燃氣輪機變工況性能

在外界負荷和大氣溫度等變化時，燃氣輪機的功率P、轉速 n和效率η等參數都相應變化，使燃氣輪機處在偏離設計工況的變工況下運行。這時燃氣輪機各個參數的變化情況、運行的安全性以及起動和載入性能等，統稱為燃氣輪機變工況性能。

基本介紹

• 中文名：燃氣輪機變工況性能
• 溫度變化：功率P、轉速 n和效率η等參數
• 透平：兩個
• 參考書目：燃氣輪機裝置的變動工況

正文

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應低於透平所允許的最大溫度值t3；不超速，即n應低於轉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,並有利於實現快速起動和載入等。燃氣輪機經常是在變工況下運行的，因而了解它的變工況性能，對於正確地設計、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、大氣參數變化、載入過程、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方式有關外，還與軸系方案密切有關。圖1的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係的變化也必然不同。負荷變化對燃氣輪機的影響與壓氣機是否聯軸有關。單軸的聯軸，負荷的轉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軸，負荷的轉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　圖2為最簡單的燃氣輪機的性能,下角標"0"表示設計值。圖2a中的陰影區為安全運行區，它由不超溫、不超速和不喘振等限制線所圍成，範圍較小。圖中還畫出了帶動兩種典型負荷n=n0的恆速負荷和P∝n3的螺旋槳負荷(變速負荷)時的工作線,其中後者在低工況時因壓氣機喘振而不能運行。圖2b是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，對於簡單循環,在帶動上述兩種負荷時，η的變化相近；對於回熱循環（見燃氣輪機循環），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下降後的η比帶動恆速負荷的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，帶動恆速負荷時能良好地運行，而帶動變速負荷時就可能出現喘振，使運行受到限制。這種現象是由於壓氣機與負荷聯軸所致。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軸的現象。在圖1的分軸方案中，壓氣機、燃燒室和高壓透平這3個部件組成燃氣發生器,供給動力透平（即低壓透平）以一定壓力的高溫燃氣。圖3表示分軸燃氣輪機的性能。在圖3a中的陰影區內,一般能滿足t3≤t3，因而是安全運行區。與圖2a相比較,圖3a的安全運行區顯著擴大，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。在採用回熱循環時，分軸帶動恆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。 　對應於具體的負荷，有圖3b的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於車輛牽引負荷。
但在分軸燃氣輪機中，由於動力透平不與壓氣機聯軸，在負荷功率變化時轉速易波動，突甩負荷時易超速。因此，在電站帶動發電機（恆速負荷）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，會出現壓氣機喘振問題，須採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 　圖1為三軸燃氣輪機，是把分軸燃氣輪機中單轉子的燃氣發生器變為雙轉子而得到的。它在P降低時，n1比n2下降得快，能協調高、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,ta>tao時安全運行區縮小,ta<tao時則擴大。η基本不受pa變化的影響，而P則大體上正比於pa的變化。對於分軸和多軸的燃氣輪機來說，ta和pa的變化對其性能的影響與單軸的相似。
因此，在夏季或熱帶地區，燃氣輪機的P和η都會降低，在冬季或寒帶地區則提高。在高海拔地區，pa和ta均低，前者使P下降,後者則使P下降的程度變小,且使η提高。而活塞式內燃機在高海拔地區P下降嚴重。因此，燃氣輪機適用於高海拔地區。
載入過程的影響　載入屬於過渡過程。單軸燃氣輪機帶動恆速負荷時，載入過程的轉速基本不變，燃氣溫度變化引起的熱應力限制了載入的速度。單軸燃氣輪機帶動變速負荷時，載入即加速，會多消耗一些功來使轉子加速，故t3較高，有可能超溫和引起喘振。對於分軸燃氣輪機，由於n1是變的，載入過程與單軸變轉速的相似。
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,到點火轉速(單軸燃氣輪機是15～20%n0)時,燃燒室中開始噴入燃料並點火燃燒，進入熱加速階段。到脫扣轉速(單軸燃氣輪機是45～60%n0)後，起動機脫開，燃氣輪機自己加速至空載工況。在起動過程中，燃氣輪機由冷態變為熱態，熱應力問題嚴重，形成熱衝擊，對壽命影響很大。此外還有喘振問題，壓氣機需要採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。採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採用可轉動的靜葉片（簡稱可調靜葉），使葉片的安裝角隨燃氣輪機工況的需要而變化。通常，把這種用可調靜葉的燃氣輪機叫做變幾何燃氣輪機。
壓氣機的可調靜葉用於進氣端，主要是為了避免喘振，有利於燃氣輪機的起動和擴大安全運行區。不少高壓縮比的壓氣機採用多列可調靜葉，以求更有效地改善壓氣機的性能。
透平可調靜葉，一般用於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動力制動，在同時用回熱循環時,還能使η在寬廣的P變化範圍內下降得不多。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。