航改燃氣輪機工作特點及先進循環技術研究

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司 上海 200438）

0 引言

燃氣輪機在航空領域的使用，經歷半個多世紀的發展，在保有量方面已占據了絕對優勢，目前僅有個別小型直升機和超輕型飛機仍使用活塞式發動機。與航空燃氣輪機同步發展的還有航改燃氣輪機。由于航空上要求的特殊性，不論軍用或民用，在燃氣輪機的研制方面，存在著激烈的競爭關系，因而航空燃氣輪機相對于航改的機型，在技術上長期處于領先地位，而且不少經航改的燃氣輪機往往直接由航空機種派生而發展。航空燃氣輪機的主要特點是：體積小、重量輕、功率大、維護簡單、起動方便、加速性好，并有使用不同類型的燃料。在非航空領域使用的燃氣輪機，幾乎都采用了這些特點［1-2］。

作為地面動力裝置，燃氣輪機在原理上類似渦輪軸發動機，輸出軸直接或通過減速器驅動負載，可用于發電、油田注水、石油和天然氣輸送設備等，并用作于艦船、機車、坦克等的動力裝置［3-5］。

此外，燃氣輪機作為燃氣發生器在燃氣噴射機上得到應用，可用于清除機場跑道、鐵路、公路上的冰雪和垃圾等［6］。如在燃氣發生器之后繼續噴油，將余氧燒盡并冷卻，利用其強大的慣性射流實現煤礦坑道和油田油井的滅火要求。

1 航改燃氣輪機的工作原理

作為動力裝置的航改燃氣輪機，其基本原理與航空渦輪軸發動機相同，輸出軸帶動所要求提供動力的負載。航改燃氣輪機，有專門設計的工業燃氣輪機，也有從航空產品改造而來的，由于主機的基本類型不同，改造的方式也略有差異。

從定軸渦槳發動機到航改燃氣輪機，如果仍保持為前輸出定軸式結構，只要把螺槳改成其他負載即可；如改為自由渦輪式結構，可將最后一級渦輪與前面渦輪分開，向后輸出，且要增加排氣蝸殼。不論按何種方案改造，都應當重新設計后一級渦輪，以減小排氣速度，增加輸出功率。

從渦噴發動機到航改燃氣輪機，只要在渦輪后增加上自由渦輪和排氣蝸殼即可。從渦扇發動機到航改燃氣輪機，如要求保持內涵參數不變，可采取風扇截頂的方式，去掉外涵和低壓渦輪的部分級，重新設計自由渦輪，作后輸出安排。此外，也可以去掉風扇重新設計低壓壓氣機和低壓渦輪及自由渦輪。

作為動力裝置，航改燃氣輪機主要的性能參數仍然是功率和油耗［7］。功率的大小量級主要決定于原航機。油耗的高低與原航機有關，與改造航機的技術則有密切關系，如排氣系統的損失也起著舉足輕重的作用。目前使用的航改燃氣輪機，共油耗水平差距較大，高低之差近乎1 倍。從熱效率來說，低的僅20%，高的達38%。這主要決定于原航機的水平。

2 航改燃氣輪機的使用特點

2.1 對進氣裝置的要求

在地面裝置上使用的燃氣輪機，受環境的影響，會長時間吸入含塵空氣，其危害是多方面的。其一是侵蝕，灰塵小的硬質顆粒猶如磨料對葉片的磨削，嚴重時使工作葉片的弦長和型面厚度相對減小40%左右。此外，侵蝕作用還可使壓氣機工作葉片的抗疲勞性能嚴重惡化，如葉片表面出現深0.15 mm～0.20 mm、直徑0.2 mm～0.4 mm 的侵蝕坑，其既是應力集中點，又是腐蝕源。實驗數據表明，點狀侵蝕損壞可使葉片疲勞強度極限減小到原極限的57%～80%。

其二是沉積物、灰塵，尤其是黃土灰塵進入發動機，在壓氣機葉片的葉背表面形成沉積物，嚴重時可使壓氣機的效率和增壓比下降5%左右，并使喘振裕度大幅下降。此外，對渦輪導向器的影響，在高溫下粉塵燒結質點不斷地涂掛在葉片上，嚴重時將影響發動機的正常工作。

由此可知，在地面裝置上使用燃氣輪機，必須考慮采用減少灰塵進入發動機的進氣裝置。最簡便的方法是采用豎井式進氣裝置，以便在較高的高度上吸入空氣。如果采用這種方法收集空氣有困難，或效果不理想，則必須使用專門的空氣凈化裝置——粒子分離器。有可能使用的分離器有如下2 種類型。

障礙型分離器是利用適當的障礙來過濾空氣。用布質和纖維質過濾器可截住尺寸為0.3 μm～0.5 μm 的微粒。障礙型過濾器的最大缺點是流體阻力隨過濾元件的臟污而增大，需要定期更換過濾元件。障礙型過濾器可深證灰塵凈化度達93%～99%，但其效率不高（空氣消耗量對過濾器迎面面積之比），該系數僅在2 kg/cm2～6 kg/cm2之間。此外，障礙型過濾器外型尺寸和質量較大，還要求經常維護和更換元件。

在慣性分離器內，當氣流的方向和速度改變時，作用在灰塵微粒上的離心力將硬質的微粒與空氣分離。為了造成氣流中的離心力，可以從切線方向將空氣引入分離器工作室，或借助葉片擾流器和射流擾流器來扭轉氣流方向。不同的慣性分離器其凈化效果不同。旋風式分離器凈化灰塵達85%～95%，慣性葉柵分離器凈化灰塵達90%～99%，而彈道式射流分離器凈化灰塵儀達60%～85%。與障礙式過濾器相比，慣性分離器的工作效率要高得多，其中較低的旋風式分離器也能達到10 kg/cm2～25 kg/cm2，因而外形尺寸較小。旋風式分離器的上述特點，再加上凈化效果較好，使其得到了廣泛應用。其缺點是，它從空氣中只能分離粒度大于5 μm 的硬質微粒。

2.2 能使用多種燃料

燃氣渦輪發動機在地面裝置上使用，應當考慮可利用多種燃料，才有可能在國民經濟建設中發揮充分的作用。當前在燃氣輪機上使用重油和天然氣都已成為現實，但必須考慮用這兩種燃料的發動機與使用航空煤油的發動機兩者工作的不同特點。重油，包括原油、柴油和渣油，它們在不同程度上存在下面幾個問題：

（1）黏度高，特別是在大氣溫度較低時，尤為突出。一般的離心噴嘴對重油的霧化效果差，油珠的直徑較大，延長了燃燒室內的火焰長度，并使燃燒完全系數下降，起動則尤為困難。

（2）灰分和樹脂含量高，造成發動機熱端部件積炭增加，并增加了燃油系統附件堵塞的可能性和齒輪磨損。

（3）有機物（包括硫和硫化物、胺等）和無機物（包括金屬氧化物和鹽類等）含量高，促使燃油系統和渦輪葉片表面嚴重腐蝕。

由于以上情況的存在，在重油中，目前以使用柴油為多，也有使用原油的，相應地都采取了一定的措施。為了解決起動問題，可采取預熱起動點火器殼體，或向燃燒室供油前預熱燃油，或用汽油啟動燃燒，然后切換成柴油等方法。在油田上或在輸送天然氣管線上使用天然氣作為燃氣輪機的燃料，在經濟上是合理的，已得到廣泛應用。

天然氣不同于液體燃料，不要求預先霧化和汽化，而后進入燃燒。實踐表明，只要更換一下原供油管道和噴嘴，適于供氣的特點，或在原系統旁另加1 套供氣系統，即可實現。在燃燒完全程度、積炭、腐蝕和溫度場分布等方面有可能略優于使用液體燃料的水平。

2.3 可靠性和維護性

航改燃氣輪機有共性的特點，一般不會過分追求重量輕的目標。但由于用途不同，在對可靠性和壽命的要求上是不同的。如用于艦艇、坦克，則與航空用的有相近之處。如用于發電，則要求能長期連續可靠工作。同樣都用于發電，一種是用于高峰調劑，一種是用于長期連續工作，兩者也存在顯著差異，對熱端部件除考慮高溫蠕變之外，對前者要著重考慮低循環疲勞，對后者要著重考慮高周問題。例如壓氣機葉片，原來航空上是輕質的鋁合金或貴重的鈦合金，在非航空上則改為一般的不銹鋼即可，其耐腐蝕和侵蝕的能力比鋁合金更強，而造價又低于鈦合金。又如熱端部件，渦輪葉片和火焰筒，應提高抗熱腐蝕的能力，如增加表面滲鋁和涂層。所以，應對其使用特點作具體分析，而后對部件進行必要的改造，以保證其使用的可靠性和壽命要求。作為一般的民用設備，通常要求一年大修1 次，即要求連續工作8 000 h 以上。為實現這一指標，必須對軸承給予足夠的重視。國內當前有些機種已基本上達到這一指標要求。以上指的是翻修間隔期壽命，而整機的總壽命，一般以萬小時計，如十萬h，甚至更長。

在此，有必要指出，應注意航改燃氣輪機維護性的特點。由于體積小，重量輕，一般都有備份發動機，可以定期或不定期地更換主機，送修理廠進行翻修，基本上不耽誤現場工作。只需極短的更換時間，如1 個工作日后，即可照常運行。

3 用于燃氣輪機的先進熱力循環

目前，燃氣輪機因其自身的特點和優點，已在國防和國民經濟建設的多種領域得到廣泛的應用。就其未來的發展而言，如能在提高熱能利用率和使用固體燃料方面有新的突破，則在非航空領域將具有更廣闊的應用前景［8］。

使用燃氣輪機，按簡單的布雷頓循環，其排氣溫度一般都在600 K 以上，高的在750 K 以上，大量的熱能未能利用即被排入大氣。如能充分利用這些熱能，則有可能大幅度地提高整機的熱效率。解決此問題的方案很多，其中有些已被采用。

3.1 熱電聯供

這是最簡單易行的方案。只要將排氣通過余熱鍋爐或各種換熱器，即可生產熱水或蒸汽，向工業或生活部門供熱。其主要優點是結構簡單，熱能利用率高。

3.2 回熱循環

值得一提的是，這種循環對將早年生產的低壓比（壓比在6 左右）航機改造為航改燃氣輪機是有價值的。因為壓比低，壓氣機出口溫度低［9-10］，可從排氣中吸收更多的熱量，在同樣的渦輪前燃氣溫度下，其向燃燒室供應的燃料減少，同時排氣溫度下降。預計熱效率可提高25%以上。如果有可能將當前低壓比的航機燃氣溫度再提高100 ℃，采用回熱循環，將有可能使熱效率提高50%左右［11］，即從0.20 提高到0.30。

3.3 蒸汽回注

其原理是將熱電聯供中余熱鍋爐生產的蒸汽回輸到渦輪前，蒸汽和原來的燃氣進行摻混，在渦輪中膨脹做功［12］。部分蒸汽也可以從動力渦輪前注入。以LM2500 燃氣輪機為例，將其改造為蒸汽回注后，參數變化情況是：輸出功率從20 300 kW增加到25 040 kW，熱效率從0.345 5 提高到0.384 4，蒸汽消耗量為18.1 t/h。蒸汽回注方案主要的優點是：同一機組的功率增加，效率提高，但結構簡單，而且在熱電聯供中使用這種方案可根據不同季節或需要對供熱供電進行調節，可多供汽少供電，或少供汽多供電。在此，還需要指出，蒸汽回注適用于高壓比的發動機。因為高壓比發動機的渦輪落壓比也大，回注蒸汽更有利于發揮效能。例如LM2500 機型的壓比為18，而LM5000機型的壓比為27，采用蒸汽回注，則其功率從36 000 kW 增加到48 900 kW，熱效率從37%上升到43%，增加的幅度更大些。蒸汽回注主要的缺點是需要經處理的水，而且是一次性使用不能回收，因而消耗量更大。蒸汽消耗量約為燃氣輪機空氣消耗量的5%～10%。

3.4 蒸汽-燃氣聯合循環

余熱鍋爐生產的過熱蒸汽進入汽輪機，膨脹做功［13-14］，輸出電能。在余熱鍋爐中也可繼續加入燃料，以增加產汽量。如果不再向余熱鍋爐加燃料，以WJ6G 為例，汽輪機能發出的功率僅占總功率的15%～20%，即400 kW 左右。輸出功率為主的仍是燃氣輪機。如果向余熱鍋爐噴入燃料［15］，并且不加入外界空氣，在提高蒸汽參數后，將使汽輪機的功率提高，基本上與燃氣輪機持平，即總功率增加1 倍，整機效率也得以大幅提高。如果在向鍋爐供給燃料的同時，加入外界空氣，與排出燃氣共同在余熱鍋爐中燃燒，則蒸汽的產量大幅度提高。這種裝置將以汽輪機為主。在采用這種方案的機組中，汽輪機輸出功率可比燃氣輪機高出數倍［16］。

4 航改燃氣輪機燃用固體燃料的前景

在我國，以煤為代表的固體燃料的蘊藏量極為豐富。如能開發以煤作燃料的燃氣輪機，對國民經濟的作用將是巨大的。

早在數十年前，國外就已開展了針對該方面的研究工作，但由于煤的燃燒產物對渦輪葉片的侵蝕（微粒）和腐蝕（硫化物）等方面的研究進展較為緩慢，相關問題長期沒有得到充分解決。關鍵問題主要在于煤的氣化、凈化和脫硫3 個環節。實現這些環節需要配備有龐大而復雜的裝置，且在轉換過程的熱效率較低。當前，雖有機組在運行，但仍停留在試運行階段，離商業運行和推廣尚有一定的差距。實施方案主要有下面3種。

4.1 煤氣化聯合循環

需要完成上面提到的3 個環節。首先是氣化，氣化的方式有多種，但氣化的熱效率約為80%～85%，依然有待提升。部分循環還需要供給氧氣，相應的需要有空分設備及其電能消耗。再者需要進行凈化和脫硫處理，部分循環將煤氣冷卻后進行，部分循環則直接從熱煤氣中除塵和脫硫，不論哪種方式都需要有龐大的設備裝置和能量消耗。作為主機的燃氣輪機，在全套裝置中所占空間場地相對較小的。即使如此，生產的煤氣供燃氣輪機燃燒，仍要求熱端部件有高溫抗磨的能力。

這種循環，一般都利用余熱鍋爐吸收燃氣輪機排氣和煤氣冷卻中的部分熱量，由汽輪機轉換為電能。否則，從熱效率的角度而言，無法與一般汽輪機熱電站相提并論。

4.2 沸騰床聯合循環

這種方案是將通常燃氣輪機的燃燒室由鍋爐代替。在鍋爐中煤的顆粒被壓氣機輸送的空氣吹動，在爐膛內翻滾，形似沸騰，故名為沸騰燃燒，鍋爐則被稱為沸騰床，因為是在一定的壓力下燃燒，又被稱為加壓沸騰床。在燃燒過程加入石灰石，能起到脫硫作用，燃氣在進入渦輪前仍須進行除塵。與上文所提到的方案一樣，其也要與汽輪機組成聯合循環，以提高總熱效率。

4.3 間接燃燒聯合循環

這種方案與上述訪問所不同的是：壓氣機輸送的空氣進入鍋爐，不直接參與燃燒，而是通過管道被加熱，然后進入渦輪。一般情況鍋爐的溫度相對較低，被加熱的空氣通常不超過1 000 K，為此，可在進入渦輪前供給液體或氣體燃料，以補充燃燒。由于鍋爐在常壓下沸騰燃燒，故稱為常壓沸騰床。這種循環被稱為常壓沸騰床聯合循環。這種方案的特點是對沸騰床中換熱的裝置要求較高，且需要一定量的液體或氣體燃料。

5 結論與展望

燃氣輪機作為一類有著卓越性能的動力機械，其在工業生產與國民經濟建設中起著重要作用。除了長期占有先進技術地位的航空用燃氣輪機之外，航改燃氣輪機也在發電、軍用車輛、艦船動力、油氣輸送等領域扮演了重要角色。由此，針對其開展的技術研究與試驗驗證依然有著重要而深遠的意義。