进排气压损对不同工况燃气轮机性能影响研究

黄东煜

（驻哈尔滨703所军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

进排气系统是船用燃气轮机的关键附属系统［1］，其结构功能复杂，气动阻力明显，导致燃机进排气压损升高，并给燃机性能带来了不利的影响，如功率和经济性的下降及耗油率的增加等［2］（OLYMPUS TM3型燃气轮机在最大功率下，进气压力每下降l%，比油耗增加1.2%，功率损失2.2%［3］；LM2500型燃气轮机排气压损每增加980 Pa，输出功率减少107 k W［4］）。当进排气压损与给定值不同时，燃机性能将发生明显的变化［5］。此外，工况不同，燃机内部工质性质并不一致，单位压损对不同工况下燃机性能的影响也不同，文献［6］认为考虑气体工质的实际特性有重要意义。

1 进排气压损对燃气轮机性能影响分析

敬永权用小偏差法对燃机进排气系统压损对燃机特性影响进行了理论分析，提出了修正系数的计算方法。本文所研究的燃气轮机系统简图如图1所示。

图1 燃气轮机系统简图

其中：CH，CL分别为高、低压压气机；C为燃烧室；TH，TL，TP分别为高、低压涡轮和动力涡轮；0～1和11～0之间分别为进气道和排气道；Δp＊in为0～1之间的进气道压损；2～3之间为高低压压气机之间过渡段压损；4～5之间为燃烧室压损；6～7之间为高低压涡轮之间的扩压段（涡轮中间机匣）压损；8～9之间为低压涡轮与动力涡轮之间的机匣通流部分压损；10～11之间为排气蜗壳压损；Δp＊out为11～0之间的排气道压损。定义出口总压与进口总压之比为总压恢复系数［7］，则系统总的总压恢复系数为：

其中：σ0～1，σ2～3，σ4～5，σ6～7，σ8～9，σ10～11和σ11～0为相应段间的总压恢复系数。当进、排气压损同时发生变化后，系统总压恢复系数和动力涡轮膨胀比为：

其中：σ′，σ′0～1，σ′11～0分别为进、排气压损变化后系统总压恢复系数和进、排气道总压恢复系数；ε＊TH，ε＊TL，ε＊TP′分别为高、低压涡轮膨胀比和进排气压损变化后动力涡轮膨胀比；p＊0，p＊9′，p＊10′分别为大气压力和进排气压损变化后动力涡轮进、出口截面总压；π＊HC，π＊LC分别为高、低压压气机压比。则比功和功率相对变化量为：

其中：WTP，s，W′TP，s，ΔWTP，s分别为进排气压损变化前、后动力涡轮的比功及比功变化量；k为绝热指数为动力涡轮膨胀比，Δ分别为低压压气机进口总压及其变化量，Δ表征进气道压损变化且导致减小，因此Δ为负；，Δ分别为排气道入口处燃气总压及其变化量，Δ表征排气道压损变化且导致增大，因此Δ为正；Ne，ΔNe分别为动力涡轮输出功率及其变化量；G，ΔG为流量及其变化量。

由于油气比f仅与燃气初温和压气机出口的温度有关［8］，且燃料低热值Hu也跟进排气压损无关，所以进、排气压损变化后耗油率和有效效率相对变化量为：

其中：Be，ΔBe分别为耗油量及其增量；η，Δη分别为有效效率及其增量。对比式（4）、式（5）、式（6）可知，比功相对变化量和燃油相对增量及有效效率的相对变化量在数量上相同。

2 进排气压损对燃气轮机性能影响

假设初始进排气道压损为0，p＊1和p＊11初始值取标准大气压101 325 Pa，则σ0～1和σ11～0初始值为1。本文以喷油量为工况标准，即不同工况对应不同的喷油量，1.0工况代表标准喷油量时额定工况。根据前文分析结果及假设，1.0工况时进、排气压损对燃机性能的影响如图2～图5所示。

从图2可以看出，1.0工况时，当进、排气道压损增量均达到4 000 Pa时，动力涡轮比功相对变化量为－0.055，即损失达到5.5%。图3中，｜Δp｜代表进气或排气总压损失的绝对值，从图3中可知，进、排气压损对比功的影响相差不大。

图2 进、排气压损对动力涡轮比功相对变化量的影响

从图4可知，1.0工况时，当进、排气道压损均达到4 000 Pa时，动涡输出功率下降了9.5%，可见压损对输出功率的影响比对比功影响大。从图5可知，进气压损对输出功率的影响明显比排气压损对功率的影响大，由式（5）可知，这是由于进气压损还影响进气量的大小。

图3 进、排气压损单因素对动涡比功相对变化量的影响

图4 进、排气压损对动力涡轮输出功率相对变化量的影响

图5 进、排气压损单因素对动涡输出功率相对变化量的影响

从式（4）、式（5）、式（6）可知，影响燃机性能的主要因素有Δp＊1，Δp＊11，k，ε＊TP，可见工质绝热指数k和膨胀比ε＊TP均会对燃机性能产生影响。表1为各工况下工质绝热指数和膨胀比。由表1可知，不同工况下k和ε＊TP均有较大差异，图6、图7为考虑绝热指数和膨胀比的差异，不同工况进气总压损失对比功和功率的影响。从图6、图7可知进气压损对低工况下动力涡轮比功和输出功率相对影响程度均比高工况大，同样是进气压损4 000 Pa，0.35工况时，比功和功率相对损失为4.48%和8.42%；而1.0工况时，比功和功率相对损失为2.68%和6.76%。

表1 各工况下工质绝热指数和膨胀比

3 结论

各工况进排气总压的增大均会导致动力涡轮比功和输出功率损失量的增大，但由于进气压损既影响进气压力恢复系数，还影响进气量G本身，因此同等压损条件下进气压损对燃气轮机性能的影响比排气压损要大。工况不同则工质热物理性质有较大差异，进、排气压损在不同工况下对燃气轮机性能的影响也明显不同，低工况下燃机性能对进排气压损的敏感性比高工况时要高。因此，保持进、排气道的清洁畅通，定期检查并清除污垢和腐蚀层对于保证燃气轮机输出功率和经济性有着重要的意义，本文所述方法和结论对于燃机性能修正有一定的参考价值。

图6 各工况进气总压损失对比功相对损失量的影响

图7 各工况进气总压损失对输出功率相对损失量的影响

［1］ 肖军.SGT5－2000E型燃气轮机安装关键技术探析［J］.四川建材，2011（5）：151－154.

［2］ 刘建华，刘永葆，贺星，等.进排气压力损失耦合作用下的船用燃气轮机性能研究［J］.机械工程与自动化，2012（3）：4－6.

［3］ 刘光宇.船舶燃气轮机装置原理与设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.

［4］ 敬永权.进排气道全压损失对舰船燃气轮机性能影响的修正计算［J］.船舶工程，1982（5）：30－38.

［5］ 李瑭珺，田杰，韩刚，等.9E燃气轮机进气系统流动损失分析［J］.热力透平，2011（3）：177－179.

［6］ 张仁兴.考虑实际气体性质的三轴燃气轮机中冷循环性能优化［J］.热科学与技术，2010，9（10）：70－74.

［7］ 翁史烈.燃气轮机［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［8］ 吴仲华.燃气的热力性质表［M］.北京：科学出版社，1959.