燃气轮机燃气透平教学课件PT.ppt

第四章燃气透平 概述 功能 分类 基本结构等 轴流式燃气透平的工作原理 透平级中的能量损失 效率和速度比 多级透平 透平特性 燃气透平的冷却 六 透平级的热力过程i s图 o o c02 2 p0 p0 p1 p1 1s 1 h1 h1s c1s2 2 1 p2 p2 2s 2s 2 h 2s h2s 2s 2 c22 2 2 余速损失 hc2 h2 理想焓降hs hu实际焓降 i s 整个涡轮级0 1喷嘴1 2叶轮 h hi内功 4 3透平级中的能量损失 效率和速度比 一 透平级的能量损失 1 喷嘴损失 h1 2 动叶栅损失 h2 3 余速损失 hc24 内损失 h 发生在透平通流部分的内部 直接影响燃气参数 功率和流量变化 轮周损失 最大 约占总作功量的10 h2 h1 hc2 静叶能量损失系数 动叶能量损失系数 余速动能损失系数 1 气流流经透平叶栅时产生的损失 型阻损失和端部损失 包括二次流损失 两大类 一 型阻损失主要由五种现象造成的 1 叶栅附面层中产生的摩擦损失 2 叶栅附面层中产生的气流分离损失 3 在叶片出口尾迹中产生的涡流损失和掺混损失 4 在气流中可能发生的激波现象引起的能量损失 5 在有叶片冷却时引起的冷却气流对附面层和主流的干扰损失 气流流经透平叶栅时产生的损失 二 端部损失在叶片的两端 气流与气缸内壁以及工作转子的表面相接触 这样不可避免地也会形成附在这些表面上的气流附面层 从而产生摩擦阻力损失和涡流损失 这种损失是端部损失的一个部分 此外 在叶片端部还会产生一种二次流损失 它是由于气流流过弯曲的叶间流道时 因为离心力的作用所引起的 2 内损失的内容 径向间隙的漏气损失 h 减少了工质在动叶中的做功量 反动度高 泄漏增加 还受叶尖几何特性影响等 减少径向间隙 采用带冠叶片 加气封片 轮盘摩擦损失 hdf也称风阻损失 叶轮两侧表面在充满气体的空间里高速旋转时 会产生表面摩擦 且由于旋转轮盘与静止气缸间流体的循环而产生的 再者 冷却气体是沿着转子轮盘表面从发动机中心线附近朝外流向叶片的根部 也会产生摩擦 u不变 增加转度 直径d减少 从而减少该损失 二 轮周效率 内效率 1 轮周效率 轮周功 实际焓降hu 和理论功 理想焓降 之比 静参数 滞止参数 单级或末级考虑余速损失 中间级 余速得到利用 循环计算中 o o c02 2 p0 p0 p1 p1 1s 1 h1 h1s c1s2 2 1 p2 p2 2s 2s 2 h 2s h2s 2s 2 c22 2 2 余速损失 hc2 h2 理想焓降hs hu实际焓降 i s 整个涡轮级0 1喷嘴1 2叶轮 h hi有效焓降 式中qn 静叶环中排去的热量 qb 动叶环中排去的热量 2 内效率 级效率 内功hi和理论功 理想焓降 之比 i表示实际涡轮级在能量转换过程中 扣除了可能存在的各种损失后得到的 衡量燃气轮机热经济性的一个重要指标 其大小 不仅与所选用的叶片形状 反动度 速度比有关 而且还与级的结构特点有关 漏气损失系数 h hs 摩擦损失系数 df hdf hs p131改错 p131改错 透平的有效效率 如果再考虑轴承等机械损失 hm等 那么 三 最佳速度比 u 轮周损失 余速损失的大小 不仅与叶栅的气流角度有关 而且与速度比u c1有密切关系 一般透平基元级的速度三角形 2 1 2 1 w1 w2 c1 c2 u1 u2 叶栅额线 c1u c2u c2u很小 接近轴向出气 90 c2z c1z 由速度三角形知 把c2设计成轴向方向 2 90 那么余速损失就能减小到最低程度 此时速度比最佳 1 冲动式透平级 t 0 2 1 2 1 w1 w2 c1 c2 u u 理想情况 c2z c1zu1 u2 uw1 w2 轴对称 轴向出气 t 0 2 反动式透平级 t 0 5 2 1 2 1 w1 w2 c1 c2 u u 假设 c2z c1zu1 u2 u c2 w1w2 c1 进出口速度 关于轴对称 t 0 5 任意反动度 t下 最佳速度比 达到最佳速度比时 透平级效率比较 当u和 1相同时 反动式透平级中c1和w1要小很多 型阻损失和端部损失都较小 效率较高 透平级做功量比较 冲动式lu 2u2 级数较少 反动式lu u2 级数较多 级的反动度范围 平均叶高处 0 0 5 t 0 t 0 5 作业 p159124 4 4多级透平 在实际的透平设计中 当机组的总焓降较大时 总是把总焓降分成几段 每一段焓降在一个级中加以利用 几个级沿着燃气的流动方向串联在一起 就构成了一个多级透平 压比在6以下单级足够 可保证 在较小的动叶圆周速度下 达到最佳速度比 从而获得满意的轮周效率 另一方面 当级中的焓降不大时 若给定透平的转速 就可采用较小的叶轮直径 若给定叶轮的平均直径 就可采用较低的转速 4 4多级透平 大多数功率较大的透平都是多级的 效率较高 但结构较复杂 叶轮叶片数目较多 2 5级 透平分为 多级冲动透平 速度级 多级反动透平 压力级 叶片较短者多采用冲动级 多级冲动透平 整个透平的等熵焓降均在喷嘴中被转换成气体的动能 在工作动叶栅中仅发生绝对速度降低 将动能转化为机械功 喷嘴中 h1s hs多级速度级透平的最高效率比单级冲动式透平的要低得多 原因 气流速度高且流动阻力增加 双列速度级或复速级一级内装有两列动叶栅 叶轮 反动式透平 压力级 由一系列反动式透平级串联组成 每一级都有压力降 透平中压力逐级降低 气流绝对速度在每一级喷嘴中得到提高 而在每一级工作叶栅中得到利用 余速损失较少 效率比单级的高 应用较多 三级反动透平简图 a 静叶b 冲动式动叶c 反动式动叶 1 2 1 2 1 0 一 多级轴流式透平的通流部分型式 在轴流式涡轮中 随着气流压力沿流程逐级下降 气流密度也逐级减小 根据连续性方程qt a cz可知 这将导致气流轴向分速cz增加 或者通流面积a增加 一般同时采用逐级增加轴向分速和叶片高度的办法 多级轴流式透平的通流部分逐级渐扩 三种型式 dt const dm const 等外径 等内径 等平均直径 dh const 1 等外径的通流部分 结构 外径dt相同内径dh和平均直径dm则沿流程逐级降低 优点 涡轮的径向尺寸较小 机壳的加工制造方便 缺点 内径较小 叶片较长 叶片扭曲较剧烈 特别是体积流量很大时 叶片更长 受材料强度限制 应用 用于航空和舰船燃气轮机 2 等内径的通流部分 结构 内径dh相同外径dt和平均直径dm则沿流程逐级增加 优点 叶片高度较小 则叶片扭曲不甚剧烈 工作叶轮加工方便 缺点 涡轮的径向尺寸变化剧烈 特别是体积流量变化很大时 易引起气流脱离 流阻增加 因外径dt逐级增加 机壳加工较繁 应用 地面固定式燃气轮机 3 等平均直径的通流部分 结构 平均直径dm相同外径dt逐级增加 内径dh逐级减小 优缺点 介入以上二者之间叶片扭曲不甚剧烈 涡轮的径向尺寸变化不太剧烈 应用 涡轮通流部分的扩张角不大 广泛应用 一般建议采用内 外壁面型线光滑 连续的子午剖面通道 外壳壁面倾角一般不宜超过20 25 内壳壁面 则应小于15 左右 绝对值 某一级的内外壁总扩张角最好限制在30 35 以内 相邻叶栅内壁倾角之间或外壁倾角之间的差别不宜大于8 12 a 等内径b 等外径c 等中径 二 焓降分配与级数选择 实质上是一个负荷分配问题 结构布置上 透平外径通常选得与压气机外径差不多 至多大出10 20 叶片和轮盘的材料强度 透平平均直径处的圆周速度一般不高于320 350m s 根据基元级分析及试验结果 一般说来 负荷系数在1 5 2 5之间选取 流量系数的最佳数值在0 8 1 0左右 对一般亚声速级 焓降通常为80 190kj kg左右 而航空发动机跨声速透平单级焓降已达420 540kj kg左右 叶尖圆周速度达到500m s以上 三 多级透平的热重获问题 由于各级有损失的缘故 气流的熵增加了 实际过程线向右偏移了 而等压线向右是扩张的 热重获系数 z 多级透平级数 在透平中 损失的能量又部分被利用的现象 叫做热重获现象 级效率 多级透平的热效率 由于热重获 使多级透平的效率大于各级的平均效率 透平的热重获系数 注意 热重获现象回收的摩擦热仅仅是流动阻力损失的一小部分 所以流动阻力增加总是导致涡轮效率降低的 1 级数越多 前面损失被后面利用的程度大 热重获系数也大 2 级效率越低 损失越大 热重获系数也越大 3 膨胀比越大 热重获系数也越大 四 多级透平的主要性能参数 1 膨胀比2 轴功率 内功率 pt透平内比功lt 各级轴功之和 内功率 轴