大型燃氣輪機的技術特性研究

唐敏

摘 要：近年來，我國大型燃氣輪機迅速發展，9F級燃氣輪機在國內外廣泛應用，然而大型燃氣輪機作為重要的動力設備基礎，其結構設計在我國仍處于初期階段，阻礙了我國燃氣輪機事業的發展。本文將簡要分析大型燃氣輪機的發展情況，并研究大型燃氣輪機的制造技術，探索其在動力、諧響應、振動、支撐機座熱對中性方面的特性。

關鍵詞：大型燃氣輪機;技術特性;動力分析

0 引言

大型燃氣輪機是典型的高端工業產品，是國家高端裝備制造能力的體現，其結構原理與先進航空發動機類似，也因此被譽為制造業“皇冠上的明珠”。大型燃氣輪機在發電廠、艦船動力上有著廣泛應用。

1 大型燃氣輪機發展情況

燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室和燃氣透平這三大部件組成燃氣輪機循環，也被稱為簡單循環，大多數燃氣輪機均采用簡單循環，只有重型燃氣輪機使用聯合循環方案。由于歷史發展背景不同，燃氣輪機的技術發展道路也有所區別，有用航空發動機改型而成的工業或船用航改型燃氣輪機，也有遵循傳統蒸汽輪機理念發展起來，多用于機械驅動或大型電站的工業燃氣輪機。大型燃氣輪機作為21世紀先進的動力機械設備，集成了各種高新技術，隨著高溫材料、設備制造工藝及施工技術等條件的進步，大型燃氣輪機正朝著適用范圍更廣的方向發展，許多發達國家的燃氣輪機及燃氣輪機配套設備已經占據市場的較大份額。而我國燃氣輪機技術和制造起步較晚，伴隨著我國社會的全面發展，市場對燃氣輪機的需求量不斷提升，大力促進我國燃氣輪機事業的發展，具有高生產率、低資源消耗的大型燃氣輪機正被燃氣輪機產業所重視，將會為國家和社會帶來巨大的經濟效益和生態效益。

2 大型燃氣輪機的技術特性

2.1 特性概述

燃氣輪機在發電和艦船的舞臺上已經存在了一段時間，在科學技術不斷發展的背景下，大型動力設備的基礎特性分析能力得到了顯著提升，在進行大型燃氣輪機基礎特性分析時，不僅要考慮機器自身的振動影響，還要減少或消除環境中產生的共振現象，以確保整個燃氣輪機的安全穩定。以船用大型燃氣輪機為例，其與船用柴油機或汽輪機機組相比，能夠節省機艙面積，并且具有啟動快、維護簡單等優勢，從而提高艦船的機動性，也無需過多運行人員。現階段，船用燃氣輪機多采用箱型或塊狀結構，將船用燃氣輪機的進氣系統、輔助設備連同機底座一同置于箱裝體中。采用箱裝體的目的是為了隔音、隔熱，能夠避免核、生物或化學污染，也有利于調換機組。由于箱型基礎在進行動力分析計算時其振動特性主要有由地基彈性變形或船體晃動所引起的，所以船體內部穩定情況對大型燃氣輪機動力分析及使用性能起著至關重要的影響。在正常特性分析中應盡量再現大型燃氣輪機的實際情況，或通過詳細計算采用等效簡化的方法對實際情況進行模擬，以此保障大型燃氣輪機的物理特性。

2.2 動力分析

對大型燃氣輪機動力分析的模擬可以分為兩種，一種是根據艦船實際情況對燃氣輪機及周圍環境進行建模;另一種是根據相關參數，利用等效方法添加彈簧阻尼器系統進行模擬。而對于燃氣輪機豎向動剛度和水平動剛度的計算可以依照《動力機器基礎設計規范》和《燃氣輪機基礎設計導則》，并且大型燃氣輪機最終檢驗要符合《艦船燃氣輪機通過規范》的標準。先分析根據實際情況有現場試驗的計算，通過對燃氣輪機預制樁基和打入式樁基的豎向與豎向剛度計算，可以計算出燃氣輪機周圍環境的抗壓剛度，得出燃氣輪機樁基抗剪剛度需要為艦船環境抗剪剛度的1.4倍才不會受到周圍環境的影響。而根據《燃氣輪機基礎設計導則》提供的計算方法得出的數據，其中豎向剛度更小，而水平剛度更大，不過計算結果基本一致，不會對后續諧響應或振動分析產生影響。再進行模擬相關參數的動力分析，模擬分析主要跟燃氣輪機的固有結構有關，計算結果更便于反映出燃氣輪機的自身結構的剛度、質量和條件，也是其他動力分析和諧響應分析的基礎。利用計算機輔助工程軟件（CAE）和計算機輔助設計（CAD）對大型燃氣輪機進行有限元分析，其結果與實際計算差別較小，主要是因為燃氣輪機動力的非線性特征單元在計算過程中將被忽略。

2.3 諧響應分析

從過往大型燃氣輪機運行經驗可知，燃氣輪機結構在長期載荷的作用下會產生周期響應，而諧響應分析就是研究燃氣輪機結構在承受正弦荷載時的振動情況，從而確定大型燃氣輪機的線性移值是否符合結構設計要求。一般情況下諧響應分析是用來計算在周期荷載作用下燃氣輪機機構的穩態振動情況，以此預測結構的動力性質，避免疲勞、共振等不利因素的發生，不過諧響應分析也有一定局限性，其只能計算穩態響應，無法考慮瞬時振動變化，并且當多個外界荷載作用在燃氣輪機的機構上時，諧響應分析難以得出準確的變化頻率，需要在后期處理中對多個周期荷載進行疊加，才能得到結構的總體響應。

諧響應分析有完全法、縮減法和模態疊加法三種。首先是完全法，此方法無須考慮振型對結構的影響，允許燃氣輪機結構定義上的位移、壓力和溫度載荷，有分別處理應力和位移的優點。只是完全法不能預測結構預應力效應。其次是縮減法，優點是自由度較高，通過初始的完整結構便能進行簡化模型計算，也能夠考慮到結構預應力，這也帶來其計算結果不夠精確，無法施加壓力、穩定等荷載。最后，模態疊加法是利用模態分析得出結構的振型，在將結果與一定因子相乘求和，從而分析計算出結構相應，相比前兩種方法模態疊加法的分析速度更快，分析成本更低，已經被廣泛用于諧響應分析。

2.4 振動分析

振動分析的主要內容是隔振技術特點。目前隔振技術理論多是針對降低地震作用對建筑結構影響，較少有涉及對工業動力設備隔振的研究。大型動力輪機的隔振本質是降低機構系統的自振頻率來減少干擾力對燃氣輪機的影響。指實際隔振分析中有兩類為，一種是減少旋轉設備對支撐結構的有害振動，另一種是降低支撐結構振動對精密設備的有害振動。針對第一種隔振體系，使大型燃氣輪機在轉子旋轉不平衡時產生一個相反的作用力，利用作用力和反作用力相互抵消的原理，使轉子振動荷載降低。而第二種情況多是由諧振運動所產生的相對位移，在這類情況中機器傳導的運動振幅要高于基礎運動振幅，需要額外添加輔助設備，幫助穩定燃氣輪機結構。簡單來說燃氣輪機在高速旋轉時對結構的影響較小，但燃氣輪機必然會有開停機階段，在燃氣輪機下方安裝彈簧隔振裝置有利于降低諧振干擾力對燃氣輪機的影響。

2.5 支撐機座熱對中性分析

支撐機座熱對中性主要是燃氣通道和冷卻氣體通道換熱情況。其中燃氣通道的入口壓強較小，在燃氣與擴壓器支撐接觸位置上最小。當高溫燃氣在擴壓器中流過，溫度高，溫差大，總變形量集中在外套層上，熱變形量也會從內向外逐漸增加，就會導致燃氣通道各處溫度分布不均勻，內外套層的熱應力分布自然也會不均勻，但是只有部分區域會出現高熱應力，大部分區域熱應力趨于穩定，影響不大。而在冷卻氣體通道中，轉子會直接暴露在冷卻氣體中，受到熱變形影響較大，支撐板的變形將嚴重影響對中性能，從而導致轉子效率及壽命的下降。此外，熱對中性優劣的主要參考數據是中心位移數據，大型燃氣輪機主要使用的是切向支撐機構其支撐變形及中心處位移參數值最小，與垂直、45度、60度支承結構相比，變形隨機性最低，因此適合作為大型燃氣輪機的優化支撐結構。

3 結論

隨著我國大型燃氣輪機的迅速發展，以及各行各業對燃氣輪機的需求，不能僅依靠引進國外燃氣輪機技術，需要建立我國自主的大型燃氣輪機制造技術。探究了燃氣輪機動力、諧響應、振動隔振和支撐機座熱對中性幾方面的特性，分析了燃氣輪機基礎設備設計方案，以此促進我國大型燃氣輪機事業的發展。