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小编:小功率燃机模化放大到大功率燃机的原理是什么?
陈伟:小功率燃机模化放大到大功率燃机的原理主要是叶轮机械的模化设计理论。叶轮机械在保证几何相似时,在一定条件下可以实现气动热力过程相似。表1所示为模化设计过程各参数的变化规律。(注:表中各个参数关系只是理论值,不是准确的工程数据)。GE、西门子、三菱等几十年的工程实践证明,只要几何放大比例不超过2、缩小比例不小于0.5,原型机与放大/缩小所得到的新型号燃机热效率基本相同。更详细的研究和工程实践已经证明,在放大时热效率和功率比理论值有少许增加,而缩小时热效率和功率比理论值有少许降低。
小编:原理还比较深奥,那国际上具体有哪些成功案例呢?
陈伟:采用模化放大原理研制成功的燃机系列产品很多,典型例子是50Hz(3000转/分)和60Hz(3600转/分)燃气轮机,把60Hz燃机放大缩小1.2倍,就得到50Hz燃机,其功率放大1.44倍,效率不变;反之亦然。如GE公司1987年推出首个研发的F级产品型号为7FA(60Hz);两年后的1989年推出了9FA(50Hz)。根据市场需要1996年又把7HA缩小0.69倍就推出6FA。过去二十多年中6FA、7FA、9FA不断推出升级型号形成系列产品,为GE公司在全球重型燃机市场占有率超过一半做出了重要贡献,奠定了GE公司燃机行业龙头老大的地位。
特别应当指出的是,GE公司的燃气轮机燃烧室是多管型,同一系列燃机的燃烧室完全相同,只是个数不同。GE公司F级燃机产品6FA、7FA和9FA模化关系如图2所示。
图2 GE公司F级燃机产品模化关系
再如西门子F级燃机产品系列。首台F级原型燃机V64.3A于1989年在柏林完成了整机带负荷试验,功率53MW,效率34%;两年后(1991年)把V64.3A放大1.5倍发展出V84.3A(60Hz),功率128MW,效率34.5%,三年后(1992)把V64.3A放大1.8倍推出V94.3A(50Hz)燃机,功率184MW,效率35.4%。
当然,模化放大并不是说小功率燃机研制成功后,放大到大功率燃机就不会遇到任何问题。在工程实施中,不是所有几何尺寸都可以严格按照模化比例进行缩放,如间隙、流动部件的表面光洁度、倒角等。同时,缩放过程中还有部分气动、传热和强度等物理参数在数学上并不严格相似。这些差异都可能会给燃机的设计性能带来一定偏差,同时也可能给燃机的安全性和可靠性带来不可预见的问题。但这些并不是核心技术根本上的改变,主要通过对设计进行局部修改,并结合大量的试验数据对结构进行一定程度的校正和调整,来解决可能面临的问题。
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