燃气轮机特性

性能指标:


1．经济性
满负荷、部分负荷、 低速、启动等
机组的效率或耗油率不因功率下降而极度恶化； 机组的负荷特性曲线变化得平坦些。


2．稳定性
在各种负荷下，压气机不喘振、涡轮不超温、燃烧 室不熄火；机组能稳定可靠地运行。


3．加载性
机组功率能及时适应外界负荷变化的需要。
三、负荷特性


单轴 变速 分轴
单轴 恒速
nc T1*
与单轴比较
恒速负载 好些
变速负载 差些 好些
q T1* * p1

经济性


稳定性
加载性
差些
差些
差不多（缓和）

分轴燃气轮机宜用于机械传动变速负载，如螺旋桨、车辆等。 目前发电用的燃气轮机主要是单轴方案。
6-4 环境条件对燃气轮机性能的影响
1、大气温度对机组功率和效率的影响
实质：是压气机和透平平衡运
行点的连线，是透平性能在压 气机性能曲线图上的描述。

平衡运行点主要是在压气机和透平性能的基 础上求得的。
不变，转速n 时
LT Pe
=常数
n不变， （T3* ） 燃气比体积v3 流动阻力增大 p2
二、带动具体负载时的性能


1、恒速负载
特点是转速不随输出功率的大小而变，始终在设 计转速下运行，即沿压气机的no线运行。


2、变速负载
螺旋桨负载是一种典型的变速负载。 它的一个主要特点是在部分负荷下n下降，空气 流量q下降，下降且较快。
O O b
1、恒速负载 b 单轴 nc = nT = nL= n0=n
特点是压气机与负载共轴
负载的转速变化规律直接影响压气机转速，即直接影 响压气机工况，进而影响燃气轮机的工况。
负载规律对单轴燃气轮机变工况性能的影响很大。

机组的设计点 位于最佳工况线 左侧，为什么？ P195中
一、性能曲线网
Pe=0零功率线 （空载工况）
性能曲线网
平衡运行线
运行区（范围较小） nmin 0.65 ~ 0.70
第六章 燃气轮机变工况
单轴燃气轮机的变工况特性 环境条件对燃气轮机性能的影响
6-1

概述
研究燃气轮机变工况的目的 基本要求及性能指标 负荷特性
一、燃气轮机的变工况


整台机组偏离设计状态下工作的各种工况
(1)稳定的非设计工况 如部分负荷或环境条件改变时引起的变工况； (2)不稳定的过渡工况 如启动、加速等引起的变工况。
燃气发生器
1-压气机C 2-高压透平HT 3-动力透平PT 4-发电机
4 在HT和PT之间可采用再热
二、分轴燃气轮机的性能曲线网 和平衡运行带
1、性能曲线网
等弧线
近似抛物线
虚线
机组的设计点是否位于 最佳工况线上，取决于动 力透平设计点的选择。
当动力透平设计点选在 最佳速比时，PT 最高， 使机组的设计点位于最佳 工况线上。
五、平衡运行工况点的确定
平衡运行工况点：
— 压气机、燃烧室和透平协调工作时的平衡 运行工况点
平衡运行线的确定： —是从各个部件的性能出发，用平衡关系式
把它们联系起来而求得。
求解方法
（1）联合求解法：

利用已获得的压气机、燃烧室和透平的特性线， 根据平衡运行条件来联合求得。 若没有透平特性线，可利用透平的椭圆方程来近 似计算获得。
PL = c nL3
nL
3、调速负荷特性

负荷功率PL与其转速nL在一定范围内任意配合，
用来带动变速负荷。

变频调速负荷
例子：
变螺距螺旋桨负荷或机车燃气轮机 PL
nL
4、机械牵引负荷特性

用机械方式（如联轴器、齿轮等）传动各 种车辆。
启动时有最大扭矩，即 nL=0， M=Mmax
转速升高时，扭矩减小；
整个机组： Peb<Peo qfb<qfo eb<eo
单轴——恒速机组
②变工况性能分析
⑴经济性较差 ⑵稳定性好
—压气机远离喘振边界 —透平不超温
喘振边界
O
C 空载工况
恒速
⑶加载性好
变工况时, 空气流量比设计值大（或不变）！
n不变，增加负荷 Pe
—qf到设计量而不会引起T3*超温；
—PC变化不大，而PT增加； —Pe立即增加。
pa与T 不变，
* 3
明显
大气温度Ta升高时，功率和效率都降低； 大气温度Ta降低时，功率和效率都增加。
Pe q( LT LC )
va q Ta * LC T1
,C ,T e
三、带动具体负载时的性能
在部分负荷下 T3*高的e未必一定高. 在带动各种不同负载 时的平衡运行线都是
很靠近的。
— nPT nPT0
----
3 P e nPT
带动恒速负荷，分轴的加载性能不如单轴的； 其次是分轴甩负荷时动力透平超速问题较严重。

分轴的变工况性能
负荷Pe时，T3*、nc均会下降。
源自文库


二、分轴燃气轮机的性能曲线网 和平衡运行带
3、机组的运行区
、
* T3* T3max
nc ncmax
nPT nPTmax
但不受压气机喘振的限制。
、
M≤Mmax
运行区：宽广，nPT = 0~nPTmax。
因而很适宜于带动转速变化范围很大的负载，克服了单轴机 组的不足，这是分轴燃气轮机的一个显著优点。
单轴燃气轮机
最适宜于带动 恒速负载。
单轴燃气轮机只适用于带动转速变化范围较小
（ ni 0.65 ~ 0.7 ）的变速负载。
6-3 分轴燃气轮机的变工况特点
一、优点
1 变工况外界负荷的变化对压 气机的工作影响较小
2 可带动各种负荷，应用广泛
恒速、变速、牵引等
3 两轴转速不同
nC= nHT > nPT C和HT体积小，节省耐高温材料
二、分轴燃气轮机的性能曲线网 和平衡运行带
2、平衡运行带

在压气机的性能曲线上，分轴的 平衡运行区是一条狭长的窄带。 它是动力透平转速变化对流量的 影响所致。（影响不是很大） 该运行带的上限即动力透平通流 能力最小点的连线，下限即动力 透平通流能力最大点的连线。
当不计及动力透平转速变 化对通流能力的影响，等 nc线上只有一个运行点， 把诸等nc线上的运行点连 起来得到了一条运行线。

2、压比平衡 T=
压气机压比 透平膨胀比 总压保持系数
= 1 2 4
3、功率平衡

平行双轴机组
机械联系的各部件的驱动力矩，应等 于总的阻力矩（包括压气机耗功）， 即每根轴上的功率应平衡。 单轴机组： 或 PT=PC+Pm+PL PT=PC/m+PL
压气机内功率
PLT=PLC/m1+PL
、q、( 较慢）
⑵稳定性变坏
—逐渐靠近喘振边界 —低负荷时可能进入喘振工况
⑶加载性较差
空气流量减小较多；增加负荷 Pe时，不能急速增加燃料 — 否则T3*易超过允许值超温 — 甚至会使压气机进入喘振工况 — 缓慢加载（适应能力差）
②变工况性能分析
⑴经济性较好
慢，较高；处于c较高区域
C o→b→c ①变工况运行线
C
恒速
设计工况点—“O”
负荷Pe时，保持p1*、T1*不变：
调节使no不变； 同时关小油门，使耗油量qf；
压气机： 、流量q(或不变） 透平：
T3*，即 —新的平衡点“b” 运行线o→b 负荷Pe至零，点c所示， b→c “c”空载工况
T、流量qT
在具体的运行中，燃气轮机还必须与负载平衡运 行，要满足PL=Pe=f(n) 。


当把Pe=f(n)画到燃气轮机变工况计算得到 的Pe～n图上后，位于该规律曲线上的诸 参数变化情况，就是燃气轮机在该负载规 律下的变工况解。
6-2 单轴燃气轮机的变工况性能

最简单的、目前实际应用最多；



功率范围由10kW左右至334MW。

非常复杂（三大件+负荷）
二、研究目的

分析燃气轮机机组各部分相互联系、相互
制约的变化规律，从而掌握燃气轮机的变 工况过程及其特性。
（1）为设计新机组提供选择方案的依据 （2）为用户提供变工况性能曲线。
基本要求及性能指标
基本要求:
保证在各种负荷下机组能够经济 地、可靠地运行，同时有较强的 适应外界负荷变化的能力。
温比增加时，等线向着左上方移动。
已知压气机转速 n T1
* * 和透平燃气温比 T / T 3 1 *
整个机组的联合运行工况点确定 性能参数（q f 、e、Pe）可算出
Pe e q f Hu
燃气轮机变工况性能的表示

通常，用Pe～n为坐标来作图，全面反映 单轴燃气轮机的变工况性能。
四、燃气轮机的平衡运行条件

机组在不同负荷下稳定运行时，各部件的 参数（流量、转速、压比、功率）应满足 的相互配合的条件。

分析讨论燃气轮机变工况的基础：

各部件的特性和平衡运行条件
平行双轴机组
1、转速平衡


每根轴上的转子转速相同。
单轴机组：nC=nT=nL 分轴机组：nC=nHT nLT=nL
（2）近似计算法：

（3）测试法：利用压气机特性实验装臵来测得。
测试方法
在压气机后面加装一个燃烧室；将燃烧室后面 的排气阀固定在某一开度来代替透平。
测试时，改变燃气初温和压气机转速，测得不 同工况下的流量和压比。 在压气机特性线上，把各种转速下的燃气初温 相同的点连起来，得到一组等温比线。
燃烧室的性能， 一般可近似地认为效率B和压力保持系数2不变， 即和设计工况时一样，故未画性能曲线。
部分负荷下 、c、 机组效率e 空载工况下 q 压气机耗功 燃料耗量qf
适用：高速下长期运行
O
2、单轴变速机组
如螺旋桨型负荷 Pe=
负荷Pe时，nL n 新的平衡点b’ 负荷Pe时，n，q 首先在第一级发生喘振 点c’
b’
cn3
喘振点 c’
①变工况运行线 o→b’→c’



nL=nmax， M=Mmin。
负荷功率：PL∝MnL
PL
PL随nL增加而增大。
nL

平衡工况：稳定运行工况，燃气轮机输出功
率等于负载所消耗的功率，即Pe= PL， 两者处 于平衡状态。

不平衡工况：是从一个平衡工况变化到另一
个平衡工况的过渡过程，这时燃气轮机的输出 功率与负载所消耗的功率不相同，即Pe≠PL， 两者不平衡。
Ta由 15C降至-25C Pe 1.4 倍；e由20.4%增至22.9%
2、大气压力对机组功率和效率的影响
Ta与T3*不变，
pa升高时，功率Pe增加，效率e基本不变；
pa降低时，功率Pe降低、效率e基本不变。
va q Pe q( LT LC ) pa * LC T1 , 基本不变 C T e

PHT=PHC/m2
涡轮内功率

分轴机组：
机组附件消耗和 机械损失功率 机械效率 PLT=PL/m2
PHT=PC/m1
4、流量平衡 qT= q+qf - qcl
燃气流量
冷却用和泄 露的空气量
进气量
燃料消耗量
变工况时，可近似认为： 粗算时，可取
qcl /q≈const
q T ≈q
3、海拔的影响


对燃气轮机的性能有很大影响。
随着海拔的升高，大气Ta和pa都在下降:


比体积增加，流量q和功率Pe下降;
当燃气轮机保持T3*=T30* 运行时，温比随着海拔 的升高而增加，故e提高，减少了Pe下降的幅度。
二、大气参数变化时常用的修正曲线
制造厂给出机组的最大出力和效率（或热耗率）随大气参数变 化的修正曲线，供用户备查。
负荷功率PL随负荷转速nL变化的关系 PL = f (nL)
1、恒速负荷特性

负荷功率PL变化与负荷转速nL无关
即 nL=const 例子：恒频交流电机
PL
nL
2、螺旋桨型负荷特性


负荷功率PL与其转速nL的三次方呈正比
即 PL = c nL3 （c为比例系数）
PL

变速负荷
例子： 固定螺距螺旋桨(轮船) 叶轮机械（泵、风机等）
高海拔地区使用虚线
(1)单个变化 直接读出
最大值 设计值
(2) 同时改变 Pe =(Pe/Pe0)p (Pe)t
不宜用于：车辆等机械牵引负荷

Pe=n3变速 o-b’-c’
T3* const
恒速 n=no o-b-c
n T1*
q T1* * p1
单轴燃气轮机
归纳起来，单轴 燃气轮机的变工况 性能与所带动的负 载类型密切有关。
空载时， qfi =0.3～0.45。 可见机组在低 负荷时的经济 性很差。
单轴燃气轮机带动负载时的性能 ——n=n0 ------ P n3，×喘振