具有空气冷却的简单循环燃气轮机热力学建模和性能优化:(Ⅱ)优化

具有空气冷却的简单循环燃气轮机热力学建模和性能优化：
(Ⅱ)优化
王文华;陈林根;孙丰瑞
【摘要】在第(Ⅰ)部分给出循环功率和效率计算流程的基础上,通过优化低压压气机压比和总压比,分别得到了考虑空气冷却和实际气体性质的三轴燃气轮机简单循环最大比功率、最大效率及相应的冷却空气比例.计算和分析表明,存在最佳的总压比使循环性能最优,燃烧室出口燃气温度对循环最优性能有影响.
【期刊名称】《热力透平》
【年(卷),期】2011(040)004
【总页数】4页(P250-252,285)
【关键词】空气冷却;简单循环;三轴;燃气轮机;热力学过程;性能优化
【作者】王文华;陈林根;孙丰瑞
【作者单位】海军工程大学船舶与动力学院,武汉430033;海军工程大学船舶与动力学院,武汉430033;海军工程大学船舶与动力学院,武汉430033
【正文语种】中文
【中图分类】TK12
本文第(I)部分［1］在文献［2－9］的基础上，建立了考虑空气冷却和实际气体性质的燃气轮机循环模型，给出了循环功率和效率的计算流程并通过实例验证计算考
核了模型的准确性。

已有文献［2－8，10－16］都是基于所建的考虑空气冷却的
燃气轮机循环模型的基础上估算或分析其热力性能，本文将在文献［1］的基础上，通过优化低压压气机压比和总压比分别得到循环最大比功率和最大效率及相应的冷却空气比例，并分析燃烧室出口燃气温度对循环最优性能的影响。

1 循环性能优化计算流程
具有涡轮叶片冷却的燃气轮机循环计算一般包括以下步骤:(1)估算每个采用空气冷
却的叶片排(如高压涡轮静叶)中冷却空气量;(2)估算由于冷却带来的滞止温度和总
压损失(如燃气主流和冷却空气间的温差传热以及两者随后的掺混损失);(3)综合步
骤(1)和步骤(2)进行循环性能计算。

简单循环三轴燃气轮机示意图仍如本文第I部分图1。

考虑涡轮部分分成三段:一级高压涡轮、一级低压涡轮、若干级动力涡轮，其中前三列叶片(分别为高压涡轮静
叶A、高压涡轮动叶B和低压涡轮静叶C)需要空气冷却，其后叶片由于燃气温度
已大幅降低而不再需要采用空气冷却措施，且假定所有冷却空气均从高压压气机出口引出。

在循环性能计算时，给定环境温度 T0=300.15 K，环境压力 p0=0.1013 MPa，
低压压气机进口压力损失系数σin=0.02，低压压气机等熵效率ηLC=0.88，高压
压气机等熵效率ηHC=0.88，燃油低热值Hu=42700 kJ/kg，燃烧室的总压损失
系数σB=0.02，燃烧室出口温度T4=1700 K，高压涡轮的等熵效率ηHT=0.96，低压涡轮的等熵效率ηLT=0.96，动力涡轮的等熵效率ηPT=0.96和排气压力损失系数σout=0.03。

假定第一列静叶A表面温度Tbl=1073 K，冷却空气流入口温度Tci(也即给定压比πc时压气机的出口温度T2)，冷却效率ηcool=0.7以及气膜冷却有效度εf=0.4，首先计算出冷却有效度ε0和气膜冷却时的温比M+A，再根据文献［1］中的式(18)求出第一列静叶的冷却空气比例ξA。

假设第一列动叶前的燃气温度TgB等于燃烧室出口温度T4和高压涡轮出口温度
T5的算术平均值，那么同理可求出M+B和ξB［4］。

TgB也可以通过迭代计算得到，但实际算例表明，对于涡轮气冷叶片，用上述算术平均值TgB=(T4+T5)/2来计算也能得到非常接近的结果［4］。

由于将高压涡轮的静叶和动叶的冷却是分开考虑的，因此在计算时，文献［1］中的式(6)应改写为
式中，ηHTg和ηHTb分别为高压涡轮静叶和动叶的效率;mcHTg为冷却高压涡轮静叶的工质质量流率;假定冷却高压涡轮动叶I5gs为高压涡轮静叶等熵出口燃气焓值;mcHT为冷却高压涡轮叶片的高压冷却空气质量流率;I5g为高压涡轮静叶出口
燃气实际焓值。

在计算第二列静叶的冷却空气比例时，高压涡轮的出口温度T5可以通过高压转子功率平衡迭代计算得到，与第一级静叶A求解过程类似，可以迅速求出M+C和
ξC。

按上面的计算得到三列叶片排的冷却空气比例后，可以通过文献［1］中的式(21)
求出相应的混合压力损失和各涡轮的损失效率，由此再计算循环输出比功率和热效率，甚至各部件的损失。

根据文献［1］所建模型，编写Matlab计算程序(计算流程如图1所示)进行数值计算。

图1 具有空气冷却的简单循环三轴燃气轮机循环性能参数计算流程图
2 计算结果分析
图2给出了π=25时循环比功率P、效率η和冷却空气量比例ξ随低压压气机压
比π1的变化关系。

由图可知，在燃烧室出口温度不变的前提下，随着π1的增大，涡轮叶片采用冷却措施以后，P和η都单调递减，而ξ单调递增。

图2 P、η和ξ随π1的变化关系
图3 给出了循环比功率P、效率η和冷却空气量比例ξ随总压比π的变化关系。

由图可知，在燃烧室出口温度不变的前提下，随着总压比的增大，P和η都是先增大然后减小，ξ单调递增。

存在最佳的总压比πPmax使比功率达到最大值Pmax，此时相应的效率和冷却空气比例分别为ηPmax和ξPmax，也存在最佳的总压比
πηmax使效率达到最大值ηmax，此时相应的比功率和冷却空气比例分别为
Pηmax和ξηmax。

显然，πPmax＜πηmax，这表明，随着总压比的增大，循环比功率先达到最大值，然后是效率达到最大值，若兼顾循环输出的功率和效率，则设计总压比的取值范围应为:πPmax＜π ＜πηmax。

图3 P、η和ξ随π的变化关系
图4 给出了 Pmax、ηPmax、ξPmax和πPmax随燃烧室出口燃气温度T5的变
化关系。

由图可知，随着T5的增大，Pmax、ξPmax和πPmax都单调递增，而
ηPmax单调递减。

图4 Pmax、ηPmax、ξPmax和πPmax随 T5 的变化关系
图5 给出了ηmax、Pηmax、ξηmax和πηmax随燃烧室出口温度Tcot的变化
关系。

由图可知，随着T5的增大，ηmax和πηmax单调递减，Pηmax和
ξηmax单调递增。

无论以比功率还是效率为优化目标时，由于受到涡轮叶片表面耐热极限的约束，
T5越大，则叶片冷却导致的损失也就越大，所以循环效率总是随着T5的增大而
减小。

图5 ηmax、Pηmax、ξηmax和πηmax随 T5 的变化关系
3 小结
本文在文献［1］建立的考虑空气冷却和实际气体性质的简单循环三轴燃气轮机热力学模型和空气叶片冷却模型的基础上，通过数值计算，通过优化低压压气机压比和总压比，分别得到了考虑空气冷却和实际气体性质的三轴燃气轮机简单循环最大
比功率、最大效率及相应的冷却空气比例，并分析了燃烧室出口燃气温度对循环最优性能的影响。

结果表明:(1)在燃烧室出口燃气温度和总压比给定的前提下，随着低压压气机压比的增大，涡轮叶片采用冷却措施以后，比功率和效率都单调递减，而冷却空气比例单调递增;(2)在燃烧室出口燃气温度给定的前提下，分别存在最佳的总压比使比功率和效率先后达到最大值;随着总压比的增大，冷却空气比例不断增大;(3)随着燃烧室出口燃气温度的增大，最大比功率及相应的总压比、冷却空气比例是增大的，而相应的效率减小;最大效率及相应的总压比是减小的，而相应的比功率和冷却空气比例增大。

参考文献:
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