燃?xì)廨啓C(jī)變工況性能簡介

介紹

在變工況下，燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)能：不超溫，即從燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室到燃?xì)馔钙降娜細(xì)獬鯗豻3應(yīng)低于透平所允許的最大溫度值t3；不超速，即n應(yīng)低于轉(zhuǎn)子強(qiáng)度所允許的最大值n；壓氣機(jī)不喘振;同時(shí)還希望功率P降低時(shí)，效率η下降得較慢,并有利于實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)和加載等。燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)常是在變工況下運(yùn)行的，因而了解它的變工況性能，對(duì)于正確地設(shè)計(jì)、選擇和使用燃?xì)廨啓C(jī)都很重要。影響燃?xì)廨啓C(jī)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(dòng)過程和幾何形狀等因素。

不同軸系方案的影響　燃?xì)廨啓C(jī)的變工況性能，除與壓氣機(jī)、燃燒室和透平等部件的性能以及循環(huán)方式有關(guān)外，還與軸系方案密切有關(guān)。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(jī)和透平的排列組合各不相同，它們在變工況下相互匹配關(guān)系的變化也必然不同。負(fù)荷變化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的影響與壓氣機(jī)是否聯(lián)軸有關(guān)。單軸的聯(lián)軸，負(fù)荷的轉(zhuǎn)速變化直接影響壓氣機(jī)，對(duì)壓氣機(jī)工況影響較大；分軸和三軸的都不聯(lián)軸，負(fù)荷的轉(zhuǎn)速變化對(duì)壓氣機(jī)工況影響較小。因此，不同軸系方案燃?xì)廨啓C(jī)的變工況性能是不相同的。 　單軸燃?xì)廨啓C(jī)最簡單的燃?xì)廨啓C(jī)的性能,下角標(biāo)"0"表示設(shè)計(jì)值。陰影區(qū)為安全運(yùn)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(dòng)兩種典型負(fù)荷n=n0的恒速負(fù)荷和P∝n3的螺旋槳負(fù)荷(變速負(fù)荷)時(shí)的工作線,其中后者在低工況時(shí)因壓氣機(jī)喘振而不能運(yùn)行。在帶動(dòng)上述兩種負(fù)荷時(shí)效率η和燃?xì)獬鯗豻3的變化情況,它們都隨功率P的降低而下降。其中，對(duì)于簡單循環(huán),在帶動(dòng)上述兩種負(fù)荷時(shí)，η的變化相近；對(duì)于回?zé)嵫h(huán)（見燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)），在帶動(dòng)變速負(fù)荷時(shí)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(dòng)恒速負(fù)荷的η高得多。因此，單軸燃?xì)廨啓C(jī)在帶動(dòng)不同負(fù)荷時(shí)的性能差別較大，帶動(dòng)恒速負(fù)荷時(shí)能良好地運(yùn)行，而帶動(dòng)變速負(fù)荷時(shí)就可能出現(xiàn)喘振，使運(yùn)行受到限制。這種現(xiàn)象是由于壓氣機(jī)與負(fù)荷聯(lián)軸所致。此外，單軸燃?xì)廨啓C(jī)的扭矩性能差，輸出扭矩Μ隨著n的降低而下降,不能適應(yīng)車輛牽引負(fù)荷Μ增加的要求。

分軸燃?xì)廨啓C(jī)　它的透平分為兩個(gè)，一個(gè)帶動(dòng)壓氣機(jī)，一個(gè)作為動(dòng)力透平帶動(dòng)負(fù)荷，因而能避免單軸燃?xì)廨啓C(jī)中壓氣機(jī)與負(fù)荷聯(lián)軸的現(xiàn)象。在分軸方案中，壓氣機(jī)、燃燒室和高壓透平這3個(gè)部件組成燃?xì)獍l(fā)生器,供給動(dòng)力透平（即低壓透平）以一定壓力的高溫燃?xì)?。表示分軸燃?xì)廨啓C(jī)的性能。在陰影區(qū)內(nèi),一般能滿足t3≤t3，因而是安全運(yùn)行區(qū)。相比較,安全運(yùn)行區(qū)顯著擴(kuò)大，不僅在帶動(dòng)螺旋槳負(fù)荷時(shí)能良好地運(yùn)行,而且在輸出轉(zhuǎn)速n2為零時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)仍能運(yùn)行，這是單軸燃?xì)廨啓C(jī)無法做到的。在采用回?zé)嵫h(huán)時(shí)，分軸帶動(dòng)恒速負(fù)荷或變速負(fù)荷時(shí)，都與單軸帶動(dòng)變速負(fù)荷時(shí)的情況相似，即隨著P的降低η下降緩慢。 　對(duì)應(yīng)于具體的負(fù)荷，分軸燃?xì)廨啓C(jī)的扭矩性能,隨n2的降低,Μ增加,至n2=0時(shí)達(dá)到最大扭矩Μ。它比設(shè)計(jì)值Μ0大一倍以上,因而扭矩性能良好，這是單軸燃?xì)廨啓C(jī)無法比擬的。因此，分軸燃?xì)廨啓C(jī)還適用于車輛牽引負(fù)荷。

但在分軸燃?xì)廨啓C(jī)中，由于動(dòng)力透平不與壓氣機(jī)聯(lián)軸，在負(fù)荷功率變化時(shí)轉(zhuǎn)速易波動(dòng)，突甩負(fù)荷時(shí)易超速。因此，在電站帶動(dòng)發(fā)電機(jī)（恒速負(fù)荷）時(shí)，分軸燃?xì)廨啓C(jī)不如單軸的好。而且在低工況下，分軸燃?xì)廨啓C(jī)的n1下降較多，會(huì)出現(xiàn)壓氣機(jī)喘振問題，須采用放氣等防喘振措施。隨著燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)壓縮比的提高，喘振問題變得更為嚴(yán)重，必須用更有效的措施來避免喘振。

三軸燃?xì)廨啓C(jī) 　三軸燃?xì)廨啓C(jī)，是把分軸燃?xì)廨啓C(jī)中單轉(zhuǎn)子的燃?xì)獍l(fā)生器變?yōu)殡p轉(zhuǎn)子而得到的。它在P降低時(shí)，n1比n2下降得快，能協(xié)調(diào)高、低壓壓氣機(jī)的工作，使壓氣機(jī)在低工況下不易喘振,因而能選用比分軸燃?xì)廨啓C(jī)更高的設(shè)計(jì)壓縮比,以達(dá)到更高的效率。三軸燃?xì)廨啓C(jī)的變工況性能與分軸的相似，但隨著P的降低，η的下降會(huì)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(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的性能影響很大。例如單軸燃?xì)廨啓C(jī),當(dāng)ta由15℃降至－20℃時(shí)，P和η分別增加25～30%和5～8%左右；當(dāng)ta由15℃升高至40℃時(shí),P和η分別降低17～22%和5～8%左右。ta的變化還影響安全運(yùn)行區(qū),ta>tao時(shí)安全運(yùn)行區(qū)縮小,ta

因此，在夏季或熱帶地區(qū)，燃?xì)廨啓C(jī)的P和η都會(huì)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(jī)在高海拔地區(qū)P下降嚴(yán)重。因此，燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)恒速負(fù)荷時(shí)，加載過程的轉(zhuǎn)速基本不變，燃?xì)鉁囟茸兓鸬臒釕?yīng)力限制了加載的速度。單軸燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)變速負(fù)荷時(shí)，加載即加速，會(huì)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(duì)于分軸燃?xì)廨啓C(jī)，由于n1是變的，加載過程與單軸變轉(zhuǎn)速的相似。

起動(dòng)過程的影響　起動(dòng)過程是指燃?xì)廨啓C(jī)由靜止?fàn)顩r起動(dòng)、加速至空載工況的過程。開始時(shí)由起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)冷加速,到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速(單軸燃?xì)廨啓C(jī)是15～20%n0)時(shí),燃燒室中開始噴入燃料并點(diǎn)火燃燒，進(jìn)入熱加速階段。到脫扣轉(zhuǎn)速(單軸燃?xì)廨啓C(jī)是45～60%n0)后，起動(dòng)機(jī)脫開，燃?xì)廨啓C(jī)自己加速至空載工況。在起動(dòng)過程中，燃?xì)廨啓C(jī)由冷態(tài)變?yōu)闊釕B(tài)，熱應(yīng)力問題嚴(yán)重，形成熱沖擊，對(duì)壽命影響很大。此外還有喘振問題，壓氣機(jī)需要采取放氣等防喘振措施。

變幾何的影響　燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)和透平能達(dá)到這個(gè)目的。常用的變幾何是在壓氣機(jī)和透平中采用可轉(zhuǎn)動(dòng)的靜葉片（簡稱可調(diào)靜葉），使葉片的安裝角隨燃?xì)廨啓C(jī)工況的需要而變化。通常，把這種用可調(diào)靜葉的燃?xì)廨啓C(jī)叫做變幾何燃?xì)廨啓C(jī)。

壓氣機(jī)的可調(diào)靜葉用于進(jìn)氣端，主要是為了避免喘振，有利于燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)和擴(kuò)大安全運(yùn)行區(qū)。不少高壓縮比的壓氣機(jī)采用多列可調(diào)靜葉，以求更有效地改善壓氣機(jī)的性能。

透平可調(diào)靜葉，一般用于分軸燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力透平中。它能改善分軸燃?xì)廨啓C(jī)的加速性能和實(shí)現(xiàn)動(dòng)力制動(dòng)，在同時(shí)用回?zé)嵫h(huán)時(shí),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?xì)廨啓C(jī)一般都是有回?zé)岬淖儙缀畏州S燃?xì)廨啓C(jī)。

參考書目

И.В.柯特略爾著,樊介生、高椿譯:《燃?xì)廨啓C(jī)裝置的變動(dòng)工況》,上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,上海，1965。2100433B

中文名稱

燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率性能圖

英文名稱

gas turbine output performance diagram

定　　義

在不同壓氣機(jī)進(jìn)口溫度條件下的燃?xì)廨啓C(jī)基本負(fù)荷輸出功率性能曲線。

應(yīng)用學(xué)科

電力（一級(jí)學(xué)科），汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)（二級(jí)學(xué)科）

中文名稱

燃?xì)廨啓C(jī)熱力性能試驗(yàn)

英文名稱

gas turbine thermodynamic performance test

定　　義

對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)功率、熱耗率和效率等熱力性能指標(biāo)進(jìn)行的考核試驗(yàn)。

應(yīng)用學(xué)科

電力（一級(jí)學(xué)科），汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)（二級(jí)學(xué)科）

根據(jù)GB18285-2005點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)動(dòng)車保有量大、污染嚴(yán)重的地區(qū)所要求的，對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣排放檢測的檢測方法之一。

在底盤測功機(jī)上的測試運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)由 ASM5025 和 ASM2540 兩個(gè)工況組成。具體如圖《穩(wěn)態(tài)工況法(ASM)試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)》所示。

簡易工況法ASM5025

經(jīng)預(yù)熱后的車輛加速至 25.0km/h，測功機(jī)以車輛速度為 25.0km/h、加速度為 1.475m/s 時(shí)的輸出功率

的 50%作為設(shè)定功率對(duì)車輛加載，工況計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)（t=0s）。車輛以25.0 km/h 1.5km/h 的速度持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 5s，如果底盤測功機(jī)模擬的慣量值在計(jì)時(shí)開始后持續(xù) 3s 超出所規(guī)定誤差范圍，工況計(jì)時(shí)器將重新開始計(jì)時(shí)（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(yīng)時(shí)間進(jìn)行預(yù)置，（如果分析儀響應(yīng)時(shí)間為 10s，則預(yù)置時(shí)間為 10s，t=15）然后系統(tǒng)開始取樣，持續(xù)運(yùn)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(yùn)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(jī)以車輛速度為 40.0km/h，加速度為1.475m/s 時(shí)的輸出功率的25%作為設(shè)定功率對(duì)車輛加載。工況計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)（t=0s）。車輛以40.0 km/h 1.5km/h 的速度持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 5s，如果底盤測功機(jī)模擬的慣量值在計(jì)時(shí)開始后持續(xù) 3s超出所規(guī)定誤差范圍，工況計(jì)時(shí)器將重新開始計(jì)時(shí)（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(yīng)時(shí)間進(jìn)行預(yù)制，（如果分析儀響應(yīng)時(shí)間為 10s，則預(yù)時(shí)間為 10s，t=15）然后系統(tǒng)開始取樣，持續(xù)運(yùn)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(yùn)行至90s(t=90s)即為 ASM2540 工況。2100433B