1、燃氣輪機各部件的工作原理（第一節 壓氣機原理與特性）1主要內容壓氣機的類型及特點壓氣機級的工作原理壓氣機的特性壓氣機的不穩定工況壓氣機的結構23（一）壓氣機的類型及特點 1.壓氣機的作用 向燃氣輪機的燃燒室連續不斷地供應高壓空氣。 2.壓氣機的類型 軸流式：Axial-flow Type Air Compressor 離心式: Centrifugal-flow Type Air Compressor 按機內氣體總體流向分類4 軸流式5 離心式6通風機（110 kPa) 鼓風機（110400 kPa) 壓氣機（400 kPa) 按工作原理和構造分類活塞式壓氣機 葉輪式壓氣機特殊引射式壓縮器 按壓

2、縮氣體壓力范圍分類7 軸流式壓氣機和離心式壓氣機性能比較比較項軸流式壓氣機離心式壓氣機氣流總體流向軸向徑向優 點流量大、效率高（80%92%）級的增壓能力高（單級壓縮比高達4 4.5）缺 點級的增壓能力低（單級壓縮比1.151.35）流量小、效率低（75%85%）應用場合大中型燃氣輪機小功率燃氣輪機8 3.軸流式壓氣機結構轉子 動葉片 葉輪或轉鼓 主軸靜子 靜葉片（導流葉片、靜葉） 氣缸 (機匣) 軸承9軸流式壓氣機的結構壓氣機的級 由一列動葉片和緊跟其后的一列靜葉片構成的壓氣機的基本工作單元。第一級10世界各大燃氣輪機公司采用的壓氣機制造廠GE發電ABB-AlstomSiemens三菱重工燃

3、機型號（系列號）MS9001FAMS9001G/HGT26V94.3AM701FM701G壓氣機型式、級數軸流 18級軸流 18級軸流 22級軸流 15級軸流 17級軸流 14級壓比15.423.23017172111壓氣機的發展趨勢提高壓比：單臺已達30以上提高通流量 大功率提高效率 提高經濟性12（二）壓氣機級的工作原理 1.軸流式壓氣機的基元級 用假想的同軸圓柱面切割級的葉片排所到的高度無窮小的級。三個特征截面：級前1、級間2和級后313 2.葉型與葉柵的幾何和氣動參數葉型的幾何參數 葉型 型線 中弧線 弦長b 前后緣方向角 葉型的彎曲角葉型：葉片橫截面形狀。型線：葉型輪廓線，包括背弧型

4、線、內弧型線及二者的連接圓弧線。中弧線：葉型型線所有內切圓圓心的連線。弦長：型線在弦線方向的投影長度。外弦長b內弦長中弧線兩端點的連線。前后緣方向角：葉型前、后緣點處中弧線的切線與外弦線間的夾角。葉型的彎曲角：表征葉型彎曲程度的角度。 = 1+ 2 14葉柵的幾何參數 葉柵前后額線 葉型安裝角p 柵距t 入口安裝角1j 出口安裝角2j葉柵前后額線：葉型前、后緣點的連線。葉型安裝角p ：外弦線與圓周方向的夾角。柵距t ：兩個相鄰葉型上同位點在圓周方向上的距離。入口安裝角和出口安裝角 ：葉型中弧線在前緣點和后緣點的切線與葉柵前、后額線的夾角。15主要氣動參數 進出氣角1和2 進口沖角 i =1j-

5、1 出口落后角 =1j-1 氣流轉折角 =2-1進出氣角：氣流進、出口相對流速與葉柵前、后額線的夾角。進口沖角：葉柵的入口安裝角與氣流進氣角之差。出口落后角：葉柵的出口安裝角與氣流出氣角之差。氣流轉折角：氣流出氣角與進氣角之差。16 3.壓氣機基元級的速度三角形氣流的絕對速度、相對速度和圓周速度的矢量關系：17扭速：相對速度的圓周分量變化量。(反映外界對氣體做功量的大小。)18級中能量轉換計算動葉柵加功量(對單位質量氣體) 4.壓氣機級中的能量轉換關系19靜葉柵（能量守恒）20級中增壓過程外界通過工作葉輪上的動葉柵將壓縮軸功傳遞給流過動葉柵的空氣，一方面使氣流的絕對速度升高，另一方面使氣流的相

6、對速度降低；氣流在流過動葉柵時的相對速度降低所釋放的動能，除一部分轉換為摩擦熱并為氣體吸收外，其余都轉換成氣體的壓力勢能，使氣體的壓力升高；氣流在流過靜葉柵時相對速度降低所釋放的動能，除一部分轉換為摩擦熱并為氣體吸收外，其余都轉換成氣體的壓力勢能，使氣體的壓力升高。21影響壓氣機級的增壓能力的因素（限制條件）葉片材料許用應力（強度）的限制 圓周速度u不能過大葉柵氣動性能的限制 氣流轉折角不宜過大22 5.軸流式壓氣機的效率和能量損失理想壓縮功輸入的機械功能量損失壓氣機效率：23內部損失 型阻損失（影響因素：葉型） a、葉柵表面附面層中產生的摩擦和脫離現象引起； b、葉片表出口尾跡中的渦流以及與

7、主流的摻混； c、在超音速氣流中發生的激波現象等引起的能量損失。 端部損失（影響因素：葉片高度）端部摩擦二次流損失 徑向間隙的漏氣損失（影響因素：動靜間隙大小、前后壓差和直徑大小等）外部損失 支持軸承和止推軸承上的機械摩擦損失； （相應的減損措施：采用高效軸承、適當潤滑等措施） 經過高壓轉子軸端與機匣之間的間隙泄漏到外界去的漏氣損失。（相應的減損措施：增設氣封裝置）壓氣機的能量損失24 1.壓氣機的特性與特性線流量特性： 在轉速、進氣壓力和進氣溫度一定時，壓比和等熵效率隨流量變化的關系，稱為壓氣機的流量特性。 壓氣機的流量特性線： 通過實驗測定并作出的壓氣機流量特性曲線。 壓氣機的特性線組：

8、不同轉速下的壓氣機特性線繪在一起，所得到的曲線組，稱為壓氣機的特性線組。（三）壓氣機的特性25 2.單級軸流式壓氣機的特性線特點 每一轉速下的壓比均有一最大值（最大壓比點：左、右兩支）； 壓氣機的喘振 轉速不變，流量降低到一定值后，壓氣機內的氣流軸向脈動引起的整臺機器的劇烈振動。 喘振邊界點：壓比不穩定無法繪出時對應的流量點。 喘振邊界線：各轉速下喘振工況點的連線。26特點 壓氣機的阻塞 轉速不變，流量增大到一定值后，壓比急劇下降，流量無法繼續增大的現象。 不同轉速下的壓比特性線形狀稍有不同，轉速越高，特性線越陡。注:效率隨流量變化的曲線組與壓比隨流量變化的曲線組特點大致相同。27 壓比隨流量

9、的變化情況（轉速不變）無損失時：級的壓比隨流量的增大而減小考慮摩擦損失時：單位質量氣體的損失隨流量的增大而增大考慮考慮漩渦損失時：存在使壓比最大的最佳流量28 3.多級壓氣機的特性線特點 壓比隨流量變化一般不存在左支，喘振點出現在右支上； 壓比和效率隨流量變化的特性線較單級陡峭，高轉速下幾乎成垂線，導致其工作范圍變窄。29 4.壓氣機的通用特性線流量特性線的缺陷： 流量為自變量、轉速為參變量繪制的壓氣機流量特性線只適用于一定幾何尺寸和進氣條件的壓氣機，若壓氣機尺寸或進氣條件改變，需通過重新實驗獲得特性線，應用不便。通用特性線： 用壓氣機對應的定性準則數為自變量繪制出壓氣機的通用的壓比特性線和效

10、率特性線。“通用的”內涵： 無論壓氣機的尺寸（幾何相似）、進氣量和進氣條件如何變化，該特性線都適用。“通用的”根據： 根據相似原理，若對應的定性準則數彼此相等，則對應的所有無因次參數都彼此相等。30壓氣機的定性準則數 第一級動葉柵的進口速度馬赫數和圓周速度馬赫數是壓氣機的兩個基本定性準則數，其他任何與之成比例且相互獨立的無因次參數都可代替成為定性準則數。某壓氣機通用特性線代替進口速度馬赫數的定性準則數代替圓周速度馬赫數的定性準則數31（四）壓氣機的不穩定工況典型的不穩定工況失速喘振阻塞32 1.壓氣機的失速 (a)流量大于設計值 (b)流量小于設計值葉背的邊界層分離區易擴大33葉柵的失速 葉柵

11、中體積流量減小時，葉柵背面邊界層發生嚴重脫離，以致脫離區占據大部分流道并引起流動損失急劇增大的現象，稱為葉柵的失速。 當壓氣機的某一級或某列葉柵失速時，壓氣機就進入失速狀態。葉柵失速的特征 一般先發生在葉柵的若干局部區域； 局部失速區不是靜止不動的，而是圍繞壓氣機葉輪的軸線，以低于葉輪的速度與葉輪同向旋轉； 失速區的圓周速度一般為葉輪圓周速度的20%80%，對多級軸流式壓氣機為40%60%。 在相對坐標系中，失速區以相對速度u朝葉柵運動的相反方向傳播。34葉柵失速區旋轉的機理 右側：沖角減小，流動改善，失速消除。左側：沖角增大，氣流分離，失速區逆葉柵運動方向傳播。當流量減小時，若葉片2的背部先

12、出現氣流分離，葉片2與3之間的流道將被部分堵塞，于是該流道前方將形成低速氣流區（停滯區），導致該停滯區附近的氣流改變流向。35旋轉失速的危害 旋轉失速出現后，葉片將受到周期性氣流激振力作用。當激振力頻率等于葉片自振頻率時，葉片發生共振，嚴重時會使葉片表面出現裂紋甚至斷裂。葉柵失速的種類 漸進型失速 a、隨流量減小，失速先在一個或幾個葉片的葉尖處產生，然后沿徑向和周向擴展；b、壓比、效率隨流量的減小而連續變化；c、葉圈中可有一個或多個對稱的失速區，多個失速區相互干擾，不穩定性增加，常發生于葉片較長的級中。36突變型失速 a、當流量減小到一定值時，沿著葉片的整個高度幾乎同時出現失速，而后迅速向周向

13、擴展； b 、壓氣機特性線上表現為：壓比隨流量發生突躍性變化； c 、葉圈中只有12個失速區，常發生于葉片較短的級中； d 、突變型失速的出現和消失具有一定的滯后性；受到的激振力比漸進型失速時大得多，也更危險。37壓氣機喘振的特征 壓氣機的流量時增時減； 壓力忽高忽低； 整個機組劇烈振動并伴隨特有轟鳴聲。壓氣機喘振的原因 內因（根本原因和必要條件） 壓氣機失速； 外因 壓氣機下游存在容積較大的管網部件。 2.壓氣機的喘振 38喘振與失速的區別 比較項失速喘振穩定性問題壓氣機本身的氣動穩定性問題壓氣機與其管網組成的整個系統的穩定性問題壓氣機總流量不變時增時減氣流脈動作用有一個或幾個低速區圍繞壓氣

14、機軸線旋轉，葉柵周向各處葉片輪流受到氣流周向脈動作用葉柵周向各處葉片同時受到氣流軸向脈動作用氣流脈動的影響因素氣流周向脈動的頻率和振幅與葉柵本身幾何參數和轉速相關氣流軸向脈動的頻率和振幅與管網容量大小相關39 3.壓氣機的阻塞阻塞的特征 壓氣機流量無法進一步增加； 壓比及效率大幅度降低。阻塞的產生原因單級壓氣機阻塞的原因高轉速下的聲速阻塞 即氣流流速達到聲速，流量達到最大臨界值，形成氣流阻塞。低轉速下的邊界層脫離阻塞 即由于氣流負沖角較大，動葉柵腹面上出現嚴重的氣流分離，使出口通流面積減小而發生阻塞。40多級壓氣機阻塞的原因高轉速下的聲速阻塞 （阻塞機理同單級壓氣機的阻塞機理） 。低轉速下的聲

15、速阻塞 末幾級由于受流量增大和前幾級壓比降低、氣流密度減小的雙重影響，氣流速度仍然增加較大并可能達到聲速，從而導致聲速阻塞。常用的防喘措施： (1)中間放氣 (2)旋轉導葉 (3)分軸壓氣機41 4.壓氣機的防喘出發點：減小非設計工況下的沖角。42多級壓氣機的中間放氣機構 中間放氣在多級壓氣機通流部分的一個或幾個截面處將一部分氣體放到大氣中或者重新引回壓氣機進口，以防止壓氣機在低速運行時發生喘振的一種方法。43 中間放氣的防喘機理 從壓氣機中間放掉部分氣體，放氣口前流量相對增大，放氣口后流量相對減小，使首、末級的氣流沖角均可以調整到接近設計值，從而消除喘振。44中間放氣措施的優缺點 優點：簡單

16、易行，壓比低于10以下時效果較理想。 缺點：經濟性差，因放掉1015經過壓縮的空氣。放氣口位置對放氣效果的影響 (1)過分靠近壓氣機進口，放氣效果不太明顯； (2)過分靠近壓氣機出口，經濟性太差； (3)大功率燃氣輪機根據轉速高低分別采用不同的放氣口或不同數量的放氣口放氣，以此改善放氣效果和經濟性。45 旋轉導葉 將多級壓氣機某些級的導葉做成可以繞自身軸線旋轉的結構，使導葉安裝角可根據需要進行調整。46旋轉導葉的防喘機理 壓氣機在低轉速下靠近喘振邊界運行時，若導葉不動，前幾級將出現大的正沖角；轉動導葉，改變安裝角，可消除氣流沖角，避免喘振。導葉固定和旋轉時氣流速度三角形的變化47旋轉導葉防喘的

17、不足 旋轉導葉不能在葉片的全部高度上同時消除正沖角，若保證平均高度上的沖角接近設計值，則葉頂和葉根處的沖角將仍然偏離設計值。旋轉導葉防喘措施的優缺點 優點：經濟性好； 缺點：操縱機構及系統復雜，重量增加。48 分軸壓氣機 將多級壓氣機分成2個甚至3個轉子，分別由相應的燃氣透平拖動。高壓比燃氣輪機常采用分軸的方法防止壓氣機喘振。1低壓轉子 2高壓轉子雙轉子（分軸）燃氣輪機的結構49分軸壓氣機的防喘原理 雙轉子壓氣機利用高壓透平拖動高壓壓氣機，低壓透平拖動低壓壓氣機，于是當轉速降低時能夠使高、低壓壓氣機的首級和末級的圓周速度與氣流軸向速度都協調變化，結果使低壓壓氣機的正沖角和高壓壓氣機的負沖角消失

18、，從而消除壓氣機的喘振。分軸壓氣機防喘措施的優缺點 優點：可實現壓氣機轉速與流量的協調，高壓比下可保證防喘的要求。 缺點：需采用復雜的同心套軸結構。 50設計壓比防喘措施44.5可不采用6中間放氣；中間放氣旋轉導葉(1012)多個截面放氣旋轉若干級導葉總壓比916雙轉子（分軸）壓氣機（高、低壓壓氣機壓比保持在34之間）更高設計壓比雙轉子（分軸）壓氣機中間放氣和旋轉導葉；三轉子（分軸）壓氣機防喘措施小結 51（五）壓氣機的結構燃氣輪機的壓氣機軸側圖52壓氣機通流部分型式平均直徑逐級增大、級數少、氣缸平直易加工。末級平均直徑小而葉片高，效率高。級數和效率介于上述二者之間。大流量高壓比的壓氣機中采用前三者混合。53壓氣機的靜子氣缸作用： （1）固定其它靜子件； （2）是整臺機組的承力骨架（機組重量、壓縮空氣的內壓力以及其它作用力）。技術要求（鑄造件）： （1）高的剛性； （2）良好的氣動特性（氣流流動損失應小）。 （3）出口采用擴壓型式的流道。54靜葉作用： 把氣流在動葉中獲得的動能轉變為壓力能