基于Gasturb的回?zé)嵫h(huán)分析研究

摘 要：在世界能源危機(jī)的大背景下，節(jié)能減排是所有燃燒化石燃料的熱力機(jī)械必須重視和解決的問(wèn)題。回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)因其熱力循環(huán)的特性，在輸出功率時(shí)可一定程度上降低燃油的消耗量。現(xiàn)基于Gasturb仿真軟件，構(gòu)建了回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)性能計(jì)算模型；根據(jù)構(gòu)建的模型進(jìn)行熱力循環(huán)過(guò)程的計(jì)算，分別得出了普通循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)的循環(huán)過(guò)程焓熵圖；對(duì)構(gòu)建的模型劃分出不同工況，分別對(duì)比了模型采用普通循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)相同工況下的功率、耗油率情況及變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)同功率下，模型使用回?zé)嵫h(huán)比普通循環(huán)耗油率節(jié)省13%左右；另外，評(píng)估了在大氣條件-40～40 ℃、0～4 000 m的環(huán)境中，模型使用回?zé)嵫h(huán)的高度特性與溫度特性，對(duì)比了不同工況下模型的功率、耗油率變化及趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：能源危機(jī)；回?zé)嵫h(huán)；節(jié)能減排；溫度特性；高度特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TK262" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）05-0039-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.010

0" " 引言

在21世紀(jì)的今天，能源危機(jī)已成為全球矚目的焦點(diǎn)，深刻影響著世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境。隨著工業(yè)化與城市化進(jìn)程的加速，人類(lèi)對(duì)能源的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而傳統(tǒng)能源的有限性和不可持續(xù)性逐漸暴露，引發(fā)了一系列嚴(yán)峻的問(wèn)題。

傳統(tǒng)化石能源，如石油、煤炭和天然氣，長(zhǎng)期占據(jù)全球能源消費(fèi)的主導(dǎo)地位。然而，這些能源儲(chǔ)量有限，且分布極為不均。石油輸出國(guó)組織（OPEC）的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，按照當(dāng)前的開(kāi)采速度，全球已探明的石油儲(chǔ)量?jī)H能維持?jǐn)?shù)十年。與此同時(shí)，煤炭和天然氣的情況也不容樂(lè)觀。并且，化石能源的大量消耗帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，二氧化碳等溫室氣體的排放導(dǎo)致全球氣候變暖、海平面上升、極端天氣頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著地球的生態(tài)平衡和人類(lèi)的生存環(huán)境。

能源危機(jī)還引發(fā)了廣泛的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)問(wèn)題。國(guó)際能源署（IEA）指出，石油價(jià)格的大幅波動(dòng)會(huì)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在過(guò)去幾十年里，多次石油危機(jī)導(dǎo)致了全球性的經(jīng)濟(jì)衰退，物價(jià)上漲、失業(yè)率上升、企業(yè)倒閉等現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。對(duì)于發(fā)展中國(guó)家而言，能源短缺更是制約其經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的瓶頸，許多地區(qū)無(wú)法獲得穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐墓I(yè)生產(chǎn)、教育醫(yī)療和居民生活質(zhì)量。

在節(jié)能減排的大背景下，首當(dāng)其沖的就是消耗化石燃料做功的熱力機(jī)械。可以說(shuō)，在現(xiàn)代社會(huì)的運(yùn)行和發(fā)展中各類(lèi)熱力機(jī)械有著舉足輕重的地位。而在這些熱力機(jī)械中，燃?xì)廨啓C(jī)在能源、國(guó)防、運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，得到世界各國(guó)的高度重視。發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，有助于促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)性、長(zhǎng)遠(yuǎn)性、高質(zhì)量發(fā)展[1-2]。

如在領(lǐng)域航空，航空燃?xì)廨啓C(jī)（或航空發(fā)動(dòng)機(jī)）是現(xiàn)代飛機(jī)的主要?jiǎng)恿?lái)源，具有高功率重量比、高可靠性和良好的燃油經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足飛機(jī)在不同飛行階段的動(dòng)力需求，為飛機(jī)提供強(qiáng)大的推力，使其能夠快速起飛、巡航和降落；而在地面能源供給中，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)熱電廠結(jié)合了燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，提高能源利用效率，在滿(mǎn)足電力需求的同時(shí)，還能為醫(yī)院、學(xué)校、酒店等大型設(shè)施以及地區(qū)能源系統(tǒng)、工廠和公用事業(yè)提供穩(wěn)定可靠的熱量。

傳統(tǒng)的一般循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)雖然有著結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，便于安裝與運(yùn)輸，適用于多種場(chǎng)所，啟動(dòng)迅速，運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)和噪聲相對(duì)較低，多燃料適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是，其熱效率相較于一些大型蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)仍有差距，能源浪費(fèi)相對(duì)較多，在部分工況下，如低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，效率會(huì)大幅下降。于是，不同循環(huán)形式的燃?xì)廨啓C(jī)就成為研究熱點(diǎn)——例如回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，王占學(xué)等人[3]對(duì)間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析并提出間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)因具有低油耗優(yōu)勢(shì)，有望成為未來(lái)“環(huán)境友好”型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)概念之一，開(kāi)展相關(guān)研究對(duì)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展意義重大。民用航空領(lǐng)域面臨運(yùn)輸量增長(zhǎng)、燃油價(jià)格上漲及環(huán)保要求嚴(yán)格等問(wèn)題，迫切需要降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、減少排放。間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)增加間冷和回?zé)徇^(guò)程，工作時(shí)內(nèi)涵空氣經(jīng)多次壓縮、換熱、膨脹等過(guò)程產(chǎn)生推力，同時(shí)間冷回?zé)峒夹g(shù)雖各有優(yōu)勢(shì)，但也帶來(lái)一些問(wèn)題，不過(guò)二者結(jié)合可降低耗油率、減少排放等。郭鵬超等人[4]以CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)為基準(zhǔn)，在其核心機(jī)基礎(chǔ)上派生間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)展熱力循環(huán)參數(shù)匹配研究。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇外涵壓比和涵道比影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，最優(yōu)風(fēng)扇外涵壓比隨涵道比增大而減小，間冷度和回?zé)岫葘?duì)其影響較小。增壓級(jí)壓比存在最優(yōu)值，選擇時(shí)需注意高壓壓氣機(jī)與低壓渦輪出口總溫匹配。間冷度和回?zé)岫鹊呐浜详P(guān)系影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，IRA應(yīng)控制其與總壓損失匹配。外涵道間冷用氣量比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有影響，存在最佳值使推力和耗油率最優(yōu)。最終確定派生IRA發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)參數(shù)，其性能較基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)顯著提升，研究結(jié)果可為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。

在地面能源供給系統(tǒng)中，分布式能源系統(tǒng)得到越來(lái)越多國(guó)家和地區(qū)的關(guān)注[5]。燃?xì)廨啓C(jī)分布式發(fā)電系統(tǒng)的組成如圖1所示。

分布式能源系統(tǒng)具有多方面顯著特點(diǎn)。它位于或臨近負(fù)荷中心，可減少能量傳輸損耗，快速響應(yīng)負(fù)荷變化，提高供電可靠性，像校園、醫(yī)院等場(chǎng)所能就近獲取能源；該系統(tǒng)順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，滿(mǎn)足環(huán)保要求，注重能源清潔利用，減少環(huán)境污染；能依據(jù)用戶(hù)地能源資源和需求特點(diǎn)定制，利用多種能源滿(mǎn)足多樣化需求，還實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)、多能聯(lián)產(chǎn)，達(dá)成能量梯級(jí)利用，提高了能源利用率，減少了浪費(fèi)與污染；其作為分散型系統(tǒng)，可作重要部門(mén)備用電源，增強(qiáng)能源供應(yīng)安全性，避免傳統(tǒng)集中供電系統(tǒng)崩潰問(wèn)題；此外，它還能緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展給大電網(wǎng)帶來(lái)的壓力，利于大電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，與大電網(wǎng)互補(bǔ)，優(yōu)化能源供應(yīng)格局。因此，使用高效率的回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)是一種趨勢(shì)。

本文基于成熟的Gasturb軟件構(gòu)建采用回?zé)嵫h(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)性能計(jì)算模型，從循環(huán)過(guò)程、高度特性與溫度特性等方面對(duì)回?zé)嵫h(huán)的功率與油耗特性進(jìn)行分析。

1" " 回?zé)嵫h(huán)分析

回?zé)嵫h(huán)相比一般熱力循環(huán)多了壓氣機(jī)出口空氣與渦輪出口燃?xì)庠诨責(zé)崞髦袚Q熱的過(guò)程。以Gasturb構(gòu)建圖2所示回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)模型，該模型是單轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器加動(dòng)力渦輪的燃?xì)廨啓C(jī)，壓氣機(jī)出口和燃燒室入口分別接入回?zé)崞?。帶圈?shù)字為燃?xì)廨啓C(jī)的各個(gè)截面，空氣系統(tǒng)的設(shè)置如下，低壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻引氣量（LPT cooling）為1%，高壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻引氣量（HPT）為5%，考慮壓氣機(jī)漏氣損失量為0.5%，其余漏氣損失及冷卻引氣均設(shè)置為0。

經(jīng)壓氣機(jī)增壓的高壓空氣先流入回?zé)崞髋c燃?xì)鈸Q熱，使得進(jìn)入燃燒室的空氣總溫升高，在渦輪進(jìn)口紅線溫度不變的前提下，燃燒室的溫升降低，使得需要消耗的燃油量減少；而經(jīng)渦輪膨脹做功的高溫燃?xì)?，在進(jìn)入回?zé)崞髋c空氣進(jìn)一步換熱后排出，使排氣溫度進(jìn)一步降低，提升了燃?xì)廨啓C(jī)整體的熱效率。回?zé)崞鞯墓ぷ魇疽鈭D如圖3所示。

表征回?zé)崞鲹Q熱能力的熱力參數(shù)是回?zé)岫?，其可表達(dá)為進(jìn)入回?zé)崞鞯目諝鉁夭钆c流過(guò)回?zé)崞鞯娜細(xì)鉁夭钪萚6]：

而回?zé)崞骺諝鈧?cè)的總壓損失、燃?xì)鈧?cè)的進(jìn)口溫度、燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口換算流量等都會(huì)影響回?zé)崞鞯幕責(zé)岫取?/p>

在模型中設(shè)置回?zé)嵝蕿?0%，回?zé)崞鬟M(jìn)口總壓損失為2%，出口總壓損失為8%進(jìn)行計(jì)算，可得到普通循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)的循環(huán)焓熵圖如圖4、圖5所示，其中，橫坐標(biāo)為循環(huán)過(guò)程中的熵值，縱坐標(biāo)為焓值，虛線為等壓力線。

由圖可知，在回?zé)崞髯饔孟?，相比普通循環(huán)，進(jìn)入燃燒室的氣體焓值由3截面提升至35截面，在相同的燃燒室溫度限制下，需要加入的熱量減少，即消耗的燃油量減少；而排氣段的排氣焓值由6截面降低到8截面，放熱更徹底，提升了燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率。

對(duì)于同一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，在不改變其流道尺寸以及空氣系統(tǒng)和部件性能的情況下，采用普通循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)的性能有所不同。本文構(gòu)建的模型分別采用普通循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比在同動(dòng)力渦輪前溫度下的功率、耗油率。本文選取動(dòng)力渦輪前溫度分別為960、1 000、1 040、1 080 K的工況進(jìn)行計(jì)算分析，整理后的結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。本文所有涉及的功率與耗油率參數(shù)都做了歸一化處理。

由于燃燒室中對(duì)工質(zhì)的加熱量減少，雖然節(jié)省了燃油消耗量，但會(huì)使得燃?xì)廨啓C(jī)整體的輸出功率下降，當(dāng)動(dòng)力渦輪前溫度同為960 K時(shí)，普通循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)比回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率高約9個(gè)百分點(diǎn)，而當(dāng)動(dòng)力渦輪前溫度同為1 080 K時(shí)，普通循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)比回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率高約9.5個(gè)百分點(diǎn)，隨著動(dòng)力渦輪前溫度的升高，兩者相差增大。

對(duì)于耗油率，在相同的動(dòng)力渦輪前溫度下，回?zé)嵫h(huán)的耗油率更小，但隨著動(dòng)力渦輪前溫度的升高，普通循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)的耗油率差距逐漸縮小。同時(shí)可以看出，在輸出相同功率時(shí)，回?zé)嵫h(huán)比普通循環(huán)可節(jié)省13%左右的燃油。

2" " 大氣環(huán)境的影響

根據(jù)部署的地理位置和環(huán)境，還需要考慮評(píng)估不同的進(jìn)氣條件對(duì)回?zé)嵫h(huán)燃機(jī)的影響。結(jié)合前文，針對(duì)動(dòng)力渦輪前溫度分別為1 080、1 040、1 000、960 K的4個(gè)工況，結(jié)合大氣條件溫度-40～40 ℃，海拔0～4 000 m，研究回?zé)嵫h(huán)的溫度特性和高度特性。溫度特性如圖9、圖10所示，高度特性如圖11、圖12所示。

在進(jìn)氣溫度-40～40 ℃的范圍內(nèi)，回?zé)嵫h(huán)燃機(jī)的功率隨進(jìn)氣溫度的升高而降低，耗油率隨進(jìn)氣溫度的升高而增加。并且燃機(jī)的工況越低（動(dòng)力渦輪前溫度越低），其耗油率隨大氣溫度的增加而增加的幅度越大，影響越明顯；燃機(jī)的工況越低，其功率隨大氣溫度的增加而減少的幅度也越大。

在海拔高度0～4 000 m的范圍內(nèi)，回?zé)嵫h(huán)燃機(jī)的功率隨海拔高度的升高而降低，耗油率隨海拔高度的升高也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。并且燃機(jī)的工況越低（動(dòng)力渦輪前溫度越低），其耗油率隨海拔高度的增加而減少的幅度越大；但燃機(jī)的工況越高，其功率隨海拔高度的增加而減少的幅度越大。

3" " 結(jié)論

1）基于Gasturb軟件構(gòu)建了回?zé)嵫h(huán)單轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器動(dòng)力渦輪式燃?xì)廨啓C(jī)的模型，并根據(jù)得到的模型計(jì)算得出回?zé)嵫h(huán)過(guò)程的焓熵圖，與普通循環(huán)相比回?zé)嵫h(huán)多了3截面到35截面與8截面到6截面的換熱過(guò)程。

2）根據(jù)模型分別對(duì)比評(píng)估了同動(dòng)力渦輪前溫度下普通循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)的功率、耗油率變化?；?zé)嵫h(huán)相比普通循環(huán)，雖然更加省油，但輸出功率會(huì)有所降低，在同輸出功率下，回?zé)嵫h(huán)相比普通循環(huán)的耗油率少13%左右。

3）將本文的燃機(jī)模型劃分為4個(gè)工況，并設(shè)置不同的大氣條件，針對(duì)這4個(gè)工況分別評(píng)估回?zé)嵫h(huán)燃機(jī)的溫度特性與高度特性?；?zé)嵫h(huán)燃機(jī)其工況越低，受進(jìn)氣溫度升高的影響越大；而對(duì)于高度特性，工況越高功率隨高度的升高變化越大，但耗油率的變化越小。

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收稿日期：2024-12-30

作者簡(jiǎn)介：聞良煜（1997—），男，江西九江人，助理工程師，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱力氣動(dòng)性能。