中文名称

燃气轮机热力性能试验

英文名称

gas turbine thermodynamic performance test

定　　义

对燃气轮机功率、热耗率和效率等热力性能指标进行的考核试验。

应用学科

电力（一级学科），汽轮机、燃气轮机（二级学科）

汽轮机装置的热力性能用热耗率和热效率表示。汽轮机装置的热耗率为每输出单位机械功所耗的蒸汽热量。热效率是输出机械功与所耗蒸汽热量之比。电站汽轮机装置的热耗率和热效率是按发电机输出单位功计算的，已考虑了发电机效率。为了进行热力性能计算，必须列出各部分的热力系统热平衡方程，因此热力性能计算也称热平衡计算。

以图1中6号加热器为例,每个加热器的热平衡计算方法如下。流入加热器管中的凝结水流量为qm，温度为tW1,焓为HW1。加热后流出时温度为tW2，焓为HW2。流入加热器并在管外流动的抽汽量为qme6，压力为pe6，焓为He6。5号加热器疏水流入6号加热器的流量为5，焓为HS5,6号加热器的疏水流量为6，焓为HS6。相应的热量平衡方程为

qm·(HW2-HW1)=qme6·He6 5·HS5-6·HS6

如果只有抽汽量qme6为未知值，即可解出

qme6=【qm·(HW2-HW1)-5·HS5 6·HS6】/He6

如果分别对各加热器列出类似的热平衡方程，求解后即可得出各段抽汽量，从而可得出通过汽轮机各级的蒸汽流量和相应的功率，算出汽轮机的总功率。

对于图1的循环，发出功率为额定功率 300兆瓦，汽轮机装置热耗率为8080.5焦/(瓦·时)，热效率为44.5%。对于整个电站,还要考虑锅炉效率和厂用电,因此电站热耗率比单独汽轮机装置的热耗率高。如果厂用电占输出功率的 5%，锅炉效率为90%，则相应电站热耗率为8080.5/(0.95×0.9)=9450焦/（瓦·时），电站热效率为3600/9450=38.1%。

适用于新建和在役压水堆核电机组的常规岛热力性能试验，其它堆型可参照执行。

介绍

在变工况下，燃气轮机应能：不超温，即从燃气轮机燃烧室到燃气透平的燃气初温t3应低于透平所允许的最大温度值t3；不超速，即n应低于转子强度所允许的最大值n；压气机不喘振;同时还希望功率P降低时，效率η下降得较慢,并有利于实现快速起动和加载等。燃气轮机经常是在变工况下运行的，因而了解它的变工况性能，对于正确地设计、选择和使用燃气轮机都很重要。影响燃气轮机变工况性能的有不同轴系方案、大气参数变化、加载过程、起动过程和几何形状等因素。

不同轴系方案的影响　燃气轮机的变工况性能，除与压气机、燃烧室和透平等部件的性能以及循环方式有关外，还与轴系方案密切有关。3种轴系方案中,以单轴和分轴方案用得最多。不同轴系方案中压气机和透平的排列组合各不相同，它们在变工况下相互匹配关系的变化也必然不同。负荷变化对燃气轮机的影响与压气机是否联轴有关。单轴的联轴，负荷的转速变化直接影响压气机，对压气机工况影响较大；分轴和三轴的都不联轴，负荷的转速变化对压气机工况影响较小。因此，不同轴系方案燃气轮机的变工况性能是不相同的。 　单轴燃气轮机最简单的燃气轮机的性能,下角标"0"表示设计值。阴影区为安全运行区，它由不超温、不超速和不喘振等限制线所围成，范围较小。还画出了带动两种典型负荷n=n0的恒速负荷和P∝n3的螺旋桨负荷(变速负荷)时的工作线,其中后者在低工况时因压气机喘振而不能运行。在带动上述两种负荷时效率η和燃气初温t3的变化情况,它们都随功率P的降低而下降。其中，对于简单循环,在带动上述两种负荷时，η的变化相近；对于回热循环（见燃气轮机循环），在带动变速负荷时随着P的降低，η的下降显著变慢，以至在P下降后的η比带动恒速负荷的η高得多。因此，单轴燃气轮机在带动不同负荷时的性能差别较大，带动恒速负荷时能良好地运行，而带动变速负荷时就可能出现喘振，使运行受到限制。这种现象是由于压气机与负荷联轴所致。此外，单轴燃气轮机的扭矩性能差，输出扭矩Μ随着n的降低而下降,不能适应车辆牵引负荷Μ增加的要求。

分轴燃气轮机　它的透平分为两个，一个带动压气机，一个作为动力透平带动负荷，因而能避免单轴燃气轮机中压气机与负荷联轴的现象。在分轴方案中，压气机、燃烧室和高压透平这3个部件组成燃气发生器,供给动力透平（即低压透平）以一定压力的高温燃气。表示分轴燃气轮机的性能。在阴影区内,一般能满足t3≤t3，因而是安全运行区。相比较,安全运行区显著扩大，不仅在带动螺旋桨负荷时能良好地运行,而且在输出转速n2为零时,燃气轮机仍能运行，这是单轴燃气轮机无法做到的。在采用回热循环时，分轴带动恒速负荷或变速负荷时，都与单轴带动变速负荷时的情况相似，即随着P的降低η下降缓慢。 　对应于具体的负荷，分轴燃气轮机的扭矩性能,随n2的降低,Μ增加,至n2=0时达到最大扭矩Μ。它比设计值Μ0大一倍以上,因而扭矩性能良好，这是单轴燃气轮机无法比拟的。因此，分轴燃气轮机还适用于车辆牵引负荷。

但在分轴燃气轮机中，由于动力透平不与压气机联轴，在负荷功率变化时转速易波动，突甩负荷时易超速。因此，在电站带动发电机（恒速负荷）时，分轴燃气轮机不如单轴的好。而且在低工况下，分轴燃气轮机的n1下降较多，会出现压气机喘振问题，须采用放气等防喘振措施。随着燃气轮机设计压缩比的提高，喘振问题变得更为严重，必须用更有效的措施来避免喘振。

三轴燃气轮机 　三轴燃气轮机，是把分轴燃气轮机中单转子的燃气发生器变为双转子而得到的。它在P降低时，n1比n2下降得快，能协调高、低压压气机的工作，使压气机在低工况下不易喘振,因而能选用比分轴燃气轮机更高的设计压缩比,以达到更高的效率。三轴燃气轮机的变工况性能与分轴的相似，但随着P的降低，η的下降会比分轴的缓慢一些。

大气参数变化的影响　大气温度ta和大气压力pa的变化对燃气轮机的性能影响很大。例如单轴燃气轮机,当ta由15℃降至－20℃时，P和η分别增加25～30%和5～8%左右；当ta由15℃升高至40℃时,P和η分别降低17～22%和5～8%左右。ta的变化还影响安全运行区,ta>tao时安全运行区缩小,ta

因此，在夏季或热带地区，燃气轮机的P和η都会降低，在冬季或寒带地区则提高。在高海拔地区，pa和ta均低，前者使P下降,后者则使P下降的程度变小,且使η提高。而活塞式内燃机在高海拔地区P下降严重。因此，燃气轮机适用于高海拔地区。

加载过程的影响　加载属于过渡过程。单轴燃气轮机带动恒速负荷时，加载过程的转速基本不变，燃气温度变化引起的热应力限制了加载的速度。单轴燃气轮机带动变速负荷时，加载即加速，会多消耗一些功来使转子加速，故t3较高，有可能超温和引起喘振。对于分轴燃气轮机，由于n1是变的，加载过程与单轴变转速的相似。

起动过程的影响　起动过程是指燃气轮机由静止状况起动、加速至空载工况的过程。开始时由起动机带动燃气轮机冷加速,到点火转速(单轴燃气轮机是15～20%n0)时,燃烧室中开始喷入燃料并点火燃烧，进入热加速阶段。到脱扣转速(单轴燃气轮机是45～60%n0)后，起动机脱开，燃气轮机自己加速至空载工况。在起动过程中，燃气轮机由冷态变为热态，热应力问题严重，形成热冲击，对寿命影响很大。此外还有喘振问题，压气机需要采取放气等防喘振措施。

变几何的影响　燃气轮机的变工况性能，还可通过控制部件性能在变工况下的变化来改善。采用通流部分的几何形状能够变化（简称变几何）的压气机和透平能达到这个目的。常用的变几何是在压气机和透平中采用可转动的静叶片（简称可调静叶），使叶片的安装角随燃气轮机工况的需要而变化。通常，把这种用可调静叶的燃气轮机叫做变几何燃气轮机。

压气机的可调静叶用于进气端，主要是为了避免喘振，有利于燃气轮机的起动和扩大安全运行区。不少高压缩比的压气机采用多列可调静叶，以求更有效地改善压气机的性能。

透平可调静叶，一般用于分轴燃气轮机的动力透平中。它能改善分轴燃气轮机的加速性能和实现动力制动，在同时用回热循环时,还能使η在宽广的P变化范围内下降得不多。因此，车辆燃气轮机一般都是有回热的变几何分轴燃气轮机。

参考书目

И.В.柯特略尔著,樊介生、高椿译:《燃气轮机装置的变动工况》,上海科学技术出版社,上海，1965。2100433B