PDF《燃气涡轮机之应用与效能提升》

三、以下将简述燃气涡轮机运转之过程 (如图 1) 所示 (注三) (图1)燃气涡轮机之操作 空气由进气口管路导入压缩机,增高其温度与压力后, 进入燃烧室与喷射嘴喷入之燃油混合,经火星塞点火燃烧, 持续一段时间后点火停止,而其燃烧则继续.而高温,高速 膨胀的燃气进入涡轮转子总成,其动能与热能为叶轮所吸收, 转换成机械能,使涡轮转动,涡轮转子与压缩机以同一轴连 接,因此,在压缩机亦被带动旋转.排烟由排烟出口排出. 大约有 75%由燃气涡轮机产生的能量用於带动压缩机与附件, 仅25%用於带动发电机或推进船只. 成功级舰燃气涡轮机之压缩机,系属轴流式压缩机,吸 入周围空气从平行於压缩机转子轴的方向进入,而在持续这 方向的同时增加其速度和压力,进而被压缩.轴流式压缩机 的两个主要元件为转子和定子(如图 2)所示. (图2)压缩机转子与定子 转子有像飞机螺旋桨一样将空气压向后方流动的固定叶 片,在每一转子之间为定叶,其功用为将空气导向下级.每 一连续的转子与定子组成一压力级.每一级转子的作用在增 加空气的压缩且加速向后方进行.空气速度之增加乃因压缩 机能量之转换所致.每一级定子的功用就像扩散器一样,将 高速转换成压力.压缩机级数的多少,决定於空气量与总压 力提升的需求,当然,级数愈多,空气压缩比就愈大,大部 份现有燃气涡轮机的压缩机级数为

8 至16 级,视空气需求量 而定.压缩机结构一转子和定子均装於压缩机机壳内;

目前 发动机之机壳可水平分为上、下两半.上下机壳一般以螺栓 锁住,同时亦有固定箱,以防止接合时的偏移.固定箱位於 不同地点.另一组螺栓则锁於压缩机机壳的尾端. 定子一定叶片朝转子轴方向,在转子两边辐向排列.定 子的功能有二: (1)接受从空气进气管或每一转子的接续级传送来之空气. 然后以一可工作的速度和压力,把空气传送到下一级转子或 燃烧室. (2)控制空气的流向,使进入转子之角度成为转子叶片压 缩的最佳角度,而产生最大之效率. 定叶片一般以防腐蚀和防冲蚀之物质制成,经常为了容 易将叶片固定於机壳上,往往定叶片会加上一层易接合之金 属,此种金属一端藉辐向承托螺丝锁於压缩机机壳内壁,另 一端则与定叶片焊接在一起.在定子内的每对定叶片的作用 如一扩散器.它们利用发散原理:叶片出口端面积大於入口 端,此扩散区域把从上一级转子来的高速,低压空气转换成 低速,高压的气流,而后再导引它以适当的角度进入下一级 转子,下一级转子再将速度提升,而定子又再将压力更加增 高.这个程序在压缩机内一直持续到最后一级. 在定子与在压缩机第一级之前有一排称为进气导叶片 (inletguide vanes IGVS)的叶片,此进气导叶片(IGVS)的功 能须视发动机的大小与进气结构而定.较小型的发动机,空 气入口不完全和第一级转子成一直线.进气导叶片(IGVS)使 气流变直且引导它进入第一级转子.大型发动机的进气导叶 片是可变的,而且随可变定子而移动,大型动机上的可变进 气导叶片(IGVS)导引气流,使成一理想角度进入第一级转子, 以减少其吸阻力;

可变的进气导叶片(IGVS)可完成可变定子 叶片(variable statorvanes vsvs)的工作. 可变定子是由压缩机进口温度(compressor inletfemperature,CIT)和发动机马力之需要来控制.它们 的移动是以燃油控制调速器传送过来的机械作来完成.可变 定子的目的有二: (1)随著压缩机转速而位於不同角度,且使压缩机叶片间 有适当的冲角.改变叶片角度保持在任何发动机运作速率下 压缩机均拥有最大压缩效率.此一工作对如用於主推进目的 的变速发动机是相当重要的. (2)可变定子对大型发动机的实际作用为消除压缩机之冲 击的发生. 当空气流过压缩机叶片,发生失速状况时,此空气就无 法平稳进入燃烧室和涡轮部份.失速可能仅在几片叶片或几 级的区域发生,但是,只要足量的空气被暂时阻断,燃烧室 的压力就会冲至压缩机,造成冲击.此状况发生时,可能影 响很小,也有可能将涡轮损坏. 燃烧室四周之空气均可用於燃烧,而非仅从燃烧口 端进来的空气.缺乏冷空气,将因温度过高而烧毁燃烧室和 涡轮部份(藉改变定子的角度及使用泄放阀,穿过压缩机的 气流就可确定,而冲击几可完全防止).如驱动发动机的定 速发动机在正常状况下不会使用可变定子.它们是被设计来 在所有时间内均以百分之百转速运作.适当的燃油使用计画 及泄放阀的使用已足够防止或减少压缩机冲击.