9FA燃机结构介绍

9FA燃机结构介绍

9FA燃机结构介绍

压气机总体

PG9351FA机组的压气机是一台18级轴流式，压缩比15.4:1，空气质量流量为623.7kg/s的多级轴流式压气机，头两级为跨音速级，带一级可转导叶。轴流式压气机部分由压气机转子和封闭的气缸组成。装在压气机气缸内的有：进口导叶、十八级转子和静叶和两排出口导叶栅。每相邻的动叶和静叶列组成一级。在每一个级内，动叶片吸收外界作功转换成提供压缩空气所需的力，而静叶片则引导空气使它以合适的气流角度进入下一级。压缩空气从压气机排气缸出来进入燃烧室。从压气机级间抽出的空气用作透平喷嘴、轮间和轴承的冷却和密封空气用，在启动过程中抽气作为喘振控制用。

压气机转子

压气机转子是一个由16个叶轮、2个端轴和叶轮组件、贯穿螺栓和转子动叶组成的组件。前端轴装有零级动叶片，后端轴装有第17级动叶片，16个叶轮各自装有从第1至第16级动叶片。第一级静叶有46片；第一级动叶32片；末级静叶片(第17级)108片，后两列导向叶片EGV1=108片，EGV2=108片。第一级动叶片高度为503.56mm，末级动叶片高度为147.17mm。第16级压气机叶轮后端面上有导向风扇。在第16级压气机叶轮和压气机转子后半轴之间有间隙允许导向风扇汲取压气机空气流，并将空气引向压气机转子后联轴器上的15个轴向孔，流到透平前半轴与压气机转子后联轴器相应的15个轴向孔，去冷却透平叶轮。

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压气机静子

气缸由压气机进气缸、压气机气缸和压气机排气缸组成，它们各自依靠中分面上的法兰螺栓紧固成一体。进气缸位于燃气轮机的前端，在进气室内，它的主要功能是将空气均匀地引入压气机。进气缸内壁安装有可调进口导叶（IGV）。压气机气缸内壁装有零级至12级静叶片；压气机排气缸内壁装有第13级至第17级静叶和两列出口导向叶片；他们共同组成压气机静子。气缸上的抽气孔允许抽出第9级和第13级的空气。这部分空气用于冷却和密封，也用作起动和停机时喘振的控制。压气机排气缸的功能除能容纳压气机的后五级外，还构成压气机扩压器的内外壁，同时为第一级喷嘴组件提供支撑；与压气机气缸和透平气缸连接；并支持DLN燃烧室外壳。压气机排气室的抽气为燃料系统提供清吹空气；为进气加热提供气源；还为压气机防喘阀提供控制气源。

燃烧室

在整台燃气轮机中，它位于压气机与燃气透平之间，它有三种功能：①使燃料与由压气机送来的一部分压缩空气在其中进行有效的燃烧；

②使由压气机送来的另一部分压缩空气与燃烧后形成的燃烧产物均匀地掺混，使其温度降低到燃气透平进口的初温水平，以便送到燃气透平中去作功；③控制NOx的生成，使透平的排气符合环保标准的要求。PG9351FA燃气轮机使用的DLN-2.0+燃烧室

燃烧室主要由燃料喷嘴装配盖板组件、燃料喷嘴外缸、火焰筒、过渡段、导流衬套、前缸、后缸、联焰管组件等构成。各组件均可以单独拆卸。

压缩空气由压气机的排气缸流出，首先对过渡段形成冲击冷却，再逆流向前，流过火

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焰筒与导流衬套之间的环形空间，流向燃烧室头部组件。其中，有少量空气用于冷却火焰筒和罩帽，其余空气经喷嘴上的旋流器进入预混合室，与由燃料喷嘴喷出的燃料气进行预混合。燃料/空气混合物经预混合管流入火焰筒，被位于两个上部燃烧室上的高能点火器点燃，火焰起始于喷嘴出口端与顶盖形成的平面上，并被限制在火焰筒内。燃烧产物经过渡段进入透平第一级喷嘴环。各燃烧室之间用联焰管连接，未安装点火器的燃烧室靠联焰管联焰而着火。

每个燃烧室的端盖上均匀布置有五只燃料喷嘴。每只燃料喷嘴内都有扩散燃烧和预混燃烧的供气通道。燃料气分别来自D5、PM1和PM4环管。其中，D5供气，通向五只喷嘴的扩散通道供气总管，再分配到位每只燃料喷嘴的扩散燃烧通道。PM1供气，通向一只喷嘴的预混燃烧供气通道供气总管，分流到一只喷嘴的内通道和外通道。PM4供气，通向四只喷嘴的预混燃烧供气通道供气总管，分流到四只喷嘴的内通道和外通道。来自每只燃烧室外缸的压气机排气进入燃料喷嘴冷却空气总管，分流到五只燃料喷嘴的中心去冷却燃料喷嘴。

预混气体燃料经过外围的燃料通道供入，分别从外、内预混燃料气入口进入，通过布置于旋流器中的燃料喷嘴喷入由旋流器流出的空气流中，进行预混合。每个旋流器叶片由旋流叶片和一个位于其上游的直段叶桨组成，它是中空的，内装有燃料管道，在管道上开有许多燃料喷射孔。外预混燃料气从外燃料喷射孔喷出，内预混燃料气从内燃料喷射孔喷出。它们同时喷入预混室，与一次空气掺混后进入燃烧区结构。参与扩散燃烧的燃料从另一燃料供应母管进入喷嘴的内环通道，由扩散燃烧喷头喷出。

此外，在燃烧器的预混燃料喷管下游加了一圈整流片，可以防止回火的火焰附着在预混燃料喷管上。燃气轮机的上部有两个燃烧室有高能点火器，火花塞可以伸缩。当点火后机组加速时，火花塞被燃烧室中升高的压力压回，以免被烧坏。停机后，火花塞又被弹簧

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压进燃烧室，以便下一次点火启动。

DLN2.0+燃烧室的配气方案

DLN2.0+燃烧室属于并联式分级燃烧，燃烧室的燃料是分级供应的，其控制系统比较复杂。如图3-35所示，每只燃烧室有5只燃料喷嘴，每只喷嘴有一只扩散通道，一只预混通道。燃气轮机周向布置有18个燃烧室，每只燃烧室的5个扩散燃烧通道与扩散燃烧支管相连，由DGCV气体控制阀调节燃料气体的流量。每只燃烧室的4只预混通道相互联接，组成PM4支管，由PM4GCV气体控制阀调节燃料气体流量。每只燃烧室剩余的一只预混通道相互联接组成PM1支管，由PM1GCV气体控制阀调节燃料气体流量。这样，将所有燃料通道并联地分成**，分别由三只控制阀控制燃料气体的流量。因此DLN-2.0+燃烧室就有五种基本的配气模式。

(1)扩散燃烧模式

在这种运行模式下，燃料气直接供给每个燃烧室的5只扩散燃烧燃料气喷口。这时PM4的预混通道将用压气机出口抽气进行空气吹扫。燃气轮机起动时，从点火到14HS(95%转速)时，燃气轮机处于这种运行模式。

(2)亚先导预混模式

在这种运行模式下，燃料气直接供给每个燃烧室的5只扩散燃烧燃料气喷口和PM1燃料气喷口。这时PM4预混通道将用压气机出口抽气进行空气吹扫。燃气轮机起动时，从14HS到加载至10%基本负荷时，相当于燃烧基准温度（TTRF1）20xx（1093℃）时，或卸载时，从TTRF1为1950（1065℃），直至14HS时，燃气轮机处于这种运行模式。

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(3)先导预混模式

在这种运行模式下，燃料气分别流到DGCV，PM1GCV和PM4GCV通道，直至预混燃烧模式时，DGCV关闭，流过PM1GCV和PM4GCV通道的流量比为20/80。燃机加载时，TTRF1从20xx（1093℃）到2270（1243℃）的区间内，或燃机卸载时，TTRF1从2220（1216℃）,直至TTRF1为1950（1065℃），燃气轮机均处于这种运行模式。在此区间内存在如图3-36和图3-37所描述的两个过渡过程。

(4)预混燃烧模式

在这种运行模式下，流过PM1GCV和PM4GCV通道的流量比为20/80。当加载时，TTRF1高于2270（1243℃），或卸载时，TTRF1超过2220（1216℃）时，燃气轮机均处于预混燃烧模式。此时，燃料直接引入PM1GCV和PM4GCV支管，此时相应的燃机负载为50%～100%基本负荷区间。

（5）甩负荷时的PM1预混燃烧模式

甩负荷时只保留PM1预混燃烧通道，相应的燃机甩掉部分负载，防止机械超速。DLN-2.0+燃烧室的燃料气清吹系统

当气体燃料喷嘴通道没有燃料气通过时，为了保证通过燃料喷嘴内仍然有一定的空气流量，要求有清吹系统。当清吹系统有故障时，将会损坏燃烧系统的部件。当燃气轮机在运行时，要向那些不用的燃料支管提供一个正向的清吹。清吹的压力是机械设定的，可用管道或孔板尺寸调节其有效通道面积来设定。通常清吹空气取自压气机排气，其压力值P4要大于燃烧室内的压力，以防止气流的回流。需清吹的支管要安置清吹接口，清吹阀VA1、

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5和6应在35秒内打开，清吹阀VA2打开的速度则是可控的。

燃气透平

把来自燃烧室的，储存在高温高压燃气中的能量转化为机械功，其中一部分用来带动压气机工作，多余的部分则作为燃气轮机的有效功输出，去带动外界的各种负荷。

PG9351FA的燃气透平是**轴流式透平。每个透平级由喷嘴和动叶片组成。透平部分包括：透平转子、透平气缸、喷嘴、复环、排气框架和排气扩压段。

透平转子

动叶片的尺寸由第一级（叶高386.69mm）到第**（叶高519.6mm）逐级增高，因为每一级的能量转化使得压力减少，要求环形面积增加以接收燃气的流量，保持各级的容积流量相等。第一级动叶的冷却结构。它除了有对流冷却外，在头部有冲击冷却，还有多处气膜冷却。为了增强对出气边的冷却，在冷却通道内还铸有多排针状的肋条，以增强冷却效果。第二级动叶片自枞树形叶根底面至叶顶布置有多孔动叶冷却用的纵向空气通道。冷却空气从枞树形叶根底部的冷却孔引入，流向叶尖，并从那里流出。第**动叶无内部空冷。为保持合理的运行温度，从而保证透平有效的使用寿命，透平转子必须进行冷却。冷却是由一般强制性的冷空气完成的，它沿径向向外流过叶轮和动叶、静子之间的空间，然后汇入主气流。第一级前轮间由压气机排气冷却。在压气机转子后端，转子和压气机排气缸内筒之间有一个高压气封。来自这个迷宫式气封的一部分漏气供应穿越第一级前轮间的空气流。这股冷却空气流在第一级喷嘴之后排入主气流。

第一级后轮间由第二级喷嘴的冷却空气冷却。

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第二级前轮间由来自第一级后轮间穿越级间密封的漏气冷却，这股空气在第二级动叶的入口返回燃气通道。

第二级后轮间由来自内部抽气系统（更确切地，来自压气机第十六级和第十七级间的抽气）的空气冷却。这股空气通过隔块前端面上的缝进入轮间。来自该轮间的空气在第**喷嘴入口返回燃气通道。

第**前轮间由来自第二级轮间穿过级间气封的漏气冷却。这股空气在第**动叶入口返回燃气通道。第**后轮间由来自外部安装的鼓风机(88TK驱动的离心风机)的空气冷却。这股冷却空气由管子接到透平排气框架，先被用来冷却支柱，然后大部分最终被引入第**后轮间空腔。

来自88BN驱动的离心风机的冷却空气经过三个扩压段支柱中的一个进入#2轴承隧道区。被过滤`除去对轴承有害的颗粒后的冷却空气进入#2轴承隧道区，在#2轴承回油真空吸力的作用下，部分冷却空气进入#2轴承左端作为轴承密封。其余的冷却空气在冷却轴承隧道区后，由扩压段支柱中的另一个排至扩压段间，再由88BD1/2驱动的离心风机排至厂房外（见通风系统）。第三个扩压段支柱内的流道则通过#2轴承的进油和回油管(见冷却和密封空气系统)。

透平静子

透平汽缸、排气框架，以及安装在气缸上的透平喷嘴、复环，支承在排气框架上的2号轴承和透平排气扩压段共同组成透平静子。

1.透平气缸

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透平气缸控制复环和喷嘴的轴向和径向位置，因此它控制着透平的间隙和喷嘴与透平动叶的相对位置。

2.透平喷嘴燃气透平有**喷嘴，它们引导经过膨胀的高速燃气流向透平动叶，使转子转动。由于通过喷嘴时的高压降，在内外侧都有气封以防止由泄露引起的系统能量损失。这些喷嘴在热气流中工作，它们除了承受燃气压力负荷外，还要承受巨大的热应力。

**喷嘴全部有空气冷却，其冷却结构采用薄膜冷却（在气道的表面处）、冲击冷却和对流冷却（在叶片和侧壁范围内）的复合冷却。第**喷嘴的冷却通道只有对流冷却。

来自压气机出口的冷却空气，经过燃烧室过渡段周围的空腔引入，流入第一级喷嘴的持环，再流入第一级喷嘴内部的冷却通道，在冷却喷嘴后，从喷嘴叶片的尾缘小孔中排至主燃气流中去。在压气机第13级抽气进入第二级喷嘴持环去冷却第二级喷嘴，压气机第9级抽气进入第**喷嘴持环去冷却第**喷嘴。流入第二级喷嘴的空气在冷却叶片后，有一部分从叶片尾缘的小孔中排至主燃气流，另一部分则从喷嘴内环前端的小孔流出，去冷却第一级叶轮的出气侧和第二级叶轮的进气侧。

3.隔板气封

连接在第二级和第**喷嘴段内径处的是喷嘴隔板。这些隔板阻止流过喷嘴内壁和转子的空气泄漏。4.复环

与压气机叶片不一样，透平动叶叶尖不是直接相对于一个完整的机加气缸面旋转，而是相对于被称为复环的环形弧段。复环的最主要的功能是为减少叶尖间隙泄漏而提供一个圆柱形面。其次的功能是在热燃气和较冷的气缸之间提供一个高热阻。

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5.排气框架和扩压段轴承

燃气轮机机组有两只轴颈轴承用以支撑燃气轮机转子。有一只推力轴承以保持转子与静子的轴向位置，燃气轮机蒸汽轮机和发电机公用一只推力轴承。这些轴承和密封被装进两个轴承座中：一在进气端，另一个在排气框架中心线上。

美国GE公司于二十世纪八十年代中期投入了大量资金，进行F型燃气轮机的开发研制，主要是将飞机发动机的先进技术和部件移植到工业和发电用燃气轮机上，从而使其性能大幅度提高。GE公司于1987年制成了首台60Hz的MS7001F型燃气轮机发电机组，输出功率135.7MW，发电效率32.8%。接着，GE公司与GECAlsthom公司联合开发，通过MS7001F型燃气轮机的模化放大，模化系数1.2，制成了50Hz的MS9001F型燃气轮机发电机组，输出功率212.2MW，发电效率34.1%。其燃气轮机的所有部件，除轴承和燃烧室以外，都是按1.2的比例进行模化放大。第一台MS9001F型燃气轮机发电机组于1991年8月在美国南卡罗莱纳州的格林维尔（Greenville）厂制造成功并满意地运行,接着GE公司又将其MS7001FA型燃气轮机模化缩小，模化比2/3，于1995年末研制成70MW等级的MS6001FA型燃气轮机，通过齿轮箱减速，用于50Hz/60Hz发电。GE公司还与其意大利的伙伴新庇隆公司联合开发了50Hz的9EC型燃气轮机发电机组，该机组结合了9E燃气轮机的设计和9F型燃气轮机的透平段技术，使9E型燃气轮机发电机组的性能有了较大幅度的提高。烧天然气时，9EC型机组的额定功率达169MW，发电效率35%，首台9EC型发电机组于1996年秋天制成。

9F型燃气轮机的结构和性能1．9FA型燃气轮机的结构该机组为典型的单轴结构，与传统的9E型燃气轮机相比较，省去了一个中间轴承，三支承变成了双支承。动力输出由

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透平排气端（热端）改变为压气机进气端（冷端）。透平改变为轴向排气，有利于与余热锅炉的连接。其控制系统应用GE公司的SpeedtronicMKV，有三冗余度，由3台计算机分担燃气轮机的控制职能，三冗余的计算机或传感器之一发生故障时，内部的表决逻辑将透平控制重新定向于两台能工作的计算机和传感器，因而有较高的可靠性。其辅机安装在分开的底盘上，也有一定的冗余度。9FA型燃气轮机主要部件的结构、性能和材料的情况如下：压气机：18级轴流式，压比15.4∶1，空气质量流量645kg/s。头两级为跨音速级，带可调进口导叶，用于调节透平的排气温度，提高运行效率。第9级和第13级开有排气口，以配合起动过程。其转子是由单个叶轮用多根IN738合金钢轴向拉杆连接成的刚性转子，末级叶轮上附有一向心式透平槽道，将压缩空气引入中心孔，用于透平段的冷却。转子的一阶临界转速高于同步转速20%。燃烧室：有18个逆流管环形燃烧室，直径350mm，每个燃烧室有6个燃料喷嘴，共108个燃料喷嘴。可烧天然气、蒸馏油和中热值气体燃料。两只高能点火器分装在两个燃烧室上点火，各燃烧室之间用联馅管联馅。可以注蒸汽或注水抑NOx的形成，或应用干式低NOx（DLN）燃烧室。9FA采用的DLN-2.6燃烧室主要由火焰筒、过滤段、导流衬套、帽罩、喷嘴、端盖、前外壳和后外壳等部件构成。其中，端盖、喷嘴、前外壳和帽罩又形成了一个可以单独拆卸的头部组件。压缩空气由压气机的排气缸流出，首先对过滤段形成冲击冷却，再逆流向前，流过火焰筒与导流衬套之间的环形空间，流向燃烧室头部。其中，有少量空气用于冷却帽罩，其余空气经喷嘴上的旋流器进入头部的预混区，与由燃料喷管喷出的燃料气进行预混合，燃料/空气混合物由预混区经帽罩流入火焰筒，被置于2个上部燃烧室上的高能点火器点燃，火焰附着在喷嘴尖端与帽罩形成的平面上，并被火焰筒包容，燃烧产物经过渡段进入透平第一级喷嘴环。各燃烧室之间用联焰管连接，未安装点火器的燃烧室靠联焰管联焰而着火。每个燃烧室外的头部均布置了6个预混喷嘴，其中5个喷嘴均布于四周，称为外围喷嘴。但在其中央增加了一个喷嘴。这样，当周围的5个燃烧器的燃料/空气比维持高于其贫着火极限时，可以使中央燃烧器的燃料/空气比低于周围的贫着火极限，同样可以保持火焰的稳定。由于增加了中央燃

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烧器，使总燃料/空气比可以比均匀地供燃料的燃烧器减到更低的数值，从而使总预混空气量增加了6%，因而，降低了燃烧区的火焰温度，减少了热NOx的产生量.透平：为3级轴流式，应用压气机的排气冷却。第1、2级动叶应用空气内冷，并采用真空等离子喷涂保护涂层。第3级动叶不冷却，但应用堆积涂层保护。第1级动叶无围带，第2、3级动叶应用整体的乙形围带。3级静叶都应用空气内冷，第1、2级静叶设计成2叶片块结构，应用真空等离子喷涂合金保护涂层。第3级静叶设计成三叶片块结构，应用堆积涂层保护轴承：由拉杆组装的整体转子支承在两个可倾瓦支持轴承上，轴向推力由双销轴推力瓦轴承自行平衡。排气：排气缸应用加长的轴向扩压器，减小了排气速度。降低了排气损失。材料和涂层：压气机的1～9级动叶和静叶以及进口导叶的材料为C-450（Custom450），这是一种抗腐蚀的不锈钢，可以不加保护涂层安装在受化学侵蚀的环境中。其它级的叶片应用加铌的AISI403不锈钢，同样不加保护涂层。气缸用球墨铸铁铸造。叶轮用CrMoV钢和NiCrMoV钢制造。燃烧室外的火焰筒由HastelloyX制造，后段应用HS-188材料，内表面加隔热涂层。过渡段材料为Nimonic263，带冷却。后座为铸造的FSX-414。外壳为SA/516-55钢。透平的**动叶都应用GTD-111材料，它是由Rene80改进了抗热腐蚀性能而形成的，与常用的U-500材料比较，其强度提高了50%，低周疲劳性能改进了20%。动叶为精密铸造，第一级动叶为定向结晶，头两级动叶应用了CoCrAly涂层，外面再复以氧化物表层。第3级动叶采用堆积工艺的高铬涂层，并进行了扩散热处理。气缸由CrMo钢制造。轴和叶轮都是Inconel706合金。第1级喷嘴是熔模烧铸的FSX-414钴基超级合金。第2、3级静叶为熔模烧铸的GTD-222镍基合金。第1级喷嘴加真空等离子喷涂涂层，第2级静叶加堆积工艺涂层。气缸由SA/516-55钢制造，再加347不锈钢内衬。燃气轮机、辅机组件和内部连接组件都有完全配套的罩壳，其中装有照明系统、插座、CO2灭火保护系统、出入门、通风系统和隔音层，隔音层和消音设施根据需要使用，可以满足1m处噪声等级85dBA的要求。9F燃气轮机发电机组还备有一电气设备控制室，该外箱中装有MarkVSpeedtronic透平控制盘、发电机控制盘、马达控制中心、带双充电器的机组蓄

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电池和励磁系统。所有电气设备都是在工厂内组装，并加PEECCTM（快装电气设备控制室）标签。9F燃气轮机发电机组应用GE公司的324S型发电机，用刚性联轴器连接到燃气轮机的压气机进气端。这是一种氢冷发电机。有一套低速盘车设备连接到发电机的集流环端。进口空气过滤器一般布置在发电机上面，其滤芯水平安装。该过滤器为“自洁型”，脉冲反吹下来的灰尘依靠重力排出。整个进气系统的额定压降为89mmH2O。此外，还有一套压气机水洗设备，能够离线或在线清洗压气机，以清除积垢，减少堵塞，保持压气机的效率接近新机状态。9F型燃气轮机连同底盘的净重约299吨，连同罩壳的体积约870m3。

9FA燃机的启动和运行（S209FA）联合循环电厂的起动是从燃气轮机开始，燃气轮机是将发电机用作电动机起动的，电网的供电经变频器转变成变频电源，用来驱动发电机。在起动程序开始之前，循环水系统、冷却塔、闭路冷却水系统和压缩空气系统等辅机系统先投入运行。当燃气轮机达到10%额定转速时，供入燃料气并开始点火，使燃气轮机加速直到自持转速。这时，关断供向发电机的变频电源，燃气轮机继续加速。燃气轮机起动后不久，透平的排气便开始加热余热锅炉。余热锅炉没有燃气轮机的排气旁通烟囱，也不供应辅助蒸汽，所以，整个系统必须同时起动。最初，余热锅炉产生的蒸汽通过排汽管和疏水管泄放。当主蒸汽压力达到某一数值时，汽轮机的密封可以起作用，凝汽器的抽气机起动，在凝汽器中建立真空。一旦凝汽器中建立了真空，从余热锅炉向凝汽器的排汽阀便可打开，汽轮机可以开始暖机。根据余热锅炉和汽轮机允许的暖机速率，燃气轮机可以同步和带到选择的负荷。汽轮机的工况跟随余热锅炉的输出而变，节流以维持一不变的蒸汽压力，带到80%负荷以后，再滑压力升至100%负荷。每一台发电机配一台升压变压器，所发电力通过升压变压器，连接到附近的一变电所，并入电网。正常运行时，电力负荷通过调节燃气轮机的燃烧速率来调整，汽轮机跟随燃气轮机变负荷。当汽轮机跳闸时，余热锅炉产生的蒸汽通过一系列减温减压站排向凝汽器，允许燃气轮机继续运行。如果事故的情况允许汽轮机再起动，一台燃气轮机将回调负荷，并完成汽轮机的再起动。如果汽轮机不能再起动，燃气轮机可以继续按需要发电，余热锅炉所产生蒸汽的能量通过凝汽器排向循

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环水系统。

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