冷热态对燃气轮机起动性能的影响

王柏贺

(中国航空发动机集团有限公司 沈阳发动机研究所,沈阳 110015)

0 引言

燃气轮机的起动过程可划分为三个阶段:第一阶段为按下起动按钮到点火成功前,为冷态加速阶段,燃烧室未点火和供油,转子升转主要由起动机单独带动,克服压气机耗功。第二阶段为从点火成功到起动机达到脱开转速,为热态加速阶段,燃烧室已点火和供油,涡轮开始参与做功,转子升转主要是起动机和涡轮做功共同克服压气机耗功。第三阶段为起动机脱开转速到达慢车转速,该阶段起动机已经脱开,转子加速主要由涡轮做功与压气机耗功差值产生[1-2]。

燃气轮机起动过程十分复杂,起动性能受许多因素的影响,主要包括起动机功率、转子转动惯量、部件性能、大气温度、燃机冷热态等。对于已经台架试车的燃机来说,转子转动惯量、部件性能、起动机功率已在整机设计、试制之后确定,主要影响起动性能的因素是大气温度与燃机冷热程度。本研究主要分析燃机冷热态对起动性能的影响,以燃气轮机整机起动试验数据为基础,定量研究冷热态对起动时间、点火成功转速及主要部件性能参数的影响规律及机理[3-6]。

1 冷热态对起动时间的影响

开展冷热态对起动时间影响分析,基于燃气轮机整机起动试验数据,选取了在大气温度几乎相同的情况下,不同程度的冷热态对燃气轮机整机点火成功转速的影响规律。冷热态的表征方法在工程上是以动力涡轮出口总温平均温度与大气温度平均温度差值来确定的,统计结果如图1所示。

图1 冷热态对点火成功转速的影响Fig.1 Influence of hot and cold state on successful ignition speed

从图1可知,燃机点火成功转速受冷热态的影响较大,随着动力涡轮出口总温平均值与大气温度差值的升高,燃机点火成功转速相对来说明显降低,更容易点火成功。对于某型燃机而言,冷态下的点火成功转速大部分集中分布在100%附近,热态下则在85%附近,可以认为,当T6-T0(动力涡轮出口总温平均值与大气温度平均值的差值)相差120%时,点火成功转速相差15%。

按照燃机地面起动过程进一步统计冷热态的变化对起动过程三个阶段时间的影响,燃机各起动次起动过程三个阶段时间随T6-T0的关系见图2、图3、图4 ,三个阶段时间占比如图5所示。

图2 典型起动次T6-T0对第I阶段起动时间的影响Fig.2 Influence of typical starting times T6-T0 on the starting time of stage I

图3 典型起动次T6-T0对第II阶段起动时间的影响Fig.3 Influence of typical starting times T6-T0 on the starting time of stage II

图4 典型起动次T6-T0对第III阶段起动时间的影响Fig.4 Influence of typical starting times T6-T0 on the starting time of stage III

图5 起动三阶段起动时间占比Fig.5 Proportion of starting time ratio in three stages

从图2、图3、图4、图5可以看出,第二阶段起动时间在总起动时间中占比最大,约占50%,第一阶段起动时间次之,约占比35%,第三阶段占比最小,约为15%;随着T6-T0温度的升高,第一、二、三阶段的起动时间均有所缩短,其中冷热态变化对第三阶段的起动时间影响是较小的,主要影响第一和第二阶段;第一阶段和第二阶段对于缩短起动时间的作用是相同的,第三阶段最小;在优化燃气轮机整机起动时间时,可重点考虑对第一和第二阶段起动过程进行优化。

2 冷热态对起动性能参数影响分析

选取燃机同一天的连续多次试车数据,在保证燃机进口大气温度基本相当的情况下,研究冷热态单一变量的变化对燃机主要起动性能的影响,分析的性能参数包括燃气发生器转速升转速率、压气机压比、动力涡轮出口温度平均值,见图6、图7、图8。

图6 冷热态下升转速率对比Fig.6 Comparison of lift rates under hot and cold conditions

图7 冷热态下压比对比Fig.7 Comparison of cold and hot lower pressure ratio

图8 冷热态下动力涡轮出口总温对比Fig.8 Comparison of total outlet temperature of power turbine in cold and hot state

从图6可知,热态点火成功转速较冷态点火成功转速提前,判断方式为根据升转速率突增转速点进行判断,分别为图6中点1和点2,判断原理为:燃机未点火成功前,核心机仅由起动机单独出功带转,随着燃气发生器转子转速的提高,压气机负荷逐渐增大,升转速率持续下降,点火成功后,高压涡轮开始参与做功,结合起动机自身带转能力作用,升转速率会增大,出现转折点(点1、点2)。燃气轮机从起动到点火成功转速前,冷热态升转速率曲线重合,主要原因是点火成功前,技术状态固化的核心机负荷相同,起动机带转能力相同,升转速率仅由起动机扭矩和耗功确定,此时未供油、未点火,高压涡轮未参与做功,基于此,可进一步说明燃气轮机冷热态主要影响点火成功后的第二阶段和第三阶段。

从图7可知,热态下的燃机更早点火成功,点火成功后,共同工作线更靠近喘振边界,但压比增大幅值较小,主要增大区间为点火成功转速到60%转速之间,当转速大于60%后,冷热态下的压比曲线基本重合。

可以认为,冷热态对起动过程中压气机的性能影响较小,主要影响的是燃烧室性能与涡轮性能。从热态下点火成功转速提前可以初步推断,燃机热态起动时,燃烧室内的壁温较高,流经燃烧室的空气受热膨胀,密度较小。燃气轮机起动过程中,相同燃气发生器换算转速下的燃油流量是相同的,热态下的燃烧室油气比增大,热态下的燃油雾化效果好,点火所需的能量较小,均有利于点火成功。

由文献[6]可知,起动性能与起动前发动机的热状态有关,冷起动和重复起动时发动机的热状态不同,金属中的焓也不同,造成压气机和涡轮转子叶片与静子机匣间的间隙值不同。考虑热交换和不考虑热交换的起动时间变化约为20%。研究发现,冷起动时,涡轮间隙最大时其效率下降4%,在起动过程的各个阶段最多约有25%的热气流用于加热部件,因此热态起动更利于点火成功及升转速率提高。

从图8可知,热态下的动力涡轮出口温度更高,随着燃气发生器转速的提高,温差减小,慢车转速下,冷热态的动力涡轮出口温度值基本相等,可以推断出在起动到慢车转速前,热态下的高压涡轮效率更高,温降较大,而对于冷态起动而言,随着燃烧室出口温度的逐渐升高,高涡效率逐渐与热态接近,在慢车转速时,温度持平。

3 结论

对燃机各起动次的性能统计分析得出,点火成功转速与燃气轮机冷热程度息息相关,热态点火成功转速与冷态点火成功转速平均相差15%。对三个阶段起动时间影响分析认为,第二阶段占比最高,第一阶段次之,第三阶段占比最小,按照此规律对后续燃机起动时间进行优化,可重点对第一和第二阶段进行性能优化,满足用户需求。

通过冷热态对燃机起动性能影响分析可知,热态起动会抬升共同工作线,但对后续起动过程的影响较小,冷热态下的转速-压比曲线差异性较小;点火成功转速的提前主要受冷热态对油气比的影响,热态下的燃油雾化效果好,油气比高,更利于点火成功。