燃气轮机结构详解：从GE到阿尔斯通

燃气轮机主要由三大部分组成：压气机，燃烧室，透平。各部分的作用：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，增加比容；透平——通过膨胀做功，将燃气的热能转变为对燃气轮机大轴转动的机械能。旋转的压气机就像一把风扇，将进气加压驱动进入燃烧系统。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，被加热的流体（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）。

燃气轮机是高温高速的旋转机械，运行时承受着高的离心力、振动应力、因高温引起的热应力、热冲击和热腐蚀等，具有很多不同于一般高速旋转机械的特点，因此对结构布置提出了更高的要求。现在生产的大型燃气轮机均为压气机、燃烧室和透平连接成一体的整体式结构，尺寸紧凑、体积小，便于整体装箱运输。

目前，能设计和生产重型燃气轮机的四个主要厂商是美国通用电气（GE）公司、德国西门子（Siemens）公司、日本三菱重工公司和法国阿尔斯通（Alstom）公司，制造的大型燃气轮机整体结构也基本相同，但都有各自的特点。

美国GE公司的工业型燃气轮机的结构是通过航空发动机重型化途径演变发展起来的轻重相结合的整体快装型的燃气轮机。许多方面既保留了航空发动机的特点，又适合工业民用。例如，出厂前整机安装在一个刚性底盘上，气缸为有水平中分面的铸钢结构，在压气机进出口、透平进出口及扩压器进口等处有垂直横分面以便于维护检修等。美国GE公司的燃气轮机转子，采用的是由若干轴向长螺栓连接起来的盘鼓组合结构。小容量机组转子均为前后两点支承；20世纪80年代设计的大容量机组（如7E、9E型机）因转子较长，均为三点支承；20世纪90年代生产的大容量机组（如7F、9F、9G、9H等），取消了中间的径向轴承，设计成两点支承的。重型机组的燃烧室全部为分管逆流式，每个燃烧室是相同且独立的，由火焰管、过渡段及燃料喷嘴组成。其最大优点是可用单个燃烧室在试验室内进行全压力、温度和流量的性能调整和试验。

德国西门子公司发电用燃气轮机为重型整体式结构。转子为典型整体式盘鼓结构，由一根拉杆将压气机、透平的各级轮盘及压气机与透平前后两空心端轴、中间转扭筒体串起来，在拉杆两端用大螺母锁紧。为防止各级轮盘相互滑动，各轮盘外缘的两端面上加工有端面齿，有良好的传递转矩和对中性能，较轻的转子重量使其热惯性较小，启动较快。传统的德国西门子公司的燃烧室是独具特色的，两个巨大的逆流双筒燃烧室在压气机与透平之间本体外分置主轴两侧，或立或卧，燃烧室体积比较大，便于组织各种燃料（包括低热值气体）的燃烧。大型的3A系列机型沿袭了德国西门子公司的传统技术：盘鼓式转子，双径向轴承支承，压气机冷端输出功率，预混式的干式、低NO_x燃烧器，透平轴向排气等。与以往西门子公司的传统结构最大不同是采用了环型燃烧室，使机组结构更加紧凑。例如，V94.3A型燃气轮机的环形燃烧室有24个预混式燃烧器，保证了燃烧室出口温度场更加均匀、阻力损失更小、运行灵活、污染排放小，在燃烧天然气时排气中NO_x含量<25ppm^[5]。(www.xing528.com)

日本三菱公司的燃气轮机主要是在美国西屋公司的技术基础上发展而来的。美国西屋公司的工业型燃气轮机结构也是通过航空发动机重型化途径发展而成的轻重结合的整体式结构，但构件比美国GE公司的机组稍粗重些。其结构的共同特点：单轴转子，用一个转矩筒体把压气机段与透平段联成一体，由两个径向轴承支承；气缸都有水平中分面和若干垂直横分面，气缸可以分段拆卸，便于检修维护；许多内部零件，如导叶和动叶、叶片环、轴承及燃烧室等都能在不起吊转子的状态下进行检查和修理；燃烧系统是环管式燃烧室，在燃烧室的环形外壳内，围绕转子中心线，沿圆周布置8～20只火焰筒，不同容量机组的燃烧室完全相同，只是火焰筒的数目增减。

法国阿尔斯通公司燃气轮机的结构是在蒸汽轮机结构基础上进行轻型化发展起来的，属于典型的重型结构。其外形较笨重、尺寸较大，但运行维护方便、坚固耐用。燃气轮机的压气机与透平共置于一个带有水平中分面与若干垂直横分面的铸造气缸中。转子为特有的焊接式转子，它由若干个锻造段焊接而成为一个整体。焊接转子结构可靠、强度好。转子由前后两个径向轴承支承在气缸上，在压气机端设有可倾斜推力轴承，与径向轴承合为一体，转子冷端与负荷设备相连。法国阿尔斯通公司的燃气透平进、排气温度相对于同容量的其他燃气轮机较低些，但机组效率却不低。单筒燃烧室采用的是瑞士ABB公司的传统结构，但在新设计的GT13E2、GT24、GT26等型燃气轮机，改变了传统的单管结构配置了多个EV型燃烧器的环形燃烧室（如GT13E2机有72个EV型燃烧器）。它一方面可以降低NO_x排放，另一方面，可以通过增减燃烧器数目来调整负荷，保证EV燃烧器良好的工作特性。GT26型燃气轮机是法国阿尔斯通公司串联再热燃烧先进技术的代表。该机组是该公司与英国R-R公司合作研制的，结构上趋于轻型化。该机组也是双轴承支承的整体式单轴结构，采用盘鼓式焊接转子，压气机的冷端输出功率。

以下部分我们将以M701F3型燃气轮机为例，就燃气轮机的各主要部件结构进行介绍和分析。