M701F燃气轮机的结构特点.docx

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M701F燃气轮机的结构特点

M701F燃气轮机的结构特点

摘要：

介绍并分析三菱理工生产的M701F型重型燃气轮机的性能及主要结构特点，也简略分析其与世界其它同类产品比较的优缺点。

图9表3参3

关键词：

燃气轮机；结构；性能

1引言

随着“西气东送”工程的启动和液化天然气（LNG）引进合同的签订，国内燃气轮机制造业再次迎来了发展的大好机遇。

据估计，仅第1期“西气东送”年输送120亿m3的能力，就需要增加约8000MW的燃气轮机联合循环电站；广东引进LNG，也需配套增加4000MW的燃气轮机联合循环设备。

今后电力工业还将增加天然气的使用比例，效率高、单位造价低的燃气轮机联合循环装置将有更大的发展空间。

汇集各种信息；今后的10年间，估计国内还将新增燃气轮机联合循环机组约15000-20000MW。

中国东方电电气集团公司（以下简称“东方电气”）2001年就着手准备大容量的重型燃气轮机开发工作，为响应国家以市场换技术的打捆招标要求，与国外多家有实力的燃气轮机制造商进行了接触，洽谈合作。

2002年3月，东方电气与三菱重工签订了引进M701F燃气轮机的制造技术、建立生产热部件的合资工厂和组成联合体参加打捆招标的协议；通过2002年5月的资格预审和10月底的投标及以后的多轮合同谈判，2003年3月与业主签订了电站设备供货合同。

根据合同，东方电气将与三菱合作向包括北京三热，广东惠州、前湾和深圳东部等业主在内的4个电站10台机组提供机岛设备。

其中燃气轮机由东方电气与三菱合作生产，按成交价比，中方约占40%，考虑到两者制造成本的差异，实际国产化率将超过55%；汽轮机由三菱提供图纸，全部在东方电气制造。

2三菱燃气轮机的发展道路

三菱燃气轮朵的发展是引进技术开始的。

20世纪60年代初，三菱向美国西屋公司（现已被西门子兼并）购买了生产燃气轮机的许可证，1963年开始生产第1台燃气轮机（M171），该机组透平初温只有732℃，功率在5000KW左右，与东方汽轮机厂在20世纪70年代开发的燃气轮机属同一水平。

三菱通过对引进技术的消化吸收，1984年生产出当时世界上效率最高的M701D燃气轮机联合循环机组，透平进口温度为1150℃。

1986年又自主开始了1250℃等级的MF111型机组，功率为15000KW，也是当时世界上温度最高的燃气轮机。

三菱从此结束了引进模仿国外技术，走上自我发展的道路。

1989年1350℃等级的60HzM501F机组在三菱的高沙制作所完成了工厂试验，于1992年进入商业运行；50Hz的M701F也相继投入市场，并于1993年首次进入商业运行。

到2001年12月底，M701F型机组累计销售了43台，其中23台已投入了商业运行，累计运行时间超过400000h，启停次数达到6000次。

1997年，三菱开发出1500℃等级的M501G型燃气轮机，并完成了首台样机的实际验证试验，1999年投入了商业运行。

目前三菱已经完成透平叶片全部采用蒸汽冷却的M501H型燃气轮机的研制工作，在工厂进行了满负荷的验证试验。

三菱从20世纪60年代开始发展燃气轮机，用了20多年的时间从引进消化吸收到独立开发，进入了世界先进燃气轮机技术水平的行列，他们已先于对于，将1500℃级的G型燃气轮机推向市场。

三菱的成功经验值得我们认真思考和借鉴。

3M701F燃气轮机的性能指标

表1仅列出了三菱主要的燃气轮机品种的性能指标；为比较起见，也列出了GE，Siemens公司相应的F级机型的数据。

从表中不难看出，M701F的功率比另外两家（935FA和V94.3V）略高；透平进口燃气温度与GE相当，而机组效率略高，Siemens的V94.3A燃气初温最低，但它的效率最高，可见它的元件性能较优；但它的效率最高，可见它的元件性能较优；单位空气流量的作功能力（比功率）；三菱最高，Siemens最低，三菱主要得益于采用了较高的透平进口初温和较佳的压比配合。

M701F经过了多次改进。

最实的M701F是在1992年推出的，透平进口温度1350℃，出力234.2MW，压比16，机组效率36.6%。

1997年M501G试制成功后，又将透平叶片新材料和隔热涂层等新技术反过来用于M701F型机组上，使透平进口温度进一步提高到1400℃。

表1列出的就是这种机型，也是东方电气要从三菱引进的F级燃气轮机。

经过改进，性能提高了，机组的可靠性也得到了改善。

4M701F燃气轮机的结构特点

图1给出了M701F型机组的纵剖面。

4.1压气机

M701F型机组的压气机是17级、压比为17的轴流式压气机。

前4级采用双圆弧叶型（DCA）以适应大流量、跨音速的流动特点。

压气机通流部分沿流动方向上，即在第6、11、14级后分别设置了3个抽气口和相应的放气阀，以防止机组在启支、停机过程中或非设计工况下发生喘震；压气机进口导叶还设有可转动装置，不仅可以防止压气机喘震，还可以减少启动时的动力消耗，并改善低负荷下的经济性；压气机前3级动静叶片都采用了防和防腐蚀的涂层。

压气机静子部分采用重型叶片机械常用的水平中分面结构，各级静叶片都带有内外环（与叶片焊接或整体成型）。

这种结构虽然制造复杂一些，但增加了刚度，减少了级间的漏气，使机组的可靠性和经济性都有所提高，特别是在检修时，使机组的可靠性和经济性都有所提高，特别是在检修时，不需要吊出转子就可以取出静叶进行检查和维修，不需要解体转子即可以更换动叶片。

压气机缸后面几级高温部分还采用双层结构，对运行中在高温下保持良好的对中有很大好处。

压气机前3级叶轮和前端轴用整体锻造成一体，并与后14级叶轮及与透平联结的鼓筒用12根均匀分布在圆周方向的长拉杆紧紧连接在一起，盘与盘之间还沿径向布置了若干骑缝销钉以帮助传递扭矩；4级透平轮盘也用12根稍短一些的拉杆与压气机转子连接成一整体，不过透平叶轮间的传扭是借助于端面齿来实现的，这对轮盘在高温下保持对中更为精确。

当然，为此也增加了制造的难度，需要有专用的机床来完成端面齿的加工。

4.2燃烧室

M701F型燃气轮机的燃烧室采用环管形结构，上下两半的燃烧室外壳与压气机和透平的外缸连接成一整体。

20个燃烧器沿机组圆周向均匀地斜插入燃烧室外壳里。

图2给出了其中一个燃烧器的纵剖面图。

每套燃烧器由燃烧喷嘴、火焰筒、过渡段和旁路阀及其它附件组成。

燃料喷嘴由围成一圆圈的8个干式预混主喷嘴和位于圆心的导向喷嘴组成。

采用多喷嘴预混式的目的是为了使空气与燃料混合均匀，增加火焰面积，降低燃烧温度，特别是减少局部高温区，以最终减少NOx的生成。

过渡段是将高温燃气引向透平作功的关键部件，它和火焰筒也是燃气轮机中承受温度最高的部件，因此对内壁的材料防护及冷却技术也是至关重要的。

三菱对火焰筒和过渡段采用了双层结构，见图3：

图a为火焰筒的双层壁面，下面为内壁，冷却空气从外壁的小孔进入，并在夹层中沿壁面的沟槽流动形成对流换热，然后从沿圆周方向的缝隙中流出，对燃气的下游形成膜式冷却；图b为过流段的壁面结构，冷却空气通过外壁的多个圆形孔进入夹层，同样沿壁面的沟槽运动，并从下游的出口进入燃气的主流。

火焰筒和过渡段的内壁面采用隔热涂层，以降低金属温度，并防止有害介质对金属的腐蚀。

燃烧室设置旁路阀是三菱的专有技术，目的是为了控制燃料的燃烧，稳定火焰，防止爆燃：

一旦压力传感器检测到燃烧压力产生波动，旁路阀将自动打开，让冷空气进入，保持燃烧的稳定。

还应该指出，采用环管形燃烧室比其他形式的燃烧室有很多优点：

首先是功率不同的各种型号燃气轮机可以采用同一尺寸的燃烧器，不同型号的燃气轮机只是燃烧器的个数不同，有利于标准化、系列化、制造和维护修理都很方便；另外，单个燃烧器做实验所需的条件也较简单，成本低，且实验结果也较为准确，利于推广。

4.3透平及叶片的冷却技术

三菱采用4级叶片的透平，它的平均级焓降比GE的低，因而透平热效率较高。

但在透平进口温度相当的情况下，叶片冷却的难度就更大一些。

静叶的持环和动叶顶部的叶片环，将高温气流与外缸隔开，形成双层缸的结构。

夹层具有隔热和充当冷却空气通道的双重功能；在检修时，和压气机一样，不需要吊转子就可以将静叶连同叶环一起取出，不吊转子也同样可以将动叶拆卸，便利检修。

图4给出了三菱的透平冷却系统示意图。

透平转动部分是采用从压气机出口缺陷出的冷空气，先经过一个外置的过滤器过滤，并通过一个用燃料气来冷却的热交换器冷却后，再回送到透平的转子中去冷却叶轮和前3级动叶片。

显而易见，它的冷却效果更好，而且可以减少冷却空气的流量（见表2）。

**假设第1级静叶的冷却空气流量为8%，推算出实际透平进口温度。

采用燃料气来冷却又可以使冷却空气的热量得到回收，机组的热耗也稍有改善。

透平第1级静叶的冷气空气直接来自压气机的排气，而第2、3、4级静叶的冷气空气分别来自于压气机不同压力的抽气口。

三菱为提高M701F型燃气轮机透平叶片的耐高温能力，主要采取了三方面的措施。

（1）材料。

为承受1400℃以上的高温，三菱研制了新的叶片材料（表3）。

作为静叶片的新材料MGA2400是一种镍基合金，取代了原来的钴基合金。

它不仅有良好的高温蠕变强度，还具有很好的抗低周波热疲劳和抗热腐蚀及氧化的能力；同时还具有良好的焊接性能，这在维修时特别重要。

MGA1400也是一种镍基合金。

第1级动叶还采用定向结晶的铸造方法成形。

采用定向结晶铸造可以比常规方法铸造耐温提高20℃，比IN738LC提高50℃，比U520提高70℃。

图5列出了三菱第1级动叶片的3种铸造工艺的实例。

顺便提一下，定向结晶或单晶铸造叶片可以使材料的性能大为改善，特别是对于承受高应力的动叶片更是一个最佳的选择；但是由于重型燃气轮机的叶片尺寸比较大，采用定向结晶或单晶铸造不仅生产力低，成本也高，同时对隔热涂层的采用会产生负面的影响，因此，三菱只是第1级动叶采用定向结晶，在F级机组上不采用单晶叶片。

此外，单晶叶片损坏后难以修复，也是不得不考虑的一个因素。

（2）隔热涂层（TBC）。

图6给出了第1级动叶片涂层后的照片和涂层后的性能。

采用涂层的目的是为了避免高温燃气与金属表面直接接触。

试验表明，采用隔热涂层后，金属表面的温度在有冷却的情况下，可以比燃气主汉的温度低50℃左右。

隔热层采用陶瓷材料（ZrO2Y2O3），在一个专用密闭真空容器中用等离子喷涂来实现的，厚度约为0.3mm。

为了增强涂层与金属表面之间的粘合力，并克服不同材料的线膨胀系数不同而引起的分离倾向，在喷涂陶瓷之前，先喷涂一层约0.1mm厚的抗氧化涂层（Co-Ni-Al-Y）作过渡。

前面提到的燃烧室火焰筒，过滤段也采用类似的喷涂工艺。

（3）叶片的冷却技术。

从20世纪60年代开始采用叶片的内部对流冷却以来，已经历了近半个世纪，可以说燃气轮机技术是叶片冷却技术的不断改进而推动发展起来的。

目前实用的冷却技术种类繁多：

内部通道的冷却有直线形折，多通道曲线形的；有设置障碍物，增强扰动换热型的，也有便气流直接射向内壁面形成的湍流冷却方式；以及最近发展起来的叶型头部喷淋和尾部鳍片加强换热的对流冷却和叶型表面形成的气膜冷却等。

这些冷却技术的综合效应是使叶片的金属温度低于燃气主流的温度300～600℃。

始终使金属的温度保持在材料允许的强度极限（大约800℃）以下。

图7给出了M701F型燃气轮机透片第1级动、静叶片的冷却结构剖面图。

全部采用空气冷却。

静叶型面内部用3个带孔的隔仓将冷却空气隔开，进入隔仓中心的冷却空气通过隔仓壁的小孔垂直射向叶片内壁面，形成湍流换热；尾部横向布置的鳍片增强了冷却空气与壁面的换热；沿头部及型面小孔喷出的冷却空气又环绕叶身形成气膜冷却。

从表2中也可以看出冷却效果的改善是很明显的。

虽然F级比D级温度高150℃，但相对冷却空气流量并没有明显的增加。

动叶片主要采用内部多个弯曲通道的对流冷却和气膜冷却。

特别加强了叶顶和上下围带边缘地带的冷却，以防止变形和热疲带裂纹的产生。

（4）动静部分间的密封。

动静部分之间的密封对燃气轮机的性能也很重要，特别是透平。

改善透平动静部分之间的密封对冷却系统的可靠性和进下送还笔冷却空气耗量，都是至关重要的。

三菱在透平第1、2级动叶之间采用接触式的刷子型密封代替原来的迷宫式气封（图8），收到了很好的效果；后者的漏气仅为前者的40%。

4.4总体布置

从图1可以看到：

压气机、燃烧室和透平外缸连同进排气缸都是刚性连接成一个整体，由处于中分面下方的前者后两个支撑立在底架上，在工厂组装后，不用拆卸，就可以连同底盘一起直接运到工地安装。

转子采用2支点轴承支撑，使轴承避免了高温的环境；滑动轴承为2块可倾瓦式，推力轴承为通常的双面作用，多块可倾瓦结构，位于压气机进气侧；后轴承与排气缸沿圆周向采用切向连接支撑，在排气缸受热后可以保持机组的良好对中；排气管轴向布置，减少排气的压力损失，并使余热锅炉可以布置在与燃气轮机处于同一条轴线上。

联合循环采用单轴的布置，如图9所示，燃气轮机、汽轮机、发电机布置在一根轴线上，汽轮机在中间。

整个机组采用一个推力轴承，位于燃气轮机的压气机端；燃气轮机和汽轮机的高温部分的转子和静子在运行受热后，都朝同一方向膨胀，使动行中动静部分的膨胀差控制在最小；所有转子都采用刚性连接，组成一个整体，这样缩短了长度，简化了控制、超速保护和其它辅助系统，大大提高了可靠性。

由于转子要向发电机端膨胀，因此机组在安装调整时，汽轮机低压缸和发电机处在燃气轮机侧轴向间隙应留有足够的间隙，以补偿由于转子的热膨胀而引起轴向间隙的缩小。

5结论

（1）三菱所有不同功率型号的燃气轮机都有相同的结构；如拉杆盘式结构的转子，双支点轴承的布置，外缸的刚性连结和受热部分的双层结构，环管形燃烧室和轴向排气等。

这些结构都经过长期运行的考验，并经过不断的改进和完善，非常成熟可靠。

（2）三菱的燃气轮机技术目前处于世界先进水平，特别是透平进口初温和冷却技术在重型燃气轮机领域处于领先地位，由于采用了干式预混燃烧器和增加旁路阀，较好地解决了低NOx排放和燃烧稳定性的问题。

（3）重型燃气轮机的发展应该借鉴航空发动机的成熟经验。

事实是如此；燃气初温的提高主要是借鉴了航空发动机叶片的材料和空气冷却技术；跨音速高压比的压气机也是最先从航空发动机上发展起来的；甚至涂层和新型的密封结构也是最无用于航空发动机，这样可以大大节约重型燃气轮机的开发费用。

但是，也要考虑发电用重型燃气轮机的开发费用。

但是，也要考虑发电用重型燃气轮机的特点，主要是尺寸大，要求寿命长：

例如重型燃气轮机叶片的铸件重量是航空叶片的几倍到几十倍，铸造工艺，特别是定向结晶或单晶铸造困难更大；航空发动机上普遍采用的环形燃烧室是否适用于重型燃机也是应该仔细斟酌的。

（4）三菱花23年时间走完了从燃机技术引进到自主发展的道路，值得我们借鉴。

我国的燃气轮机虽然以前也有过摸索和生产，但是到现在也只能算是刚刚直步；现在我们也从引进技术开始，最终的目标也应该是发展自主技术的燃气轮机。

如何发展，首先要有一个规划，在10～15年内，也就是在2015年左右，自主开始具有当代F级水平的中国牌燃气轮机：

第2应从现在起就认真分析研究引进技术，在国内有关研究机构，特别是航空发动机研究机构的协作下，进行关键零部件的试验研究。

同时还必须解决好首台样机的试制和验证试验等条件的准备工作。

参考文献

[1]TechnicalReportsofGasTurbineMitsubishiHeavyIndus-tries[C].

[2]燃气轮机发电专业委员会.燃气轮机发电技术[C].2002,4（3,4）.

[3]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M].机械工业出版社,北京,2002.