冷熱態(tài)對燃氣輪機起動性能的影響

王柏賀

(中國航空發(fā)動機集團有限公司 沈陽發(fā)動機研究所,沈陽 110015)

0 引言

燃氣輪機的起動過程可劃分為三個階段:第一階段為按下起動按鈕到點火成功前,為冷態(tài)加速階段,燃燒室未點火和供油,轉(zhuǎn)子升轉(zhuǎn)主要由起動機單獨帶動,克服壓氣機耗功。第二階段為從點火成功到起動機達到脫開轉(zhuǎn)速,為熱態(tài)加速階段,燃燒室已點火和供油,渦輪開始參與做功,轉(zhuǎn)子升轉(zhuǎn)主要是起動機和渦輪做功共同克服壓氣機耗功。第三階段為起動機脫開轉(zhuǎn)速到達慢車轉(zhuǎn)速,該階段起動機已經(jīng)脫開,轉(zhuǎn)子加速主要由渦輪做功與壓氣機耗功差值產(chǎn)生[1-2]。

燃氣輪機起動過程十分復雜,起動性能受許多因素的影響,主要包括起動機功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、部件性能、大氣溫度、燃機冷熱態(tài)等。對于已經(jīng)臺架試車的燃機來說,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、部件性能、起動機功率已在整機設計、試制之后確定,主要影響起動性能的因素是大氣溫度與燃機冷熱程度。本研究主要分析燃機冷熱態(tài)對起動性能的影響,以燃氣輪機整機起動試驗數(shù)據(jù)為基礎,定量研究冷熱態(tài)對起動時間、點火成功轉(zhuǎn)速及主要部件性能參數(shù)的影響規(guī)律及機理[3-6]。

1 冷熱態(tài)對起動時間的影響

開展冷熱態(tài)對起動時間影響分析,基于燃氣輪機整機起動試驗數(shù)據(jù),選取了在大氣溫度幾乎相同的情況下,不同程度的冷熱態(tài)對燃氣輪機整機點火成功轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律。冷熱態(tài)的表征方法在工程上是以動力渦輪出口總溫平均溫度與大氣溫度平均溫度差值來確定的,統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示。

圖1 冷熱態(tài)對點火成功轉(zhuǎn)速的影響Fig.1 Influence of hot and cold state on successful ignition speed

從圖1可知,燃機點火成功轉(zhuǎn)速受冷熱態(tài)的影響較大,隨著動力渦輪出口總溫平均值與大氣溫度差值的升高,燃機點火成功轉(zhuǎn)速相對來說明顯降低,更容易點火成功。對于某型燃機而言,冷態(tài)下的點火成功轉(zhuǎn)速大部分集中分布在100%附近,熱態(tài)下則在85%附近,可以認為,當T6-T0(動力渦輪出口總溫平均值與大氣溫度平均值的差值)相差120%時,點火成功轉(zhuǎn)速相差15%。

按照燃機地面起動過程進一步統(tǒng)計冷熱態(tài)的變化對起動過程三個階段時間的影響,燃機各起動次起動過程三個階段時間隨T6-T0的關系見圖2、圖3、圖4 ,三個階段時間占比如圖5所示。

圖2 典型起動次T6-T0對第I階段起動時間的影響Fig.2 Influence of typical starting times T6-T0 on the starting time of stage I

圖3 典型起動次T6-T0對第II階段起動時間的影響Fig.3 Influence of typical starting times T6-T0 on the starting time of stage II

圖4 典型起動次T6-T0對第III階段起動時間的影響Fig.4 Influence of typical starting times T6-T0 on the starting time of stage III

圖5 起動三階段起動時間占比Fig.5 Proportion of starting time ratio in three stages

從圖2、圖3、圖4、圖5可以看出,第二階段起動時間在總起動時間中占比最大,約占50%,第一階段起動時間次之,約占比35%,第三階段占比最小,約為15%;隨著T6-T0溫度的升高,第一、二、三階段的起動時間均有所縮短,其中冷熱態(tài)變化對第三階段的起動時間影響是較小的,主要影響第一和第二階段;第一階段和第二階段對于縮短起動時間的作用是相同的,第三階段最小;在優(yōu)化燃氣輪機整機起動時間時,可重點考慮對第一和第二階段起動過程進行優(yōu)化。

2 冷熱態(tài)對起動性能參數(shù)影響分析

選取燃機同一天的連續(xù)多次試車數(shù)據(jù),在保證燃機進口大氣溫度基本相當?shù)那闆r下,研究冷熱態(tài)單一變量的變化對燃機主要起動性能的影響,分析的性能參數(shù)包括燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速升轉(zhuǎn)速率、壓氣機壓比、動力渦輪出口溫度平均值,見圖6、圖7、圖8。

圖6 冷熱態(tài)下升轉(zhuǎn)速率對比Fig.6 Comparison of lift rates under hot and cold conditions

圖7 冷熱態(tài)下壓比對比Fig.7 Comparison of cold and hot lower pressure ratio

圖8 冷熱態(tài)下動力渦輪出口總溫對比Fig.8 Comparison of total outlet temperature of power turbine in cold and hot state

從圖6可知,熱態(tài)點火成功轉(zhuǎn)速較冷態(tài)點火成功轉(zhuǎn)速提前,判斷方式為根據(jù)升轉(zhuǎn)速率突增轉(zhuǎn)速點進行判斷,分別為圖6中點1和點2,判斷原理為:燃機未點火成功前,核心機僅由起動機單獨出功帶轉(zhuǎn),隨著燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高,壓氣機負荷逐漸增大,升轉(zhuǎn)速率持續(xù)下降,點火成功后,高壓渦輪開始參與做功,結(jié)合起動機自身帶轉(zhuǎn)能力作用,升轉(zhuǎn)速率會增大,出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(點1、點2)。燃氣輪機從起動到點火成功轉(zhuǎn)速前,冷熱態(tài)升轉(zhuǎn)速率曲線重合,主要原因是點火成功前,技術狀態(tài)固化的核心機負荷相同,起動機帶轉(zhuǎn)能力相同,升轉(zhuǎn)速率僅由起動機扭矩和耗功確定,此時未供油、未點火,高壓渦輪未參與做功,基于此,可進一步說明燃氣輪機冷熱態(tài)主要影響點火成功后的第二階段和第三階段。

從圖7可知,熱態(tài)下的燃機更早點火成功,點火成功后,共同工作線更靠近喘振邊界,但壓比增大幅值較小,主要增大區(qū)間為點火成功轉(zhuǎn)速到60%轉(zhuǎn)速之間,當轉(zhuǎn)速大于60%后,冷熱態(tài)下的壓比曲線基本重合。

可以認為,冷熱態(tài)對起動過程中壓氣機的性能影響較小,主要影響的是燃燒室性能與渦輪性能。從熱態(tài)下點火成功轉(zhuǎn)速提前可以初步推斷,燃機熱態(tài)起動時,燃燒室內(nèi)的壁溫較高,流經(jīng)燃燒室的空氣受熱膨脹,密度較小。燃氣輪機起動過程中,相同燃氣發(fā)生器換算轉(zhuǎn)速下的燃油流量是相同的,熱態(tài)下的燃燒室油氣比增大,熱態(tài)下的燃油霧化效果好,點火所需的能量較小,均有利于點火成功。

由文獻[6]可知,起動性能與起動前發(fā)動機的熱狀態(tài)有關,冷起動和重復起動時發(fā)動機的熱狀態(tài)不同,金屬中的焓也不同,造成壓氣機和渦輪轉(zhuǎn)子葉片與靜子機匣間的間隙值不同?？紤]熱交換和不考慮熱交換的起動時間變化約為20%。研究發(fā)現(xiàn),冷起動時,渦輪間隙最大時其效率下降4%,在起動過程的各個階段最多約有25%的熱氣流用于加熱部件,因此熱態(tài)起動更利于點火成功及升轉(zhuǎn)速率提高。

從圖8可知,熱態(tài)下的動力渦輪出口溫度更高,隨著燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速的提高,溫差減小,慢車轉(zhuǎn)速下,冷熱態(tài)的動力渦輪出口溫度值基本相等,可以推斷出在起動到慢車轉(zhuǎn)速前,熱態(tài)下的高壓渦輪效率更高,溫降較大,而對于冷態(tài)起動而言,隨著燃燒室出口溫度的逐漸升高,高渦效率逐漸與熱態(tài)接近,在慢車轉(zhuǎn)速時,溫度持平。

3 結(jié)論

對燃機各起動次的性能統(tǒng)計分析得出,點火成功轉(zhuǎn)速與燃氣輪機冷熱程度息息相關,熱態(tài)點火成功轉(zhuǎn)速與冷態(tài)點火成功轉(zhuǎn)速平均相差15%。對三個階段起動時間影響分析認為,第二階段占比最高,第一階段次之,第三階段占比最小,按照此規(guī)律對后續(xù)燃機起動時間進行優(yōu)化,可重點對第一和第二階段進行性能優(yōu)化,滿足用戶需求。

通過冷熱態(tài)對燃機起動性能影響分析可知,熱態(tài)起動會抬升共同工作線,但對后續(xù)起動過程的影響較小,冷熱態(tài)下的轉(zhuǎn)速-壓比曲線差異性較小;點火成功轉(zhuǎn)速的提前主要受冷熱態(tài)對油氣比的影響,熱態(tài)下的燃油霧化效果好,油氣比高,更利于點火成功。