提高燃气轮机性能技术解析

提高燃气轮机性能技术解析

徐志威

国家电投集团荆门绿动能源有限公司 湖北荆门 448000

摘要：在工业化进程中，燃气轮机因其较高的能量转化效率而应用于诸多领域，根据其技术发展道路的不同，又有航改轻型与工业重型燃气轮机之分，在现代工业发展中作用显著，但其燃气轮机的性能仍有较大提升空间，尤其是国内燃气轮机技术水平有限，还需做出更多努力。本文主要从循环参数、各功能部件及热力循环等三大方面，具体分析其性能提升的相关技术，以期对燃气轮机的发展有所帮助。

关键词：燃气轮机；性能；技术

在现代工业生产中，能源动力设备发挥关键性作用，而燃气轮机作为内燃机的典型代表，较多应用于国防设备、电力、能源开发等领域，可较为高效的转化燃料能量，对工业生产提升作用显著。燃气轮机的性能的提升，需要获取更高的循环参数，改善压气机、涡轮、燃烧室等部件结构及性能，并科学设计循环方式，使其具有更高能量转化效率，在能源领域发挥更大作用。尽管燃气轮机在国内已有长期应用，但在自主产权及燃气机性能上还有不小差距，仍需高度重视先进燃气轮机的创新与研发。

一、高循环参数

对于燃气轮机而言，其性能的改进较大程度依赖于其运行参数，如涡轮进口温度、压比、比功等，而且不同参数的影响机理及程度有所差别。以涡轮进口温度为例，其关系机器内部的燃料燃点的控制，而且燃气轮机产品均对该参数有明确的要求，在民航发动机中通常取该参数的定值为62摄氏度。在燃气轮机实际应用中，要结合其性能提升及实际应用要求，合理设计涡轮进口温度，提高燃气轮机运行功效。当用作并网发电机组时，燃气轮机的会根据电网频率而维持恒定的转速，燃料供给情况无法改变其转速，但会引起机组出力的波动，而余热锅炉热容对其有较好抑制效果。在实际应用中，热力参数往往是燃气轮机运行性能优化的关键，在特定条件下，压气机总压比的提高预示着机组性能的改善，且往往与涡轮前温度有直接关系，具有更高总压比的燃气轮机也是研发的重点。

二、燃气轮机各部件的结构与性能优化

（一）压气机

通过分析燃气轮机中涡轮运行情况，压气机是其主要做功的对象，大多数做功均用于压缩空气，所以，通过改善压气机的结构及性能有助于降低空气压缩用功需求，提高燃气轮机的运行经济性。压比是其关键参数，关系着压气机性能优化的幅度。喘振问题也常见于压气机部件，尤其是在燃气轮机加、减速期间，通过提高其喘振裕度能够有效避免高机动性燃气轮机出现该问题。对于超、跨声级压气机而言，通过改变其叶片叶型，使其具有不同的叶栅形状，可有效抑制三维效应所造成的能量损失。为此需对压气机叶型设计予以优化，并合理应用三维流理论，尽可能的保障压气机做功效果，可较好的适用于航空及地面燃气轮机压气机的设计。鉴于航空燃气汽轮机在三维流设计中有优异表现，可对其应用予以扩展，借助于同比例放大的方式，可将其用于其他重型燃机设备。相较于传统的篦齿封严的方式，在航空燃机中进行了设计改进，刷式封严装置具有能更好的密封效果。此外，还有其他密封方式，如指状密封，其优势在于工艺成本，相较于刷式封严，可节约一半费用。气膜密封，其优势在于不需要直接接触，也就不会出现磨损问题，且具有耐高压、高温的特性。

（二）涡轮部件

在燃气轮机结构系统中，涡轮的设计关系其整机效率，而且其作为热端构件，涡轮材料成本较高，有着复杂的制造工艺，所以要对其优化设计，提高其高温耐受力及工作效率，还要具备大焓降的特点，并通过降低其级数以减少费用。而且设计优化的关键在于涡轮叶型的优化，有效控制流体能量损耗。具体要求为：一是要改进边界层设计，可选择具有更低摩擦损耗的过渡或层流型边界层，相较于常规边界层设计方式，如湍流边界层，其能耗节约可达1/3。二是为有效控制端区流阻，也需对其涡轮叶片予以优化，现已实现了全三维设计。三是要通过有效匹配涡轮中各个构件，尽量减小叶片径向间隙，而且叶尖带冠的设计方式，也有助于能耗损失的降低，使涡轮功效有所提升。四是联铸方式的应用，能有效改善漏气问题，五是要尽可能的提高涡轮高温耐受能力，使其适应更高的涡轮前温度，以达到涡轮效率提高的目的。

（三）燃烧室

在技术角度分析，燃烧室性能的改进，应从降低压损入手，尽可能保证燃料利用率，使其具有更高的加温比。然而，就现用燃烧室结构而言，最为关键的性能要求便是降低排污量，这也是燃气轮机节能减排的要求。应当根据燃气轮机的用途，对燃烧室的机构及参数予以合理设计，当前航空、舰船用的燃气轮机，其在燃烧室设计中基本可达到较高燃烧效率，而对于地面机械中燃气轮机的应用，当其燃料发生变化时，应当优化改进燃烧室构造，并且要注意需达到相应排放等级，对于燃气轮机应用中的污染问题有很大改善作用。

三、热力循环的改进与优化

对于燃气轮机而言，余热的利用是改善其性能的重要技术措施，也是热力循环改进的关键所在，下面就常见热力循环方式予以分析。

（一）回热循环

在燃气轮机工作中，高压蒸汽在做功完毕后仍存有大量余热，而回热循环的应用便是为了改善这一问题，使燃气轮机余热得到较好回收利用。其循环构造也较为简单，主要是通过增设换热器，来实现对涡轮废气余热重新利用。而这部分热量主要是用于空气的预热，可减少冷空气所造成的燃烧热量损耗，可在更小燃料消耗、更短时间内是高温蒸汽达到涡轮进口温度的要求。经试验可知，回热循环可使燃气轮机整体的热效率增大效果甚至可达20%，尤其是本身排气温度较高的轮机设备。

（二）再热循环

该种热循环方法的应用，其关键在于燃烧室的增设，可充分利用高压涡轮利用后的仍具有较高温度及压力的蒸汽，使之再次进入燃烧室进行加热，达到更高的膨胀做功能力，再输入到低压涡轮，充分提高低压涡轮的工作效率，这样便形成了完整的再热循环，并有效促进比功率的增加，使燃气轮机整体做功效率显著提高。

（三）间冷循环

该类循环的设计目的，也是要提高燃气轮机的比功率，但其原理与再热循环有较大不用。首先在压气机设计中，通常要将其区别为高、低压压气机，间冷循环的设计便是要于两者中间设置冷却器，其冷源主要来自水等低温介质，这样空气由低压向着高压压气机流动的过程中，会经过冷却器以达到冷却效果，这样可使比功有较大提高，进而提高热能利用效率，该循环方式较多应用于大功率燃气轮机。

（四）蒸汽回注循环

在燃气轮机中，蒸汽回注循环的应用目的是通过蒸汽注入的方式，使其同常规意义上的压缩空气相融合，经高温加热其达到预定温度，然后共同催动涡轮运转，以达到提高做功效率的目的。而蒸汽的来源是换热器，通过燃气加热的方式，使其内部水高效蒸发。在实际应用中，还可称其为程氏循环，其在燃气轮机热力循环中也有较多应用。此外，上述热力循环不仅可单独应用，在特定情况下还可组合使用，能够很好改善燃气轮机性能。

四、结束语

综上所述，为使燃气轮机的效能达到最大化，提高燃料的利用率并减少燃气轮机废气排放，可通过采用高循环参数以达到性能优化的目的，同时，燃气轮机结构较为复杂，压气机、涡轮、燃烧室等关键部件的性能优劣，也关系着整机效率，也需予以改进。而为了充分利用燃气轮机的余热，要建立更加高效的热力循环系统，实现热能效率的最大化。此外，在燃气轮机领域，国内技术水平仍处于较低位置，还需在燃气轮机性能提升上做出更大的努力。

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