燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線族

燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線族燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線族在第3、第4和第5章中，我們已經(jīng)分別討論過(guò)壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)馔钙降淖児r特性以及這些部件變工性能的表示方法。而燃?xì)廨啓C(jī)的工作點(diǎn)以及它所表示的性能，則是壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)馔钙竭@三大部件協(xié)同工作時(shí)聯(lián)合運(yùn)行結(jié)果的具體反映。那么，這三大部件的聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)究竟怎樣表示呢？目前用于發(fā)電目的燃?xì)廨啓C(jī)大都是如圖2-3所示那樣的單軸簡(jiǎn)單循環(huán)方式的燃?xì)廨啓C(jī)，我們就擬以此為例。圖6-1是某臺(tái)12000hp的單軸簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的通用聯(lián)合運(yùn)行線族圖，平衡運(yùn)行點(diǎn)的參數(shù)應(yīng)該滿足以下三個(gè)條件，即：(1)在任何一個(gè)工況下，透平的轉(zhuǎn)速nt必須與壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速ny彼此相等，并維持恒定不變；(2)在任何一個(gè)工況下，壓氣機(jī)的壓縮比ε*與透平的膨脹比δ*之間，必須滿足δ*=ξyξrξyε的關(guān)系；(3)在任何一個(gè)工況下，由壓氣機(jī)和燃燒室供給燃?xì)馔钙降恼酆狭髁?，必須與透平所能允許通過(guò)的折合流量彼此相等，式中是透平的冷卻和泄漏的空氣量，Mf是噴入燃燒室的燃燒量。圖6-1某臺(tái)12000hp的當(dāng)軸簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的通用聯(lián)合運(yùn)行線族圖(1hp=745.7W)在圖6-2中給出了這臺(tái)12000hp燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)和燃?xì)馔钙降耐ㄓ锰匦郧€。a)壓氣機(jī)的通用特性曲線b)燃?xì)馔钙降耐ㄓ锰匦郧€圖6-2已知的壓氣機(jī)和燃?xì)馔钙降耐ㄓ锰匦郧捎跈C(jī)組用來(lái)拖動(dòng)恒速發(fā)電負(fù)荷，因而在變工況條件下，壓氣機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)必定只能沿著常數(shù)的那條等折合轉(zhuǎn)速線移動(dòng)。假如在某個(gè)負(fù)荷工況下，壓氣機(jī)是在圖6-2a中的運(yùn)行點(diǎn)1上工作，那么，在運(yùn)行點(diǎn)1上必定會(huì)有一個(gè)完全確定的燃?xì)獬鯗乇扰c之相對(duì)應(yīng)，當(dāng)然，在這個(gè)運(yùn)行點(diǎn)上壓氣機(jī)的工作參數(shù)：壓縮比ε*1、折合流量和效率η*y1，必定也是一個(gè)完全確定的數(shù)值。顯然，為了保證壓氣機(jī)能夠穩(wěn)定地在運(yùn)行點(diǎn)1工作，燃?xì)獾某鯗乇圈?必須從壓氣機(jī)和燃?xì)馔钙降奶匦郧€上，根據(jù)以上三個(gè)必須滿足的參數(shù)條件來(lái)加以確定，即：我們可以先假定一個(gè)初溫T*3，根據(jù)δ*1=ξyξrξyε*1和兩值，在圖6-2b上確定出相應(yīng)的值，由此可以求得。進(jìn)而在壓氣機(jī)特性曲線上求得。隨后根據(jù)和燃燒室的變工況曲線求得噴入燃燒室的燃燒量。只有當(dāng)時(shí)，那么，計(jì)算起始時(shí)所假定的T*3值(也就是τ1)才是正確的，通過(guò)反復(fù)試算，我們總是可以正確地確定出保證壓氣機(jī)能夠穩(wěn)定地在運(yùn)行點(diǎn)1上工作的T*3或τ1值。這樣，我們就求得了壓氣機(jī)穩(wěn)定在工作點(diǎn)1上運(yùn)行時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的平衡工況參數(shù)ε*1、η*y1、δ*1、η*t1、ηr、ξ、、，以及機(jī)組的功率Pgtl和凈效率ηNc。當(dāng)然，隨著機(jī)組負(fù)荷的改變，透平、壓氣機(jī)和燃燒室的聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)必然要發(fā)生相應(yīng)地變化。由于機(jī)組用來(lái)拖動(dòng)恒速發(fā)電負(fù)荷。因而隨著負(fù)荷的變化，機(jī)組的聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)在壓氣機(jī)的通用特性曲線上，將沿著=常數(shù)的等折合轉(zhuǎn)速線位移。那時(shí)，燃?xì)獾某鯗乇圈泳鸵l(fā)生變化，也就是說(shuō)，機(jī)組的所有運(yùn)行參數(shù)和特性參數(shù)都會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。至于這些新的平衡運(yùn)行工況點(diǎn)的位置，及其運(yùn)行參數(shù)和特性參數(shù)的具體數(shù)據(jù)，則可以重復(fù)上述步驟求解之。不難理解，重復(fù)以上各步驟，我們就能進(jìn)一步求得：在不同的壓氣機(jī)等折合轉(zhuǎn)速線上，使透平、壓氣機(jī)和燃燒室達(dá)到一系列平衡運(yùn)行工況時(shí)所對(duì)應(yīng)的各個(gè)τ值。假如把每條等折合轉(zhuǎn)速線上τ值彼此相同的點(diǎn)聯(lián)成軌跡，那么，就可以在壓氣機(jī)的通用特性曲線上，作出如圖6-1那樣的一組τ=常數(shù)的等燃?xì)獬鯗厍€族。很明顯，這組τ=常數(shù)的等燃?xì)獬鯗厍€族的形狀和位置，與透平通流部分的尺寸有密切關(guān)系(透平通流部分尺寸的改變，正意味著透平通用特性曲線的變化)。當(dāng)透平的通流面積越小時(shí)，同一數(shù)值的等τ線就會(huì)更加趨近于壓氣機(jī)的喘振邊界線。由此可見(jiàn)，我們可以用圖6-1那樣的通用聯(lián)合運(yùn)行線族，來(lái)描寫燃?xì)廨啓C(jī)的平衡運(yùn)行工況。在這張曲線族上只要，τ這兩個(gè)參數(shù)確定了，那么，該燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行工況參數(shù)和特性參數(shù)和都完全確定了。此外，我們還可以把圖6-1上各運(yùn)行工況點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行工況參數(shù)和特性參數(shù)，改畫成圖6-3那樣的燃?xì)廨啓C(jī)的變工況特性線網(wǎng)。該圖的橫坐標(biāo)是機(jī)組的轉(zhuǎn)速n；縱坐標(biāo)是機(jī)組的有效輸出功率Pgt；實(shí)線t*3=常數(shù)的等溫線；虛線是B=常數(shù)的等燃料消耗量線。由此，利用這張圖我們就可以確定出機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、功率和效率。同時(shí)可以獲得這樣一個(gè)基本概念，即單軸燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行工況及其特性參數(shù)(Pgt和ηNc)，應(yīng)該是機(jī)組的轉(zhuǎn)速n和燃?xì)獬鯗豑*3(或燃料消耗量B)這兩個(gè)獨(dú)立參變量的函數(shù)。當(dāng)這兩個(gè)參數(shù)確定后，機(jī)組的工況點(diǎn)及其一切特性和運(yùn)行參數(shù)也就完全確定了。下面，讓我們利用圖6-1和圖6-3所示的聯(lián)合運(yùn)行線族和特性線網(wǎng)，來(lái)討論一下單軸簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)在拖動(dòng)恒速發(fā)電機(jī)負(fù)荷時(shí)的變工況特性。圖6-3當(dāng)大氣參數(shù)恒定時(shí)，單軸簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的變工況特性線網(wǎng)例如：在圖6-1上我們?nèi)」r點(diǎn)“0”為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，它的τ=3.66，=292(或=1.0)。那時(shí)，能發(fā)出額定功率Pgt0=12000hp，噴入的燃料流量B0=3600=3.5t/h。此后，在大氣壓力和溫度均不變化的前提下，假如由于外界用電情況的變化，致使發(fā)電機(jī)的負(fù)荷減小了。那么，在噴到燃燒室中去的燃料流量B0尚未發(fā)生變化的時(shí)候，燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)逐漸增高。為了確保發(fā)電機(jī)的頻率恒定不變，機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)就要起作用，以求減少燃料的噴入量B0。其結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致透平前的燃?xì)獬鯗豻*30降低，并使機(jī)組發(fā)出的凈功率恰好能與新要求的負(fù)荷功率相平衡；同時(shí)，使機(jī)組的轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定到ny=ny0=常數(shù)的水平上去工作。顯然，經(jīng)過(guò)這番變動(dòng)后，機(jī)組的運(yùn)行工況參數(shù)將會(huì)發(fā)生如下一些變化：(1)機(jī)組對(duì)外界發(fā)出的凈功率Pgt0減少了，但是由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用，機(jī)組的轉(zhuǎn)速將基本上維持不變；(2)既然機(jī)組轉(zhuǎn)速保持不變，鑒于軸流式壓氣機(jī)的特性曲線一般都很陡，因而當(dāng)外界負(fù)荷降低時(shí)，流經(jīng)機(jī)組的空氣流量變化得少，實(shí)際上稍有增大的趨勢(shì)；(3)既然空氣流量變化很少，而噴到燃燒室中去的燃料流量去減少了，那么，必然會(huì)導(dǎo)致透平前的燃?xì)獬鯗豻*30有相當(dāng)幅度的降低；(4)既然變化很少，而t*30卻降低了，也就是說(shuō)，需要流過(guò)透平流道的燃?xì)獾捏w積流量減小了。這對(duì)于氣流所施加的阻力減小了。由此可見(jiàn)，這將使壓氣機(jī)的壓縮比ε*0相應(yīng)地有所降低；(5)由于ε*0和t*30的降低，必然將使機(jī)組的效率ηNc0有所下降。注：圖中的、、均以設(shè)計(jì)工況下的B0、ηc0N、Pe0的相對(duì)值來(lái)表示圖6-4單軸恒速燃?xì)廨啓C(jī)變工況參數(shù)的變化關(guān)系根據(jù)上述變化關(guān)系，我們不難從圖6-1上看清：當(dāng)機(jī)組的負(fù)荷下降時(shí)，壓氣機(jī)、透平和燃燒室的聯(lián)合工作點(diǎn)將從“0”點(diǎn)開(kāi)始，沿著=常數(shù)的等折合轉(zhuǎn)速線，逐漸朝著空氣的流略有增大，而壓縮比ε*0略有下降的方向移動(dòng)，最后將穩(wěn)定到一個(gè)新的工況點(diǎn)“b”上去工作。那時(shí)，整臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)該在一個(gè)完全確定的新的工況參數(shù)——注：圖中的、、均以設(shè)計(jì)工況下的B0、ηc0N、Pe0的相對(duì)值來(lái)表示圖6-4單軸恒速燃?xì)廨啓C(jī)變工況參數(shù)的變化關(guān)系當(dāng)我們重復(fù)上述過(guò)程而把機(jī)組的功率降低到Pgtc=0時(shí)，不難推論，整臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的工況將會(huì)沿著=常數(shù)的等折合轉(zhuǎn)速線，位移到一個(gè)新的工況點(diǎn)c上去工作。對(duì)于拖動(dòng)恒速發(fā)電負(fù)荷的單軸燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)說(shuō)，燃?xì)廨啓C(jī)變工況點(diǎn)的軌跡線(人們通稱為“變工況運(yùn)行線”)就是燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)用聯(lián)合運(yùn)行線族中的從“0”到“c”的那段等折合轉(zhuǎn)速線。這種燃?xì)廨啓C(jī)的變工況參數(shù)的變化關(guān)系，大體上可以用圖6-4所示的曲線來(lái)表示。下面，讓我們進(jìn)一步分析一下這種機(jī)組變工況特性的某些優(yōu)缺點(diǎn)，即：(1)機(jī)組的工作穩(wěn)定性是很好的。顯然，只要使設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行點(diǎn)位置“0”選得恰當(dāng)，即：使“0”點(diǎn)離壓氣機(jī)的喘振邊界有一定的防喘安全裕度，那么，除了起動(dòng)工況外，機(jī)組在任何負(fù)荷工況下，是絕無(wú)發(fā)生喘振現(xiàn)象的危險(xiǎn)的。(2)由于在整個(gè)變負(fù)荷范圍內(nèi)空氣流量的變化幅度較小，因而當(dāng)燃料快速增大到B0設(shè)計(jì)值時(shí)，透平前的機(jī)組的加載性是比較可靠的。(3)隨著負(fù)荷的下降，機(jī)組的效率ηNc有較大幅度的惡化。這是由于在整個(gè)負(fù)荷變化范圍內(nèi)，空氣流量變化不大，致使透平前燃?xì)獬鯗囟萾*30降低很多，而且壓縮比ε*也有相當(dāng)幅度下降的緣故。(4)當(dāng)機(jī)組的輸出功率Pgt下降到零時(shí)(這個(gè)工況一般稱為怠速工況或空載工況)，這種機(jī)組所需消耗的空載燃料量Bc必然是很高的，這是由于在怠速工況下空氣流量甚至要比設(shè)計(jì)工況時(shí)的還要大一些的緣故。最后應(yīng)該指出：圖6-1和圖6-3所示的曲線族還能用來(lái)分析單軸燃?xì)廨啓C(jī)在攜帶其他類型負(fù)荷(如Pgt=cn3的不變節(jié)距的螺旋槳負(fù)荷)時(shí)的變工況特性，讀者可自行分析之。單軸恒速燃?xì)廨啓C(jī)變工況的實(shí)例分析為了加深對(duì)于機(jī)組變工況性能的了解，下面對(duì)機(jī)組運(yùn)行中可能出現(xiàn)的一個(gè)變工況實(shí)例進(jìn)行分析。圖6-5單軸恒速燃?xì)廨啓C(jī)的變工況運(yùn)行線圖6-5中給出了一臺(tái)在使用的6000千瓦單軸恒速燃?xì)廨啓C(jī)的變工況運(yùn)行線(當(dāng)T1*恒定不變時(shí)，它就是=常數(shù)的那條等折合轉(zhuǎn)速線)，其中A點(diǎn)表示機(jī)組在滿負(fù)荷工況下的運(yùn)行點(diǎn)。當(dāng)這臺(tái)機(jī)組在燃燒重油時(shí)，由于未對(duì)重油中所含的大量鈉鹽進(jìn)行處理，因而在運(yùn)行一階段后，在透平葉片的表面上發(fā)生了結(jié)垢現(xiàn)象，致使透平的通流面積減小了。假如使這臺(tái)機(jī)組仍然在額定轉(zhuǎn)速ny0和額定燃?xì)獬鯗豻30*的情況下運(yùn)行，機(jī)組的工作情況將發(fā)生什么變化？圖6-5單軸恒速燃?xì)廨啓C(jī)的變工況運(yùn)行線我們知道，當(dāng)透平通流部分的面積由于葉片表面的結(jié)垢而減小時(shí)，必然會(huì)引起壓氣機(jī)排氣側(cè)流動(dòng)阻力增高，換句話說(shuō)，在t30*=常數(shù)的情況下，為了使透平的通流部分能夠流過(guò)同樣的容積流量，就需要提高壓氣機(jī)的出口壓力(也就是使壓比ε*增高)。由此可見(jiàn)，當(dāng)T1*恒定不變時(shí)，壓氣機(jī)和透平的平衡運(yùn)行點(diǎn)A，將沿著=常數(shù)的等折合轉(zhuǎn)速線，朝著壓比增高的方向發(fā)展，最后會(huì)移到B點(diǎn)上去工作。顯然，這將引起流經(jīng)機(jī)