電站燃氣輪機軸流式壓氣機的結(jié)構(gòu)與性能要求

電站燃氣輪機軸流式壓氣機的結(jié)構(gòu)與性能要求結(jié)構(gòu)概述壓氣機是燃氣輪機中的一個重要部件，它的作用是實現(xiàn)燃氣輪機熱力循環(huán)中的空氣壓縮過程，以求連續(xù)不斷地向燃燒室提供高壓空氣。目前，在燃氣輪機中應(yīng)用得較廣的壓氣機類型有軸流式壓氣機和離心式壓氣機兩種，圖3-1和圖3-2中分別給出了這兩種壓氣機的結(jié)構(gòu)示圖。a)軸流式壓氣機的通流部分示意b)軸流式壓氣機的縱剖面1-進口收斂器2-進口導(dǎo)流器3-工作葉輪4-擴壓葉列5-轉(zhuǎn)子6-汽缸(或機匣)7-出口導(dǎo)流器8-出口擴壓器9-端軸圖3-1軸流式壓氣機的示圖a)工作葉輪的進口速度三角形b)雙面進氣式離心壓氣機1-進口導(dǎo)流器2-工作葉輪3-擴壓器4-機匣圖3-2離心式壓氣機的示圖在軸流式壓氣機中，氣體質(zhì)點大體上是在圓柱形回轉(zhuǎn)面上沿軸線方向流動的(參見圖3-1a)。在離心式壓氣機中，氣體質(zhì)點則主要是沿著工作回轉(zhuǎn)面的離心方向作徑向流動(參見圖3-2b)。1-進口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉2-葉片(動葉)3-靜葉4-氣缸5-工作葉輪(轉(zhuǎn)輪)6-主軸圖3-3軸流式壓氣機的結(jié)構(gòu)示圖a)舊式葉片a)舊式葉片b)按可控擴壓原理設(shè)計的新葉片1-扭曲式葉身2-葉根圖3-4壓氣機的動葉片結(jié)構(gòu)由圖3-3可知：安裝在轉(zhuǎn)輪5或整體式轉(zhuǎn)鼓上的轉(zhuǎn)子是由許多葉片(動葉)2，與主軸6一起組成的一個高速回轉(zhuǎn)部件。安裝在轉(zhuǎn)輪上的一圈葉片是一個葉列，稱為工作葉柵或動葉柵。葉柵中的葉片稱為工作葉片或簡稱為動葉。軸流式壓氣機的葉片是由葉身和葉根兩部分組成的，如圖3-4所示。其中葉身是葉片與空氣流相互作用的部分。通常，葉身的整體形狀是扭曲式的，它的斷面形狀薄而寬，厚度由根部向頸部逐漸減小。葉根則是葉片固定到轉(zhuǎn)輪或轉(zhuǎn)鼓上去的部分。葉根的形狀有縱樹型、燕尾型等多種形式。在燃氣輪機中壓氣機的轉(zhuǎn)子由燃氣透平帶著一起旋轉(zhuǎn)。壓縮空氣所需要的耗功是由燃氣透平提供的，并通過壓氣機轉(zhuǎn)子上的各個葉片傳遞給空氣流。靜子則是由許多圈葉片3安裝在氣缸上而組成的靜止部件(參見圖3-3)。靜子上的一圈葉片稱為導(dǎo)流器或靜葉柵，組成導(dǎo)流器的葉片稱為導(dǎo)流葉片或簡稱為靜葉。通常，靜葉斷面形狀的厚度比動葉者薄，因為它承受的機械應(yīng)力要比動葉小。靜葉的厚度也是從根部向頂部逐漸減小的(當(dāng)然也有等厚度的靜葉)，其扭曲程度也常比動葉小。壓氣機機匣進口處的氣流通道稱為進氣道，出口處稱為排氣道。在壓氣機進口端的第一列工作葉柵前，有時在機匣(氣缸)上安裝一圈附加的靜葉柵，稱為進口導(dǎo)葉柵，現(xiàn)在經(jīng)常把它做成為可以旋轉(zhuǎn)的，借以改變氣流的導(dǎo)流方向。在機匣(氣缸)出口端的最后一列導(dǎo)流葉柵的后面，有時也附加一圈靜葉柵，稱為出口整流葉柵，它是把氣流整流導(dǎo)向到軸向流動的裝置。在軸流式壓氣機中動葉柵和靜葉柵是沿著軸線方向交替排列的。在每一列動葉柵的后面都有一列靜葉柵。由各列葉柵的通道組成的壓氣機軸向通道就是空氣的流動通道，稱為壓氣機的通流部分。一列動葉柵與它下游方向的一列靜葉柵共同組成軸流式壓氣機的一個級。通常，軸流式壓氣機都是由若干個級組合在一起，成為一個多級壓氣機。對于軸流式壓氣機來說，一個級的增壓比只有1.15~1.35左右，而整臺燃氣輪機的總壓比ε*卻要高得多，因而在燃氣輪機中軸流式壓氣機必然是多級的。對于離心式壓氣機來說，在工作葉輪中流動的氣體，由于能夠得到離心力的幫助，因而一個級的壓比就有可能達到3~4.5，甚至更加高一些。但是其氣流流動的路線卻比較曲折，因此，其壓縮效率要比軸流式壓氣機的低。當(dāng)然，多級離心式壓氣機的效率會更低一些。通常，軸流式壓氣機的效率可以達到87%以上，而離心式壓氣機效率只有84%~85%左右，甚至在80%以下。在離心式壓氣機中，由于受材料強度的制約，工作葉輪的尺寸不能做的太大，因而進入這種壓氣機的空氣流量就會受到限制，即使把工作葉輪設(shè)計成為雙面進氣的型式，如圖3-2b所示，其空氣流量仍然不能做得很大。軸流式壓氣機的情況則不然，它的空氣流量可以做得很大，而且多級軸流式壓氣機的效率又比較高，因而，在近代大功率的燃氣輪機中，幾乎毫無例外地都采用軸流式壓氣機作為壓縮空氣的基本設(shè)備。通常，離心式壓氣機只在中小型燃氣輪機中有所應(yīng)用。壓氣機的級是軸流式壓氣機中能量交換的基本單位，所以級的工作原理就成為研究整臺多級壓氣機的理論基礎(chǔ)。對軸流式壓氣機的性能要求為了適應(yīng)高效、大功率燃氣輪機的發(fā)展需要，必須要求軸流式壓氣機的性能按以下方向發(fā)展，即：增大壓氣機的空氣流量，它將受限于壓氣機的機械強度和高速氣動特性的影響。目前，大功率燃氣輪機中，軸流式壓氣機的空氣流量已經(jīng)做到670kg/s。為了進一步增加燃氣輪機的單機容量，壓氣機的空氣流量尚需進一步增大。提高單轉(zhuǎn)子壓氣機的壓縮比，適應(yīng)高溫、高效率燃氣輪機發(fā)展的需要。目前，單轉(zhuǎn)子壓氣機的壓縮比已達到23-30，遠遠超脫了以往長期徘徊于12~15之間的局面。為此，必須提高壓氣機的級壓縮比，改善級與級之間氣流流動的匹配特性。改善壓氣機的效率。如第2章所述，可以用等商壓縮效率η*y來描寫壓氣機效率之高低。由于軸流壓氣機一般要消耗燃氣透平所發(fā)功率的60%左右，因而改善壓氣機的效率，以減少燃氣輪機中空氣壓縮的自身消耗，是至關(guān)重要的