吳 川,趙 軍,陶 睿,蔣 進

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院, 四川 廣漢 618307)

0 引言

變幾何渦輪是通過改變渦輪導向器的喉部面積,進而改變流經(jīng)渦輪的流量,使得渦輪之間的功率重新分配,最終改變?nèi)細廨啓C的性能。采用可變動力渦輪導葉的燃氣輪機的低工況性能與加減速特性可以得到改善,因而變幾何動力渦輪技術在艦船與地面燃氣輪機中應用廣泛[1];用于汽車的燃氣輪機GT-225的動力渦輪導葉安裝角度可以調(diào)節(jié)[2];美國Caterpiller與Solar公司在1989年將變幾何動力渦輪技術應用于Solar5650艦船回熱燃氣輪機[3];俄羅斯的坦克燃氣輪機GTD-1250,采用變幾何渦輪技術后,油耗與越野速度分別有9%與31%的提升;美國阿維科·萊卡明公司的AGT1500坦克用回熱燃氣輪機,動力渦輪也有調(diào)節(jié)導葉安裝角的裝置[4];以Rolls-Royce公司的TRENT系列與RB211發(fā)動機為基礎所研制的間冷回熱燃氣輪機WR-21,也采用了變幾何動力渦輪技術,使得該型燃氣輪機在不同工況下都能獲得良好的性能[5];美國LM1600艦船燃氣輪機的第一級動力渦輪導葉安裝角度也可以通過電子系統(tǒng)調(diào)節(jié)[6]。

一些研究者通過仿真模型計算了燃氣輪機采用變幾何渦輪后的總體性能。Haglind以LM2500+燃氣輪機為基礎,對燃氣輪機分別采用調(diào)節(jié)燃油流量與動力渦輪流通能力時的性能進行了比較[7];Kim等[8]探索研究了采用變幾何動力渦輪的雙軸回熱燃氣輪機的性能,結(jié)果表明,在部分工況時,變幾何動力渦輪可以使回熱燃氣輪機的性能可以得到有效提升;Gu[9]與Wang等[10]在燃氣輪機中加入變幾何動力渦輪,發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)動力渦輪流通能力或組合控制動力渦輪的流通能力與轉(zhuǎn)速,可以使燃氣輪機的熱效率提高;Wang等[12-13]對變幾何動力渦輪燃氣輪機的控制規(guī)律進行研究,提出了高功率與高效率2種控制模式;Qiu等[14]也對變幾何渦輪燃氣輪機的性能進行了一定的研究。

綜上,變幾何渦輪可以改善燃氣輪機性能;并且一些研究者也采用數(shù)學模型計算的方法,對加入變幾何渦輪的燃氣輪機性能進行了研究;但多數(shù)研究者的研究對象為變幾何動力渦輪,并且在加入變幾何渦輪后,對燃氣輪機總體性能變化的機理研究較少,因此本文中在不考慮導葉兩端調(diào)節(jié)機構(gòu)和導葉間隙等對渦輪效率影響的情況下,對燃氣輪機分別采用變幾何高壓渦輪、變幾何中壓渦輪與變幾何動力渦輪時,燃氣輪機穩(wěn)態(tài)性能的變化情況以及原因進行了定性與定量的研究。

1 燃氣輪機部件法建模

文章通過部件法建模,參考烏克蘭UGT25000燃氣輪機構(gòu)建模型發(fā)動機;UGT25000燃氣輪機由烏克蘭“曙光”機械設計公司研制,我國于20世紀90年代從烏克蘭引進了UGT25000燃氣輪機,并對該燃機技術消化吸收[15],該燃機由雙軸燃氣發(fā)生器與動力渦輪組成,燃氣發(fā)生器與動力渦輪之間只存在氣動聯(lián)系[16],其構(gòu)型如圖1所示。對燃氣輪機進行性能仿真時,各部件的設計點性能參數(shù)如表1所示。由于缺乏部件特性,因而非設計點的性能計算采用了壓氣機與渦輪等的通用特性曲線。

圖1 UGT25000構(gòu)型示意圖

表1 UGT25000部分設計點參數(shù)

在標準大氣環(huán)境,海平面高度的條件下進行計算,得到的性能結(jié)果和參考數(shù)值[16]如表2所示。仿真結(jié)果與參考文獻的功率誤差為2.10%,熱效率誤差為0.19%,誤差較小,表明仿真程序是可信的。

表2 UGT25000模型仿真性能參數(shù)與參考文獻對比

2 變幾何渦輪對燃氣輪機性能影響分析

渦輪導向器安裝角度從關小到開大,渦輪導向器喉道面積逐漸變大。通過改變渦輪導向器喉道通流面積進而改變渦輪的換算流量,就是改變渦輪的流通能力[17];因此在本文中,通過改變渦輪的流通能力來表征改變渦輪導向器安裝角度時渦輪導向器喉道面積的變化。當渦輪流通能力變化時,參考文獻[18],對渦輪特性的變化采用以下方法:如當動力渦輪流通能力增加10%時,在動力渦輪的特性圖上,選取動力渦輪流通能力改變量為0時的共同工作點或與之十分靠近的一個點,將該點的換算流量乘以1.1(1+0.1),落壓比、渦輪效率和相對換算轉(zhuǎn)速均乘以1(即原有數(shù)值),而后將動力渦輪的性能參數(shù)代入共同工作方程進行計算,多次迭代計算后,得出動力渦輪流通能力增加10%時,燃氣輪機的穩(wěn)態(tài)總體性能參數(shù)。

此外,在高壓渦輪、中壓渦輪和動力渦輪的流通能力改變的范圍內(nèi),均保證燃燒室出口溫度不超溫,且低壓壓氣機與高壓壓氣機的喘振裕度均符合燃氣輪機安全運行的要求。

2.1 變幾何高壓渦輪對燃氣輪機性能影響分析

對燃氣輪機采用變幾何高壓渦輪的總體性能進行分析時,運行高度為0 m,大氣環(huán)境為標準大氣;參考邱超[19]等對變幾何渦輪燃氣輪機性能計算時,采用了保持高壓渦輪(HPT)入口總溫恒定的控制規(guī)律,在本文中,也用相同的控制規(guī)律對燃氣輪機進行研究。

HPT流通能力增加10%,增壓級壓氣機(Booster)與高壓壓氣機(HPC)的共同工作線與HPT流通能力不變時的共同工作線的對比情況如圖2所示?？梢钥闯?增大HPT流通能力,使得Booster共同工作線向上移動,HPC共同工作線向下移動,與邱超[18]的研究結(jié)果和經(jīng)典教材[20-21]中的壓氣機工作線運動趨勢一致,進一步證明仿真程序是可信的;此外,圖2中A點為HPT流通能力變化前的共同工作點,B點為HPT流通能力變化后的共同工作點,這與經(jīng)典教材[20-21]有所差異是由于所采用的控制規(guī)律不同。

當HPT流通能力變化量為-10%～10%時,對燃氣輪機的性能變化情況進行分析。此時的SFC(specific fuel consumption)和輸出軸功率變化情況如圖3所示。可以看出,隨著HPT流通能力增加,SFC和輸出軸功率均表現(xiàn)出增加的趨勢;HPT流通能力變化量從-10%增加到10%,SFC增加了1.71%,輸出軸功率增幅較大,增加了6.29%。

圖2 HPT流通能力變與不變時的壓氣機共同工作線

圖3 燃氣輪機總體性能參數(shù)隨HPT流通能力變化情況

(1)

(2)

式(2)中:SFC為耗油率,kg/(kW·h);WF為燃油流量,kg/s;PW為燃氣輪機輸出軸功率,kW。

在大狀態(tài)工作時渦輪導向器處于超臨界狀態(tài),這時高中壓渦輪導向器喉道處的速度系數(shù)均為1[20],即使當渦輪導向器亞臨界時,其喉部的密流函數(shù)也接近于1[21]。隨著HPT流通能力增加,由式(3)可知,HPT落壓比減小,由于控制規(guī)律為HPT進口總溫恒定,因而HPT單位功率減小,高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低,HPC增壓比變小;同時由于HPC出口反壓下降,高壓轉(zhuǎn)子共同工作線下移,HPC喘振裕度增加,如圖4所示。

(3)

式(3)中:πHPT為高壓渦輪落壓比;ANH與ANI分別為高壓渦輪與中壓渦輪的導向器喉道面積;σNH與σNI分別為高壓渦輪與中壓渦輪的導向器進口至喉部的總壓恢復系數(shù);q(λNH)和q(λNI)分別為高壓渦輪和中壓渦輪導向器喉道的密流函數(shù);nT為渦輪膨脹過程多變指數(shù)。

圖4 高壓轉(zhuǎn)子相關參數(shù)隨HPT流通能力變化情況

對于Booster與中壓渦輪(IPT)相連的增壓級轉(zhuǎn)子,隨著HPT流通能力增加,IPT與PT的導向器喉道面積均不變,由式(4)可知,IPT落壓比幾乎不變;同時,HPT流通能力增加,使得HPT落壓比減小,燃燒室出口總溫恒定,HPT單位功率減小,燃氣在HPT中的總溫下降減小,則IPT進口總溫隨之上升,IPT單位功率增加,增壓級轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速主要表現(xiàn)出升高的趨勢,Booster增壓比增加,但由于增壓級轉(zhuǎn)子與高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差減小,導致Booster的共同工作線向靠近喘振邊界方向移動,Booster喘振裕度下降,如圖5所示。

(4)

式(4)中:πIPT為中壓渦輪落壓比;ANI與ANP分別為中壓渦輪與動力渦輪導向器喉道面積;σNI與σNP分別為中壓渦輪與動力渦輪的導向器進口至喉部的總壓恢復系數(shù);q(λNI)和q(λNP)分別為中壓渦輪和動力渦輪導向器喉部的密流函數(shù);nT為渦輪膨脹過程多變指數(shù)。

圖5 增壓級轉(zhuǎn)子相關參數(shù)隨HPT流通能力變化情況

由于Booster入口的大氣環(huán)境條件不變,因而可以用Booster特性圖上的換算流量隨HPT流通能力的變化情況來表征W2隨HPT流通能力的變化情況。隨著HPT流通能力增加,Booster換算流量呈現(xiàn)先較大增加,而后少量下降的變化趨勢,因此W2隨HPT流通能力增加也先增加較大后下降較少。增大HPT流通能力,由上文分析可知,HPT單位功率下降,HPT出口總溫有所上升,盡管IPT單位功率上升,即燃氣在IPT中總溫降幅有所增大,但最終使得IPT出口總溫有所增加,PT入口總溫增大,如圖6所示。對于動力渦輪入口總壓;隨著HPT流通能力增大,增壓級壓比上升與HPC壓比降低導致壓氣機總增壓比有所下降,同時,HPT落壓比下降,IPT落壓比幾乎不變,最終使得動力渦輪進口總壓增加,如圖7所示。

圖6 燃氣輪機進口流量等隨HPT流通能力變化情況

圖7 PT入口總壓等隨HPT流通能力變化情況

對于SFC,根據(jù)式(2)可知,需要研究燃油流量隨著HPT流通能力的變化情況。隨著HPT流通能力增加,壓氣機總增壓比減小,燃燒室入口總溫下降;同時,燃燒室入口空氣流量先大幅上升后小幅降低,為達到設定的HPT入口總溫,最終均需要增加燃油流量;在整個HPT流通能力增加的過程中,由于燃油流量增速大于輸出軸功率的增速,因此SFC隨著高壓渦輪流通能力增加而有輕微的增加,如圖8所示。

圖8 燃油流量等參數(shù)隨HPT流通能力變化情況

當高壓渦輪流通能力變化量分別為-10%、0、10%時,燃氣輪機關鍵截面的總壓與總溫的變化情況如圖9所示,各關鍵截面的含義如表3所示,通過該圖可以十分直觀地了解當HPT流通能力增大與減小時燃氣輪機各截面的總溫與總壓變化情況。

圖9 不同HPT流通能力時關鍵截面的總溫總壓對比

表3 各關鍵截面代號解釋

定量分析如下:當HPT流通能力增加10%時,保持高壓渦輪入口總溫不變的穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律,增壓級的增壓比增加了5.89%,增壓級等熵效率上升2.78%,高壓壓氣機增壓比減小了13.81%,高壓壓氣機等熵效率有0.17%的升高,因而壓氣機總增壓比下降8.64%,高壓壓氣機出口總溫降低3.53%,但燃氣輪機進口空氣流量變化較小,僅上升0.19%,因此燃燒室燃油流量需要增加3.99%才能達到預先設定的高壓渦輪入口總溫。

10%的高壓渦輪流通能力增加使高壓渦輪落壓比下降10.08%,在不考慮導葉兩端調(diào)節(jié)機構(gòu)和導葉間隙等對渦輪效率影響情況下,高壓渦輪等熵效率減少了0.54%,高壓渦輪單位功率減小10.31%,高壓渦輪出口燃氣總溫與總壓分別上升2.22%、1.28%;中壓渦輪落壓比受HPT流通能力變化影響較小,中壓渦輪落壓比僅下降0.05%,等熵效率減少了0.03%,但中壓渦輪入口燃氣的總溫與總壓上升,使得中壓渦輪單位功率增加2.12%,中壓渦輪出口燃氣總溫有2.26%的上升,總壓提高了1.33%,動力渦輪等熵功率下降了0.46%,因而動力渦輪單位功率上升了2.57%,最終使得燃氣輪機輸出軸功率有2.83%的增幅,SFC有1.13%的上漲。

2.2 變幾何中壓渦輪對燃氣輪機性能影響分析

對采用變幾何中壓渦輪的簡單循環(huán)燃氣輪機總體性能進行研究時,運行高度、大氣環(huán)境與控制規(guī)律與2.1節(jié)一致。

當中壓渦輪流通能力的變化量為10%時,燃氣輪機的各壓氣機共同工作線與中壓渦輪流通能力不改變時對比的情況如圖10所示?？梢钥闯?中壓渦輪流通能力增加10%,使得增壓級的共同工作線下移,HPC共同工作線也下移,與邱超[19]的研究結(jié)果和經(jīng)典教材[20-21]中的運動趨勢一致;此外,圖10還呈現(xiàn)了共同工作點的變化情況,A點為中壓渦輪流通能力不改變時壓氣機的共同工作點,增加中壓渦輪流通能力使得壓氣機的共同工作點均由A點移動至B點。

圖10 IPT流通能力變與不變時的壓氣機共同工作線

研究中壓渦輪流通能力變化量為-10%～10%時,燃氣輪機的性能變化情況。SFC與輸出軸功率隨著中壓渦輪流通能力的變化情況如圖11所示。隨著中壓渦輪流通能力不斷增加,燃氣輪機的輸出軸功率呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢,SFC則不斷上升。中壓渦輪流通能力變化量從-10%增加到10%,使得輸出軸功率降低16.85%,SFC增加5.33%。

圖11 燃氣輪機總體性能參數(shù)隨IPT流通能力變化情況

增加中壓渦輪流通能力,通過式(3)可以得出,HPT落壓比增加,由于高壓渦輪入口總溫保持恒定,則高壓渦輪單位功率不斷增加,高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速因而上升,因此高壓轉(zhuǎn)子共同工作點移至更高的轉(zhuǎn)速線上,HPC增壓比增大,如圖12所示。又由于中壓渦輪流通能力增加,使得高壓轉(zhuǎn)子共同工作線下移[20]。

圖12 高壓轉(zhuǎn)子相關參數(shù)隨著IPT流通能力變化情況

對于增壓級轉(zhuǎn)子隨著IPT流通能力變化情況;當IPT流通能力增大時,通過式(4)可知,中壓渦輪落壓比降低;同時,由于高壓渦輪前燃氣總溫不變,隨著IPT流通能力上升,高壓渦輪落壓比增加使得高壓渦輪單位功率增加,中壓渦輪進口燃氣總溫因此下降,中壓渦輪單位功率也相應減小,因而導致增壓級轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有所降低,增壓級共同工作點向低轉(zhuǎn)速區(qū)域移動,增壓級增壓比下降;由上文可知,當IPT流通能力增大時,高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷上升,增壓級轉(zhuǎn)子與高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差增加,所以增壓級共同工作線向著遠離喘振邊界的地方移動,最終使得增壓級入口換算流量降低,因此W2減小,如圖13所示。

圖13 增壓級增壓比等參數(shù)隨著IPT流通能力變化情況

隨著IPT流通能力增加,增壓級增壓比減小與HPC增壓比上升,最終使得壓氣機總增壓比下降;而后,HPT落壓比增加與IPT落壓比降低最終使得動力渦輪入口總壓降低。對于動力渦輪入口總溫,增大IPT流通能力,HPT單位功率增加,使得IPT入口燃氣總溫下降,IPT單位功率降低,最終導致動力渦輪入口總溫呈現(xiàn)出先下降后升高的趨勢,但變化幅度較小,如圖14所示。因此,當IPT流通能力增大時,燃氣輪機的輸出軸功率主要受W2減小和動力渦輪進口燃氣總壓降低的影響,導致輸出軸功率不斷下降。

圖14 PT入口總溫與總壓隨IPT流通能力變化情況

分析SFC隨著中壓渦輪流通能力增加而上升的原因。根據(jù)式(5)可知,在壓氣機入口總溫恒定的情況下,壓氣機出口總溫主要受壓氣機增壓比和壓氣機效率的共同影響。隨著中壓渦輪流通能力升高,壓氣機總增壓比不斷降低,但同時增壓級與高壓壓氣機的效率也呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,最終使得壓氣機出口總溫呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢;但由于燃氣輪機進口空氣流量下降較大,因此,為達到預設的高壓渦輪入口總溫,燃油流量降低,如圖15所示;在中壓渦輪流通能力增加的整個過程中,由于輸出軸功率下降速率大于燃油流量降低速率,因此SFC持續(xù)增加。

(5)

圖15 燃油流量等隨IPT流通能力變化情況

當中壓渦輪流通能力變化量分別為-10%、0、10%時,燃氣輪機關鍵截面的總壓與總溫的變化情況如圖16所示,各關鍵截面的含義如表3所示。

圖16 不同IPT流通能力時關鍵截面的總溫總壓對比

當中壓渦輪流通能力增加10%時,在高壓渦輪入口總溫保持不變穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律下,增壓級的增壓比降幅明顯,降低了15.36%,增壓級的等熵效率有0.45%的增幅,其出口空氣總溫下降5.15%,高壓壓氣機增壓比上升了10.30%,等熵效率下降4.73%,所以導致壓氣機總增壓比下降了6.78%,高壓壓氣機出口總溫變化較小,僅下降0.20%。中壓渦輪流通能力增加10%,使得燃氣輪機進口空氣流量降低了6.96%,為達到預定的高壓渦輪入口總溫,燃油流量因而降低了6.70%。

10%的中壓渦輪流通能力增加,使得高壓渦輪落壓比升高了8.26%,高壓渦輪等熵效率降低0.178%,高壓渦輪單位功率上升6.99%,因此高壓渦輪出口燃氣總溫和總壓分別降低了1.54%和13.884%;中壓渦輪落壓比則因為10%的中壓渦輪流通能力上升而下降了7.90%,在不考慮導葉兩端調(diào)節(jié)機構(gòu)和導葉間隙等情況下,中壓渦輪等熵效率下降0.19%,中壓渦輪單位功率降幅明顯,降幅達14.59%,使得中壓渦輪出口燃氣總溫變化較小,僅增加0.14%,總壓降幅則較為明顯,降低了6.64%,動力渦輪等熵效率有0.34%的降幅,最終導致動力渦輪單位功率下降3.24%,燃氣輪機輸出軸功率降低9.96%;對于SFC,中壓渦輪流通能力增加10%時,盡管燃油流量和輸出軸功率均降低,但SFC仍上升了3.63%。

2.3 變幾何動力渦輪對燃氣輪機性能影響分析

對采用變幾何動力渦輪燃氣輪機進行研究時,外界條件與控制規(guī)律與2.1節(jié)一致。

當動力渦輪流通能力增加10%時,增壓級與高壓壓氣機共同工作線與工作點移動情況如圖17所示;增壓級的共同工作線向靠近喘振邊界移動,與邱超[19]的研究結(jié)果和經(jīng)典教材[20-21]中的運動趨勢一致,高壓壓氣機共同工作線向遠離喘振邊界移動,但移動距離較小,與經(jīng)典教材[20]中的運動趨勢一致,但移動距離略大,下文會做出解釋;在圖17中,A點為動力渦輪流通能力不改變時壓氣機的共同工作點,增加動力渦輪流通能力使得壓氣機的共同工作點均由A點移動至B點。

圖17 PT流通能力變與不變時的壓氣機共同工作線

當動力渦輪流通能力變化量從-10%增加至10%時,燃氣輪機SFC與輸出軸功率變化情況如圖18所示;隨著動力渦輪流通能力不斷增加,燃氣輪機的輸出軸功率呈現(xiàn)出先增加后基本不變的趨勢,SFC則不斷上升;動力渦輪流通能力變化量從-10%增加到10%,輸出軸功率增加3.83%,SFC上升2.56%。

圖18 燃氣輪機總體性能參數(shù)隨PT流通能力變化情況

增加動力渦輪流通能力,根據(jù)式(4)可知,中壓渦輪落壓比增加,中壓渦輪單位功率因此上升,增壓級轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大,進而使增壓級增壓比增大,增壓級出口空氣總溫增高,高壓壓氣機所需功率上升,使得高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有下降的趨勢;但同時,動力渦輪流通能力增加,也使得高壓渦輪落壓比有一定的增加(推測是由于高壓渦輪與中壓渦輪的導向器進口至喉部的總壓恢復系數(shù)變化較大所致),由于高壓渦輪入口燃氣總溫恒定,因此高壓渦輪單位功率有所增加,最終導致高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨著動力渦輪流通能力增加而不斷上升,如圖19所示。

圖19 高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參數(shù)隨PT流通能力變化情況

增大動力渦輪流通能力,增壓級轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增速大于高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增速,因此增壓級與高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差降低,所以增壓級壓氣機的共同工作線向喘振邊界移動。高壓轉(zhuǎn)子的共同工作方程常數(shù)CH的值確定了高壓壓氣機共同工作線在其特性圖的位置,影響CH的主要因素為高壓渦輪導向器面積與高壓渦輪膨脹比[20];當動力渦輪流通能力變大時,雖然高壓渦輪導向器的喉道面積不變,但高壓渦輪膨脹比有所增加,最終使得高壓壓氣機共同工作線下移一定距離。

隨著動力渦輪流通能力增加,盡管高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷上升,但由于高壓壓氣機進口空氣總溫增量較大,使得高壓壓氣機的相對換算轉(zhuǎn)速先緩慢增加后逐漸減小,所以高壓壓氣機增壓比有所下降;動力渦輪流通能力上升,增壓級換算轉(zhuǎn)速增加,增壓級壓氣機共同工作點移至更高換算轉(zhuǎn)速,增壓級壓比增加,其入口換算流量增加,因此,W2不斷上升,如圖20所示。

圖20 燃氣輪機進口流量等隨PT流通能力變化情況

圖21 PT入口總壓與總溫等隨PT流通能力變化情況

隨著動力流通能力的增加,由于壓氣機總增壓比增加,因而壓氣機出口總溫增加,但燃氣輪機進口空氣流量隨之上升,要達到預定的高壓渦輪入口總溫,仍需增加燃油流量,而輸出軸功率變化幅度較小,所以SFC隨著動力渦輪流通能力增加而增加,如圖22所示。

圖22 燃油流量等隨PT流通能力變化情況

當動力渦輪流通能力變化量分別為-10%、0、10%時,燃氣輪機關鍵截面的總壓與總溫的變化情況如圖23所示。各關鍵截面的含義如表3所示。

圖23 不同PT流通能力時關鍵截面的總溫總壓對比

當動力渦輪流通能力變化量從0增加至10%時,在高壓渦輪入口總溫保持不變穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律下,增壓級增壓比上升8.83%,等熵效率下降4.53%,高壓壓氣機增壓比減小3.40%,其等熵效率上升了0.30%,壓氣機總增壓比增加5.16%,這使得高壓壓氣機出口空氣總溫升高3.03%,燃氣輪機進口空氣流量上升了5.11%,為達到預定的高壓渦輪入口總溫,燃燒室燃油流量增加了1.96%。

10%的動力渦輪流通能力增量,使高壓渦輪落壓比增加1.51%,高壓渦輪等熵效率增加0.06%,高壓渦輪單位功率上升1.42%,這使得高壓渦輪出口燃氣總溫有0.28%的降低,總壓升高3.53%;動力渦輪流通能力增加10%,使得中壓渦輪落壓比增大了8.96%,等熵效率下降了0.67%,中壓渦輪單位功率有12.63%的上升,中壓渦輪出口燃氣總溫與總壓因此各下降了1.95%與5.20%,在不考慮導葉兩端調(diào)節(jié)機構(gòu)和導葉間隙等對動力渦輪效率影響的情況下,動力渦輪等熵效率升高了0.64%,動力渦輪單位功率有4.85%的降低,但是由于燃氣輪機進口空氣流量和燃燒室燃油流量的增加,最終使得燃氣輪機輸出軸功率降低0.05%,燃油流量增加1.96%和輸出軸功率減小0.05%,最終使得SFC有2.01%的上升。

3 結(jié)論

通過部件法建模,采用保持高壓渦輪入口總溫恒定的控制規(guī)律,在不考慮導葉兩端調(diào)節(jié)機構(gòu)和導葉間隙等對渦輪效率影響情況下,對燃氣輪機采用不同的變幾何渦輪進行性能分析,得出的結(jié)論如下:

1) 增大燃氣輪機的高壓渦輪流通能力,燃油流量、動力渦輪入口總溫與總壓均增加,燃氣輪機的入口空氣流量也主要表現(xiàn)出上升的趨勢,最終使得輸出軸功率與耗油率均不斷增加;高壓渦輪流通能力增加10%,輸出軸功率與耗油率分別上升2.83%與1.13%。

2) 增大燃氣輪機的中壓渦輪流通能力,燃氣輪機入口空氣流量、燃油流量與動力渦輪入口總壓均下降,動力渦輪入口總溫變化幅度較小,最終導致輸出軸功率降低,耗油率上升;中壓渦輪流通能力增加10%,輸出軸功率降低9.96%,耗油率上升3.63%。

3) 燃氣輪機動力渦輪流通能力增加,燃機入口空氣流量與燃油流量上升,動力渦輪入口總壓與總溫不斷下降,使得輸出軸功率先上升,后有小幅下降,耗油率一直增大,動力渦輪流通能力變化量從0增加到10%,輸出軸功率降低0.05%,耗油率增加2.01%。