郭明志燃气轮机讲义

1、第一章第一节燃气轮机的起源和发展燃气轮机是一种新兴的旋转热力发动机。据说起源中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载，它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计出烟气转动装置，其原理与走马灯相同。至17世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较多应用。 1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于19001904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。 1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮

2、机，其效率为13、功率为370千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。 随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，因而在30年代中期出现了效率达85的轴流式压气机。与此同时，透平效率也有了提高。在高温材料方面，出现了能承受600以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。 1939年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率达18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始迅速发展。随着高温材料的

3、不断进展，以及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大，在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机，最高能达到130兆瓦。与此同时，燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验；1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力；1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后，燃气轮机在更多的部门中获得应用。 在燃气轮机获得广泛应用的同时，还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置；5060年代，出现了以自由活塞发气机与燃气轮机

4、组成的自由活塞燃气轮机装置，但由于笨重和系统较复杂，到70年代就停止了生产。此外，还发展了柴油机燃气轮机复合装置；另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统，可有效地节约能源，已用于多种工业生产中。 思考题：1、历史上透平它的雏形是哪国？2、燃气轮机只用于工业生产？第二节对燃气轮机的认识Turbine透平燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。燃气轮机有重型和轻型两类：燃气轮机又分为重型（三气）、和轻型（四气）重型的零件较为厚重，大修周期长，寿命可达10万小时以上。重型燃气轮机为工业型燃机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。轻型的结

5、构紧凑而轻，所用材料一般较好，其中以航机的结构为最紧凑、最轻，但寿命较短。轻型燃气轮机为航空发动机的转型，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。燃气轮机的工作过程：压气机(即压缩机)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，随即流入燃气透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气透平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。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。 燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简

6、单循环；此外，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。 对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。 燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动，机动性好，在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用，能较好地保障电网的安全运行，所以应用广泛。在汽车(或拖车)电站和列车电站等移动电站中，燃气轮机因其轻小，应用也很广泛。此外，还有不少利用燃气轮机的便携电源，

7、功率最小的在10千瓦以下。 燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温，即改进透平叶片的冷却技术，研制能耐更高温度的高温材料。其次是提高压缩比，研制级数更少而压缩比更高的压气机。再次是提高各个部件的效率。 高温陶瓷材料能在1360以上的高温下工作，用它来做透平叶片和燃烧室的火焰筒等高温零件时，就能在不用空气冷却的情况下大大提高燃气初温，从而较大地提高燃气轮机效率。适于燃气轮机的高温陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。 按闭式循环工作的装置能利用核能，它用高温气冷反应堆作为加热器，反应堆的冷却剂(氦或氮等)同时作为压气机和透平的工质。思考题：

8、1、燃气轮机的特点？1、燃气轮机靠自己能否启动？2、简述燃气轮机有重型和轻型优缺点？第三节燃气轮机和其它发动机的比较燃气轮机是内燃式的旋转设备，它综合内燃机（其中也包括柴油机）和蒸汽轮机双方的优点且避免双方的缺点，所以他是一种新型的动力机械。内燃机和柴油机是内燃式的动力机械，但它是往复式的，所以运行时振动很大。尽管内燃机和柴油机的热效率较高，但单机功率小，且极难实现大型化。运行时价格昂贵的润滑油的消耗量较大，维修费用又较高且维修后的出力总比新机低，单位功率的金属消耗也较大，所以只能应用于对功率要求较小的汽车及中小型船舶等运输工具上。蒸汽轮机是外燃的旋转式动力机械。运行平稳且振动较小，也可以容易

9、地大型化。但由于是外燃式的，运行时必须配备体积庞大的冷却器、锅炉本体及煤处理设备等附属设备，所以占地面积很大且排烟造成的污染很严重，运行时锅炉给水和冷却水的消耗量很大，单位功率金属的消耗量也很大。燃气轮机是内燃的旋转式动力机械，运行平稳且振动较小，也不需要体积庞大的冷凝器，锅炉本体及煤处理等附属设备，占地较小，水的消耗量也较小，并且排气造成的污染也轻，也能容易实现大型化，单位功率的金属消耗量是三种动力设备中最小的。所以发展极其迅速，应用的场合也越来越广。燃气轮机的主要缺点是效率不够高，在部分负荷下效率下降快，空载时的燃料消耗量高。燃气轮机的主要优缺点燃气轮机与其它动力机械，如内燃机、汽轮机相比

10、，有一系列的主要优点：1、 结构简单2、 重量轻、体积小3、 单机功率大4、 水、滑油和厂用电量少5、 维护简单6、 燃料适应性强、公害少7、 启动快、自动化程度高燃气轮机也存在一些缺点，主要有：1、 热效率低2、 运行工况窄3、 制造成本高4、 运行维护水平要求高思考题：1、燃气轮机的主要优缺点？第二章第一节燃气轮机的基本概念一、基本概念：燃气轮机是种新兴动力机械，它是以连续流动的气体为工质的内燃式旋转热力机械。它是由压气机、燃烧室和透平三大部分；以及相应的辅助等组成的整套动力装置。二、燃气轮机的特点归纳内容如下：1、以燃气为工质燃气轮机的作功介质为燃气，即燃料与空气中的氧相化合、燃烧后的燃

11、烧产物。燃气轮机的标准燃料为碳氢化合物C8H16，与空气中的氧化物进行燃烧，燃烧的化学反应如下：C8H16+12O28CO2+8H2O尚有多余的空气共同构成燃气，进行作功。从本质上讲，燃气轮机是燃料的化学能转化为机械功的回转式动力机械。2、具有三大分部燃气轮机具有压气机、燃烧室和透平三大部分组成的动力装置，称为燃气轮机装置。三大部分各有自己的功用，缺一不可。压气机是由透平驱动的气体压缩机，将透平输给它的机械功转化气体的势能与动能。一般开式循环由大气吸入空气，经压气机压缩后压力升高，势能提高，给工质在透平中膨胀作功提供有利条件。气体在压气机中的流动过程，与化工压缩机一样，压缩后气体压力与焓值均有

12、所增加。燃烧室为燃料与空气化合并进行燃烧的设备，类似锅炉。气体在燃烧室内为燃烧过程，燃料的化学能转换为热能，温度提高，热焓上升，为气体在透平中膨胀作功提供热能条件。燃烧室内燃烧过程为等压燃烧，压力基本保持不变。透平为动力机械，燃气在透平中膨胀作功，将工质的热能、势能及动能转化为机械功，由透平轴输出带动负荷和驱动压气机。气体在透平中的过程为膨胀过程。压力、温度（焓值）降低，与汽轮机内流动过程相似。一般循环的燃气轮机作功后的气体排向大气。3、续流回转式机械气体工质在燃气轮机内连续流动，连续作功。这点与一般内燃机不同，内燃机有两冲程、四冲程等，每次循环只有一个冲程作功。而燃气轮机为续流式，不间断的连

13、续作功，因此功率输出连续、均匀，运转平稳。燃气轮机为回转是动力机械，与往复式的内燃机和蒸汽机不同，没有往复式机构，因此部件简单，对驱动回转式机械如:发电机、风机和透平式压缩机等非常方便。4、内燃式动力机械从广义上讲燃气轮机也是内燃机机械，因为燃料的燃烧是在燃气轮机装置的内部（燃烧室）进行，这与汽轮机动力装置不同，因为它的燃烧是在汽轮机的外部（锅炉）进行，它属于外燃机。当然燃气轮机属于内燃机，与柴油机等内燃机不同。内燃机也属内燃式，但为往复式动力机械。三、燃气轮机的热力循环过程燃气轮机与其它热力机械一样，为完成工质作功必须经过热力循环。汽轮机的热力循环称为“朗肯循环”；柴油机为“狄赛尔循环”；而

14、燃气轮机的热力循环称为“焦耳循环”。燃气轮机的理想循环过程由下述四个过程：等熵压缩（压气机）；等压燃烧（燃烧室）；等熵膨胀（透平）；等压放热（排向大气）。燃气轮机的理想循环可用PV(压力比容)图和TS（温度熵）图表示。12：压气机内等熵压缩。气体压力增加，比容减小，温度增加；压气机吸收压缩功W转化为气体的势能。一般人口压气机T1为环境温度，为大气压；压气机出口压力5-18左右，取决于升压比P/P1。出口温度取决于升压比，一般燃气轮机120-300范围内。2-3：燃烧室内等压燃烧。燃料的化学能转化为工质的热能，温度升高，比容加大；燃烧中燃料对工质的加热量为B。燃料经喷油嘴喷射、雾化与压气机的空气

15、混合，经点燃后进行连续燃烧，产生的燃气送入透平膨胀作功。温度T3为燃烧室出口温度，即透平入口温度，为循环的最高温。燃烧室内的燃烧过程为等压过程，即。3-4：透平内等熵膨胀。气体热焓降低；压力、温度降低；速度增加；气体热能，势能转化为机械功，即透平功WT输出，用于驱动压气机和负荷机。透平发出功率的2/3左右用于驱动压气机，消耗于空气的压缩功，剩余的功率通过输出轴驱动外负荷。透平出口气体压力降为大气压。4-1：为等压放热过程，气体从透平出口排放向大气。在大气压下气体温度由T4降为大气温度T1，排气放热量为。排气放热过程为等压放热。第二节燃气轮机工程热力学基础知识燃气轮机和任何一种热力机械一样，依靠

16、工质经过一系列热力过程，形成一个循环，才能连续对外作功。燃气轮机的热力循环由压缩、燃烧、膨胀和放热四个过程组成。根据燃气轮机的热力循环不同的特点，可分类如下。1、 根据热力过程复杂程度分类： 简单循环。工质在循环过程中只有一次压缩、燃烧、膨胀和放热四个过程。 复杂循环。工质在循环过程中不只有一次压缩、燃烧、膨胀和放热过程的热力循环叫复杂循环。觉的复杂循环如下。1） 回热循环。将燃气轮机的排气热量回收，加热燃烧室前的空气，以节省燃料，提高热效率。2） 间冷循环。压缩过程分多次进行，各压缩过程中间对气体进行冷却，以减少压缩功。3） 再热循环。多次加热、膨胀，以达到增加膨胀功的目的。4） 再热、间冷

17、、回热循环。再热、间冷和回热循环三者之间相互结合，组成各种热力循环，以达到提高输出功率和热效率的目的。2、 根据工质循环过程分类： 理想循环。在燃气轮机的压缩、燃烧、膨胀和放热四大过程中，不考虑各种损失，均当作理想过程。 实际循环。在理想循环的基础上，考虑各过程中的损失，得出更符合实际情况的结果。（二）、燃气轮机的热动基础理论因我厂装置所用燃气轮机的热力过程为实际简单循环，在此就仅对实际简单循环作讨论。1、 压气机实际耗功Wc Wc= kJ/kg式中 cp空气的比定压热容，J/(kg·K)； T1压气机进口绝对温度，K； T2压气机出口绝对温度，K； K空气的绝热指数； 压气机升压比

18、； c压气机效率。2、 燃烧室实际加热量qBqB= kJ/kg式中 cpB燃气比定压热容，J/(kg·K)； T3透平进口燃气绝对温度，K； B燃烧室效率。3、 透平膨胀功WTWT= kJ/kg式中 f燃料空气比； K燃气绝热指数； T透平降压比 -相对漏气量； T透平效率4、 装置输出功WnWn= kJ/kg式中 m机械效率； cpB燃气的比定压热容，J/(kg·K)；由上式可以看出各实际循环参数对装置输出功的影响如下。 升压比对输出功Wn的影响在燃气轮机实际循环中，在一定的温度下，存在一个最大输出功压比W。当等于W时，输出功最大；在小于W时，随着压比的增加，输出功也增加

19、；当大于W时，随着压比增加，输出功反而减小。这主要是因为当升压比增大时，透平功WT和压气机耗功Wc都有所增加；在小于W时，透平功比压气机耗功增加得多，所以随着升压比的增加，输出功也增加；在大于W时，压气机耗功比透平功增加得多，所以随着升压比的增加，输出功减小。 压气机进口温度T1、透平入口燃气温度T3对装置输出功Wn的影响在其他条件一定时，压气机进口温度T1减小，则装置输出功增大。因此，在冬季运行的燃气轮机比在夏季时输出功大。在其他条件一定时，透平入口温度T3增大，则装置输出功也增大，所以，在燃气轮机的设计制造中，最重要的发展方向就是提高透平入口温度，但它又受到叶片材料的限制，现在世界各国都在

20、研制新的叶片材料和尽可能提高叶片冷却技术，使透平叶片可以随更高温度。 压气机效率c、透平效率T和机械效率m对装置输出功Wn的影响压气机效率c和透平效率T代表压气机和透平的完善程度，机械效率m代表整个燃气轮机的机械损失，很明显，压气机和透平越完善，整个燃气轮机的机械损失越小，即c、T和m越大，则装置输出功就越大。 5、 装置总输出功率PP= kW6、 实际循环效率实际循环效率即装置输出功Wn和燃烧室实际加热量qB的比值。假定，又因进行简化后式中 透平入口温度T3和压气机进口温度T1的比值。 由上式可以看出各循环参数对实际循环效率的影响。 升压比对实际循环效率的影响在一定的温比下，存在一个最佳效率

21、升压比，当升压比等于最佳压比时，循环效率最大，当升压比小于最佳效率压比时，随着升压比的增加，循环效率反而减小。应当指出，实际循环中的最佳效率压比和最大输出功压比W在数值上是不一样的，最佳效率压比比最大输出功压比大，这对实际的燃气轮机设计和运行有很大意义，如指导思想追求的是经济性，压比的选择应接近最佳效率压比；如指导思想追求的是最大输出功，则压比的选择应接近最大输出功压比。 压气机入口温度T1和管平入口温度T3对实际循环效率的影响当其他条件一定时，压气机入口温度下降或透平入口温度增加循环效率也增加。压气机入口温度主要取决于环境大气条件，所以在冬天燃气轮机效率较高，并且在透平温度一定时，压气机入口

22、温度对循环效率的影响随压比的增大而增大。应当指出，压气机入口温度比透平入口温度对循环效率的影响更大，压气机入口温度下降3与透平入口温度提高24对循环效率的影响量相当。第三章第一节介绍燃气轮机三大基本参数：压力、温度、和比容这三个是描述工质状态的物理量通称为工质状态。比容单位质量物质所占的容积。机组工艺系统包括机器结构、控制系统、工艺气系统和润滑油系统等组成。燃气轮机的工作原理：空气通过轴流压气机增压，提高空气压力后排入燃烧室与燃料气在燃烧室混合燃烧，由燃烧化学能转化为热能，提高燃烧所产生燃气的温度形成“高温高压”的燃气，后进入透平，高温、高压的燃气在透平里膨胀，将燃气地热能和压力能先转变燃气高

23、速运动的动能，随后再进一步转变成机械功（吹动一、二段工作涡轮旋转）的设备。 大约2/3的机械功用来拖动压气机，以提高空气的压力，维持燃气轮机的运行，另外所剩的约1/3的机械功对外输出，以驱动其他的机械或驱动发电机。为提高燃机的效率，在烟道排放中加装交换器，把燃机的余热回收。燃气轮机功能：把流动燃气中的热能转换成机械能。燃气轮机组成：燃气轮机主要由压气机、燃烧室和透平三部分组成。进气室（空气过滤器、补气活门、消音器、防冰分配器）、轴流压气机、燃烧室、喷咀（一、二段(固定喷嘴/可调喷嘴)）、一、二段工作蜗轮(高压涡轮/低压涡轮)、排气室（导向器、软连接器、消音器）、启动电机、油泵等组成。方框图喷嘴

24、压缩机加热器空 气动力透平燃烧室低压透平压气机喷嘴燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素：提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。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。 燃烧室和透平不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。概念：P1*/T1* -进气压力温度P*2/T

25、*2 压气机出口压力温度 P*3/T*3 燃烧室出口一段喷嘴入口前的压力温度 P*4/T*4燃气轮机动力透平后排气压力温度主要燃气轮机的结构：燃气轮机的主机部分是由压气机、燃烧室和透平三大部件构成，现分别介绍如下压气机系统的构成：进气室：（空气过滤器、补气活门、消音器、防冰分配器、压气机及各类指示和控制仪表组）空气经进气过滤器室（三种方式：重力旋转式、石棉网、正方形精过滤器）滤去空气中的灰尘等固体颗粒进入进气道，现在有两种：一种是粗过滤128个圆柱形过滤器组成、另一种是正方形精过滤器组成。经进气消音器（噪音源）降低进气噪声后，进口收敛器。补气活门是一种防护措施防冰分配器用于冬季、或温差较大的情

26、况下，确保机组正常运行。指示和控制仪表组确保机组正常运行。一压气机:是燃气轮机的主要组成部件之一，它是由固定在基础上不动的气缸和在气缸内旋转的转子两大部件组成，起作用是为燃气轮机的运行提供高压的空气，可见它是一个耗功的部件。由透平为压气机提供对空气进行压缩增压所需的能量。离心式和轴流式之分。离心式的气流是径向流动的，特点：单级压比较大，在总压比一定的条件下，所需压气机的级数较小;另外流量较小且效率低，仅能用在小型的燃气轮机上。轴流式压气机是叶片机械，气流在其中轴向流动，特点：单级压比小，在总压比一定的条件下，所需压气机的级数较多，另外，流量比相同直径的离心式的大，效率也高，并且可以大型化、所以

27、大型燃气轮机无一例外地采用轴流式压气机。空气经进口收敛器加速和进气导向叶片改变进气方向，进入压气机的第一级，通过安装在转子上的动叶片输入能量使气流加速，随后进入安装在气缸上的扩压式通道的静叶片，气流在静叶片里降低速度而提高压力，气流再依次通过后面的诸级，重复第一级里的过程，由最后一级排出的气流再经过出口导向叶片改变方向后，进入排气扩压器进一步降速增压，最后进入燃烧室。空气增压主要是在静叶片里实现的，动叶片主要是向气流提供能量，增加气流的速度，在某些压气机里，气流在动叶片里加速的同时压力也略有增加。为提高压气机的排气压力，由若干个级组成的多级压气机：MS1002D由15级组成。为提高压气机运行的

28、安全性，压气机第一级之前或二、三级的静止叶片，进口导向叶片设计成可以转动的，称进口可转导叶（四气）。通过改变其安装角来确保压气机运行的安全可靠性和部分负荷下较高的效率，（热效率）为保证机组在启动和停机时的安全性，防止压气机喘振通常采取如下措施：在多级压气机里除设计有进口可转导叶之外；压气机的某中间级后设有防喘放气阀；燃烧室放气。三气MS1002D采用10级放气，机组在启动和停机时防喘放气阀打开，在正常运行时处于关闭状态。轴流式压气机的耗功量是很大，所以降低耗功有以下几种方法：1、 降低进气的温度，特别是夏季高温中运行机组。2、 采用中间冷却循环。3、 采用双转子或三转子结构。4、 采用喷水冷却

29、技术，在较高的空气温度下水汽化降温。5、 保持空气过滤器的完好，及时清洗压气机确保其清洁。压气机进口可转导叶（IGV）系统：在机组启动和停机过程中，通过改变进口导叶安装角的开度，从而防止压气机的喘振；此外还可以在联合循环运行中，通过调节进口导叶开度来调节燃气轮机排气温度，以满足其他热力设备的温度要求和总体热效率。IGV的控制方式：在启动和停机中，IGV处于340的最小开度位置，以防压气机喘振；当机组转速达到额定转速的95时IGV从340打开到570的开度，直到（空载）机组达到额定转速的100，IGV一直维持在570的开度上。当负荷达到额定负载的33左右时（排气温度约为371），在排气温度保持不

30、变的情况下，IGV由570打开到最大开度840，直到达到额定负荷二、燃烧室它的作用是通过加入燃料进行燃烧，将燃料的化学能转变成热能，此热能把进入燃烧室的高压空气加热成高温高压的燃气。在燃烧室中，燃料与空气混合后燃烧把储存在燃料中的化学能以热能的形式释放出来，使空气的能量水平提高过程终了，空气与燃料经燃烧反应成为燃气，燃气温度升高，比容增加，但压力基本保持不变（实际上由于存在流动阻力损失，压力会略有下降）。以燃气为工质燃烧室位于压气机和涡轮之间, ，与来自压气机的高压空气混合，形成可燃混气并进行充分有效的燃烧。燃烧后的燃气温度很高，使燃气的总焓大大增加，从而提高了燃气作功的能力。具有高温、高压的

31、燃气推动涡轮后，并进一步在尾喷管中膨胀加速，产生推力。有些发动机在加力燃烧室中补充供入燃油，利用涡轮后燃气中剩余的氧气再一次进行燃烧提高涡轮后燃气的总焓，以增大燃气从尾喷管流出的速度，从而进一步增大推力。它的作用是通过加入燃料进行燃烧，将燃料的化学能转变成热能，此热能把进入燃烧室的高压空气加热成高温高压的燃气。燃烧原理基础 化学动力学是化学的一个组成部分，它定量地研究化学反应进行的速率及其影响因素，并用反应机理来解释由实验得出（经验性）的动力学定律。其内容包括对反应速率进行实验研究及发展一些新理论两个方面，并用理论解释实验结果和预示进一步实验有可能得到的结果。 根据反应物的物理状态，化学反应可

32、分为四类： (1)  气相反应，(2) 液相反应， (3)  固相反应， (4)  非均相反应(它发生在物态不同的两种物质的界面上，如气固界面上)。过去主要研究了头两种类型的化学反应。气固界面上的化学反应也引起了一定的注意，但对固相反应的研究比较少。 根据化学反应的速率，化学反应可以分为爆炸反应和非爆炸反应两类。研究爆炸化学反应不仅要确定在什么条件下化学反应的速率可以非常快，同时分析它的化学反应机理。 a.     化学热力学研究一个化学反应体系的初始状态和终了状态。 b.  

33、;   化学动力学研究体系从一个状态变到另一个状态所经历的过程和该过程所需要的时间，或反应速率。 c.     阿累尼乌斯定律是预言反应速率的理论，即温度与反应速率常数关系的定律。 d.     反应历程是根据反应速率与反应物浓度、温度和其它因素之间的关系提出来的一种理论模式，用以解释实验事实。 燃烧是一种剧烈的化学反应，为了从本质上解释清楚燃烧现象，弄清影响燃烧速率的因素，必须掌握化学动力学的基本原理。燃烧室的作用：把压气机增压后的空气，经过喷油燃烧提高温度，然后流向涡轮膨胀作功。（主燃烧室烧

34、完总进气量的大约1/31/4）燃烧室功用： 把燃油的化学能释放出来转变为热能使气体的总焓增大，从而提高了燃气作功的能力，具有高温、高压的燃气在喷嘴、涡轮中膨胀作功的能力。（烧油释放能量做功） 能量：一部分用于推动透平带动压气机对进口气流进行压缩。燃气轮机用多级涡轮充分吸收能量，然后以轴功率输出，带动其它机件(如发电机)作功。（动量守恒，作用力与反作用力）还有一部分能量跟随燃气以热能的形式排放到大气。（散失） 燃烧室是一个能量转换器，其转换链（较为清晰的表示了燃烧室内的能量流动过程及功用）如下： 可见，燃烧室是动力机械的能量发源地，是发动机中的主要部件之一。在燃烧室中，燃料与空气混合后燃烧把储存

35、在燃料中的化学能以热能的形式释放出来，使空气的能量水平提高过程终了，空气与燃料经燃烧反应成为燃气，燃气温度升高，比容增加，但压力基本保持不变（实际上由于存在流动阻力损失，压力会略有下降）。燃烧室的组成：进气喷嘴、点火器、火焰检测器、火焰内胆、转向器（收集器）、蜗壳等组成。燃烧室就是一个加热器为高压空气的加热提供热能。布置：有与压气机同纬同心。喷油嘴：用来供油，使燃油喷射雾化，一般设在火焰头部的中心部位。 直射式，离心式，蒸发管，甩油盘、气动雾化（当前应用的一些类型）旋流器：(或称扰流器、涡流器) 装在火焰筒头部中间，用多个以一定角度安装的叶片组成，使进气旋转，形成回流区，保证火焰稳定。 涡流器

36、装在火焰筒的前端，其功用有二： (一)使高温燃气在火焰筒头部产生低速的回流区以稳定火焰， 使空气与燃油很好掺合，以提高燃烧效率。点火器：供启动点火用，有的直接用电嘴（英美），有的用一个小型的预燃室。（俄）（一次点火（高能），小型的预燃室结构复杂，重量重）其中：三气装有一个可伸缩的电火花塞；联焰管将有点火 器的火焰筒先点燃，再经联焰管点着其它火焰筒。（管径，淬熄距离检测器：配置一个紫外线火焰探测器 数量：1个火焰筒：燃烧在其内部进行，在壳体上开有多排大小不同形状各异的孔，用以通过不同用途的空气，保证燃烧充分、掺混均匀并使壁面得到冷却。（发展趋势：单联环短环）扩压器： 由燃烧室内外壳和火焰筒头部构

37、成的一个扩压通道。用它来降低速度，提高压力，保证燃烧的顺利进行和减少压力损失。转向器：经过渡段引入到透平并膨胀作功，将其所含的热能和压力能转变成机械功。这些机械功一部分用来带动压气机对空气进行压缩，以提供维持机组所需的高压空气；另一部分则对外输出，用来带动发电机或直接驱动其他动力机械。燃烧室结构形式： （液体燃料） 燃烧室的结构和型式 从布置形式有:单管、双管、多管、环管、环形从气流通过燃烧室的流程有：直流、回流、角流、旋流式燃烧过程（雾化蒸发扩散混合燃烧掺冷）雾 化 喷嘴预旋转 雾化空气冲击高压燃料絮流扰动强度喷出很细很细的油雾 雾化细度：燃有性质（粘度） 表面张力（细）喷射压力 压 差（细

38、）空气压力 压 差（细） 蒸 发液体燃料的燃烧是燃油蒸气和空气的混合燃烧或边蒸发边扩散燃烧。蒸发过程的快慢：油温、进口气流温度、燃烧区气温、气流絮流程度、油气相对流速、油雾细度和均匀度等因素有关。 扩散混合 扩散油气空气一定浓度（1：51：25）方能燃烧。 燃 烧 燃料和空气适当的扩散混合并达到发火点时，开始点火。 由于气流流速很高达2530M/S（相当于12级大风），采用稳流器。 掺 冷 燃烧产物温度很高（火焰温度达18002000），且不均匀，采用二次空气进行掺冷。 直接参与燃烧，一次空气，保证完全燃烧压气机出口进入燃烧室的空气只起掺和高温燃气，二次空气，使火焰筒壁温降至800以下，出口温

39、度降至1075逆流分管式、立式圆筒形（三气厂）、卧式圆筒形、环形燃烧室（四气）和二次燃烧的燃烧室。冷却：鳞片状 燃烧：上部孔 补燃：大孔燃烧室工作条件及组织燃烧特点 1. 进口气流速度很大 2. 燃烧室容积很小。（容热强度大） 3. 工作温度高（2500K） 4. 出口气流温度T*3受到涡轮叶片的热强度的限制，不能过高 1、进口气流速度很大 这样的高速气体在燃烧室内流动还会造成很大的总压损失。因此必须采取措施降速，即使降速后的速度也还相当高不采取措施仍不能保证火焰稳定。 危害：（1）点火困难、燃烧难以稳定 （2）燃油停留时间短，对燃烧不利 （3）总压损失，高速气流会造成很大的总压损失 措施：扩

40、压器、火焰稳定装置（旋流器） 2、燃烧室容积很小（容热强度大）要在短时间内发出大量的热能，要燃烧相当多的燃料，而且要求燃烧完全。这就要求组织好迅速而炽烈的燃烧，从目前发展来看，燃烧室长度还在缩短；体积也在减小；而且烧尽程度接近100，这就更增加了因难。 如何组织好迅速而炽烈的燃烧：燃烧室结构，有火焰筒（二股气流）3、工作温度高（2500K）温度过高会使叶片失稳变形以至熔化或断裂造成事故。(燃烧室常常有掉块、斑纹、皱曲等缺陷）。这种缺陷可能由于火焰筒的局部过热而引起，造成这种局部过热的原因可能是由于喷咀加工不良，喷咀与火焰筒不同心，或者由于喷咀表面积碳等引起喷雾畸变。如果发动机经过相当长时间的工

41、作后，火焰筒出现裂纹、掉块，这是一种正常的现象。这种裂纹常常首先出现在几何上不连续处，例如冷却坏带、进气孔边缘。现在已清楚，这种裂纹是由于火焰筒在工作温度下出现低周次疲劳引起的。而皱曲则是由于在较高的温度以及较高的温度梯度联合作用下形成的。为了保证火焰筒有较长的寿命，必须使火焰筒壁温及壁温梯度降至某个允许值以下。   对现在常用的镍基合金，要使火焰筒的壁温大体在850900。这样必须采取措施来使热量从火焰筒壁散走，或者隔绝(减少)热投向火焰筒壁的传递。这两种途径都是燃烧室冷却的有效措施。教通常的方法有： (1)沿火焰筒内表面形成一道冷却空气膜； (2)在火焰筒内表面涂隔热涂层； (3

42、)在火焰筒外表面加强散热。 大量燃油在容积较小的燃烧室内剧烈燃烧，工作温度很高,必须采取冷却措施： （1）降低高温燃气对壁面的传热（采用气膜冷却，比较流行有效）火焰筒有散热片 （2）加强二股气流散热： a.增大火焰筒壁的散热面积（散热片，高温下通常采用高温耐热合金，引起热应力，容易掉块） b. 增加二股气流流速（7080米/秒）燃烧室的冷却传热基本过程可作如下描述：火焰筒内有热气通过，火焰筒与燃烧室机匣之间有空气流过。在热气这一边，由辐射换热和对流换热使热量在热气和火焰筒壁面之间交换。火焰筒与环形通道中的空气之间存在对流换热，由火焰筒外表面向燃烧室机匣的辐射换热。在稳态情况下，可以写出如下基本

43、方程:   气膜冷却原理：总压、静压 气膜冷却形式：缩腰小孔气膜冷却 波形板气膜冷却 冷却环气膜冷却 缝隙气膜冷却出口气流温度受到涡轮叶片的热强度的限制，不能过高。出口温度为什么受限制：后面是涡轮叶片 怎样降低出口温度：供气量的分配，燃烧室结构 提高供油也即提高涡轮前温度，温度高能提高做功能力 T*3 排气速度 推力 叶片失稳变形，熔断 T*3： 1200K1400K左右，(无冷却) 1600K(叶片有冷却) 目前可达2000K 1kg航空煤油 14.7kg空气（实际4466kg空气） 由于涡轮叶片耐温的限制，燃烧室内供油也必然受到限制。所允许供的油仅能烧去空气中氧的l4。

44、但是在这样贫油的均匀混气请况下，火焰又不能传播，燃烧不能进行。于是出现了一个矛盾，即若达到烧着的程度，涡轮叶片受不了。若限制在涡轮叶片受得了的程度而减少供油，又烧不着。这是早期研究组织火焰筒燃烧时所面临的准题。 矛盾是这样解决的，即先在火焰筒头部按接近恰当的油空气比例(油和空气中的氧基本上都用光)，进行充分的燃烧，这时头部气流温度接近2500K，很快用其余的空气将这团高温气流掺合，把温度降下来，以达到涡轮叶片接受得了的程度。这样用先燃烧后降温的办法巧妙地解决了这个问题。后来人们习惯地称头部用于燃烧的气流为一股气流(约占2535)，后面用于掺混降温的气流为二股气流。 （5）进口参数变化大。由于发

45、动机的工况随环境、负载的变化而变化，必然给燃烧室带来变化宽广的工作范围，从而使按某一个状态设计的燃烧室，在其它状态下工作困难发动机转速的变化：发动机因工作需要，转速也在一定的范围内变化。这会直接影响燃烧室进气量等参数，也会使燃烧室过贫或过富，这将会对组织燃烧带来困难 因此一个好的燃烧室必须在这些参数变化范围宽广的状况下保持正常工作，至少不能熄火，以便保证发动机能发出推力燃烧室工作过程简述燃烧室的类型主燃烧室的共同特点燃烧室工作过程简述在发动机最大工作状态时压气机出口处的流度，亦即燃烧室进口流速约为133米秒（一般为100160米秒），气流经扩压器到火焰筒进口处，流速降为43米秒左右，这时，一部

46、分气流约占总气量的7%左右(一般为5%12%)经过火焰筒头部的扰流器进入火焰筒。其余部分的气流则自火焰筒壁外经小孔，缝或大孔进入火焰筒。这部分气流又可区分为二股气流，自火焰筒前都的孔进入的为第二股流、约占总气量的35%左右(一般为2535%)。自火焰筒后部的孔进入的为第三股流。 气流经叶片式扰流器进入火焰筒后，在火焰筒头部作高速旋转，它与经过火焰筒壁上的孔进入的第二股流相搅混，在中心处形成倒流，这倒流的部分称为回流区，如图，回流区的作用是稳定火焰，所以带有扰流器的火焰筒头部分又称为火焰稳定装置。 燃油自喷油嘴喷出后形成一个锥面，在气流中碎裂成油雾，它与第一股流和第二股流掺合，燃烧、其最高温度可

47、达2000以上，烧后的高温燃气再与第三股流掺合。这时，由于在火焰筒的前部燃油已基本烧完。所以到后部就把高温燃气的温度降低到涡轮前需要的温度，在出口处燃气的平均温度在最大工作状态时为 1140K。 火焰筒前部的区域称为“主燃区”，其后部区域称为“掺混区”。 为了使火焰筒壁面温度降低，在火焰筒壁上做成许多段冷却气膜缝、在第二股流与第三股流中有一部分空气通过冷却气膜缝进入火焰筒，贴着筒壁流动，起着隔开高温燃气、冷却筒壁的作用。（火焰筒分段焊接，总压进气，静压进气）燃烧室主要分为三大类：单管燃烧室联管燃烧室环管燃烧室 单管燃烧室（又叫分管燃烧室）分管燃烧室的结构特点： （1）每一个管式火焰筒的外围都包

48、有一个单独的外壳，构成一个分管（单独的燃烧室），沿发动机四周均匀地安装有616个这样的分管，从压气机出口把气流分成均量的若干份进入各燃烧室， （2）各分管之间用传焰管联通，传播火焰和均衡压力，已燃烧完的高温燃气通过燃气导管组成环形通道与涡轮导向器联接。 分管燃烧室的主要优点： (1)调试用气量少，装拆维护方便（试验和修正比较容易，不需要庞大的试验设备，维护、检查和更换也比较方便，不需要分解整台发动机；） (2)单个喷嘴容易与气流配合达到要求。 (3)单独的小燃烧室本身强度和刚性好。 分管燃烧室的缺点： （1）环形截面积的利用率低(仅70一80)（因而燃烧室内气流平均速度大，这对于稳定燃烧是不利

49、的） （2）总压损失也较大（气流分离，摩擦损失大） （3）起动性能差（在高空依靠传焰管传递起动火焰） （4）火焰筒表面积与燃烧室容积之比大，因而火焰筒壁面气膜冷却所需空气量较多；（压气机压缩的空气中，用于冷却的空气相对较多，用于燃烧的空气相对较少） （5）燃烧室出口温度场分布不均匀； （6）燃烧室较重。 这些缺点使得分管燃烧室已不再使用。但是，后来所使用的其他型式的燃烧室、特别是环管燃烧室，就是在分管燃烧室大量实践经验的基础上发展起来的。 联管燃烧室环管燃烧室的结构特点：将若干个(6一14个)管式火焰筒，沿圆周均匀安装在内、外壳体间的同一个环腔内（既它的火焰筒是独立的，第二股气流在进入火焰筒前

50、是相通的），相邻火焰筒燃烧区之间用传焰管联通。 环管燃烧室的优点： (1)迎风面积较小。（结构较为紧凑，致使发动机直径较小） (2)用含有13个火焰筒的试件就可以作试验，无需很大的气源。 (3)供油与供气匹配较好。 (4)外壳是承力件，有利于提高发动机的强度和刚性。（改善发动机整体刚性） (1)气动布局较差，扩压器设计较困难。（整体燃烧室外壳，单独火焰筒头部） (2)有联火焰管，点火性能虽然较差，但比单管燃烧室好些。环管燃烧室环形燃烧室的结构特点：在燃烧室内、外壳体之间的环腔内，安装了一个由共同的火焰筒内、外壁构成的环形燃烧区和掺混区，既由四个同心圆筒组成，最内和最外的两个圆筒为燃烧室的内外壳

51、体，中间两个筒即构成为火焰筒。环型燃烧室不仅第二股气流是相通的，第一股气流及火焰筒的气流也是相通的。其结构甚为紧凑，燃烧室迎风面积最小，容积利用率最高。近年来在新型发动机上得到广泛的采用。 环形燃烧室的优点： (1)能够与压气机配合获得最佳的气动设计，压力损失最小。 (2)空间利用率最高，迎风面积最小。 (3)可能得到均匀的出口周向温度场。 (4)无需联焰管，点火时容易传焰。 环形燃烧室的缺点： (1)调试时需要大型气温。 (2)由于采用单个的燃油喷嘴，燃油空气配合不够好。（和结构不匹配） (3)火馅筒刚性差。（燃油在一个大环形火焰筒中燃烧，温度很高，刚性差） (4)装拆维修因难。（是环形整体

52、） a带单独头部的环形燃烧室 为了便于在火焰筒头部组织燃烧，把环形火焰筒头部作成若干个类似环管燃烧室火焰筒的头部结构，在这些单独的头部后面再转接成环形的掺混区。这种形式的燃烧室又称为混合式燃烧室。 b. 全环形燃烧室 全环形燃烧室的火焰筒由内、外壁和环形头部构成。 c. 折流式环形燃烧室 折流式环形燃烧室的火焰筒由内、外壁组成。 对小型燃气涡轮发动机因其流量小，转速高，可以采用离心式压气机和燃油从发动机轴内腔经甩油盘离心甩出的供油方式。为了充分利用空间尺寸，缩短转子支点的距离，所以常采用折流式环形燃烧室。 d. 回流式环形燃烧室 回流式环形燃烧室的火焰筒由内、外壁和环形圆顶组成。 这种燃烧室也

53、用在带有离心式压气机的燃气涡轮发动机中。从压气机出来的气体，在组织燃烧和与燃气掺合的过程中要经过两次折转再流入涡轮部件。燃烧室的燃油是由在环形圆顶部的吸明提供。主燃烧室的共同特点（1）燃烧室内通道面积比其他部件如压气机的及涡轮的要大得多，它的外径也是最大的，这表示在燃烧室内必须降低流速。一般燃烧室内的平均流速为2536米秒。 （2）有火焰筒，其作用是只使一部分气流参加燃烧，而迫使其余气流在它烧完之后才与之掺合，即分成主燃区和掺混区。 （3）供油的方法虽然不同，大多数是喷嘴嘴的，也有用甩油盘的，以及蒸发式的。其结果都是使油形成油雾，便于迅速蒸发或直接使之蒸发。并且喷油与气流相配合，尽量使它们掺和

54、。（供油装置使燃油雾化、蒸发、掺混） （4）都有火焰稳定装置，有的是叶片扰流器(统称涡流器)有的是象碗、罩等形状的稳定器，有的只是在火焰筒头部开“搓板孔”等，其目的都是造成一定的气流结构以便火焰稳定。使火焰缩短。 （5）在火焰筒内壁有一层冷却气膜。早期的在筒壁上打小孔或指甲缝形成气膜。后期的把火焰筒分成几段每二段之间留一缝隙以形成气膜。 对燃烧室的性能要求燃烧室作为发动机的一个部件，必须满足发动机为达到预期目的而提出的要求这些要求是，点火可靠、燃烧稳定、燃烧完全、出口温度场符合要求、压力损失小、尺寸重量小、排气污染小、寿命长等八个方面。 1. 点火可靠 2. 燃烧稳定 3. 燃烧完全 4. 出

55、口温度场附和要求 5. 压力损失小 6. 尺寸小重量轻 7. 排气污染小 8. 寿命长 1、点火可靠（1点火特性线，影响点火的因素有多个，因此必须固定其他因素，看混气浓度对点火的影响 在一定的进口气流参数(压力、温度和流速)下，燃烧室能够实现可靠点火的富油极限及贫油极限的范围大小来表示点火性能的好坏，在燃烧室中，用油气比或余气系数来表示燃油空气混合气贫油或富油的程度。显然，这一范围越宽，表示点火性能越好。燃烧室的点火性能一股用点火特性线来描述。点火特性线是在一定的进气条件(p*2，T*2,c2)下，顺利实现点火的混气浓度(一般用余气系数 或油气比f表示)范围所形成的点火包线。 （2如何使点火可靠：多个电嘴，高能电嘴，预燃室点火2、燃烧稳定燃烧室的稳定工作对发动机来说至关重要。 （1）要求燃烧室在点燃以后，必须在规定范围内都能稳定燃烧，不被吹熄。（通常燃烧室工作时，进口气流的压力、温度较高，一般是能够稳定燃烧的。） （2）何时出现燃烧不稳定，有什么后果 （主燃烧室）在某些情况下，火焰有被吹熄的危险。例如： a