燃气轮机及其热力循环

燃气轮机及其热力循环第1页/共45页课程教学大纲一、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

第2页/共45页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）第3页/共45页六、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；第4页/共45页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第5页/共45页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。第6页/共45页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：等压燃烧第7页/共45页陆用双轴燃气轮机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，轴流式涡轮第8页/共45页某一舰用燃气轮机示意图轴流式压气机，轴流式涡轮第9页/共45页航空燃气轮机1-进气道2-压气机3-燃烧室4-涡轮

5-加力燃烧室6-排气道喷嘴第10页/共45页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。第11页/共45页涡桨：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。第12页/共45页涡桨：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。第13页/共45页涡轴：速度＜400km/h的直升机，汽车，发电机组等。第14页/共45页涡轴：速度＜400km/h的直升机，汽车，发电机组等。欧洲NH-90直升机第15页/共45页涡轴发动机自升飞机内部结构第16页/共45页发电机组用燃气轮机-涡轴发动机第17页/共45页涡喷：现代航空用发动机的主流机型。第18页/共45页涡喷：现代航空用发动机的主流机型。第19页/共45页涡扇：推力较大的一种涡喷燃气轮机，常用做大型客机动力。第20页/共45页第21页/共45页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第22页/共45页三、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第23页/共45页（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第24页/共45页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。第25页/共45页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。第26页/共45页

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。第27页/共45页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Ａ６的1.8Ｔ（即Turbocharged，涡轮增压），直至最新的帕萨特1.8Ｔ。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。第28页/共45页四、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）可靠性第29页/共45页（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，第30页/共45页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。第31页/共45页

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。第32页/共45页五、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图第33页/共45页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第34页/共45页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：ηc＝0.85～0.9；涡轮机：ΗT=0.85～0.92；离心式压气机：ηc＝0.75～0.85；向心式涡流机：ηT＝0.75～0.88；第35页/共45页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第36页/共45页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。第37页/共45页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。第38页/共45页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。第39页/共45页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