微小型燃气轮机具有功率密度高、排放低、启动快、维修简单的优势,可广泛应用于分布式供能、特种电源和战车动力,是一种很有前景的高技术集成型热-功转化装备。微小型燃气轮机存在效率偏低和变工况性能衰减的技术瓶颈,而回热循环是提高微小型燃气轮机全工况热效率的有效方式。本文以广泛应用的两种典型回热循环燃气轮机,即单轴燃气轮机和动力涡轮导叶可调式三轴燃气轮机为研究对象,首先开展回热循环燃气轮机仿真模型研究,改善模型的收敛性与实时性;随后,开展回热器精细化建模,提高回热器仿真模型精度与维度;在此基础上,分别开展单轴与三轴回热循环燃气轮机性能仿真研究,获得最优控制规律与最优控制策略;最后,进行回热循环燃气轮机总体特性研究,分析控制参数调节速度与回热器热惯性对回热循环燃气轮机非稳态响应的影响,并提出快速实现非稳态控制的调控策略。本文的主要研究内容与结论如下:(1)采用部件法建立基于MATLAB/m语言的回热循环燃气轮机仿真程序,解决回热循环燃气轮机,特别是结构复杂的动力涡轮导叶可调式三轴回热循环燃气轮机仿真模型收敛性难题,结果表明非稳态性能仿真的实时性显著改善。(2)采用基于换热微元的回热器换热仿真方法,推导获得适用于逆流、顺流与叉流式回热器的改进换热仿真模型。该模型可有效提高回热器剧烈运行工况的仿真精度,并可获得回热器温度沿流向的分布,从而提高模型仿真维度。该模型还具备模拟回热器内部泄漏与纵向换热效应的潜力。(3)开展单轴回热循环燃气轮机整机性能研究。对恒转速与变转速两种控制模式进行对比,获得了最优变转速控制规律,证明保持涡轮出口温度为设计值是显著改善燃气轮机全工况性能的最优控制策略。进一步研究发现,回热器性能衰退对变转速控制模式的整机性能恶化影响更为严重。(4)开展动力涡轮导叶可调式三轴回热循环燃气轮机整机性能研究。对动力涡轮转速与导叶角度调节两种控制模式进行对比,阐明了导叶角度调节与回热器耦合作用可以改善整机性能的内在机理,获得了动力涡轮转速与导叶角度的联合最优控制规律。进一步研究表明,单轴回热循环燃气轮机的最优控制策略亦适用于动力涡轮导叶可调式三轴回热循环燃气轮机。在联合最优控制规律下,当高压轴相对物理转速分别为0.95、0.90、0.85时,可获得6.37%、15.88%、47.80%的输出功率提升,以及10.84%、25.59%、64.97%的热效率提升。(5)开展回热循环燃气轮机总体特性研究,分析其非稳态响应规律。结果表明,回热循环燃气轮机非稳态响应主要由控制参数调节速率与回热器热惯性决定。在单轴回热循环燃气轮机中,回热器热惯性导致燃气轮机参数变化出现迟滞性,易造成参数超调。在动力涡轮导叶可调式三轴回热循环燃气轮机中,燃油流量与导叶角度调节对整机非稳态响应起决定作用,而动力涡轮转速调节影响相对较小。回热器热惯性使整机非稳态响应分为快速响应区与回热器滞后区。控制参数的快速调节有助于缩短整机稳定时间,并且燃油流量与导叶角度联合调节有利于快速实现三轴回热循环燃气轮机非稳态响应。