提高燃?xì)廨啓C(jī)性能的技術(shù)措施研究

李迎賓 熊偉 郭宏亮

摘 要：燃?xì)廨啓C(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要部件，提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能對(duì)提高現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)起到促進(jìn)作用。燃?xì)廨啓C(jī)（Gas Turbine）是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)在現(xiàn)代工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。本論文主要從采用高循環(huán)參數(shù)、改善部件結(jié)構(gòu)及性能、采用先進(jìn)的熱力循環(huán)闡述提高燃?xì)廨啓C(jī)性能的技術(shù)措施研究，希望為研究燃?xì)廨啓C(jī)性能的專家和學(xué)者提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)性能;技術(shù);措施研究

燃?xì)廨啓C(jī)是一類熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用，并且具有優(yōu)越的發(fā)展趨勢(shì)。燃?xì)廨啓C(jī)的性能對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的工作質(zhì)量等因素有一定的影響，必須科學(xué)有效的提供燃?xì)廨啓C(jī)的性能，這對(duì)提高燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用效率，提高工作質(zhì)量都起到重要作用，提高燃?xì)廨啓C(jī)性能主要從參數(shù)、部件、循環(huán)方式等方面進(jìn)行闡述，并且利用現(xiàn)代科技水平進(jìn)行改良，這是提高燃?xì)廨啓C(jī)性能的基本因素，也是保障燃?xì)廨啓C(jī)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮其職能，提高現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量。

1采用高循環(huán)參數(shù)

改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)的參數(shù)是提高燃?xì)廨啓C(jī)的有效方式，其主要參數(shù)熱功率、比功、壓比、渦輪進(jìn)口溫度等。每個(gè)參數(shù)的改變對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的性能都有一定的影響。尤其高循環(huán)參數(shù)渦輪進(jìn)口溫度的提升對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的著火點(diǎn)有一定的影響。渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到一定的溫度，比如溫度達(dá)到62度，這是民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需要的渦輪進(jìn)口的溫度，高循環(huán)參數(shù)渦輪進(jìn)口溫度與燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用有一定的關(guān)系，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的性能，科學(xué)有效的對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)高循環(huán)參數(shù)渦輪進(jìn)口溫度的調(diào)節(jié)，以適合燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用，促進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，提高其燃?xì)廨啓C(jī)的性能，保障現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量。此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率一致，燃料量的變化不引起轉(zhuǎn)速變化。但燃料量波動(dòng)會(huì)影響燃機(jī)的負(fù)荷輸出并引起 SPREF 波動(dòng)，SPREF 與燃料量給定值之間產(chǎn)生自循環(huán)，放大波動(dòng)。因?yàn)槿紮C(jī)本身有一定的熱容量且 SPREF 生成過程中有一定的緩沖算法，波動(dòng)現(xiàn)象會(huì)被弱化。對(duì)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，余熱鍋爐的熱容量更能緩和負(fù)荷波動(dòng)。綜上，帶載階段燃料量的波動(dòng)對(duì)機(jī)組造成的負(fù)荷波動(dòng)也很小，尤其對(duì)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，可能會(huì)小于升速階段。

2改善部件結(jié)構(gòu)及性能

2.1 壓氣機(jī)部件

壓氣機(jī)部件是燃?xì)廨啓C(jī)的主要部件，燃?xì)廨啓C(jī)在工作的過程中，壓氣機(jī)通過壓縮對(duì)空氣進(jìn)行做功，提高燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)械效率，必須減少壓縮功，提高有用功的機(jī)械效率，機(jī)械效率越高，燃?xì)廨啓C(jī)的性能越好，其在實(shí)際工作的過程中能更好的發(fā)揮燃?xì)廨啓C(jī)的作用。部分燃?xì)廨啓C(jī)（如艦船用、應(yīng)急發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)）對(duì)機(jī)動(dòng)性要求較高，這勢(shì)必要求壓氣機(jī)有較高的喘振裕度，否則，在加減速過程中就會(huì)發(fā)生喘振。超、跨聲級(jí)壓氣機(jī)的最大工作特點(diǎn)是“強(qiáng)烈的三維效應(yīng)”，即氣流通過壓氣機(jī)工作輪形成沿葉高不等功和不等熵的復(fù)雜的三維流場(chǎng)，會(huì)增大二次流動(dòng)損失和徑向間隙損失，還會(huì)新生激波損失。燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的范圍比較廣，壓氣機(jī)部件在實(shí)際的應(yīng)用過程中根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)改變，比如部分重型燃?xì)廨啓C(jī)在航海等領(lǐng)域中的應(yīng)用，其壓縮比例也在增大，改善了三維流相應(yīng)的效果，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用，符合現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。

2.2渦輪部件

渦輪燃?xì)廨啓C(jī)的重要部件，改變渦輪部件的參數(shù)對(duì)提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能起到重要作用。渦輪部件的效率對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)的影響非常顯著，應(yīng)盡量提高該參數(shù);在參數(shù)提高的過程中，需要根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用科學(xué)有效的進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。同時(shí)，由于渦輪部件是熱端部件，采用的是極其昂貴的耐熱合金而且制造技術(shù)復(fù)雜，盡量減少渦輪部件的級(jí)數(shù)可以大幅節(jié)省成本。燃燒室部件從提高性能的角度來講，燃燒室主要是減少壓力損失，提高燃燒效率，提高加溫比，減少冷卻空氣量。但對(duì)于當(dāng)前的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室來講，減少污染物排放是一個(gè)更為重要的技術(shù)指標(biāo)?，F(xiàn)代工業(yè)在生產(chǎn)的過程中都要注重保護(hù)生態(tài)環(huán)境，現(xiàn)在國家對(duì)企業(yè)環(huán)評(píng)基本實(shí)行一票否決制，環(huán)評(píng)不合格企業(yè)不能生產(chǎn)。

3采用先進(jìn)的熱力循環(huán)

3.1回?zé)嵫h(huán)

回?zé)嵫h(huán)是熱力循環(huán)的一種方式，提高機(jī)組效率的有效途徑，通常采用余熱的方式完成回?zé)嵫h(huán)。通常是在簡(jiǎn)單循環(huán)基礎(chǔ)上增加一個(gè)換熱器。其可利用渦輪排出的廢氣對(duì)進(jìn)入燃燒室的高壓空氣預(yù)熱，預(yù)熱后的高壓空氣再進(jìn)入燃燒室進(jìn)一步參加燃燒以提高溫度。溫度提升對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的工作性能起到基本保障，有助于提升其工作效率。而在保持相同渦輪進(jìn)口溫度條件下可以減少燃料消耗量，增加熱效率達(dá) 15%～20%。熱效率的提升對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)械效率提升起到促進(jìn)作用，同時(shí)對(duì)于高渦輪排氣溫度的燃?xì)廨啓C(jī)效果更為顯著。高渦輪排氣溫度的燃?xì)廨啓C(jī)是對(duì)溫度有一定的要求，回?zé)嵫h(huán)能更加科學(xué)有效的提升高渦輪排氣溫度，有助于提高工作效率。

3.2 再熱循環(huán)

再熱循環(huán)也是熱力循環(huán)中的一種，其對(duì)提高燃?xì)廨啓C(jī)的工作效率起到重要作用。再熱循環(huán)是通過增大渦輪膨脹功，提高燃?xì)廨啓C(jī)的比功。比功的提升對(duì)全面提升再熱循環(huán)起到促進(jìn)作用，一般是在高低壓渦輪之間增加一個(gè)燃燒室，對(duì)從高壓渦輪流出的燃?xì)庠俅喂┯腿紵?，然后燃?xì)膺M(jìn)入低壓渦輪，因此稱為再熱循環(huán)。再熱循環(huán)的應(yīng)用對(duì)提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能起到促進(jìn)作用，有效提高工作效率，保障工作質(zhì)量。

3.3間冷循環(huán)

間冷循環(huán)是熱力循環(huán)中的一種。一般是將燃機(jī)的壓氣機(jī)分成高低壓兩個(gè)部分，在其間增設(shè)一個(gè)中間冷卻器，利用水或其他介質(zhì)對(duì)從低壓壓氣機(jī)中流出的空氣進(jìn)行冷卻，然后送入高壓壓氣機(jī)而組成中間冷卻循環(huán)（或稱間冷循環(huán)）。

3.4蒸汽回注循環(huán)

該循環(huán)又稱程氏循環(huán)，是利用燃?xì)鈱?duì)換熱器內(nèi)經(jīng)過水質(zhì)處理的水加熱，使其成為過熱蒸汽，從不同部位（從燃燒室至渦輪前某處）注入一定量蒸汽，與壓氣機(jī)供入空氣一起加熱到渦輪進(jìn)口溫度，再一同流經(jīng)渦輪并進(jìn)行膨脹做功。

總之，F(xiàn) 型燃?xì)廨啓C(jī)及其改進(jìn)型是我國目前的主力燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組。燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組調(diào)峰的靈活性也意味著燃料的波動(dòng)帶來的輸出能量波動(dòng)明顯。結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理和控制邏輯可以對(duì)不同階段燃?xì)廨啓C(jī)的“靈活”性進(jìn)行分析，進(jìn)而得到一些運(yùn)行和故障判斷的指導(dǎo)建議，同時(shí)進(jìn)一步提高我們對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中一些特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。

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