針對脈沖發電機突變負載的微型燃氣輪機工作性能研究

劉家興，翟世杰，趙晨旭

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

電磁軌道炮利用洛倫茲力使彈丸在磁場中加速的原理突破了以往通過化學能來發射彈丸的傳統方式的理論極限。相比于傳統火炮，電磁軌道炮具有以下優點：彈丸的巨大動能大幅度提高了其威力和射程；炮彈具有體積小、質量輕的優勢，大幅度增加了武器裝備的攜彈量；電磁軌道炮結構簡單，炮口形狀可以根據作戰環境進行靈活調整。而高功率電源系統是軌道炮系統的重要組成部分之一。

微型燃氣輪機因其具有體積小、質量輕、結構簡單、并且在其工作過程中只有旋轉運動等優勢[1]，被作為電磁軌道炮的初級能源。微型燃氣輪-脈沖發電機組作為軌道炮電源在工作過程中，會發生瞬時增大和減小燃機負載的現象，一般需要通過增加或減少供油量來使燃氣輪機盡快恢復穩定工作狀態，因載荷突變的動態過程會直接影響整個機組的穩定性和系統的性能。動態特性就是當機組在起動、停車、載荷突增或突減等從一個穩定工況轉換到另一個穩定工況的過程中所經歷的不穩定過渡段工況。這就要求燃氣輪機在工作過程除了需要具有良好的穩態性能外，還要具備快速響應能力，并且在其動態響應過程中要保證燃氣輪機始終工作在穩定區域[2-5]。

本文建立了雙轉子微型燃氣輪機的模型，在此基礎上，對微型燃氣輪機的工作性能進行了仿真，完成其設計點和非設計點的性能計算以及燃油增加與降低、載荷突增與突卸的動態過程仿真。

1 微型燃氣輪機數學模型

由于篇幅所限對其內部各部件中的氣動熱力參數計算過程僅作簡要介紹。

1.1 進口條件

微型燃氣輪機的進口條件就是外界的大氣條件，可以根據工作地點的海拔高度計算出該位置的大氣溫度和壓強，而燃氣輪機發電機組又只在地面工作，于是有：

(1)

(2)

式中：T和T*分別代表靜溫和總溫；p和p*分別代表靜壓和總壓；H是飛行高度。

1.2 壓氣機

(3)

通過在壓氣機特性圖上插值的方法有：

(4)

(5)

進一步計算壓氣機進口截面流量為

(6)

1.3 燃燒室

在燃燒室中需要定義兩個參數即燃燒室的總壓恢復系數σb和燃燒效率ηb，其計算過程如下：

(7)

W4=W3+Wf

(8)

(9)

式中Hu表示燃油低熱值，取值為42 900kJ/kg。

1.4 渦輪和動力渦輪

(10)

(11)

(12)

(13)

2 系統的共同工作和動態響應分析

2.1 微型燃氣輪機中的共同工作規律

在微型燃氣輪機的工作過程中，各部件氣動參數之間存在著一些物理關系，稱為共同工作條件，每個部件的工作都要遵循以下共同工作條件：

1)壓力之間的平衡關系；

2)氣流的質量流量平衡關系；

3)壓氣機和渦輪同軸，即物理轉速相等關系；

4)核心機渦輪和壓氣機之間及動力渦輪和負載之間的功率守恒關系。

2.2 微型燃氣輪機中的動態響應分析

根據上述共同工作規律，在系統的動力段，動力渦輪發出功率和負載應滿足功率平衡方程：

(14)

式中：Jl是動力軸段的轉動慣量；nl是動力軸的轉速。

在負載功率突然減小的過程中，動力軸轉速加速度為正值，轉速持續上升。為了使轉速nl恢復穩定，應該采取措施降低動力渦輪的輸出功率Npt。一般采取降低燃氣總焓的方法來減低渦輪的輸出功率，有兩種方式：

1)在核心機壓氣機后設置放氣閥，當需要降低渦輪輸出功率時，以打開閥門放氣的方式來降低通過渦輪的燃氣質量流量。

2)以減少燃油流量的方式來降低流經動力渦輪燃氣的總焓，但在降低供油量的過程中應避免過分貧油燃燒而導致的燃機熄火。

3 微型燃氣輪機穩態性能計算

3.1 設計點性能計算

燃氣輪機的初步氣動熱力參數計算都是在設計點處進行的。為了滿足設計要求，首先選定一個主要工作狀態為設計點作為燃氣輪機的設計狀態，根據計算所得結果選擇其中最為合理的工作過程參數來設計燃氣輪機。本文選定參數主要有：進口流量、壓氣機壓比、燃燒效率、渦輪前溫度等，如表1所示。

表1 設計點參數選取

根據表1中的設計點性能計算所得結果如表2所示。

表2 在設計點計算所得參數

3.2 非設計點性能計算

燃氣輪機的設計點是對應著特定的工作高度、大氣溫度以及油門桿位置的，當實際工作情況與以上這些設計點參數不同時，燃氣輪機的工作點就偏離了設計點而處于非設計點工作，因此燃氣輪機的主要性能肯定也會與設計點有所不同。為了對非設計點性能進行研究，對于這種帶動力渦輪的燃氣輪機特性可分為3種：高度特性、溫度特性以及節流特性。

1)高度特性

燃氣輪機的高度特性是指其主要工作性能參數隨其工作高度的變化。在標準溫度和相同的控制規律下，圖1和圖2分別給出了該燃氣輪機動力渦輪輸出功率和當量耗油率及燃機進口流量、渦輪前溫度和排氣溫度隨燃機工作高度的變化。

圖1 動力渦輪輸出功率和當量耗油率隨工作高度的變化

圖2 燃機進口流量、渦輪前溫度和排氣溫度隨工作高度的變化

圖1顯示了在供油量不變的情況下，隨著燃氣輪機工作高度的上升其動力渦輪輸出功率Npt呈現上升趨勢，這是由于隨出口外界氣壓的降低使動力渦輪的落壓比變大了。而隨著工作高度的增加，燃機進口溫度的降低所帶來的增益要好于進口壓強的降低，燃機當量耗油率是下降的。

圖2顯示了隨工作高度提升所帶來的影響。如果不改變燃機的供油量，會帶來燃機流量的下降和渦輪前總溫的提升，加之當量耗油率降低斜率一直在變小，說明如果進一步升高工作高度會影響燃機的穩定運行。所以應該限制燃機在高原工作的工作時長。

如果進一步降低進口壓強則會引起燃機內的部件性能急劇惡化，使燃機內部流通能力急劇下降，耗油率升高[6]。

2)溫度特性

燃氣輪機的高度特性是指其主要工作性能參數隨其進口大氣溫度的變化。圖3和圖4分別給出了在海拔高度為0m時，該燃氣輪機動力渦輪輸出功率和當量耗油率及燃機進口流量、渦輪前溫度和排氣溫度隨燃機進口溫度與標準溫度之間差值的變化。

圖3 動力渦輪輸出功率和當量耗油率隨標準溫差的變化

圖4 燃機進口流量、渦輪前溫度和排氣溫度隨標準溫差的變化

圖3顯示了燃機動力渦輪輸出功率Npt隨溫度的上升而減小，這是由于隨燃機進口溫度的升高，流經燃機的空氣密度和流量(圖4)都隨之降低，同時會引起壓氣機壓比的降低。而燃機當量耗油率則隨環境溫度的升高而降低。在低溫區域，燃機當量耗油率高不符合其要求的經濟型，而在高溫區域，由于渦輪前溫度的升高會引起壓氣機穩定裕度的減小，使燃機動態響應范圍縮小，動態性能變差。

4 微型燃氣輪機動態性能計算

所謂動態特性就是指燃機從一個穩定狀態過渡到另一個穩定狀態過程中發動機性能參數的變化。對于帶脈沖發電機的燃機經常會發生載荷突變的情況，這會對動力段轉速產生很大影響。為了使動力段轉速盡量穩定，常用的方法是控制核心機的供油量。供油量的瞬時變化會對核心機產生很大影響，這就要求必須足夠了解燃機核心機部分的動態性能，制定良好的調解方案，才能夠在發生負載突變時，使燃機-脈沖發電機組盡快恢復穩定狀態。

4.1 供油量突增工況

本文模擬了標準工況下燃機突增10%供油量時，燃氣輪機內部發生的動態變化過程。圖5和圖6分別表示動力渦輪輸出功率、當量耗油率及核心機關鍵參數在燃油突增的情況下隨時間發生的變化規律。整個系統在燃油突增后在2s左右回歸穩定。

圖5 供油量突增時動力渦輪輸出功率和當量耗油率的變化

圖6 供油量突增時燃機核心機關鍵參數的變化

圖5表示動力渦輪輸出功率和當量耗油率隨時間的變化。在燃油量突然增加的過程中，隨著燃氣渦輪排氣溫度的瞬間增加，動力渦輪進口溫度瞬間增加使得動力渦輪輸出功經過一個階躍式的增加后，最終經歷2s左右的時間達到穩定狀態。

從圖6中可以看出，在燃油增加的過程中，燃氣輪機渦輪前溫度和動力渦輪排氣溫度應該有所上升，可是值得注意的是，在燃油量突然增大的過程中，這兩者均是先升高再降低最終回歸穩定。這是由于燃油增加的速度很大，而燃氣輪機轉速增加相比于燃油量的增加是很慢的，油氣比在這個過程中劇烈增加導致溫度升高得很快，而隨著燃氣輪機轉速慢慢提升以后，空氣質量流量增加，油氣比下降，燃氣輪機渦輪前溫度和動力渦輪排氣溫度隨之下降，最終使整個系統回歸平穩。

4.2 供油量突減工況

假設燃油質量流量比標準工況突然減少10%，燃油量變化如圖7-圖8所示。因為系統參數變化規律和之前加油情況類似，在本節中不再進一步說明。隨著供油量的減少，燃氣渦輪發出的功率降低使得燃氣輪機主軸轉速降低，導致了空氣質量流量的減少和動力渦輪輸出功率的降低。燃氣渦輪前和動力渦輪排氣初始溫度分別為1 250.9K和810.4K，過程溫度最低值分別為1 215.1K和653.6K，最終在779.7K和808.4K時達到穩定。

圖7 供油量突減時動力渦輪輸出功率和當量耗油率的變化

圖8 供油量突減時燃機核心機關鍵參數的變化

5 結語

本文建立了帶自由渦輪的微型燃氣輪機數學模型，針對燃機-脈沖發電機組的工作特點，對其進行了穩態和動態性能仿真計算。通過對高度特性和溫度特性的計算，可以直接得到其在不同海拔高度和大氣溫度工作環境下的工作性能參數。針對燃氣輪機載荷突變情況，以控制燃油量的變化作為應對方案，得到以下結論：在燃油量突然增加的過程中，燃氣輪機轉速、空氣質量流量、動力渦輪輸出功均立即增加，而燃氣渦輪前溫度以及動力渦輪排氣溫度會經歷先上升再下降最終達到平穩；產生了一個曲線尖峰的過程，燃氣輪機組經歷2s左右的時間達到穩定；而在燃油量突然減少的過程中，得到的結論與前者類似，只是系統穩定時間要比燃油突增情況下的長。