燃氣輪機變工況性能

介紹

在變工況下，燃氣輪機應能：不超溫，即從燃氣輪機燃燒室到燃氣透平的燃氣初溫t3應低于透平所允許的最大溫度值t3；不超速，即n應低于轉(zhuǎn)子強度所允許的最大值n；壓氣機不喘振;同時還希望功率P降低時，效率η下降得較慢,并有利于實現(xiàn)快速起動和加載等。燃氣輪機經(jīng)常是在變工況下運行的，因而了解它的變工況性能，對于正確地設計、選擇和使用燃氣輪機都很重要。影響燃氣輪機變工況性能的有不同軸系方案、大氣參數(shù)變化、加載過程、起動過程和幾何形狀等因素。

不同軸系方案的影響　燃氣輪機的變工況性能，除與壓氣機、燃燒室和透平等部件的性能以及循環(huán)方式有關外，還與軸系方案密切有關。3種軸系方案中,以單軸和分軸方案用得最多。不同軸系方案中壓氣機和透平的排列組合各不相同，它們在變工況下相互匹配關系的變化也必然不同。負荷變化對燃氣輪機的影響與壓氣機是否聯(lián)軸有關。單軸的聯(lián)軸，負荷的轉(zhuǎn)速變化直接影響壓氣機，對壓氣機工況影響較大；分軸和三軸的都不聯(lián)軸，負荷的轉(zhuǎn)速變化對壓氣機工況影響較小。因此，不同軸系方案燃氣輪機的變工況性能是不相同的。 　單軸燃氣輪機最簡單的燃氣輪機的性能,下角標"0"表示設計值。陰影區(qū)為安全運行區(qū)，它由不超溫、不超速和不喘振等限制線所圍成，范圍較小。還畫出了帶動兩種典型負荷n=n0的恒速負荷和P∝n3的螺旋槳負荷(變速負荷)時的工作線,其中后者在低工況時因壓氣機喘振而不能運行。在帶動上述兩種負荷時效率η和燃氣初溫t3的變化情況,它們都隨功率P的降低而下降。其中，對于簡單循環(huán),在帶動上述兩種負荷時，η的變化相近；對于回熱循環(huán)（見燃氣輪機循環(huán)），在帶動變速負荷時隨著P的降低，η的下降顯著變慢，以至在P下降后的η比帶動恒速負荷的η高得多。因此，單軸燃氣輪機在帶動不同負荷時的性能差別較大，帶動恒速負荷時能良好地運行，而帶動變速負荷時就可能出現(xiàn)喘振，使運行受到限制。這種現(xiàn)象是由于壓氣機與負荷聯(lián)軸所致。此外，單軸燃氣輪機的扭矩性能差，輸出扭矩Μ隨著n的降低而下降,不能適應車輛牽引負荷Μ增加的要求。

分軸燃氣輪機　它的透平分為兩個，一個帶動壓氣機，一個作為動力透平帶動負荷，因而能避免單軸燃氣輪機中壓氣機與負荷聯(lián)軸的現(xiàn)象。在分軸方案中，壓氣機、燃燒室和高壓透平這3個部件組成燃氣發(fā)生器,供給動力透平（即低壓透平）以一定壓力的高溫燃氣。表示分軸燃氣輪機的性能。在陰影區(qū)內(nèi),一般能滿足t3≤t3，因而是安全運行區(qū)。相比較,安全運行區(qū)顯著擴大，不僅在帶動螺旋槳負荷時能良好地運行,而且在輸出轉(zhuǎn)速n2為零時,燃氣輪機仍能運行，這是單軸燃氣輪機無法做到的。在采用回熱循環(huán)時，分軸帶動恒速負荷或變速負荷時，都與單軸帶動變速負荷時的情況相似，即隨著P的降低η下降緩慢。 　對應于具體的負荷，分軸燃氣輪機的扭矩性能,隨n2的降低,Μ增加,至n2=0時達到最大扭矩Μ。它比設計值Μ0大一倍以上,因而扭矩性能良好，這是單軸燃氣輪機無法比擬的。因此，分軸燃氣輪機還適用于車輛牽引負荷。

但在分軸燃氣輪機中，由于動力透平不與壓氣機聯(lián)軸，在負荷功率變化時轉(zhuǎn)速易波動，突甩負荷時易超速。因此，在電站帶動發(fā)電機（恒速負荷）時，分軸燃氣輪機不如單軸的好。而且在低工況下，分軸燃氣輪機的n1下降較多，會出現(xiàn)壓氣機喘振問題，須采用放氣等防喘振措施。隨著燃氣輪機設計壓縮比的提高，喘振問題變得更為嚴重，必須用更有效的措施來避免喘振。

三軸燃氣輪機 　三軸燃氣輪機，是把分軸燃氣輪機中單轉(zhuǎn)子的燃氣發(fā)生器變?yōu)殡p轉(zhuǎn)子而得到的。它在P降低時，n1比n2下降得快，能協(xié)調(diào)高、低壓壓氣機的工作，使壓氣機在低工況下不易喘振,因而能選用比分軸燃氣輪機更高的設計壓縮比,以達到更高的效率。三軸燃氣輪機的變工況性能與分軸的相似，但隨著P的降低，η的下降會比分軸的緩慢一些。

大氣參數(shù)變化的影響　大氣溫度ta和大氣壓力pa的變化對燃氣輪機的性能影響很大。例如單軸燃氣輪機,當ta由15℃降至－20℃時，P和η分別增加25～30%和5～8%左右；當ta由15℃升高至40℃時,P和η分別降低17～22%和5～8%左右。ta的變化還影響安全運行區(qū),ta>tao時安全運行區(qū)縮小,ta

因此，在夏季或熱帶地區(qū)，燃氣輪機的P和η都會降低，在冬季或寒帶地區(qū)則提高。在高海拔地區(qū)，pa和ta均低，前者使P下降,后者則使P下降的程度變小,且使η提高。而活塞式內(nèi)燃機在高海拔地區(qū)P下降嚴重。因此，燃氣輪機適用于高海拔地區(qū)。

加載過程的影響　加載屬于過渡過程。單軸燃氣輪機帶動恒速負荷時，加載過程的轉(zhuǎn)速基本不變，燃氣溫度變化引起的熱應力限制了加載的速度。單軸燃氣輪機帶動變速負荷時，加載即加速，會多消耗一些功來使轉(zhuǎn)子加速，故t3較高，有可能超溫和引起喘振。對于分軸燃氣輪機，由于n1是變的，加載過程與單軸變轉(zhuǎn)速的相似。

起動過程的影響　起動過程是指燃氣輪機由靜止狀況起動、加速至空載工況的過程。開始時由起動機帶動燃氣輪機冷加速,到點火轉(zhuǎn)速(單軸燃氣輪機是15～20%n0)時,燃燒室中開始噴入燃料并點火燃燒，進入熱加速階段。到脫扣轉(zhuǎn)速(單軸燃氣輪機是45～60%n0)后，起動機脫開，燃氣輪機自己加速至空載工況。在起動過程中，燃氣輪機由冷態(tài)變?yōu)闊釕B(tài)，熱應力問題嚴重，形成熱沖擊，對壽命影響很大。此外還有喘振問題，壓氣機需要采取放氣等防喘振措施。

變幾何的影響　燃氣輪機的變工況性能，還可通過控制部件性能在變工況下的變化來改善。采用通流部分的幾何形狀能夠變化（簡稱變幾何）的壓氣機和透平能達到這個目的。常用的變幾何是在壓氣機和透平中采用可轉(zhuǎn)動的靜葉片（簡稱可調(diào)靜葉），使葉片的安裝角隨燃氣輪機工況的需要而變化。通常，把這種用可調(diào)靜葉的燃氣輪機叫做變幾何燃氣輪機。

壓氣機的可調(diào)靜葉用于進氣端，主要是為了避免喘振，有利于燃氣輪機的起動和擴大安全運行區(qū)。不少高壓縮比的壓氣機采用多列可調(diào)靜葉，以求更有效地改善壓氣機的性能。

透平可調(diào)靜葉，一般用于分軸燃氣輪機的動力透平中。它能改善分軸燃氣輪機的加速性能和實現(xiàn)動力制動，在同時用回熱循環(huán)時,還能使η在寬廣的P變化范圍內(nèi)下降得不多。因此，車輛燃氣輪機一般都是有回熱的變幾何分軸燃氣輪機。

參考書目

И.В.柯特略爾著,樊介生、高椿譯:《燃氣輪機裝置的變動工況》,上海科學技術出版社,上海，1965。2100433B

中文名稱

燃氣輪機輸出功率性能圖

英文名稱

gas turbine output performance diagram

定　　義

在不同壓氣機進口溫度條件下的燃氣輪機基本負荷輸出功率性能曲線。

應用學科

電力（一級學科），汽輪機、燃氣輪機（二級學科）

中文名稱

燃氣輪機熱力性能試驗

英文名稱

gas turbine thermodynamic performance test

定　　義

對燃氣輪機功率、熱耗率和效率等熱力性能指標進行的考核試驗。

應用學科

電力（一級學科），汽輪機、燃氣輪機（二級學科）

根據(jù)GB18285-2005點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）在機動車保有量大、污染嚴重的地區(qū)所要求的，對機動車尾氣排放檢測的檢測方法之一。

在底盤測功機上的測試運轉(zhuǎn)循環(huán)由 ASM5025 和 ASM2540 兩個工況組成。具體如圖《穩(wěn)態(tài)工況法(ASM)試驗運轉(zhuǎn)循環(huán)》所示。

簡易工況法ASM5025

經(jīng)預熱后的車輛加速至 25.0km/h，測功機以車輛速度為 25.0km/h、加速度為 1.475m/s 時的輸出功率

的 50%作為設定功率對車輛加載，工況計時器開始計時（t=0s）。車輛以25.0 km/h 1.5km/h 的速度持續(xù)運轉(zhuǎn) 5s，如果底盤測功機模擬的慣量值在計時開始后持續(xù) 3s 超出所規(guī)定誤差范圍，工況計時器將重新開始計時（t=0）。如果再次出現(xiàn)該情況，檢測將被停止。系統(tǒng)將根據(jù)分析儀最長響應時間進行預置，（如果分析儀響應時間為 10s，則預置時間為 10s，t=15）然后系統(tǒng)開始取樣，持續(xù)運行 10s（t=25s）即為 ASM5025 快速檢查工況。ASM5025 快速檢查工況結(jié)束后繼續(xù)運行至 90s（t=90s）即為 ASM5025工況。

簡易工況法ASM2540

ASM5025 工況檢測結(jié)束后車輛立即加速至 40.0km/h，測功機以車輛速度為 40.0km/h，加速度為1.475m/s 時的輸出功率的25%作為設定功率對車輛加載。工況計時器開始計時（t=0s）。車輛以40.0 km/h 1.5km/h 的速度持續(xù)運轉(zhuǎn) 5s，如果底盤測功機模擬的慣量值在計時開始后持續(xù) 3s超出所規(guī)定誤差范圍，工況計時器將重新開始計時（t=0）。如果再次出現(xiàn)該情況，檢測將被停止。系統(tǒng)將根據(jù)分析儀最長響應時間進行預制，（如果分析儀響應時間為 10s，則預時間為 10s，t=15）然后系統(tǒng)開始取樣，持續(xù)運行10s（t=25s）即為ASM2540快速檢查工況。ASM2540快速檢查工況結(jié)束后繼續(xù)運行至90s(t=90s)即為 ASM2540 工況。2100433B