清华大学联合循环实用教案

1、第一节燃气轮机循环(xnhun)概述第1页/共151页第一页，共151页。1、理想循环(xnhun)和实际循环(xnhun)理想循环(xnhun)构成燃气轮机的四个过程可逆理想循环(xnhun)不是卡诺循环(xnhun)（不是等温加热和等温度放热）等熵压缩等压加热等熵膨胀等压排气放热TS图 和P-v图 ？第一节 燃气轮机(rnqlnj)循环概述 第2页/共151页第二页，共151页。理想理想(lxing)循环循环T-S 图和图和P-v图图第一节第一节 燃气轮机循环燃气轮机循环(xnhun)(xnhun)概述概述 画图注意画图注意(zh y)：12温差温差? 34温差温差第3页/共151页第三页

2、，共151页。第一节 燃气轮机(rnqlnj)循环概述 实际循环四个不可逆过程(guchng)压缩不等熵(绝热有损失)燃烧不等压膨胀不等熵(不绝热,熵变不等于0)进气过程(guchng)有损失排气放热过程(guchng)不等压TS图 不考虑进、排气和燃烧室内流动损失?1、燃气轮机的理想循环(xnhun)与实际循环(xnhun) 第4页/共151页第四页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 不考虑进、排气和燃烧室内的流动不考虑进、排气和燃烧室内的流动(lidng)损失循环损失循环T-S 图图考虑燃烧室内流动考虑燃烧室内流动(lidng)损失的损失的T-S图？图？考虑进、排气和燃烧

3、室内的流动考虑进、排气和燃烧室内的流动(lidng)损失循环损失循环T-S 图图P-v图？图？第5页/共151页第五页，共151页。1、燃气轮机的理想循环(xnhun)与实际循环(xnhun) 第一节 燃气轮机(rnqlnj)循环概述 第6页/共151页第六页，共151页。第一节第一节 燃气轮机燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)循环概述循环概述 2、燃气轮机的简单循环与复杂循环简单循环，燃气轮机只由一个压气机，一个燃烧室和一个透平构成 复杂循环，对燃气轮机的构成做一些(yxi)变化回热循环回热循环微型燃机微型燃机不回热效率不回热效率1720%回热回热,T2增加，增加，T4下降，下降，平均

4、吸热温度平均吸热温度(wnd)增增加，平均放热温度加，平均放热温度(wnd)减小，换热温差减小，效减小，换热温差减小，效率率 2630%。代价？限制？。代价？限制？第7页/共151页第七页，共151页。第一节第一节 燃气轮机燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)循环概述循环概述 2 2、燃气轮机的简单(jindn)(jindn)循环与复杂循环GEGE公司公司( (nn s)LMS100 s)LMS100，采用间冷循环，目的：加大比功，简单循环，采用间冷循环，目的：加大比功，简单循环效率最高燃机效率最高燃机4646，功率，功率1010万千瓦，压比万千瓦，压比4242，1010分钟启动到满负荷分

5、钟启动到满负荷, ,燃气燃气初温初温13801380度。间冷代价？度。间冷代价？) 1(*1mcpacTcw第8页/共151页第八页，共151页。第一节第一节 燃气轮机循环燃气轮机循环(xnhun)(xnhun)概述概述 2 2、燃气轮机的简单循环(xnhun)(xnhun)与复杂循环(xnhun)(xnhun)再热循环再热循环)1 (*3mtpatTcw得：比功增加得：比功增加失：设备排气温度失：设备排气温度(wnd)增加，向冷增加，向冷源放热增加源放热增加限制条件？限制条件？第9页/共151页第九页，共151页。第一节第一节 燃气轮机燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)循环概述循环概述

6、 间冷回热间冷回热再热回热再热回热间冷、回热、再热循环间冷、回热、再热循环2、燃气轮机(rnqlnj)的简单循环与复杂循环第10页/共151页第十页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 3、多轴式燃气轮机循环 （航空发动机和舰船用燃气轮机）分轴:1个压气机,2段透平,1段拖动压气机,1段拖动负载双轴：2段压气机,2段透平,平行双轴,高拖高,交叉(jioch)双轴,高拖低,负载任意，高压透平拖动高压压气机居多，负载可以与任意转子共轴三轴：2段压气机,3段透平(LMS100)串流：分开的透平燃气流动串连排列(straight-flow)并联:分开的透平燃气流动并联排列(parall

7、er-flow) 多轴目的：追求变工况性能和启动性能 适应复杂循环布置第11页/共151页第十一页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 3、多轴式燃气轮机循环 （航空(hngkng)发动机和舰船用燃气轮机）分轴分轴多轴多轴第12页/共151页第十二页，共151页。第一节 燃气轮机(rnqlnj)循环概述 4、燃气轮机复合循环(xnhun)：燃气轮机与其他的热能动力装置，或热力系统，或热力循环(xnhun)组合在一起，互相取长补短，形成新的热能动力系统或多联产系统 燃气蒸汽联合循环(xnhun) 第13页/共151页第十三页，共151页。第一节 燃气轮机(rnqlnj)循环概述

8、4、燃气轮机复合循环： 废气(fiq)涡轮增压器（没有燃烧室的燃气轮机）与内燃机的复合循环 涡轮增压涡轮增压(zn(zn y) y)发动机发动机(T) (T) 涡轮涡轮复合发动机复合发动机 第14页/共151页第十四页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 4、燃气轮机复合循环：使用(shyng)燃气轮机的动力回收系统 生产过程需要压缩气体生产过程需要压缩气体生产过程最终排除有一定压力生产过程最终排除有一定压力和温度的气体和温度的气体目的：生产过程为主，动力回目的：生产过程为主，动力回收收(hushu)为辅助，减小生产为辅助，减小生产能耗能耗发电机发电机/电动机电动机第15页/共

9、151页第十五页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 4、燃气轮机复合循环：氨气氧气燃烧制取硝酸要求反应气体有一定(ydng)压力,氧化反应放出热量制取硝酸的动力制取硝酸的动力(dngl)回收装置回收装置C1出口压力出口压力0.20.5MPa氨氧化器内空气与氨生成高温亚硝酸氨氧化器内空气与氨生成高温亚硝酸气气,经过余热锅炉降低温度经过余热锅炉降低温度C2出口压力出口压力0.71.5MPa吸收塔和脱气塔内生成硝酸吸收塔和脱气塔内生成硝酸尾气经换热器加热尾气经换热器加热,200510度度,进入进入透平作功透平作功汽机蒸汽来自亚硝酸气余热锅炉汽机蒸汽来自亚硝酸气余热锅炉第16页/共1

10、51页第十六页，共151页。第一节第一节 燃气轮机燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)循环概述循环概述 4、燃气轮机复合循环：使用燃气轮机的动力(dngl)回收系统透平透平(tu pn)膨胀机膨胀机(获得较低的温获得较低的温度度)可以达到超过可以达到超过-100度的度的制冷效果制冷效果利用利用:制氧制氧发动机模拟高空试验发动机模拟高空试验第17页/共151页第十七页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 4、燃气轮机(rnqlnj)复合循环：燃气轮机(rnqlnj)多联供系统-热电联供 不供热而净发电，发电功率不供热而净发电，发电功率(gngl)(gngl)为为77.28MW

11、, 77.28MW, 效率效率44% 44% 设计负荷供热和发电，电功率设计负荷供热和发电，电功率(gngl)(gngl)为为69.59MW, 69.59MW, 供热供热60MW 60MW ，热利用，热利用率率73%73%；最大发电功率最大发电功率(gngl)(gngl)和最大供热时，发电功率和最大供热时，发电功率(gngl)75MW(gngl)75MW，供热，供热80MW80MW，热利用率，热利用率86%86%只用余热锅炉排气道上的换热器只用余热锅炉排气道上的换热器E E供热，可供热供热，可供热19.43MW 19.43MW 两台两台2.55万千瓦三轴燃机万千瓦三轴燃机两台余热锅炉，一台两台

12、余热锅炉，一台2.6万汽机万汽机与热电分供相比，节省天然气与热电分供相比，节省天然气8000Nm3/h与热电分供比，节约天然气与热电分供比，节约天然气8000NM3/h第18页/共151页第十八页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 4、燃气轮机复合循环(xnhun)：燃气轮机多联供系统-冷热电联供 旅社旅社夏季平均需夏季平均需电电1300kW燃机燃机:480kW电不足电网供应电不足电网供应(gngyng)蒸汽不足锅炉供应蒸汽不足锅炉供应(gngyng)机组日工作机组日工作12小时，旅馆总能源消耗节约小时，旅馆总能源消耗节约27%以上以上第19页/共151页第十九页，共151页

13、。第一节 燃气轮机(rnqlnj)循环概述 4、燃气轮机复合循环：燃气轮机多联产系统 煤的气化技术 成熟与完善 ， 煤的气化为核心的“合成气园”多联产能源系统的概念和工程。 用煤的气化设备(气化炉)，将煤制备成煤气(合成煤气，简称合成气，主要成分是CO和H2 ，还有N2、CO2、CH4、H2S、COS、H2O、SO2等气体）。 利用合成气来进行跨行业，跨部门的联合生产，以得到多种具有高附加值的化工产品、液体燃料(y t rn lio)(甲醇、F-T合成燃料、二甲醚) 、城市煤气和氢气，以及用于工业生产的工艺用和民用的热能和电能，这就是多联产系统。第20页/共151页第二十页，共151页。第一节

14、 燃气轮机循环(xnhun)概述 4、燃气轮机复合(fh)循环：燃气轮机多联产系统多联产中能源多联产中能源(nngyun)、资源、环境一体、资源、环境一体化系统图化系统图经济性分析经济性分析1000元气元气 2000元甲醇元甲醇1000元气元气 1000多元电多元电CO变换变换CO+H2O=CO2+H2第21页/共151页第二十一页，共151页。第一节 燃气轮机(rnqlnj)循环概述 4、燃气轮机复合循环：与轻水(qn shu)反应堆组合的燃气-蒸汽联合循环 反应堆出来的为饱和蒸汽，反应堆出来的为饱和蒸汽，温度温度(wnd)较低较低高压压气机出来的蒸汽经过高压压气机出来的蒸汽经过低压过热蒸汽

15、加热低压过热蒸汽加热效率提高效率提高35减少转子与隔板的水蚀减少转子与隔板的水蚀第22页/共151页第二十二页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 4、燃气轮机复合循环(xnhun)：与核电系统组合的燃气-蒸汽联合循环(xnhun) 氦气透平前温氦气透平前温750900度度联合联合(linh)循环效循环效率率4550第23页/共151页第二十三页，共151页。第一节 燃气轮机(rnqlnj)循环概述 4、燃气轮机(rnqlnj)复合循环：与核电系统组合的燃气-蒸汽联合循环 为什么选择为什么选择(xunz)?为工质为工质,冷却反应堆冷却反应堆,1传热性能好传热性能好 2 中子捕获

16、截面较小中子捕获截面较小3射线下不会分解射线下不会分解 4 大范围内不发生相变大范围内不发生相变5对所接触的其他物质化学上稳定对所接触的其他物质化学上稳定6 比功大比功大 7 放射感应性小放射感应性小 8 便宜便宜 9 容易补充容易补充第24页/共151页第二十四页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 4、燃气轮机复合循环：与核电系统组合的燃气-蒸汽联合循环高温气冷堆可以(ky)直接使用的气体(除稀有气体)H2,He,CO2,N2,O2, 放射性方面中子捕获截面排序D2, He, H2, O2, CO2,N2射线感应放射性 He, H2, 为0, N2, 0.045, CO2,

17、1第25页/共151页第二十五页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 4、燃气轮机复合循环：与核电系统组合的燃气-蒸汽联合循环传热性能传热系数排序大到小He, H2, N2, CO2换热面积小到大 He,1, H2, 1.06, N2, 2.56, CO2,4.22对反应堆结构材料稳定性影响CO2,550度以上(yshng)和石墨发生反应H2,高温下使得钢材催化,和石墨发生反应O2,氧化其他物质, N2, 高温下和钢发生氮化反应第26页/共151页第二十六页，共151页。第一节 燃气轮机(rnqlnj)循环概述 4、燃气轮机复合循环：与核电系统组合的燃气-蒸汽联合循环流体力学特

18、性音速(300K) He, 1000, N2,350, CO2,270泄漏, He,容易, N2, CO2,不容易对燃机适应性压力损失(低温):He, 1, N2,2.24, CO2,0.86,0氢气.22氦气压力损失几乎(jh)不随温度变化,二氧化碳线形增加循环耗用动力He, 1, N2,4, CO2,1.8, 氢气.28(表面温度相等,流通面积改变)第27页/共151页第二十七页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 4、燃气轮机复合(fh)循环：与核电系统组合的燃气-蒸汽联合循环对燃机适应性紧急状态适应性N2,和, CO2,好,可以用空气补充,氦气需要考虑其他方法燃机总热效

19、率氦气轮机,二氧化碳轮机,氢气轮机最高效率对应最佳压比(从低到高):氦气,氢气,氧气,二氧化碳价格 (小到大):氢气,氧气,氮气,二氧化碳,氦气总结：氦气是最合理的选择第28页/共151页第二十八页，共151页。第一节 燃气轮机循环(xnhun)概述 4、燃气轮机复合循环：与燃料电池组合(zh)的燃气-蒸汽联合循环 第29页/共151页第二十九页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析任务：建立循环效率和描述部件和工质性能参数之间的关系，温比、压比、压气机效率、透平效率、流阻损失、工质绝热指数途径：从理想循环逐渐逼进实际循环目的：深刻理解部件性能对循环总体性能的影响

20、 第30页/共151页第三十页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 1 1、 单轴燃气轮机简单单轴燃气轮机简单(jindn)(jindn)理想循环的热力学分析理想循环的热力学分析 理想循环理想循环(xnhun)实际循环实际循环(xnhun)回热循环回热循环(xnhun)效率、比功、有用功系数效率、比功、有用功系数第31页/共151页第三十一页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 1 1、 单轴燃气轮机单轴燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)简单理想循环的热力简单理想循环的热力学分析学分析压气机耗功压气机耗功(进入进入(jnr)压气

21、机的是压气机的是1kg/s空空气气) 1() 1() 1()(*11*1*1*2*1*1*2mpakkpaSpaSpacTcTcTTTcTTcw透平作功透平作功)11 ()1 ()(*3*3*4*3*4*3mpgSpgSpgtTcxTTTcxTTcxw循环吸热量循环吸热量 Q1= xCpgT3* - - CpaT2s* 第32页/共151页第三十二页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 1 1、 单轴燃气轮机简单理想循环单轴燃气轮机简单理想循环(xnhun)(xnhun)的热力学分析的热力学分析 效率效率 mmmmmmSpapgmpampgctTxyxyTcTxc

22、TcTcxQww1111) 1(1)1 () 1()1 (*2*3*1*31= T3*/ T1*，温比，温比 x=Gt/Gcpapgpapgccccyagkk 假定假定(jidng)第33页/共151页第三十三页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 1 1、 单轴燃气轮机简单理想循环的热力学分析单轴燃气轮机简单理想循环的热力学分析 循环效率只是循环效率只是(zhsh)(zhsh)压比的函数，与燃气的初压比的函数，与燃气的初温温T3T3* *无关无关 随着压比的增加，效率是单值地增大随着压比的增加，效率是单值地增大 效率与工质的热物性有关，工质的比热比效率与工质的热

23、物性有关，工质的比热比k k值越大，值越大，由由m = (k-1)/k m = (k-1)/k 可知，压比相同，使用可知，压比相同，使用k k值大的工质，值大的工质，其循环效率较高。（空气，其循环效率较高。（空气，k=1.4k=1.4，对于氦气，对于氦气，k=1.660k=1.660） 效率与效率与x x、y y、无关无关 mT11第34页/共151页第三十四页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 1 1、 单轴燃气轮机简单理想循环的热力学分析单轴燃气轮机简单理想循环的热力学分析 比功定义比功定义(dngy)(dngy)？ 比功是指对于比功是指对于1kg1kg的压

24、气机进气来说，燃气轮机的作的压气机进气来说，燃气轮机的作功量功量 ) 1(1)1 () 1()1 (*3*1*3mmpampampgctTxyTcTcTcxwww最大比功压比最大比功压比w. op t mwoptxy21)(x x、y y、增加，比功增加增加，比功增加比功大比功大, ,表明对于一定功率表明对于一定功率(gngl)(gngl)机组机组, , 结构紧结构紧凑凑第35页/共151页第三十五页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略(hl)(hl)流阻损失）流阻损

25、失）假设假设(jish):吸热和放热过程吸热和放热过程等压等压ssTTTT4422,第36页/共151页第三十六页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单单轴燃气轮机简单(jindn)(jindn)实际循环的热力学实际循环的热力学分析（忽略流阻损失）分析（忽略流阻损失）cmpacSpapacTcTTcTTcw/ ) 1(/ )()(*1*1*2*1*2tmpgtSpgpgtTcxTTcxTTcxw)1 ()()(*3*4*3*4*3ccpapgTcTxcQ/ )(*2*31第37页/共151页第三十七页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(

26、rnqlnj)简单循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际单轴燃气轮机简单实际(shj)(shj)循环的热力学分循环的热力学分析（忽略流阻损失）析（忽略流阻损失）循环效率循环效率* *各参数影响分析（压比、温比）各参数影响分析（压比、温比）TmmcmmtcccmccmmtccccpapgcmpatmpgctxyxyxyxyTTcxcTTcTcxQww)1() 1() 1)( ) 1(11/ ) 1()1 ( / )(/ ) 1()1 (*3*2*3*1*31*第38页/共151页第三十八页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际

27、循环单轴燃气轮机简单实际循环(xnhun)(xnhun)的热力学的热力学分析（忽略流阻损失）分析（忽略流阻损失）循环循环(xnhun)(xnhun)效率效率* *各参数影响分析各参数影响分析与理想循与理想循环环(xnhun)(xnhun)的比较的比较*T增大(zn d)，减小，压比越高，*与T之间的差值会越来越大1) 1() 1(mcmtcccxyxyT*0 1) 1(1) 1(2mcctcccmxyxyxy第39页/共151页第三十九页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损单轴燃气轮机简单实际循环的热力

28、学分析（忽略流阻损失失(snsh)(snsh)）循环效率循环效率* *各参数影响分析各参数影响分析燃气轮机实现运行条件燃气轮机实现运行条件循环效率值为正循环效率值为正压比越大或者压气机效率和透平压比越大或者压气机效率和透平(tu pn)效率越低，要效率越低，要求求值越大，也就是所要求的值越大，也就是所要求的T3*温度越高温度越高 mtcxy)/(tcmxy不满足，启动机停，燃机不满足，启动机停，燃机停停第40页/共151页第四十页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机单轴燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)简单实际循环的热力简单实际循环的

29、热力学分析（忽略流阻损失）学分析（忽略流阻损失）循环效率循环效率温比温比c) 0)1() 1()1 ()1(2mcctmtmcccxyxy增加时，增加时，T3T3* *温度温度(wnd)(wnd)增大，增大，增大，循环效增大，循环效率增大；率增大； 增幅下降。增幅下降。022Ttccmmtcc) 1(*第41页/共151页第四十一页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略(hl)(hl)流阻损失）流阻损失）循环效率压比循环效率压比d) 压比压比1，0；mtcxy1)(0；.

30、 op t ,=1- Q=1- Q2 2/Q/Q1 1 0 增大增大(zn d) 最大最大 减小减小 0 负功负功121QQmmcmmtcccxyxy)1() 1() 1)(*第42页/共151页第四十二页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单单轴燃气轮机简单(jindn)(jindn)实际循环的热力学分析实际循环的热力学分析（忽略流阻损失）（忽略流阻损失）循环效率循环效率最佳效率压比最佳效率压比， ， tcxy1) 1(xycAm)() 1)(*AAAAccmopt12.1)1 ( 02)1 (2AA0)(2)1 (222*AAAAAc

31、c第43页/共151页第四十三页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机单轴燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)简单实际循环的热力学分析简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失）（忽略流阻损失）循环效率循环效率cccc增大，增大， * *线性地增大；线性地增大；效率效率tt的增大，的增大， * *线性增大线性增大cc的增大，的增大，* *非线性增大。非线性增大。 mmcmmtcccxyxy)1() 1() 1)(*第44页/共151页第四十四页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际循

32、环的热力学分析单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析(fnx)(fnx)（忽（忽略流阻损失）略流阻损失）循环效率循环效率xx的影响的影响分析：仅仅考虑燃料变化，天然气机组改烧中低热分析：仅仅考虑燃料变化，天然气机组改烧中低热值燃料后效率变化，燃料发热量变化，燃料量变值燃料后效率变化，燃料发热量变化，燃料量变x值增大（与温比对效率的影响值增大（与温比对效率的影响(yngxing)相同），相同）， 循环效率循环效率*相应地增大相应地增大实际情况，厂用电增加，循环效率下降实际情况，厂用电增加，循环效率下降,天然天然气气,e,1.5-2%,高炉煤气高炉煤气19%第45页/共151页第四十五页，共151页

33、。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略(hl)(hl)流阻损失）流阻损失）循环效率循环效率yy影响影响y y值增大（与温比对效率值增大（与温比对效率(xio l)(xio l)的影响相的影响相同），同）， 循环效率循环效率(xio l)(xio l)* *相应地增大相应地增大T3T3增加，增加，y y增加增加与使用燃料的种类和性质有关与使用燃料的种类和性质有关第46页/共151页第四十六页，共151页。cmpatmpgctTcTcxwww/ ) 1()1 (*1*3*第二节 单轴燃气

34、轮机简单循环(xnhun)热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际单轴燃气轮机简单实际(shj)(shj)循环的热力学分析循环的热力学分析（忽略流阻损失）（忽略流阻损失）比功比功 T1*保持保持(boch)不变，比功随不变，比功随T3*(即温比即温比)的增大线性增大的增大线性增大, T1*减小，比功增大减小，比功增大第47页/共151页第四十七页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 01*11*3*mcpamtpgmTcmTcxwctpactpgmoptwxyTcTcxA*1*3.2 2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析

35、(fnx)(fnx)（忽略流阻损失）（忽略流阻损失）比功比功第48页/共151页第四十八页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 moptw.2 2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略(hl)(hl)流阻损失）流阻损失）最佳比功压比和最佳效率压比关系最佳比功压比和最佳效率压比关系mopt12.1)1 (?第49页/共151页第四十九页，共151页。最佳最佳(zu ji)效率压比另一表达式假设忽略燃烧效率影响效率压比另一表达式假设忽略燃烧效率影响) 1() 1()() 1)(112*AAAAAAA) 1() 1()

36、 1() 1(02)1 (AAAAAA)1 (*max.moptA1cc02)1 (2AA最佳效率最佳效率(xio l)压比压比满足满足第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 第50页/共151页第五十页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失损失(snsh)(snsh)）比功比功最佳效率压比和最佳比功压比的关系最佳效率压比和最佳比功压比的关系)1 (*max.moptA11*max.optmoptwmmoptwmopt.optwoptoptopt

37、wT.*3增加，增加，增加，moptwA.tcxy第51页/共151页第五十一页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略(hl)(hl)流阻损失）流阻损失）比功比功cmpatmpgctTcTcxwww/ ) 1()1 (*1*3*透平效率增大，比功线性地增大。透平效率增大，比功线性地增大。压气机效率的增加，比功非线性增大压气机效率的增加，比功非线性增大 ？ 对压气机效率求偏倒数，导函数值对压气机效率求偏倒数，导函数值0 0，是增函数，因而，是增函数，因而(yn r)(yn

38、r)比功随压气机效率的增大而增大；其导函数的值比功随压气机效率的增大而增大；其导函数的值却在减小，随着压气机效率的加大，比功增大的速率在减小。却在减小，随着压气机效率的加大，比功增大的速率在减小。第52页/共151页第五十二页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 2 2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析(fnx)(fnx)（忽（忽略流阻损失）略流阻损失）有用功系数有用功系数tcmtmpgcmpatctxyTcxTcwwww1)1 (/ ) 1(1*3*1*X,y,X,y,温比、透平、压气机效率温比、透平、压气机效率(xio

39、 l)(xio l)增大，有用系增大，有用系数增大增大。数增大增大。压气机压比增加，有用功系数下降压气机压比增加，有用功系数下降 第53页/共151页第五十三页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 3 3、 单轴燃气轮机简单实际循环单轴燃气轮机简单实际循环(xnhun)(xnhun)考虑流动考虑流动损失的热力学分析损失的热力学分析 考虑压气机进气管道流动损失与通过空气过滤装置的考虑压气机进气管道流动损失与通过空气过滤装置的损失，压气机进口前损失，压气机进口前P1P1* *=cPa=cPa* *进口，进口，cc，压气机总，压气机总压保持压保持(boch)(boch

40、)系数系数 燃烧室是准等压燃烧，燃烧室是准等压燃烧，P3P3* *=ccP2=ccP2* *, cc, cc，燃烧室，燃烧室总压保持总压保持(boch)(boch)系数系数 考虑透平排气管道的流动损失考虑透平排气管道的流动损失, , 透平出口排气压力透平出口排气压力P4P4* *=Pa=Pa* */t/t，tt是透平总压保持是透平总压保持(boch)(boch)系数系数 ctaatcccPPPPPPPPPPPPPP*1*2*4*3*4*3*2*1*4*2*3*1第54页/共151页第五十四页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 3 3、 单轴燃气轮机简单实际循环

41、考虑单轴燃气轮机简单实际循环考虑(kol)(kol)流动损失流动损失的热力学分析：效率的热力学分析：效率)1() 1()1 ()1() 1()1 ()1() 1() 1)()1() 1()1 () 1)()1() 1() 1()()() 1() 1() 1()1 ()1)(1 ()()(),() 1() 1() 1()1 (/ )(/ ) 1()1 (*2*3*1*31mccmcmtcccmccmcmtcccmccmcmcmctcccmccmcmtcmcmctcccmccmcmcmcmmctcccmccmcmcmcmcmtcccmccmcmcmtcccccpapgcmcpatmcmpgctcx

42、yxyxyxyxyxyxyxyxyxyxybxyxyabaxyxyTcTxcTcTcxQww1)1 ()1 (pmcmcm流阻损失测度流阻损失测度(c du)参数参数*) 1() 1() 1()1 (*mcmmtcccxyxytctcxyxyc* 第55页/共151页第五十五页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 3 3、 单轴燃气轮机简单实际循环考虑单轴燃气轮机简单实际循环考虑(kol)(kol)流动损流动损失的热力学分析：比功失的热力学分析：比功)1()1 (/ ) 1()1 (*1*1*3mcmcmtccpacmcpatmtpgctcxyTcTcTcxww

43、w0) 1()1 (mcmcmtcxy如果如果(rgu)比功为比功为0mtcmccxy1)11 (1要求要求第56页/共151页第五十六页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 3 3、 单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析分析数学数学(shxu)(shxu)证明证明01)1() 1(1mmccmctccccxymxy增大增大( (流阻损失流阻损失(snsh)(snsh)减小减小), c), c上升上升, , 比功上升比功上升0cw第57页/共151页第五十七页，共151页。mmmmopt122.)1 ()1

44、(第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 3 3、 单轴燃气轮机简单实际循环单轴燃气轮机简单实际循环(xnhun)(xnhun)考虑流动损失的考虑流动损失的热力学分析热力学分析最佳最佳(zu ji)效率效率压比压比mcmopt21max.)1(212121.)(mmmoptwoptwopt.最佳比功压比最佳比功压比两个最佳压比关系两个最佳压比关系减小，减小，woptwopt增大增大第58页/共151页第五十八页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 3 3、 单轴燃气轮机简单实际单轴燃气轮机简单实际(shj)(shj)循环考虑流动损失的循环考虑流动损失

45、的热力学分析热力学分析(1+-)0，减小，opt减小， (1+-)1.0, i=0.971-0.075(Ma0-1)1.35=0.9335 Ma01.0, i=0.971-0.075(Ma0-1)1.35=0.9335 Pt2= i Pt2= iPt0=0.9335Pt0=0.93350.96480.9648105105 =0.9006 =0.9006 105 105 ，PaPa Tt2=Tt0=327.65K Tt2=Tt0=327.65K 第82页/共151页第八十二页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 5 5、 航空燃气轮机发动机设计点热力航空燃气轮机发动

46、机设计点热力(rl)(rl)计算计算算例算例 风扇出口参数风扇出口参数 Pt22=Pt2 Pt22=Pt2CL=0.9006CL=0.90061051053.8=3.423.8=3.42105105，PaPa 风扇出口总温：风扇出口总温： 每千克空气压缩耗功：每千克空气压缩耗功： KTTCLkkCLtt93.502)11 (1222kgkJTTcLttpCL/,16.176)(222第83页/共151页第八十三页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 5 5、 航空燃气轮机发动机设计点热力航空燃气轮机发动机设计点热力(rl)(rl)计算计算算例算例 高压压气机出口参

47、数高压压气机出口参数 Pt3=Pt22 Pt3=Pt22CH= 3.42CH= 3.42105 105 4.474=15.34.474=15.3105105，PaPa 出口总温：出口总温： 每千克空气压缩耗功：每千克空气压缩耗功： KTTCHkkCHtt97.808)11 (1223kgkJTTcLttpCH/,57.307)(223第84页/共151页第八十四页，共151页。第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 5 5、 航空燃气轮机发动机设计航空燃气轮机发动机设计(shj)(shj)点热力计算点热力计算算算例例 燃烧室出口参数燃烧室出口参数 燃烧室能平方程：燃烧室能平方程

48、： 油气比油气比 pt4=pt3 pt4=pt3b=14.84b=14.84105105，PaPa， Tt4=1800K Tt4=1800KTt4,W3a+WfTf, WfTt3,W3affbtaptfapgHWTWcTWWc3343)(3493. 04343tpgfbtptpgafTcHTcTcWWf第85页/共151页第八十五页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 5 5、 航空燃气轮机发动机设计航空燃气轮机发动机设计(shj)(shj)点热力计算点热力计算算算例例 高压涡轮高压涡轮高压(goy)压气机燃烧室冷却器与主流混合器1冷却器与主流混合器1高压涡轮转子

49、低压涡轮转子wcWc 飞机引气用飞机引气用Wc2Wc133a44a4.54c5W3=Wc, W3a=Wc(1-1-2), W4= Wc(1-1-2)(1+f)W4a=W4.5= Wc(1-1-2)(1+f)1W4c=W5= Wc(1-1-2)(1+f)1 2第86页/共151页第八十六页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 5 5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例算例 高压高压(goy)(goy)涡轮混合器涡轮混合器1 1能平方程能平方程atapgtpgtcpTWcTWcTWc444431KTat17414PaPPtat544

50、10*84.14冷却气流与主流混合(hnh)模型1主流主流W4混合流混合流W4aWc1第87页/共151页第八十七页，共151页。第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 5 5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例算例 高压涡轮出口总温，高压涡轮膨胀比高压涡轮出口总温，高压涡轮膨胀比 高压转子高压转子(zhun z)(zhun z)的功率平衡的功率平衡2235 . 444)(ttcpmHtatapgTTWcTTWcKTt14815 . 4145 . 45 . 44/11ggkkTHatttatTHTTPp193. 2THPaP555 . 410*

51、767. 6193. 2/10*84.14第88页/共151页第八十八页，共151页。5 5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算航空燃气轮机发动机设计点热力计算(j sun)(j sun)算例算例 低压涡轮混合器低压涡轮混合器1 1能平方程能平方程ctcpgtpgtcpTWcTWcTWc445 . 45 . 432KTct14404atctPPP55 . 4410*767. 6低压转子低压转子(zhun z)功率平衡功率平衡方程方程MLtctpgctcpTTcfWTTBWc)(*)1 (*)1()(1 (542121222KTt9 .1241515/4555 . 4/11ggkkTLttttT

52、LTTPp018. 2TLPaPPTLctt554510*353. 3018. 2/10*767. 6/第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 第89页/共151页第八十九页，共151页。5 5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例算例混合室出口混合室出口(ch ku)(ch ku)参数，参数，入，外涵空气、低压涡轮出口入，外涵空气、低压涡轮出口(ch ku)(ch ku)燃气，出混合燃气，出混合燃气燃气混合室能平方程混合室能平方程第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 655622555)(tIIptIIptpgTWWcTWcT

53、WcKkgkJBcBccmpmpgp./177. 1163917. 0)1)(1 (212155fBWWBIImKTt10646mItIImtmtBPBPP12256第90页/共151页第九十页，共151页。5 5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例算例加力燃烧室参数加力燃烧室参数入，混合室出口燃气、燃油，出，截面入，混合室出口燃气、燃油，出，截面(jimin)7(jimin)7混合燃混合燃气气加力燃烧室油气比加力燃烧室油气比能平方程能平方程第二节 单轴燃气轮机简单(jindn)循环热力学分析 *cIIcfababWWWWf776666)(tpfabtpfa

54、bfabTcWWTWcHW7766776)(tpabftptpfabTcHTcTcWW77667721)111 (tpfabtptpabTcHTcTcBfffCIIcWWWWW6第91页/共151页第九十一页，共151页。5 5、 航空航空(hngkng)(hngkng)燃气轮机发动机设计点热力计算燃气轮机发动机设计点热力计算算例算例加力燃烧室参数加力燃烧室参数发动机总油气比发动机总油气比第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 BWWWWWWWWfcfabcfIIcfabf10fWWWWafcf)1 ()1 (21321)1 ()(BfWWWWfWWabccIIcabcfabBf

55、Bffab1)1 ()1 (210第92页/共151页第九十二页，共151页。5 5、 航空燃气轮机航空燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)发动机设计点热力计算发动机设计点热力计算算算例例加力燃烧室参数加力燃烧室参数加力时加力时 Tt7=2000K, Cp7=1.244kJ/(kg.K) Tt7=2000K, Cp7=1.244kJ/(kg.K)近似近似加力油气比加力油气比 fab=0.03229 fab=0.03229加力时总油气比加力时总油气比 f0 f00.054260.05426不加力总油气比不加力总油气比 f0 f00.022210.02221加力出口气流总压加力出口气流总压不加

56、力出口气流总压不加力出口气流总压不加力不加力 Tt7=1064K Tt7=1064KTt6Tt6第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 PaPPtabt556710122. 310252. 396. 0PaPPtabt556710187. 310252. 398. 0第93页/共151页第九十三页，共151页。5 5、 航空燃气轮机航空燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)发动机设计点热力计算发动机设计点热力计算算例算例尾喷管参数尾喷管参数加力出口总压加力出口总压 不加力出口总压不加力出口总压加力时总温加力时总温 Tt9 Tt92000K2000K不加力总温不加力总温 Tt9

57、 Tt91064K1064K不加力马赫数不加力马赫数第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 PaPt559100596. 310122. 398. 0PaPt559101233. 310187. 398. 0366. 21)(121999ggkktgaPPkM完全完全(wnqun)膨胀，膨胀，p9=p0=0.227bar第94页/共151页第九十四页，共151页。5 5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例算例尾喷管参数尾喷管参数(cnsh)(cnsh)加力马赫数加力马赫数根据出口总温和马赫数确定出口静温根据出口总温和马赫数确定出口静温加力出口

58、静温加力出口静温不加力出口静温不加力出口静温 578.36K 578.36K加力音速加力音速不加力音速不加力音速465m/s465m/s第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 342. 21)(121999ggkktgaPPkMsmRTkag/64099KMkTTagt1097)211 (2999第95页/共151页第九十五页，共151页。5 5、 航空航空(hngkng)(hngkng)燃气轮机发动机设计点热力计算燃气轮机发动机设计点热力计算算算例例尾喷管参数尾喷管参数加力出口速度加力出口速度 c9=a9 c9=a9Ma9Ma9 1499m/s 1499m/s 不加力出口速度不

59、加力出口速度 1100m/s 1100m/s第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 第96页/共151页第九十六页，共151页。5 5、 航空燃气轮机发动机设计点热力航空燃气轮机发动机设计点热力(rl)(rl)计算计算算算例例单位性能参数单位性能参数单位推力单位推力第二节 单轴燃气轮机简单循环(xnhun)热力学分析 IIcIIcIICsWWcWWppAcWWWFF009999)()(BfWWWWWWfWWWWWWWWWIIccIIcIIccfabfIIC11)(0909999999999/cpRTWcWA0909990)1 ()11 (cppcRTcBfFs第97页/共151页

60、第九十七页，共151页。5 5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算航空燃气轮机发动机设计点热力计算(j sun)(j sun)算例算例单位性能参数单位性能参数完全膨胀完全膨胀 加力单位推力加力单位推力1098 N/(kg.s-1)1098 N/(kg.s-1)不加力单位推力不加力单位推力645 N/(kg.s-1)645 N/(kg.s-1)加力油耗加力油耗不加力油耗不加力油耗 0.124 kg/(N.h), 0.124 kg/(N.h),加力状态比不家里状态油耗增加加力状态比不家里状态油耗增加4040第二节 单轴燃气轮机(rnqlnj)简单循环热力学分析 )./(,178. 036000hN