燃气轮机变工况性能

介绍

在变工况下，燃气轮机应能：不超温，即从燃气轮机燃烧室到燃气透平的燃气初温t3应低于透平所允许的最大温度值t3；不超速，即n应低于转子强度所允许的最大值n；压气机不喘振;同时还希望功率P降低时，效率η下降得较慢,并有利于实现快速起动和加载等。燃气轮机经常是在变工况下运行的，因而了解它的变工况性能，对于正确地设计、选择和使用燃气轮机都很重要。影响燃气轮机变工况性能的有不同轴系方案、大气参数变化、加载过程、起动过程和几何形状等因素。

不同轴系方案的影响　燃气轮机的变工况性能，除与压气机、燃烧室和透平等部件的性能以及循环方式有关外，还与轴系方案密切有关。3种轴系方案中,以单轴和分轴方案用得最多。不同轴系方案中压气机和透平的排列组合各不相同，它们在变工况下相互匹配关系的变化也必然不同。负荷变化对燃气轮机的影响与压气机是否联轴有关。单轴的联轴，负荷的转速变化直接影响压气机，对压气机工况影响较大；分轴和三轴的都不联轴，负荷的转速变化对压气机工况影响较小。因此，不同轴系方案燃气轮机的变工况性能是不相同的。 　单轴燃气轮机最简单的燃气轮机的性能,下角标"0"表示设计值。阴影区为安全运行区，它由不超温、不超速和不喘振等限制线所围成，范围较小。还画出了带动两种典型负荷n=n0的恒速负荷和P∝n3的螺旋桨负荷(变速负荷)时的工作线,其中后者在低工况时因压气机喘振而不能运行。在带动上述两种负荷时效率η和燃气初温t3的变化情况,它们都随功率P的降低而下降。其中，对于简单循环,在带动上述两种负荷时，η的变化相近；对于回热循环（见燃气轮机循环），在带动变速负荷时随着P的降低，η的下降显著变慢，以至在P下降后的η比带动恒速负荷的η高得多。因此，单轴燃气轮机在带动不同负荷时的性能差别较大，带动恒速负荷时能良好地运行，而带动变速负荷时就可能出现喘振，使运行受到限制。这种现象是由于压气机与负荷联轴所致。此外，单轴燃气轮机的扭矩性能差，输出扭矩Μ随着n的降低而下降,不能适应车辆牵引负荷Μ增加的要求。

分轴燃气轮机　它的透平分为两个，一个带动压气机，一个作为动力透平带动负荷，因而能避免单轴燃气轮机中压气机与负荷联轴的现象。在分轴方案中，压气机、燃烧室和高压透平这3个部件组成燃气发生器,供给动力透平（即低压透平）以一定压力的高温燃气。表示分轴燃气轮机的性能。在阴影区内,一般能满足t3≤t3，因而是安全运行区。相比较,安全运行区显著扩大，不仅在带动螺旋桨负荷时能良好地运行,而且在输出转速n2为零时,燃气轮机仍能运行，这是单轴燃气轮机无法做到的。在采用回热循环时，分轴带动恒速负荷或变速负荷时，都与单轴带动变速负荷时的情况相似，即随着P的降低η下降缓慢。 　对应于具体的负荷，分轴燃气轮机的扭矩性能,随n2的降低,Μ增加,至n2=0时达到最大扭矩Μ。它比设计值Μ0大一倍以上,因而扭矩性能良好，这是单轴燃气轮机无法比拟的。因此，分轴燃气轮机还适用于车辆牵引负荷。

但在分轴燃气轮机中，由于动力透平不与压气机联轴，在负荷功率变化时转速易波动，突甩负荷时易超速。因此，在电站带动发电机（恒速负荷）时，分轴燃气轮机不如单轴的好。而且在低工况下，分轴燃气轮机的n1下降较多，会出现压气机喘振问题，须采用放气等防喘振措施。随着燃气轮机设计压缩比的提高，喘振问题变得更为严重，必须用更有效的措施来避免喘振。

三轴燃气轮机 　三轴燃气轮机，是把分轴燃气轮机中单转子的燃气发生器变为双转子而得到的。它在P降低时，n1比n2下降得快，能协调高、低压压气机的工作，使压气机在低工况下不易喘振,因而能选用比分轴燃气轮机更高的设计压缩比,以达到更高的效率。三轴燃气轮机的变工况性能与分轴的相似，但随着P的降低，η的下降会比分轴的缓慢一些。

大气参数变化的影响　大气温度ta和大气压力pa的变化对燃气轮机的性能影响很大。例如单轴燃气轮机,当ta由15℃降至－20℃时，P和η分别增加25～30%和5～8%左右；当ta由15℃升高至40℃时,P和η分别降低17～22%和5～8%左右。ta的变化还影响安全运行区,ta>tao时安全运行区缩小,ta

因此，在夏季或热带地区，燃气轮机的P和η都会降低，在冬季或寒带地区则提高。在高海拔地区，pa和ta均低，前者使P下降,后者则使P下降的程度变小,且使η提高。而活塞式内燃机在高海拔地区P下降严重。因此，燃气轮机适用于高海拔地区。

加载过程的影响　加载属于过渡过程。单轴燃气轮机带动恒速负荷时，加载过程的转速基本不变，燃气温度变化引起的热应力限制了加载的速度。单轴燃气轮机带动变速负荷时，加载即加速，会多消耗一些功来使转子加速，故t3较高，有可能超温和引起喘振。对于分轴燃气轮机，由于n1是变的，加载过程与单轴变转速的相似。

起动过程的影响　起动过程是指燃气轮机由静止状况起动、加速至空载工况的过程。开始时由起动机带动燃气轮机冷加速,到点火转速(单轴燃气轮机是15～20%n0)时,燃烧室中开始喷入燃料并点火燃烧，进入热加速阶段。到脱扣转速(单轴燃气轮机是45～60%n0)后，起动机脱开，燃气轮机自己加速至空载工况。在起动过程中，燃气轮机由冷态变为热态，热应力问题严重，形成热冲击，对寿命影响很大。此外还有喘振问题，压气机需要采取放气等防喘振措施。

变几何的影响　燃气轮机的变工况性能，还可通过控制部件性能在变工况下的变化来改善。采用通流部分的几何形状能够变化（简称变几何）的压气机和透平能达到这个目的。常用的变几何是在压气机和透平中采用可转动的静叶片（简称可调静叶），使叶片的安装角随燃气轮机工况的需要而变化。通常，把这种用可调静叶的燃气轮机叫做变几何燃气轮机。

压气机的可调静叶用于进气端，主要是为了避免喘振，有利于燃气轮机的起动和扩大安全运行区。不少高压缩比的压气机采用多列可调静叶，以求更有效地改善压气机的性能。

透平可调静叶，一般用于分轴燃气轮机的动力透平中。它能改善分轴燃气轮机的加速性能和实现动力制动，在同时用回热循环时,还能使η在宽广的P变化范围内下降得不多。因此，车辆燃气轮机一般都是有回热的变几何分轴燃气轮机。

参考书目

И.В.柯特略尔著,樊介生、高椿译:《燃气轮机装置的变动工况》,上海科学技术出版社,上海，1965。2100433B

中文名称

燃气轮机输出功率性能图

英文名称

gas turbine output performance diagram

定　　义

在不同压气机进口温度条件下的燃气轮机基本负荷输出功率性能曲线。

应用学科

电力（一级学科），汽轮机、燃气轮机（二级学科）

中文名称

燃气轮机热力性能试验

英文名称

gas turbine thermodynamic performance test

定　　义

对燃气轮机功率、热耗率和效率等热力性能指标进行的考核试验。

应用学科

电力（一级学科），汽轮机、燃气轮机（二级学科）

根据GB18285-2005点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）在机动车保有量大、污染严重的地区所要求的，对机动车尾气排放检测的检测方法之一。

在底盘测功机上的测试运转循环由 ASM5025 和 ASM2540 两个工况组成。具体如图《稳态工况法(ASM)试验运转循环》所示。

简易工况法ASM5025

经预热后的车辆加速至 25.0km/h，测功机以车辆速度为 25.0km/h、加速度为 1.475m/s 时的输出功率

的 50%作为设定功率对车辆加载，工况计时器开始计时（t=0s）。车辆以25.0 km/h 1.5km/h 的速度持续运转 5s，如果底盘测功机模拟的惯量值在计时开始后持续 3s 超出所规定误差范围，工况计时器将重新开始计时（t=0）。如果再次出现该情况，检测将被停止。系统将根据分析仪最长响应时间进行预置，（如果分析仪响应时间为 10s，则预置时间为 10s，t=15）然后系统开始取样，持续运行 10s（t=25s）即为 ASM5025 快速检查工况。ASM5025 快速检查工况结束后继续运行至 90s（t=90s）即为 ASM5025工况。

简易工况法ASM2540

ASM5025 工况检测结束后车辆立即加速至 40.0km/h，测功机以车辆速度为 40.0km/h，加速度为1.475m/s 时的输出功率的25%作为设定功率对车辆加载。工况计时器开始计时（t=0s）。车辆以40.0 km/h 1.5km/h 的速度持续运转 5s，如果底盘测功机模拟的惯量值在计时开始后持续 3s超出所规定误差范围，工况计时器将重新开始计时（t=0）。如果再次出现该情况，检测将被停止。系统将根据分析仪最长响应时间进行预制，（如果分析仪响应时间为 10s，则预时间为 10s，t=15）然后系统开始取样，持续运行10s（t=25s）即为ASM2540快速检查工况。ASM2540快速检查工况结束后继续运行至90s(t=90s)即为 ASM2540 工况。2100433B