一种新型燃气轮机部件试验台的设想

祖成龙

（江苏中科能源动力研究中心，江苏 连云港 222000）

引言

我国经济建设及发展的重要方向之一是如何实现环保节能以及能源的安全供给。分布式能源是减轻环境污染，节约能源的有效转换方式，被认为是能源可持续发展的重要策略和技术手段。而分布式能源的核心设备之一就是中小型燃气轮机。2016年习近平在中国航发集团作出重要指示，加快燃气轮机和航空发动机的自主研发及制造生产，同时燃气轮机和航空发动机也列入“十三五”规划中。

中小型燃气轮机的研发和试验区别于微型燃气轮机，微型燃气轮机因造价相对便宜，试验安全风险相对较小，可以直接进行整机试验。中小型燃气轮机由于压气机、燃烧、涡轮三大部件的设计参数与实际参数会相差较多，存在性能匹配问题，若出现问题会造成很大的损失，同时安全风险也要大得多。国内现有燃气轮机部件试验台数量较少，与中小型燃气轮机的试验参数匹配有限，很难满足中小型燃气轮机的研发，而且国内试验台大多数都承担航空公司和国防等项目，试验任务重，对外开放程度低。私营企业大多数又无法承担部件试验台的造价高及占地面积大等问题。因此，如何建设新型部件试验台缓解上述问题，对燃气轮机的研发具有重要意义。

1 国内部件试验台现状

1.1 压气机试验台

为了验证和试验航空发动机和地面燃气轮机，中航集团下属的各个研究院所已建成多台全尺寸压气机试验台。如商发某压气机试验台，使用纯电机驱动，电机最大功率25 MW，双周双向输出，最高输出转速20 000 r/min，进气流量最大50 kg/s，排气温度最高为1 000 K，排气压力最高3 MPa。全转速范围内无临界转速，搭配稳态、动态多系统测量通道，其中稳态测量通道高于1 000个。航发606所某压气机试验台，使用燃气轮机驱动，最大输出功率18.7 MW，进气流量最大105 kg/s，搭配多组流量管，可保证不同工况下进气流量的测量精度。航发集团624所某压气机试验台，最大输出功率3.2 MW，最高转速45 000 r/min，排气压力最高1 MPa，三级VSV静叶可调。

1.2 燃烧试验台

江苏中科能源与动力研究中心的高效低碳大科学装置，燃烧试验台进口总压最高为35 bar（A），流量最大60 kg/s，进气温度最高873 K，出口最高19 73 K。中国燃气涡轮研究院的燃烧试验台，进口总压最高25 bar（A），流量最高21 kg/s，两级预热后进气温度最高928 K。中国航发606研究所的燃烧试验台，进口总压最高42 bar（A），流量最高120 kg/s，进口温度最高1 000 K，流量和压力是目前国内燃烧试验台的最高能力。

1.3 涡轮试验台

国内的航空发动机研究所都建有扇形的叶栅冷效试验台，可以开展静叶的综合冷效试验，但大都需要降低参数或者模化试验，试验结果和实际工况具有一定偏差，叶片表面温度测量也存在很大难度。

2 新型部件试验台设计

部件试验台多是单独运行，具有独立的公辅系统和测控系统。如压气机试验台需要单独的驱动系统，通常为纯电驱动、燃气轮机驱动或者两者联合驱动。燃烧试验台需要一套加热系统，模拟压缩进气设计工况点，一般为电加热、燃料加热或两者二级加热。涡轮试验台需要搭配负载系统，用于消耗涡轮的出功，一般采用水力测功器或空气测功器。

对于同一型号的燃气轮机，三大部件的组成系统可以相互使用，如压气机的排气经加热后可作为燃烧的气源系统，燃烧室燃烧后的烟气经处理可以作为涡轮的气源。测控系统如动态测量系统通常搭配专用测量通道及采集系统，可以考虑多配置通道或者切换探头，实现一对多采集、测量和分析。

2.1 新型压气机试验台

压气机试验台主要由进气系统、排气系统、传动系统、引放气系统、润滑系统和测控系统组成。进气系统采用常规方案，空气经进气塔稳流后，先后经过流量管、调节阀和稳压箱，最后进入压气机试验件。

新型压气机试验台的传动系统动力源可采用双轴输出的电动机，电动机由四象限变频器驱动，启停方便，测量和控制精度高。在压气机试验空档期，可脱开电机的输出轴。在不挪动电机的情况下，电机的另一根输出轴可搭载空压机，为燃烧试验台或涡轮试验台提供气源。

2.2 新型燃烧试验台

燃烧试验台主要由气源系统、加热系统、燃料系统、冷却水系统和测控系统组成。常规燃烧试验台的气源系统通常分为两种，一种为储气罐供气，一种为单独的空压机供气。前者气源稳定，流量调节方便，但仅适用于小型且运行时间短的燃烧试验。后者气源需要具有单独的空压机，根据试验安排长时间提供气源。而空压机主要由电机、多轴输出齿轮箱和多级压气机组成。新型燃烧试验台的空压机电机可使用压气机的双轴输出电动机，从而减少占地面积，节省资源。

2.3 新型涡轮试验台（见图1）

涡轮试验台主要由气源系统、冷却水系统、传动系统、润滑系统及测控系统组成。涡轮试验台的气源主要分为主气和冷气，主气为涡轮提供动力，冷气降低叶片表面温度。新型涡轮试验台的主气可以通过压气机的双轴输出电动机驱动空压机提供，达到和新型燃烧试验台一样的效果。同时新型涡轮试验台的进气温度可以通过燃烧加热或直接使用新型燃烧试验台的排气。

3 新型部件试验台难点

新型部件试验台虽然可以很好地解决试验台占地面积广，并节省部分资金，但也存在系统运行不稳定、装配工艺限制、试验安排限制等难点。

3.1 系统不稳定

压气机、燃烧、涡轮试验件都在试验阶段，不确定其能否长期安全稳定运行。同时试验件的参数是未知的，用一个未知的试验件去试验另一个未知的试验件，可变因素太多，试验数据是否可靠有待论证。

3.2 装配工艺限制

压气机试验台驱动、涡轮试验台主气、燃烧试验台气源使用同一个双轴伸电机，需要经常装配拆换，对设备的性能及装配工艺有很高的要求。

3.3 试验安排限制

新型部件试验台集成度比较高，各个部件试验台相互关联性比较大，其中一个部件试验件做试验，其他两个部件试验台均无法安排试验。同时为了节省面积，三个部件试验台可能会建设在一个厂房内，各个部件的装配和试验也会互相干涉，新型部件试验台更适用部件试验次数需求较少的地方。