航改燃气轮机工作特点及先进循环技术研究

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司 上海 200438）

0 引言

燃气轮机在航空领域的使用，经历半个多世纪的发展，在保有量方面已占据了绝对优势，目前仅有个别小型直升机和超轻型飞机仍使用活塞式发动机。与航空燃气轮机同步发展的还有航改燃气轮机。由于航空上要求的特殊性，不论军用或民用，在燃气轮机的研制方面，存在着激烈的竞争关系，因而航空燃气轮机相对于航改的机型，在技术上长期处于领先地位，而且不少经航改的燃气轮机往往直接由航空机种派生而发展。航空燃气轮机的主要特点是：体积小、重量轻、功率大、维护简单、起动方便、加速性好，并有使用不同类型的燃料。在非航空领域使用的燃气轮机，几乎都采用了这些特点［1-2］。

作为地面动力装置，燃气轮机在原理上类似涡轮轴发动机，输出轴直接或通过减速器驱动负载，可用于发电、油田注水、石油和天然气输送设备等，并用作于舰船、机车、坦克等的动力装置［3-5］。

此外，燃气轮机作为燃气发生器在燃气喷射机上得到应用，可用于清除机场跑道、铁路、公路上的冰雪和垃圾等［6］。如在燃气发生器之后继续喷油，将余氧烧尽并冷却，利用其强大的惯性射流实现煤矿坑道和油田油井的灭火要求。

1 航改燃气轮机的工作原理

作为动力装置的航改燃气轮机，其基本原理与航空涡轮轴发动机相同，输出轴带动所要求提供动力的负载。航改燃气轮机，有专门设计的工业燃气轮机，也有从航空产品改造而来的，由于主机的基本类型不同，改造的方式也略有差异。

从定轴涡桨发动机到航改燃气轮机，如果仍保持为前输出定轴式结构，只要把螺桨改成其他负载即可；如改为自由涡轮式结构，可将最后一级涡轮与前面涡轮分开，向后输出，且要增加排气蜗壳。不论按何种方案改造，都应当重新设计后一级涡轮，以减小排气速度，增加输出功率。

从涡喷发动机到航改燃气轮机，只要在涡轮后增加上自由涡轮和排气蜗壳即可。从涡扇发动机到航改燃气轮机，如要求保持内涵参数不变，可采取风扇截顶的方式，去掉外涵和低压涡轮的部分级，重新设计自由涡轮，作后输出安排。此外，也可以去掉风扇重新设计低压压气机和低压涡轮及自由涡轮。

作为动力装置，航改燃气轮机主要的性能参数仍然是功率和油耗［7］。功率的大小量级主要决定于原航机。油耗的高低与原航机有关，与改造航机的技术则有密切关系，如排气系统的损失也起着举足轻重的作用。目前使用的航改燃气轮机，共油耗水平差距较大，高低之差近乎1 倍。从热效率来说，低的仅20%，高的达38%。这主要决定于原航机的水平。

2 航改燃气轮机的使用特点

2.1 对进气装置的要求

在地面装置上使用的燃气轮机，受环境的影响，会长时间吸入含尘空气，其危害是多方面的。其一是侵蚀，灰尘小的硬质颗粒犹如磨料对叶片的磨削，严重时使工作叶片的弦长和型面厚度相对减小40%左右。此外，侵蚀作用还可使压气机工作叶片的抗疲劳性能严重恶化，如叶片表面出现深0.15 mm～0.20 mm、直径0.2 mm～0.4 mm 的侵蚀坑，其既是应力集中点，又是腐蚀源。实验数据表明，点状侵蚀损坏可使叶片疲劳强度极限减小到原极限的57%～80%。

其二是沉积物、灰尘，尤其是黄土灰尘进入发动机，在压气机叶片的叶背表面形成沉积物，严重时可使压气机的效率和增压比下降5%左右，并使喘振裕度大幅下降。此外，对涡轮导向器的影响，在高温下粉尘烧结质点不断地涂挂在叶片上，严重时将影响发动机的正常工作。

由此可知，在地面装置上使用燃气轮机，必须考虑采用减少灰尘进入发动机的进气装置。最简便的方法是采用竖井式进气装置，以便在较高的高度上吸入空气。如果采用这种方法收集空气有困难，或效果不理想，则必须使用专门的空气净化装置——粒子分离器。有可能使用的分离器有如下2 种类型。

障碍型分离器是利用适当的障碍来过滤空气。用布质和纤维质过滤器可截住尺寸为0.3 μm～0.5 μm 的微粒。障碍型过滤器的最大缺点是流体阻力随过滤元件的脏污而增大，需要定期更换过滤元件。障碍型过滤器可深证灰尘净化度达93%～99%，但其效率不高（空气消耗量对过滤器迎面面积之比），该系数仅在2 kg/cm2～6 kg/cm2之间。此外，障碍型过滤器外型尺寸和质量较大，还要求经常维护和更换元件。

在惯性分离器内，当气流的方向和速度改变时，作用在灰尘微粒上的离心力将硬质的微粒与空气分离。为了造成气流中的离心力，可以从切线方向将空气引入分离器工作室，或借助叶片扰流器和射流扰流器来扭转气流方向。不同的惯性分离器其净化效果不同。旋风式分离器净化灰尘达85%～95%，惯性叶栅分离器净化灰尘达90%～99%，而弹道式射流分离器净化灰尘仪达60%～85%。与障碍式过滤器相比，惯性分离器的工作效率要高得多，其中较低的旋风式分离器也能达到10 kg/cm2～25 kg/cm2，因而外形尺寸较小。旋风式分离器的上述特点，再加上净化效果较好，使其得到了广泛应用。其缺点是，它从空气中只能分离粒度大于5 μm 的硬质微粒。

2.2 能使用多种燃料

燃气涡轮发动机在地面装置上使用，应当考虑可利用多种燃料，才有可能在国民经济建设中发挥充分的作用。当前在燃气轮机上使用重油和天然气都已成为现实，但必须考虑用这两种燃料的发动机与使用航空煤油的发动机两者工作的不同特点。重油，包括原油、柴油和渣油，它们在不同程度上存在下面几个问题：

（1）黏度高，特别是在大气温度较低时，尤为突出。一般的离心喷嘴对重油的雾化效果差，油珠的直径较大，延长了燃烧室内的火焰长度，并使燃烧完全系数下降，起动则尤为困难。

（2）灰分和树脂含量高，造成发动机热端部件积炭增加，并增加了燃油系统附件堵塞的可能性和齿轮磨损。

（3）有机物（包括硫和硫化物、胺等）和无机物（包括金属氧化物和盐类等）含量高，促使燃油系统和涡轮叶片表面严重腐蚀。

由于以上情况的存在，在重油中，目前以使用柴油为多，也有使用原油的，相应地都采取了一定的措施。为了解决起动问题，可采取预热起动点火器壳体，或向燃烧室供油前预热燃油，或用汽油启动燃烧，然后切换成柴油等方法。在油田上或在输送天然气管线上使用天然气作为燃气轮机的燃料，在经济上是合理的，已得到广泛应用。

天然气不同于液体燃料，不要求预先雾化和汽化，而后进入燃烧。实践表明，只要更换一下原供油管道和喷嘴，适于供气的特点，或在原系统旁另加1 套供气系统，即可实现。在燃烧完全程度、积炭、腐蚀和温度场分布等方面有可能略优于使用液体燃料的水平。

2.3 可靠性和维护性

航改燃气轮机有共性的特点，一般不会过分追求重量轻的目标。但由于用途不同，在对可靠性和寿命的要求上是不同的。如用于舰艇、坦克，则与航空用的有相近之处。如用于发电，则要求能长期连续可靠工作。同样都用于发电，一种是用于高峰调剂，一种是用于长期连续工作，两者也存在显著差异，对热端部件除考虑高温蠕变之外，对前者要着重考虑低循环疲劳，对后者要着重考虑高周问题。例如压气机叶片，原来航空上是轻质的铝合金或贵重的钛合金，在非航空上则改为一般的不锈钢即可，其耐腐蚀和侵蚀的能力比铝合金更强，而造价又低于钛合金。又如热端部件，涡轮叶片和火焰筒，应提高抗热腐蚀的能力，如增加表面渗铝和涂层。所以，应对其使用特点作具体分析，而后对部件进行必要的改造，以保证其使用的可靠性和寿命要求。作为一般的民用设备，通常要求一年大修1 次，即要求连续工作8 000 h 以上。为实现这一指标，必须对轴承给予足够的重视。国内当前有些机种已基本上达到这一指标要求。以上指的是翻修间隔期寿命，而整机的总寿命，一般以万小时计，如十万h，甚至更长。

在此，有必要指出，应注意航改燃气轮机维护性的特点。由于体积小，重量轻，一般都有备份发动机，可以定期或不定期地更换主机，送修理厂进行翻修，基本上不耽误现场工作。只需极短的更换时间，如1 个工作日后，即可照常运行。

3 用于燃气轮机的先进热力循环

目前，燃气轮机因其自身的特点和优点，已在国防和国民经济建设的多种领域得到广泛的应用。就其未来的发展而言，如能在提高热能利用率和使用固体燃料方面有新的突破，则在非航空领域将具有更广阔的应用前景［8］。

使用燃气轮机，按简单的布雷顿循环，其排气温度一般都在600 K 以上，高的在750 K 以上，大量的热能未能利用即被排入大气。如能充分利用这些热能，则有可能大幅度地提高整机的热效率。解决此问题的方案很多，其中有些已被采用。

3.1 热电联供

这是最简单易行的方案。只要将排气通过余热锅炉或各种换热器，即可生产热水或蒸汽，向工业或生活部门供热。其主要优点是结构简单，热能利用率高。

3.2 回热循环

值得一提的是，这种循环对将早年生产的低压比（压比在6 左右）航机改造为航改燃气轮机是有价值的。因为压比低，压气机出口温度低［9-10］，可从排气中吸收更多的热量，在同样的涡轮前燃气温度下，其向燃烧室供应的燃料减少，同时排气温度下降。预计热效率可提高25%以上。如果有可能将当前低压比的航机燃气温度再提高100 ℃，采用回热循环，将有可能使热效率提高50%左右［11］，即从0.20 提高到0.30。

3.3 蒸汽回注

其原理是将热电联供中余热锅炉生产的蒸汽回输到涡轮前，蒸汽和原来的燃气进行掺混，在涡轮中膨胀做功［12］。部分蒸汽也可以从动力涡轮前注入。以LM2500 燃气轮机为例，将其改造为蒸汽回注后，参数变化情况是：输出功率从20 300 kW增加到25 040 kW，热效率从0.345 5 提高到0.384 4，蒸汽消耗量为18.1 t/h。蒸汽回注方案主要的优点是：同一机组的功率增加，效率提高，但结构简单，而且在热电联供中使用这种方案可根据不同季节或需要对供热供电进行调节，可多供汽少供电，或少供汽多供电。在此，还需要指出，蒸汽回注适用于高压比的发动机。因为高压比发动机的涡轮落压比也大，回注蒸汽更有利于发挥效能。例如LM2500 机型的压比为18，而LM5000机型的压比为27，采用蒸汽回注，则其功率从36 000 kW 增加到48 900 kW，热效率从37%上升到43%，增加的幅度更大些。蒸汽回注主要的缺点是需要经处理的水，而且是一次性使用不能回收，因而消耗量更大。蒸汽消耗量约为燃气轮机空气消耗量的5%～10%。

3.4 蒸汽-燃气联合循环

余热锅炉生产的过热蒸汽进入汽轮机，膨胀做功［13-14］，输出电能。在余热锅炉中也可继续加入燃料，以增加产汽量。如果不再向余热锅炉加燃料，以WJ6G 为例，汽轮机能发出的功率仅占总功率的15%～20%，即400 kW 左右。输出功率为主的仍是燃气轮机。如果向余热锅炉喷入燃料［15］，并且不加入外界空气，在提高蒸汽参数后，将使汽轮机的功率提高，基本上与燃气轮机持平，即总功率增加1 倍，整机效率也得以大幅提高。如果在向锅炉供给燃料的同时，加入外界空气，与排出燃气共同在余热锅炉中燃烧，则蒸汽的产量大幅度提高。这种装置将以汽轮机为主。在采用这种方案的机组中，汽轮机输出功率可比燃气轮机高出数倍［16］。

4 航改燃气轮机燃用固体燃料的前景

在我国，以煤为代表的固体燃料的蕴藏量极为丰富。如能开发以煤作燃料的燃气轮机，对国民经济的作用将是巨大的。

早在数十年前，国外就已开展了针对该方面的研究工作，但由于煤的燃烧产物对涡轮叶片的侵蚀（微粒）和腐蚀（硫化物）等方面的研究进展较为缓慢，相关问题长期没有得到充分解决。关键问题主要在于煤的气化、净化和脱硫3 个环节。实现这些环节需要配备有庞大而复杂的装置，且在转换过程的热效率较低。当前，虽有机组在运行，但仍停留在试运行阶段，离商业运行和推广尚有一定的差距。实施方案主要有下面3种。

4.1 煤气化联合循环

需要完成上面提到的3 个环节。首先是气化，气化的方式有多种，但气化的热效率约为80%～85%，依然有待提升。部分循环还需要供给氧气，相应的需要有空分设备及其电能消耗。再者需要进行净化和脱硫处理，部分循环将煤气冷却后进行，部分循环则直接从热煤气中除尘和脱硫，不论哪种方式都需要有庞大的设备装置和能量消耗。作为主机的燃气轮机，在全套装置中所占空间场地相对较小的。即使如此，生产的煤气供燃气轮机燃烧，仍要求热端部件有高温抗磨的能力。

这种循环，一般都利用余热锅炉吸收燃气轮机排气和煤气冷却中的部分热量，由汽轮机转换为电能。否则，从热效率的角度而言，无法与一般汽轮机热电站相提并论。

4.2 沸腾床联合循环

这种方案是将通常燃气轮机的燃烧室由锅炉代替。在锅炉中煤的颗粒被压气机输送的空气吹动，在炉膛内翻滚，形似沸腾，故名为沸腾燃烧，锅炉则被称为沸腾床，因为是在一定的压力下燃烧，又被称为加压沸腾床。在燃烧过程加入石灰石，能起到脱硫作用，燃气在进入涡轮前仍须进行除尘。与上文所提到的方案一样，其也要与汽轮机组成联合循环，以提高总热效率。

4.3 间接燃烧联合循环

这种方案与上述访问所不同的是：压气机输送的空气进入锅炉，不直接参与燃烧，而是通过管道被加热，然后进入涡轮。一般情况锅炉的温度相对较低，被加热的空气通常不超过1 000 K，为此，可在进入涡轮前供给液体或气体燃料，以补充燃烧。由于锅炉在常压下沸腾燃烧，故称为常压沸腾床。这种循环被称为常压沸腾床联合循环。这种方案的特点是对沸腾床中换热的装置要求较高，且需要一定量的液体或气体燃料。

5 结论与展望

燃气轮机作为一类有着卓越性能的动力机械，其在工业生产与国民经济建设中起着重要作用。除了长期占有先进技术地位的航空用燃气轮机之外，航改燃气轮机也在发电、军用车辆、舰船动力、油气输送等领域扮演了重要角色。由此，针对其开展的技术研究与试验验证依然有着重要而深远的意义。