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燃气轮机研制中存在技术难度大、周期长及成本高等问题,这些问题已阻碍燃气轮机技术的发展,因此探索低成本短周期研制出燃气轮机的方法已成为科研部门不得不面对的问题。根据燃气轮机工作原理及结构特点,借助数学方法建立燃气轮机工作过程的性能计算模型,通过数学模型计算获得各条件或各工况下燃气轮机各截面压力、流量及温度等性能；通过数学模型分析燃油量和负载对燃气轮机性能影响等,将为降低燃气轮机研制成本、缩短研发周期、减少技术风险等方面开辟了新的思路。本文通过对4MW燃气轮机工作原理、用途及结构特点分析,建立了压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮、起动电机及转子等部件模块,针对低转速下压气机特性获取难问题,提出了一种基于相似原理外推特性的指数改进方法,通过该方法获得了4MW燃气轮机压气机低转速特性,构建了4MW燃气轮机起动模型,重点考察了不同负载或起动机功率对燃气轮机各截面压力、流量及温度等性能的影响,为4MW燃气轮机燃油控制规律设计打下基础。主要研究内容如下：1.在探讨4MW燃气轮机工作原理及结构特点的基础上,同时考虑到燃气轮机部件数学模块的可扩展性和通用性,采用部件建模方法建立了4MW燃气轮机压气机模块、燃烧室模块、燃气涡轮模块、动力涡轮模块、燃气发生器转子模块、动力涡轮轴转子模块及容积模块,构建了4MW燃气轮机数学模型,通过压气机、燃气涡轮、动力涡轮共同工作线、燃气涡轮前温度及燃气轮机出口温度仿真计算结果与GasTurb计算结果对比,验证了4MW燃气轮机数学模型的准确性。2.针对燃气轮机压气机低转速特性获取难的问题,根据相似原理应用条件及压气机低转速工况特点,提出了一种基于相似原理外推特性的指数改进方法,通过遗传算法获取最优指数,拟合出4MW燃气轮机压气机低转速特性,并基于该特性构建了4MW燃气轮机起动模型。3.在拥有4MW燃气轮机部件模块基础上,根据试验方法获得特性所构建的4MW燃气轮机数学模型重点考察了不同负载对燃气发生器转速、动力涡轮转速、燃气轮机输出功率影响,以及燃气轮机各部件进出口温度和流量的变化；根据外推方法获得特性所构建的4MW燃气轮机起动模型考察了不同起动机功率对燃气发生器转速、燃气涡轮后温度及燃气轮机出口温度的影响。考察结果表明：不同负载对燃气涡轮前温度、燃气涡轮出口温度、动力涡轮出口温度以及燃机输出功率影响较大,对其他总体性能与部件性能影响较小；保持燃油规律一致且随时间均匀增加前提条件下,在起动机带转过程中,起动机功率更大的燃气轮机燃气发生器转速变化更快,但燃气涡轮后温度和燃气轮机出口温度更低。4.鉴于燃油控制规律对燃气轮机性能的重要影响,在分析4MW燃气轮机燃油控制系统原理的基础上,基于转速闭环控制及多通道低选控制原则构建了由起动控制、停机控制、燃气涡轮转速控制、动力涡轮转速控制、温度控制及加速度控制等组成的4MW燃气轮机燃油控制系统。