大型燃气轮机的技术特性研究

唐敏

摘 要：近年来，我国大型燃气轮机迅速发展，9F级燃气轮机在国内外广泛应用，然而大型燃氣轮机作为重要的动力设备基础，其结构设计在我国仍处于初期阶段，阻碍了我国燃气轮机事业的发展。本文将简要分析大型燃气轮机的发展情况，并研究大型燃气轮机的制造技术，探索其在动力、谐响应、振动、支撑机座热对中性方面的特性。

关键词：大型燃气轮机;技术特性;动力分析

0 引言

大型燃气轮机是典型的高端工业产品，是国家高端装备制造能力的体现，其结构原理与先进航空发动机类似，也因此被誉为制造业“皇冠上的明珠”。大型燃气轮机在发电厂、舰船动力上有着广泛应用。

1 大型燃气轮机发展情况

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和燃气透平这三大部件组成燃气轮机循环，也被称为简单循环，大多数燃气轮机均采用简单循环，只有重型燃气轮机使用联合循环方案。由于历史发展背景不同，燃气轮机的技术发展道路也有所区别，有用航空发动机改型而成的工业或船用航改型燃气轮机，也有遵循传统蒸汽轮机理念发展起来，多用于机械驱动或大型电站的工业燃气轮机。大型燃气轮机作为21世纪先进的动力机械设备，集成了各种高新技术，随着高温材料、设备制造工艺及施工技术等条件的进步，大型燃气轮机正朝着适用范围更广的方向发展，许多发达国家的燃气轮机及燃气轮机配套设备已经占据市场的较大份额。而我国燃气轮机技术和制造起步较晚，伴随着我国社会的全面发展，市场对燃气轮机的需求量不断提升，大力促进我国燃气轮机事业的发展，具有高生产率、低资源消耗的大型燃气轮机正被燃气轮机产业所重视，将会为国家和社会带来巨大的经济效益和生态效益。

2 大型燃气轮机的技术特性

2.1 特性概述

燃气轮机在发电和舰船的舞台上已经存在了一段时间，在科学技术不断发展的背景下，大型动力设备的基础特性分析能力得到了显著提升，在进行大型燃气轮机基础特性分析时，不仅要考虑机器自身的振动影响，还要减少或消除环境中产生的共振现象，以确保整个燃气轮机的安全稳定。以船用大型燃气轮机为例，其与船用柴油机或汽轮机机组相比，能够节省机舱面积，并且具有启动快、维护简单等优势，从而提高舰船的机动性，也无需过多运行人员。现阶段，船用燃气轮机多采用箱型或块状结构，将船用燃气轮机的进气系统、辅助设备连同机底座一同置于箱装体中。采用箱装体的目的是为了隔音、隔热，能够避免核、生物或化学污染，也有利于调换机组。由于箱型基础在进行动力分析计算时其振动特性主要有由地基弹性变形或船体晃动所引起的，所以船体内部稳定情况对大型燃气轮机动力分析及使用性能起着至关重要的影响。在正常特性分析中应尽量再现大型燃气轮机的实际情况，或通过详细计算采用等效简化的方法对实际情况进行模拟，以此保障大型燃气轮机的物理特性。

2.2 动力分析

对大型燃气轮机动力分析的模拟可以分为两种，一种是根据舰船实际情况对燃气轮机及周围环境进行建模;另一种是根据相关参数，利用等效方法添加弹簧阻尼器系统进行模拟。而对于燃气轮机竖向动刚度和水平动刚度的计算可以依照《动力机器基础设计规范》和《燃气轮机基础设计导则》，并且大型燃气轮机最终检验要符合《舰船燃气轮机通过规范》的标准。先分析根据实际情况有现场试验的计算，通过对燃气轮机预制桩基和打入式桩基的竖向与竖向刚度计算，可以计算出燃气轮机周围环境的抗压刚度，得出燃气轮机桩基抗剪刚度需要为舰船环境抗剪刚度的1.4倍才不会受到周围环境的影响。而根据《燃气轮机基础设计导则》提供的计算方法得出的数据，其中竖向刚度更小，而水平刚度更大，不过计算结果基本一致，不会对后续谐响应或振动分析产生影响。再进行模拟相关参数的动力分析，模拟分析主要跟燃气轮机的固有结构有关，计算结果更便于反映出燃气轮机的自身结构的刚度、质量和条件，也是其他动力分析和谐响应分析的基础。利用计算机辅助工程软件（CAE）和计算机辅助设计（CAD）对大型燃气轮机进行有限元分析，其结果与实际计算差别较小，主要是因为燃气轮机动力的非线性特征单元在计算过程中将被忽略。

2.3 谐响应分析

从过往大型燃气轮机运行经验可知，燃气轮机结构在长期载荷的作用下会产生周期响应，而谐响应分析就是研究燃气轮机结构在承受正弦荷载时的振动情况，从而确定大型燃气轮机的线性移值是否符合结构设计要求。一般情况下谐响应分析是用来计算在周期荷载作用下燃气轮机机构的稳态振动情况，以此预测结构的动力性质，避免疲劳、共振等不利因素的发生，不过谐响应分析也有一定局限性，其只能计算稳态响应，无法考虑瞬时振动变化，并且当多个外界荷载作用在燃气轮机的机构上时，谐响应分析难以得出准确的变化频率，需要在后期处理中对多个周期荷载进行叠加，才能得到结构的总体响应。

谐响应分析有完全法、缩减法和模态叠加法三种。首先是完全法，此方法无须考虑振型对结构的影响，允许燃气轮机结构定义上的位移、压力和温度载荷，有分别处理应力和位移的优点。只是完全法不能预测结构预应力效应。其次是缩减法，优点是自由度较高，通过初始的完整结构便能进行简化模型计算，也能够考虑到结构预应力，这也带来其计算结果不够精确，无法施加压力、稳定等荷载。最后，模态叠加法是利用模态分析得出结构的振型，在将结果与一定因子相乘求和，从而分析计算出结构相应，相比前两种方法模态叠加法的分析速度更快，分析成本更低，已经被广泛用于谐响应分析。

2.4 振动分析

振动分析的主要内容是隔振技术特点。目前隔振技术理论多是针对降低地震作用对建筑结构影响，较少有涉及对工业动力设备隔振的研究。大型动力轮机的隔振本质是降低机构系统的自振频率来减少干扰力对燃气轮机的影响。指实际隔振分析中有两类为，一种是减少旋转设备对支撑结构的有害振动，另一种是降低支撑结构振动对精密设备的有害振动。针对第一种隔振体系，使大型燃气轮机在转子旋转不平衡时产生一个相反的作用力，利用作用力和反作用力相互抵消的原理，使转子振动荷载降低。而第二种情况多是由谐振运动所产生的相对位移，在这类情况中机器传导的运动振幅要高于基础运动振幅，需要额外添加辅助设备，帮助稳定燃气轮机结构。简单来说燃气轮机在高速旋转时对结构的影响较小，但燃气轮机必然会有开停机阶段，在燃气轮机下方安装弹簧隔振装置有利于降低谐振干扰力对燃气轮机的影响。

2.5 支撑机座热对中性分析

支撑机座热对中性主要是燃气通道和冷却气体通道换热情况。其中燃气通道的入口压强较小，在燃气与扩压器支撑接触位置上最小。当高温燃气在扩压器中流过，温度高，温差大，总变形量集中在外套层上，热变形量也会从内向外逐渐增加，就会导致燃气通道各处温度分布不均匀，内外套层的热应力分布自然也会不均匀，但是只有部分区域会出现高热应力，大部分区域热应力趋于稳定，影响不大。而在冷却气体通道中，转子会直接暴露在冷却气体中，受到热变形影响较大，支撑板的变形将严重影响对中性能，从而导致转子效率及寿命的下降。此外，热对中性优劣的主要参考数据是中心位移数据，大型燃气轮机主要使用的是切向支撑机构其支撑变形及中心处位移参数值最小，与垂直、45度、60度支承结构相比，变形随机性最低，因此适合作为大型燃气轮机的优化支撑结构。

3 结论

随着我国大型燃气轮机的迅速发展，以及各行各业对燃气轮机的需求，不能仅依靠引进国外燃气轮机技术，需要建立我国自主的大型燃气轮机制造技术。探究了燃气轮机动力、谐响应、振动隔振和支撑机座热对中性几方面的特性，分析了燃气轮机基础设备设计方案，以此促进我国大型燃气轮机事业的发展。