2.4.2 燃气轮机总体设计实例

G50为东汽完全自主化设计及研制的燃气轮机，在设计前对市场上成熟机型的参数进行了大量的调研，并基于东汽自身的加工制造能力，选取合适的总体气动参数。

本节主要针对市场上成熟燃气轮机参数进行细致分析，与初始设计时给定的参数进行对比，同时对关键参数——转速的选取进行研究，最后给出50MW燃气轮机合理的转速范围。

1.国内外工业燃气轮机性能参数分析

在进行初始方案设计之前，对国内外工业燃气轮机的性能参数进行调研和分析是十分必要的，它不仅能确保所设计燃气轮机的参数选取是合理的，而且能够为参数的选取提供指导。

大部分工业燃气轮机的参数如功率、热耗、转速、压比和流量是公开的，包含用于单循环的中小型燃气轮机以及联合循环的大型燃气轮机。调研的燃气轮机对象见表2-2。

初始设计阶段，对东汽的原始设计方案和优化设计方案的性能参数进行对比分析。以下从燃烧室出口温度（公开的或者反算得来的）、流量、压比、热效率、压气机转速和压气机效率等方面展开对比。

现代中型和大型工业燃气轮机的燃烧室出口温度为1550～1650K，更高的温度较少见。流量和功率呈线性关系，东汽原始设计方案略低于线性规律，这表明设计将需要更高的效率或者更高的燃烧室出口温度。不同轴功率时燃烧室出口温度如图2-20所示，不同轴功率时质量流量如图2-21所示，不同压比时燃气轮机热效率如图2-22所示，不同燃烧室出口温度时燃气轮机热效率如图2-23所示。

如图2-24所示，压气机转速和流量之间存在强关联，由图可知50MW燃气轮机的转速必须大于5000r/min。考虑绝热效率受压比的影响，图2-25所示为压气机效率与流量的关系，显然，更大流量的压气机效率将更高。

在开展50MW燃气轮机的循环研究之前，需要对5项透平技术特征进行研究，即透平静叶和转子最高金属温度、叶片平均速度、静叶和动叶片冷却效率以及冷却对透平效率的影响、级气动载荷、末级透平AN2（流道面积与转速二次方的乘积）。以下分析主要用于评估提高热效率的途径，但是如果这些途径严重偏离工程经验将是非常危险的（采用更先进的技术除外，例如更好的材料）。

在对设计程序进行校验时发现，当简单假定金属温度时，6个算例中的5个都能较好地预估冷却流量，另外一个算例需要更低的温度，所设定的温度见表2-3。需要说明的是，这些温度只是参考温度，但是该温度会影响循环模型中冷气流量的比例。通常小型燃气轮机温度设计得较高，而大型燃气轮机一般设计得较低。其可能原因是，大型燃气轮机在基础负荷发电时对叶片的可靠性要求非常高，并且会经受更加恶劣的瞬态热应力（影响低周疲劳寿命）。对于G50初始设计比较合理的假设是：大静叶片最高金属温度为875℃，动叶片最高金属温度为825℃。

图2-26给出了叶片平均速度与燃气轮机轴功率的关系，可以看出透平转速和透平功率之间没有明显的关系，但是叶片转速随着透平级数的减少有增加的趋势（为了避免太大的气动载荷）。因此透平的速度暂定为425m/s是较为合理的。

冷却效率主要与冷却系统以及对冷却流量的需求相关，经验证，最大到50MW的输出功率，常规的冷却效率设定是合适的。同时发现，当燃气轮机功率大于200MW时，需要设置较低的冷却效率，此时燃气轮机的气流温度通常较高。这与大型燃气轮机需要较低的透平金属温度的原因相似。因此，在进行小型燃气轮机初始设计时，冷却效率采用设计程序的默认设置，冷却气流与主流的掺混会造成额外的气动损失。在所有的算例中，采用相同的冷却比例-损失关系（Δη*），被证明能取得较好的结果，采用默认的Δη*在初始设计时是合适的。

透平的气动载荷的定义是单位功率（功率/流量）除以叶片速度的二次方，当参数保持不变时，级数越少冷却流量需求越低，载荷就越高（单级载荷更高）。高的级载荷会对级效率造成较大的影响，目前的平均载荷系数范围在1.2～1.7之间。为了获得较高的效率，初始设计时的平均载荷系数为1.25（首级为1.5、末级为1.0）。

当选择转速为5500r/min时，AN2值为50×106m2·（r/min）2。图2-27为所有算例中的AN2值与叶片平均速度之间的关系，末级AN2值在较大的范围内变动，无明显规律。通常，AN2＜40×106m2·（r/min）2是有动力涡轮的设计，其转速的变化范围比单轴更加宽泛。因此，可以认为在初始设计时将AN2值选定为45×106m2·（r/min）2是较为合理的。

2.转速的选取

下面将对东汽50MW燃气轮机的转速对热效率、透平尺寸和冷却量的影响进行分析，分析时的主要输入参数见表2-4。

由于初始设计时透平技术参数未知，所以对重要参数进行设定，如透平的叶片速度和透平的允许金属温度。其设定原则为高叶片速度将减轻叶片的气动载荷，增加级效率，低金属温度需要高的冷却比例，见表2-5。

图2-28为不同组合情况下燃气轮机热效率与转速的关系，可以看出，燃气轮机的转速应该比3 000r/min高很多，至少应该为5 000r/min。其原因分析如下，转速变低将导致透平的半径变大且流道高度变小。以上曲线只计算到5 500r/min，主要是由于高转速时导致叶片高度太大。

燃气轮机设计需要将AN2限制在一定范围内，叶片设计的难度随着AN2的增加（主要是叶片的应力和振动的原因）而增加。对于一个给定流量的燃气轮机，流道面积的变化量较小，所以机械性问题主要受转速的影响。在初始设计阶段，透平机械性限制的转速主要在5500～6000r/min之间，更高转速时机械性极限将影响透平效率。

为验证透平接受的转速是否同样适用于压气机，本节针对压气机的一维尺寸进行分析。图2-29对比了不同转速下压气机的子午流道。需要说明的是，各个转速下的速度三角形保持一致，这样才便于比较。压气机流道设计准则为进出口需要合适的轮毂比（H/T），H为轮毂直径，T为叶轮与直径。一般情况下压气机进口的H/T应高于0.5，出口的H/T应低于0.9。基于此准则，理想的转速应该为5500r/min，但是在5500～6000r/min转速范围内设计更高效率的压气机是可能的。若转速低于5000r/min，则压气机的效率以及喘振裕度将极大地受到影响。

3.总体性能分析

前已述及气动载荷分布、叶片速度和末级AN2三个参数及其影响关系，本节的总体性能分析需要的初始参数见表2-6和表2-7。需要说明的是，由于绝热效率随压比的变化较为明显，压气机效率最好采用多变效率，利用设计程序计算压比从14变化到22，多变效率只减少0.2%。

在功率为50MW的前提下，压比和燃烧室出口温度对热效率的影响如图2-30所示，透平级数对热效率的影响只针对固定温度。该计算结果与对工业燃气轮机的调查结果相吻合，即压比对热效率的影响非常明显，但是当压比超过18后影响不明显，燃烧室出口温度的影响较小。因此，推荐1600K的燃烧室出口温度作为初始设计温度，此时燃气轮机热效率为33.3%。

值得注意的是，33.3%的热效率显著低于典型工业燃气轮机的效率值。其差距由如下特征参数决定：透平叶顶间隙、压气机和透平效率、透平平均气动载荷系数、透平最高金属温度以及冷却低压透平部件的抽气位置。

如图2-31所示，2mm的透平叶顶间隙将极大影响第一级透平的效率。实际上第一级的运行间隙比2mm小很多，而末级的间隙值与2mm接近，因此应设置较小的叶顶间隙数值。图2-32揭示了压气机和透平效率变化对整机效率的影响，不过在进行初始设计时应该假设原型机不会获得高于基础效率的值，以保证燃气轮机仍有可提升的空间。首台燃气轮机设计不应该设置较高的压气机效率，而应该更多地关注如何保证压气机正常起动并运行到设计转速和压比。

透平平均气动载荷系数的下降对效率产生有利的影响，其原因有两方面：①减小气动载荷系数（不小于1）会导致级效率增加；②减小第一级的载荷系数将减小第一级叶顶间隙对总损失的影响。平均载荷系数的减小意味着第一级动叶片载荷的减少，因为末级的最佳载荷是1。图2-33给出了透平级平均载荷系数对热效率变化的影响，如果没有其他变化，需要通过增加级数来保持做功量不变，透平级数需要通过调整叶片速度来接近整数值。图2-34给出了透平叶片金属温度变化对热效率变化的影响。

对于大多数的燃气轮机，通常整机的冷却气体都从压气机出口抽取（气体静压最高）。对于更先进的燃气轮机，则从压气机低压部分抽取气体去冷却透平的低压部件，这主要从两方面考虑：首先冷却气体的温度较低，所以需要较少的冷却气量；其次是从压气机的上游抽取意味着压缩耗功较少。对于目前的设计方案，透平第一级（包括静叶和动叶片）的冷却气体都是由压气机的出口来提供。现在假设第二级及剩下级由压气机的上游点来提供，此处假设抽气口位于总温升的百分比位置，图2-35给出了抽气位置对总效率的影响。在未开展详细设计和试验之前，确定最低（足够的压力）的抽气点是非常困难的，通常认为此点在28%～90%温升处。

通过上述计算过程可以得到目标循环参数选取，G50初始设计值与成熟机组参数值的对比见表2-8，G50初始设计与成熟机组在相同条件下的性能对比见表2-9。