燃气轮机原理(1)

1、TMI燃气轮机原理与性能燃气轮机原理与性能臧臧 述述 升升Tel: 34206103 Tel: 34206103 E-Mail: E-Mail: TMI第一章第一章概论概论1-1 燃气轮机简介燃气轮机简介 1-2燃气轮机的发展燃气轮机的发展1-3燃气轮机的应用燃气轮机的应用1-4 燃气轮机的未来燃气轮机的未来 1-5 燃气轮机的分类燃气轮机的分类1-6 燃气轮机涉及的主要学科燃气轮机涉及的主要学科1-7 燃气轮机的设计过程燃气轮机的设计过程第二章第二章燃气轮机循环理论燃气轮机循环理论2-1 燃气轮机循环主要性能指标燃气轮机循环主要性能指标2-2 理想燃气轮机循环理想燃气轮机循环2-3 实际燃气

2、轮机循环实际燃气轮机循环2-4 复合燃气轮机循环复合燃气轮机循环第三章第三章燃气轮机热力计算燃气轮机热力计算3-1 热力计算的目的热力计算的目的3-2 燃烧室计算方法燃烧室计算方法3-3 热力计算的步骤热力计算的步骤3-4 热力计算的举例热力计算的举例第四章第四章相似理论相似理论4-1 相似准则相似准则4-2 相似参数与换算参数相似参数与换算参数课程内容课程内容TMI第五章第五章燃气轮机部件特性燃气轮机部件特性5-1 轴流压气机特性轴流压气机特性 5-2 透平特性透平特性5-3 燃烧室特性燃烧室特性5-4 径向压气机、向心涡轮特性径向压气机、向心涡轮特性第六章第六章燃气轮机变工况性能计算燃气轮

3、机变工况性能计算 6-1 燃气轮机部件特性的处理燃气轮机部件特性的处理6-2 燃气轮机部件间的匹配燃气轮机部件间的匹配6-3 变工况性能计算方法变工况性能计算方法第七章第七章燃气轮机过渡工况燃气轮机过渡工况7-1 燃气轮机起动过程燃气轮机起动过程7-2 燃气轮机加速过程燃气轮机加速过程7-3 燃气轮机减速过程燃气轮机减速过程 7-4 燃气轮机加减速过程参数控制燃气轮机加减速过程参数控制第八章第八章燃气轮机性能仿真燃气轮机性能仿真8-1 仿真方法仿真方法 8-2 计算实例计算实例TMI教学参考书1、燃气轮机装置、燃气轮机装置 沈炳正沈炳正 机械工业出版社机械工业出版社2、燃气轮机原理与性能、燃气

4、轮机原理与性能 翁史烈翁史烈 上海交通大学出版社上海交通大学出版社3、燃气轮机工作原理及性能、燃气轮机工作原理及性能 朱行健朱行健 王雪瑜王雪瑜 科学出版社科学出版社4、燃气轮机循环理论、燃气轮机循环理论 佐滕豪佐滕豪 5、 Gas Turbine Theory H. Cohen, G. F. Rogers, H. I. H. Saravanamuttoo参考书目参考书目TMI第一章 概论1.1 燃气轮机的组成及工作原理Simple gas turbine system C- compresserT- TurbineB Combustion chamber TMITMITMI1-2 1-2 燃

5、气轮机的发展燃气轮机的发展n公元前公元前150150年年 埃及哲学家埃及哲学家HeroHero发明发明了一个玩具汽转球了一个玩具汽转球 (Aeolipile(Aeolipile）n1629 - Giovanni BrancaGiovanni Branca利用蒸汽利用蒸汽驱动涡轮旋转磨粉机驱动涡轮旋转磨粉机n1687 Isaac NewtonIsaac Newton 蒸汽货车蒸汽货车TMIn1791 John Barber第一个利用现代燃气轮机的热力学原理申请的设计专利n1872 - Dr. F. Stolze (1836-1910)设计了真正的第一台燃气轮机，具有多级涡轮和单级的压气机，但并没

6、有靠自身动力转动起来n1914 - Charles Curtis 档案记载的应用燃气轮机第一人n (1864-1949) Aegidius Elling 1882 开始设计GT；1884获得专利；11马力，六级离心式压气机，可变叶片扩压器，级间喷水；带有回热器；蒸汽与燃气混合进入喷嘴；一级向心透平；回热透平 ；T3=500C；44马力；具有了4轴的想法;TMI 1930 Frank Whittle 1930 Frank Whittle 19301930年申请了第一个用于喷气推年申请了第一个用于喷气推进的燃气轮机专利进的燃气轮机专利19411941年第一台安装在飞机上的燃年第一台安装在飞机上的燃

7、气轮机诞生（速度气轮机诞生（速度370MPH370MPH，10001000磅推力）磅推力） 19391939Hans von Ohain and Max HahnHans von Ohain and Max Hahn 第一架喷气式飞机（第一架喷气式飞机（HE-178HE-178）11001100磅推力，磅推力，400MPH400MPH速度；采用离心压气机，后改用轴速度；采用离心压气机，后改用轴流压气机流压气机TMI发电设备功率：50 MW效率： 40%功率/重量、功率/体积最高的动力形式-燃气轮机发电设备发电设备功率：功率：5 5万千瓦万千瓦效率：效率： 40%40%功率功率/ /重量、功重量

8、、功率率/ /体积最高的体积最高的动力形式动力形式- -燃气轮机燃气轮机TMI占地面积小；高效、环保；21世纪最具竞争力的发电方式；占地面积小；占地面积小；高效、环保；高效、环保；2121世纪最具世纪最具竞争力的发电竞争力的发电方式；方式；TMI海军舰船海军舰船TMI机车车辆机车车辆英国英国9898年研制年研制40004000马力机车马力机车英国英国98年研制年研制4000马力机车马力机车TMI050001000015000200002500030000非洲和中东中南美洲东西欧远东和太平洋北美中国台湾系列119991999年年1 1月月-2000-2000年年6 6月世界燃气轮机装机容量月世界

9、燃气轮机装机容量TMI 燃气轮机的未来燃气轮机的未来-燃气轮机燃气轮机+ +热交换技术（换热器）热交换技术（换热器）TMI涡轮入口温度的提高TMI简单循环：单轴、分轴、双轴、多轴燃气轮机 单轴：负荷固定、转速固定；发电用；压气机固有的转动惯量，有利于防止在甩负荷时产生飞车；加入热交换器可以使整机热效率提高，但这要损失10%功率。 分轴：起动机仅满足燃气发生器即可；甩负荷时会带来涡轮的飞车，所以控制系统要有保证。 多轴：如果不采用热交换器而获得高的热效率，就要有高压缩比。虽然多级离心式压气机具有高的压比，但其效率要比轴流式的低，所以通常都是采用轴流式压气机。而当压气机在低转速时，由于压气机后几级

10、由于出口面积减小，空气密度降低，气体轴向速度加大，叶片会出现阻塞。这种不稳定区的出现，会发生在燃气轮机起动或低负荷情况。 所以只在一台压气机上取得8以上的压比是很困难的。但只要采取将一台分为两台或更多台时，就可以克服上述困难。 在有些特殊的发动机上，由于流量小，多采用离心式；而轴流式则会由于流量小使其叶片过短，难以保证其效率。开式循环：1-4 燃气轮机的分类燃气轮机的分类TMI多轴燃气轮机转子多轴燃气轮机转子 TMI 最初双轴燃气轮机压比在最初双轴燃气轮机压比在1010：1 1，而它适合于，而它适合于3030：1 1这样的比值。这样的比值。 多轴的另一种形式：如果有几级导叶是可调的，那么就可在

11、高压比多轴的另一种形式：如果有几级导叶是可调的，那么就可在高压比下采用一台压气机。下采用一台压气机。GEGE已在一台压气机上实现了已在一台压气机上实现了1515：1 1。 在给定压比下，压缩功只与入口空气温度有关。在给定压比下，压缩功只与入口空气温度有关。- - 进气进行冷却。进气进行冷却。在许多情况下，机组的尺寸和重量要比热效率重要。在许多情况下，机组的尺寸和重量要比热效率重要。 优点：可以在整个循环中采用较高的压比优点：可以在整个循环中采用较高的压比-高的气体密度，这可以在给高的气体密度，这可以在给定输出功率下减小机组尺寸；可以使发电功率只随闭路中的压力变化。定输出功率下减小机组尺寸；可以

12、使发电功率只随闭路中的压力变化。这种控制形式意味着在整个负荷范围内，最高循环温度不会改变，因此，这种控制形式意味着在整个负荷范围内，最高循环温度不会改变，因此，总体效率少有变化。总体效率少有变化。 缺点：需要外部加热系统；这样加热器表面温度给主循环最高温度缺点：需要外部加热系统；这样加热器表面温度给主循环最高温度设定了上限。设定了上限。复杂循环：复杂循环：闭式循环：闭式循环：TMI轻型结构15KG/PS轻型结构： 航空机和航空改型舰用燃气轮机，工业轻型（重载轻型）重型结构：工业燃气轮机金属耐热极限-1100 ；涡轮进气温度：1460 采用空气冷却叶片；- 冷却技术耐高温材料（单晶铸造，定向凝固

13、等技术）寿命：工业轻型 2-10 万小时；燃气轮机装置的优势：1、装置轻小；投资仅为蒸汽动力厂的20-80%以下；重量和所占空间只 有蒸汽轮机或内燃机的几分之一或几百分之一；技术周 期短；现代燃气轮机的结构特点燃气轮机简图：单位功率重量：TMI2、燃料适应性强，公害少-最理想的清洁能源转换装置3、节省厂用水、电、润滑油；4、启动快、自动化程度高；5、维修快，运行可靠TMIn流体力学（气体动力学）流体力学（气体动力学）n热力学与传热热力学与传热n自动控制自动控制n材料与强度材料与强度1-5 燃气轮机涉及的主要学科燃气轮机涉及的主要学科TMI市场调研市场调研技术规格书技术规格书用户需求用户需求循环

14、方式选择研究循环方式选择研究设计点的确定设计点的确定气动模气动模型修改型修改功率提高功率提高与改型与改型部件试验部件试验设计修改设计修改压气机、涡轮、进、压气机、涡轮、进、排气等气动设计排气等气动设计轮盘、叶片、壳体轮盘、叶片、壳体等结构强度设计等结构强度设计工艺设计及制造工艺设计及制造试验及研究试验及研究产品产品变工况性能变工况性能强度修改强度修改控制系统设计控制系统设计售后服务售后服务燃气轮机设计流程TMI美国能源部21世纪先进燃气轮机系统研究（AGTSR）计划n高温和耐腐蚀材料科学n燃烧现象的深入了解n天然气或其他燃料燃烧时的污染物形成和减少n新型热力循环的基础理论n1992年-2003

15、年向大学设立了74个项目，投资约$35,485,299. TMI思考题思考题n1-1 为什么说燃气轮机在未来的发电设备中具有竞争力的动力形式？为什么说燃气轮机在未来的发电设备中具有竞争力的动力形式？n1-2 燃气轮机发展中的关键技术有哪些？燃气轮机发展中的关键技术有哪些？n1-3 为什么说燃气轮机未来的发展离不开热交换器的发展？为什么说燃气轮机未来的发展离不开热交换器的发展？n1-4 先进燃气轮机的标志性的参数是什么？为什么？先进燃气轮机的标志性的参数是什么？为什么？TMI第二章 燃气轮机循环理论 决定燃气轮机前途的因素:装置的热效率装置的尺寸,重量对燃料的适应性影响燃气轮机性能的两个因素:部

16、件效率和涡轮初温; 1904年两个法国工程师Armengaud和Lemale,建造了一台燃气轮机,部件效率60%,涡轮初温740K。 (只够自己运转) 整机的效率还和压比有关; 燃气轮机的发展和空气动力学的发展相关：压比35,部件效率85-90,初温1650K.(86年的目标)TMI2-1 燃气轮机循环主要性能指标1.比功 w：描述燃气轮机循环作功性能的好坏的指标。单位质量工质下所做的功。为什么不用功率作为描述循环性能的指标？2. 热效率t和耗油率sfc (specific fuel consumption) 耗油率：dWwdmtuwfH30003600faqfsfcwqw3600tusfcH

17、TMI2-2 理想燃气轮机循环分析假设条件：假设条件： 压缩和膨胀过程是可逆的、绝热的即等熵的。压缩和膨胀过程是可逆的、绝热的即等熵的。 忽略部件进出口工质的动能变化；忽略部件进出口工质的动能变化； 在进气管道、燃烧室、热交换器、间冷器、排气管和连接部件的管道均在进气管道、燃烧室、热交换器、间冷器、排气管和连接部件的管道均不考虑压力损失；不考虑压力损失； 工质在整个中具有同样的组分，并且是比热不变的完全气体；工质在整个中具有同样的组分，并且是比热不变的完全气体； 气体质量流量在整个循环中不变；气体质量流量在整个循环中不变； 在热交换器中充分换热；在热交换器中充分换热；理想简单燃气轮机循环理想简

18、单燃气轮机循环 此种循环的极限是什么？此种循环的极限是什么？此种循环的热效率 (1)/34111111/tkkTT TMI12 31TSvp22 32 3 344卡诺循环；卡诺循环；1-2等熵加热；等熵加热；2-3 等温膨胀；等温膨胀；3-4等熵放热；等熵放热；4-3等温压缩等温压缩Ericsson Cycle斯特林循环斯特林循环布雷顿（布雷顿（Brayton cycle) 几种典型的热力循环比较几种典型的热力循环比较四个循环表明了布雷顿循环的改四个循环表明了布雷顿循环的改进方向进方向向向Ericsson Cycle靠靠近近 TMIThe cycle efficiency isMaking u

19、se of the isentropic p-T relation,And pressure ratio Then shown The efficiency thus depends only on the pressure ratio and nature of the gas.2134/pppp(1)/2134/kkTTTT34232()()()pppc TTc TTc TT(1)/11 ()kk 1.44(166k空气）； = . (燃气）Specific work output W, 3421(1)/(1)/()()1(1)(1)ppkkkkpWc TTc TTWc TTMI/(1)m

20、ax/2(1)(1)/kkkkkkoptopt2max1(1)pwc T24TT此时输出功为最大。此时输出功为最大。理想燃气轮机循环其最大效率是随压比的增加而理想燃气轮机循环其最大效率是随压比的增加而上升。上升。TMI复杂循环复杂循环回热循环回热循环T2T1T3T4T6T5(1)/1kk TS342135()()()pppc TTc TTc TTWith ideal heat-exchange 54TT2040608053124108612Specific work output is unchanged by the addition of a heat-exchangerTMI2-3 实际

21、燃气轮机循环实际燃气轮机循环1. 实际燃气轮机与理想燃气轮机循环的差别？实际燃气轮机与理想燃气轮机循环的差别？ 2. 如何考虑实际的燃气热力性质如何考虑实际的燃气热力性质 ？3.实际燃气轮机循环性能？实际燃气轮机循环性能？ 温比、压比对性能的影响？温比、压比对性能的影响？ 一、压气机效率、涡轮效率一、压气机效率、涡轮效率 用滞止等熵效率来衡量实际过程和等熵过程的差距。用滞止等熵效率来衡量实际过程和等熵过程的差距。scsccccwTwT问题：问题：TMI1343341()/1 ()kttktststwTTTTwTpp/etctstsccwwwww实际的装置比功实际的装置比功燃气轮机的燃气轮机的

22、: 增加的百分数是增加的百分数是 增加的百分数增加的百分数的的 倍。有用功系数倍。有用功系数 小者小者 ， 对对 及及 的影的影响大，即装置对响大，即装置对 的变化愈敏感。的变化愈敏感。 tw1twtccTMI二、压力损失二、压力损失 p实际过程中，工质在燃烧室、回热器、间冷器、空气实际过程中，工质在燃烧室、回热器、间冷器、空气滤清器、消音器系统中流动必然产生流阻损失，表现滤清器、消音器系统中流动必然产生流阻损失，表现为工质的滞止压力的损失。为工质的滞止压力的损失。燃烧室的压损率燃烧室的压损率 23322211BBBppppppp 进气道的压损率进气道的压损率 00110000011ppppp

23、pp 排气道的压损率排气道的压损率545554441Bppppppp TMI涡轮膨胀比涡轮膨胀比33500120540124550055(1) (1)(1)(1)tBBpppppppppppppppp 为滞止压恢复系数为滞止压恢复系数（三）（三） 空气、燃气流量的变化空气、燃气流量的变化 ,fG G(1)gfGGGGGGfGTMI燃料与空气比约为燃料与空气比约为1/40 - 1/120,1/40 - 1/120,相对较小；相对较小；气封漏气和抽气冷却空气也使流量改变；气封漏气和抽气冷却空气也使流量改变；计算中：以空气流量为基准。抽气或漏气计算中：以空气流量为基准。抽气或漏气5%5%，会使功，会

24、使功率下降率下降101020%20%；效率下降；效率下降0.02-0.060.02-0.06。（四）燃烧室效率（四）燃烧室效率321)(298)(298)(298)Bpgppffuf cTc TfcTfH工质获得的热消耗燃料的低热值（TMI（五）燃气性质（五）燃气性质 定比热：比热为常量定比热：比热为常量 ；（平均比热）；（平均比热） ；用于简单循环；用于简单循环计算；计算； 变比热变比热: 比热比热是温度、是温度、 燃料空气比的函数。实际计燃料空气比的函数。实际计算使用；算使用； 使用方式：查图表；数学表达式（程序）；使用方式：查图表；数学表达式（程序）；,pck( ,)pcT fTMITM

25、I（六）回热度、间冷度（六）回热度、间冷度n 回热度回热度 n 间冷度间冷度 2222244242()()p aaagp aGcTTTTG cTTTT2121mmimwTTTT0.9 1.0i0.5 0.85TMI（七）机械效率（七）机械效率(1)ccnttmmwwGwfwwG9799%m（八）（八） 实际燃气轮机循环性能实际燃气轮机循环性能（a a）压比的影响）压比的影响简单循环的效率理论上随压比的提高而增加。但实际的简简单循环的效率理论上随压比的提高而增加。但实际的简单循环不同。对应最大比功和最大效率都有一个不同值的单循环不同。对应最大比功和最大效率都有一个不同值的压比。压比。maxmax

26、w回热循环可以使两个压比值接近；TMI（b） 温比的影响 每增加100，比功 约增加20-40%； 效率 增高0.02-0.05；实际大气温度的影响：降低 比提高 对燃气轮机性能的影响要大几倍。 3Tw3T1T由于工质变化和各种损失（热损失、化学损失、机械损失、流动由于工质变化和各种损失（热损失、化学损失、机械损失、流动损失）损失） 造成了理想燃气轮机循环与实际燃气轮机循环的差别造成了理想燃气轮机循环与实际燃气轮机循环的差别 。 TMI实际燃气轮机循环设计点计算（1）求带有回热的实际燃气轮机的输出比功、燃料消耗率、循环效率。已知：压比4.0 ；涡轮入口温度1100K；压气机绝热效率0.85；涡

27、轮绝热效率0.87；机械效率0.99；燃烧效率0.98；换热器效率0.80；压力损失-燃烧室， 2% 压气机出口压力；换热器空气侧 3% 压气机出口压力；换热器空气侧 0.04 bar大气条件 1bar,288Kbphaphgp,aap TTMI解： 由于和 01aTT01,1.4app压气机耗功产生的温升为：用于驱动压气机每单位质量流量所需的涡轮功为：(1)/02021/3.5()128841164.70.85kkaacaTpTTpK02()1.005 164.7167.2/0.99paatcmcTTWkJkg03020202(1)4.0(10.020.03)3.8bhappppbarppT

28、MI041.04ahgpppbar因此，因此，03043.654pp由于对于排气由于对于排气 1.333k 总的涡轮做功所产生的温升总的涡轮做功所产生的温升(1)/03040303041/411 ()/10.87 1100 1 ()264.83.654kktTTTppK单位工质所作的总涡轮功单位工质所作的总涡轮功0304()1.148 264.8304.0/tpgWcTTkJ kgTMI注意：涡轮的输出比功为注意：涡轮的输出比功为 如果对于如果对于1000kW,需要7.3 kg/s 为了确定燃/空比f，我们必须确定燃烧室的温升 热交换器效率=0.80=304 167.2136.8/ttcWWk

29、J kg0305TT05020402TTTT050.80 382.5452.7758.7T02164.7288452.7,TK041100264.8835.2,TKTMI对于入口温度为对于入口温度为759K759K的燃烧室和燃烧温升为（的燃烧室和燃烧温升为（1100-1100-759) = 341K;759) = 341K;理论上的燃料理论上的燃料/ /空气比为空气比为0.00940.0094，这样，这样0.00940.00960.98bff理论上因此，油耗率因此，油耗率SFC SFC = 3600 0.00940.253/136.8ttcfkg kWWW最后，循环效率最后，循环效率,360036000.3310.253 43100net pSFCQTMI已知：已知： 压比压比12.0 12.0 ；涡轮入口温度；涡轮入口温度1350K1350K；压气机绝热