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1、第三章燃气轮机装置,3.1 燃气轮机的发展概况,2 燃气轮机发展简史,959年我国民间开始流行的走马灯,1550年达芬奇设置在壁炉烟道中的叶轮 共同特征是把气体的动能转化为机械功的回转式原动机械。The development of the gas turbine was characterized by a number of patents.Many of the early designs were never built,and those that were built usually produced extremely low power outputs if any at al
2、l.,2 燃气轮机发展简史,2 燃气轮机发展简史,2 燃气轮机发展简史,2 燃气轮机发展简史,2 燃气轮机发展简史,4 燃气轮机的优点1 结构紧凑，质量轻，重型结构机组单位功率 质量为25kgkW，轻型结构机组则低于lkg kW。2 体积小，占地面积小。用于车、船等运输机 械时可节省空间作其他用途用。3 起动快，从冷态起动至带满负荷，视机组功率 的大小及结构型式的不同在数分钟至半小时之 间，在紧急情况下很多机组的起动时间可缩短约 一半左右。4 安装周期短，对于燃气轮机电站，在做好基础设施等准备工作后，燃气轮机发电机可在-9个月投产。,4 燃气轮机的优点5 运行平稳，可靠性高，大量机组可靠性达9
3、9，即机组的事故停机率仅为1。6 效率高，现简单循环燃气轮机效率最高已达429，而联合循环机组效率最高已达58，后 者是目前各种热力机械中所达到的最高效率值。7 污染排放低，其NOX和CO等的排放能低于最新规 定的严格标准。8 耗水少或者不用水。,先进燃气涡轮发动机,其它民用产品,巡航导弹,直升机,民用飞机,军用飞机,发电设备,舰船,车辆,5 燃气轮机的应用,5 燃气轮机的应用,我国燃气轮机的发展,上世纪50年代中期开始仿制苏联的发动机仿制成功以后不断地改进和改型中国特色的wp6、wp7系列发动机，用于强五、歼6、歼7和歼8上地面燃气轮机，1500kw-2300kw石油资源有限，燃气轮机电站没
4、有得到推广,燃气轮机的主要优点,重量轻、体积小、启动快少用水或不用水便于集中控制适宜燃烧多种燃料润滑油和冷却水消耗少振动和低频噪音小运行维护方便，费用低,燃气轮机的主要优缺点,与蒸汽轮机电站比，燃气轮机电站优点金属消耗量可以减少3-5倍厂房占地面积缩小2.5-4倍机组能在10-15分钟内，从冷态起动、加速直到带上全负荷 与蒸汽轮机和活塞式发动机比，燃气轮机的主要缺点是油耗率偏高部分负荷条件下，热效率显著下降,燃气轮机的发展方向,提高热效率提高燃气温度(初温)研制高温材料 表面保护层：渗铝、铬、钴、陶瓷技术 研制特种陶瓷叶片：耐热温度1300-1700改进冷却技术 气膜、发散冷却技术降低叶片表面
5、温度500-800 以25/年的速度提高初温,燃气轮机的发展方向,提高热效率提高燃气轮机的增压比提高单级压比 采用超跨音速级，级压比1.5-2.0时仍维持尚好的效率 正在研究的级压比高达3.5提高整机压比 改善级间匹配，采用可转导叶和双转子，总压比 可达35以上,燃气轮机的发展方向,提高热效率余热利用回热 利用排气加热进入燃烧室的空气燃气蒸汽联合循环 利用余气产生蒸汽，增加做功量总能量综合利用 热电联供,燃气轮机的发展方向,燃烧便宜燃料同时限制污染及腐蚀重燃料处理 煤的气化和液化，重油处理(如沉淀、过滤、水洗和加料等)使用核燃料 高温快速堆闭式氦气轮机，单机功率1000kw低污染高温燃烧室的研
6、究 改善冷却结构和燃烧过程，降低排气中NOX的含量,燃气轮机的发展方向,提高燃气轮机变工况的经济性可调静叶多轴轴系回热-采用回热器有利于提高燃气轮机变工况时的经济性闭式循环-流量调节适应工况变化,燃气轮机的发展方向,降低材料工艺成本，简省燃气轮机维护特种工艺和设备 精铸、多次真空冶炼、定向洁净、粉末冶金、陶瓷冶金、纤维复合材料、高速挤锻、温加工强化、喷丸强化、激光加工、数控加工、电蚀加工、强力旋压、陶瓷或金属等离子喷镀、电子束焊、氩弧焊、激光焊和钎焊等。电子计算机自动监控 在全机关键部位布置测点和光纤孔探仪的深测孔，不需开缸就能早期发现问题,3.2 燃气轮机装置的热力循环,3.2.1 燃气轮机
7、装置循环的热力性能指标,3.2 燃气轮机装置的热力循环,1热力参数(1)压比 压气机出口气流滞止压力与进口滞止压力之比，即(2)温比 指循环的最高滞止温度(透平进口气流的滞止温度T3*)与循环的最低滞止温度(压气机进口气流的滞止温度T1*)之比，即,3.2.1 燃气轮机装置循环的热力性能指标,2性能参数(1)装置比功Wn 比功用于评定燃气轮机循环做功性能的优劣 若忽略压气机与涡轮中流量的差别以及机械损失等，则燃气轮机的比功近似等于涡轮比功wT和压气机比功wC之差，即wn wT-wC 比功大者，气耗率小，发出相同功率所需工质流量小，燃气轮机装置尺寸小。,(2)装置效率 装置效率是指装置输出的有用
8、功与输入的燃料热值之比式中，H u为每千克燃料的低热值(kJkg)；f为燃料空气比，即加给单位质量空气的燃料量。(3)有用功系数 为便于比较燃气轮机的相对大小和表明在变工况时装置性能对各部件性能变化的敏感性，有时采用有用功系数。有用功系数是指装置输出的有用功与透平比功的比值，即,理想简单燃气轮机循环由布雷领(Brayton)于1872年提出。,3.2.2 理想简单燃气轮机循环,燃气轮机循环可看为理想循环的条件（两点假设）：工质是空气，可视为理想气体，整个工作过程中空气的比热为常数，不随气体的温度和压力而变化；整个工作过程中没有流动损失，绝热过程为等熵，燃烧前后压力不变，没有热损失（排热过程除外
9、）和机械损失。,1 理想简单燃气轮机循环,1-2 绝热压缩2-3 等压加热3-4 绝热膨胀4-1 等压放热,对单位工质，定常流的能量方程为:,q-工质在过程中吸热V0,V-过程进口和出口的流速h0,h工质在进口和出口出静焓 w-工质对叶轮机（压气机或涡轮）作的机械功,理想循环参数(1)理想循环比功,1.绝热压缩过程（1-2）,其中：q12=0；V1=V2,地面燃气轮机：整个压缩过程在压气机中完成,对单位质量工质所作的机械功为：,2.等压加热过程（2-3）在燃烧室中完成,其中：w23=0；V2=V3,工质吸收热量为,-温比=T*3/T*1,3.绝热膨胀过程（3-4）,其中：q34=0；V3=V4
10、,地面燃气轮机：整个膨胀过程在涡轮中完成,单位质量工质所作的机械功为：,4.等压放热过程（4-1）,其中：w41=0；V1=V4,工质放出热量为,整个循环中，单位质量工质,向低温热源（大气）中放出能量,从高温热源（燃烧室）中吸收能量,亦即：,理想简单燃气轮机循环比功,理想简单燃气轮机循环热效率,理想简单燃气轮机循环的热效率只与增压比有关。,判断下列理想简单循环的热效率的大小1.T1=20o,T3=1000o,=62.T1=20o,T3=600o,=10,判断下列理想简单循环的比功的大小1.T1=20o,T3=1000o,=62.T1=20o,T3=600o,=6,21,12,循环净功分析,在循
11、环增温比一定时，存在一最佳增压比，使得循环净功最大。,最佳增压比opt,利用 wt-wc=0,令,最大增压比max,可见,，,，,。,（注意此时热效率并不是最大值。）,（2）理想简单循环有用功系数,3.4.3 燃气轮机的理想回热循环,理想燃气轮机回热循环可以提高理想简单燃气轮机循环的热效率。,热交换器,Mercury 50 先进燃气轮机流程图,燃烧室,透平,压缩机,齿轮箱,RECUPERATOR,透平排气,进口空气,理想燃气轮机回热循环,利用涡轮出口的排气余热加热压气机出口的空气。由于对进入燃烧室的空气进行了预热，所需燃料量减少，而比功不变，从而使循环的热效率得到提高。,1,2,2a,3,4,
12、4a,理想燃气轮机回热循环,通过回热器后 压气机出口的空气温度度由T2上升到T2a。涡轮出口的排气温度由T4下降到T4a。,1,2,2a,3,4,4a,回热器内热交换的理想状况是T*2a=T*4，T*4a=T*2等压吸热和等压放热过程的热交换量相等，即,回热器内热交换的实际状况是T*2aT*2实际热交换量低于理想热交换量。,回热度-实际热交换量与理想热交换量之比,理想回热循环，T*2a=T*4，所以回热度。,理想回热循环的加热量为,理想回热循环的热效率,其中，wn为理想简单循环的比功,理想回热循环的热效率,一定的条件下，越小，R越高。原因是：,增加，R下降。当增加到使T*2=T*4时，排气余热
13、无法利用，理想回热循环退化为理想简单循环。此时的压比定义为临界增压比cr。,根据达到临界增压比cr的条件：,T*2=T*4，则有：,此时，理想回热循环的热效率为：,理想回热循环蜕化为理想简单燃气轮机循环。,继续增加，使得 cr，此时，T*2 T*4，压气机出口气流中的部分热量将通过回热器传给涡轮出口的排气，使得理想回热循环的热效率低于理想简单循环，这是毫无疑义的。,增压比达到临界增压比cr,.2.4 燃气轮机的理想间冷循环,l一2m 空气在低压压气机中的压缩过程;2m1m 空气在间冷器中的冷却过程;1m一2 空气在高压压气机中的压缩过程;2一3 空气和燃料在燃烧室中的燃烧过程;34 燃气在透平
14、中的膨胀过程;41 透平排气的放热过程。,4.2.5燃气轮机的理想间冷循环,在燃烧室中加入的热量为,间冷循环的比功,间冷循环的热效率,间冷循环能显著增加燃气轮机的比功 这是由于压气机总的耗功减少的缘故。从图46可看到在理想情况下，与简单循环相比，间冷循环的比功增加了相当于左上角面积的功。为使间冷循环的比功最大，应合理分配高压和低压压气机的压比。为此，将比功公式(413)对低压压气机的压比功求导，并令其为零。得如果有n个压气机串联工作，每个压气机进口前燃气都进行再热，则各压气机的压比为,.2.4 燃气轮机的理想间冷循环,间冷循环的最佳压比大于简单循环的压比虽然间冷循环可增加比功，但由于进入燃烧室
15、的空气温度降低了，燃烧室的加热量就要增加，因此在压比较低时，间冷循环和简单循环的效率差不多；如果采用回热器，则因间冷所需增添的附加热量全部可以从废热中回收，这样燃料消耗不增加，却提高了比功，因此循环的效率会显著增高。在许多情况下可以在最后一级压缩过程出口处加装回热器。,.2.4 燃气轮机的理想间冷循环,温比和效率增加，可使间冷循环的比功增加、效率增高 最后必须指出，由于间冷器中须用冷却水，因而减弱了燃气轮机可用于干旱缺水地区的优势。,.2.4 燃气轮机的理想间冷循环,3.2.5 燃气轮机的理想再热循环,l一2 空气在压气机中的压缩过程;2一3 空气和燃料在燃烧室中的燃烧过程;34m 燃气在高压
16、透平中的膨胀过程;4m-3m 燃气在再热器中的加热过程;3m4 燃气在低压透平中的膨胀过程;41 低压透平排气的放热过程。,4.2.5 燃气轮机的理想再热循环,在燃烧室中加入的热量为,再热循环的比功,再热循环的热效率,4.2.5 燃气轮机的理想再热循环,中间再热循环的特点：与简单循环相比，再热循环的比功增加了。这是由于进入低压透平的燃气温度提高后，低压透平膨胀功增加的结果，这在T图上可清楚地看出来。如果有n个透平串联工作，每个透平进口前燃气都进行再热，则各透平的膨胀比为虽然再热循环可增加循环比功，但因再热燃烧室增加了燃料消耗量，从而总加热量增加了，所以在压比较低时，再热循环和简单循环的效率差不
17、多；只有当压比较大时，再热循环的效率才高些。再热循环的最佳压比大于简单循环的压比。,4.2.5 燃气轮机的理想再热循环,4.2.6 实际循环和理想循环的差别,中间再热循环的特点：与简单循环相比，再热循环的比功增加了。这是由于进入低压透平的燃气温度提高后，低压透乎膨胀功增加的结果，这在T、图上可清楚地看出来。虽然再热循环可增加循环比功，但因再热燃烧室增加了燃料消耗量，从而总加热量增加了，所以在压比较低时，再热循环和简单循环的效率差不多；只有当压比较大时，再热循环的效率才高些。再热循环的最佳压比大于简单循环的压比。,1.c T,用绝热压缩效率c表示压缩过程的流动损失 用绝热膨胀效率T表示膨胀过程的
18、流动损失,实际简单循环1-2-3-4理想简单循环1-2-3-4,绝热压缩效率,绝热膨胀效率,实际简单循环的比功,有用功系数,.,实际上，工质在燃烧室、回热器、间冷器、空气过滤器、消音器以及管道系统中流动时必然有流动损失，它表现为工质滞止压力的损失dp。因此，工质在透平中的膨胀比就小于压气机的压比。3 流量变化实际循环中，燃料量t约占空气量G的.8-2.5，漏气量及冷却用抽气量dG占空气量G的2.5-5。这样，实际燃气流量Gg可用下式计算：GgG+G f-dGG(1+f-dGG)式中，fGtG，是燃料量占空气量的百分比。显然流量减少会影响循环的比功和效率。一般情况下，流量减少5，比功降低1020
19、，效率下降26。,4.,实际燃烧过程中不可能把全部喷入的燃料燃烧尽，还有热传导损失，通常用工质中得到的热量与消耗的燃料低热值之比来表示燃烧完善的程度，即燃烧效率。一般93一99.5。5 Cp,kCp及k不是常数.对使用标准燃油和相近的燃油的燃气而言，Cp及k可认为是温度和燃料空气比的函数，有特制的图表可供查用。,.,所谓回热度是指空气在回热器中得到的热量与燃气在回热器中放出的热量之比。对传导式回热器，回热度0500.80；对再生式回热器，回热度0.90。,7.,同回热器一样，间冷后的温度可以比压气机进口前的温度高5-15，比冷却水温度高10一20。一般用冷却度来表示间冷的效果。所谓间冷度是指空
20、气在间冷器中实际放出的热量与理论上可以放出的热量之比，一般情况下为.90-0.98。,8.,广义机械效率修正,.3 压气机,.3.概述,轴流式压气机，空气大致沿着与轴线平行的方向流动，它的特点是空汽流量大、单级压比低，所以通常由多级组成。它普遍用于大功率燃气轮机装置中。离心式压气机，气体大致沿着与轴线垂直的半径方向流动，所以也称为径流式压气机。与轴流式压气机相比，它的空气流量小，效率也较低，但是单级的压比高。根据需要可以作成单级，也可以作成多级。它常用于小功率燃气轮机装置中。,.3.轴流式压气机,轴流式压气机的主要部件是转子和静子。转子由工作叶片、轮盘和轴组成。由一排固定在轮盘上的工作叶片组成
21、的轮子叫做叶轮（也称工作轮）。叶轮在涡轮的带动下高速旋转而工作。静子是压气机中不旋转的部分。轴流式压气机的叶轮和整流环交错排列。一个叶轮和一个整流环组成轴流式压气机的一“级”，燃气涡轮发动机都采用多级的型式以提高压气机的增压能力。,.3.轴流式压气机,基元级速度三角形,.3.轴流式压气机,基元级速度三角形,.3.轴流式压气机,基元级速度三角形,绝对速度C1的周向分速Clu叫预旋。预旋方向和工作轮旋转方向一致，叫正预旋；预旋方向和工作轮旋转方向相反，叫负预旋；如果M90，则速度的方向与旋转轴平行，预旋等于零，叫轴向进气。,.3.轴流式压气机,基元级速度三角形,气体相对速度的周向分速的差值叫扭速，
22、即 当c1ac2a和ul u2时，有,.3.轴流式压气机,2基元级中钱气体压缩过程,（）欧拉方程。由于静叶栅不对气流作功所以W就是基元级加给单位质量气体的功，也称轮铀功。对于正圆柱面的基元级别有(2)能量守桓关系假定气体的比热容是常数，忽略气流与外界的热交换，则由能量方程得,.3.轴流式压气机,基元级中气体压缩过程,.3.轴流式压气机,3压气机的基本参数,(1)性能参数 a 流量。流量是单位时间内流过通流截面的气体量体积流量(m3/s)。b 压比，压比是气体通过压气机以后压力的相对提高量，用 表示，是无因次量。c 效率。效率是用来表示能量转换过程的完善程度的。真实气体是有粘性的，所以气体通过压
23、气机时总存在着流动损失。基元级的绝热效率(或称等熵效率)定义为在气流进口参数相同、压比相等的条件下，等熵压缩过程中滞止焓的增量与真实过程中滞止焓的增量之比，即 在近代的轴流式压气机中，基元级的绝热效率可以达到0.88-0.91。,.3.轴流式压气机,3压气机的基本参数,()气动参数 a 工作轮外径处的圆周速度。工作轮外径处的圆周速度是压气机的一个基本运动参数，也是级的最重要的结构参数。b 气流轴向分速和流量系数：级的工作轮进口处的气流轴向分速是一个重要参数，与级的型式和级在压气机中所处的位置等因素有关。一般在平均半径处轴向分速为80 ms-230 ms。气流轴向分速确定了流过工作轮进口单位面积
24、的气体容积流量，气流轴向分速与工作轮进口外径处的圆周速度的比值称为级的流量系数。,.3.轴流式压气机,3压气机的基本参数,()气动参数c 压头系数。对于相同的园周速度，旋转工作轮的功(即工作轮传给气流的能量)可以是不同的，因此常采用它们的相对值Hc表示，即d 反动度。动叶栅中用于提高气流的静压头的这部分功除以整个加入级的功，称这个比值为反动度，它是基元级的基本参数之一。反动度定义为气流在动叶栅内静焓增量与级的滞止焓增量之比。,.3.轴流式压气机,3压气机的基本参数,.3.轴流式压气机,4多级压气机,.3.轴流式压气机,4多级压气机,特点：(1)(2)整台压气机的压缩功为各分级压缩功之和；但各分
25、级等熵功之相比整台压气机的等熵功大，多出的一部分是由于流动损失所造成；多级轴流式压气机效率比各级效率小。,.3.轴流式压气机,4多级压气机,特点：(3)多级袖流式压气机通道形状的选择一般采用减少环形面积与轴向速度的方法，常用的有等外径通道与等内径通道。图415历示为多级压气机中轴向速度沿叶高的畸变。(4)多级压气机的级间相互影响。在多级压气机叶片通道的内、外壁上，边界层的厚度沿气流流动方向逐渐增加，所以在压气机中，上游各级叶片端部边界层厚度及其流动情况对下游各级是有影响的。设计中要考虑到这种情况，否则，实际压气机的增压压力特达不到预期的要求。,.3.3 离心式压气机,基本结构,典型的单级离心压
26、气机主要由进气道(Inlet)、叶轮(Impeller)、扩压器(Diffuser)、出气蜗壳(Volute)等组成,.3.3 离心式压气机,.3.3 离心式压气机,2速度三角形,.3.3 离心式压气机,3进气装置 进气装置是进气道和进口导向器的总称。如果直接从大气中引入空气，就不需要进气道了。进气道的形状应使流动损失小，工作轮的进口流场均匀。它的损失用总压恢复系数表示，数值一般为0.97-0.99。进气道通常都是收敛的，其进口流速约为60-100 ms，而出口流速可达100-150 ms，通常希望工作轮进口的马赫数1，以免产生附加的激波损失。,.3.3 离心式压气机,4工作轮 工作轮的常用结
27、构有半开式和闭式两种。半开式工作轮叶片的一例与轮盘相联，另一侧是敞开的，它的流动损失比闭式叶轮的大，但是强度与刚性好，制造也简单。它是应用于发动机和增压器的主要形式。闭式工作轮的一侧与轮盘相联，另一侧装有圆环形的盖扳，所以工作轮的通道是封闭的。由于强度的限制，闭式叶轮不能在高的圆周速度下工作，制造工艺也复杂，但是效率较高，它主要应用于增压器和各种工业领域。,.3.3 离心式压气机,前弯式叶片工作轮的作功能力大，扩压器内的能量转换也大，但效率较低，叶片强度与刚度较差，因此主要用于通风机中。后弯式叶片出口流场比较均匀，可以改善扩压器的进口条件，在高压比情况下可得到比较平坦的性能曲线，在尺寸、重量要
28、求不严的一般工业用选上常采用后弯式叶片。径向叶片的作功能力和效率均介于前弯式和后弯式之间，但它的强度与刚度好，加工方便，所以广泛用于发动机和增压器中。,.3.3 离心式压气机,5扩压器 扩压器的作用是将流出叶轮的空气动能转换成静压力。工作条件很差、边界层从壁面分离，严重时，气体仍保留着很高的流速而达不到提高静压的目的。扩压器有无叶扩压器和叶片扩压器两种。无叶扩压器是工作轮外缘与叶片扩压器之间的径向环形空间。叶片扩压器由一困叶片组成若干个径向的扩张通道，其扩张角是逐渐增加的。叶片扩压器一般与无叶扩压器组合使用。,.3.3 离心式压气机,扩压器无叶扩压器叶片扩压器,.3.3 离心式压气机,集气管（蜗壳）,对于航空发动机来说，集气管的形状常为多支弯管，每只弯管连接部分弧段上的叶片扩压通道；而对涡轮增压器来说，集气管常呈蜗牛完形，所以又称蜗壳。根据活塞发动机的需要，蜗壳有单个或多个出口。绢壳截面形状一般有圆形、梯形、梨形及矩形多种。为了减少蜗壳内的流动损失，常采用图421表示的几种截面形状。,
