燃气轮机复习题分解

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电站燃气轮机课程复习思考题

1.词语解释：

（1）循环效率：当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为机械功lc的百分数。

（2）装置效率（发电效率）:当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为电功ls的百分数。

（3）净效率（供电效率）:当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为净功le的百分数。

（4）比功:进入燃气轮机压气机的1kg的空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的机械功（或电功）ls（kJ/kg）,或净功le（kJ/kg）.（5）压气机的压缩比:压气机的出口总压与进口总压

之比。

（6）透平的膨胀比:透平的进口总压与出口总压之比。

（7）压气机入口总压保持系数:压气机的入口总压与当地大气压之比。（8）燃烧室总压保持系数:燃烧室的出口总压与入口总压之比。（9）透平出口总压保持系数:当地大气压与透平的排气总压之比。

（10）压气机的等熵压缩效率:对于1kg同样初温度的空气来说，为了压缩达到同样大小

的压缩比，等熵压缩功与所需施加的实际压缩功之比。

（11）透平的等熵膨胀效率:对于1kg同样初温度的燃气来说，为了实现同样的膨胀比，

燃气对外输出的实际膨胀功与等熵膨胀功之比。

（12）温度比:循环的最高温度与最低温度之比。

（13）回热循环:在简单循环回路中参与回热器，当燃气透平排出的高温燃气流经回热器时，可以把一部分热能传递给由压气机送来的低温空气。这样，就能降低排气温度，而使进到燃烧室燃料量减少，从而提高机组的热效率。

（14）热耗率：当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q，转化成机械功（或电工）

Ic,Is或Ie的百分数。（15）最正确压缩比

（16）燃烧效率：一个小于1的参数，用来描写燃烧过程中燃料能量的实际利用程度。（17）间冷循环：采用为了减少压气机的耗功量，把气体稍微加压后，就引出来冷却降温，然后再使之增压，从而提高比功的这种分段冷却、逐渐加压方法的燃气轮机热力循环，就叫做间冷循环。

（18）再热循环：为了在T3*恒定的条件下增大透平的膨胀功，可以使燃气在透平中稍微膨胀降温后，把它抽出来再喷油燃烧，使其温度恢复到T3*，然后再去膨胀，这样，就可以增加燃气在透平后几级的的膨胀作功量，从而达到提高机组比功的目的。

2、试证明，简单循环与机组热效率最大值对应的最正确压缩比，必定大于与机组比功达到最大值对应的最正确压缩比。

3.试说明，当压缩比等于1时，燃气轮机不可能有任何机械功输出，而压缩比很大，达到某个值时，燃气轮机也没有功输出。

答：在燃气轮机理论循环的分析中，假使近似地认为所有过程平均等压比热容相等，并且不考虑压损，这样燃气轮机的比功和内效率的解析式可分别表示为：

和

由以上两式可见，当压比时，比功和效率都为零。当压比提高时，比功和效率都

时，压气机耗功等于涡轮膨胀功，比功

提高，但当提高到到所谓极限压比：和效率又等于零。

4.环境温度的改变对燃气轮机的输出功率有什么影响？原因是什么？

答：随着环境温度的的降低，燃气轮机的比功和热效率增大，同时，空气的密度增大，流经燃气轮机的空气质量流量增大，因而燃气轮机的输出功率增大。反之，随着环境温度的升高，燃气轮机的输出功率减少。

5.一台燃用自然气的燃气轮发电机的供电效率为38％，自然气的低位发热量为38000kJ/Nm3，试求耗气率(Nm3/kWh)和热耗率(kJ/kWh)。解：热耗率：

气耗率：

6.提高燃气透平的燃气初温对燃气轮机的效率有什么影响？答：随着燃气初温的提高，燃气轮机的效率不断增大。

7.已知压气机进口空气总温为288K，总压为0.1013Mpa，压比为13.55，等熵效率为0.88，燃气透平的等熵效率也为0.88，环境的压为0.1013Mpa，温度比4.5，空气的比热容cp＝1.01kJ/（kg·K），γ＝1.4，试求燃气透平的出口总温。

解：燃气初温：

透平理论出口总温：

透平等熵效率：

透平出口总温：8.词语解释：

（1）压气机的基元级：在压气机级的某一半径r的地方，沿半径方向取一个很小在厚度△r，然后沿圆周方向形成一个与压气机的轴线同心的正圆柱形薄环，在这个薄环内包括有压气机级的一列动叶栅和一列静叶栅的环形叶栅。这组环形叶栅就是压气机的基元级。（2）压气机的级：一列动叶栅与它下游方向的一列静叶栅共同组成压气机的一个级。（3）反力度：气流在动叶栅内的静焓增量与滞止焓增量之比，即：

（4）冲角：叶栅的几何入口角与进气角之差，即

（5）基元级的流量：指单位时间内流过叶栅通流截面的气体数量，寻常可以用质量流量或体积流量来表示。（P53）

（6）压缩比：是一个表示空气通过压气机的级以后，压力相对升高的参数，寻常，它是一个无因次量，反映压气机级的增压能力。（P53）

（7）效率：是一个用来表示压缩过程中能量转换过程完善程度的性能指标。最常见的是等熵压缩效率。（P54）

（8）载荷系数：是一个衡量压气机级外加机械功量的特性系数。（P54）（9）滞后角（落后角）：叶栅的几何出口角与气流流出叶栅时的出气角之差。（P57）

9简述轴流式压气机的工作过程。

答：空气从进气道进入压气机，逐级地完成压缩过程，压力和温度升高，最终从排气道排出。10如何计算基元级中动叶栅与气流之间的作用力和外加的机械功？答：叶片对气流的轴向作用力：

工作叶轮加给气流的机械功：11.简述基元级中能量的转换过程与原因。

或

答：（1）外界通过工作叶轮上的动叶栅把一定数量的压缩轴功传递给流经动叶栅的空气，

一方面使气流的绝对速度却能增高，同时让气流的相对速度却能降低，以促使空气的压力得以增高一部分。（2）随后，由动叶栅流出的高速气流在扩压静叶中逐渐减速，这样，就可以使气流绝对速度却能中一部分进一步转化成为空气的压力势能，使气体的压力进一步增高。12.轴流式压气机的叶片为什么需要扭转？

答：对于采用直叶片的压气机级来说，除了靠近平均半径的地方以外，其他部分都会发生气流的共享现象，这不仅会恶化压缩效率，甚至使压气机无法正常工作。为此，就应当根据速度三角形沿叶片高度方向的变化规律来设计压气机级的叶片，这样的叶片必然是扭叶片。13.试分析轴流式压气机中的能量损失？

答：寻常，可以把压气机的能量损失概括为内部损失和外部损失两大类型。（1）所谓内部损失是指那些会引起压气机中空气的状态参数发生变化的能量损失，它们有以下几种：在压气机通流部分发生的摩擦阻力损失和涡流损失，径向间隙的漏气损失，级与级之间内气封的漏气损失，工作叶轮或转鼓断面与气流的摩擦鼓风损失。（2）所谓外部损失是指那些只会增加拖动压气机工作的功率，但不影响气流状态参数的能量损失，它们有以下几个方面：损耗在支持轴承和止推轴承上的机械摩擦损失，经过压气机高太侧轴端的外气封泄露到外界去的漏气损失。

14.简要分析轴流式压气机发生喘振的原因。

答：喘振现象的发生总是与压气机通流部分中出现的气流脱离现象有密切关系。当气流发生较大的脱离时，气流就会朝着叶栅的进气方向倒流，这就为发生喘振现象提供了前提。15.简要说明防止轴流式压气机发生喘振的措施。答：（1）在设计压气机时应合理选择各级之间流量系数

的协同关系，力求扩大压气

机的稳定工作范围。（2）在轴流式压气机的第一级，或者前面若干级中，装设可转导叶的防喘措施。（3）在压气机通流部分的某一个或若干截面上，安装防喘放气阀的措施。（4）合理地选择压气机的运行工况点，使机组在满负荷工况下的运行点，离压气机的喘振边界限有一定安全裕量的措施。（5）把一台高压比的压气机分解成为两个压缩比较低的高、低压压气机，依次串联工作；并分别用两个转速可以独立变化的透平来带动的双轴燃气轮机方案，可以扩大高压比压气机的稳定工作范围。

16.燃气轮机装置定压加热理想循环中，工质视为空气。空气进入压气机时的压力为0.1Mpa，温度为15℃。循环增压比π＝17，燃气轮机进口温度为1673K。循环的p－v图及T－s图见下图。若空气的比热容cp＝1.01kJ/（kg·K），γ＝1.4，试分析此循环。若燃气轮机进口温度为1273K，试分析此循环效率的变化。

解：燃气轮机定压加热理想循环由收下四个过程组成的，即：A.理想绝热的压缩过程1→2；B.等压燃烧过程2→3;C.理想的绝热膨胀过程3→4；D.等压放热过程4→1。

从图中可以看到：在理想绝热的压缩过程中，面积1p1p221就是理想绝热压缩功

。在

等压燃烧过程中，面积2s1s432就是空气在此过程中从外界吸入的即用q1。在理想绝热的膨胀过程中，面积3s4s123就是理想绝热膨胀功。在等压放热过程中，面积4s4s114就是燃气在此过程中释放给外界的热能q2。

在p-v图中，面积34123表示1kg空气在燃气轮机中完成一个循环后能够对外界输出的理想循环功；在T-s图中，面积34123与2s1s432的比值就是机组的循环效率

那么定压加热循环的理论效率为：

。

可以看出，按定压加热循环工作的燃气轮机装置的理论热效率仅仅取决于增压比，而和升温比无关；增压比愈高，理论热效率也愈高。

所以，

=55.49%

17．燃气轮机装置定压加热理想循环中，压缩过程若采用定温压缩，则可减少压气机耗功量，从而增加循环净功。在不采用回热的状况下，这种循环1－2`－2－3－4－1(如图)的热效率比采用绝热压缩的循环1－2－3－4―1是增加了还是降低了，为什么？解：绝热压缩时：

定温压缩时：

所以这种循环的热效率比采用绝热压缩的循环增加了。18.燃气轮机装置的定压加热理想循环中，工质视为空气，进入压气机的温度t1＝27℃、压

力p1＝0.1MPa，循环增压比??pp2?15。在燃烧室中参与热量q1＝433kJ/kg，经绝热膨

1胀到p4＝0.1MPa。设比热容为定值，试求：（1）循环的最高温度；（2）循环的净功量；（3）循环热效率；（4）吸热平均温度及放热平均温度。

解：

由

可得，

19.在燃气轮机理论循环的分析中，假使近似地认为所有过程平均等压比热容相等，即：

?cpt?cpy?cpg?cp和r1?r，并且不考虑压损，即?t????y??，这样燃气轮机内效率

的解析式可表示为：

?c??(1??t??r?1r)??(?yr?1?r?t?r?1r?1)/??y?r

??[1?(?*?1)/??y]*设Cp=1.092kJ/kg.K,ε=11,?y=0.89,?r=0.99,?t*=0.90，r=1.4,压气机进气温度T0=298K,求透平前温度T3为1223K，1323K，1573K时燃气轮机的内效率。并分析T3对燃气轮机内效率的影响。解：当

当

时，时，

当

时，

*

*

可见，当压气机进气温度不变时，随着透平前温度的增高，燃气轮机内效率增高。20.简述燃气轮机燃烧室的工作过程的特点。

答：（1）由于燃烧室进口气流速度较高，在如此高速下组织燃烧，无论从稳定火焰或降低压力损失方面考虑，都要采取专门措施，如设置扩压器、火焰管头部进气装置等。（2）利用火焰管开孔规律来控制气流分派，其中一部分空气主要是参与燃料的燃烧，另一部分空气主要是与高温燃烧产物掺混，以降低燃烧室出口的燃气温度，这样才能满足燃烧与涡轮要求的进口温度。（3）必需组织一部分空气冷却火焰管壁面。（4）对液体燃料，必需用喷嘴将它雾化，以加速其蒸发汽化，从而迅速形成与空气混合的可燃混合气。（5）在燃烧室结构设计中，需要细心考虑热膨胀问题。

21.从结构上燃气轮机燃烧室寻常可分为哪几类？各有什么优缺点？

答：从结构上燃气轮机燃烧室寻常可以分为：圆筒型、分管型、环管型以及环形。（1）圆筒型燃烧室的最大优点是：结构简单；机组的全部空气渡过一个或两个燃烧室，能适应固定式燃气轮机的结构特点，便于与压气机和透平配装；装拆简单。由于燃烧室的尺寸比较大，因而在流阻损失较小的前提下，比较简单取得燃烧效率高、燃烧稳定性好的效果。其缺点是：燃烧热强度低；笨重，金属消耗量大；而且难于作全尺寸燃烧室的全参数试验，致使设计和高度比较困难。

（2）分管型燃烧室的优点是：燃烧空间中空气的滚动模型与燃料炬简单协同，燃烧性能较易组织，便于解体体检和维护。由于流经燃烧室的空气流量只是整个机组进气问题的1/n，因而燃烧室便于在试验台上作全尺寸和全参数的试验，试验结果可靠而且节省费用。它的缺点是：空间利用程度差、流阻损失大，需要用联焰管传焰点火，制造工艺要求高。（3）环型燃烧室具有体积小、重量轻，流阻损失小，联焰便利、排气冒烟少，火焰管的受热面积小，发展潜力大等一系列优点，是一种很有发展前途的结构形式。它特别适合与轴流式压气机匹配。但是由于燃烧空间彼此沟通，气流与燃料炬不简单组织，燃烧性能较难控制，燃气出口温度场受进气流场的影响较大而不易保持稳定，同时，由于需要用机组的整个进气量作燃烧试验，试验周期长而花费大，加上结构的刚性差，在机组上又不便于解体检查，致使这种燃烧室曾长期未获广泛使用，但目前正在迅速发展之中。

（4）环管型燃烧室是一种介于环型和分管型燃烧室之间的过渡性结构型式。它兼备两者的优点，但却继承了重量较大，火焰管结构繁杂，需要用联焰管点火，制造工艺要求高等缺点。它适合与轴流式压气机协同工作，能够充分利用由压气机送来的气流的动能。在目前应用得还相当广泛。

22.为什么燃烧室能在高温下工作？

答：①选用耐高温材料；②合理控制燃烧室温度；③可靠的冷却保护措施。

23.为什么扩散燃烧型燃烧过程必然会产生较多的“热NOx〞污染物？减少这些污染物可以采用哪些措施？

答：（1）扩散燃烧，火焰面上的，其温度甚高，寻常为理论燃烧温度，它总是高于空气中的与起化学反应而生成时的起始温度。因而按这种方式组织的燃烧过程必然会产生数量较多的“热NOx〞污染物。

（2）为了减少这些污染物，可以采取三种措施，即：A.在高负荷条件下，向扩散燃烧的燃烧室中喷射一定数量的水或水蒸气，借以降低燃烧火焰的温度；B.在余热锅炉中安装所谓的选择性催化还原反应器（SCR）；C.采用催化燃烧法。

24.为了战胜均相预混方式的喘流火焰传播燃烧方法的缺点，可以采取哪些措施？答：（1）合理地选择均相预可混混合物的实时掺混比和火焰和温度。（2）适当增大燃烧室的直径或长度，以适应火焰温度较低时，火焰传播速度比较低的特点。（3）必要是在低负荷工况下依旧保存一小股扩散燃烧火焰，以防燃烧室熄火，并使满足燃气轮机燃烧室负荷变化范围很宽的要求。（4）合理地控制均相预混可燃混合物从调理阀喷口到燃烧区之间的输运时间，不使与燃烧室火焰管的共振周期重合，以防燃烧室发生振荡燃烧现象。（5）采用分组燃烧方式以扩大负荷的变化范围。

25.为什么采用分级燃烧方式可以扩大燃气轮机负荷的变化范围？

答：采用分组燃烧方式时，供入各级燃烧区的燃料量是根据机组负荷量的变化而不断改变的。26.说明干式低Nox燃烧室工作原理。

答：采用均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法，把燃料蒸气（或自然气）与氧化剂（空气）预先混合成为均相的、稀释的可燃混合物，然后使之以湍流火焰传播的方式通过火焰面进行燃烧，那时，火焰面的燃烧温度与燃料和空气实时掺混比的数值相对应。通过对燃料与空气实时掺混比的控制，使火焰面的温度永远低于1650℃，这样就控制“热NOx〞生成。27.燃气透平为什么能在高温下工作？

答：①选用耐高温材料；②合理控制燃烧室温度；③可靠的冷却保护措施。28.燃气透平初温是如何定义的？

答：目前有定义燃气透平初温的三种方法，即：A.燃烧室的出口温度；B.燃气透平第一级喷嘴环后的燃气温度；C.以进入燃气透平的所有空气流量计算的平均温度。29.说明轴流式燃气透平的工作原理。

答：高温高压的燃气在透平中作连续稳定的绝热滚动，逐级完成膨胀过程，推动工作叶轮旋转作功。

30.试说明基元级中燃气能量的转换关系。答：

31.试说明高温高压的燃气在透平中作功的过程和原因。

答：（1）首先，在喷嘴环中使燃气发生膨胀过程，以增高气流的滚动速度，这样，就能把燃气本身所具有的能量，部分地转化成为气流的动能。在这个过程中燃气的压力、温度和热焓都被降低了，但其比体积则增大，而速度却增高了。由于当时燃气与外界尚无热能和功量的交换，因而燃气的滞止焓值和滞止温度是维持恒定不变的，可是滞止压力则由于不可逆现象的存在，将略有降低。

(2)随后，将高速的燃气喷向装有动叶栅的工作叶轮。利用燃气在流过动叶栅流道时所发生的动量的变化关系，可以在动叶栅中产生一个连续作用的切向推力，借以推动工作叶轮转动，并对外作功。

(3)在工作叶轮中燃气的作功过程有两种方案可循。在冲动式透平级中，气流流过动叶栅时一般不再继续膨胀了，因而在动叶栅的前后，燃气的压力

、温度和相对速度

的大小

几乎不再发生变化；但是绝对速度和滞止焓值必然都有相当程度的降低。届时，燃气绝对速度却能的减少量将全部转化为燃气对外界所作的膨胀轴功。

但是，在反动式透平级中，气流流过动叶栅时还会继续膨胀。因而在动叶栅的前后，燃气的压力

、温度和焓值

都将进一步下降，而其比体积和相对速度

却有所增大。

当然，膨胀终了时燃气的绝对速度和滞止焓值也都会有相当程度的降低。在这种状况下，燃气流经工作叶轮时所发生的绝对速度动能与相对速度动能变化量的总和，将全部转化为燃气对外界所作的膨胀轴功。32.词语解释：

(1)燃气透平的基元基：

(2)燃气透平的级：一列静叶和一列动叶组成一个最基本的透平“级〞。

(3)中弧线：叶型中所有内切圆的圆心连线，它可以是一个圆弧、抛物线，或者是某一