当今国际上燃气轮机发展状况及技术难点研究
2013-03-02 20:03阅读：
【机械工程前沿】作业——查阅很多论文整理而成，非原创。
燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，只有压气机、燃烧室和燃气透平这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却水等一系列优点。
目前，全世界从事燃气轮机研究、设计、生产、销售的著名企业有28家，全世界使用的工业燃气轮机约有5万台，而且全球的燃机市场几乎被欧美公司所垄断。
由于不同的历史背景，燃气轮机不同技术道路发展，一条以ROLLS ROYCE、P & W、GE为代表的航空发动机公司用航空发动机改型而形成的工业和船用航改轻型燃气轮机（俗称“航改机”）；一条是以西门子、ABB、GE公司为代表，遵循传统的蒸汽轮机理念发展起来的工业重型燃气轮机（俗称
“工业机”），主要用于机械驱动和大型电站。世界范围内市场主要被GE公司、西门子/西屋、阿尔斯通/ABB、索拉公司、罗罗公司、三菱和俄罗斯的企业瓜分。
重型燃气轮机电站造价低、调峰性能好、用水少，在复杂能源系统中占有重要地位，对于能源系统的高效、清洁和安全都具有重要意义。重型燃气轮机的市场份额目前主要由GE、Siemnes、MHI和Alstom
几家公司分割。英美德日等国家通过在该领域长期的研发投入和技术积累，掌握着燃气轮机研发制造的核心技术。
近年来，这些燃气轮机技术的原发国投入大量人力、物力来加大未来燃气轮机技术的研发，以期抢占燃气轮机领域的先机和未来的市场份额。燃气轮机未来的发展趋势可以说是分为三步走:
当代的以E /F
级燃气轮机为代表的燃用天然气的联合循环发电站已经比较成熟; 在此基础上以G/H 级燃气轮机为代表的燃用合成气的燃气轮机正在大力发展之中;
未来的燃气轮机向着燃用氢气的近零排放燃气轮机发展。
英美德日各国以国家行为统筹，有力有机地结合产业、高校和科研机构，推动了一系列的燃气轮机研发项目。美国能源部( DOE)
在2005
年同时启动了为期6
年的“先进IGCC /H2
燃气轮机”项目和“先进燃氢透平的发展”项目。2个项目以2015 年达到效率50%、NOx排放小于3 ppm的E /F 级先进能源系统为目标，研究内容包括富氢燃料/氢燃料燃气轮机内燃烧、透平/冷却、材料、系统等各个方面。
欧盟2007
年在其第七框架协议(
FP7)
中启动的“高效低排放燃气燃气轮机和联合循环”重大项目，以从稀释氢到100%
氢燃料燃气轮机为主要研究对象，预期为燃用低碳燃料具有适应灵活燃料的零排放电站打下理论基础。欧盟第七框架( FP7)
在2008
年专门把“发展高效富氢燃料燃气轮机”作为一项重大项目，旨在加强针对富氢燃料燃气轮机的研究，为2015 年实现其零排放煤基IGCC
系统奠定基础。Siemens 以SGT6 － 6000G ( W501G)
为基础开发燃氢/合成气燃气轮机，提出了详细的路线图。它的主要技术路线包括:
压气机加末级、部分压气机排气去空分; 燃烧室采用扩散+ 催化燃烧+
蒸汽冷却过渡段。高温透平采用定向结晶透平叶片( CM247LC) +
高效冷却+
新涂层材料。
日本将高效富氢燃料IGCC
系统的研究作为未来基于氢的清洁能源系统的一部分列入其为期28
年的“新日光计划”中( WE － NET) ，以效率大于60%的低污染煤基IGCC 系统为目标展开研究。
2、燃气轮机发展的技术难点
近50
年来重型燃气轮机技术有了革命性的进步，其中燃气轮机燃气初温和整机功率可以视为具有表征意义的指标。燃气轮机燃气初温平均每年提高约12
℃，这代表着高温材料和冷却技术的不断进步。
目前已经形成以GE、MHI、Siemens、Alstom
4家公司为代表的当代重型燃气轮机主流派技术和产品系列。从燃气轮机部件的角度来分析，当代燃气轮机主要关键技术包含:多级轴流压气机、高效清洁燃烧室、镍基超级合金叶片材料与制造等。
2． 1 多级轴流压气机
当代F
级多级轴流压气机的其技术指标已经达到:
流量: ～
600 /( kg·s － 1 )
压比:
15 ～ 19
级数:
17
级左右
级平均压比:
1． 15 ～ 1． 2
效率:
85% ～ 87%
喘振裕度:
～ 15%
多级轴流压气机的关键技术包括气动热力设计、结构和强度设计。同时，随着发动机向着高负荷、高性能发展，级压比提高导致压气机在失速边界和跨音边界上的流体振荡加强，影响压气机的运行范围，这对于压气机失速特性也提出了更高的要求。
2． 2 高效清洁燃烧室
燃烧室的主要指标为Nox排放量和燃气出口温度特性。当代F 级燃气轮机的燃烧室主要指标已经达到: 燃气出口～ 1 400 ℃、NOX ＜ 25
ppm。其关键技术包括干式低污染燃烧技术(
扩散、预混、分级)
、燃烧稳定性技术、冷却技术、密封技术和试验技术等。典型的当代燃气轮机燃烧室，在燃料燃烧过程中，表面压力、温度的变化会对燃烧室壁面产生激励作用，从而引起燃烧室相关结构的振动。随着燃烧室温度的不断攀升，综合分析燃烧室在激励作用下的结构响应，提出针对破坏性响应的主动控制方法具有重要意义。
未来燃气轮机将朝着富氢方向发展，氢脆是对富氢燃烧室的一个挑战。氢脆是金属在含氢介质中长期使用时，材料由于吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化、发生脆断的现象，这给富氢燃料燃烧室的设计与运行带来了较大风险。有效地在氢燃烧室材料氢脆形成演化与预防控制过程中提出解决方案，对于燃氢燃气轮机是很重要的。燃气轮机高温部件之燃烧室和透平之间的复杂影响效应包括热斑、旋流、辐射和尾迹涡。有效地控制和利用这些交互作用就能提高燃气轮机的特性和寿命。
2． 3镍基超级合金叶片材料与制造
燃气轮机中的高温部件是燃气轮机工作环境最恶劣、结构最复杂的零件之一，也是燃气轮机断裂故障多发部件之一。苛刻的运行环境使得高温部件的组织退化、可靠性和寿命降低，并可能产生突发性事故。相对于航空发动机而言，重型燃气轮机要求
