燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)的差異對比伍賽特 王培培 趙 杰

伍賽特　王培培　趙杰

摘 要 燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)是兩種最為常見的熱力渦輪機(jī)械，二者工作原理類似，它們均在人類工業(yè)生產(chǎn)與社會活動中發(fā)揮了重要作用，二者在實際應(yīng)用中也有不少共同之處。本文詳盡比較了二者在整機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方向的異同，分析闡述了其差異，并且作出了未來展望。

關(guān)鍵詞 燃?xì)廨啓C(jī) 汽輪機(jī) 結(jié)構(gòu) 運(yùn)行 差異

中圖分類號：TU995文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.02.074

The Difference between Gas Turbine and Steam Turbine

WU Saite， WANG Peipei， ZHAO Jie

（Vehicle College， Chang'an University， Xi'an， Shaanxi 710064）

Abstract Gas turbine and steam turbine are the two most common thermal turbines. As similar in working principles， both of them have played ?important roles in human industrial production and social activities. There are many common characteristics in practical applications. In this paper， the author have made a comparison of both in differences in the structure and operation The analysis describes the differences of them and make the future outlook.

Key words gas turbine; steam turbine; structure; operation; difference

0 前言

燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)是兩種最為常見的熱力渦輪機(jī)械，它們在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。二者工作原理相類似，但在技術(shù)特點、結(jié)構(gòu)等方面也存在差異。

汽輪機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換成為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動力機(jī)械。又稱蒸汽透平。主要用作發(fā)電用的原動機(jī)，也可直接驅(qū)動各種泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機(jī)的排汽或中間抽汽滿足生產(chǎn)和生活上的供熱需要。①

燃?xì)廨啓C(jī)（Gas Turbine）是一種以連續(xù)流動的氣體作為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動力機(jī)械。在空氣和燃?xì)獾闹饕鞒讨?，只有壓氣機(jī)（Compressor）、燃燒室（Combustor）和燃?xì)馔钙剑═urbine）這三大部件組成的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，通稱為簡單循環(huán)。大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)均采用簡單循環(huán)方案。②壓氣機(jī)從外界大氣環(huán)境吸入空氣，并經(jīng)過軸流式壓氣機(jī)逐級壓縮使之增壓，同時空氣溫度也相應(yīng)提高;壓縮空氣被壓送到燃燒室與噴入的燃料混合燃燒生成高溫高壓的燃?xì)?然后再進(jìn)入到透平中膨脹做功，推動透平帶動壓氣機(jī)和外負(fù)荷轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了氣體或液體燃料的化學(xué)能部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，并輸出電功。從透平中排出的廢氣排至大氣自然放熱。這樣，燃?xì)廨啓C(jī)就把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，又把部分熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。通常在燃?xì)廨啓C(jī)中，壓氣機(jī)是由燃?xì)馔钙脚蛎涀龉韼拥?，它是透平的?fù)載。在簡單循環(huán)中，透平發(fā)出的機(jī)械功有1/2到2/3左右用來帶動壓氣機(jī)，其余的1/3左右的機(jī)械功用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)。在燃?xì)廨啓C(jī)起動時，首先需要外界動力，一般是起動機(jī)帶動壓氣機(jī)，直到燃?xì)馔钙桨l(fā)出的機(jī)械功大于壓氣機(jī)消耗的機(jī)械功時，外界起動機(jī)脫扣，燃?xì)廨啓C(jī)才能自身獨立開始工作。

比較汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的差異將有助于我們對其特征技術(shù)與結(jié)構(gòu)的了解，并在實際應(yīng)用中揚(yáng)長避短。

1 燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點

燃?xì)廨啓C(jī)作為一種常見的動力裝置，相比于汽輪機(jī)動力裝置具有以下的技術(shù)特點與優(yōu)勢：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕;（2）噪音低，運(yùn)動平穩(wěn)，振動較小。燃?xì)廨啓C(jī)是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，運(yùn)轉(zhuǎn)時低頻振動較少;（3）SOx，NOx 等有害氣體排放少;（4）功率重量比大，單機(jī)功率大，啟動加速性好;（5）潤滑油消耗低，保養(yǎng)量小，管理人員少;（6）少用或不用冷卻水;（7）初期投資費用較低。

2 結(jié)構(gòu)上的差異

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)有著大量的附屬機(jī)械設(shè)備，諸如泵，風(fēng)機(jī)，冷凝器，真空設(shè)備，以及龐雜的管系。各類的附屬設(shè)備占據(jù)較大的空間，并且質(zhì)量較大。而燃?xì)廨啓C(jī)相比于汽輪機(jī)有著結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，于所占空間和機(jī)件質(zhì)量，均小于汽輪機(jī)裝置。在輸出功率相近的前提下，燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)裝置的質(zhì)量，大約為汽輪機(jī)裝置的1/3，約為柴油機(jī)裝置的1/5～1/2。航空燃?xì)廨啓C(jī)的研制方向重點在于整機(jī)輕量化，相比于陸用和船用燃?xì)廨啓C(jī)而言，質(zhì)量更輕。燃?xì)廨啓C(jī)的內(nèi)部流通部分結(jié)構(gòu)更為簡單，應(yīng)為不同于汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)通常沒有中間抽汽與調(diào)節(jié)級。此外，燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)排氣裝置尺寸均較大，往往會占用相當(dāng)?shù)目臻g。

2.2 可靠性

汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)通常都能以穩(wěn)定工況進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。對于汽輪機(jī)而言，其輔助機(jī)械設(shè)備構(gòu)造簡單，并且技術(shù)成熟。其循環(huán)壽命與平均大修間隔都較長。如蒸汽溫度保持在1000癋以下，會更有利于汽輪機(jī)保持長期平穩(wěn)而安全的運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)的平均大修間隔通常較短，而其原因主要源自燃?xì)獾母邷兀谶@樣的高溫之下，運(yùn)行一定的時長之后，即使采用了較好的葉片涂層，依然易于導(dǎo)致高溫部件工作情況惡化。需要注意的是，燃?xì)廨啓C(jī)的故障產(chǎn)生通常較為迅速，往往出現(xiàn)于數(shù)秒之中，而汽輪機(jī)的故障通常出現(xiàn)較為緩慢，易于阻止災(zāi)難性破壞的產(chǎn)生。由于相對于整個能量轉(zhuǎn)換體系來講，汽輪機(jī)的動力裝置部分是很小的一部分而燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子和燃?xì)獍l(fā)生器構(gòu)成了能量轉(zhuǎn)換的主體部分，因此其故障或者機(jī)件的損壞，往往是致命的，相比于汽輪機(jī)來說更為嚴(yán)重。

2.3 零件供應(yīng)

汽輪機(jī)裝置通常采用相近的機(jī)件，需要大型且復(fù)雜的后方零部件供應(yīng)體系。而燃?xì)廨啓C(jī)的制造通常采用批量生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)廠商可以提供具有較好互換性的零件、部件和模件。不論燃?xì)廨啓C(jī)是航改型，船用型，高參數(shù)型，其所需的零部件總量是相對較少的，隨著模件所需范圍的擴(kuò)大，更加需要簡化維護(hù)保養(yǎng)的程序，降低運(yùn)行成本。③燃?xì)廨啓C(jī)裝置，尤其像航改型，其購置及安裝費用，都比同等功率的汽輪機(jī)與柴油機(jī)裝置更為便宜。

2.4 進(jìn)排氣道

燃?xì)廨啓C(jī)通常需要大尺寸的進(jìn)排氣管道，而汽輪機(jī)則不然。燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口通常會產(chǎn)生大量噪音，為了保證運(yùn)行環(huán)境和工作人員舒適度，有必要采用降噪設(shè)備。通常船用燃?xì)廨啓C(jī)需要于進(jìn)氣口布置懸浮微粒分離裝置，從而保障整機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)安全與穩(wěn)定。④

3 整機(jī)運(yùn)行方向上的差異

3.1 工質(zhì)

燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)為高溫燃?xì)?，形態(tài)上更接近于理想氣體，無物態(tài)變化，并且工作初溫相對較高，通常需要使用耐熱合金或者耐熱鋼材來進(jìn)行制造，材料對耐高溫與腐蝕都有一定要求。汽輪機(jī)的工質(zhì)通常為過熱蒸汽，通常會在排氣口出現(xiàn)液化現(xiàn)象。燃?xì)廨啓C(jī)在較低的初溫下工作，其工質(zhì)膨脹過程中燃?xì)獗热輹龃?～20倍，而汽輪機(jī)內(nèi)部工質(zhì)的比容則會增大數(shù)百倍。因此，燃?xì)廨啓C(jī)第一級與最末級葉片的高度差，相比于汽輪機(jī)中會小得多，對應(yīng)而言，其各級的徑高比都比較小，并且流通部分變化較為平緩。燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)庵泻邢喈?dāng)數(shù)量的氧氣，如燃料中含有鈉、汞、硫化物等時，高溫燃?xì)膺€可能會侵蝕葉片。因此燃?xì)廨啓C(jī)流通部件所采用的金屬除了需具有較高的熱強(qiáng)度之外，還應(yīng)具有較高的熱穩(wěn)定性，耐高溫腐蝕性等。

3.2 燃料消耗

目前航空燃?xì)廨啓C(jī)的比燃料消耗與柴油機(jī)、汽輪機(jī)相比，已不相上下，重型燃?xì)廨啓C(jī)裝置，通常燃用重質(zhì)燃油，比燃料消耗更低。而在功率偏離設(shè)計指標(biāo)之時，燃?xì)廨啓C(jī)的比燃料消耗則迅速增加，而汽輪機(jī)則以相當(dāng)小的速率增加。這主要是因為汽輪機(jī)在此種情況下，通常會采取部分進(jìn)汽、旁通調(diào)節(jié)等措施，而燃?xì)廨啓C(jī)則不然。通常可將燃?xì)廨啓C(jī)與其他動力裝置聯(lián)合，以克服這個缺點，如與汽輪機(jī)聯(lián)合形成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)等。

3.3 響應(yīng)性

雖然汽輪機(jī)發(fā)出的功率較為平穩(wěn)，但是其改變功率大小的能力相對遲緩。燃?xì)廨啓C(jī)則具有良好的高速性能和良好的運(yùn)轉(zhuǎn)響應(yīng)性能，短時間內(nèi)即可發(fā)出全功率。汽輪機(jī)從金屬冷態(tài)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通常需要數(shù)十小時，在緊急情況下，一般也需要3～4小時。而燃?xì)廨啓C(jī)則可以在數(shù)分鐘內(nèi)從惰轉(zhuǎn)停車狀態(tài)過渡到全速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.4 監(jiān)護(hù)管理要求

燃?xì)廨啓C(jī)通常更易于實現(xiàn)自動化控制，有著自動數(shù)據(jù)顯示、記錄、控制等特點，值班監(jiān)視任務(wù)相對較為簡單，而汽輪機(jī)由于系統(tǒng)龐雜，附屬設(shè)備眾多，通常需要更多的值班監(jiān)護(hù)人員。

3.5 振動與噪聲

如果不采用任何的消音措施，一般情況下燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)排氣噪聲會相當(dāng)高，但是在排氣道以及圍繞著發(fā)動機(jī)外殼處所安裝的抑制聲音裝置，已能將噪音降低到實際要求的安全水平范圍內(nèi)。汽輪機(jī)由于泵、風(fēng)機(jī)等輔助裝置眾多，因此一般都存在流體噪聲和結(jié)構(gòu)振動的情況。⑤

3.6 燃料適應(yīng)性

曾經(jīng)認(rèn)為，可以將燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計成可以燃用任何一種燃料的熱機(jī)，從人造黃油至人造煤氣。但是對于燃?xì)獬鯗赜休^高要求的燃?xì)廨啓C(jī)而言，實際上需要特別注意選擇及處理其燃料，因此，諸如航空燃?xì)廨啓C(jī)通常選擇燃用輕質(zhì)燃油，而重型燃?xì)廨啓C(jī)可燃用重油以及渣油。汽輪機(jī)作為靠燃料加熱水形成過熱蒸汽而做功的外燃式動力機(jī)械，對燃料則幾乎沒有要求，燃用煤時，通常需要進(jìn)行脫硫脫硝處理。

3.7 環(huán)境適應(yīng)性

有別于汽輪機(jī)裝置，燃?xì)廨啓C(jī)對于進(jìn)口環(huán)境條件的變化異常的敏感，尤其是進(jìn)口溫度。由于燃?xì)廨啓C(jī)是直接對工作流體進(jìn)行加熱，因此高進(jìn)口溫度通常會降低其功率輸出。對于汽輪機(jī)而言，則需要監(jiān)控給水狀況，以免損壞鍋爐等設(shè)備。⑥

3.8 裝置效率

燃?xì)廨啓C(jī)中，渦輪的效率對整機(jī)的效率影響更為顯著，渦輪效率減少1%時，整機(jī)效率往往會減少2%～4%，因此，對燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部流通部分進(jìn)行設(shè)計時，往往比汽輪機(jī)的要求更高。

3.9 各種損失

燃?xì)廨啓C(jī)的級內(nèi)損失與汽輪機(jī)相類似，其中不存在濕汽損失，但是卻有葉片冷卻損失。燃?xì)廨啓C(jī)末端葉片排氣軸向分速可達(dá)到150～200m/s，此時的排氣余速可達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)可用能的10%，存在著一定程度的余速損失。⑦

3.10 裝機(jī)容量

燃?xì)廨啓C(jī)可用的焓降大約為汽輪機(jī)的1/5～1/3，因此其級數(shù)與軸向尺寸與汽輪機(jī)相比有所減少和縮短。⑧為了達(dá)到與汽輪機(jī)相同的功率，燃?xì)廨啓C(jī)需要更多的流量，因此其第一級通常高于汽輪機(jī)的對應(yīng)級數(shù)。燃?xì)廨啓C(jī)渦輪大部分的功率通常用于驅(qū)動壓氣機(jī)，大約只有1/3～2/5的功率可對外輸出。綜合來講，現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的最大裝機(jī)容量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的裝機(jī)容量。

4 展望與結(jié)語

燃?xì)廨啓C(jī)是一種先進(jìn)而復(fù)雜的成套動力機(jī)械裝備，是典型的高新技術(shù)密集型產(chǎn)品。作為高科技的載體，燃?xì)廨啓C(jī)代表了多理論學(xué)科和多工程領(lǐng)域發(fā)展的綜合水平，是21世紀(jì)的先導(dǎo)技術(shù)。發(fā)展集新技術(shù)、新材料、新工藝于一身的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)，是國家高技術(shù)水平和科技實力的重要標(biāo)（下轉(zhuǎn)第157頁）（上接第155頁）志之一，具有十分突出的戰(zhàn)略地位。由于多方面的原因，我國燃?xì)廨啓C(jī)同國際先進(jìn)水平相比仍存在很大差距。因此，我們要重視民族燃機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，優(yōu)先發(fā)展重型燃?xì)廨啓C(jī)，不斷地提高與完善燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)的動力性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性，以適應(yīng)和滿足不斷增長的市場需求，為推動機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展而努力。

注釋

① 樊濤，謝永慧.汽輪機(jī)排汽通道復(fù)雜流動數(shù)值研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].熱力透平，2007.36（3）：143-149，186.

② 林公舒.探討ABB公司燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品發(fā)展的道路[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2001.14（1）：37-40.

③ 韓少冰，鐘兢軍.燃?xì)廨啓C(jī)在商船上的應(yīng)用及其技術(shù)發(fā)展趨勢[J].中國航海，2011.34（2）：35-40，45.

④ 陳紹綱，朱國偉，李渤仲，邵祖德等編寫.輪機(jī)工程手冊[M].北京：人民交通出版社，1992.

⑤ 張素心，楊其國，王為民.我國汽輪機(jī)行業(yè)的發(fā)展與展望[J].熱力透平，2003.3（1）：1-5.

⑥ 肖斌.汽輪機(jī)性能分析及運(yùn)行特性分析[J].2014.2（1）：82-83.

⑦ 翁史烈.熱能與動力工程基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004.

⑧ 史進(jìn)淵，張兆鶴，嚴(yán)宏強(qiáng).大型汽輪機(jī)研究的某些新進(jìn)展[J].動力工程，1999.19（2）：1-7.