KC75 50011 34031.720.913.552013 600AVON-264816 34711 943-81-4265 500AVON-265617 00711 511-81-4204 950Trent6052 5118 400-3 40050 Hz51 5048 550-151.74443 000Trent 60DLE60 Hz51 6858 586-154.64403 60050 Hz64 0008 755-171.24083 000Trent 60WLE DF ISI* 60 Hz64 0008 677-168.54093 600注：*燃燒室注水減排，#燃燒室注水蒸氣減排。氣從壓氣機排出，直接進(jìn)入導(dǎo)葉進(jìn)行冷卻后從尾緣處排出；另外，PGT25+G4 高壓渦輪第 1 級導(dǎo)向器采 用熱障涂層設(shè)計，第 2 級導(dǎo)向器采用新復(fù)合材料設(shè) 計以延長使用壽命。GE 公司除采用可調(diào)靜葉和放氣閥外，還包括可 調(diào)渦輪導(dǎo)葉、變幾何燃燒室及修正參數(shù)控制邏輯等， 使航改工業(yè)燃?xì)廨啓C可控性最大化。如 GE10-2，在 下調(diào)到 50%載荷過程中采用變幾何燃燒室保持最優(yōu) 火焰溫度以減少排放，并在動力渦輪處采用可調(diào)渦 輪導(dǎo)葉以確保轉(zhuǎn)速恒定在設(shè)計點，以保證最大功率 輸出。圖 3 為傳統(tǒng)控制邏輯和修正參數(shù)控制邏輯的 對比1。另外，GE 公司的航改工業(yè)燃?xì)廨啓C，采用除簡 單循環(huán)外的聯(lián)合循環(huán)或聯(lián)合發(fā)電等工作方式來提高 燃?xì)廨啓C效率。3.2 Rolls-Royce 公司Rolls-Royce 公司航改工業(yè)燃?xì)廨啓C首先采用 尖端技術(shù)改善渦輪設(shè)計。其中，AVON200 采用在葉根和葉冠封嚴(yán)的方法減小由于氣流泄漏造成的附加損失；三級渦輪葉片均采用防腐涂層保護(hù)和新型翼 型設(shè)計；用軸對稱兩凸輪設(shè)計的渦輪葉根代替斜切縱樹型葉根(圖 4)，以減小峰值應(yīng)力集中，提高高周 疲勞強度；高壓渦輪葉片采用單晶材料以取消翼剖面冷卻；利用定型尾緣和 3D 空氣動力學(xué)設(shè)計技術(shù)提 高級間效率(圖 5)。這些先進(jìn)技術(shù)的采用提高了整 機性能并降低了維修成本。其次，低壓和中壓渦輪0傾斜以提高AVON160 葉根 AVON200 葉根 高周疲勞強度兩波瓣軸切鋸齒狀 鉛焊，25傾斜葉根 整體葉盤 設(shè)計提高疲勞強度圖 4 渦輪葉根改型設(shè)計Fig.4 Turbine blade root3D 翼 剖 面 設(shè) 計 和定型尾緣增強 渦 輪 效 率 、總 功和耗熱率單晶材料取消翼 剖面冷卻以提高 效率圖 5 渦輪葉片設(shè)計Fig.5 Turbine blade定型導(dǎo)向器葉片 尾緣設(shè)計增加其 效率3D 表 面 空 氣 動 力學(xué)設(shè)計與銅焊 集 成 ，加 上 定 型 尾緣設(shè)計增加級 間效率和總的循 環(huán)性能圖 6 導(dǎo)向器葉片設(shè)計Fig.6 Nozzle blade新 的 幾 何 設(shè) 計 降 低 應(yīng) 力 ，改 善 應(yīng) 力 分 配 和 疲 勞 強 度舊盤幾何結(jié)構(gòu) 新盤幾何結(jié)構(gòu)圖 7 渦輪盤設(shè)計Fig.7 Turbine disc傳統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)致葉 尖 間 隙 較 大 ，葉 尖泄漏較大高壓渦輪導(dǎo)高壓渦輪葉片 向器葉片渦輪葉片葉尖封嚴(yán)新設(shè)計增強封嚴(yán)以減少總的葉尖泄漏圖 8 渦輪葉尖密封Fig.8 Turbine blade tip seal龔光英：航改工業(yè)燃?xì)廨啓C設(shè)計特點分析增 刊59導(dǎo)向器葉片由凹空變?yōu)閷嵭囊砥拭嬖O(shè)計以增加強度，采用定型尾緣設(shè)計提高效率(圖 6)。第三，渦輪 盤頂部采用新的幾何設(shè)計減少應(yīng)力產(chǎn)生，提高疲勞 強度和降低維修成本(圖 7)；渦輪盤采用鍛造代替原 來的中心旋轉(zhuǎn)式鑄造，更厚的盤壁降低了工作應(yīng)力、 蠕變損傷和維修成本；三級動葉葉尖封嚴(yán)采用分節(jié)環(huán)式逐步密封，增加了葉尖間隙控制，減少了葉尖氣 流泄漏，提高了總性能(圖 8)5。Trent60 采用進(jìn)口噴射冷卻，降低進(jìn)口溫度，減少所需壓縮功，以達(dá)到在環(huán)境溫度 7以上時有更高的效率和功率輸出；采用單元體設(shè)計，主要分為低壓壓氣機、核心機、低壓渦輪三大部分(圖 2(c)，便于安 裝和拆卸。4 我國輕型燃?xì)廨啓C發(fā)展基本情況我國輕型燃?xì)廨啓C工業(yè)主要集中在航空系統(tǒng)。20 世紀(jì) 70 年代開始，在航空發(fā)動機基礎(chǔ)上改型生產(chǎn) 了 WJ-5G、WJ-6G、WP-6G 和 WZ-6G 等工業(yè)燃?xì)廨?機，用于油田、石化、郵電等部門。1986 年與美國普 惠公司合作開發(fā)的 FT-8 燃?xì)廨啓C，功率 25 MW，效 率 38.4% ，是 當(dāng) 時 世 界 上 同 功 率 等 級 中 效 率 最 高 的。90 年代，我國引進(jìn)烏克蘭的 GT25000 艦用燃?xì)?輪機，進(jìn)行燃?xì)獍l(fā)生器國產(chǎn)化。目前，我國在先進(jìn)航 空發(fā)動機基礎(chǔ)上，改型研制輕型燃?xì)廨啓C。隨著國 家能源政策的支持與工業(yè)技術(shù)的革新，我國逐步掌 握了制造先進(jìn)燃?xì)廨啓C的工藝技術(shù)，可制造各種壓 氣機和內(nèi)腔較復(fù)雜的定向結(jié)晶、單晶等氣冷渦輪葉 片，還可制造先進(jìn)燃燒室、火焰筒、內(nèi)外套及噴嘴等 零部件，以及重型燃?xì)廨啓C的部分核心零部件10。燃 氣 渦 輪 試 驗 與 研 究第 25 卷605 建議隨著國民對能源需求的增加以及能源利用率遠(yuǎn) 低于發(fā)達(dá)國家(據(jù) 2005 年統(tǒng)計，我國能源利用率為34%，發(fā)達(dá)國家為 44%)，提高能源利用率已刻不容緩。對比國外航改工業(yè)燃?xì)廨啓C的發(fā)展，對我國航改工業(yè)燃?xì)廨啓C提出了幾點關(guān)鍵技術(shù)研究建議。(1) 提高燃?xì)廨啓C效率，提高能源利用率。提 高燃?xì)獬鯗睾蛪罕瓤商岣呷細(xì)廨啓C效率。提高燃?xì)獬鯗?，即改進(jìn)渦輪葉片的冷卻技術(shù)，可采用對流冷 卻、氣膜冷卻和沖擊冷卻；研制能耐更高溫度的高溫 材料(如高溫陶瓷材料)，同時可用于燃燒室火焰筒 設(shè)計。在提高熱力循環(huán)參數(shù)(壓比)受限的情況下， 可考慮采用間冷回?zé)峒夹g(shù)提高燃?xì)廨啓C效率。另 外，還可通過采用可調(diào)靜葉與放氣閥、可調(diào)渦輪導(dǎo) 葉、變幾何燃燒室及修正參數(shù)控制邏輯等，使燃?xì)廨?機可控性最大化，提高燃?xì)廨啓C效率。(2) 采用多種工作方式，提高燃?xì)廨啓C發(fā)電效 率。采用前置循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)或發(fā)電、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 或熱電聯(lián)產(chǎn)、核燃聯(lián)合循環(huán)、燃?xì)鉄岜寐?lián)合循環(huán)與燃 料電池-燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)等方式，可大大提高燃 氣輪機發(fā)電效率。(3) 改進(jìn)燃燒室設(shè)計，降低污染排放，增加使用 壽命。采用注水或水蒸氣以減少氧化硫排放；采用 變幾何燃燒室，通過控制油氣比進(jìn)而保持最優(yōu)火焰 溫度以減少排放；采用分級燃燒、LPP 和接觸反應(yīng)燃燒室設(shè)計降低污染；燃燒室內(nèi)壁采用熱障涂層或雙壁設(shè)計減少熱傳導(dǎo)，增加使用壽命。參考文獻(xiàn)：12Oil & Gas：Gas TurbinesEB. GE，2006.RB211 Gas Turbines for Oil & Gas ApplicationsEB.USA：Rolls-Royce，2003.The RB211- H63：The Winning Formula for IncreasedPower and EfficiencyEB. England：Rolls-Royce，2010.501- K Gas Turbines for Oil & Gas ApplicationsEB.USA：Rolls-Royce，2002.The Avon 200：Using the Latest Aero Engine TechnologyEB. England：Rolls-Royce，2010.The Trent 60 Gas Turbine for Power Generation and Mechanical DrivesEB. USA：Rolls-Royce，2009.RB211 Gas Turbine EnginesEB/OL. /energy/energy_products/gas_turbines/rb211/.Rolls-Royce，2010.Avon 200 Gas Turbine EnginesEB/OL. /energy/energy_products/gas_turbines/avon_200/. Rolls-Royce，2010.Trent 60 Gas Turbine EnginesEB/OL. /energy/energy_products/gas_turbines/trent_60/.Rolls-Royce，2010.2008-2