舰用间冷循环燃气轮机间冷器失效性能分析

李徐嘉，敖晨阳，刘云生

(海军装备研究院，北京 100161)

舰用间冷循环燃气轮机间冷器失效性能分析

李徐嘉，敖晨阳，刘云生

(海军装备研究院，北京 100161)

为研究某型舰用间冷循环燃气轮机间冷器失效时的性能，本文建立燃气轮机动态仿真模型，在保证压气机10%喘振裕度以及涡轮前温度不超温的情况下，计算间冷器失效时燃气轮机的各性能参数，得出间冷器失效后燃气轮机仍能继续使用的结论，最后根据计算结果给出该型燃气轮机的一些设计建议。

燃气轮机；间冷器；失效；分析

0 引 言

间冷循环燃气轮机是在分轴燃气轮机的高、低压压气机之间安装中间空气冷却器的复杂循环燃气轮机。间冷器利用低温液体降低进入高压压气机空气温度的同时减少高压压气机耗功，以达到提高燃气轮机功率的目的。舰用燃气轮机的间冷器若发生故障或需要进行清洗维护时，燃气轮机的整体性能因为进入高压压器机空气温度的变化而发生改变，本文针对某间冷循环燃气轮机间冷器失效时该机性能的变化情况进行量化分析。

1 间冷循环燃气轮机间冷器失效的原因分析

三轴舰用间冷循环燃气轮机结构如图1所示，整个间冷系统由机上冷却器和机外冷却器2部分组成。机上冷却器的工作原理是利用温度较低的液体冷却燃气轮机低压压气机出口的较高温空气，机外冷却器的工作原理是利用海水冷却从机上冷却器被空气加热的液体，使液体重新以低温进入机上冷却器对空气进行冷却。机上冷却器和机外冷却器均利用电泵使冷却液流量满足冷却空气的要求。从间冷器结构分析出使间冷器失效的2种情况：

图1 三轴舰用间冷循环燃气轮机结构示意图Fig.1 Structure diagram of triple-axis naval intercooling-cycle gas-turbine

1)机上冷却器或者机外冷却器电泵突然损坏或者液体管道破裂等造成冷却液体流量失效的情况。当电泵损坏时，冷却液突然停止流动，大量的高温空气会蒸发机上间冷器中的液体引起间冷器液测压力剧增，严重时会使机上间冷器爆裂。在设计时必须在机上间冷器设置泄压阀门，在这种情况发生的时候及时放出高压蒸汽以防间冷器损坏。

2)机上冷却器和机外冷却器清洗维护时。机上间冷器由于受空间所限具有非常紧凑的结构，流过空气或液体的杂质如残留在里面会对换热效果造成不利影响，所以必须定期进行清洗和维护。机外冷却器的冷却液体是海水，一样会在冷却器中留下杂质，同样需要定期清洗和维护。本文假设间冷循环燃气轮机在高低压压气机之间留有旁通管道，在清洗间冷器期间空气可流经旁通管道使燃气轮机继续工作。

2 间冷循环燃气轮机间冷器失效时性能计算

1)计算方法的选取

当间冷器失效时，进入高压压气机的空气温度会比间冷器正常时上升，根据相似理论，高压压气机的折合参数会发生变化，此时高压压气机的工况点会偏离间冷器正常工作时的工况点，高压压气机的变化，必然带来整机其他部件工况点都发生偏移，所有部件会在动态过程中重新匹配，并远离额定工况点，使燃气轮机整体性能发生变化。如果用普通的循环热力计算方法去进行计算，会遇到：① 压气机的压比如何确定；② 各部件的效率如何确定；③ 燃油流量如何确定；④ 即使对前三点假定参数并进行匹配计算，但匹配后的部件工况点是否在合理工作区域内，例如压气机的工作点是否在合理范围内不得而知。

由于间冷失效后各部件是在动态中进行重新匹配，所以最佳的方法是建立燃气轮机的动态仿真模型进行计算。

2)间冷循环燃气轮机动态仿真模型的建立

为了满足燃气轮机动态仿真的要求，本文基于模块化建模思想，并考虑容积惯性和转子惯性，将间冷循环燃气轮机分为压气机、涡轮、间冷器、燃烧室、负载、容积模块和转子模块，在Matlab/Simulink上进行动态仿真模型的建立。建模方法如下：

① 压气机。压气机模型由特性模块和功耗模块组成。特性模块基于压气机特性曲线，对压气机的折合流量和效率进行求解，功耗模块利用特性模块求解的值对压气机的耗功以及压气机出口温度进行计算。压气机需要抽取一部分气体用于涡轮冷却和封严，这部分气体的耗功和出口温度需要单独进行计算，不然会产生较大误差。

② 间冷器。间冷器模型主要考虑间冷器的热惯性，其容积惯性放在低压压气机和高压压气机之间的容积模块统一考虑。

③ 涡轮。涡轮模型类似于压气机模型，主要由特性模块和做功模块组成，由于引气的缘故，还需要先计算从压气机的引气与主气流混合后燃气的温度。

④ 燃烧室。燃烧室模型由容积模块和燃料燃烧温升两部分组成。

⑤ 容积模块。反应燃气轮机动态过程容积惯性的模块。

⑥ 转子模块。反应燃气轮机动态过程中各转子惯性的模块。

⑦ 负载模型。燃气轮机工作在推进模式或者发电模式下，负载分为带螺旋桨或者发电机组。

本文为研究方便，在推进模式下采用理想螺旋桨模型，即功率正比于转速的立方：Ne=kn3，式中Ne为螺旋桨功率，n为螺旋桨转速，k为定值；在发电模式下，对燃机简化处理为动力涡轮定转速，即npt=n0，式中npt为动力涡轮转速，n0为定值。

建立的燃气轮机动态仿真模型如图2所示。

图2 间冷循环燃气轮机动态仿真模型Fig.2 The dynamic simulation model of intercooling-cycle gas-turbine

3)间冷器失效时燃气轮机性能仿真计算

间冷器失效时，进入高压压气机的空气不再被冷却，此时有2种情况：一是间冷器故障时，空气还流过间冷器，空气温度不再降低，但间冷器带来的压降依然存在；二是间冷器处于维护保养期间，空气流过旁通管道，空气温度不再降低，也无流过间冷器时的压降。

间冷器失效时，如果燃气轮机工作在较高工况时，由于进入高压压气机的空气温度瞬时上升，燃烧室进口和出口温度都会上升，有可能造成燃烧室出口温度超过上限，烧坏涡轮叶片，这种情况是不允许的。所以必须设立超温保护装置，在超温瞬时降低燃油流量以保护涡轮。燃气轮机各轴的转速也需要进行关注，一般来说，特殊工况超速10%在可接受范围内。

为了计算间冷器失效时的燃气轮机最大功率，对燃油流量进行燃烧室出口温度限制控制，限制值与额定工况时温度值相等，在无进排气损失的标准大气(288.15 K，1个标准大气压)条件下，对燃气轮机性能进行仿真计算。

在仿真计算时，出现了低压压气机运行点进入了喘振区的现象，在这种情况下必须对压气机进行放气处理，否则会造成燃气轮机的损坏，经过反复的试凑计算，发现对低压压气机进行20%的放气处理能使压气机有效远离喘振区并且不降低太多效率。对模型修改完善后进行仿真计算，得到表1和表2，分别为推进模式和发电模式下间冷器失效的燃气轮机性能仿真计算结果,由于具体数据涉及军事及商业机密，故对所有数据都进行了归一化处理。

表1 推进模式时间冷器失效计算

表2 发电模式时间冷器失效计算

说明：机上间冷器的压降在仿真计算时取定值。

从表1与表2可以看出，间冷器失效时相比间冷器正常工作时整机功率和效率都出现了大幅下降，尤其是功率，在推进模式下、空气仍然从间冷器流过的情况下，燃气轮机功率下降到正常工况时的36.7%，效率下降到正常工况时的75.48%。通过对比带不同负载时整机性能发现：燃机发电模式时整机功率和效率高于推进模式。

原因分析：1)高压压气机进口空气温度升高后，各部件工况变动以及为了防止燃烧室出口超温的原因，进口空气流量和燃油量有大幅下降，涡轮做功显著降低；2)除高压压气机外，所有部件的效率均有不同程度降低，再加上低压压气机的大量放气，导致整机效率偏低；3)在推进模式下，动力涡轮转速降低，效率相比定转速时有所下降，故输出功率和效率都不同程度地小于发电模式。

为了对比放气对于低压压气机运行工况的影响，图3所示为低压压气机在各情况下不放气与放气的工况点对比示意。

图3 低压压气机不放气与放气的工况点对比Fig.3 Comparison of air-bleed in low pressure compressor and not

从图中可以看出，在没有进行放气处理时，低压压气机在间冷器失效时已经进入了喘振区，而在进行20%放气处理后，所有工况点都远离了喘振区，并且在10%喘振裕度线之外，运行状况良好。

3 结 语

通过对某型间冷循环燃气轮机间冷失效时的仿真计算，得出以下结论：

1)间冷器失效时燃气轮机功率会出现大幅下降，效率也有一定程度下降，但也证明如果舰船不需求燃气轮机全功率运行时，可以边开机边进行间冷器的维护保养，一定程度上提高了舰船机动性；

2)间冷器损坏瞬时燃烧室出口温度会出现大幅度上升，间冷器内液体停止流动时会被高温气体加热蒸发膨胀；

3)在间冷器损坏后，工况的大幅降低和匹配点的改变，低压压气机会进入喘振区域。

对此，有以下建议：

1)在间冷循环燃气轮机设计时可以在低压压气机与高压压气机之间预留旁通管道，对间冷器进行清理维护时空气可以通过旁通管道以保证燃气轮机仍能正常运行；

2)间冷器失效时工况完全发生变化，如果要对间冷器进行清理维护前，最好先将燃油流量调到间冷失效最高工况的燃油量以下，以防止燃烧室出口温度过高；

3)为了防止在间冷器损坏后低压压气机发生喘振现象，必须对低压压气机设置间冷失效放气阀门，在间冷器失效时控制器能够迅速打开放气阀进行放气，放气量建议在20%。

4)为了避免间冷器损坏这种非正常失效情况，最好对间冷系统进行双重保护：对间冷器水侧设置备用电泵，防止电泵故障引起的间冷器失效。

[1] 朱行健，王雪瑜.燃气轮机工作原理及性能[M].北京：科学出版社,1992.

[2] 翁史烈.燃气轮机性能分析[M].上海：上海交通大学出版社,1987.

[3] 苏明,陈德来，张园薇，等.一种燃气轮机模块化非线性仿真模型[J].热能动力工程，1998(6)：51-53.

Analysis of the performance of a certain type of warship-used intercooling-cycle gas-turbine with its intercooler invalidating

LI Xu-jia,AO Chen-yang,LIU Yun-sheng

(Naval Academy of Amament,Beijing 100161,China)

In order to analysis the performance of a certain type of warship-used intercooling-cycle gas-turbine when its intercooler was invalidated, this paper established a dynamic simulation model of the gas-turbine, and calculated its performance parameters in case of guaranteeing 10% surge margin of the compressor and turbine inlet temperature not overheating, then got the conclusion that gas-turbine can still work when its intercooler was invalidated, finally give some advices to the designers of the gas-turbine according to the calculation results.

gas-turbine;intercooler;invalidation;analysis

2013-09-29;

2013-11-21

李徐嘉(1985-)，男，助理工程师，研究方向为舰用燃气轮机仿真。

U664.131

A

1672-7649(2014)12-0043-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.009