2024年5月11日发(作者：cpu风扇转速多少合适)

GE公司F级燃气轮机

1 F级燃气轮机产品系列及其性能演变

F级燃气轮机已有多种多样的型号可满足不同用户的需要，在MS6000、MS7000、MS9000系列

中都有F级的产品，表1列出F级燃气轮机最新机型简单循环的性能，表2列出50Hz的F级燃气

轮机联合循环（三压再热蒸汽循环）的性能。

表1 F级最新机型燃气轮机简单循环性能

基本参数

净出力/MW

效率/%

透平进口温度/℃

压 比

质量流量/kg·s

排气温度/℃

频率/Hz

-1

MS9351FA

255.6

36.9

1327

15.4

624

609

50

MS7241FA

171.7

36.4

1327

15.5

432

602

60

MS6101FA

70.1

34

1288

14.9

198

597

50/60

表2 50HzF级燃气轮机联合循环性能

基本参数

净出力/MW

净热耗率/kJ·（kWh）

净效率/%

-1

S109FA

390.8

6350

56.7

S209FA

786.9

6305

57.1

S106FA

107.4

6767

53.2

S206FA

218.7

6654

54.1

MS9001FA、MS7001FA、MS6001FA型燃气轮机都有18级的压气机和3级的涡轮机，以冷端驱动

和轴向排气为特点，有利于联合循环布置。F级燃 气轮机采用GE公司传统可靠的分管式燃烧系统，

并可配备双燃料燃烧系统，如在以天然气为主燃料时，可以轻油为辅助燃料。当天然气供应发生

故障时，机组可自动切换到轻油燃烧，使燃机不因燃料供应故障而停机，进一步保证了机组的可

靠性和可用性。机组也可根据要求，在一定条件下使用双燃料混合燃烧。此外，F级燃气轮机可燃

用低热值燃料，从而扩大了发电厂的燃料使用范围和灵活性。F级燃气轮机应用于IGCC电厂，可

最大程度地降低燃煤电厂对环境的影响。

GE公司在其制造MS6000型、MS7000型和MS9000型机组的基础上，发展完善了底盘部套、控

制和辅机组合一体的快装模块结构，这种标准化布置可减少管道、布线及其他现场相关联接的工

作量，缩短安装和启动周期，降低建设成本，同时也提高了机组的运行可靠性。

F级燃气轮机还显示出不同寻常的环保特点。由于机组的效率高，单位发电量的NO

x

和CO排

放量较少。采用干式低NO

x

（DLN）燃烧室，大大降低了NO

x

的排放。180多台采用干式低NO

x

燃烧

室的F级燃气轮机已累计运行近30

0万h。有些电厂的NO

x

排放量甚至低于10mg/kg。

1.1 7F和7FA、7FB型燃气轮机

自从1987年生产第一台7F型燃气轮机后，经过不断改进，形成了一系列F级的燃气轮机。

图 １以7000系列中的F级燃气轮机为例，展示了F级燃气轮机的发展过程。(图中华氏温度

t

F

换算因数为)其主要性能见表3。

图1 F级燃气轮机的发展过程

表3 7F系列燃气轮机主要性能

基本参数

出力/MW

PG7211F

147.2

PG7221FA PG7231FA PG7241FA PG7251FB

159 167.8 171.7

压 比

燃气温度/℃

压气机级数

透平级数

燃烧室个数

出厂日期

13.5

1260

18

3

14

1988～1991

15

1288

18

3

14

1993

15

1316

18

3

14

1997

15.5

1327

18

3

14

1999

18.5

1371

18

3

14

2002

从1992年开始，美国能源部推出ATS（先进的燃气轮机系统）计划，资助进行新机型的开发。

GE公司在这个项目的支持下开发了H型机组。开发和研究的新技术包括：增加压比，提高初温，

采用DLN和催化燃烧系统，材料高温防腐，研制了隔热涂层和陶瓷基体合成燃烧室火焰管，以及

陶瓷透平喷嘴和静子组件，先进的密封和冷却（蜂窝密封、蒸汽冷却）设计，长寿命的轴承等。

1998年初，第一台9H型机组已在美国进行工厂试验，计划2002年投入商业运行。由于H级燃气

轮机开发成功，GE公司又将某些H级技术反过来用到7FA型机组上，得到7FB型。这些技术包括：

单晶叶片（单晶N4合金DSN4或GTD444），耐热涂层，三维气动力设计，更多冷却气膜等。使7FB

型机组的压比提高到18.5，燃烧温度提高到1371℃，7FB型燃气轮机的主要性能见表3。表4列

出7FA、7FB和7H型燃气轮机组成联合循环时的性能对比。107FB型的出力比107FA型稍有增加，

效率有明显提高。

表4 7FA、7FB和7H型机组成

基本参数

出力/MW

效率/%

燃气温度/℃

压 比

空气流量/kg·s

NO

x

/mg·kg

-1

-1

联合循环时的性能对比

107FA

262.6

56

1327

15.5

430.9

9

107FB

280

57.3

1371

18.5

430.9

25

107H

400

60

1427

23

557.9

9

1.2 9F和9FA型燃气轮机

9F型燃气轮机是在7F型基础上采用模化原理设计出来的，模化系数为1.2。9F型燃气轮机也

经历了一系列发展过程，压比、燃气透平入口温度逐步提高，从而机组出力和效率也相应提高。

目前，最新型号的9F型机组（PG9351FA）简单循环出力达255.6MW，热效率为36.9％；联合 循

环机组S109FA型出力达390.8MW，效率为56.7％。表5列出9000系列主要机型的参数变化情况。

表5 9000系列主要机型的参数变化情况

基本参数

净出力/MW

净热耗率/kJ·（kWh）

压 比

燃气温度/℃

压气机级数

压气机流量/kg·s

透平级数

出厂日期

-1

-1

PG9281F

212

10535

13.5

1260

18

605.3

3

1993～1994

PG9311FA

226.5

10298

15.0

1288

18

607.2

3

1994

PG9351FA

255.6

9750

15.4

1327

18

645

3

1996

1.3 6FA型燃气轮机

90年代初，GE公司又将7FA型技术转移到已经有30多年运行经验的6B型机组上，开发出6FA

型机组。1993年开始设计6FA型，模化系数为0.69，得到了大流量压气机，同时将燃气温度提高

到1288℃。1995年第一台机组出厂，满足了市场对具有高效率的中等容量机组的需求。MS6001FA

型燃气轮机简单循环的额定功率为70MW，用于联合循环的功率为107MW。燃烧室数量由6B型的8

个减少到6个，减少了维修工作量。表6列出6FA和6B型机组的性能对比。

表6 6FA和6B型机组的性能对比

简单循环

基本参数

MS6001B

出力/MW

效率/%

39.2

31.8

MS6001FA

70.1

34.2

S106B

59.8

48.7

S106FA

107.1

52.8

联合循环

压 比

进气温度/℃

排气温度/℃

燃烧室个数

转速/r·min

-1

11.8

1104

541

8

5100

14.9

1288

597

6

5250

11.8

1104

538

8

5100

14.9

1288

597

6

5250

6FA型燃气轮机与6B型机组一样，通过齿轮箱可以将转速降低到3000r/min或3600r/mim，

以适应不同发电频率的要求。减速齿轮箱是由德国Renk AG公司研究开发的。

2 F级燃气轮机的结构特点

GE公司生产的重型燃气轮机在结构上彼此是非常相似的，F级燃气轮机的主要结构特点有：

（1）它们都是整体式结构型式。压气机、燃烧室和燃气透平都联接成为一个整体，安装在同

一个底座上。一些辅助设备，诸如润滑油系统、冷却水系统、燃料系统、启动机系统、传动齿轮

箱等也都安装在一个底座上，这样就能节省现场的安装时间和机组设备的运输费用。

（2）不同于B级和E级燃气轮机，F级燃气轮机改为由压气机侧的冷端输出功率的方案。这

样就可以使燃气透平实现轴向排气，其排气扩压器能直接与余热锅炉相联，有利于减小流阻损失，

但却会增大压气机的传扭负载。 （3）采用双轴承支承的方案，2个轴承分别位于压气机和燃

气透平转子的两端，这样可以使燃气轮机的总体结构最简单。

（4）压气机和透平均采用水平中分面结构，便于安装和检修。

2.1 压气机

GE公司F级燃气轮机所用的压气机，是由E型燃气轮机17级压气机按空气动力学模化原理设

计的，并增加了1个零级，由18级组成，压缩比为15左右。为了防止启动过程中压气机发生喘

振，压气机中都装有进口可转导叶和1～2个中间级的放气口，F级机组的放气口布置在第9和第

13级后。在联合循环方式运行时，进口可转导叶还能在一定负荷范围内确保透平前的燃气温度恒

定不变，以提高部分负荷时的效率。

压气机通流部分的前5级采用等内径的结构型式，其后各级则采用等外径的结构型式。由于

叶片外径增大，圆周速度增加，前2级为超音速级，相应的叶型设计为直线形薄叶片，以减小流

动损失。为适应空气流量与压缩比的增加，压气机叶片要求强度高，疲劳强度和衰减率大的材料。

在第0～8级，用新开发的强度高耐腐蚀的C-450材料代替以前的防腐涂层叶片。第9～17级采用

高温强化材料SUS403。压气机转子根据以前用15根通穿螺栓紧固的经验，采用多段积层结构与透

平转子结合成高刚性转子 ，其一阶弯曲振动频率为额定转速的125%。

压气机气缸除采用具有水平中分面外，还把气缸沿轴向分为2～3段。分段气缸结构的优点是：

由于前后段温度的不同，前后段可以采用不同材料；每段气缸比较短，便于气缸内表面静叶叶根

槽的加工；配合中间级防喘放气，在每段的接合处可以设计成为圈环状的放气口，使 气流均匀，

减少对叶片的激振力。

GE公司生产的燃气轮机，压气机的转子采用了外围拉杆螺栓联接的盘鼓式的转子结构型式。

盘鼓式的转子是把各级轮盘在接近轮缘处的鼓环，用多根细而长的拉杆螺栓彼此压紧而连接成为

一体的，因而它在接近轮缘处是一个转鼓，可以使转子具有很好的刚性。转子旋转时产生的离心

力则是依靠轮盘来承受的，致使这种转子也能具有很高的强度。压气机转子的拉杆数目大约为14～

18根不等。为了保证转子运行的安全和可靠，各轮盘之间必须有足够的压紧力，因而拉杆的预紧

力是很大的。

2.2 燃烧室

GE公司F级燃气轮机均采用其传统的逆流式分管型燃烧室，不同容量的机组配用不同数量的

燃烧室。GE公司提供2种燃烧室，一种是标准型的，可用于气体或各种液体燃料，一般都配置空

气雾化式的双燃料喷嘴，可带或不带用于降低NO

x

排放的或为增加出力的注水或注蒸气装置。另一

种是干式低NO

x

燃烧室，采用稀释态燃料预混干式低NO

x

燃烧技术，可用于气体或轻质液体燃料，

在燃烧天然气时NO

x

排放量低于25mg/kg，但是用于液体燃料时需要注水来降低NO

x

排放。

随着燃气透平前温度的提高，燃烧室出口过渡段的冷却必须加强。GE公司在F级燃气轮机上

专门设计了一种有冲击冷却效果的过渡段。该过渡段是双壳体型式的，内过渡段被一个钻有许多

小孔的外套包围着。从压气机来的空气通过这些小孔，形成射流去冲击冷却内过渡段。外套用

AISI-304不锈钢制成。内过渡段是用Nimonic263制作，并在其内表面喷涂耐热涂层。燃烧室的外

壳选用SA/516-55钢制造，火焰管的前段用HASTX/HS-188制造，火焰管尾部一段改用HS-188制

造，火焰管的内表面上均喷涂耐热涂层。

2.3 透平

GE公司F级燃气轮机的透平均采用3级轴流式透平，是运用GE公司航空技术进行设计的。随

着高温材料和冷却技术地不断发展，其进口燃气温度由最初的1260℃逐步提高到最新FA型的

1327℃和FB型的1371℃。

第1、2级动叶片与全部3级静叶片采用适应高温化的高性能空气冷却。压气机第13级抽气

用于透平第2、3级冷却后，作为转子冷却空气与密封空气使用。压气机第17级空气由通道内径

侧抽出，由于流场的离心作用，消除了气流中的有害粒子，清洁的抽气作为第1级冷却空气。利

用从另外的压气机引入的空气冷却透平轴承座和透平第3级叶根。透平第1级静叶片温度最高，

采用耐高温腐蚀与热疲劳强度高、焊接性能优良的Co基超合金FSX-414，第2、3级静叶片采用抗

蠕变与热疲劳强度高的Ni基超合金GTD-222。3级静叶片均采用精密铸造，第1级

静叶片内部有为冲击冷却用的金属插件，除冲击冷却外，前缘采用喷头冷却，内背弧采用气膜冷

却。第2级静叶片采用冲击冷却与强制对流冷却相结合，冷却空气从叶片后缘吹出。第3级静叶

片仅采用强制对流冷却。

3级动叶片均采用具有航空使用经验、高温强度好的γ相析出硬化型Ni基超合金GTD-111，

也采用精密铸造成型。使用环境严酷的第1级动叶片采用定向凝固的GTD-111DS，以控制径向晶界，

改善蠕变断裂强度。第1级动叶片是由先进的航空技术引进的蛇形通道对流冷却，冷却空气从叶

片底部输入，从叶顶和叶片后缘的轴向开口混入主流燃气，同时也通过叶片前缘与侧壁排出并形

成冷却气膜。9FA型机组透平第1级工作部分与叶根之间的长柄减轻了 通流部分向叶根的传热，

第2级动叶片采用以前从叶根到叶顶钻有许多冷却孔的强制对流冷却。第1级扇形护环是保持叶

顶最小间隙的主要部件，为改善低频热疲劳，护环的高温内侧与低温外侧采取分开结构，内侧护

环使用热疲劳强度好的材料IN-738，并采取冲击冷却、强制对流冷却与气膜冷却。热障涂层是延

长零件寿命不可缺少的高温化技术之一。为保护在高温下工作的透平叶片，对前2级叶片进行双

喷涂处理，即用真空等离子喷涂抑制腐蚀，用铂铝化合物喷涂抑制氧化。第3级叶片仅用Cr扩散

防腐涂层。

GE公司设计的燃气轮机中采用外围拉杆型式的透平转子，它们是依靠压紧面上的摩擦力传递

转矩的。每级轮盘上都轴向地开出枞树形叶根槽，用于安装动叶片。这种叶根槽的优点是多对齿

承力，强度高，承载能力大；尺寸紧凑，连接质量轻，可以使动叶片的叶根接近于等强度设计；

采用有间隙的松装结构，能自由热膨胀，可以让冷却空气从间隙中流过，增强了对叶根和轮盘轮

缘的冷却效果。

透平气缸采用双层结构并有空气进行冷却，其外层为气缸，内层则由静叶片的外缘板和护环

等元件组成，是一种承压件与承热件分开的结构型式。气缸与高温燃气隔绝，这样不仅可以有效

地降低气缸的工作温度，以便采用较差的材料，同时还能减少气缸的热膨胀量和热应力，并能减

少对气缸的热冲击，有利于机组的快速启动和加载，还有利于控制透平动叶片顶部径向间隙在运

行之中的变化。

2.4 关于F型燃气轮机转子故障问题

1994～1995年期间，一些7F和9F型机组在运行中出现了一些质量问题。后来GE公司经过分

析与改进，将很多机组返厂进行检修，基本解决了这些问题。出现的转子问题主要有：

（1）转子轮盘间扭转侧滑。转子轮盘间侧滑仅发生在一台7F型机组上，其原因是：在确定

用15根拉杆螺栓将多个轮盘结合在一起所需要的拉力时，设计者计算错误，致使施加给螺栓的 拉

力不够。GE公司对20多台运行中的机组增加了螺栓的拉力，问题就解决了。

（2）机组振动增大及拉杆问题。关于机组振动增大的问题，在7F、9F型机组中均有发生，

主要是由二方面原因造成的。其一，2～3级级间轮盘刚性太低，由于转子自身质量使转子轴线下

垂弯曲，运转时偏心质量力使转子振动较大，并使第2级和第3级叶轮与第2～3级级间轮盘发生

相对运动，使振动水平进一步扩大。这个问题主要出现在9F型机组中，通过更换一个刚性更高的

第2～3级级间轮盘，解决了这个问题。另外，9F型机组有5根拉杆螺栓出了问题，2根失效，3

根断裂。经调查，9F型机组的螺栓由2个供货商提供，出问题的5根螺栓都是其中一个

供货商的产品，原因是他们没有按规定的标准加工螺栓。GE公司已经取消了这个供货商的订货。

3 GE公司F级燃气轮机的运行业绩

截止到2000年8月，共有800台F级燃气轮机已安装或已订货，其中202台机组已累计运行

315万h。某台MS7001F型机组至今已累计运行超过55220h，并经历了2005次启动。MS9001FA型

机组运行最长的已达到35

798h，经历了725次启动。F级燃气轮机的运行业绩见表7。

表7 GE公司F级燃气轮机的业绩

已运行机组

机 型

/台

MS6001FA

典型单机

MS7001F/FA

典型单机

MS9001F/FA

典型单机

16

134

52

/h

214119

31133

1966800

55220

971206

35798

2471

368

50676

2005

12344

725

运行时间

启动次数

总 数

DLN燃机

典型单机

202

180

3152144

2960844

45734

65491

59245

2325

注：DLN是干式低NO

x

排放燃烧室。

1999年的一个可靠性统计数据表明，25台GE公司的7F和7FA型机组的平均可用率为89.3%，

而包括GE公司机组在内的53台同等级世界主要燃气轮机的平均可用率为84.9%。另外，GE公司

的7F和7FA型机组的平均可靠性为99.5%，而包括GE公司机组在内的同等级世界主要燃气轮机的

平均可靠性为95.7%。

MS9001FA型联合循环机组应用的里程碑是东京电力公司的1座总容量为2800MW电厂的8台

STAG109FA型机组。其中第一批2台机组于1996年1月并网发电，全部8台机组已于1998年投入

运行。这些机组每天开机停机运行，周末完全停机，以液化天然气（LNG）为燃料，采用蒸汽拖动

静态启动的方法，干式低NO

x

燃烧系统和干氨催化还原装置SCR可使NO

x

的排放量在满负荷运行时

减少到5mg/kg（氧含量为16%）。世界上容量最大的联合循环发电厂是韩国电力公司的Seoinchon

电厂。该厂一期有8台STAG107F型机组已累计商业运行约20万h，二期4台STAG 207FA型机组

现已安装就位，该厂总出力达到4000MW，效率大于55%。中国香港中华电力公司的龙鼓滩（Black

Point）电厂装有6台STAG 109FA型机组，总容量超过1800MW。

F级燃气轮机有较大的燃料适应性，可燃用蒸馏油和天然气，包括煤制气、液化天然气和液化

石油气（LPG）。机组启动后，燃料可以切换而不会导致性能损失。出力范围广，排气能量高，模

块式组合设计布置使得在联合循环和IGCC系统中F级燃气轮机能理想地适应多种多样的用途，包

括热电联产、地区供热或单纯发电。例如，美国佛罗里达州Tampa电力公司的Polk电站容量为250MW

的机组是以GE S107FA型燃气轮机为基础的IGCC机组。自1996年以来，该机组燃用合成煤气累

计运行了1万多h，电厂效率超过41%。1台6FA型机组用于加里福尼亚州Sierra Pacific电力公

司的Pinon Pine IGCC电站，也于2000年投入运行。