经过50多年的发展,燃气轮机技术取得了巨大的进步,除应用于航空之外,还在工业发电、机械驱动、舰船推进、坦克和机车动力等方面获得广泛的应用。
根据国内外市场对燃气轮机产品的迫切需要,中国航空工业沈阳黎明航发集团公司发挥《透平机械技术》专长,大力开发燃气轮机产品。首先开发研制QD128燃气轮机,经过四年多的设计、生产、试验,具有自主知识产权的我国第一台燃气轮机QD128燃气轮机终于从今年六月份起并网发电。
燃气轮机是技术密集性产品,设计研制一种新的燃气轮机,或者将航空发动机改型派生出一种新的轻型燃气轮机,都必须像航空发动机设计研制一样进行各种验证试验,除进行改进部件的专项试验外,还应按GB10490-89《轻型燃气轮机验收试验规范》要求,完成必做的试验5项,选做的试验6项,测取燃气轮机在整个功率范围内的性能曲线,以验证功率和热效率与设计指标的符合性,确定改进部件工作的可靠性。同时测取各截面控制参数、监视参数,为燃气轮机的操纵、调试提供依据。国外也是如此,美国GE公司将CF6-80C2航空发动机改型研制成LM6000燃气轮机,台架试验时,为测取燃气轮机的压力、温度、应力和流量等参数,在燃气轮机上安装了1000多件测试元件。
加拿大RR燃气轮机部投资1000万美元建设了大型燃气轮机试验台,可试功率达13.6万马力(100MW)的燃气轮机。
燃气轮机试验的负载装置是燃气轮机试验台的核心设备之一,燃气轮机试验即使带动发电机,电流也不得输入电网,以免对电网造成冲击。燃气轮机试验的负载装置选择:德国等国家选择水力测功器,美国GE公司选择发电机测功,俄罗斯也选择发电机或水力测功器,我们选择轴流风机做负载装置。与之相比,轴流风机具有体积小,重量轻,投资少,易于操纵等优点。在世界燃气轮机试验领域尚未见到报导。
1、负载装置的方案选择
燃气轮机与试验用的负载装置的最大功率应基本匹配,这样既能做全负荷试验,又能录取到整个工作域(例如燃气轮机n1:70~105%)的性能。如果燃气轮机与负载装置功率不匹配:燃气轮机功率过大一“大马拉小车”,试验时会发生飞转(超转),给安全带来隐患,而且不能做到燃气轮机的全负荷性能;燃气轮机功率过小一“小马拉大车”,则无法评定燃气轮机的起动性能,加速性能和低转速区域性能。
燃气轮机试验负载装置的选择原则应该是我们熟悉的领域,以便利用现有资源和我们悉的技术,例如各种航空发动机的压气机,就是透平机械中典型的负载装置。
选择QD128燃气轮机试验的负载装置应具备以下四个条件:
①功率可调范围应在10000—14000KW之间;
②厂内有实物资源;
③有压气机特性试验资料;
④有设计图样和压气机流场计算资料等,见表1。
从表1可见,选择WP6B压气机做QD128燃气轮机试验的负载装置,从实物资源到技术资料、设计图纸等都是最合适的。将WP6B压气机改进设计成QD128燃气轮机试验的负载装置,命名为WP6G2轴流风机。
2、负载装置的方案论证
2.1 0D128燃气轮机功率特性
在标准状态下,QD128燃气轮机基本负荷的输出功率为11500KW,失峰负荷的输出功率为13200KW。不同大气温度输出功率见表2。
2.2 WP6G2轴流风机所需功率特性
WP6G2轴流风机,在标准状态下:设计点参数为:n=11150r/min,空气流量为46. 2kg/s,总增压比7. 44,效率为0.79。所需功率为17811.6马力,折合13100KW,所需功率随大气温度变化见表3。
2.3 QD128燃气轮机带WP6G2轴流风机的功率匹配论证
用QD128燃气轮机带WP6G2轴流风机的功率匹配情况见附图1。
● 大气温度在5℃以下,QD128燃气轮机基本负荷状态可以带动WP6G2轴流风机,而且功率略有盈余。操作方法时,将燃气发生器ni转速略微降低,保证轴流风机转速n4=11150±50r/min范围内试验。
● 大气温度在5℃~30℃之间时,QD128燃气轮机使用基本负荷和尖峰负荷之间的状态,可以带动WP6G2轴流风机,方法同上。这时,QDI28燃气轮机处于全负荷状态,功率在10000—13000KW之间,满足QD128燃气轮机全负荷试验状态要求。
3、WP6G2轴流风机研制
① P6G2轴流风机以我厂自产涡喷6B压气机为基础自行设计、研制:
● 采用三排并列球轴承创新技术,承担10倍于航空发动机的轴向力,在世界发动机和燃气轮机领域属于首创。经反复运行试验证明:方案可行,工作可靠。
● 采用高压引气卸荷技术,将原来5000kgf轴向力减少至不大于3000kgf,进一步提高轴流风机长寿命工作可靠性。
● 采用等压绝热工作原理设计的低损失蜗壳,集气、转弯900总流阻损失在600mmH20以下。
● 重新设计后机匣、承力机匣、后支撑机匣、轴承系统、封严系统、润滑系统、卸荷系统和主、辅支撑系统等。
● 有全台压气机特性试验的基础,只要测出进、出口压力、温度,就能较准确地计算出轴流风机功率,方便快捷,随时显示、打印。
经过一年多的设计、生产、装配,于2001年未完成首台WP6G2轴流风机的研制。见附图2。
4、QD128燃气轮机试验
●WP6G2轴流风机能够承担燃气轮机的多项试验。
WP6G2轴流风机作为轻型燃机试验台的重要设备之一,能够承担以下试验项目:
①轻型燃气轮机的液压马达带转试验;
②轻型燃气轮机的起动点火试验;
③轻型燃气轮机的供油规律试验;
④轻型燃气轮机的磨合运转试验;
⑤轻型燃气轮机的加/减速试验:
⑥轻型燃气轮机的全负荷性能调试试验;
⑦轻型燃气轮机的控制系统试验(例如关闭V1、V2阀);
⑧轻型燃气轮机的监测系统试验(例如报警、停车);
⑧长期试车考核试验;
⑩按GB10490-89完成验收规范试验等。
WP6G2轴流风机首先应用在黎明公司自建燃气轮机试验台-511试验台上,完成QD128燃气轮机第102台的液压马达带转试验、起动点火试验、供油规律试验、性能调试试验和监控系统试验等,同时,像一杆秤一样,随时计量QD128燃气轮机功率。使102台能够交付燃机成套公司发往中原油田电站并网发电。
在集团公司领导下,在全公司各分厂、车间的大力配合下,我们设计、研制的WP6G2轴流风机,一机多用,一举多得。技术上有多项创新,而造价只是沈阳鼓风机厂同等规格的离心压缩机的1/3~1/4,511试验台轴流风机就节省资金至少400万元。
WP6G2轴流风机是应集团公司大力开发燃气轮机产业的需要,作为燃气轮机调试试验的配套产品,借助军品成熟技术,进一步发展、创新。成功的关键是领导下定决心,大胆决策,技术人员在具体技术上精心设计、精心施工,终于搞成一项产品,为黎明公司发展燃气轮机的宏伟目标做贡献。