一文读懂 | 让燃气轮机分类不再迷茫

关注公众号

了解更多资讯

导语

燃气轮机分类标准很多，每个都有其独特的特征和应用领域。从重型到微型，从航改型到工业型，让我们一文读懂燃气轮机的分类体系。

GE 7FA

国外方面，根据《Gas Turbine Engineering Handbook》第四版上Meherwan P. Boyce的划分方法，燃气轮机可分为以下六个大类：

1.框架式重型燃气轮机（Frame type heavy-duty gas turbines）。框架式重型燃气轮机是在简单循环中发电功率从3-480MWMW以上的发电单元，其效率在30%到48%之间。

2.航改型燃气轮机（Aircraft-derivative gas turbines）。顾名思义，其源自航空喷气式发动机。通过去除风扇并在排气口添加动力涡轮实现燃气轮机改造。这些燃机的功率范围从约2.5到50MW不等。效率可以在35%到45%之间。

3.工业型燃气轮机（Industrial-type gas turbines）。这些燃气轮机的功率范围从约2.5到15MW不等。它们广泛用于分布式能源，管输增压和海上平台等领域。

4.小型燃气轮机（Small gas turbines）。这些燃气轮机的功率范围从约0.5到2.5MW不等。它们通常具有离心压气机和径流涡轮。简单循环的效率范围从15%到25%不等。

5.微型燃气轮机（Microturbines）。这些燃气轮机的功率范围从20到350KW不等。从20世纪90年代末以来，因为分布式发电市场出现了激增，这些燃气轮机的增长一直很显著。

6.车载燃气轮机（Vehicular gas turbines）。这些燃气轮机的功率范围从 300 到 1,500 马力不等。第一辆车载燃气轮机由克莱斯勒公司于 1954 年建造，随后是福特汽车公司的卡车用燃气轮机。唯一非常成功的车载燃气轮机是美国陆军Abrams坦克中使用的燃气轮机。

国内方面，根据《现代燃气轮机技术》李孝堂先生的划分方法，燃气轮机可以进行如下分类：

一般的分类标准是以50MW和1MW为分界线，功率大于50MW为重型燃气轮机（多用于联合循环发电），1-50MW为轻型燃气轮机（多以单循环方式用于机械驱动和发电），小于1MW为微型燃气轮机，关于超微型燃气轮机公开资料没有明确的功率区间，其功率大致在千瓦区间以内。

值得注意的是以上提到的功率均为燃气轮机简单循环功率。

下面，小编将分别针对Boyce提出的六种燃气轮机分类进行描述。

框架式重型燃气轮机（Frame type heavy-duty gas turbines）

早期的框架式重型燃气轮机设计在很大程度上是蒸汽轮机设计的延伸。对于这些基于地面的装置，重量和空间的限制并不是重要因素，因此设计特点包括沿水平中线分割的厚壁外壳、套筒轴承、大直径燃烧室、叶片和定子的厚翼型截面，以及大的前截面。这些装置的总压比从早期的5:1变化到现代的35:1。一些涡轮入口温度已经提高到了1600°C以上，在联合循环下超过60%联合循环效率。

下图是GE 9 FA，它是一台50HZ的燃气轮机，额定功率为256MW，热效率为37%，具有17级轴流压气机，压力比为16.6:1，有14个单筒燃烧室和一个三级轴流涡轮。9 FA燃气轮机还有一台衍生燃气轮机，即7 FA，是一台60HZ的燃气轮机，额定功率为183MW。

GE 9FA

关于重型燃气轮机的分类

据上海电气科技创业投资有限公司执行董事陈学文先生介绍，重型燃气轮机的机型级别并无国际标准，经整理，主要燃机厂商的分类标准大致如下：

1

按涡轮前温度进行划分

美国GE（哈电引进）：1100℃为E级，1200℃为F级，1400℃为H级。

日本三菱（东方电气引进）：1400℃为F级，1500℃为G级，H级为中间试验品，1600/1700℃为J级。

Mitsubishi’s M501 J.

德国西门子（上海电气引进）： SGT6-5000F、SGT-8000H。F级为1200℃，H级为1500℃。

Siemen SGT-8000H

另外，林左鸣先生表示，重型燃机E级、F级、H级，它们的涡轮前温度分别在1200度、1400度、1600度。

2

按简单循环功率划分

如B级燃气轮机功率小于等于100MW、E级燃气轮机功率介于100MW~200MW之间、F级燃气轮机功率介于200MW~300MW之间、更高等级如G级、H级则在300MW~400MW区间。

航改型燃气轮机（Aircraft-derivative gas turbines）

航改型燃气轮机具有比工业型燃气轮机更快启动、关闭和处理负载变化的能力。由于其较大的功重比，它们还在航运领域获得广泛的应用。通用电气LM2500、通用电气LM6000、罗罗RB211、罗罗Avon和普惠FT-8是这类燃气轮机的常见型号。

航改型燃气轮机包括两个基本组件：燃气发生器和动力涡轮，下图展示了动力涡轮。

两级动力涡轮

航改型燃气轮机设计主要考虑其在地面环境中的长寿命要求。下图显示了GE LM 6000航空衍生发动机的横截面；它在简单循环下的功率输出为48MW，效率为41%。

The GE LM 6000

除发电领域之外，航改型燃气轮机还被管输增压和石化行业广泛使用，特别是用于许多变速机械传动。这些燃气轮机还用作军舰和快速游轮的主要动力。

航改型燃气轮机的优势包括：

1. 安装成本较低。设备在体积和重量较小，能够在制造商的工厂内打包和测试。通过工厂的匹配和调试，可在现场立即安装。

2. 适应远程控制。许多新的管输场景都设计为压缩设备的远程无人操作，用户通过系统自动化努力降低运营成本，因为辅助系统不复杂，而且不需要水冷却（通过油进行冷却），起动装置需要的功率很少且可靠，航改型燃气轮机更适合自动控制。

工业型燃气轮机

工业型燃气轮机是中等功率燃气轮机，通常简单循环功率在5到20MW之间。这些装置在设计上类似于大型重型燃气轮机，它们的机匣比航改燃机匣要厚，但比重型燃气轮机要薄。

它们通常是多轴设计，在部分负载运行时效率很高。其压气机通常是一个由10到16级亚音速轴流压气机组成，产生约5:1到15:1的压力比。Solar Turbines是工业燃气轮机的最大制造商，Solar turbines的范围从Solar Saturn的1.2MW，效率24.3％，到Titan，功率38MW，效率40.2％。

Solar Saturn 20

Solar Titan 350

工业型燃气轮机构型不局限于传统构型，下图显示了Solar Turbines设计的RGT，被称为水银，其效率为41％，热效率为8863 BTU/kW h（9351 kJ/kW h）。通过回热器排出的热气体和离开压气机的较冷压缩空气之间传递能量。

Solar Turbines设计的RGT

下图显示了空气进入压气机并在10级轴流压气机中压缩至9.9:1压力比的过程，然后，空气通过回热器并被加热，然后进入燃烧室，燃烧温度约为1204 C。来自燃烧室的气体通过两级轴流涡轮膨胀。涡轮排出的废气通过回热器，加热压缩空气后排出。

内部气流示意图

小型燃气轮机

许多功率小于5MW的小型燃气轮机的设计与较大型号的燃气轮机相似；然而，有许多小型燃气轮机设计采用离心压气机或离心加轴向压气机组合以及径流式涡轮，单级离心压气机通常产生高达8:1的压力比，燃烧室通常达到约982C的温度。下图显示了这样一种典型燃气轮机的示意图。

径流式小型燃气轮机

Kawasaki的一款小型燃气轮机采用离心压气机，如下图所示，它使用两个离心压气机产生10.5的压力比，以在26.6％的效率和12841 BTU/kW h（13548 kJ/kW h）的热效率下产生最高1685KW的功率。由于使用轴流涡轮可以承受更高的压力比和更高的燃烧温度，它比使用离心压气机和径流式涡轮的其他小型燃气轮机具有更高的效率，因为轴流涡轮的叶片可以进行冷却，而冷却径向流入式涡轮则非常困难，从而限制了燃烧温度，限制了效率的提高。

两级径流式压气机

微型燃气轮机

微型燃气轮机通常指的是功率小于350KW的燃气轮机。这些燃气轮机通常由柴油燃料或天然气驱动。微型燃气轮机可以是轴流或离心径向形式的压气机和涡轮。在这些装置的设计中，成本、效率和排放将是三个最重要的标准。

微型燃气轮机要想取得成功，它必须体积小，制造成本低，效率高，运行安静，启动迅速，排放少。如果能够实现这些特性，微型燃气轮机将成为为各种商业客户提供基础负荷发电的极佳选择。微型燃气轮机在很大程度上将是已经开发的技术的集合体。挑战在于经济地整合这些技术。

当前市场上的微型燃气轮机功率范围大约从20到350KW不等。如下图所示，显示了使用微型燃气轮机的典型余热联合发电系统包，为了提高整体热效率，在微型燃气轮机设计中使用回热器。这种紧凑型的分布式电力系统在未来具有巨大的潜力。

一种微型燃气轮机

车载燃气轮机

在很大程度上来说，燃气轮机作为车辆发动机并不成功，主要是由于初始成本和燃油效率的原因。小型柴油发动机的比燃油消耗率（BSFC）可能低至0.27千克/千瓦时，相当于约28％的效率，而相同规模的燃气轮机在简单循环中的效率约为18-20％。这是由于相对较低的压力比和燃烧温度导致的，因此，为了使燃气轮机与柴油发动机竞争，它必须使用额外的热力循环。

美国主战坦克由AVCO Lycoming的AGT-1500燃气涡轮驱动，该发动机是一个三级轴流燃气涡轮，该机的额定功率为1500马力，空气流量为12磅/秒。它的压力比为12:1，具有轴流压气机（低压和高压压气机）。AGT-1500由空气进气部分、五级轴流低压压气机部分、高压压气机部分包括四级轴流压气机和单级离心压气机部分（最高转速为43450 rpm）、附件齿轮箱、燃烧室、高压轴流涡轮部分、低压轴流涡轮部分、独立动力涡轮部分、减速齿轮箱和回热器部分组成。

AVCO lycoming AGT-1500

结语

以上仅展示了Boyce书中的六大类型燃气轮机，这六大燃气轮机其实涵盖了大部分燃气轮机的种类，国内的分类之所以与之不同是分类标准的问题，希望通过阅读本篇文章之后，您可以对燃气轮机分类方法及种类特点有更进一步的认识和理解。

群贤毕至，静候君来

看到这里了，感谢您对燃机聚焦公众号内容的肯定，诚挚邀请加入燃机聚焦朋友圈，作为全国最大的燃机朋友圈，我们拥有超万名伙伴，足以链接全产业链人才；我们组建数十个微信社团，致力鼓动全行业讨论。

加入我们，您可以通过我们了解行业前沿、咨询圈内消息、获取专享资料……

加入我们，您可以通过我们结识外部同行、交流前沿技术、打通信息壁垒……

加入我们，您可以……

期待您的加入，燃机朋友圈需要您的加入！

扫码添加小编微信

即可加入全行业朋友圈

GTF

2024

第十一届航空发动机和燃气轮机聚焦

大会暨展览会

2024年7月10-12日 | 中国·成都 

*GTF品牌及系列会议logo标识

合作&报名

【联系我们】

Jamey Wu（吴女士）

手机：+ 3771 （同微信）

邮箱：.cn

点击文末“阅读全文”，注册报名GTF2024