燃气轮机及其热力循环 PPT课件

燃气轮机与发动机涡轮增压与配合技术主讲 王兆文成晓北 1 课程教学大纲一 课程编号二 学时和学分32学时 2 0学分三 先修课程工程热力学 流体力学 动力机械基础 内燃机原理等四 课程教学目标本课程属于热能与动力工程专业动力机械专业方向的专业选修课程 本门课程的教学目标 旨在使学生获得燃气轮机与涡轮增压器工作原理 涡轮增压系统及增压系统设计应用技术方面的必备知识 培养学生综合所学知识进行发动机性能设计与研究的能力 五 课程内容课内讲授 32学时 2 第一章燃气轮机及其热力循环 4学时 第二章涡轮增压技术及涡轮增压器基本结构 3学时 第三章离心式压气机 3学时 第四章轴流式压气机 3学时 第五章涡轮机 2学时 第六章排气能量的利用 2学时 第七章现代涡轮增压系统 4学时 第八章柴油机与涡轮增压器的匹配 3学时 第九章涡轮增压柴油机数值模拟计算 4学时 第十章涡轮增压系统设计 2学时 3 六 参考教材 1 涡轮增压器原理及应用 朱大鑫编著 机械工业出版社 1995年第1版 2 内燃机增压 朱梅林主编 华中科技大学出版社 2002年 3 柴油机涡轮增压技术 陆家祥主编 机械工业出版社 2004年第1版 4 燃气轮机与废气涡轮增压技术 林建生 谭旭光主编 天津大学出版社 2005年第1版 4 第一章燃气轮机及其热力循环一概况燃气轮机是靠内部燃料燃烧释放出的热量直接加热空气 并通过行成的燃气将热能转换成机械功的一种热力机械 同样是内燃机 主要由叶轮式空气压缩机 燃气发生器 燃烧室 和燃气涡轮三个基本部分组成 还有燃料 润滑 冷却 启动 调节和安全等辅助系统 5 燃气轮机理论循环 燃气轮机 等压燃烧 压气机连续地从大气中吸入空气 并将其压缩 压缩后的空气进入燃烧室 与喷入的燃料混合后燃烧 成为高温燃气 高温燃气流入燃气轮机中膨胀做功 推动燃气轮机叶轮带动压气机叶轮一起旋转 并对外做功 6 各种内燃机的理论工作循环 a 活塞式内燃机的等容循环 b 活塞式内燃机的混合循环 c 燃气轮机循环 燃气轮机与活塞式内燃机理论循环的比较 燃气轮机 等压燃烧 7 陆用双轴燃气轮机1 进气道2 离心式压气机3 燃油喷嘴4 燃烧室5 第一级涡轮6 拖动涡轮7 排气管8 减速箱 二 结构与类型 1 结构离心式压气机 轴流式涡轮 8 某一舰用燃气轮机示意图 轴流式压气机 轴流式涡轮 9 航空燃气轮机1 进气道2 压气机3 燃烧室4 涡轮5 加力燃烧室6 排气道喷嘴 10 2 分类 a 绝大部分热能转变为机械能 涡桨 亚音速飞机 速度 900km h的中低速飞机 巡逻机 教练机 反潜机等 涡轴 速度 400km h的直升机 军舰 汽车 发电机组等 b 绝大部分热能转变为尾气动能 涡喷 现代航空用发动机的主流机型 涡扇 推力较大的一种涡喷燃气轮机 适合飞行速度400至1 000km h 涡扇比涡喷工质流量大 喷射速度低 推进效率高 耗油率低 推力大 11 涡桨 亚音速飞机 速度 900km h的中低速飞机 巡逻机 教练机 反潜机等 12 涡桨 亚音速飞机 速度 900km h的中低速飞机 巡逻机 教练机 反潜机等 13 涡轴 速度 400km h的直升机 汽车 发电机组等 14 涡轴 速度 400km h的直升机 汽车 发电机组等 欧洲NH 90直升机 15 涡轴发动机自升飞机内部结构 16 发电机组用燃气轮机 涡轴发动机 17 涡喷 现代航空用发动机的主流机型 18 涡喷 现代航空用发动机的主流机型 19 涡扇 推力较大的一种涡喷燃气轮机 常用做大型客机动力 20 21 活塞式内燃机与燃气轮机结构对比示意图 与活塞式内燃机结构形式的比较 22 三 两种内燃机优缺点比较及它们的复合形式功率大 重量轻 体积小是燃气轮机的优势燃气轮机气体流通率高 单位时间内可以燃烧更多的燃料 发出更大的功率 燃气轮机与活塞式内燃机热效率的比较相对而言 燃气轮机的热效率较低 主要原因 1 压缩方式不同 叶轮式压气机效率较低 压缩比低 2 能量转换方式不同 燃气轮机 热能 动能 机械能活塞式 热能 机械能 最高压力低 能量转换复杂 23 3 最高燃气温度不同 燃烧温度低 燃气轮机燃烧区最高温度2000 活塞式2500 为了可靠性 燃气轮机要用冷空气掺混 做功工质平均温度较低 1200 1350受制于叶片材料的耐热能力 4 定压燃烧过程热效率低 定压加热循环与定容加热循环的比较 等容度低 最高温度低 24 多级轴流式压气机特性曲线 压气机相对转速 压气机设计状态的转速 燃气轮机的变工况性能差无论是压气机 还是涡轮机 其叶轮结构只有在设计工况下 流动损失最小 热效率最高 在实际运行中 性能变化 而结构参数不变 使得各种流动损失增加 当燃气轮机工作工况偏离设计工况时 燃气轮机性能显著变差 25 4 两种内燃机复合形式的典型 废气涡轮增压内燃机把活塞式内燃机与燃气轮机结合 扬长补短 组合成性能更为优越的热力发动机 复合式内燃机 废气涡轮增压柴油机 相对而言 燃气轮机实际是涡轮增压柴油机的一部分而已 26 增压技术是一种提高发动机进气能力的方法 它通过采用专门的压气机 预先对进入气缸的气体进行压缩 提高进入气缸的气体密度 增大进气量 更好地满足燃料的燃烧需要 从而达到提高发动机功率密度的目的 同时 发动机燃烧温度高 燃烧压力高带来的热效率高这个优势得以保留 另外 涡轮增压 利用的工质为排出气缸的废气 使得热能进一步利用 进一步提高了工作循环的热效率 27 发动机的增压方法主要有三类 机械增压 废气涡轮增压和复合增压 废气涡轮增压早先运用于柴油车 国内轿车1998年开始在排量1 8的奥迪200上运用 以后又有奥迪 的1 8 即Turbocharged 涡轮增压 直至最新的帕萨特1 8 涡轮增压的优点是显而易见的 在不增加发动机排量的基础上 可大幅度提高功率和扭矩 其输出的最大功率大约可增加40 如1 8T车大约与2 3升排量的车动力相当 另外 发动机在采用了增压技术后 还能提高燃油经济性和降低尾气排放 28 四 燃气轮机的现状与趋势燃气轮机的现状与水平 1 机组功率和效率单机最大功率为334MW 简单循环机组的效率最高已达42 5 联合循环的效率最高已达58 2 环保性能燃气轮机污染排放相对较低 燃烧天然气时 SOx排放趋于零 采取措施后NOx CO等降至很低水平 3 可靠性 29 4 应用现状航空领域 主要有涡轮喷气 涡轮风扇 涡轮螺浆 涡轮轴发动机 其中涡轮风扇发动机推进效率高 油耗率低 应用最广泛 航机的发展领先于地面燃气轮机 它的先进技术常移植到地面燃气轮机设计中 电站发电用途 在一些工业发达国家 燃气轮机和联合循环发电之和超过了蒸汽轮机 成为电力工业的主力军 舰用燃气轮机被广泛应用 30 2 燃气轮机的发展趋势 1 进一步提高性能 提高燃气初温 采用涡轮机叶片冷却技术 研制高温材料叶片 燃气初温达到1700 的涡轮机研制工作已在进行 同时要兼顾可靠性和使用寿命 2 大力发展联合循环把燃气轮机与其他热力循环或系统联合起来 取长补短 形成新的循环与系统 燃气 蒸汽联合循环就是典型的例子 系统中能源从高品位到中低品位逐级利用 形成能源的梯级利用 大大提高了能源的利用率 31 燃气 蒸汽组合形式不同 有余热锅炉型 排气补燃型 增压燃烧型 加热锅炉给水型 锅炉并联型 3 研究发展新型热力循环目的是提高效率或达到高效率的同时降低机组造价 4 扩大应用主要是燃用天然气和液化天然气的机组 拓展商船和汽车等应用领域 32 五 燃气轮机的热力循环1 理想简单循环在燃气轮机热力循环中 常用比功 热效率指标分析比较各种循环 简单开式循环的T S图 33 理想简单循环四个工作过程的计算公式 等熵压缩1 2 等压加热2 3 等熵膨胀3 4 等压放热4 1 理想简单循环的比功 P137理想简单循环的热效率 P137 34 2 实际简单循环在燃气轮机热力循环中 常用比功 热效率指标分析比较各种循环简单循环比功图 简单循环热效率图目前 压气机和涡轮机效率的范围一般为 轴流式压气机 c 0 85 0 9 涡轮机 T 0 85 0 92 离心式压气机 c 0 75 0 85 向心式涡流机 T 0 75 0 88 35 3 回热循环燃气轮机的排温很高 一般为400 550 如能回收这一高温气体 就可提高燃气轮机效率 如果采用高温排气加热从压气机出口的空气 再次吸收部分排气能量 提高进入燃烧室的温度 可使燃烧室中加入的燃料量减少 从而提高了热效率 在燃气轮机中加装回热器R 就可实现上述工作过程 这就是回热循环 循环原理及循环T S图见P139 图6 6 36 4 间冷循环在压缩过程中间 把工质引至冷却器冷却后 再回到压气机中继续压缩以完成压缩过程 此即间冷循环 其中IC是中间冷却器 它的应用使压气机分为低压压气机LC和高压压气机HC两个部分 循环原理及循环T S图见P140 图6 9间冷循环的目的是增加机组净功 但热效率会有所降低 37 5 再热循环在膨胀过程中间 把工质引入再热燃烧室中加热后 再回到涡轮机中继续膨胀以完成膨胀过程 此即再热循环 其中B2是再热燃烧室 它使涡轮机分为高压涡轮HT和低压涡轮LT两部分 为使再热后比功增加得再多些 再热后工质的温度T 5应尽量高 循环原理及循环T S图见P141 图6 10再热循环的目的是增加机组净功 但热效率会有所降低 38 6 间冷再热循环同时具有间冷和再热循环 其热力循环图形比上述两种循环面积进一步增大 即比功增加较多 循环原理及循环T S图见P141 图6 11实际的间冷再热循环燃气轮机一般是双轴甚至是三轴的 39 7 带回热的复杂循环同时具有回热和间冷循环或再热循环 其热力循环图形比上述循环面积进一步增大 即能提高比功又能增大热效率 1 间冷回热循环 增大传热温差 2 再热回热循环 增大传热温差 3 间冷再热 增大高温端 降低低温端 最大限度的增大温差系统复杂 易出现故障 40 8 燃气轮机的燃烧组织与燃烧室结构 1 燃烧室结构类型 41 42 2 燃烧过程的特点与组织燃料在流动的空气中连续不断与空气混合