一種新型燃氣輪機部件試驗臺的設想

祖成龍

（江蘇中科能源動力研究中心，江蘇 連云港 222000）

引言

我國經濟建設及發展的重要方向之一是如何實現環保節能以及能源的安全供給。分布式能源是減輕環境污染，節約能源的有效轉換方式，被認為是能源可持續發展的重要策略和技術手段。而分布式能源的核心設備之一就是中小型燃氣輪機。2016年習近平在中國航發集團作出重要指示，加快燃氣輪機和航空發動機的自主研發及制造生產，同時燃氣輪機和航空發動機也列入“十三五”規劃中。

中小型燃氣輪機的研發和試驗區別于微型燃氣輪機，微型燃氣輪機因造價相對便宜，試驗安全風險相對較小，可以直接進行整機試驗。中小型燃氣輪機由于壓氣機、燃燒、渦輪三大部件的設計參數與實際參數會相差較多，存在性能匹配問題，若出現問題會造成很大的損失，同時安全風險也要大得多。國內現有燃氣輪機部件試驗臺數量較少，與中小型燃氣輪機的試驗參數匹配有限，很難滿足中小型燃氣輪機的研發，而且國內試驗臺大多數都承擔航空公司和國防等項目，試驗任務重，對外開放程度低。私營企業大多數又無法承擔部件試驗臺的造價高及占地面積大等問題。因此，如何建設新型部件試驗臺緩解上述問題，對燃氣輪機的研發具有重要意義。

1 國內部件試驗臺現狀

1.1 壓氣機試驗臺

為了驗證和試驗航空發動機和地面燃氣輪機，中航集團下屬的各個研究院所已建成多臺全尺寸壓氣機試驗臺。如商發某壓氣機試驗臺，使用純電機驅動，電機最大功率25 MW，雙周雙向輸出，最高輸出轉速20 000 r/min，進氣流量最大50 kg/s，排氣溫度最高為1 000 K，排氣壓力最高3 MPa。全轉速范圍內無臨界轉速，搭配穩態、動態多系統測量通道，其中穩態測量通道高于1 000個。航發606所某壓氣機試驗臺，使用燃氣輪機驅動，最大輸出功率18.7 MW，進氣流量最大105 kg/s，搭配多組流量管，可保證不同工況下進氣流量的測量精度。航發集團624所某壓氣機試驗臺，最大輸出功率3.2 MW，最高轉速45 000 r/min，排氣壓力最高1 MPa，三級VSV靜葉可調。

1.2 燃燒試驗臺

江蘇中科能源與動力研究中心的高效低碳大科學裝置，燃燒試驗臺進口總壓最高為35 bar（A），流量最大60 kg/s，進氣溫度最高873 K，出口最高19 73 K。中國燃氣渦輪研究院的燃燒試驗臺，進口總壓最高25 bar（A），流量最高21 kg/s，兩級預熱后進氣溫度最高928 K。中國航發606研究所的燃燒試驗臺，進口總壓最高42 bar（A），流量最高120 kg/s，進口溫度最高1 000 K，流量和壓力是目前國內燃燒試驗臺的最高能力。

1.3 渦輪試驗臺

國內的航空發動機研究所都建有扇形的葉柵冷效試驗臺，可以開展靜葉的綜合冷效試驗，但大都需要降低參數或者模化試驗，試驗結果和實際工況具有一定偏差，葉片表面溫度測量也存在很大難度。

2 新型部件試驗臺設計

部件試驗臺多是單獨運行，具有獨立的公輔系統和測控系統。如壓氣機試驗臺需要單獨的驅動系統，通常為純電驅動、燃氣輪機驅動或者兩者聯合驅動。燃燒試驗臺需要一套加熱系統，模擬壓縮進氣設計工況點，一般為電加熱、燃料加熱或兩者二級加熱。渦輪試驗臺需要搭配負載系統，用于消耗渦輪的出功，一般采用水力測功器或空氣測功器。

對于同一型號的燃氣輪機，三大部件的組成系統可以相互使用，如壓氣機的排氣經加熱后可作為燃燒的氣源系統，燃燒室燃燒后的煙氣經處理可以作為渦輪的氣源。測控系統如動態測量系統通常搭配專用測量通道及采集系統，可以考慮多配置通道或者切換探頭，實現一對多采集、測量和分析。

2.1 新型壓氣機試驗臺

壓氣機試驗臺主要由進氣系統、排氣系統、傳動系統、引放氣系統、潤滑系統和測控系統組成。進氣系統采用常規方案，空氣經進氣塔穩流后，先后經過流量管、調節閥和穩壓箱，最后進入壓氣機試驗件。

新型壓氣機試驗臺的傳動系統動力源可采用雙軸輸出的電動機，電動機由四象限變頻器驅動，啟停方便，測量和控制精度高。在壓氣機試驗空檔期，可脫開電機的輸出軸。在不挪動電機的情況下，電機的另一根輸出軸可搭載空壓機，為燃燒試驗臺或渦輪試驗臺提供氣源。

2.2 新型燃燒試驗臺

燃燒試驗臺主要由氣源系統、加熱系統、燃料系統、冷卻水系統和測控系統組成。常規燃燒試驗臺的氣源系統通常分為兩種，一種為儲氣罐供氣，一種為單獨的空壓機供氣。前者氣源穩定，流量調節方便，但僅適用于小型且運行時間短的燃燒試驗。后者氣源需要具有單獨的空壓機，根據試驗安排長時間提供氣源。而空壓機主要由電機、多軸輸出齒輪箱和多級壓氣機組成。新型燃燒試驗臺的空壓機電機可使用壓氣機的雙軸輸出電動機，從而減少占地面積，節省資源。

2.3 新型渦輪試驗臺（見圖1）

渦輪試驗臺主要由氣源系統、冷卻水系統、傳動系統、潤滑系統及測控系統組成。渦輪試驗臺的氣源主要分為主氣和冷氣，主氣為渦輪提供動力，冷氣降低葉片表面溫度。新型渦輪試驗臺的主氣可以通過壓氣機的雙軸輸出電動機驅動空壓機提供，達到和新型燃燒試驗臺一樣的效果。同時新型渦輪試驗臺的進氣溫度可以通過燃燒加熱或直接使用新型燃燒試驗臺的排氣。

3 新型部件試驗臺難點

新型部件試驗臺雖然可以很好地解決試驗臺占地面積廣，并節省部分資金，但也存在系統運行不穩定、裝配工藝限制、試驗安排限制等難點。

3.1 系統不穩定

壓氣機、燃燒、渦輪試驗件都在試驗階段，不確定其能否長期安全穩定運行。同時試驗件的參數是未知的，用一個未知的試驗件去試驗另一個未知的試驗件，可變因素太多，試驗數據是否可靠有待論證。

3.2 裝配工藝限制

壓氣機試驗臺驅動、渦輪試驗臺主氣、燃燒試驗臺氣源使用同一個雙軸伸電機，需要經常裝配拆換，對設備的性能及裝配工藝有很高的要求。

3.3 試驗安排限制

新型部件試驗臺集成度比較高，各個部件試驗臺相互關聯性比較大，其中一個部件試驗件做試驗，其他兩個部件試驗臺均無法安排試驗。同時為了節省面積，三個部件試驗臺可能會建設在一個廠房內，各個部件的裝配和試驗也會互相干涉，新型部件試驗臺更適用部件試驗次數需求較少的地方。