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燃气轮机原理与性能精讲 第一章概论1 1燃气轮机简介1 2燃气轮机的发展1 3燃气轮机的应用1 4燃气轮机的未来1 5燃气轮机的分类1 6燃气轮机涉及的主要学科1 7燃气轮机的设计过程第二章燃气轮机循环理论2 1燃气轮机循环主要性能指标2 2理想燃气轮机循环2 3实际燃气轮机循环2 4复合燃气轮机循环第三章燃气轮机热力计算3 1热力计算的目的3 2燃烧室计算方法3 3热力计算的步骤3 4热力计算的举例第四章相似理论4 1相似准则4 2相似参数与换算参数 课程内容 第五章燃气轮机部件特性5 1轴流压气机特性5 2透平特性5 3燃烧室特性5 4径向压气机 向心涡轮特性第六章燃气轮机变工况性能计算6 1燃气轮机部件特性的处理6 2燃气轮机部件间的匹配6 3变工况性能计算方法第七章燃气轮机过渡工况7 1燃气轮机起动过程7 2燃气轮机加速过程7 3燃气轮机减速过程7 4燃气轮机加减速过程参数控制第八章燃气轮机性能仿真8 1仿真方法8 2计算实例 教学参考书 1 燃气轮机装置沈炳正机械工业出版社2 燃气轮机原理与性能翁史烈上海交通大学出版社3 燃气轮机工作原理及性能朱行健王雪瑜科学出版社4 燃气轮机循环理论佐滕豪5 GasTurbineTheoryH Cohen G F Rogers H I H Saravanamuttoo 参考书目 第一章概论 1 1燃气轮机的组成及工作原理 Simplegasturbinesystem C compresserT TurbineB Combustionchamber 1 2燃气轮机的发展 公元前150年埃及哲学家Hero发明了一个玩具 汽转球 Aeolipile 1629 GiovanniBranca利用蒸汽驱动涡轮旋转磨粉机1687IsaacNewton 蒸汽货车 1791JohnBarber第一个利用现代燃气轮机的热力学原理申请的设计专利1872 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 但并没有靠自身动力转动起来1914 CharlesCurtis档案记载的应用燃气轮机第一人 1864 1949 AegidiusElling1882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 1930FrankWhittle1930年申请了第一个用于喷气推进的燃气轮机专利1941年第一台安装在飞机上的燃气轮机诞生 速度 370MPH 1000磅推力 1939 HansvonOhainandMaxHahn第一架喷气式飞机 HE 178 1100磅推力 400MPH速度 采用离心压气机 后改用轴流压气机 10 发电设备功率 50MW效率 40 功率 重量 功率 体积最高的动力形式 燃气轮机 发电设备功率 5万千瓦效率 40 功率 重量 功率 体积最高的动力形式 燃气轮机 11 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 高效 环保 21世纪最具竞争力的发电方式 12 海军舰船 13 机车车辆 英国98年研制4000马力机车 英国98年研制4000马力机车 14 1999年1月 2000年6月世界燃气轮机装机容量 15 燃气轮机的未来 燃气轮机 热交换技术 换热器 16 涡轮入口温度的提高 17 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 多轴燃气轮机转子 19 最初双轴燃气轮机压比在10 1 而它适合于30 1这样的比值 多轴的另一种形式 如果有几级导叶是可调的 那么就可在高压比下采用一台压气机 GE已在一台压气机上实现了15 1 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 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 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 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 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 复杂循环 闭式循环 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 21 2 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 流体力学 气体动力学 热力学与传热自动控制材料与强度 1 5燃气轮机涉及的主要学科 市场调研 技术规格书 用户需求 循环方式选择研究 设计点的确定 气动模型修改 功率提高与改型 部件试验 设计修改 压气机 涡轮 进 排气等气动设计 轮盘 叶片 壳体等结构强度设计 工艺设计及制造 试验及研究 产品 变工况性能 强度修改 控制系统设计 售后服务 燃气轮机设计流程 24 美国能源部21世纪先进燃气轮机系统研究 AGTSR 计划 高温和耐腐蚀材料科学燃烧现象的深入了解天然气或其他燃料燃烧时的污染物形成和减少新型热力循环的基础理论1992年 2003年向大学设立了74个项目 投资约 35 485 299 思考题 1 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 1 2燃气轮机发展中的关键技术有哪些 1 3为什么说燃气轮机未来的发展离不开热交换器的发展 1 4先进燃气轮机的标志性的参数是什么 为什么 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 2 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 specificfuelconsumption 耗油率 2 2理想燃气轮机循环分析 假设条件 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 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 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 在热交换器中充分换热 理想简单燃气轮机循环此种循环的极限是什么 此种循环的热效率 1 2 3 1 T S v p 2 2 3 2 3 3 4 4 卡诺循环 1 2等熵加热 2 3等温膨胀 3 4等熵放热 4 3等温压缩EricssonCycle斯特林循环布雷顿 Braytoncycle 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进方向 向EricssonCycle靠近 ThecycleefficiencyisMakinguseoftheisentropicp Trelation AndpressureratioThenshownTheefficiencythusdependsonlyonthepressureratioandnatureofthegas SpecificworkoutputW 31 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上升 复杂循环 回热循环 T2 T1 T3 T4 T6 T5 Withidealheat exchange Specificworkoutputisunchangedbytheadditionofaheat exchanger 33 2 3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 2 如何考虑实际的燃气热力性质 3 实际燃气轮机循环性能 温比 压比对性能的影响 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 问题 34 实际的装置比功 燃气轮机的 增加的百分数是增加的百分数的倍 有用功系数小者 对及的影响大 即装置对的变化愈敏感 35 二 压力损失 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 表现为工质的滞止压力的损失 燃烧室的压损率 进气道的压损率 排气道的压损率 36 涡轮膨胀比 为滞止压恢复系数 三 空气 燃气流量的变化 37 燃料与空气比约为1 40 1 120 相对较小 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5 会使功率下降10 20 效率下降0 02 0 06 四 燃烧室效率 38 五 燃气性质定比热 比热为常量 平均比热 用于简单循环计算 变比热 比热是温度 燃料空气比的函数 实际计算使用 使用方式 查图表 数学表达式 程序 39 六 回热度 间冷度回热度间冷度 七 机械效率 八 实际燃气轮机循环性能 a 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 回热循环可以使两个压比值接近 42 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 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 造成了理想燃气轮机循环与实际燃气轮机循环的差别 43 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 04bar大气条件1bar 288K 44 解 由于和 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 45 因此 由于对于排气 总的涡轮做功所产生的温升 单位工质所作的总涡轮功 46 注意 涡轮的输出比功为如果对于1000kW 需要7 3kg 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 47 对于入口温度为759K的燃烧室和燃烧温升为 1100 759 341K 理论上的燃料 空气比为0 0094 这样 因此 油耗率SFC 最后 循环效率 48 已知 压比12 0 涡轮入口温度1350K 压气机绝热效率0 86 涡轮绝热效率0 89 机械效率0 99 燃烧效率0 99 换热器效率0 80 压力损失 燃烧室压力损失6 压气机出口压力 排气压力损失0 03bar大气条件1bar 288K求 带自由涡轮的燃气轮机输出比功 耗油率 循环效率 49 2 4燃气轮机联合循环 combinedcyclesplantCHP 1 燃气 蒸汽联合循环的基本方案余热锅炉型联合循环 增压燃烧锅炉型联合循环 加热锅炉给水型联合循环cogeneratio