燃气轮机原理与应用复习题 缩.doc

燃气轮机原理与应用复习题 汪建兴1 同汽轮机相比，燃气轮机的特点有哪些？答：优点：（1）重量轻、体积小、投资省。（2）启动快、自动化程度高、操作方便。（3）水、电、润滑油消耗少，少用或不用水。（4）燃料适应性强、公害少（5）维修快、运行可靠缺点：A. 热效率较低。 （因受高温材料的限制）B.使用的经济性和可靠性较差。（采用比较优质的合金材料；高温元件的使用寿命又较短）2 燃气轮机涡轮叶片有哪几种冷却方式？每种冷却方式的大概降温范围？答：（1）冷却方式：气膜冷却、对流冷却和冲击冷却三种。（2）气膜、发散冷却技术降低叶片表面温度500-800，以25/年的速度提高初温3 航空用燃气轮机有哪几种类型？答：涡轮喷气式、涡轮螺桨式，涡轮风扇式、涡轮桨扇式、涡轮轴式、供气或供热式机上或机场辅机。4 什么是燃气轮机循环的压比、温比？答：（1）压比：压气机出口的气流压力与其进口的气流压力的比值。 （2）温比：涡轮前进口燃气温度与压气机进口气流温度的比值。5 什么是燃气轮机循环的比功、热效率、有用功系数？答：（1）燃气轮机的比功进入压气机内1kg空气完成一个循环后，对外界输出的有效轴功。比功w单位质量工质所做的功，kJ/kg；忽略机械损失wi = wT - wC kJ/kg机械效率为hm，则we = wi hm=（wT wC）hm kJ/kg wC 压气机的比功， kJ/kg；wT 涡轮比功， kJ/kg。 6 燃气轮机理想简单循环的比功与哪些因素有关？答：循环比功 ws = wTs-wCs= q1- q2 = qs = cpT1*t*(1- p*-m)-( p*m-1) = f( t* , p*)7 燃气轮机理想简单循环的效率与哪些因素有关？答：循环热效率 hs = ws/ q1 = qs/ q1 =1- q2 / q1 = 1- p*-m = f(p*)8 写出理想简单循环中对比功的最佳压比、极限压比的表达式。答：9 燃气轮机实际简单循环效率的主要影响因素有哪些？如何影响？答：10燃气轮机实际简单循环比功的主要影响因素有哪些？如何影响？答：11 提高燃气轮机装置热力性能的途径有哪些？答： 1）提高各部件效率hC* hT* hB，提高循环性能很有限2）减少压力损失，提高总压保持系数s3）采用较高的温比t*，并按需选择最佳压比p* 4）采用回热循环 利用排气温度预热燃烧室进口空气 5）燃气-蒸汽联合循环 利用余热，降低放热量 6）间冷循环（分级压缩中间冷却） 降低压气机压缩耗功 7）再热循环（分级膨胀中间再热） 增加涡轮膨胀功 8）复杂循环（回热间冷再热）12 燃气轮机回热循环有何特点？在T-S图上画出其热力过程。答：13 燃气轮机理想回热循环效率与温比、压比的关系如何？答：hE= 1- p*m/t* 温比越大，效率越高；压比越小，效率越高，当p=1时，效率等于卡诺循环效率，但因为工质没有做功过程，循环不存在，即没有意义。14 燃气轮机间冷循环有何特点？在T-S图上画出其热力过程。答：特点: 采用间冷循环后，可使循环比功wi增大，但压缩终了温度T2*会降低，对循环热效率不利。只有机组压比较高时，间冷循环的热效率才得益。缺点: 采用中冷器，机组尺寸重量增大，设备系统复杂，并需大量冷却水。15 燃气轮机再热循环有何特点？在T-S图上画出其热力过程。答：特点: 使循环比功wi增大燃料销量增加，循环吸热量q1增大，使循环热效率变化不大。采用再热燃烧室，使机组复杂，但比间冷循环的中冷器小得多，且不需冷却水。 16 燃气轮机燃烧室由哪些部件组成？答：外壳、火焰管、旋流器、喷油嘴、混合器1) 燃烧室外壳；2) 扩压器；3）火焰筒；4）旋流器；5）燃料雾化喷嘴；6）点火装置；7) 联焰管(分管和环管燃烧室中装有)；8) 燃气收集器(过渡段)17 燃气轮机燃烧室按布置方式分哪几种类型？各自的特点？答：（1）圆筒型：优点：结构简单，布置灵活，易与压气机和燃气透平配装，拆装方便，燃烧效率高且稳定，流动损失小，压损率较低。缺点：体积大而笨重，因难以作全尺寸实验而使设计、调试困难。（2）分管型：优点：尺寸小，便于系列化，便于解体检修，便于做全尺寸实验，燃烧过程易组织，燃烧效率高且稳定。缺点：空间利用差，流动损失大，压损率高，重量大。（3）环型：优点：体积小，重量轻，特别适合与轴流式压气机和燃气透平匹配，流动损失小，压损率低。 缺点：燃烧过程难组织，出口温度场受进口气流流场的影响大而不易做到均匀化，因难以作全尺寸实验使设计调试困难，解体检修非常困难。（4）环管型：优点： 尺寸较小；易组织燃烧；易调试。缺点： 气体流动比较复杂，扩压器设计困难；存在传焰问题，启动点火性能较差。18 火焰管及过渡段有哪几种冷却方式？答：（1）气膜冷却：是指用一层空气或蒸汽膜对被冷却的表面所进行 的冷却和保护。 （2）对流冷却：是指用空气或蒸汽，以热交换的方式对被冷却的表面所进行的冷却。 （3） 冲击冷却：是指用空气或蒸汽射流冲击被冷却的表面所形成的冷却19 火焰稳定器有什么作用？分几种类型？答：火焰稳定器是改善气流的流动结构，稳定高速气流中的火焰，使燃烧工况得到改善的装置。主要作用：在火焰管的前部造成一个特殊形态的速度场，以便强化燃料和空气的混合作用，并为燃烧火焰的稳定提供条件。分类： 旋流型、钝体型（作用：形成挡风墙并组织回流区）、差速型。20 燃料喷嘴有哪几种类型？答：离心喷嘴；气动喷嘴；蒸发喷嘴；甩油盘喷嘴；直喷式喷嘴。（详见ppt第四章62页）21 燃气轮机燃气的形成要经过哪几个主要过程？答：雾化；蒸发；扩散混合；燃烧；掺冷。 22 扩散燃烧的特点？答：火焰面处 af1 ；温度约为与 af1 所对应的理论燃烧温度；燃烧速度取决于分子扩散和湍流扩散的速度，而不取决于化学反应的速度。优点：燃烧稳定，不易熄火，不会回火。缺点：燃烧区温度高，所以NOx的生成率高。23 预混燃烧的特点？答：火焰以湍流方式传播，燃烧速度取决于化学反应进行的速度，火焰面的温度取决于燃料/空气掺混比。优点：通过控制掺混比，可使燃料温度低于理论燃烧温度，也低于或略高于热力NOx生成的起始温度(16500C)，从而可降低Nxx的生成量。缺点：因可燃气体稀薄(即燃料/空气掺混比低)，且燃烧温度低，低负荷时容易熄火，另外，还可能造成CO排放量增大。24 什么是DLN燃烧器？有何特点？答：（1）DLN（“dry low NOx”）即干式低NOx排放燃烧器。基本措施是“贫预混”，即以适当的过量空气系数将空气与燃料预先混合均匀后再进入燃烧室燃烧，这就从根本上改变了传统的以扩散燃烧（燃烧区温度高， NOx的生成率高）为主的概念。（2）特点：反应区内的燃料浓度和反应温度都是均匀的，也是预先通过燃料和预混空气的配比加以严格控制的。25 燃气轮机平衡运行的条件包括哪些？答：火焰稳定；燃料燃烧完全；流阻损失小；出口温度场均匀；燃烧热强度高（从而减小尺寸和重量）；结构安全可靠；启动点火性能好；污染物排放低；工况变化适应性好；使用维护性好。这些要求很难同时满足，必须根据具体情况进行折衷。26 画出以压比、折合转速为坐标轴的反映出折合流量、效率和临界流动边界线的涡轮通用特性曲线图。答：（详见课本165页，ppt第五章（00）-54页）27 叙述压气机透平联合运行工况点的确定过程。答：压气机、燃烧室和涡轮协调工作时的平衡运行工况点：由于燃烧室特性表现在能量、压力和流量平衡中，而压力平衡通过压损率计入，流量、能量平衡通过压气机和透平的质量、能量守恒保证，因此燃机的联合运行工况点（共同工作点）只需要通过压气机与透平之间的平衡确定，所以也称为压气机、透平的共同工作点。共同工作点的确定：1 在C (压缩机)图上给定压气机工作点A，从图上可以确定： 进一步可以计算出： 2 用试算法确定T3*：设一个T3*，与T2*一起根据热平衡可以算出燃空比f ，从流量平衡求出GT，进一步求出： 从而可以在T (透平)图上确定到一点A，该点的T若与步骤1中的T一致，即说明T3*假设正确，该点为共同工作点了。如果两个T不一致，通常的做法是取多个T3*，这样在T图上获得多个T，可以连成一条斜线，斜线上与通过压力平衡（即步骤1）得到的T一致的点即为共同工作点。28 绘制等温比线有哪几种方法？答：（1）联合求解法：利用已获得的压气机、燃烧室和涡轮的特性线，根据平衡运行条件来联合求得。（2）近似计算法：如果没有涡轮特性线，可利用涡轮的椭圆方程来近似计算获得（见P119表5-4）。（3）测试法：利用压气机特性实验装置来测得。29 单轴恒速机组变工况特点？（负荷下降时）答：（1）转速不变，压比降低，流量略增。（2）压气机运转点沿等转速线向右下方移动，远离喘振边界和最佳效率线，故效率降低、不会喘振。（3）T3*下降较多。（4）压气机效率和压比都降低，机组的效率下降较多。（5）由于转速不变，且压比下降时压气机比功下降而流量略增，故压气机耗功变化不大。（6）由功率平衡，燃料改变时透平功率的变化能立刻反映到输出功率，即调节反应快。（7）甩负荷时，负载功率突然消失，但有压气机阻力功率（正比于转速的立方），故转子不会超速。30 单轴变速机组（螺旋桨负荷）的变工况特点？答：按功率与转速立方成正比的规律，负荷下降时，转速下降。根据压气机特性，流量、压比都下降。运转点向左下方移动，靠近喘振线。（根据右图参照上面29题，详见教材175页）31 大气温度和大气压力如何影响机组性能？答： 32 轴流式压气机基元级的增压原理（增压过程）？答：（1）外界通过动叶轮将压缩轴功Dh传递给通过动叶轮的气体，一方面使气流绝对速度的动能提高；另一方面使气流相对速度的动能降低，而使气流压力升高。（2）气流在静叶栅中减速，使绝对速度的动能 转化成气体的压力势能，进一步提高压力。（3）气流经过压气机级时，轴功使气体焓值增加。33请画出流经基元级时气体总压、总温、静压、绝对速度和相对速度等参数的变化情况。答：34 请在T-S图上画出压气机基元级的等熵压缩功、多变压缩功、摩擦损失功。答 ： 35 请写出基元级等熵效率、滞止等熵效率、多变效率的定义。答：基元级的效率是气体压缩的有益功与实际耗功之比。（1）（静参数）等熵效率：有益功取为理想基元级中的静参数等熵功，实际耗功取静参数多变压缩功与摩擦损失功之和（2）滞止等熵效率：有益功取滞止等熵功；实际耗功取加给气体的理论功（轴功）。滞止参数在设计时采用更方便、准确。（3）多变效率：有益功取为多变压缩功，实际耗功取静参数多变压缩功与摩擦损失功之和。 多变效率只与过程的多变指数有关。36 画出反动度为0、0.5、1时轴流压气机基元级速度三角形。答： （1）=0.5 气流流经动叶栅时，相对速度大小没有改变，因此在动叶中静压力没有发生变化，动叶栅只提高流体的动能，升压全在静叶栅中进行，静叶栅负荷大，易引起较大能量损失，所以一般不采用这种反动度。（2）=0.5 气流在动静叶栅的增压基本上各占一半，相应叶栅的扩张度最小。速度三角形呈对称。在亚音速条件下，允许较大的圆周速度（不易超临界），获得较大的理论功，可以得到最高的基元级效率。（3）=1 气流全部在动叶栅中增压，静叶栅只用来改变气流方向，并不提高压力。叶栅进口相对速度大，易超临界。动叶进口速度必须要逆（负）预旋（C1u为负值）。37 压气机叶型表面坐标是如何得到的？答：选定中弧线（圆弧、抛物线、多项式等），将原始叶型（中弧线为直线的对称叶型）的厚度移植到中弧线曲线上，可得到叶型的表面座标。38 为什么需要扭叶片？ 答：不同半径处的叶片旋转速度u=wr是不同的，由此带来不同半径处速度三角形的不同，为适应这些变化，就要配上与之相适应的叶型和叶栅，因此造成叶片是变截面而且扭曲的。39 扭叶片有什么特征？ 答：（1）叶顶的叶片弯度小于叶根，叶型也相应变化。使Dwu沿叶高减小，保证轴功 不变。 （2）叶片的安装角沿叶高减小。为了能够适应由于u沿叶高增大带来的速度三角形的变化。（3）叶片顶部比根部薄。为了减小叶片的重量，提高强度。40 用简单径向平衡方程设计扭叶片时有哪几种常用的扭曲规律？ 答：41 叶型损失包括哪些？答：（1）摩擦损失：叶型表面粘性阻力造成的损失，与叶型表面附面层类型有关；（2）分离损失：在较大逆压力梯度流动条件下，附面层会发生分离，形成分离涡流损失；（3）尾迹损失：叶型上下表面的附面层在尾缘处会合，形成尾迹涡流区，造成动能损失；（4）激波损失：由于超音速气流中激波形成造成的总压损失。42 环端面损失的影响因素有哪些？答：叶型形状、叶尖间隙、叶片弦长、气动负荷等。43 二次流损失形成的原因？答：在叶片流道中，存在与主流方向不相同的流动，统称为二次流动。（ppt第三章（3）28页）（1）双涡损失：叶轮转动时，叶腹（工作面、压力面）的压力大于叶背（非工作面、吸力面），在叶片间存在横贯于主流方向的压力差；（2）径向间隙端流动损失：在叶片端部附近，工作面压力大于非工作面压力，使少量气流通过径向间隙从叶腹流向叶背，造成叶端附近流动混乱，影响叶片做功能力，造成损失；（3）叶身附面层径向流动潜移损失：在贴近叶身的附面层中，气体几乎与叶片一起以相同的圆周速度旋转，一般情况下ucu ，因此贴近叶身附近的气体微团的离心力大于主流中的，而径向压差是一样的，于是叶身附近的气体会沿叶片从根部向顶部移动；（4）刮擦涡损失：动叶相对于壁面运动时，叶尖把壁面上的附面层刮擦下来，在叶片工作面形成“刮擦涡”。44 什么是多级压气机的重热现象？重热系数的定义。答：（1）重热现象：实际压缩过程中由于存在损失，使级出口温度大于等熵过程的出口温度，即提高了下一级的进气温度，增大了下一级的等熵压缩功。（2）重热系数：整机的等熵效率低于各级的等熵效率，这种差别用重热系数a 表示： 一般压气机的重热系数可取a=1.02-1.04。45请画出以压比为纵坐标、相似流量为横坐标，包含相似转速、喘振边界、和等效率线的压气机通用特性曲线图。答：（详细介绍教材83页；ppt第三章（3）57页）46 压气机为什么会产生旋转脱离？答：建议先搞懂什么是旋转脱离。产生原因：压气机叶栅2以速度u向右运动，由于流速减小，叶背出现分离，造成叶栅2-3间的通道部分或全部被脱离气流所阻塞。这样就会在该通道的前方形成一个气流停滞区（低流速区），它将迫使停滞区附近的气流改变流动方向：使右边的气流冲角减小，使叶栅1-2通流条件得到改善，分离逐渐消失；使左边气流冲角增加，促使叶片3的叶背发生分离。因此气流脱离是以与叶片运动相反的速度u向左方逐渐转移。通常u只有u的50-70%，若在地面上看，分离区是与转速同向，但以较小的速度转动的。47 为什么旋转脱离会导致发生喘振？压气机的流量增加导致容器2的压力再次升高，流经压气机的流量会再次减少，旋转脱离现象重新出现。这样的过程，周期性的发展下去，引起压气机与其后的有一定容积的工作系统之间出现流量和压力的周期性波动，就是喘振现象。48 为什么多级压气机前几级会首先发生喘振？答：当压气机转速比设计值低时，压气机压比要下降，流量要减小。这时前几级压力和密度都增加。原因是在大气条件pa不变时，随着流量q的减小，气流在进口收敛器中的减压加速作用减弱，而流速降低又使压力损耗减少，同时，由于进气流道中的流速降低，流动的压力损耗也有所下降，因此在第一级入口处压力和密度比设计值高。这样就使轴向分速度比czz/c1z增加了,意味着转速减小时，末级轴向分