《分布式能源》 课件 4.1燃气轮机-5个知识点

动力系统及主要部件动力系统燃气轮机内燃机燃料电池斯特林机不同动力技术比较教学目标：熟悉燃气轮机构造；掌握燃气轮机的工作原理；掌握燃气轮机热力循环原理；问题引入：什么是燃气轮机？什么是燃气轮机？燃气轮机（GasTurbine）是一种以连续流动的气体（空气和燃气）作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。特点：这种简单循环方案，结构简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、起动快、少用或不用冷却水等一系列优点。燃气轮机装置中的工质在不同设备间流动，完成循环。内部构成：工作原理：工作过程：压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气/烟气；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。从透平中排出的废气排至大气自然放热。工作过程通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的，它是透平的负载。

大家知道透平输出的功有多少是用来驱动压气机的吗？工作过程在简单循环中，透平发出的机械功有1/2~2/3左右用来带动压气机，其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。

还有一个问题：最开始的阶段，透平不做功，压气机是如何运行的？工作过程在燃气轮机起动的时候，首先需要外界动力，一般是起动机带动压气机，直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界起动机脱扣，燃气轮机才能自身独立工作。工作原理：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，称为高温燃气/烟气；烟气随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温烟气其做功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止启动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，启动机才脱开。谢谢燃气轮机的简单循环：在空气和燃气的主要流程中，只有压气机（Compressor）、燃烧室（Combustor）和燃气透平（Turbine）这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。热力循环燃气轮机运行的整个热力循环（以气体为介质）可以概括为：压缩——加热——膨胀——放热那么，最理想的循环状态应该如何呢？理想热力循环燃气轮机装置的理想热力循环，是由19世纪美国工程师G.B.Brayton所提出，因而得名。布雷顿循环是由绝热压缩过程1-2、定压加热过程2-3、绝热膨胀过程3-4和定压放热过程4-1所组成的可逆循环。同学们试在压-容(p-V)图和温-熵(T-S)图上表示？热力循环其它循环除了简单循环外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；此外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。谢谢燃气轮机循环热效率热力学分析如何提高燃气轮机循环热效率？先讨论，理想状态下循环热效率的提高方法；再分析，实际状况下的循环热效率提升理想状态燃气轮机循环热效率理想状态下，循环热效率仅跟循环增压比（压缩比）有关，或者说跟绝热压缩的终温和初温有关。同循环增温比没有关系。效率提高燃气轮机工作性能影响因素？燃气初温和压气机的压缩比提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机性能显著提高。疑问知识点1：什么是压缩比？知识点2：同学们知道燃气初温一般是多少吗？解答知识点1：什么是压缩比？压缩比表示了气体的压缩程度，它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。现代汽油机的压缩比可达8—11。大家想想柴油机的压缩比比这个数值高？还是低？解答现代汽油机的压缩比主要受到爆震的限制。而柴油机没有爆震的限制，压缩比一般为12～22，所以这也是为什么我们常说柴油机“力”更大。知识拓展增压比是什么？​增压比和压缩比有没有什么关系？同学们知道哪些增压技术？知识拓展增压比是什么？​对增压发动机而言,增压器排气出口的压力与正常进气时进气口压力的比值。知识拓展​增压比（增压技术）和压缩比有没有什么关系？增压可以提高缸内的压力，但是不能改变压缩比。但是增压技术的效果与提高发动机自身压缩比的效果是异曲同工的，都是通过在压缩行程时提高空气与汽油的混合程度，从而提高发动机性能。所以，有增压技术的发动机，在设定压缩比时，都会比同排量自然吸气发动机的压缩比低。知识拓展同学们知道哪些增压技术？涡轮增压（T），机械增压（K）。在自然吸气发动机的基础之上增设。解答知识点2：燃气初温一般是多少？上世纪

70年代末，压缩比最高达到31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右，航空燃气轮机的超过1350℃。燃气初温是提高燃机轮机性能的关键所在，若要在这点上有所突破，有两点最关键。理想状态燃气轮机循环净功有时我们除了想要高的热效率，还想得到单位工质在循环中产生的净功。理想状态下，循环净功除了跟循环压缩比有关外，还有循环增温比有密切关系。值得注意的是：净功并不是完全随着增压比的增大而增大的。要想得到最高的净功，我们有一个最佳增压比的概念。解答燃气初温透平叶片的冷却耐高温的材料高温陶瓷材料Si3N4SiC1360℃谢谢燃气轮机实际循环循环增温比越大，实际循环热效率越高。保持循环增温比不变，随循环增压比的增加，热效率有一个极大值。增加增温比，热效率和增压比也提高。减小压气机压缩过程和透平膨胀过程的不可逆性。所以，循环特性参数中，循环最高温度最为关键。燃气轮机实际循环效率提升措施在不改变参数的基础上，我们是否还有提升效率的措施？有！回热在回热的基础上分级压缩、中间冷却在回热的基础上分级膨胀、中间再热热力循环提升措施说明若在回热的基础上，分级膨胀和压缩无数次，该循环衍变成了什么呢？但必须指出的是，这一切理论分析是建立在引入回热的基础上，如果不采用回热，仅仅采用分级，整体的热效率不仅不会升高，反而降低。燃气轮机工况深入了解燃油燃烧产生的燃气温度通常可高达1800~2300K，这时二次冷却空气（约占总空气量的60%~80%）经通道壁面渗入与高温燃气混合，使混合气体降低到适当的温度，而后进入透平。在透平中，混合气先在静叶片组成的喷管中膨胀，把热能转变为动能，形成高速气流，然后冲入固定在转子上的动叶片组成的通道，形成推力推动叶片，使转子转动而输出机械功。燃气轮机特点一种旋转式热力发动机。没有往复运动部件以及由此引起的不平衡惯性力，故可以设计成很高的转速。工作过程都是连续的。可以在重量和尺寸都很小的情况下发出很大的功率。燃气轮机应用燃气轮机与冷热电联产谢谢微型燃气轮机微燃机（Microturbine）是近些年（20世纪90年代）开发出来的，在美国首次用在汽车上，其组成为：压气机、燃烧室、透平和发电机。国际上通常将功率范围在25~300kW之间的燃气轮机称为微型燃气轮机。微型燃气轮机构造特点采用径流式叶轮机械（向心式的透平和离心式压气机，在转子上两者叶轮为背靠背结构）。通常采用高效板翅式回热器，有些还采用空气轴承，不需要润滑油系统。体积非常小、无污染、无噪声，与发电机同为一体，便于搬运和安装，能提供优质的冷热电能源。微燃机性能同大型汽轮机相比，微燃机工作时的压缩比要低。以天然气、汽油、柴油等为燃料，单独发电效率虽难以超过30%，但产生的余热容易利用。一般，带有回热、变频、高速电动机等设施的微燃机效率可达25%~30%；排烟温度在200~300℃；系统的能源利用效率达70%~90%，且排放很小。微燃机竞争优势简单的径向设计构造，紧凑减振，成本较低。与透平同轴的高速交流发电机，进一步降低体积。高效的回流换热器提高整体效率。智能的功率逆变控制器。解决为用户电力输出、自动控制等一系列问题。微燃机的未来高效率。（目标是40%）环保。（NOx<7×10-6）耐用。（11000h）经济型。（along,longwaytogo）适应多种燃料。灵活