航空發動機改燃氣輪機成套關鍵技術

■ 張瀟/中國航發動科 張世福/中國航發動力所

在實際應用中，必須通過不同的成套設計，配備相應的輔助系統，才能使航空發動機改燃氣輪機滿足發電、機械驅動、船舶推進等不同用途，其中所涉及到的通用關鍵技術包括燃氣輪機機組輔助系統設計技術、試驗驗證技術以及燃氣輪機機組智能化運行與維護技術等。

隨著航空發動機的不斷發展，由技術成熟、性能優良的航空發動機改型的燃氣輪機（航改燃機），廣泛應用于地面發電、船艦和機車動力、管道增壓等能源、國防和交通領域，具有研制周期短，研發費用低，單機功率大，尺寸小，質量輕，起動快等特點。對于一臺燃氣輪機而言，除了主要部件外還必須有完善的調節安保系統并配備良好的輔助系統和設備，才能滿足不同領域的用途。因此，燃氣輪機成套是保證燃氣輪機連續穩定運轉的必要條件，除了燃氣輪機本體外，還包括控制系統、進氣系統、排氣系統、起動系統、燃料系統、發電系統、消防系統、通風系統、齒輪箱等各類輔助裝置。

航改燃機機組相關輔助系統設計

進氣系統

航改燃機無論是在地面還是在海上的工作環境都較為特殊。為了保護壓氣機及整個燃氣輪機，要針對進氣系統采取一些特殊措施。

典型航改燃機機組的示意圖

目前，大多數的燃氣輪機機組的空氣是由垂直于機組中心線的管道流入，然后轉90°的彎變成環狀軸向流動至壓氣機進口，完成這種功能的部件叫進氣蝸殼。在艦用燃氣輪機中，由于對燃氣輪機機組的體積和質量的要求較高，進氣蝸殼通常不可避免地設計成彎曲式的，但容易造成較嚴重的二次流和邊界層的脫離，以及壓氣機進口速度場的不均勻性，帶來燃氣輪機性能的不穩定。所以，評定進氣蝸殼優劣的主要指標是其出口（即壓氣機進口）流暢速度、壓力是否均勻、穩定，進口總壓損失是否足夠小。

由于燃氣輪機需要將大量空氣以很高的速度吸入壓氣機，伴隨著速度的提高，氣流溫度將相應降低，通常降低約10℃。在一定進口溫度和濕度下，接觸氣流的冷金屬面上將有沉淀冰和冷凝冰的出現。這種情況下，就需要進氣系統具備防冰的功能，目前采用的防冰形式主要有兩種。一種是在進氣口噴入熱空氣，使之與進氣流混合而達到給進氣加溫的目的，例如，DD963艦的進氣防冰系統從LM2500的燃燒室、火焰筒混合段后部抽取二次冷卻空氣，送至進氣裝置的進口濾器，并噴入進氣流，達到加溫的效果。另一種是在機組易于產生沉淀冰的表面添加熱空氣防冰系統。例如，羅羅公司典型的燃氣輪機機組的進氣道通常制作成環形，整流罩為錐形，由輕質合金材料制成，采用雙層結構，帶有熱空氣防冰系統；奧林巴斯公司的燃氣輪機各型的進氣道也是環形，采用固定進口導向葉片和錐形整流罩，并有熱空氣防冰系統。

此外，艦用燃氣輪機由于海鹽的吸入，壓氣機葉片表面會沉積鹽垢，使葉片型面發生變化而使其性能下降，因此需要增加清洗裝置。

控制系統

控制系統是燃氣輪機機組最重要的組成部分，它對整個機組的穩定運行、性能發揮、故障診斷、安全保障起到關鍵作用。控制系統主要采集燃氣輪機、發電機、高壓保護電器、減速齒輪箱、燃氣輪機箱裝體、滑油系統、壓縮機和鍋爐等系統的運行狀態信號，同時接受來自控制面板發出的各種控制指令。

不同燃氣輪機制造商生產的燃氣輪機的控制系統具有各自的特性，是由燃氣輪機熱力性能和機械構造決定的。但不論各家燃氣輪機的控制系統有多少特征差別，控制和保護一個完整熱力循環機組的自動化設備，都必須具有嚴謹完善的測量、控制、順控、保護四大功能，以及設備維護和故障診斷的分析判斷功能。對于一套完整的自動化系統，還必須具備完整的測量方法和控制策略。

20世紀70年代中期，GE公司帶有SPEEDTRONIC商標的燃氣輪機控制盤被用于MS5001燃氣輪機的控制，并漸漸發展成大型燃氣輪機控制系統，廣泛應用于各種用途的機組上。采用SPEEDTRONIC輪控盤商標的控制系統，從MARK-I，MARK-II，MARK-IV，MARK-V發展到MARK-VI，最終繼承了GE公司經過幾十年驗證的渦輪控制和保護控制思想。同時，MARK-VI控制系統在系統網絡機構、產品標準化、硬件設備功能、可靠性、人機界面（HMI）、系統開放性和全生命周期、設備故障診斷等技術方面逐步進行了改進，是名副其實的數字式電子控制系統。

羅羅公司典型機組控制系統是由電子-液壓式、電子式控制系統逐步發展為全權限數字式電子控制（FADEC）系統。工業RB211燃氣輪機采用了電子-液壓式控制系統，斯貝SM1A燃氣輪機采用了電子式控制系統，后續開發的工業遄達、WR-21、MT30則采用了更為先進的FADEC系統。

燃料系統

MT30艦用燃氣輪機控制系統設計

燃氣輪機的主要優點之一就是使用燃料的靈活性，可選擇的燃料可以從氣體、液體到固體。目前的航改燃機發展為普遍采用天然氣或者液體輕質油的雙燃料系統且允許交替工作，在任何的功率級可由一種燃料切換為另一種燃料。在整個功率范圍內，也可以以不同的混合百分比同時使用兩種燃料。例如，GE公司的LM1600和LM6000航改燃機都采用了雙燃料系統，進一步提高了燃氣輪機的燃料適應性。在雙燃料系統中，還應加裝控制兩種燃料比例的裝置。為了降低使用輕柴油時氮氧化物（NOx）的排放，在機組使用輕柴油時要往燃燒室噴水或水蒸氣。

燃料調節系統通常被稱為執行機構，其主要功能是依據燃氣輪機控制器的輸出指令向燃燒室供給燃料，同時能精確控制流量大小。目前，燃氣輪機燃料調節系統已由機械液壓式燃油控制發展為電子控制，引領燃油控制系統新的發展方向。例如，羅羅公司的MT30高壓燃油系統包括燃氣輪機驅動燃料泵和液體燃料節流系統（FMS）兩個主要部件。其中，FMS包括：1個燃油節流閥，在燃氣輪機電子控制器（EEC）的控制下調節燃氣輪機燃燒系統的燃料供應，溢出的燃料既能夠重新回到油箱，也可以通過燃料冷卻器再循環流入泵中；1個由EEC控制的高速節流閥，起動和關停燃氣輪機并在停機的情況下能夠從燃氣輪機主燃油總管放出殘余燃油；1個獨立的控制回路，與燃氣輪機電子保護系統（EPS）連接為燃氣輪機提供超速保護。

排氣系統

排氣系統是按照需要的排氣方向把動力渦輪出口的燃氣排入大氣或余熱鍋爐，各型燃氣輪機的排氣蝸殼結構形式各不相同，多采用箱式結構，而具體的結構要根據實際發動機需要來設計，以滿足燃氣輪機對排氣系統的要求。如果燃氣輪機作為陸用發電使用，對空間要求不是很嚴格，這樣可以適當增加蝸殼尺寸以降低排氣阻力損失，但如果作為艦船動力應用，則要兼顧阻力損失和結構尺寸兩方面來考慮蝸殼的設計。

羅羅公司的斯貝SM1C燃氣輪機的排氣蝸殼是一體化設計，擴壓段和轉向段被整合成為一部分，采用逐漸過渡的形式完成氣流由軸向向徑向的轉變。WR-21是采用軸流式、三軸、中間冷卻回熱的燃氣輪機，用作水面戰斗艦艇推進主機，為了與回熱器結構相連接，排氣蝸殼的出口較大，為了使回熱器入口處的氣流分布均勻，在蝸殼集氣殼內部設置了多個氣流導向片。MT30燃氣輪機使用的排氣蝸殼結構簡單，由直線環狀擴壓器和外部集氣殼構成，這也是目前排氣蝸殼中廣泛采用的結構形式。

滑油系統

燃氣輪機滑油系統由滑油箱、滑油附件、滑油散熱器、油氣分離器、放油開關、滑油壓力表和滑油溫度表組成。它的功能是通過滑油壓力循環，將壓力滑油送往燃氣輪機所有旋轉件支點軸承、傳動齒輪和傳動裝置的各摩擦表面進行潤滑，以便滿足減少零部件磨損、調節軸承工作環境溫度、減少因機件摩擦所消耗功率等要求。該系統不僅是燃氣輪機系統中配合機件的潤滑劑和冷卻劑，還是零件、部件出現故障的信息載體。

羅羅公司的燃氣輪機滑油系統具有緊湊式設計、多功能部件設計的特點。例如，WR-21燃氣輪機滑油系統為單元體式緊湊設計結構，降低了自身復雜度、減輕質量并提高了工作可靠性；具有冷卻、存儲和過濾燃氣輪機滑油的功能，將功能相關的部件進行集成，能夠減少部件數量，有利于滑油系統的輕量化。

GE公司則采用一體化結構的滑油/液壓油系統。例如，LM2500燃氣輪機的滑油系統為燃氣發生器和動力渦輪一體化的潤滑、冷卻系統，由軸轉動的容積式（正排量式）供油泵、5個獨立的回油泵、分配管路系統和1套滑油噴嘴構成。LM1600使用合成的滑油/液壓油，為了控制燃氣輪機的可調幾何結構，配裝了供油泵、回油泵、液壓泵、油濾，另有兩個液壓蓄壓箱用于平衡瞬態壓力。

通風系統

燃氣輪機機組須配備通風系統，目的是使燃氣輪機保持在固定溫度范圍內，從而保證人員的安全和設備的防護；同時，通風系統還具有保持汽缸四周溫度均衡，有助于維持燃氣輪機動靜葉片間隙的作用；此外，通風系統提供了稀釋泄漏的煙氣和燃氣的功能。

通風系統普遍采用非壓力冷卻系統，在箱體出口上用風扇抽吸，使周圍空氣通過箱體輸送到機組外。通風系統的主要作用是驅散任何霧化的泄漏燃油或滑油，以及冷卻安裝在燃氣輪機和燃氣輪機周圍的子系統，尤其是電力設備。

起動系統

燃氣輪機不能獨立投入工作，需要用外界能源來幫助起動。通常，把提供能量帶動燃氣輪機旋轉的機械稱為起動機，使燃氣輪機從靜止狀態起動加速到慢車工況的過程稱為起動過程。完成燃氣輪機起動過程的各工作部分，例如，起動機、起動燃油供給系統、點火系統、自動控制裝置等在內的一整套裝置被稱為燃氣輪機起動系統。

起動系統用于燃氣輪機燃燒室正常工作前的起動運行狀態及燃氣輪機的冷運轉、假開車、啟封、油封和清洗等工作狀態的運行。根據燃氣輪機對起動規律的要求，地面燃氣輪機更適合用液壓起動系統，液壓起動系統由電控液壓泵、電控液壓馬達、液壓驅動電路等關鍵部件組成，可實現無級調節，起動特性不受大氣溫度影響，滿足了燃氣輪機對壽命、可靠性、使用環境條件的要求。

試驗驗證技術

通過使用現場音頻和高清視頻，在測試期間和之后交換即時反饋，并幫助確保關鍵的測試數據和決策可同時進行討論和轉移，加速了新機型的開發和產品進入市場的進程。

此外，西門子公司還運營著一個完整的燃氣輪機測試機構——柏林燃氣輪機試驗電站，目前該試驗電站的最大容量已達400 MW。該測試設施的一個重要特點是空氣預熱系統，利用水力測功器的熱水和熱交換器，可將周圍空氣溫度提高30℃。這有助于模擬不同的氣候條件，例如炎熱的環境條件，或者可以在冬天模擬符合國際標準化組織（ISO）條件的整機試驗航改燃機機組的試驗驗證包括調試試驗、性能試驗和耐久性/可靠性考核試驗。其中，調試試驗包括燃氣輪機起動系統調試、控制系統調試、滑油系統調試、燃料系統調試、磨合試驗、性能優化試驗以及其他研究性試驗。

性能試驗是按照相關國家軍用標準或國家標準進行的起動性能試驗、機動性能試驗、熱力學性能試驗、振動測量、安全性試驗、空氣噪聲測量、結構振動加速度測量、煙度測量、燃油消耗率測量、抽氣試驗、清洗試驗以及鹽霧試驗等其他需要的試驗。

西門子公司在2015年成立了清潔能源中心（CEC），CEC為燃燒系統測試提供了3個相對獨立的測試單元，其中2個用于大型電廠的裝機容量可達400MW的燃氣輪機，另1個用于裝機容量可達66MW的小型工業燃氣輪機。該中心采用自主開發的工程壽命可視化(ELvis)軟件來處理巨大的數據流并分析部件的特性，

燃氣輪機機組智能化運行與維護技術

現代化的工業領域維護策略已經從修理設備故障發展到有計劃的整體性能維護。在燃氣輪機應用領域，隨著數字化、信息化、可視化和智能化的不斷發展，機組運行的可靠性、可用性、經濟性與安全性顯著提高。

三菱日立電力系統株式會社(MHPS)的數字化燃氣輪機電廠可實現遠程無人監控，甚至是遠程起停機。該公司建立了數字化燃氣輪機電廠，通過數據分析，提供聯合循環機組監視和診斷服務，包括人工智能檢測、關鍵參數分析、報警智能導向、升級建議、提高可用性和24小時支援等功能。

西門子公司建立了智能化燃氣輪機電廠，它能夠依托數字孿生、三維可視化技術和數據分析技術，提高電廠運行的可靠性、可用性、經濟性與安全性；依托聯網機群的數據收集和分析，通過先進的診斷功能提高市場響應速度和運營效率；運用VR/AR技術在全球范圍內實時連接服務團隊與主設備制造商。

大唐集團借力數字化手段，建立起國際電力數據監測診斷：一方面，幫助電廠利用系統數據和算法，對機組進行性能測評，監測到處于萌芽狀態的問題，發出預警，實現防患未然；另一方面，提升自動化水平，控制燃料和運維成本，通過大數據優化資源的配置，以此實現降本增效。

京西熱電公司將大數據、互聯網和人工智能等數字技術引用到實際生產當中，成熟運用“一鍵啟停”“移動智能兩票”和“點檢一體化系統”，最大程度減少人為干預，真正實現現代燃氣電廠運檢的高度自動化，使安全保障系數大幅提升；輔之倉儲管理智能化，電廠管網數字集成化，燃氣輪機經濟性小指標分析系統，環保排放指標在線監測系統等，編織起周密而強大的數據網絡，實現生產與效益的實時互聯互通，為提供高效、及時、精準的運營決策提供有力支持。

結束語

目前，隨著航改燃機成套技術水平不斷提高，通過運用新技術、新材料及新設計，使可靠性更高；采用簡化結構、易于維護、通用性設計等措施，使機組維修更容易；運用信息化手段，不斷提升設備監測、控制、自動化、智能化水平，使得產品保障性、安全性不斷提升。