清华大学《联合循环》课件第2章.ppt

1、第二章 燃气轮机循环理论基础,第一节 燃气轮机循环概述,1、理想循环和实际循环 理想循环构成燃气轮机的四个过程可逆 理想循环不是卡诺循环（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 燃气轮机循环概述,理想循环T-S 图和P-v图,第一节 燃气轮机循环概述,画图注意： 12温差? 34温差,第一节 燃气轮机循环概述,实际循环 四个不可逆过程 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) 进气过程有损失 排气放热过程不等压 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与实际循环,第一节 燃

2、气轮机循环概述,不考虑进、排气和燃烧室内的流动损失循环T-S 图 考虑燃烧室内流动损失的T-S图？ 考虑进、排气和燃烧室内的流动损失循环T-S 图P-v图？,1、燃气轮机的理想循环与实际循环,第一节 燃气轮机循环概述,第一节 燃气轮机循环概述,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变化,回热循环,微型燃机 不回热效率1720% 回热,T2增加，T4下降，平均吸热温度增加，平均放热温度减小，换热温差减小，效率 2630%。代价？限制？,第一节 燃气轮机循环概述,2、燃气轮机的简单循环与复杂循环,GE公司LMS

3、100，采用间冷循环，目的：加大比功，简单循环效率最高燃机46，功率10万千瓦，压比42，10分钟启动到满负荷,燃气初温1380度。间冷代价？,第一节 燃气轮机循环概述,2、燃气轮机的简单循环与复杂循环,再热循环,得：比功增加 失：设备排气温度增加，向冷源放热增加 限制条件？,第一节 燃气轮机循环概述,间冷回热 再热回热 间冷、回热、再热循环,2、燃气轮机的简单循环与复杂循环,第一节 燃气轮机循环概述,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,交叉双轴,高拖低,负载任意，高压透

4、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(paraller-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,第一节 燃气轮机循环概述,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,多轴,第一节 燃气轮机循环概述,4、燃气轮机复合循环：燃气轮机与其他的热能动力装置，或热力系统，或热力循环组合在一起，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,第一节 燃气轮机循环概述,4、燃气轮机复合循环： 废气涡

5、轮增压器（没有燃烧室的燃气轮机）与内燃机的复合循环,涡轮增压发动机(T) 涡轮复合发动机,第一节 燃气轮机循环概述,4、燃气轮机复合循环： 使用燃气轮机的动力回收系统,生产过程需要压缩气体 生产过程最终排除有一定压力和温度的气体 目的：生产过程为主，动力回收为辅助，减小生产能耗,发电机/电动机,第一节 燃气轮机循环概述,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压力,氧化反应放出热量,制取硝酸的动力 回收装置,C1出口压力0.20.5MPa 氨氧化器内空气与氨生成高温亚硝酸气,经过余热锅炉降低温度 C2出口压力0.71.5MPa 吸收塔和脱气塔内生成硝酸 尾气经换热器加热,

6、200510度,进入透平作功 汽机蒸汽来自亚硝酸气余热锅炉,第一节 燃气轮机循环概述,4、燃气轮机复合循环： 使用燃气轮机的动力回收系统,透平膨胀机(获得较低的温度),可以达到超过-100度的制冷效果 利用: 制氧 发动机模拟高空试验,第一节 燃气轮机循环概述,4、燃气轮机复合循环： 燃气轮机多联供系统-热电联供,不供热而净发电，发电功率为77.28MW, 效率44% 设计负荷供热和发电，电功率为69.59MW, 供热60MW ，热利用率73%； 最大发电功率和最大供热时，发电功率75MW，供热80MW，热利用率86% 只用余热锅炉排气道上的换热器E供热，可供热19.43MW,两台2.55万千

7、瓦三轴燃机 两台余热锅炉，一台2.6万汽机 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8000NM3/h,第一节 燃气轮机循环概述,4、燃气轮机复合循环： 燃气轮机多联供系统-冷热电联供,旅社夏季平均需电1300kW 燃机:480kW 电不足电网供应 蒸汽不足锅炉供应,机组日工作12小时，旅馆总能源消耗节约27%以上,第一节 燃气轮机循环概述,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N

8、2、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(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。,第一节 燃气轮机循环概述,4、燃气轮机复合循环：燃气轮机多联产系统,多联产中能源、资源、环境一体化系统图,经济性分析 1000元气 2000元甲醇 1000元气 1000多元电 CO变换 CO+H2O=CO2+H2,第一节 燃气轮机循环概述,4、燃气轮机复合循环： 与轻水反应堆组合的燃气-蒸汽联合循环,反应堆出来的为饱和蒸汽，温度较低

9、高压压气机出来的蒸汽经过低压过热蒸汽加热 效率提高35 减少转子与隔板的水蚀,第一节 燃气轮机循环概述,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,氦气透平前温 750900度 联合循环效率4550,第一节 燃气轮机循环概述,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,为什么选择?为工质,冷却反应堆,传热性能好 2 中子捕获截面较小 射线下不会分解 4 大范围内不发生相变 对所接触的其他物质化学上稳定 比功大 7 放射感应性小 8 便宜 9 容易补充,第一节 燃气轮机循环概述,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 高温气冷堆可以直接使用的气

10、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, CO2,1,第一节 燃气轮机循环概述,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 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,第一节

11、燃气轮机循环概述,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),第一节 燃气轮机循环概述,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 对燃机适应性 紧急状态适应性 N2,和, CO2,好,可以用空

12、气补充,氦气需要考虑其他方法 燃机总热效率 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,第一节 燃气轮机循环概述,4、燃气轮机复合循环： 与燃料电池组合的燃气-蒸汽联合循环,第二节 单轴燃气轮机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,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,1、 单轴燃气轮机简单理想

13、循环的热力学分析,理想循环实际循环回热循环 效率、比功、有用功系数,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,1、 单轴燃气轮机简单理想循环的热力学分析,压气机耗功(进入压气机的是1kg/s空气),透平作功,循环吸热量 Q1= xCpgT3* - CpaT2s*,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,1、 单轴燃气轮机简单理想循环的热力学分析 效率,= T3*/ T1*，温比 x=Gt/Gc,假定,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,1、 单轴燃气轮机简单理想循环的热力学分析 循环效率只是压比的函数，与燃气的初温T3*无关 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

14、热比k值越大，由m = (k-1)/k 可知，压比相同，使用k值大的工质，其循环效率较高。（空气，k=1.4，对于氦气，k=1.660） 效率与x、y、无关,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,1、 单轴燃气轮机简单理想循环的热力学分析 比功定义？ 比功是指对于1kg的压气机进气来说，燃气轮机的作功量,最大比功压比w. op t,x、y、增加，比功增加 比功大,表明对于一定功率机组, 结构紧凑,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失）,假设:吸热和放热过程等压,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的

15、热力学分析（忽略流阻损失）,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 循环效率*各参数影响分析（压比、温比）,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 循环效率*各参数影响分析与理想循环的比较,*T 增大，减小，压比越高，*与T之间的差值会越来越大,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 循环效率*各参数影响分析燃气轮机实现运行条件,循环效率值为正 压比越大或者压气机效率和透平效率越低，要求值越大，也就是所要求的T3*温

16、度越高,不满足，启动机停，燃机停,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 循环效率温比,c),增加时，T3*温度增大，增大，循环效率增大； 增幅下降。,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 循环效率压比,d) 压比1，0；,0；,. op t ,=1- Q2/Q1,0 增大 最大 减小 0 负功,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 循环效率最佳效率压比,， ，,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴

17、燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 循环效率 cc增大， *线性地增大； 效率t的增大， *线性增大 c的增大，*非线性增大。,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 循环效率x的影响,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 x值增大（与温比对效率的影响相同）， 循环效率*相应地增大 实际情况，厂用电增加，循环效率下降,天然气,e,1.5-2%,高炉煤气19%,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 循环效率y影响

18、,y值增大（与温比对效率的影响相同）， 循环效率*相应地增大 T3增加，y增加 与使用燃料的种类和性质有关,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 比功,T1*保持不变，比功随T3*(即温比)的增大线性增大, T1*减小，比功增大,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 比功,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 最佳比功压比和最佳效率压比关系,? ?,最佳效率压比另一表达式假设忽略燃烧效率影响,最佳效率压比满足,

19、第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 比功最佳效率压比和最佳比功压比的关系,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失） 比功,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 ？ 对压气机效率求偏倒数，导函数值0，是增函数，因而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。,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,2、 单轴燃气轮机简单实际循环的热力学分析（忽略流阻损失）

20、有用功系数,X,y,温比、透平、压气机效率增大，有用系数增大增大。 压气机压比增加，有用功系数下降,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,3、 单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析,考虑压气机进气管道流动损失与通过空气过滤装置的损失，压气机进口前P1*=cPa*进口，c，压气机总压保持系数 燃烧室是准等压燃烧，P3*=ccP2*, cc，燃烧室总压保持系数 考虑透平排气管道的流动损失, 透平出口排气压力P4*=Pa*/t，t是透平总压保持系数,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,3、 单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析：效率,流阻损失测度参数,c*,第二节 单轴

21、燃气轮机简单循环热力学分析,3、 单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析：比功,如果,比功为0,要求,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,3、 单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析数学证明,增大(流阻损失减小), c上升, 比功上升,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,3、 单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析,最佳效率压比,最佳比功压比,两个最佳压比关系,减小，wopt增大,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,3、 单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析,(1+-)0，减小，opt减小， (1+-)0 ， 增大，opt减小. 对于比功，

22、 减小，wopt增大 现在的科技条件下，x,y,c,t五个参数的选择成套，一般 (1+-)0，所以流阻损失增大，两个最佳压比靠近,分子分母同乘,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,作业二 GE公司9FA数据（非最新F级燃机） 压气机压比：14.9798 膨胀比：13.8529 压气机效率：0.8831 透平效率:0.9271 进口温度：15度 燃烧室出口温度：1288度 燃烧室效率1 如果需要可以在计算中采用的燃料成分：CH4 84%，C2H6 16% 求最佳效率压比 最佳比功压比 指出自己的计算过程中做了哪些假设,c=f(cc,x,y,c,t,m,),第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分

23、析,4、 单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析：各个参数对循环效率影响的影响系数分析法,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,3、 单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析：各个参数对循环效率影响的影响系数分析法,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析：各个参数对循环效率影响的影响系数分析法 计算例子:暂不考虑比热比变化，Scc=1,t=0.90,c=0.87,cc=0.99 =5.1146, x=1.00, y=1.00 m=0.286, c=12, =0.909 计算结果,t=0.92,c=0.89,cc =0.99

24、=5.4618 ,x=1.03,y=1.00 m=0.286, c=16, =0.833,见第二章见1简单循环Sj.doc,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析：各个参数对循环效率影响的影响系数分析法 部件性能提高，则循环效率提高， 对循环效率影响排序：透平效率、燃烧室效率、压气机效率、流阻损失、温比、压比 提高三大部件的设计、制造技术是提高循环效率的重要手段 进排气系统需精心设计和制造,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,单轴燃气轮机简单实际循环考虑流动损失的热力学分析：组合参数 =T3*/T1*, =ccct,第二节 单轴燃气轮机简单

25、循环热力学分析,4、 考虑空气和燃气比热比差异的循环计算 K值差异对于各参数对循环效率影响定性分析没有本质差别。精益求精！ K=1.4 m=0.2857, k=1.33, m=0.2481,T3*=1373K, T4* ?,需要考虑空气和燃气比热比的差异！,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,4、 考虑空气和燃气比热比差异的循环计算,效率 比功,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,4、 考虑空气和燃气比热比差异的循环计算,燃气绝热指数增加，m增加，循环效率增加，比功增加,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,4、 考虑空气和燃气比热比差异的循环计算 k对最佳压比的影响 数值法 t=0

26、.90,c=0.87,cc=0.99,x=1,y=1,t1*=15，=0.833, k a=1.4,kg=1.4,kg=1.33, 温比:4.7674,5.1146,5.4618,5.8090 计算结果：k压比温比对循环效率的影响pai.doc,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,4、 考虑空气和燃气比热比差异的循环计算 K对最佳压比的影响 结论： 考虑燃气和空气的比热比差异，K小，同样的膨胀比情况下，透平排气温度增高，循环效率显著降低； 对应的最高效率压比降低 考虑燃气和空气的比热比差异，比功降低，对应的最佳压比降低,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点

27、热力计算 设计点：给定的飞行和大气条件（飞行高度、马赫数和大气温度、压力）选择满足单位性能要求（单位推力和耗油率）的发动机工作过程参数依据推力确定发动机的空气流量和特征尺寸（涡轮导向器和尾喷管喉部尺寸）,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算 有效推力 单位：N,daN（10牛），kN 单位推力：单位N.S/kg,耗油率：发动机每产生一单位推力所消耗的燃油量,耗油率单位：kg/(N.h)， kg/(daN.h),推重比（本课程不涉及）,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算

28、给定的已知条件： 给定的飞行条件和大气条件：飞行高度、飞行马赫数、大气温度和大气压力 对发动机的性能要求，如推力、单位推力、耗油率 选择一组工作过程参数：压气机压比、外涵风扇增压比、涵道比、涡轮前温度、加力温度 预计的发动机各部件的效率和损失系数,5、 发动机设计点热力计算标准大气条件,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算假设 气流是完全气体，定常、一维 气体流经进气道、风扇、压气机、涡轮和尾喷管时具有各自恒定不变的cp,cv,k 气体流经燃烧室、混合室、加力燃烧室cp,cv,k,R改变 要求更高精度、变比热容热

29、力计算,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算截面定义,0 远前方自由流 1 进气道外罩进口 2 进气道出口 风扇进口 22 风扇出口 2.5 高压压气机进口 3 高压压气机出口 4 燃烧室出口，高压涡轮导向叶片进口，模拟的冷却混合器1#进口 4a 导向叶片出口,冷却混合器1出口,高压涡轮进口 4.5 高压涡轮出口,模拟主流冷却气混合器2#进口 4c冷却混合器2出口,低压涡轮进口 5 低压涡轮出口 内涵气流混合室进口 6 混合室出口 7 加力燃烧室出口, 尾喷管进口 8 尾喷管喉部 9 尾喷管出口,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮

30、机发动机设计点热力计算算例 飞行马赫数：1.6 飞行高度：11公里 T0=216.7K P0=0.227105Pa a=295m/s 涵道比：B=0.4(外涵空气流量与内涵空气流量比） 风扇增压比:CH=4.474 总的压气机增压比: C=17 燃烧室出口总温Tt4=1800K 加力燃烧室出口总温度:Tt7=2000K,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 进气道总压恢复系数imax :0.97 风扇绝热效率:0.878 燃烧效率:0.98 燃烧室总压恢复系数b :0.97 低压涡轮效率:0.92 高压涡轮效率:0.90 混合室总压恢复系数m :0

31、.97 加力燃烧室总压恢复系数:0.960.98 外涵风扇出口到混合室进口总压损失系数II：0.98,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 尾喷管总压恢复系数:0.97 高压轴机械效率:0.98 低压轴机械效率:0.98 空气 k=1.4 cp=1.005kJ/kg.K 燃气 k=1.3 cp=1.224kJ/kg.K R=0.287kJ/kg.K 燃油低热值Hf=42900kJ/kg 冷却高压涡轮空气5， 冷却低压涡轮5 飞机引气系数：1,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 0-0截面 气流速度 c0=a0*Ma0=2951.6=472m

32、/s 截面总温和总压,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 进气道出口截面总压和总温 进气道出口总压恢复系数按照经验公式估算 Ma01.0, i=0.97 Ma01.0, i=0.971-0.075(Ma0-1)1.35=0.9335 Pt2= iPt0=0.93350.9648105 =0.9006 105 ，Pa Tt2=Tt0=327.65K,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 风扇出口参数 Pt22=Pt2CL=0.90061053.8=3.42105，

33、Pa 风扇出口总温： 每千克空气压缩耗功：,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 高压压气机出口参数 Pt3=Pt22CH= 3.42105 4.474=15.3105，Pa 出口总温： 每千克空气压缩耗功：,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 燃烧室出口参数 燃烧室能平方程： 油气比 pt4=pt3b=14.84105，Pa， Tt4=1800K,Tt4,W3a+Wf,Tf, Wf,Tt3,W3a,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 高压涡轮,高压 压

34、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,低压涡 轮转子,wc,Wc 飞机引气用,Wc2,Wc1,3,3a,4,4a,4.5,4c,5,W3=Wc, W3a=Wc(1-1-2), W4= Wc(1-1-2)(1+f) W4a=W4.5= Wc(1-1-2)(1+f)1 W4c=W5= Wc(1-1-2)(1+f)1 2,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 高压涡轮混合器1能平方程,冷却气流与主 流混合模型1,主流W4,混合流W4a,Wc1,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计

35、点热力计算算例 高压涡轮出口总温，高压涡轮膨胀比 高压转子的功率平衡,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 低压涡轮混合器1能平方程,低压转子功率平衡方程,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 混合室出口参数， 入，外涵空气、低压涡轮出口燃气，出混合燃气 混合室能平方程,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 加力燃烧室参数 入，混合室出口燃气、燃油，出，截面7混合燃气 加力燃烧室油气比 能平方程,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 加力燃烧室参数 发

36、动机总油气比,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 加力燃烧室参数 加力时 Tt7=2000K, Cp7=1.244kJ/(kg.K)近似 加力油气比 fab=0.03229 加力时总油气比 f00.05426 不加力总油气比 f00.02221 加力出口气流总压 不加力出口气流总压 不加力 Tt7=1064KTt6,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 尾喷管参数 加力出口总压 不加力出口总压 加力时总温 Tt92000K 不加力总温 Tt91064K 不加力马赫数,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学

37、分析,完全膨胀，p9=p0=0.227bar,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 尾喷管参数 加力马赫数 根据出口总温和马赫数确定出口静温 加力出口静温 不加力出口静温 578.36K 加力音速 不加力音速465m/s,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 尾喷管参数 加力出口速度 c9=a9Ma9 1499m/s 不加力出口速度 1100m/s,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 单位性能参数 单位推力,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 单位

38、性能参数完全膨胀 加力单位推力1098 N/(kg.s-1) 不加力单位推力645 N/(kg.s-1) 加力油耗 不加力油耗 0.124 kg/(N.h), 加力状态比不家里状态油耗增加40,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 单位性能参数压比对总性能影响,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,压比增加，单位推力先增后减小。存在最大推力压比 压比低，循环效率低 压比过高，循环加热量小,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 单位性能参数压比对总性能影响 sfc=3600*f0/Fs 压比增加油耗先降后升，存在最经济压比 小压比情况下压比增

39、加，单位推力迅速增加，加热量下降，油耗下降。最大推力压比附近，推力变化平缓，油气比继续下降，耗油率降低。继续增大压比，加热量小，推力减小，耗油率增大,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,最大推力压比小于最经济压比,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 单位性能参数压比选定原则 战斗机要求尽可能大的单位推力，压比选定在最佳单位推力附近 兼顾到耗油率低，选在最佳推力压比右边 压气机出口总温不能太大，铝合金盘与叶片，出口温度不超过875K，镍合金不超过975K，镍合金较重 压气机部件质量应较小,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算算例 单位性能参数

40、涡轮前温度对总性能影响 sfc=3600*f0/Fs 温比增加，单位推力单调增加 存在最经济涡轮前温度，对应最低油耗。,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,5、 航空燃气轮机发动机设计点热力计算 作业3（航空必选，15日前交） 以本题为例 研究总压比对单位推力和耗油率的影响（按照本题的压比分配关系来做，B=const,T4=const） 研究温比对单位耗油率的影响（温度1000K2000K) 研究涵道比对单位推力和耗油率（0.32.0，注意：注意压气机压比在高压压气机和风扇之间的分配,大的涵道比要求小的风扇压比，约束条件为低压透平出口的压力和风扇出口压力相等)，完成计算、画图、分析,第二节

41、 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,6、 小结 a)理想循环 效率只是压比和工质的函数，压比越高，工质的定压比热越大，循环效率越高,与x,y，温比无关 b)实际过程（忽略流动损失） 存在最大效率压比和最大比功压比，最佳效率压比大于最佳比功压比。压比越大，实际循环与理想循环效率差距越大 温比增加，循环效率增加,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,6、 小结 b)实际过程（忽略流动损失） x增加，循环效率增加 y增加，循环效率增加 c)实际过程（考虑流动损失） 总压保持系数增加，循环效率增加，比功增加 流动损失增加，最佳效率压比减小，最大比功压比增大，两个

42、最佳压比靠近,第二节 单轴燃气轮机简单循环热力学分析,6、 小结 d)实际过程（考虑比热比变化） 燃气比热比降低，循环效率有相当幅度的降低 对应的最佳比功压比和最佳效率压比降低,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环,不考虑流动损失，循环输出功不变 平均吸热温度增加、放热温度减小量减小、循环效率提高,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环,Rekuperator Svenska AB 完全激光焊接的主表面逆流式回热器,Powerworks70kW燃机 回热器,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环,几种板翅式回热器表面形状

43、,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 国内研制的100kW燃机用回热器,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 国内研制的100kW燃机用回热器设计参数,空气出口温度 862K,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 回热器设计相关参数 回热度 0.88 燃气侧压力损失系数 0.96 空气侧压力损失系数 0.98 回热器紧凑度 m2/m3(100kW燃机为1480）,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环(不考虑流动损失） 回热度：空气在回热器中获得的热量与可以利用的热量之比,忽略空气燃气比热差异,燃气在回热器中放热,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热

44、力学分析,1、 燃气轮机回热循环(不考虑流动损失）,？,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环(不考虑流动损失） 回热器热平衡方程,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环(不考虑流动损失） 效率,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环(不考虑流动损失） 比功,实际情况是否回热对比功无影响,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环(不考虑流动损失） 极限压比：T2*=T4* 对应的压比,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环(不考虑流动损失） 最高效率压比,随着回热度提高，最高效

45、率增加，最高效率对应的最佳压比减小，原因：压比越小时，由换热器所带来的燃料节省越显著的缘故。 回热度在某个值以上时，出现,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环(不考虑流动损失） 方案设计：选定透平进口温度，选定压气机、透平效率，确定采用回热循环。定一个回热度（最小0，最大1，做不到！），给定设计的基准参数进口温度、压力，进而确定温比，改变压比，求此回热度下的最大效率 改变回热度，重复计算,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环(考虑流动损失） 流动损失增大、循环效率下降 存在最佳效率压比，可以通过数值计算方法求 临界压比存在，条件是T2*=T4

46、* ，考虑回热器流阻损失时的临界压比值要大于不考虑回热器流阻损失时的临界压比值，原因：回热器的流阻损失使透平的焓降减小，从而透平出口的排气温度变高。 考虑流阻损失，比功减小。考虑回热器的流阻损失后，使比功最大的最佳压比值变大了,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环(考虑流动损失） 全面损失模型,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环(考虑流动损失） 全面损失模型,作业312月15日交 t=0.92,c=0.89,cc =0.99，k=1.4 =5.4618（T1*=15,T3*=1300) ,x=1.03,y=1.00 =0,0.2,0.4,0

47、.6,0.8,1.0 求各回热度下的最佳效率压比,最佳比功压比， 求临界压比,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,1、 燃气轮机回热循环,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,2、 燃气轮机间冷循环,比功增加部分,输出功增加、 循环加热量增加，效率变化?,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,2、 燃气轮机间冷循环(不考虑流动损失） 间冷从和冷？,12 增加比功为0，1212 低压比条件下间冷，比功增加小，1 中间压比间冷，比功增加大，2 高压比间冷，比功增加小,2点和1点的总压相等 2点和2点的滞止压力相等,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,2、 燃气轮机间冷循环(不考虑流动损失） 间冷从和冷？ 忽略流动损失,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,2、 燃气轮机间冷循环(不考虑流动损失） 假定两段压缩效率相同,对c1求偏倒数,压气机耗功最低,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,2、 燃气轮机间冷循环(不考虑流动损失）,两次间冷 N-1次间冷,无穷多次间冷等效于等温循环，目前不可能实现,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,2、 燃气轮机间冷循环(不考虑流动损失）,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,2、 燃气轮机间冷循环(不考虑流动损失）,N1次间冷,第三节 单轴燃气轮机复杂循环热力学分析,2、 燃气轮机间冷循环(不考