1.2　潿洲終端燃氣輪機發電機組

1.2.1　燃氣輪機工作原理和結構

1.2.1.1　基本原理

圖1-1說明了燃氣輪機工作的基本原理。如圖1-1（a）所示，在氣球內的壓縮空氣將力作用于氣球的邊緣上。按照定義，具有重量并占有空間的空氣具有質量。空氣的質量和它的密度成正比，密度與壓力、溫度成比例。如Boyle定律和Charles定律（PV/T＝K）所述，隨著溫度升高和壓力降低，空氣中的分子進一步分開，隨著溫度降低和壓力升高，空氣中的分子更接近。

如圖1-1（b）所示，被限制在氣球內的空氣，當它被釋放時，它會加速離開氣球，產生力。如同牛頓第二定律（F＝MA）中所說的那樣，這個力會隨著質量加速度的增加而增加。由氣球內空氣質量加速度產生的力導致一個大小相等而方向相反的力，該力使氣球向相反方向推動。

代替氣球內的空氣，如圖1-1（c）所示，不能持續維持所需的作用力；如圖1-1（d）所示，允許一個負荷被加速穿過并驅動一個“渦輪”的空氣質量的力驅動。

圖1-1（e）說明了維持一個加速的空氣質量的力被用來驅動一個負荷的更實用的方法。該機殼包含固定體積的空氣，空氣被由原動機驅動的壓氣機壓縮，被壓縮的空氣加速離開機殼，驅動被連接到負荷的一個“渦輪”。

如圖1-1（f）所示，空氣被噴入壓氣機和渦輪之間，以便進一步加速空氣質量，從而增加被用來驅動負荷的力。圖中指出，由于負荷增加，驅動壓氣機的原動機也更大，并且必須更費力地工作。

如圖1-1（g）所示，原動機被拆除并且壓氣機由部分燃氣驅動，因此只要提供燃料，就能使發動機自給自足。

圖1-1（h）代表典型的燃氣輪機工作原理，進氣被壓縮，與燃料混合并被點火，高溫燃氣膨脹通過渦輪，提供機械功來驅動壓氣機，并且剩余的一些功率用來驅動負荷，之后高溫燃氣被排到大氣中。

1.2.1.2　發動機循環設計

燃氣輪機的工作循環類似于四沖程活塞式發動機的工作循環。但在燃氣輪機中，燃燒是在恒定的壓力下產生的；而在活塞式發動機內，燃燒是在恒定的體積下進行的。這兩種發動機循環都表明，每種情況下都存在吸入（空氣或空氣燃料）、壓縮、燃燒和排氣。在活塞式發動機的情況下，這些過程是間歇的，而在燃氣輪機中是連續的。在活塞式發動機內，生產功率中只使用一個沖程，其他沖程被包含在工作流體吸入、壓縮和排出中。比較起來，燃氣輪機消除了三個“無功”的沖程，因此使得更多的燃料能在更短的時間內燃燒。

燃氣輪機工作循環最簡單的表現形式是壓力-體積圖，如圖1-2所示，這個過程被稱為布雷頓循環，在所有的燃氣輪機中都發生這個過程。

布雷頓循環各階段工作過程說明如下：

① 點A表示在大氣壓力下的空氣，它沿AB線被壓縮。壓縮發生在壓氣機進口與出口之間。在此過程中，空氣的壓力和溫度增加。

② 從B到C，通過引入燃料并在等壓下燃燒燃料，把熱量加給空氣，從而顯著增大了空氣的體積。燃燒在燃燒室內發生，在燃燒室內，燃料和空氣被混合到易爆炸的比例并點火。

③ 當高溫燃氣離開燃燒室加速時發生膨脹，燃燒室內的壓力損失由B與C之間的壓力降顯示，這些燃氣以恒定的壓力進入渦輪并通過它膨脹。

④ 從C到D，高溫燃氣通過渦輪膨脹并排到大氣中，在循環的這一部分，超過88%的氣流能量由渦輪轉變成機械功，在發動機排氣管處出現排氣，體積增加，壓力恒定。

1.2.1.3　單軸與雙軸發動機結構的比較

圖1-3是傳統的單軸與雙軸裝置示意圖。軸流COMP（壓氣機）、CT（壓氣機渦輪）和PT（動力渦輪）全是機械連接的。如果把發電機和齒輪箱加到這個軸上，就會有一個具有高慣性矩的軸系，并且這對于發電機是有利的結構，因為在大的負荷波動時，它可以提供電流附加的速度（頻率）穩定性。

對工業雙軸結構而言，只是壓氣機和壓氣機渦輪被連接在一起，并且它們與動力渦輪和輸出軸無關（指在機械上不連接），以便獨立地旋轉。這種結構對于變速驅動成套裝置，如泵和壓縮機都是有利的，因為燃氣發生器可以針對給定的負荷以其最佳的速度運轉。這種雙軸仍然可用于驅動發電機，但在任何情況下它的負荷接受能力通常被限制為全輸出功率的1/3。

圖1-4表示一種更復雜的航改型工業燃氣輪機結構。這基本上仍是一種雙軸結構，但是燃氣發生器的核心（原來的噴氣發動機）被設計成具有兩個轉子、一個低壓軸和一個高壓軸。

航改型燃氣輪機既在機械驅動裝置中得到了廣泛的應用，也在發電機驅動裝置中得到了廣泛的應用。在當前的市場中最著名的發動機是GE（美國通用電氣公司）生產的LM系列燃氣輪機。

1.2.1.4　多級軸流式壓氣機基本結構及原理

（1）基本結構

軸流式壓氣機的通流部分分為三種基本的型式：等內徑、等外徑、等平均直徑。等內徑的優點是每級平均直徑小而使葉片高，可獲得較高的效率，還易于把通流部分分成幾個級組，每個級組設計成同一葉型以便于加工。等外徑的優點是平均直徑逐級增大，即圓周速度逐級增大，故每級的平均做功量大于等內徑的而使級數較少，其次是氣缸平直且易于加工。等平均直徑的級數及效率介于兩者之間。在使用中，有將上述兩種或三種型式混合應用的方案，以及用內、外徑和平均直徑都在變的型式。在工業燃氣輪中，壓氣機多數采用等內徑的型式。

① 進氣機匣　進氣機匣（氣缸也叫機匣）中收斂器流道截面不斷縮小，應滿足氣流在其中均勻加速的要求，同時使氣流較為均勻地流入進口導葉，以保證壓氣機達到良好的性能。進氣機匣一般是鑄造的，應注意收斂器流道及筋板表面的清潔處理及打光，而收斂器出口通道則需經機加工來獲得所要求的尺寸。

壓氣機出口擴壓器性能的好壞對壓氣機效率有直接影響。在擴壓角2γ為10°～12°時擴壓效率較高，這時軸向尺寸較長。在機組的軸向尺寸允許時，采用直線擴壓器較好。但有不少機組為使轉子的臨界轉速符合要求，需盡量壓縮機組軸向長度來增大轉子的剛性，這時將采用彎曲流道的擴壓器。

② 壓氣機轉子　壓氣機轉子是高速旋轉的部件，它把從透平傳來的扭矩傳給動葉以壓縮空氣，這一特點決定了轉子對強度有較高的要求。剛度問題主要反映在臨界轉速上，機組的工作轉速應避開臨界轉速，最大工作轉速低于一階臨界轉速的稱為剛軸，它要求臨界轉速高于最大工作轉速20%～25%。工作轉速高于一階或二階臨界轉速的稱為柔軸。對于工作轉速變化的轉子，為使在工作轉速范圍內避開臨界轉速，常常希望設計成剛軸。應指出，轉子的臨界轉速除與自身的剛性有關外，還與軸承處的支承剛性密切有關。對于用在車、船等運輸機械上的燃氣輪機，在工作時還要承受慣性力、陀螺力矩及沖擊力等，它對轉子的強度和剛度提出更高的要求，使在這些力的作用下不僅強度足夠且變形很小。此外，轉子上各零件的連接應結實可靠，并準確地相互對中，以確保安全運行。

壓氣機轉子的結構型式可分為鼓筒式、盤式、盤鼓混合式三種。盤鼓混合式按其連接方式的不同，又可分為焊接轉子、徑向銷釘轉子、拉桿轉子等。另一種分類是把轉子分為不可拆卸與可拆卸兩類。在軸向裝配式的機組中，若裝拆壓氣機時要求轉子解體的，就必須采用可拆卸轉子，而且要求裝拆方便，只有拉桿轉子才有可能滿足這些條件。

③ 壓縮機動葉　壓縮機動葉是高速旋轉的葉片，又稱為工作葉片，它把透平的機械功傳給空氣，是壓縮空氣的關鍵零件。動葉和靜葉的好壞對整臺機組有很大的影響，同時和機組的安全工作、尺寸、重量等均有很大關系。動葉使用的主要要求有：良好的氣動性能、能高效率地壓縮空氣、有較高的機械強度、能承受巨大的離心力及其他引起的應力、在工作中能避免共振或有良好的振動阻尼、加工方便、便于裝拆等。

a. 葉身　葉身即葉片的型線部分。目前的葉型都是經過大量試驗得到的，雖然具體的型線有多種，但都有著共同的特點，即葉型較薄、折轉角θ較小（與透平葉型相比），這是由擴壓流動的特點決定的。亞聲速葉型進氣邊頭部因角半徑大些，最大厚度約在靠近進氣邊沿弦長的1/3處，出氣邊則較薄。而跨聲速級的特點是進出氣邊均較尖，目前用得較多的雙圓弧葉型，葉型左右對稱，進出氣邊端部圓角很小。為符合氣動要求，動葉沿葉高均設計成扭轉葉片，以獲得高的效率。為改善葉頂處的流動狀況，有的還采用頂部中弧過彎結構，這時葉頂處內弧部分削去一部分材料，剩下的是很薄的葉尖，其折轉角要比原來的葉型大。因此，葉尖部分的加功量增大，提高了壁面氣流的能級，增大“唧送”作用，使壁面附面層延遲分離，擴大了壓氣機的穩定工作范圍，有利于提高壓比及效率。削薄葉頂還允許采用較小的徑向間隙來減少漏氣損失。為降低葉型根部截面處的應力以及使沿葉高的應力分布差別縮小，動葉都設計成沿葉高逐漸減薄的結構，有的還適當減小葉片弦長。沿葉高各截面的重心應在一條直線上，且希望該線與轉子的輻射線不重合而有一夾角，它應偏向于背弧一側，使工作時產生一離心力彎矩來同氣動彎矩相抵消，這也可減小葉根截面處的應力。

由于葉片進口氣流總是不均勻的，因而葉片要受到周期性變化的力的作用，此即激振力，它將使葉片振動。當激振力的頻率和葉片的自振頻率相重合時，葉片就要共振。在燃氣輪機運行的事故中，葉片因振動發生裂紋甚至斷裂的事故相當多，故設計時必須充分注意，應使葉片自振頻率避開激振頻率。對一些長的壓氣機葉片來說，由于葉片長而薄，振動應力大，在無法避免振動時應采取阻尼措施。在葉片上加裝阻尼凸臺是目前普遍采用的措施。當葉片裝在輪盤上后，各葉片上的阻尼凸臺相互靠著而形成一環狀箍帶，在葉片振動時，凸臺接觸面處發生高頻摩擦而起減振作用。此外，阻尼凸臺還同時作為葉片的輔助支點，以降低根部截面的彎曲應力。阻尼凸臺的位置一般在葉高的一半以上，不少機組在2/3葉高左右。凸臺的接觸面應噴涂硬質合金以抗磨損，例如等離子噴涂碳化鎢與純鈷。

某些壓氣機長葉片在工作時還會發生顫動，它是葉片在高速氣流中產生的自激振動，對葉片的危害和強迫振動是一樣的。但是，顫動不可能像發生強迫振動時那樣通過葉片調頻或改變激振力的頻率來避開，而主要依據氣動特性改進的實驗研究來設法消除。

目前，由于葉片精密成型工藝進展迅速，各種復雜形狀的葉片均可得到且保證質量，故設計葉片型面主要是考慮和滿足氣動及強度的要求，以獲得良好的性能。但是，為了降低加工成本，工業型燃氣輪機往往把相鄰幾級葉片設計成同樣的型面，用頂截的辦法來獲得不同的動葉高度。于是，壓氣機就分成了幾個級組，每個級組為同一種葉型，使整臺壓氣機中只有幾種葉型，減少了工藝裝備，降低了制造成本。葉身的加工精度要求高，型面的偏差一般為0.05～0.15mm。葉片表面要拋光，以獲得光滑的流道和提高葉片表面的疲勞強度。

b.葉根　葉根是動葉與輪盤連接緊固之處，對它的要求是：保證連接處有足夠的強度、應力集中小、對輪盤強度的削弱少；連接可靠、保證安裝位置準確；便于加工、拆裝方便；對航空機組來說，還要求葉根重量輕、尺寸小。壓氣機動葉的葉根，按其裝配方式來說，有周向裝入、軸向裝入及插入式等幾種。葉片裝在輪盤的圓周向根槽中，常用于鼓筒式轉子和焊接轉子。

葉根的型式包括T形葉根、齒形葉根等。T形葉根的結構較簡單，加工較方便，但其承截面積較小，主要用于不太長的葉片。為使葉片能裝入轉子上的根槽中，必須在根槽上開專門的槽口。把兩相鄰根槽之間銑出一燕尾形槽口，這兩級葉片即可從該處裝入轉子的根槽中，然后把葉片推至需要的位置。在裝入最后幾片葉片之前，應先把鎖緊塊放入槽口內，在裝入最后一片葉片后，將鎖緊塊推向兩側，中間打入楔塊，再用騎縫螺釘把楔塊固定在轉子上。這種葉根結構的缺點是葉片裝拆不方便。齒形葉根的優點是承截面積比T形葉根大，缺點是加工難度要大些。在兩動葉之間采用隔葉塊的結構，用隔葉塊使葉片裝配簡化。原因是葉根及隔葉塊的平行四邊形，其短的一條對角線與根槽邊的夾角α大于90°，把葉片放入根槽后再按順時針方向旋轉，葉根就可和根槽相配合，之后再將葉片與已裝好的相鄰隔葉塊推緊。隔葉塊的裝配也一樣。當裝至最后的隔葉塊時，把隔葉塊分為三塊，先裝入兩旁的那兩塊，再打入中間楔塊并沖鉚之，有時甚至焊住以確保可靠。當一個隔葉塊的位置空著但還不夠裝入一片葉片時，需要將最后兩個隔葉塊都做成相同的鎖緊結構，使多空一個隔葉塊的位置來裝末葉，在末葉裝入后再裝該兩鎖緊隔葉塊。因此，齒形葉根結構不僅葉片裝拆方便，且轉子上不需開裝葉片的槽口。但是，當葉根平行四邊形的夾角α≤90°時，就無法將葉根旋轉至和根槽相配合的位置，這時仍需開槽口，裝配方法同T形葉根。

④ 氣封　氣封是減少漏氣的裝置，是壓氣機氣流通道中不可缺少的部件。透平中亦然，并廣泛用它來控制轉子的冷卻空氣流量。氣封的功能是減少漏氣量。但在不同的應用部位，它的作用不同。

在壓氣機的進氣端的空氣是被吸入的，即在進口導葉處的靜壓低于大氣壓力，因而該處轉子和靜子之間的間隙有空氣被吸入。通常該處緊靠著軸承座，運行時將有油霧自軸承座中漏出，正好隨空氣被吸入壓氣機而粘在葉片表面，形成污垢使效率降低。因此，在該處應采取措施，不讓有油霧的空氣被吸入，常用的是氣封封氣裝置，如圖1-5所示。

它從壓氣機中間某級引來一股比大氣壓力高的壓力空氣，在氣封中氣流分為兩股，一股流入大氣，另一股流至壓氣機進口回到通流部分中，這時含有油霧的空氣就不會被吸入了，該封氣裝置中的氣封起著減少消耗引來的壓力空氣的作用。另有一種是把壓力空氣引到空腔中，然后一部分經軸端氣封漏至大氣，另一部分流回通流部分。這時在進口導葉底部與轉子之間亦需裝氣封，以減少向通流部分的漏氣。該種引氣方式使A腔中的壓力升高，變為引來空氣的壓力，同時起著平衡轉子軸向推力的作用。當然，也有一些機組只是采用氣封來減少被吸入的空氣量，而不是用來平衡軸向推力。但是，這時軸承座處的密封應采取措施，以防油霧漏出。

在壓氣機出口處是高壓空氣，需用氣封來減少漏氣。整體式結構的單軸燃氣輪機，當轉子采用兩端支承時，該氣封正好在壓氣機出口和透平進口之間，作用是控制流到透平中的冷卻空氣量。

有靜葉內環的壓氣機，由于靜葉出口側的壓力高于進口側，故出口側的空氣要從內環與轉子之間的間隙漏至進口側。因此在靜葉內環上要加氣封，以減少漏氣來提高效率。

（2）壓氣機喘振機理

① 發生喘振現象的原因　如果流經壓氣機的空氣流量減小到一定程度，那么空氣流量會忽大忽小，壓力會時高時低，甚至會出現氣流由壓氣機倒流到外界大氣中的現象，同時還會發生巨大的聲響，使機組伴隨強烈的振動，這種現象通稱為喘振現象。在機組的實際運行中，決不能允許壓氣機在喘振工況下工作。

那么，喘振現象究竟是怎樣產生的呢？通常認為：喘振現象的發生總是與壓氣機通流部分中出現的氣流脫離現象有密切關系。

當壓氣機在設計工況下運行時，氣流進入工作葉柵時的沖角接近于零。但是當空氣體積流量增大時，氣流的軸向速度就要加大。假如壓氣機的轉速n恒定不變，將會產生負沖角（i<0）。當空氣體積流量繼續增大，而使負沖角加大到一定程度，在葉片的內弧面上就會發生氣流邊界層的局部脫離現象。但是，這個脫離區不會繼續發展。這是由于當氣流沿著葉片的內弧側流動時，在慣性力的作用下，氣體的脫離區會朝著葉片的內弧面方向聚攏和靠近，因而可以防止脫離區的進一步發展。此外，在負沖角的工況下，壓氣機的級壓比有所減小，即使產生了氣流的局部脫離區，也不至于發展成氣流的倒流現象。

可是，當流經工作葉柵的空氣體積流量減小時，情況將完全相反。那時，氣流的β₁和α₂角都會減小。然而，當β₁和α₂角減小到一定程度后，就會在葉片的背弧側產生氣流邊界層的脫離現象。只要這種脫離現象一出現，脫離區就有不斷發展擴大的趨勢。這是由于當氣流沿著葉片的背弧面流動時，在慣性力的作用下，存在著一種使氣流離開葉片的背弧面而分離出去的自然傾向。此外，在正沖角的工況下，壓氣機的級壓比會增高，因而當氣流發生較大的脫離時，氣流就會朝著葉柵的進氣方向倒流，這就為發生喘振現象提供了前提。

試驗表明：在葉片較長的壓氣機級中，氣流的脫離現象多半發生在葉高方向的局部范圍內（例如葉片的頂部）。但是在葉片較短的級中，氣流的脫離現象卻有可能在整個葉片的高度上同時發生。研究表明：在環形葉柵的整圈流道內，可以同時產生幾個比較大的脫離區，而這些脫離區的寬度只不過涉及一個或幾個葉片的通道。而且，這些脫離區并不是固定不動的，它們將圍繞壓氣機工作葉輪的軸線，沿著葉輪的旋轉方向，以低于轉子的旋轉速度連續地旋轉。因而，這種脫離現象又稱為旋轉脫離（旋轉失速）。當壓氣機在低轉速區工作時，經常會出現旋轉失速現象。它最嚴重的后果是會使葉片損壞，從而有可能使整臺壓氣機破壞。

通過以上分析可以看清：氣流脫離現象（失速）是壓氣機工作過程中有可能出現的一種特殊的內部流動形態。當空氣體積流量減少到一定程度后，氣流的正沖角就會加大到某個臨界值，以致在壓氣機葉柵中，迫使氣流產生強烈的旋轉失速流動。那么，在壓氣機中發生的強烈旋轉失速為什么會進一步發展成為喘振現象呢？

下面用圖1-6來簡單地說明一下喘振現象的發生過程。假如壓氣機1后面的工作系統2可以用一個容積為V的容器來表示。流經壓氣機的流量可以通過裝在容器出口處的閥門3來調節。那么，當壓氣機的工作情況正常時，隨著空氣體積流量的減少，容器中的壓力就會增高。但是，當體積流量減少到一定程度時，在壓氣機的通流部分中將開始產生旋轉失速現象。假如空氣的體積流量繼續減小，旋轉失速就會強化和發展。當它發展到某種程度后，由于氣流的強烈脈動，就會使壓氣機的出口壓力突然下降。那時，容器中的空氣壓力要比壓氣機出口的壓力高，這將導致氣流從容器側倒流到壓氣機中去；而另一部分空氣則仍然會繼續通過閥門流到容器外面去。由于這兩個因素的同時作用，容器的壓力就會立即降低下來。假如當時壓氣機的轉速恒定不變，那么隨著容器壓力的下降，流經壓氣機的空氣體積流量就會自動地增加上去；與此同時，在葉柵中發生的氣流失速現象逐漸消失，壓氣機的工作情況將恢復正常。當這種情況繼續一個很短的時間后，容器的壓力會再次增高，流經壓氣機的空氣流量又會重新減少下來，在壓氣機通流部分中發生的氣流失速現象又會再現。上述過程就會周而復始地進行下去。這種在壓氣機和容器之間發生的空氣流量和壓力參數的時大時小的周期性振蕩，就是壓氣機的喘振現象。

總之，在壓氣機中出現的喘振現象是一種比較復雜的流動過程，它的發生是以壓氣機通流部分中產生的旋轉失速現象為前提的，但也與壓氣機后面的工作系統有關。試驗表明：工作系統的體積越大，喘振時空氣流量和壓力的振蕩周期就越長，而且對于同一臺壓氣機來說，如果與它配合進行工作的系統不同，那么在整個系統中發生的喘振現象也就不完全一樣。

喘振對壓氣機有極大的破壞性，出現喘振時，壓氣機的轉速和功率都不穩定，整臺發動機都會出現強烈的振動，并伴有突發的、低沉的氣流轟鳴聲，有時會使發動機熄火停車。倘若喘振狀態下的工作時間過長，壓氣機和燃氣渦輪葉片以及燃燒室的部件都有可能因振動和高溫而損壞，所以在燃氣輪機的工作過程中決不允許出現壓氣機的喘振工況。最后應該指出：喘振和旋轉失速是兩種完全不同的氣流脈動現象。喘振時通過壓氣機的流量會出現較大幅度的脈動。而旋轉失速會造成壓氣機軸旋轉區域的流量降低，但通過壓氣機的平均流量是不變的。

研究表明：當壓氣機在低于設計轉速的情況下工作時，在壓氣機的前幾級中將會出現較大的正沖角，而后幾級中卻會形成負沖角。因而當空氣流量降低到某個極限時，在壓氣機中容易發生因前幾級出現旋轉失速而導致的喘振現象。反之，當壓氣機在高于設計轉速情況下工作時，壓氣機的后幾級中則會發生正沖角，那時喘振現象多半是由于發生在后幾級中的旋轉失速現象引起的。

最后，對壓氣機的喘振現象可以歸納出以下幾點看法：

a.級壓比越高的壓氣機或者是總壓縮比越高和級數越多的壓氣機，就越容易發生喘振現象。這是在這種壓氣機的葉柵中，氣流的擴壓程度比較大，因而也就容易使氣流產生脫離（失速）現象。

b.多級軸流式壓氣機的喘振邊界線不一定是一條平滑的曲線，而往往可能是一條折線。據分析認為：其原因可能是在不同的轉速工況下，進入喘振工況的級并不相同。

c.在多級軸流式壓氣機中，因最后幾級氣流的旋轉失速而引起的喘振現象會更加危險，因為那時機組的負荷很高，而這些級的葉片又比較短，氣流的失速現象很可能在整個葉高范圍內發生，再加上當地的壓力又高，壓力的波動比較厲害，因而氣流的大幅度脈動就會對機組產生非常嚴重的影響。

d.進排氣口的氣流流動越不均勻的壓氣機就越容易發生喘振現象。

② 防止喘振的措施　概括起來說，防止發生喘振現象的措施有以下五個方面：

a.在設計壓氣機時應合理選擇各級之間的流量系數，力求擴大壓氣機的穩定工作范圍。

b.在軸流式壓氣機的第一級或者前面若干級中裝設可轉導葉，當流進壓氣機的空氣流量發生變化時，可以關小或開大可轉導葉的安裝角γ_p來減小或消除氣流進入動葉時的正沖角，從而達到防喘的目的。由于在低轉速工況下，壓氣機的前幾級最容易進入喘振工況，因而通常把壓氣機的第一級入口導葉設計成可以旋轉的。采用可轉導葉的措施不僅可以防止壓氣機的第一級進入喘振工況，而且還能使其后各級的流動情況得到改善。因為當壓氣機動葉中氣流的正沖角減小時，級的外加功量就會下降，也就是說，在壓氣機第一級出口處空氣的壓力比較低，這樣就可以增大流到其后各級中的空氣體積流量，使這些級的氣流沖角適當減小，因而有利于改善這些級的穩定工作特性。

c.在壓氣機通流部分的某一個或若干個截面上安裝防喘放氣閥。

鑒于機組在啟動工況和低轉速工況下，流經壓氣機前幾級的空氣流量過少，以致發生較大的正沖角，而使壓氣機進入喘振工況，于是人們就設想出在容易進入喘振工況的某些級的后面開啟一個或幾個旁通放氣閥，迫使大量空氣流過放氣閥之前的那些級，那么就有可能避免在這些級中產生過大的正沖角，從而達到防喘的目的。

d.合理地選擇壓氣機的運行工況點，使機組在滿負荷工況下的運行點離壓氣機喘振邊界線有一定的安全裕量。

e.把一臺高壓比的壓氣機分解成兩個壓縮比較低的高、低壓壓氣機，依次串聯工作，并分別采用兩個轉速可以獨立變化的渦輪來帶動的雙軸（轉子）燃氣輪機方案，可以擴大高壓比壓氣機的穩定工作范圍。

總之，通過以上五個措施，可以防止在壓氣機中發生具有破壞性的喘振現象，有利于擴大整臺機組穩定工作的范圍。

1.2.1.5　燃燒室基本結構及原理

燃燒室是組成燃氣輪機的又一個主要部件，燃燒室的功能是保證壓氣機提供的高壓氣流與外部燃料系統注入的燃料充分混合燃燒。燃燒室結構通常由下列部件組成：外殼、火焰管、火焰穩定器、燃料噴嘴、點火設備和觀察孔等。燃燒室的型式按布置方式可劃分為分管型、環型、環管型、管頭環型、雙環腔型和圓筒型等。按氣流通過燃燒室的流程來劃分，又可分成直流式、回流式、角流式和旋風式等。

對于典型的“管式”燃燒室，火焰穩定的流譜如圖1-7所示，大多數工業燃氣輪機以圓周方向排列不同數目的火焰筒（管）的型式使用這種型式的燃燒室，航改型燃氣輪機已從這種設計演變到一種單環燃燒室，多個燃料噴嘴沿圓周方向均勻分布，全部等壓燃燒的燃氣輪機的燃燒室均依據同樣的原理工作。

為了使系統能有效地工作，燃氣輪機的燃燒室必須滿足以下三個主要的功能：

① 保護燃燒室外機匣免受對流和輻射的傳熱，這是因為該機匣是一個壓力容器。

② 減小空氣速度到能使火焰穩定的量級。

③ 在熱燃氣沖擊到渦輪靜止的和旋轉的組件的部件上以前，把燃燒產物溫度降到可接受的范圍。

當發動機正以滿負荷運行時，在火焰的頂部（末端）接近1760℃，在燃燒室結構內的金屬材質無法承受這一范圍內的溫度。所以，在燃燒室內壁和外壁之間設計空氣流通通道，用于冷卻和火焰成形，流入內室的空氣通過小孔被引導，使火焰在燃燒室內成形，防止它與燃燒室（火焰筒）壁接觸，進入燃燒室的82%空氣流用于冷卻和火焰成形，僅僅18%被用作燃料燃燒。

在設計條件下，燃燒室內火焰的穩定性是極為重要的，當火焰鋒面以高的頻率前進和后退時，產生不穩定的火焰。這引起一個壓力波系，該波系將加速渦輪熱部分的機械疲勞破壞。按照圖1-8所示，通過設計可以避免出現這種情況，從圖說明中可以看到，如果燃燒室被限定在穩定性回路內的質量流量和空氣/燃料比的整個范圍內運行，則火焰將穩定運行。該回路的邊界同時指示了出現不穩定性的條件。

1.2.1.6　透平葉片基本結構及原理

透平葉片是燃氣輪機的又一主要部件，它的功能是將高溫高壓燃氣中的能量轉變為機械能，其中約3/5～2/3的能量用以帶動空氣壓氣機壓縮空氣，其余的能量則作為燃氣輪機的輸出功率以帶動負載。

透平葉片分成向心式、軸流式等。由于向心式結構復雜，而且單級功率有限又難以串接多級，所以實際使用的機組主要采用軸流式燃氣渦輪發動機。其特點是功率大、流量大、效率高。向心式透平是一種徑流透平，主要在一些小功率燃氣輪機中應用。相對于壓氣機來說，透平的一個顯著不同是工作氣體溫度高。目前，工業用燃氣透平機透平進口燃氣溫度為900～1100℃，而航機還要高，最高已在1400℃以上。另一個不同是透平級中能量轉換大，如部分透平焓降高達75kcal/kg（1kcal＝4186.8J），因而透平級的氣動負荷大，整個透平的級數少。一些小功率燃氣輪機的透平只有一級，而大多數燃氣輪機的透平則為2～4級，多的達5～7級，我們所使用的為4級透平。多數透平的通流部分，通常用的是等內徑或等平均直徑流道，或與該兩者相近的流道，等外徑的則應用較少。

與壓氣機相類似，氣流在透平中流動的通道也是由靜葉片和動葉片交替排列而成的。雖然壓氣機和透平都是由動、靜葉片組成，但二者本質上是不同的，壓氣機的動、靜葉片組成一個沿軸向逐漸收縮的通道，使空氣由外界吸入后逐級被壓縮，而透平的動、靜葉片組成一個沿軸向逐漸擴張的通道，使高壓、高溫燃氣在這個通道中逐級膨脹做功。由于透平的工作溫度相比壓氣機的工作溫度要高得多，所以透平的結構設計上在考慮冷卻、熱膨脹等問題上要做出特殊處理。一般來說，透平進口的幾級靜葉采用一定的冷卻，尤其是與燃燒室出口相連的首級燃氣渦輪靜葉。一般都在結構設計上在壓氣機的某一級出口處引出部分壓縮空氣到燃氣渦輪發動機作為冷卻空氣，用于冷卻透平葉片、葉片輪盤等熱部件。

（1）透平靜葉

透平靜葉又稱噴嘴，在航機中叫作導向葉片，它的作用是使高溫燃氣在其中膨脹加速，把燃氣的內能轉化為動能，然后推動轉子旋轉做功。

工作時，透平靜子所處的條件是很惡劣的，最主要的是被高溫燃氣所包圍，特別是第1級靜葉，它所接觸的是溫度最高且溫度差別最大的氣體。在啟動和停機時，它又是受到熱沖擊最為厲害的零部位。因此，要求靜葉必須滿足耐高溫、耐熱腐蝕、耐熱沖擊、耐熱應力、具有足夠的剛度和強度等要求。

耐高溫和耐熱沖擊首先是靠材料的性能來保證。目前，工作溫度在800℃以上的高溫的靜葉，國外廣泛采用鑄造鈷基合金，它不僅有好的高溫機械性能和好的抗熱腐蝕性能，還有好的抗熱疲勞性能，而且鑄造工藝性能好。透平靜葉廣泛采用精鑄葉片，在它的葉身兩端整體鑄有外緣板和內緣板，在它們上面還有安裝邊。內外緣板和安裝邊的作用是安裝固定靜葉，以及把燃氣與安裝它的零部件隔開。為減少葉身的熱應力，對處于高溫部件的靜葉，通常采用空心鑄造葉片。空心葉片的葉身材料顯著減薄，厚度趨于均勻，使葉身的熱應力降低，并且還提高了抗熱沖擊的能力。靜葉由于工作溫度高和溫度場的不均勻，在葉片剛度不夠時較易發生扭曲和彎曲變形，單片靜葉的剛性較差，在運行時易發生故障，當采用葉片時，則靜葉的剛性明顯增強，從而可有效地避免故障。

目前，靜葉的固定方式主要是直接固定方式，雖然這種方式結構簡單，但卻存在著重大缺陷，即透平氣缸直接與燃氣相接觸，因而氣缸工作溫度高。隨著燃氣初溫的不斷提高，上述缺點越來越嚴重，因而被淘汰了。所以透平靜葉的固定方式最常采用持環結構。持環又稱隔板套，是專門安裝固定靜葉的零件，靜葉安裝在持環上，持環再固定在氣缸上。

（2）透平動葉

透平動葉是把高溫燃氣的能量轉變為轉子機械功的關鍵部件之一，工作時，動葉不僅被高溫燃氣所包圍，而且由于高速旋轉而產生巨大的離心力，同時還承受著氣流的氣動力，以及較多作用力可能引起的振動等，當燃氣溫度沿周圍不均勻時，將使動葉承受周期性的溫度變化，這在第一級動葉中較明顯。此外，動葉還要承受高溫燃氣引起的腐蝕和侵蝕，因而透平動葉的工作條件是很惡劣的，它是決定機組壽命的主要零件之一。

透平動葉是用耐熱材料的鍛造毛坯經過機加工得來。近來，由于鑄冶鑄造工藝的進展以及耐高溫的鎳基鑄造合金的發展，透平現已大多數采用精鑄動葉，用空氣內部冷卻的動葉。精鑄葉片不僅比鍛造擠壓葉片的工藝簡便，且能獲得復雜的內部冷卻空氣流道的形狀，增強冷卻效果，因而優點甚為顯著。通常，用無裕量精鑄得到的葉片葉身只需拋光即可，葉根由于精度要求高還需經加工得到。動葉的基本結構為葉身扭轉，頂部帶冠，根部是帶工字形長柄的樅樹形葉根，在葉根兩側和葉冠上有氣封齒。由于透平中能量轉換大，即氣流速度高且轉彎折轉大，故相對于壓氣機葉型來說，透平葉型厚且折轉角大，就透平自身的葉型來說，由于級中反動度的不同，分為沖動級和反動級，沖動級的焓降要比反動級的大，故沖動級的葉片更為厚實，折轉角更大。透平動葉的葉冠全部拼合起來就會在葉頂處形成一個環帶，將燃氣限制在葉片流道內流動，有利于提高透平的效率，還可以對透平振動起阻尼作用。

（3）透平冷卻系統

從燃氣輪機的工作原理知，燃氣初溫對機組效率有很大影響，燃氣初溫高時效率高。故人們總希望用高的燃氣初溫。目前，人們從兩個方面努力來不斷提高燃氣初溫：一方面是不斷研制新的耐高溫的合金材料；另一方面是采用冷卻葉片并不斷地提高其冷卻效果。

冷卻葉片的方法有兩類：一類是以冷卻空氣吹向葉片外表進行冷卻；另一類是把冷卻空氣通入葉片內部的專門流道進行冷卻。前面的葉根間隙吹風冷卻就是外表冷卻，它對葉根的冷卻很有效，而葉身則是通過葉片本身的熱傳導把熱量傳至葉根而被冷卻，故只有在靠近葉根處的葉身能得到一定冷卻，其余部分葉身的冷卻效果很差。這種冷卻一般可使葉身的根部截面溫度比該處的燃氣溫度低50～100℃左右。

把空氣引入葉片內部的冷卻方式，則能使葉片沿整個葉高都得到冷卻，且可獲得降溫100℃以上乃至數百攝氏度的冷卻效果。因而葉片內部冷卻能有效地提高燃氣初溫。

圖1-9為GE公司MS9001燃氣輪機透平冷卻系統圖，該機組的燃氣初溫在基本負荷時為1004℃，尖峰負荷時可達1065℃，其一級靜葉和動葉為冷卻葉片。該透平上裝有一個持環和三列分段護環，第一級靜葉裝在持環上，另兩級靜葉則裝在護環上，氣缸與燃氣完全隔絕。轉子是外圍拉桿結構，在三級輪盤之間的兩個小輪盤外緣加工有氣封槽，其一端側面加工有多條均布槽道以通過冷卻空氣。各級動葉均用工字形截面的長柄樅樹形葉根。

該機組的壓氣機共十七級，按照透平冷卻部位所需壓力的高低，冷卻空氣自壓氣機的不同處引來，氣缸及靜葉的分兩股，轉子的分三股。靜子冷卻的第一股空氣自壓氣機出口，經燃燒室的燃氣導管周圍空腔引來。其中一部分流入持環，再流入一級靜葉內部冷卻后，自靜葉出氣邊的小孔排至主燃氣流中。另一部分經一級動葉的護環流入二級靜葉頂部空腔，再經二級靜葉內的孔道流至靜葉內環，對一級輪盤出氣側和二級輪盤進氣側進行冷卻。第二股冷卻空氣自壓氣機第十級后引來，通過氣缸上均布的一圈孔道對氣缸進行冷卻。

轉子的冷卻空氣，分別引至其進氣側、轉子內部、排氣側。進氣側處空氣自壓氣機出口引來，用軸向間隙中的氣封來控制其流量。出氣側面引來的是一股低壓冷卻空氣。轉子內部的冷卻空氣自壓氣機第十六級后引來，經轉子上的孔流入轉子中間，大部分經第一個小輪盤的流道流至一級動葉根部，進入動葉內部冷卻后自葉頂排至主燃氣流中。另一部分經第二個小輪盤的流道去冷卻二級輪盤的出氣側及三級輪盤的進氣側。

從上述看出，該透平的氣缸不僅與燃氣隔絕，且得到了良好的冷卻。靜子的其他部件，如持環和前兩列護環也得到了冷卻。而轉子，由于各級輪盤的所有表面全部被冷卻空氣所包圍，與燃氣隔絕，也得到了良好的冷卻。