shaft configuration ofgas turbine unit
简介
燃气轮机中压气机轴、燃气透平轴以及负荷轴之间相互联结的布局关系。对燃气轮机的变工况特性以及适宜携带的负荷种类有重要影响。常见的燃气轮机轴系方案有：①单轴方案;②分轴方案; ③双轴方案和④三轴方案等。
单轴方案 图1中给出了单轴方案的轴系关联。它的特点是：①压气机、燃气透平和负荷设备是共同联系在一根轴上，或通过齿轮箱机械地联在一起的，即压气机的转速完全受负荷设备转速的控制; ②设备简单、结构轻巧、金属耗量少、成本低;③起动快、加速性能好，但起动功率大;④调节简单、易于自动化;⑤厂用电耗和水耗少、安装维护方便;⑥部分负荷的热效率低，空载燃料消耗量很高;⑦可携带恒速负荷 (转速n=const的发电机)和螺旋桨负荷(功率P=cn3)，但携带P=cn3负荷时，低转速工况下易发生喘振，因而变速运行范围窄，主要用来带恒速发电机负荷。
图1 单轴方案的轴系关联
1—压气机; 2—燃烧室; 3—燃气透平; 4—齿轮箱
图2中给出了这种轴系方案的燃气初温t3和热效率ηe随负荷P/P0的变化规律。图3中则给出了该方案的变工况运行线。由图可知：在携带恒速负荷时，机组不会发生喘振，运行总是稳定的; 但在带螺旋桨负荷时，低转速工况下机组将进入喘振工况区。
图2 单轴方案的t3、ηe=f (P/P0) 变化关系
分轴方案 图4中给出了分轴方案的轴系关联。它的特点是：①高压透平与压气机共轴，组成一个燃气发生器。动力透平与负荷设备共轴，或通过齿轮箱机械地联在一起，即：使压气机轴与负荷轴分开，因而压气机的转速不直接受控于负荷的转速;②设备较简单、结构轻巧，成本较低;③起动功率比单轴方案者小;④可携带恒速负荷、螺旋桨负荷以及汽车、机车的牵引动力负荷;无论在携带以上哪类负荷时，机组都容易起动，变工况性能较好，变速范围广，压气机不易发生喘振;⑤甩负荷时，动力透平易超速，必须采取保护措施; ⑥空载燃料消耗量比单轴方案低。该方案更适宜于驱动变转速的节距不变的螺旋桨负荷和汽车、机车等牵引动力负荷。
图3 单轴方案的变工况运行线
图5中给出了这种轴系方案的燃气初温t3和热效率ηe随负荷P/P0的变化规律。图6中则给出了该方案的变工况运行线。由图可知：在带上述各种负荷时，机组的运行总是稳定的，而且运行特性都很接近。
图4 分轴方案的轴系关联
1—压气机;2—燃烧室;3—高压透平; 4—动力透平;5—齿轮箱
图5 分轴方案的t3、ηe=f(P/P0) 变化关系
单轴方案之所以演变为分轴方案，其主要原因是为了解决单轴方案中负荷转速对压气机转速的直接制约作用。这样，就可以在带恒速负荷时，使压气机的转速随机组负荷的下降而降低，有利于减小燃气初温的变化范围，可提高低负荷工况下机组的热效率。此外，在带螺旋桨负荷时，使压气机转速的变化幅度变小，以防机组发生喘振故障。
图6 分轴方案的变工况运行线
平行双轴的“2/高”方案 图7中给出了这种方案的轴系关联。它的特点是：①高压透平与高压压气机和负荷设备共轴，低压透平与低压压气机共轴，即仅高压压气机的转速直接受负荷转速的制约;②空载燃料消耗量比分轴方案更低;③起动机功率比分轴方案更小;④部分负荷工况下的热效率比单轴方案者好;⑤压气机的总压比较高;⑥加载性能较差，因为低负荷时低压压气机的转速低、空气流量少，不能多喷燃料，否则机组容易超温; ⑦适宜于携带恒速的发电机负荷，以保证高、低压压气机都不喘振 (参见图9)，因而增压流化床联合循环 (PFBC-CC) 的燃气轮机常采用该轴系方案。倘若携带节距不可调节的螺旋桨负荷，只有当负荷P≥75%P0时，机组才能稳定地工作，否则低压压气机要喘振。
图8中给出了这种轴系方案的燃气初温t3和热效率ηe随负荷P/P0的变化规律。
图7 平行双轴的 “2/高”方案之轴系关联
1—低压压气机; 2—中间冷却器; 3—高压压气机;4—燃烧室;5—高压透平;6—低压透平
图9中则给出了该方案的变工况运行线。
图8 平行双轴的 “2/高” 方案之t3、ηe=f(P/P0) 变化关系
图9 平行双轴的“2/高”方案之变工况运行线
分轴方案之所以演变为平行双轴的“2/高”方案，主要原因是：①采用两个串联的压气机便于提高机组的总压比，有利于改善机组的性能; 加装空气的中间冷却器后，更能增大机组的比功;②高、低压压气机有不同的转速，可使空气体积流量的变化更适合于压气机转速的变化，使机组的变工况性能较好; ③可以进一步减少机组的起动机功率; ④可以进一步减少空载时燃料的消耗量，因为那时压气机的转速较低，空气流量较少的缘故。
平行双轴的“2/低”方案 图10中给出了这种方案的轴系关联。图11中给出了该轴系方案中，燃气轮机初温t3和热效率ηe随负荷P/P0，的变化规律。图12中则给出了该方案的变工况运行线。
图10 平行双轴的 “2/低”方案之轴系关联
1—低压压气机;2—中间冷却器;3—高压压气机; 4—燃烧室; 5—高压透平; 6—低压透平; 7—齿轮箱
图11 平行双轴的 “2/低”方案之t3、ηe=f(P/P0) 变化关系
由图可知：它的特点是：①高压透平与高压压气机共轴，低压透平与低压压气机和负荷设备共轴，即仅低压压气机的转速直接受负荷转速的制约;②其他特点与平行双轴的“2/高”方案类同;③适宜于携带不变节距的螺旋桨负荷，高、低压压气机都不会喘振。倘若携带恒速负荷，机组只能在P≥40%P0时稳定工作，否则，低压压气机将发生喘振;④双转子航空发动机易于改装成为平行双轴的 “2/低”方案。
>图12 平行双轴的 “2/低”方案之变工况运行线
平行双轴的 “2/高”方案之所以演变为平行双轴的“2/低”方案，为的是能携带不变节距的螺旋桨负荷。相对于分轴方案的改进，则与平行双轴的 “2/高”方案类同。
三轴方案 该方案可进一步分为：①三轴“3/高”方案;②三轴“3/中”方案;③三轴“3/低”方案三大类型。图13中给出了它们的轴系关联。图14中给出了它们的燃气初温t3和热效率ηe随负荷P/P0的变化规律。图15中给出了它们的变工况运行线。
图13 三轴方案的轴系关联
(a)三轴“3/高”方案; (b)三轴“3/中”方案;(c) 三轴 “3/低”方案; (d) 三轴“3/低”方案的航机改型机
1—低压压气机;2—中间冷却器;3—高压压气机;4—燃烧室;5—高压透平;6—中压透平;7—低压透平;8—齿轮箱
由图可知：它们的特点是：①在 “3/高”、“3/中”和“3/低”方案中，分别由高压透平、中压透平和低压透平来拖动负荷设备，另两个透平则分别用来拖动高压压气机与低压压气机，即压气机轴与负荷轴无机械联结关系;②“3/高”方案中，机组的热效率几乎不随负荷大小而变，但工作稳定性较差，当P≤70%P0后，低压压气机就会喘振; ③“3/中” 方案的工作稳定性最好，适宜于携带螺旋桨负荷，任何工况下高、低压压气机都不会喘振;④“3/低” 方案的工作稳定性要比 “3/高”者好，但当P≤50%P0后，低压压气机仍会发生喘振。若要正常工作，就应使低压压气机放气防喘，那时机组的热效率明显恶化; ⑤ “3/中”方案的空载燃料消耗量比双轴方案者还要低;⑥加载性能差，因为负荷变化时，空气流量的变化很大，不能大量喷入燃料量，否则易超温;⑦起动机功率更小;⑧甩负荷时动力透平容易超速，必须采取保护措施。
图14 三轴方案之t3、ηe=f(P/P0) 变化关系
注： 1.—— “3/高” 方案;——“3/中”方案;—·—·—“3/低” 方案;
2. 本图是携带螺旋桨负荷的情况。
双轴方案之所以演变为三轴方案，主要解决双轴方案中仍然有一个压气机的轴与负荷设备共轴，致使机组的性能仍旧相当程度地受负荷转速特性的影响。为此，可以像分轴方案那样，增设一个自由的动力透平来拖动负荷。这样就可以进一步改善机组的热效率和工作稳定性。
图15 三轴方案之变工况运行线
注： 1. ——“3/高”方案; —- “3/中” 方案; —·—·—“3/低”方案;2. 本图是携带螺旋桨负荷的情况。
赵士杭. 燃气轮机循环与变工况性能. 清华大学出版社，1993