燃气轮机燃气透平教学课件PT

1、第四章第四章 燃气透平燃气透平 概述概述（功能、分类、基本结构等）（功能、分类、基本结构等）； 轴流式燃气透平的工作原理；轴流式燃气透平的工作原理； 透平级中的能量损失、效率和速度比；透平级中的能量损失、效率和速度比； 多级透平；多级透平； 透平特性；透平特性； 燃气透平的冷却。燃气透平的冷却。 六、透平级的热力过程六、透平级的热力过程i-s图图 o o* c02/2 p0 p0* p1* p1 1s 1h 1 h1s =c1s2/2 1* p2 p2* 2s 2s 2 h2s h2s 2s* 2* c22/2 2* 余速损失余速损失hc2= h2 理想焓降理想焓降 hs hu实际焓降实际焓降

2、 i s 整个涡轮级 0-1喷嘴 1-2叶轮 h hi 内功内功 4-3 透平级中的能量损失、效率和速度比透平级中的能量损失、效率和速度比 一、透平级的能量损失一、透平级的能量损失 1、喷嘴损失、喷嘴损失 h1 2、动叶栅损失、动叶栅损失 h2 3、余速损失、余速损失 hc2 4、内损失、内损失 h 发生在透平通流部分的内部发生在透平通流部分的内部 直接影响燃气参数、功率和流量变化直接影响燃气参数、功率和流量变化 2222 2 1111 1 2 1 h(1)(1) 222 ss cccc 2222 2 2222 2 2 1 h(1)(1) 222 ss wwww 2 2 2 c h(1) 2

3、01 c 余速利用系数 透平级数越多， 越大 轮周损失轮周损失 最大，约占总作最大，约占总作 功量的功量的10% h2 h 1 hc2 n静叶能量损失系数：静叶能量损失系数： n动叶能量损失系数动叶能量损失系数： n余速动能损失系数：余速动能损失系数： 2 2 s h h 1 1 s h h 2 2 c c s h h （1）气流流经透平叶栅时产生的损失）气流流经透平叶栅时产生的损失 n型阻损失和端部损失（包括二次流损失）两大类。 一、型阻损失一、型阻损失 n主要由五种现象造成的： （1）叶栅附面层中产生的摩擦损失。）叶栅附面层中产生的摩擦损失。 （2）叶栅附面层中产生的气流分离损失。）叶栅附

4、面层中产生的气流分离损失。 （3）在叶片出口尾迹中产生的涡流损失和掺混损失。）在叶片出口尾迹中产生的涡流损失和掺混损失。 （4）在气流中可能发生的激波现象引起的能量损失。）在气流中可能发生的激波现象引起的能量损失。 （5）在有叶片冷却时引起的冷却气流对附面层和主流的）在有叶片冷却时引起的冷却气流对附面层和主流的 干扰损失。干扰损失。 气流流经透平叶栅时产生的损失气流流经透平叶栅时产生的损失 二、端部损失二、端部损失 n 在叶片的两端，气流与气缸内壁以及工作转子在叶片的两端，气流与气缸内壁以及工作转子 的表面相接触，这样不可避免地也会形成附在这的表面相接触，这样不可避免地也会形成附在这 些表面上

5、的气流附面层，从而产生摩擦阻力损失些表面上的气流附面层，从而产生摩擦阻力损失 和涡流损失。这种损失是端部损失的一个部分。和涡流损失。这种损失是端部损失的一个部分。 n 此外，在叶片端部还会产生一种二次流损失，此外，在叶片端部还会产生一种二次流损失， 它是由于气流流过弯曲的叶间流道时，因为离心它是由于气流流过弯曲的叶间流道时，因为离心 力的作用所引起的。力的作用所引起的。 （2）内损失的内容）内损失的内容 n径向间隙的漏气损失径向间隙的漏气损失 h n 减少了工质在动叶中的做功量；反动度高，泄漏增加，还受减少了工质在动叶中的做功量；反动度高，泄漏增加，还受 叶尖几何特性影响等。叶尖几何特性影响等

6、。 n 减少径向间隙，采用带冠叶片（加气封片）。减少径向间隙，采用带冠叶片（加气封片）。 n轮盘摩擦损失轮盘摩擦损失 hdf n 也称风阻损失，叶轮两侧表面在充满气体的空间里高速旋转也称风阻损失，叶轮两侧表面在充满气体的空间里高速旋转 时，会产生表面摩擦、且由于旋转轮盘与静止气缸间流体的循时，会产生表面摩擦、且由于旋转轮盘与静止气缸间流体的循 环而产生的。再者，冷却气体是沿着转子轮盘表面从发动机中环而产生的。再者，冷却气体是沿着转子轮盘表面从发动机中 心线附近朝外流向叶片的根部，也会产生摩擦。心线附近朝外流向叶片的根部，也会产生摩擦。 n u不变，增加转度、直径不变，增加转度、直径d减少，从而

7、减少该损失。减少，从而减少该损失。 二、轮周效率、内效率二、轮周效率、内效率 1、轮周效率、轮周效率 轮周功（实际焓降轮周功（实际焓降hu）和理论功（理想焓降）之比）和理论功（理想焓降）之比 u u s h h 2 * 0212 () uusc lhiih 2 * * uu u ssc hh hhh * 2 * 0 * 2 * 0 s ii ii s ii ii 2 * 0 * 2 * 0 静参数静参数 滞止参数滞止参数 uu * 单级或末级单级或末级 考虑余速损失考虑余速损失 中间级（中间级（余速得到利用余速得到利用） 循环计算中循环计算中 2 12 1- c o o* c02/2 p0 p

8、0* p1* p1 1s 1h 1 h1s =c1s2/2 1* p2 p2* 2s 2s 2 h2s h2s 2s* 2* c22/2 2* 余速损失余速损失hc2= h2 理想焓降理想焓降 hs hu实际焓降实际焓降 i s 整个涡轮级 0-1喷嘴 1-2叶轮 h hi有效焓降有效焓降 2 1 a 2sc u nb s hhqqhh h 有叶片冷却的透平级， 式中 qn静叶环中排去的热量；qb动叶环中排去的热量。 2、内效率（级效率）、内效率（级效率） 内功内功hi和理论功（理想焓降）之比和理论功（理想焓降）之比 2 12 () uscidf hhhh （） i 表示实际涡轮级在能量转换过

9、程中，扣除了表示实际涡轮级在能量转换过程中，扣除了 可能存在的各种损失后得到的；可能存在的各种损失后得到的； 衡量燃气轮机热经济性的一个重要指标。衡量燃气轮机热经济性的一个重要指标。 其大小，不仅与所选用的叶片形状、反动度、其大小，不仅与所选用的叶片形状、反动度、 速度比有关，而且还与级的结构特点有关。速度比有关，而且还与级的结构特点有关。 2 12 1 i icdf s h h 漏气损失系数漏气损失系数 = h /hs；摩擦损失系数；摩擦损失系数 df= hdf /hs。 p131改错！改错！ p131改错！改错！ 透平的有效效率透平的有效效率 如果再考虑轴承等机械损失如果再考虑轴承等机械损

10、失 hm等，那么等，那么 eim 三、最佳速度比三、最佳速度比 u 轮周损失轮周损失 n余速损失的大小，不仅与叶栅的气流角度有关，余速损失的大小，不仅与叶栅的气流角度有关， 而且与而且与速度比速度比u/c1有密切关系。有密切关系。 12 (1)hh 流动损失 2 (2) c h余速损失 叶叶栅栅效效率率 ,不可避免降到最低限度 1 u c opt 一般一般透平基元级的速度透平基元级的速度三角形三角形 2 1 2 1 w1 w2 c1 c2 u1 u2 叶栅额线 c1u c2u c2u很小（很小（接近轴向出气接近轴向出气） 90 c2z c1z n由速度由速度三角形知，三角形知，把把c2设计成设

11、计成轴向方向轴向方向 2 2=90=90 ，那么，那么 余速损失就能减小到最低程度余速损失就能减小到最低程度，此时，此时速度比最佳速度比最佳。 1、冲动式透平级冲动式透平级t=0 2 1 2 1 w1 w2 c1 c2 u u 理想情况：理想情况：c2z= c1z u1= u2= u w1= w2 轴对称轴对称 最小最小此时此时 22 1 1 ,90 , 2 cosc c u 1 1 cos 2 opt u c 轴向出气轴向出气 2 12 1 uc 轮周效率 11 14201 很小cos 1 1 cosu 0.5 c2 opt t=0 2、反动式透平级 t=0.5 2 1 2 1 w1w2 c

12、1 c2 u u 假设：假设：c2z= c1z u1= u2= u c2= w1 w2= c1 进出口速度进出口速度 关于轴对称关于轴对称 cos 1 1 c u 此时此时 1 1 cos opt u c t=0.5 %2%5 1 1 s h h %5%2 2 2 s h h %6 . 5%3 . 5 2 2 s c c h h 2 12 183% 90% uc 1 u 0.90 c opt 任意反动度t下，最佳速度比： 1 1 cos 2(1) t opt u c 达到最佳速度比时：达到最佳速度比时： n透平级效率比较：透平级效率比较： n 当当u和和 1相同相同时，反动式透平级时，反动式透

13、平级 中中c1和和w1要小很多，型阻损失和要小很多，型阻损失和 端部损失都较小，效率较高。端部损失都较小，效率较高。 n透平级做功量比较：透平级做功量比较： n 冲动式冲动式 lu=2u2，级数较少；，级数较少； n 反动式反动式 lu=u2，级数较多。，级数较多。 n级的反动度范围：级的反动度范围： n 平均叶高处（平均叶高处（ 00.5） t=0 t=0.5 n作业：p159 n 1 n 2 n 4 4-4 多级透平多级透平 n在实际的透平设计中，当机组的总焓降较大时，总是把在实际的透平设计中，当机组的总焓降较大时，总是把 总焓降分成几段，每一段焓降在一个级中加以利用。总焓降分成几段，每一

14、段焓降在一个级中加以利用。 n几个级沿着燃气的流动方向串联在一起，就构几个级沿着燃气的流动方向串联在一起，就构 成了一个多级透平。成了一个多级透平。（压比在（压比在6以下单级足够）以下单级足够） n可保证：在较小的动叶圆周速度下，达到最佳速度比，可保证：在较小的动叶圆周速度下，达到最佳速度比， 从而获得满意的轮周效率。从而获得满意的轮周效率。 n另一方面，当级中的焓降不大时，若给定透平的转速，另一方面，当级中的焓降不大时，若给定透平的转速， 就可采用较小的叶轮直径；若给定叶轮的平均直径，就就可采用较小的叶轮直径；若给定叶轮的平均直径，就 可采用较低的转速。可采用较低的转速。 4-4 多级透平多

15、级透平 n大多数功率较大的透平都是多级的，效率较高，大多数功率较大的透平都是多级的，效率较高， n但结构较复杂，叶轮叶片数目较多（但结构较复杂，叶轮叶片数目较多（2 5级）。级）。 n透平分为：透平分为： n 多级冲动透平（速度级）多级冲动透平（速度级） n 多级反动透平（压力级）多级反动透平（压力级） n叶片较短者多采用冲动级。叶片较短者多采用冲动级。 多级冲动透平多级冲动透平 n整个透平的等熵焓降均在喷嘴中整个透平的等熵焓降均在喷嘴中 被转换成气体的动能；被转换成气体的动能； n在工作动叶栅中仅发生绝对速度在工作动叶栅中仅发生绝对速度 降低，将动能转化为机械功。降低，将动能转化为机械功。

16、n喷嘴中：喷嘴中：h1s=hs n多级速度级透平的最高效率比单多级速度级透平的最高效率比单 级冲动式透平的要低得多。级冲动式透平的要低得多。 n原因：原因： n 气流速度高且流动阻力增加。气流速度高且流动阻力增加。 双列速度级或复速级双列速度级或复速级 一级内装有两列动叶栅一级内装有两列动叶栅 叶轮 反动式透平（反动式透平（压力级压力级） n由一系列反动式透平级由一系列反动式透平级 串联组成。串联组成。 n每一级都有压力降，透每一级都有压力降，透 平中压力逐级降低；平中压力逐级降低； n气流绝对速度在每一级气流绝对速度在每一级 喷嘴中得到提高，而在喷嘴中得到提高，而在 每一级工作叶栅中得到每一

17、级工作叶栅中得到 利用。利用。 n余速损失较少，效率比余速损失较少，效率比 单级的高。单级的高。 n应用较多。应用较多。 三级反动透平简图三级反动透平简图 a静叶 b冲动式动叶 c反动式动叶 1=2 12 1 0 一、多级轴流式透平的通流部分型式一、多级轴流式透平的通流部分型式 n在轴流式涡轮中，随着气流压力沿流程逐级下降，气在轴流式涡轮中，随着气流压力沿流程逐级下降，气 流密度也逐级减小。流密度也逐级减小。 n根据连续性方程根据连续性方程qt= a cz可知，这将导致气流轴向分可知，这将导致气流轴向分 速速c cz z增加，或者通流面积增加，或者通流面积a a增加。增加。 n一般同时采用一般

18、同时采用逐级增加轴向分速和叶片高度的办法。逐级增加轴向分速和叶片高度的办法。 n多级轴流式透平的通流部分逐级渐扩。 三种型式三种型式 dt=const dm=const 等外径等外径等内径等内径 等平均直径等平均直径 dh=const 1、等外径的通流部分、等外径的通流部分 结构：结构：外径外径dt相同相同 内径内径dh和平均直径和平均直径dm则沿流程逐级降低。则沿流程逐级降低。 优点：优点：涡轮的径向尺寸较小，机壳的加工制造方便。涡轮的径向尺寸较小，机壳的加工制造方便。 缺点：缺点：内径较小，叶片较长，叶片扭曲较剧烈。内径较小，叶片较长，叶片扭曲较剧烈。 特别是体积流量很大时，叶片更长，受材

19、料强度限制。特别是体积流量很大时，叶片更长，受材料强度限制。 应用：应用：用于航空和舰船燃气轮机。用于航空和舰船燃气轮机。 2、等内径的通流部分、等内径的通流部分 结构：结构：内径内径d dh h相同相同 外径外径d dt t和平均直径和平均直径ddm m则沿流程逐级增加。 则沿流程逐级增加。 优点：优点：叶片高度较小，则叶片扭曲不甚剧烈。叶片高度较小，则叶片扭曲不甚剧烈。 工作叶轮加工方便。工作叶轮加工方便。 缺点：缺点：涡轮的径向尺寸变化剧烈。特别是体积流量涡轮的径向尺寸变化剧烈。特别是体积流量 变化很大时，易引起气流脱离，流阻增加。变化很大时，易引起气流脱离，流阻增加。 因外径因外径d

20、dt t逐级增加，机壳加工较繁。逐级增加，机壳加工较繁。 应用：应用：地面固定式燃气轮机地面固定式燃气轮机。 3、等平均直径的通流部分、等平均直径的通流部分 n结构：结构：平均直径平均直径ddm m相同 相同 n 外径外径ddt t逐级增加，内径逐级增加，内径ddh h逐级减小。逐级减小。 n优缺点：优缺点：介入以上二者之间介入以上二者之间 叶片扭曲不甚剧烈；涡轮的径向尺寸变化不太剧烈。叶片扭曲不甚剧烈；涡轮的径向尺寸变化不太剧烈。 应用：应用：涡轮通流部分的扩张角不大，广泛应用。涡轮通流部分的扩张角不大，广泛应用。 n一般建议采用一般建议采用内、外壁面型线光滑、连续内、外壁面型线光滑、连续

21、的子午剖面通道的子午剖面通道。 n外壳壁面倾角一般不宜超过外壳壁面倾角一般不宜超过2025； n内壳壁面，则应小于内壳壁面，则应小于15左右（绝对值）。左右（绝对值）。 n某一级的内外壁总扩张角最好限制在某一级的内外壁总扩张角最好限制在3035以以 内，相邻叶栅内壁倾角之间或外壁倾角之间的差别内，相邻叶栅内壁倾角之间或外壁倾角之间的差别 不宜大于不宜大于812。 a等内径等内径 b等外径等外径 c等中径等中径 二、焓降分配与级数选择二、焓降分配与级数选择 n实质上是一个负荷分配问题。实质上是一个负荷分配问题。 n结构布置上，透平外径通常选得与压气机外径差不多，至多结构布置上，透平外径通常选得与

22、压气机外径差不多，至多 大出大出1020。 n叶片和轮盘的材料强度，透平平均直径处的圆周速度一般不叶片和轮盘的材料强度，透平平均直径处的圆周速度一般不 高于高于320350m/s。 n根据基元级分析及试验结果，一般说来，负荷系数在根据基元级分析及试验结果，一般说来，负荷系数在1.52.5 之间选取，流量系数的最佳数值在之间选取，流量系数的最佳数值在0.81.0左右。左右。 n对一般亚声速级，焓降通常为对一般亚声速级，焓降通常为80190kj/kg左右，而航空发左右，而航空发 动机跨声速透平单级焓降已达动机跨声速透平单级焓降已达420540kj/kg左右，叶尖圆周左右，叶尖圆周 速度达到速度达到

23、500m/s以上。以上。 三、多级透平的热重获问题三、多级透平的热重获问题 n由于各级有损失的缘故，气流的熵增加了，实际过程由于各级有损失的缘故，气流的熵增加了，实际过程 线向右偏移了，而等压线向右是扩张的。线向右偏移了，而等压线向右是扩张的。 n 22ss hh 33ss hh 123ssss hhhh sj 1 z s j hh sj 1 (1) z s j hh 热重获系数；z多级透平级数。 在透平中，损失的能量又部分被利用的现象，叫做热重获现象。在透平中，损失的能量又部分被利用的现象，叫做热重获现象。 级效率：级效率： n多级透平的热效率：多级透平的热效率： sj 1 (1) z s j hh ijsj 11 zz jj i t sss st hh h hhh (1) tst tst 由于热重获，使多级透平的效率大于各级的平均效率。由于热重获，使多级透平的效率大于各级的平均效率。 ij