燃气轮机原理(1)全解

1、燃气轮机原理与性能臧述升Tel: 34206103E-Ma iI:sszangsjtu. edu. cn12燃气轮机的发展1-4燃气轮机的未来1- 6燃气轮机涉及的主要学科2- 2理想燃气轮机循环1-1燃气轮机简介13燃气轮机的应用1-5燃气轮机的分类1- 7燃气轮机的设计过程第二章燃气轮机循环理论2- 1燃气轮机循环主要性能指标2- 3实际燃气轮机循环 第三章燃气轮机热力计算3- 1热力计算的目的3-3热力计算的步骤相似理论4-1相似准则2- 4复合燃气轮机循环3- 2燃烧室计算方法3- 4热力计算的举例4- 2相似参数与换算参数第五章燃气轮机部件特性5- 1轴流压气机特性5- 3燃烧室特性

2、第六章燃气轮机变工况性能计算6- 1燃气轮机部件特性的处理6- 3变工况性能计算方法 第七章燃气轮机过渡工况7- 1燃气轮机起动过程7- 3燃气轮机减速过程第八章燃气轮机性能仿真8- 1仿真方法5- 2透平特性54径向压气机、向心涡轮特性6- 2燃气轮机部件间的匹配7- 2燃气轮机加速过程7-4燃气轮机加减速过程参数控制8- 2计算实例参考书目燃气轮机装置沈炳正机械工业出版社2、燃气轮机原理与性能 翁史烈 上海交通大学出版社3、燃气轮机工作原理及性能朱行健王雪瑜科学出版社4、燃气轮机循环理论佐滕豪 5、Gas Turbine TheoryH. Cohen, G. F. Rogers, H. I

3、. H. Saravanamuttoo第一章概论1.1燃气轮机的 组成及工作原理C- compresserT-Turbine1 燃吒轮机的工作过程（等压菲热備环）ffi3 涡轮喷吒发动机审虫涡雄夙则发动机1-2燃气轮机的发展公元前150年 埃及哲学家Her。发明了一个玩具汽转球(Aeol ipi le) 1629 一 G i ovann iiranca利用蒸汽驱动涡轮旋转磨粉机 1687 Isaac Newton蒸汽货车Brancas Jet TurbineNewton Steam WagonBarbers British Patent -17911791 John Barber第一个利用现代

4、燃气轮 机的热力学原理申请的设计专利1872 - Dr. F. Stolze (1836-1910)设计 了真正的第一台燃气轮机，具有多级涡轮 和单级的压气机，但并没有靠自身动力转 动起来1914 一 Char Ies Curt i s档案记载的应用燃气轮机第一人(1864-1949) Aegidius Eiling 1882 开始设计GT； 1884获得专利；门马 力，六级离心式压气机，可变叶片扩压器，级间喷水；带有回热器；蒸 汽与燃气混合进入喷嘴；一级向心透平；回热透平；T3二500C； 44马力; 具有了4轴的想法；1930 Frank Whittle1930年申请了第一个用于喷气推 进

5、的燃气轮机专利1941年第一台安装在飞机上的燃气轮机诞生（速度=370MPH,1000磅推力） 1939Hans von Ohain and 第一架喷气式飞机(HE-178)COMBUSTORAIR INAIR IN TURBINEJJJIGINITFRPLUGEXHAUSTFuselage Arrangement of theE28/39 ExperimentalWhittle s Reverse-Flow Combustion ChamberMax Hahn 行00磅推力,400MPH速度；采用离心压气机，后改用轴流压气机The German Heinkel HE-178发电设备功率：5万

6、千瓦效率：40%功率/重量、功率/体积最高的动力形式燃气轮机占地面积小;高效、环保;21世纪最具竞争力的发电方式；英国98年研制4000马力机车1999年1月-2000年6月世界燃气轮机装机容量300002500020000口系列115000100005000EI-&-妙 燃气轮机的未来一燃气轮机+热交换技术（换热器）ICAO: intercooled aero-derivative HAT: humid-air turbineATS: advanced turbine system(US Dept, of Energy Program) 70 nHJ %) A0U OSUJON65 -605

7、5 50 -45 -40 35 -30Heavy-frame com bind cycles ICAD combined cyclesAeroderivative combined cycles *H-Class(utility)ICAD-HAT cyclesCHAT: cascaded (i.e. interceded and reheated) humid air turbine.Heavy4rame simple cyclesTRIT: turbine-rotor-inlet 怕mperafure Class: TRIT = 1530k (230(rF) G-Class: TRIT =

8、1700k (2600F) H-Class: G-Class technology + steam cooli ngAeroderivative simple cyclesICAD simple cyclesF-Class25-血 1960s aeroderivativesimple cycles050100150200250300350400450Net Generator Power (MW)Figure 3.50. Thermal efficiency versus power output and type From TouchM (1996)K9涡轮入口温度的提高单轴、分轴、双轴、多

9、轴燃气轮机单轴：负荷固定、转速固定；发电用；压气机固有的转动惯量，有利 于防止在甩负荷时产生飞车；加入热交换器可以使整机热效率提高，但这 要损失10%功率。分轴：起动机仅满足燃气发生器即可；甩负荷时会带来涡轮的飞车， 所以控制系统要有保证。多轴：如果不采用热交换器而获得高的热效率，就要有高压缩比。虽 然多级离心式压气机具有高的压比，但其效率要比轴流式的低，所以通常 都是采用轴流式压气机。而当压气机在低转速时，由于压气机后几级由于 出口面积减小，空气密度降低，气体轴向速度加大，叶片会出现阻塞。这 种不稳定区的出现，会发生在燃气轮机起动或低负荷情况。所以只在一台压气机上取得8以上的压比是很困难的。

10、但只要采取将 一台分为两台或更多台时，就可以克服上述困难。在有些特殊的发动机上，由于流量小，多采用离心式；而轴流式则会 由于流量小使其叶片过短，难以保证其效率。Multiple Shafts - Trent 95,000 lbs ThrustHP System6 Compressor stages1 Turbine stage 10,000 rpmLP System1 Fan stage5 Turbine stages 3,000 rpm多轴燃气轮机转子最初双轴燃气轮机压比在10： 1,而它适合于30： 1这样的比值。多轴的另一种形式：如果有几级导叶是可调的，那么就可在高压比 下采用一台压气机

11、。GE已在一台压气机上实现了 15： 1。在给定压比下，压缩功只与入口空气温度有关。进气进行冷却。在许多情况下，机组的尺寸和重量要比热效率重要。闭式循环：优点：可以在整个循环中采用较高的压比一高的气体密度，这可以在给 定输出功率下减小机组尺寸；可以使发电功率只随闭路中的压力变化。这种控制形式意味着在整个负荷范围内，最高循环温度不会改变，因此, 总体效率少有变化。缺点：需要外部加热系统；这样加热器表面温度给主循环最高温度设定了上限。也 现代燃气轮机的结构特点轻型结构O OKG/PS, 重型结构15KG/PS轻型结构：航空机和航空改型舰用燃气轮机，工业轻型（重载轻型） 重型结构：工业燃气轮机金属耐

12、热极限-1100 C；涡轮进气温度:1460 C 采用空气冷却叶片；-冷却技术耐高温材料（单晶铸造，定向凝固等技术）寿命：工业轻型2-10万小时；燃气轮机装置的优势：1、装置轻小；投资仅为蒸汽动力厂的20-80%以下；重量和所占空间只 有蒸汽轮机或内燃机的几分之一或几百分之一；技术周 期短；2、燃料适应性强，公害少-3、节省厂用水、电、润滑油；4、启动快、自动化程度高；5、维修快，运行可靠最理想的清洁能源转换装置1-5燃气轮机涉及的主要学科流体力学（气体动力学）热力学与传热自动控制材料与强度燃气轮机设计流程美国能源部21世纪先进燃气轮机系统研究（AGTSR）计划高温和耐腐蚀材料科学燃烧现象的深

13、入了解天然气或其他燃料燃烧时的污染物形成和减少新型热力循环的基础理论 1992年-2003年向大学设立了74个项目，投资约$35, 485, 299.思考题 1-1为什么说燃气轮机在未来的发电设备中具有竞争力的动力形式? 1-2燃气轮机发展中的关键技术有哪些?为什么说燃气轮机未来的发展离不开热交换器的发展? 4先进燃气轮机的标志性的参数是什么？为什么?M第二章燃气轮机循环理论决定燃气轮机前途的因素：装置的热效率装置的尺寸，重量对燃料的适应性影响燃气轮机性能的两个因素:部件效率和涡轮初温；1904年两个法国工程师Armengaud和Lemale,建造了一台燃气轮 机，部件效率60%,涡轮初温74

14、0K。（只够自己运转）整机的效率还和压比有关；燃气轮机的发展和空气动力学的发展相关：压比35,部件效率85-90,初温1650K. （86年的目标）M2-1燃气轮机循环主要性能指标1 比功w：描述燃气轮机循环作功性能的好坏的指标。单位质量 工质下所做的功。dWw =dm为什么不用功率作为描述循环性能的指标?2.热效率 T t和耗油率sfc (spec i f i c fue I consumpt i on)耗油率:3000你3600/stc =3600假设条件：压缩和膨胀过程是可逆的、绝热的即等爛的。忽略部件进出口工质的动能变化;在进气管道、燃烧室.热交换器、间冷器、排气管和连接部件的管道均

15、不考虑压力损失； 工质在整个中具有同样的组分，并且是比热不变的完全气体;气体质量流量在整个循环中不变;在热交换器中充分换热;理想简单燃气轮机循环此种循环的极限是什么？此种循坏的热效率卡诺循环；2等爛加热；23等温膨胀；34等矯放热；43等温压缩Ericsson Cycle斯特林循环布雷顿(Brayton cycle)四个循环表明了布雷顿循环的改 进方向 向Ericsson Cycle靠 近The cycle efficiency is勺勺厶）Cp6 TjMaking use of the isentropic p-T relation,TJT=7rZk 3IT4And pressure rat

16、io 兀=2 / P =宀 / 久 Then shown7 = 1-（丄）（71The efficiency thus depends only on the pressure ratio and nature of the gas. = 1.44（空气）；k=166（燃气）Specific work output W，W 二 J（石 _7）_Cp（為 _） 77=r（1-弄爲）_ （”伙 7 _ i）71=严 imax兀严严2(1)opt %严=石丁2 = 丁4此时输出功为最大。理想燃气轮机循环其最大效率是随压比的增加而 上升。复杂循环一回热循环1 实际燃气轮机与理想燃气轮机循环的差别?2.

17、如何考虑实际的燃气热力性质？3实际燃气轮机循环性能？温比、压比对性能的影响?一.压气机效率、涡轮效率用滞止等爛效率来衡量实际过程和等爛过程的差距OWt严 ft；k- _1-() k L必/4实际的装置比功叫二叫叫二叫Wsc/c燃气轮机的W : “C增加的百分数是Z增加的百分数倍。有用功系数A小者，r/t对W及“C的影即装置对/的变化愈敏感。二、压力损失实际过程中，工质在燃烧室、回热器、间冷器、空气 滤清器、消音器系统中流动必然产生流阻损失，表现 为工质的滞止压力的损失。燃烧室的压损率进气道的压损率排气道的压损率涡轮膨胀比*P4 Po P Pl P4 P5Ps*二（1_勺）帀（1_&（1_&5）

18、与 （1_工8）帀P5为滞止压恢复系数（三）空气、燃气流量的变化Gg =G + G/ - AG = G（1 + /-竺）燃料与空气比约为1/40 - 1/120,相对较小；气封漏气和抽气冷却空气也使流量改变；计算中：以空气流量为基准。抽气或漏气5%,会使功 率下降1020%；效率下降002-0. 06O（四）燃烧室效率二工质获得的热叽二消耗燃料的低热值_ （1 + f）Cpg （T； 一 298） - Cp （町 一 298） - 件（7 - 298）(五) 燃气性质Cp,k(平均比热)；用于简单循环定比热：比热为常量； 计算；(2)变比热:比热是温度、III燃料空气比的函数。实际计算使用；c

19、p=(TJ)(3)使用方式：查图表；数学表达式(程序);METHODS OF ACCOUNTING FOR COMPONENT LOSSkSTempe ralure/KFIG. 26 Cp and y for air typical combustion gas（六）回热度、间冷度回热度GCpE-T；)工T；a qO5 0.85间冷度r _ 1 2m 1 mO lrp*rp*丄 2m wlQ(u091.0（七）机械效率（八）实际燃气轮机循环性能rjm 97-99%（a）压比的影响简单循环的效率理论上随压比的提高而增加。但实际的简 单循环不同。对应最大比功和最大效率都有一个不同值的 压比。Vma

20、x 仏max回热循环可以使两个压比值接近;(b)温比的影响T；每增加100C,比功w约增加20-40% ； “效率 增高0. 02-0. 05；实际大气温度的影响：降低 T比提高可对燃气轮机性能的影响要大几倍。由于工质变化和各种损失(热损失、化学损失、机械损失、流动 损失)造成了理想燃气轮机循环与实际燃气轮机循环的差别。实际燃气轮机循环设计点计算(1)求带有回热的实际燃气轮机的输出比功、燃料消耗率、循环效率。已知:压比4.0 ；涡轮入口温度 1100K；压气机绝热效率0.85；涡轮绝热效率0.87；机械效率0.99；燃烧效率0.98；2%压气机出口压力;3%压气机出口压力;0.04 bar1b

21、ar,288K换热器效率0.80；压力损失燃烧室，M换热器空气侧 pha 换热器空气侧 m 大气条件PaTa由于Tm=Ta和 Po=/W = l4压气机耗功产生的温升为:_T =6 (如)伙-1)_ Z Pa=r41/3-5-l = 164.77T0.85L 用于驱动压气机每单位质量 流量所需的涡轮功为:空口2 = h22乞空= 167.2kJ/kgtc m0.99p()3 = A)2 (1 - -= 4.0(1 - 0.02 - 0.03) = 3.8barPo2 P()2PM=Pa =1.04Z?r 因此，PQ3/pM =3654由于对于排气 k = 1.333总的涡轮做功所产生的温升03 _ 04 =忑3k（;LP3 / P04）伙-1）= 0.87x1100SA=264.8K单位工质所作的总涡轮功比=匚（兀 - ） = 1.148 x 264.8 = 304.0kJ / kg注意：涡轮的输出比功为叫叫c = 304 167.2 = 136.8kJ/kg如果对于10OOkW,需要73 kg/s为了确定燃/空比仁 我们必须确定燃烧室的温升/热交换器效率二0. 80二厶3 -九5G -人204 Tq2=164.7 + 288 = 452.77=1100-264.8 = 835.2九5