1
燃气轮机本体结构
主要内容：
燃气轮机概述
燃机基础和支撑
压气机结构
燃烧室结构
透平结构
轴承
1.概述
1.1 燃气轮机基本组成
燃气轮机（Gas Turbine）是一种以气体作为工质、内燃、连续回转的、叶轮
式热能动力机械。它主要由压气机（Compressor ）、燃烧室（Combustion）和燃
气透平（Turbine）三大部件构成。
运行基本流程:
压气机：对进气增压；
燃烧室：通过对压气机的压缩空气燃烧加热，增加工质的做功能力；
透平：通过膨胀做功，将燃气的热能转变为对燃机大轴转动的机械能。
旋转的压气机就向一把风扇，将进气加压并驱动之进入燃烧系统。流体工质
在燃烧室中被燃烧，加热。透平则可看成是一个风车，为加热的流体（燃气）驱
动旋转来带动压气机，并通过旋转轴将多余的功输出（带动发电机）。
注:约1/3 的机械功用来驱动发电机
2
1.2 9E 燃机的型号与GE 命名规则
9E 燃机型号：PG9171E 型
PG：表示PACKAGE GENERATOR(箱装式发电设备）
9：表示设备系列号，表示9000 系列机组
17：表示机组大致的额定出力大小（万马力），即：17 万马力，约：12.5 万KW.
1：表示单轴机组
E：表示燃气轮机的型号，即9 系列中的E 型。
1.3 燃气-蒸汽联合循环
由于燃气轮机循环的工质放热温度（排气温度）还很高，而汽轮机进汽温度
一般为540~560℃。燃气-蒸汽联合循环发电机组就是将燃气轮机的排气引入余
热锅炉（HSRG-Heat Recovery Steam Generator）,产生高温、高压蒸汽驱动汽
轮机，带动发电机发电。因而，联合循环的热能利用水平较燃气轮机或汽轮机循
环都有明显提高。目前，最先进的燃气轮机的热效率达40%，联合循环机组的热
效率接近60%。
GE 公司联合循环的命名规则:
联合循环代号-燃气轮机数量-0(无意义)-燃气轮机系列号-压气机改型号
联合循环代号:用S 表示,是STAG(Steam and Gas)的缩写;
燃气轮机数量:是指一套联合循环机组中燃气轮机的台数.
例如:S109E 表示一台燃机与一台汽轮机的联合循环.
联合循环的运行流程：
3
1.4.主要性能参数
燃机轻油基本负荷下主要性能参数：
标准工况: 环境温度15℃，1 个大气压,75%左右相对湿度
燃油流量：31T/H
压比：12.3
透平前温（T3)：1124℃
排气温度（T4)：538℃
额定出力：123.4MW
热效率：33.55％
热耗率：10730KJ/KWH
燃机天然气基本负荷下主要性能参数：
保证总功率：125900Kw
保证总热耗：10650kJ/kwh
效率计算
1.5 9E 型燃气轮机的优点和主要技术指标
（1） 结构紧凑，质量轻
（2） 体积小，占地面积小
（3） 启动快
（4） 安装周期短
（5） 效率高
（6） 污染排放低
（7） 耗水少
1.6 燃气轮机的新发展趋势
IGCC
2. 燃机基础及支撑
现代电站燃气轮机通常采用组装式快装机组的方式。压气机、燃烧室、透平
等设备都成套安装在一个公共底盘上，形成箱装式发电机组。
4
从机头顺气流方向看过去，9E 燃气轮机电站的现场常见布置为：控制间、辅
机间、透平间、负荷联轴器间、发电机间。其中，在辅机间和透平间之间有压气
机的进气通道，在透平间与发电机间之间有燃气的排气通道。
水泥基础
公共底盘（支架）：
燃气轮机的本体部分放置在一个钢质支架之上，作为整个机组的基础和支
撑。支架上包括了钢质框架、弹性支撑、键槽座等部分。在燃机基础的两侧，还
安装了起重用的掉耳和十字横梁。为了方便现场基础的安装，在基础的底部两侧，
各有四个机械加工过的平垫，在基础框架的上部，也提供了两个用于燃机后支撑
安装的平垫。
钢质框架：
支撑燃机和进气室的基础为一长约9.15 米的钢质框架结构，是由钢柱和钢
板制造组成，以此作为燃机安装的垂直支撑基础。
在左侧的纵向承重梁和后端的十字支撑横梁之间，焊接了钢密封平板，为燃
机的2＃瓦，3＃瓦和发电机轴瓦提供滑油的供油和回油。
弹性支撑架：
燃气轮机通过三个垂直弹性板支撑在底盘支架上。
前支撑是一桡性钢板，通过螺栓和定位销在基础前十字横梁处与燃机基础相
5
连，通过螺栓和定位销与压气机前气缸的前法兰连接。该支撑容许燃机轴向膨胀，
由于此处位于压气机进气侧，温度相对较低，沿轴向的变形量相对较小。
后支撑为刚性的脚型支架，安装在基础框架左右两侧的机械加工平板上，向
上与透平排气框架的左右相连，该支撑容许燃机径向膨胀，由于后支架处气缸温
度高，为了防止温度过高对支撑腿造成损坏，所以支架的外表面都有水套，内有
循环冷却水流过，以减少支架的热膨胀。
键槽座：
在透平缸下半部上有一个纵向导键，与底盘上的键槽座配合，防止了透平缸
左右侧运动。
6
绝对死点：机组在热膨胀时，相对地面而言，总有一个点是固定不动的，这个点
就是绝对死点。
由于后两个支架沿轴向刚性很大，左右方向也定死，所以该处就成为绝对死点。
3.压气机(compressor)
3.1 概述
型式：轴流式压气机
压比：12.3（实际10 多）
每一级压比：1.15-1.35
级数：17 级
空气流量: 1,453 × 103 kg/h
叶顶最高速度：340 m/s
在压气机中，空气从转子和缸体之间的空隙流过，依次经过一级级的动叶和
静叶，在经过动叶时，空气从动叶的转动中获得动能，速度提高，经过静叶时，
空气将动能转化为压力能，从而提高了气体的压力。
3.2 进气室与进气滤
进气室的作用是将空气引导进入压气机，进气滤的作用是将大气中的灰尘等
颗粒杂质过滤掉，保证进入压气机的空气质量。沿着空气的流动方向，该部分由
进气滤、进气消音器、进气弯头和进气涡壳构成。
进气滤位于进气系统的最前端，由滤筒组件和维护通道，人孔门等组成。通
常，燃机的进气滤为带自脉冲清洗的锥式滤和筒式滤组件。空气进来后，首先经
过进气滤的过滤，在进气滤的前后装有压力测点，用于指示空气滤的压差降，从
而确定滤网的清洁程度，为其更换提供依据。
7
在空气滤部分还装有进气滤的反吹装置，反向吹入一定量的压缩空气，用于
去掉滤网上的积灰，起到清洗滤网的作用。
进气消音器用来消除或减弱由压气机运行时传来的高频噪音。进气弯头和过
渡进气道是按声学原理连接在一起，以进一步帮助降躁。
进气弯头和进气涡壳都对吸入空气起引导作用，使其沿一定方向，平稳均匀
的进入压气机。
3.3 压气机的构成
9E 机组中使用的轴流式压气机从整体上可以看成由压气机转子和缸体组成。
具体来说，压气机部分包括有气缸、转子、动叶、静叶、进口导叶、出口导叶以
及很多抽气管道。PG9171E 型燃机的压气机结构轴侧图如下：
气缸：铸造，进气缸、前缸、后缸、排气缸
压气机一般是铸造而成，由于气缸较长，前后的工作条件有所不同，9E 机
组的压气机气缸沿轴向分为进气缸、前缸、后缸和排气缸。这样，前后缸由于工
作条件差异，可以选择不同的材料，降低了制造成本。其次，每段气缸较短，便
8
于内表及叶根槽的加工。
进气缸位于燃机的前端，将来自进气室的空气均匀导入压气机，其前端连接
着进气涡壳，后段装有可调导叶，此外，还支撑#1 轴瓦组件。
前缸包含压气机第一级到第四级，在压气机底部的基础上，前挠性支板的一
端通过螺栓和定位销与压气机前缸的前垂直法兰连接,支板的另一端通过螺栓和
定位销与燃机基础相连。此外，前缸还装有用于燃机与其基础分离的两个整体大
起重吊耳。
压气机后缸包含压气机第五级到第十级，在该段气缸上，开有第五级和第十
一级抽气口，其中第五级抽气用于冷却和密封功能，第十一级抽气用于起机和停
机过程中的防喘。排气缸包含压气机第11～17 级、2 级出口导叶，它连接着压
气机和透平缸体,并为#2 轴瓦组件提供了内支撑。如图3－5 所示，压气机排气
缸由两个缸组成,外缸是压气机机匣的延续，内缸是环绕压气机转子的内缸,两个
缸通过径向支板连接。
实际图
9
压气机排气缸结构图
1－压气机排气缸上半部2－2 号轴承
3－压气机排气缸下半部4－压气机排气缸内缸
转子：
转子型式：
1）鼓式转子
由鼓筒及轴组成，机加工量少，刚性好，强度差。适用于压比低的压气机中。
2）盘式转子
有中心轴，轮盘过盈红套在轴上，靠预紧力传扭。
强度好，但主轴细长，刚性差，临界转速低，一般设计成柔性轴。
3）盘鼓式转子
无中心轴，轮盘靠拉杆螺栓紧固，靠摩擦力传扭。
MS9001E 型燃机压气机转子的组成：
（1）前短轴，在其之上安装着压气机的第一级动叶，#1 轴瓦轴颈。
10
（2）15 级动叶和轮盘组件（包括2－16 级转子）。
（3）后短轴，在其之上安装着压气机的第17 级动叶，#2 轴瓦轴颈。
压气机的每级均是一个带有叶片的独立轮盘，各级轮盘通过沿圆周均匀分布
的16 根拉杆螺栓轴向连接在一起，各级轮盘通过位于轮盘中心附近凹凸槽径向
定位，但轮缘处互不接触，留有气隙，冷却轮盘；扭距的传递是通过螺栓连接法
兰的表面摩擦力完成的。各级轮盘和带短轴的轮盘部分的外圆周，都具有拉削的
槽隙，动叶插入这些槽内并在槽的末端通过冲铆使动叶轴向固定。在组装压气机
转子时，应精选轮盘的位置以减小转子的不平衡量，组装完成后，进行压气机转
子的动平衡。
进口导叶（IGV）：Inlet Guide Vane 64 片
静叶通过转轴插入气缸，靠圆台端面和气缸贴紧而径向定位。每片可调静叶
的端部装一个小齿轮，小齿轮与一个大的联动持环相啮合。持环的转动会带动与
其啮合的静叶上的小齿轮转动，并使同一列静叶的转动角度达到一致。联动的持
环由油动机来带动，为了保证可靠性，它们即灵活又不能有松动的间隙。
作用：1）防止喘振
2）进行IGV 温控，通过关闭IGV 的角度，减少进入压气机的空气量，从
而提高燃机排气温度。
外观：
见图
IGV 传动：
11
见图
分析：两个可调叶片的角度变化情况。
可以改变：进气量，进气角度。减小正冲角。
范围：0－86 度。
出口导叶（EGV）：
相对于进口可调静叶，压气机出口布置有出口导叶EGV，其作用是将旋转的
压气机排气气流导向为径向的排气，保持燃烧的稳定。
17 级叶片，每一级包括工作叶片（动叶）及其后的静叶（扩压）
作用过程：压气机动叶：将动能加到气流上，使气流加速。
静叶：扩压作用，使气流动能下降，压力升高。
问：压气级第一级中动叶在前还是静叶在前？
问：压气机的叶片前面级的大还是后面级的大？
动叶：
动叶又称工作叶片，是高速旋转地叶片，它把透平的机械功传给空气，是压缩空
气的关键部件。
叶身、叶根
12
叶身：即叶片的型线部分
为了达到良好的气动性能，避免同一叶片不同半径方向上的冲角有过大的差异，
压气机的前几级动叶均采用弯扭叶片的形式，且叶型沿叶高的变化满足强度和振
动的要求。
压气机动叶的第1/3 级采用GTD-450 的材料，第4/8 级采用403CB 加上
GECC-1 陶瓷涂层，第9/17 级采用403CB 材料。转子叶片是翼面型的，设计成
以高叶顶速度来高效地压缩空气。叶根采用轴向装配燕尾型叶根，燕尾型叶根
通过精加工保证每一叶片位于轮盘上的正确位置，并使用轮缘冲铆的锁紧。
见图
叶根：是动叶与轮盘联接紧固之处。保证联接处有足够强度，应力集中小，拆装
方便。
型式:
T 型叶根：
见图
加工方便，结构简单，但承载面小，用于不太长的叶片。
燕尾型叶根：
13
见图
广泛采用，靠两侧面来承力，承载面大，应力小，拆装方便。
静叶：
压气机静子叶片是翼面型的，第一级到第八级叶片通过轴向的燕尾形叶根安
装在静叶环的扇形块内，静叶环的扇形块安装在气缸的圆环形沟槽内且通过锁销
定位；而第九级叶片到排气导向叶片则安装于单独的矩形块内，矩形块直接安装
在气缸的圆形沟槽内，直接由锁销定位。
装配式静叶环直接装配式静叶环
1－静叶；2－静叶外环；3－气缸
实际叶片见图
14
3．4 喘振
当压气机在偏离设计工况条件下运行时，（如：若n 不变，流量变小），在压
气机工作叶栅的进气口处，可能会出现气流的正冲角，当正冲角大到某种程度，
附在叶型表面上的气流附面层就会发生分离，成为旋转脱离，当旋转脱离严重时，
压气机流量和压力会发生大幅度波动，甚至整台机组都会引起强烈振动。
喘振：当压气机叶片进气口正冲角达到某个值时，在压气机叶栅中会产生气流的
旋转脱离，当旋转脱离发展到一定程度，压气机流量和压力会发生大幅度波动，
甚至整台机组都会引起强烈振动，这就叫做喘振。
喘振的原因分析：
见图
喘振的危害：
喘振的解决方法：
1）利用进口可转导叶（IGV）
2）防喘放气。
压气机11 级处开有抽气口，用来放气。放气管道上装有防喘放气阀。
见图
15
3.5 压气机抽气
功能：冷却高温运行的透平部件
密封透平的轴瓦
为气动阀提供操作气源
燃料喷嘴的雾化空气
第5 级抽气： 通过压气机气缸上半缸和下半缸的外部连接管道传输 燃机轴瓦
的冷却和密封
第11 级抽气： 压气机的第十一级抽气用于燃机起机和停机过程的防喘控制,
燃机运行时,压气机防喘放气阀关闭,以便有最大的轴功率输出。
第17 级抽气： 压气机第十七级抽气径向流入第16 级和第17 级之间的叶轮间
隙,然后流入转子的中心孔,此后流入透平冷却透平部分。
压气机排气： 液体燃料喷嘴的雾化空气
液体燃料喷嘴的清吹空气
气体燃料喷嘴的冷却空气
气体燃料喷嘴的清吹空气
一级喷嘴叶片和固定环的冷却
二级喷嘴叶片和隔板的冷却
一级动叶前、一级动叶后和二级动叶前转子轮间的冷却
4.燃烧室
4．1 燃烧室的基本要求
满足给定的出口平均温度1124
火焰短、稳定、出口温度均匀
效率高满负荷时为98－99％
4．2 燃烧室构成
GE 公司的分管回流式燃烧室。
14 个燃烧室
燃烧工作流程：
16
组成：
MS9001E 燃烧段通常由下列部件组成：燃烧罩壳、燃烧室外缸、火焰筒、导流
衬套、过渡段、联焰管、火焰探测器、点火器（火花塞）、燃料喷嘴。
燃烧罩壳：（Combustion Wrapper）
燃烧室外缸（Combustion Tube （shell））：
17
火焰筒(Combustion liner)：
火焰筒的冷却：
鱼鳞孔
筒体上冷却气膜
18
火焰筒的一次进气自动调节功能：
在火焰筒前段开有两排一次射流孔，喷射空气进入燃烧室。在低负荷时，火
焰长度短，后边射入的空气不会直接射到燃烧火焰中去掺冷火焰。能保证火焰温
度。而在高负荷时，火焰长度长，后边射入的空气直接射到燃烧区，避免了缺氧
引起燃烧不完全。这种随火焰长度伸缩自动调整直接参与燃烧的一次空气量的特
性，叫做一次进气的自动调节功能。
导流衬套(flow sleeve)：
过渡段(Transition piece)：
联焰管(cross fire tube)：(照片)
19
火焰探测器(flame detector)：(4/5/10/11)
点火器(spark plug)：高压放火花。自动伸缩保护功能。(13/14)
燃料喷嘴(fuel noggle)：
20
4．3 一次空气、冷却空气和二次空气
一次空气：为了保证燃料完全燃烧所必须供应到燃烧区的那部分燃烧用空气。
冷却空气：穿过开在火焰筒壁面上的许多冷却孔进入火焰筒中，沿筒内壁流动。
二次空气：由开在火焰筒后段的混合射流孔进入，与燃烧区来的高温燃气混合，
掺冷作用。
5.透平
5．1 概述
透平功能：三级透平将压气机和燃烧系统产生的高温高压燃气的热能转换成机械
能。
运行转速：3000 rpm
透平前温：1124 度
GE 采用三级透平的原因：
1）采用多级透平的原因
每级焓降低，避免超音速。
利用余速，增加焓降
热重获
2）为什么燃气透平一般最多只有5 级
做功能力的问题。T，P 降低一半，做功能力降低好几倍
透平成本问题。一级动叶92 片，150 万美元GTD111
联合循环可以回收
离心力应力问题
21
5．2 多级轴流式透平的结构
气缸：
双层气缸。外层工作温度低，主要承力，内层工作温度高，主要承热。所以外缸
就可以用较差的材料，如球墨铸铁。
转子:
盘鼓式转子。
整体的结构介绍见图：
喷嘴：
透平部分有三级喷嘴
一级喷嘴由18 个扇形块组成,每组包含两个叶片。
见图
二级喷嘴由16 个扇形块组成,每组包含三个叶片。
三级喷嘴由16 个扇形块组成, 每组包含四个叶片。
动叶：共三级动叶
一级动叶：精铸叶片，不带冠，92 片，带涂层（防腐蚀，防冲刷）。12 个冷却孔
22
见图
二级动叶：精铸叶片，带冠，92 片，带涂层，6 个冷却孔，冠上有2 个密封带。
见图
三级动叶：精铸叶片，带冠，92 片，烧重油的带涂层，无冷却孔。
叶冠的优缺点：密封和振动阻尼的作用，但是会增大离心力。
见图
23
三级整体图
二三级差别图
复环：
透平动叶叶尖外是复环复环的作用是隔热，密封
一级、二级：48 段
见图
三级：32 段
24
见图
5．3 透平的冷却
冷却原因：降低金属材料的温度，从而可以降低制造成本。
图：
见图
冷却：
1．压气机出口排气：一级复环、一级喷嘴、二级复环、二级喷嘴、三级喷嘴
2．压气机高压排气缸出口漏气：一级叶轮前
3．压气机16 级抽气：叶轮间槽。一级叶轮后、二级叶轮前后、三级叶轮前、一
级二级动叶的冷却。
4．88TK：透平夹层，排气框架、三级叶轮后。
5．4 排气室
透平的排气缸由排气框架和排气扩压器组成。
MS9001E 燃机的排气框架由内外两层气缸组成，之间有10 根径向支柱连接。
#3 轴承在排气内缸内部。径向支柱为排气内缸和#3 轴承提供支撑和定位，并与
外缸相互连接。
25
排气扩压器位于燃机的末端，通过螺栓与排气缸连接，由排气缸支撑。做完
功的燃气进入排气缸，然后进入排气扩压器。由于排气扩压器有扩压的作用，燃
气速度降低，压力升高，由导向叶片引导燃气进入余热锅炉。
6.轴承
MS9001E 燃气轮机有3 个径向轴承和一个推力轴承。采用三支点支撑转子的
刚性好，有利于压气机后几级采用较小的径向间隙，但是对同心度要求高。这些
轴承分别位于：1 号轴承（包括1 个径向轴承和1 个推力轴承）位于压气机进气
缸内，2 号轴承位于压气机排气缸内，3 号轴承位于透平排气室内。
见图
作用：支撑，平衡轴向推力
＃1 瓦：有支撑轴承和推力轴承。推力轴承有主推和副推。
＃2、3 瓦在透平转子。
#4、5 瓦是发电机的。
26
思考题：
1．画出燃气轮机整体布置示意图
2．什么是喘振？燃机采取防止压气机喘振的措施有哪些？
3．压气机抽气都有哪些作用？
4．燃烧室的组成部件有哪些？
5．为了防止由于温度过高烧坏透平叶片，采用了哪些方法？
|
：