燃气轮机基础知识

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第一章绪论

一、燃气轮机发电装置的组成

燃气轮机是近几十年迅速发展起来的热能动力机械。现广泛应用的是按开式循环工作的燃气轮机。它不断地由外界吸入空气，经过压气机压缩，在燃烧室中通过与燃料混合燃烧加热，产生具有较高压力的高温燃气，再进入透平膨胀作功，并把废气排入大气。输出的机械功可作为驱动动力之用。因此，由压气机、燃烧室、透平再加上控制系统及基本的辅助设备，就组成了燃气轮机装置。如果用以驱动发电机供应电力，就成了燃气轮机发电装置。

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二、燃气轮机发展史

燃气轮机是继汽轮机和内燃机问世以后，吸取了二者之长而设计出来的。它是内燃的，避免了汽轮机需要庞大锅炉的缺点；又是回转式的，免去了内燃机中将往复式运动转换成旋转运动而带来的结构复杂，磨损件多，运转不平稳等缺点。但由于燃气轮机对空气动力学和高温材料的要求超过其他动力机械，因此，发展燃气轮机并使之实用化，人们为之奋斗了很长时间。从1891年英国人约翰·巴贝尔申请登记第一个燃气轮机设计专利算起，经过了半个世纪的奋斗，到1939年，一台用于电站发电的燃气轮机(400kW)才由瑞士BBC公司制成，正式投运。同时Heinkel工厂的第一台涡轮喷气式发动机试飞成功，这标志着燃气轮机发展成熟而进入了实用阶段，在此以后，燃气轮机的发展是很迅速的。由于燃气轮机本身固有的优点和其技术经济性能的不断提高，它的应用很快地扩展到了国民经济的很多部门。

首先在石油工业中，由于油田的开发和建设，用电量急剧增加。油田有充足的可供燃用的气体和液体燃料燃气轮机装置被广泛应用，除用于发电外，还在多种生产作业申用燃气轮机带动压缩机(例如天然气管道输送，天然气回注，气田采油等)和泵(例如原油管道输送和注水等)。

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其他工业部门，如炼油厂、石油化工厂、化工厂、造纸厂等等；它们不仅需要机械动力，而且需要大量热(例如蒸汽)。这时用燃气轮机来功热联供，在满足这两方面需要的同时，还能有效地节能，故应用发展较快。实践证明，燃气轮机作为舰船推进动力，其优点显著，特别是排水量为数千吨的军舰，近一、二十年来所建造的大多是用燃气轮机作为推进动力的，飞机上应用涡轮喷气发动机等航空燃气轮机时，不仅重量轻，功率大，且迎风面积小，效率高，适宜于高速飞行，故早在50年代就基本上取代了活塞式航空发动机。

近二十年来，燃气轮机在电站中得到了迅速的发展，这是要引起我们足够重视的。由于燃气轮机起动迅速，且能在无外界电源的情况下起动，机动性好，用它带尖峰负荷和作为紧急备用机组，可保证电网的安全运行，因而被广泛地应用。在进入八十年代以后，燃气轮机技术获得了迅速的发展，技术性能大幅度提高。

GE公司于2011年发布最新9FB机型，单机功率291MW，联合循环功率444MW；简单循环燃机效率38.4％，联合循环效率达59.1%，并正在向60％迈进。

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先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构。运输、安装、维修和更换都比较方便，而且广泛地应用了孔探仪、振动、温度监控、焰火保护等措施，其可靠性和可用率大为提高，指标已超过了蒸汽轮机电站的相应指标。此外，在环保方面，出于燃气轮机的燃烧效率很高，排气干净，未燃烧的碳氢化合物，CO、S0X，等排放物一般的都能够达到严格的环保标准，再结合应用干式低NOX燃烧室、排气烟道中安装选择性催化还原装置(SCR)等技术措施，可施使NOX的排放低至9ppm，满足最严格的环保要求。因此，燃气轮机发电机组，特别是燃气-蒸汽联合循环机组已作基本负荷机组或备用机组得到了迅速的应用。燃气轮机的发展主要还是圈绕着增加单机功率，提高效率和经济性，燃用多种燃料和廉价燃料，减少对环境的有害影响来进行的。诸如加强高温材料的开发，提高冷却技术，发展闭回路蒸汽冷却燃气轮机，发展新型航空改型燃气轮机，开发先进的燃气轮机循环，进一步发展清洁煤技术等等。燃煤的燃气-蒸汽联合循环是“煤的清洁燃绕”技术中最为令人瞩目的项目，是九十年代到下世纪之初最有发展前途的方式。到目前为止最具竞争力的方案有三个，即(1)增压流化床方案(PFBC);(2)增压流化床加炭化炉加顶置燃烧室方案(简称CPFBC燃气·蒸汽联合循环);(3)整体煤气化联合循环(IGCC)。

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自1984年美国Coolwater电厂建成和投运以来，整体煤气化联合循环(IGCC)发电设备的优越性及其发展前景己为世人所共识。据不完全统计，正在兴建和规划中的IGCC电站项目共有27项，电站总功率8613MW，预期在近期内它们的供电效率有望达到43％～46％，其比投资费用亦将大幅度地降低。据美国某些部门的乐观估计，认为到2015年时，美国烧媒电厂装机容量中大约有35.8％～50％的机组将为IGCC和PFBC类型的燃煤的燃气-蒸汽联合循环机组所取代。

燃气轮机的应用发展现已提高到总能系统的高度，它是当前世界节能技术的主要发展方向之一。能量的分级利用与综合利用的全能量系统工程的概念被普遍重视，以热电联产及冷热电联供为核心的总能系统同样有广阔的前景，今后在能量转换过程的系统中，燃气轮机将占更重要的位置，并将大量采用燃气轮机总能系统。现在世界上已有20多个国家，一百多个企业生产近千种型号的燃气轮机，国外在60～80年代的生产竞争中，燃气轮机的制造企业通过兼并和协作，以GE、SIMS(KWU)、ABB、西屋(WH)、普惠(PW)、R-R公司六家大公司为中心形成若千跨国生产集团，上述六个最大集团的产量占世界大中型燃气轮机的绝大部分。

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三、GE公司燃气轮机产品系列及其编号

GE公司可提供重型和航机改型燃气轮机以作发电和工业应用。重型燃气轮机有简单循环环和回热循环，由五个系列组成:MS3002.MS5000，MS600l,MS7001和MS9001。有单轴和双轴结构，用于带动发电机发电或机械驱动，以符号LM标志的航机改型燃气轮机也用于机械驱动和发电机驱动。

带动发电机发电的燃气轮机产品系列其额定功率大致在10000～226000KW。表1-1列举了一些典型机组的出力和热耗等性能参数。机械驱动用的机组额定功率在14600～10800Ohp.见表1-2所列。表1-1和表1-2所列机组中各代号的含义如下：

M5322R（B）--------(1)(2)(3)(4)(5)(6)(1)用途:M-机械驱动;GD-发电设备;PG-箱装式发电设备(2)系列号:3,5,6,7,9等相应表示MS3002,MS5000,MS6001等中申的系列号(3)输出功率:大致为几百、几千、或几万马力(4)轴数:是单轴还是双轴(即1或2)(5)循环方式:R－回热循环，如此项空缺，则为简单循环(6)型号

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因此，M5322R(B)即为机械驱动用MS5000系列B型，回热循环双抽机组·其出力大致为32000马力，PG9171(E)即为箱装式发电机组MS9001系列E型，简单循环单轴机组·出力大致为17万马力(125MW)。LM的符号用以标志航机改型机组，其系列号有LM2500、LM5000和LM6000等，机组的型号再在系列号后面加字母标出。如LM6000(PA)。GE公司燃气-蒸汽联合循环产品系列的设备配置申，各种代号的含义规定如下。

配备MS系列重型燃气轮机的，以S209E为例:S-STAG联合循环·STAG是SteamandGas(蒸汽与燃气)的缩写2：燃气轮机的台数0：没有意义。9：燃气轮机系列号E：燃气轮机型号因此，S209E就表示配备2台9000系列E型燃气轮机的燃气-蒸汽联合循环电站；S109E就表示配备1台9000系列E型燃气轮机的燃气-蒸汽联合循环电站。

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一、工质的基本状态参数

一般来说，各类热机都是采用气态物质作为热功转换过程的媒介物，我们把这种媒介物叫做工质。热能动力装置的工作就是借助于工质的吸热、膨胀、放热等过程完成变热为功的转换。在这些过程中，工质的物理特性随时在起变化，我们把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现宏观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态。为了说明热工设备中的工作过程，必须研究工质所处的状态和它所经历的状态变化过程，在研究热力过程时常采用压力、温度、比容、内能、熔、熵等参数来加以描述。其中温度、压力、比容可以直接或间接用仪器测量出来，且物理意义易于理解，称为工质的三个基本状态参数。以下我们先介绍三个基本状态参数，内能、焓、熵等参数将在以后有关章节中分别予以介绍。

1、温度

温度是标志物体冷热程度的物理量。它反映了分子平均移动动能的大小，可以用温度计测量。当两个温度不同的物体相互接触，它们之间将发生热量传递，经过一段时间之后，两者温度相等，它们之间就不再有热量传递，达到一个共同的热平衡状态。因此当温度计与被测物体达到热平衡时，温度计指示的温度就等于被测物体的温度。

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衡量温度的标尺叫温标，在我国法定计量单位中，温度测量采用热力学温标，符号为T，单位名称是开尔文(K)。按照国际单位制的规定，把水的三相点温度，即水的固相、液相、汽相平衡共存的状态点作为基准点，并规定该点温度为273·16K。工程上还常用摄氏温标，它规定在标准大气压下纯水的冰点是0℃，汽点是100℃，℃是摄氏温度单位的符号，摄氏温度用t表示。它与热力学温度开尔文之间的数量关系为:t=T-273.15

摄氏温度与热力学温度的间隔完全相同，只是起点不同，在一般工程计算中取t℃=(T－273)℃己足够精确。热力学温度通常又称为绝对温度。在英制系统用华氏温标，也用t表示，其单位符号为F。因此摄氏温度与华氏温度的数量关系为：

T(F)=9/5×T(℃)＋32T(℃)＝(T(F)-32)×5/9

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2、压力垂直作用在单位面积上的力称为压力，以符号P表示，这就是物理学上所称的压强。按分子运动论的观点，压力是气体的大量分子向容器壁面撞击所产生的平均结果。若气体作用在器壁面积A上的垂直作用力为F，那么该壁上的压力为:P=F/A压力通常用各种压力计来测定。这些压力计的测量原理部是建立在力的平衡的基础上。由于压力计本身处于大气压力B作用下，因此压力计上测得的压力是工质的真实压力和大气压力B的差值，是一个相对压力，称为表压力或工作压力，用符号Pg表示，而工质的实际压力称绝对压力，用P表示。P,Pg和B之间的关系是：P=B+Pg有时工质的压力低于大气压力B时，此时压力计上测得的压力称为"真空度"，用H表示，则H=B-P

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绝对压力P，表压力Pg，真空度H和大气压B的关系可用下图说明：只有绝对压力才能表征工质的状态，在热力学中均以工质的绝对压力作为状态参数，在工程计算中亦以绝对压力作为计算的依据。

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(1)按我国的法定计量单位，压力的单位采用牛/米2(N/m2)，即1米2面积上作用1牛顿的力，称为帕斯卡，符号为帕(Pa)，工程上因这个单位太小，常采用兆帕(MPa)1MPa=106Pa

暂时与国际单位制压力并用的有巴(bar)1bar=105Pa=0.1MPa(2)工程大气压，它的单位是公斤力/厘米2(kg/cm2)，即1厘米2面积上施加1公斤的作用力。用符号at表示。(3)标准大气压，又称物理大气压，把纬度45。，大气温度为0℃的海平面上的大气常年平均气压定为标准大气压，用符号atm表示，它的大小是，1标准大气压(atm)=1.033公斤力/厘米2=1.033工程大气压(at)=1.0133bar

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(4)压力的大小也可以用液柱(常用的有汞柱或水柱)的高度来表示，根据压力测量设备液柱的高度，可以计算出用其它单位表示的压力：P=yA=pgH式中y为液体的重度，N/m2;H为液柱的高度，m。这样求出的压力为帕，如：1mm水柱=9.8Xl03N/m3X10-3m=9.8帕1mm汞柱=1.33x105N/m3X10-3m=133N/m2=133帕(5)在引进机组中，常常遇到用英制单仪制表示的压力单位磅/英寸，(psi)，由于1磅=0.4536公斤1英寸=2.54厘米

所以1工程大气压(at)=1公斤力/厘米2=14.22磅力/英寸2=0.98bar1bar=14.50磅力/英寸2(psi)

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3、比容

单位质量的工质所占有的容积称为比容，以符号v表示。按我国法定计量单位质量用千克,长度用米，容积用米3，因此比容的单位是米3/千克(m3/kg)若容积为V米3的气体，具有m千克的质量，则其比容为:v=V/m(m3/kg)

单位容积内物质的质量称为密度，以符号p表示，单位为千克/米3(kg/m3)。若容积为V米3的气体，具有m千克的质量，则密度为p=m/V(kg/m3)显然，比容与密度互为倒数，即:

pv=1从微观上讲，对于同一气体，比容和密度均是反映单位容积中气体分子数的多少及分子间平均距离的大小，即说明气体某一状态下分子聚集、疏密的物理量，只要知道比容和密度其中一个，就可以求出另一个。

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二、理想气体的状态方程所谓理想气体乃是一种经科学抽象的假想气体，这种气体的分子是一些弹性的、不占有体积的质点;分子之间没有相互作用力(引力和斥力)。凡不符合这两个假设条件的气体则称之为实际气体。

热力学中引入理想气体这一概念，其目的是为了便于分析计算，因为在这两个假设条件下，气体分子运动规律可大大地简化，各状态参数之间可以得出简单的函数关系式。虽然理想气体在自然界并不存在，但是对工程上常遇到的一些气体，当压力不太高，温度不太低时，分子间距离较大，因此分子本身占据的体积与气体所占体积相比是非常小的，分子间的作用力也很微弱，因此可以忽略，此时这些气体就可以近似地把它们当作理想气体来处理，使问题大为简化，同时又能达到工程上所要求的精确度。例如燃气轮机中所遇到的空气和燃气，其温度一般在0℃以上，压为一般不超过2MPa，如果计算精度要求不太高，就可以把它们当作理想气体来处理。而当压力较高，或温度较低时，气体的比容小，分子之间距离较近，因比分子本身体积以及分子之间相互作用力不能忽略。如蒸汽动力装置中的水蒸汽以及压缩致冷装置中的致冷剂蒸汽等就不能作理想气体来处理。

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理想气体的三个基本状态参数一一一压力、温度、比容之间存在窗一定的函数关系：Pv=RTPV=mRTP:气体的绝对压力,Pa

v:气体的比容,m3/kgV:质量为m千克气体所占有的容积，m3m:气体的质量,kgR:气体常数,J/kg·KT:气体的热力学温度,K气体常数R与气体的性质有关，而与气体的状态无关，不同性度的气体，其R值不同，R的单位是焦耳/千克·开(J/kg·K)，对于空气R=287J/kg·K。燃气的R值取决于燃气的成分，在燃气轮机中所遇到的燃气，其R值与空气差不多，大体上为287.3J/kg·K。

这里顺便提一下气体常数R的求法，根据阿伏加德罗定律可以得出，各种气体的千摩尔气体常数Rm都一样。为;Rm=8314.3J/kmol·K，称为"通用气体常数"。所谓千摩尔(kmol)是指物质相当于其分子量的千克数。例如氧气的分子量U=32,则1千摩耳氧气就是32千克。因此，只要知道了某种气体的分子量，就可以求出它的气体常数R,R=R/U.氧气的气体常数R即为8314.3/32=259.82J/kg·K

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三、功和热量如果一个热力学系统处于平衡状态，那么它只有在外界的作用下才能发生变化，外界作用的结果，系统状态发生变化，这种变化过程称为热力过程。在该过程中将伴随着能量的传递，热力系统与外界传递能量的形式有两种——功和热量。下面我们分别研究功和热量的概念。

1、功在力学中，功被定义为力与沿力的作用方向所产生位移的乘积。在热力学中，按照热力系统和外界间相互作用的关系，作如下定义:当热力系统和外界间存在压力差时，系统通过边界和外界之间相互传递的能量，在热力学申通常规定:热力系统对外界所作功为正值，外界对热力系统作的功为负值。

功是系统传递中的能量，功不是一个热力状态参数。只有当系统状态发生变化的时候，才有功的传递，所以我们说功与过程性质有关，为过程量。功用w和dw表示,dw表示微元过程中气体对外界所作的微量的功。

在我国的法定计量单位中，功的单位为焦耳(J)，1焦耳的功相当于1牛顿力作用下产生1米位移时完成的功量，即1J=lN×1m；单位时间内完成的功称为功率，单位为瓦特(W)或千瓦(kW):1W=1J/S

1kW=1kJ/s

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2、热量

热量是一个重要的概念，在热力学中有它严格的定义:当热力系统与外界之间存在温差时，系统通过边界与外界之间相互传递的非功形式的能量。

功和热量是热力系统与外界之间能量传递的两种基本形式，功是由压差的作用而产生的能量，热量则是由温差的作用而传递的能量。它们都表示能量在传递过程中的一种量度。与功一样，热量不是状态参数，而是过程量。在热力学中我们用符号Q代表热量，对于微元过程中传递的微小热量，则用dQ表示，通常规定:当热力系统吸热时，热量取正号，放热时取负号。热量的单位习惯上用大卡(kcal)，它是1千克纯水温度升高1℃所需要的热量，由于热和功都是能量的传递形式，它们可以互相转换，因此没有必要周不同的单位表示它们，在我国的法定计量单位中，热量的单位与功的单位同微焦耳(J)或千焦耳(KJ)。它们与大卡有以下的换算关系:1kcal=4.1868kJ

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在工程上，热量的计算是引用比热这个概念来进行的，单位质量的物体温度升高1℃所需要的热量叫比热，用符号C表示;它的单位焦耳/千克·度(J/kg*K)或千焦耳/千克·度(kJ/kg*K)。试验表明:工质的比热通常不是一个恒定的常数，它与工质的性质、热最交换的具体过程及工质温度的变化范围有关。如下图过程所示：

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对上图中甲和乙两个容器分别加热，图中甲是一个带有活塞的容器，装有1千克温度t1的空气，占有容积V1，活塞上放有重块，活塞与汽缸之间的摩擦力忽略不计。这样，工质受热膨胀举起活塞和重物时，活塞、重物的重量与气体压力保持平衡，由于活塞和重物的重量量恒定不变，所以工质压力也不变，始终保持为一个常数，这样一个过程称为定压过程。过程终了，工质容积变为V2，温度升高到t2。

图中乙是一个封闭容器，其容积不变，也装1千克空气，受热时，温度由t1升高到t2，显然这时工质的压力也升高了，这样一个加热过程是容积恒定不变的过程，称为定容过程。

两种情况下，工质的种类相同，质量相同，温度变化范围也相同，但它们吸收的热量不同，加热给甲容器中工质的热量中，除了使工质温升外，还要举起重物，因此可以肯定的说，外界传给甲容器中工质的热量大于加给乙容器中工质的热量。定压过程中的比热即定压比热，用CP表示，定容过程中工质的比热即定容比热，用CV表示。通过上述说明可以知道CP＞CV，而定压比热与定容比热的比值：k=CP/CV；k称为比热比。

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工质的比热不仅与过程有关，而且还与工质变化的范围有关。在工程上为了简化计算，通常取0℃作为一个基准点，找出工质从0℃加热到不同温度时的平均比热，并做成表格备查。这样，对于m千克的工质，其温度由t1变化到t2，其吸收或放出的热量就是：

Q=m(C)t1t2*(t2-t1)=m(C)0t2*t2-m(C)0t1*t1

上式中(C)t1t2、(C)0t2、(C)0t1分别为温度t1到t2、0℃到t1及0℃到t2范围内工质的平均比热。如果t2＞t1，则外界对工质加热，所得Q为正值，如果t1＞t2，则工质对外界放热，所得Q为负值，因此，热量得正负表明了热量得传递方向。

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4、膨胀功和压容图处于热力平衡状态的系统，只要不受外界影响，它的状态不会随时间而变，平衡也不会自发地破坏。在受到外界作用时，工质状态就要变化工质从一个状态经历一系列中间状态，变化到另一状态，它所经历的全部过程就叫热力过程，简称过程。经历某一过程的系统，如果能在外界不发生任何变化的情况下回复到初态，则此过程称为可逆过程；如果再外界不发生变化的情况下不能回复到系统的初态，则此过程称为不可逆过程。实际热力设备中所进行的热力过程总存在各种不可逆因素，因而都是不可逆的；而可逆过程则是一切实际过程的理想极限，是一切热力设备力求接近的目标。因此，我们看重研究可逆过程；对于实际过程，则可根据实际因素的影响进行修正。

通常热能转换为机械能是通过工质的膨胀的，现在我们来讨论工质的可逆膨胀过程所作的功。

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膨胀功与压容图

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假定在气缸中有1公斤气体，这时气体所占的气缸容积即为比容。如果我们在气缸外缓缓加热，则气体逐渐膨胀，压力降低而比容增加，过程由初态1到终态2，如果进行的是可逆过程，则过程1-a-2可以在压容图上以实线表示出来。压容图是以压力p为纵坐标，比容v为横坐标而形成的，压容图上的任一个点就表示一个确定的状态。如果活塞面积为A，任一瞬间气体在压力p的作用下推动活塞移动距离dx所作的膨胀功为：δw=Fdx=pAdx因Adx=dv，即为气体容积的变化量，所以δw

=pdv

在过程1-a-2中，由于时可逆过程，过程中的每一点是一平衡状态点。如果知道工质在状态变化过程中压力p和比容v的变化规律，即过程方程式p=f(v)为已知，则即可以用积分方法求得功：W12=∫v1v2δw=∫12pdv

对于mkg工质所作的功，则写成W12=m∫v1v2pdV=∫12pdv

由定积分的几何意义可知，即p=f(v)这已函数关系不同，如压容图中的过程1-b-2，即使过程的起点和终点一样，过程的膨胀功也不同。此时过程1-b-2所做的膨胀功面积为1b2nml。因此，膨胀功是一个过程量，即功的大小不近与过程的起点、终点有关，而且与所进行的过程性质有关。由于压容图上p=f(v)曲线下面的面积，定量表示了1kg工质在经历该热力过程时所作的膨胀功，压容图又叫做“示功图”。

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5、熵和温熵图

功和热量都是与过程性质有关的量，两者具有许多共同的特征。由前面已经知道，在可逆过程中，工质与外界传递的功量可以用两个状态参数p和v来描述，即δw

=pdv或W12=∫12pdv

其中压力p是作功的推动力，只要工质与外界微小的压力差就能作功，因而比容v的变化则表示有无作功，当dv＞0时，工质对外界作功，当dv＜0时，工质对外界作负功，即外界对工质作功。而当dv=0时，则在热力过程中不论其他的状态参数如何变化，工质未作膨胀功，也未获得压缩功。因此dv是否为零以及dv的正、负就表示了是否作功和作功的方向。

用类比方法，既然热量是工质与外界有温差存在时所穿的的热量，于是相应地也应有某一状态参数的变化来标识有无传热，我们就把反映热量传递关系的状态参数起名叫做“熵”，以符号S表示，1千克工质的熵用小写字母s表示，任意质量工质的熵用大写字母S表示。

在可逆过程中，类比功的关系式，热量q也可以用数学式表达如下：δq

=Tds或q12=∫12Tds

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由此可得状态参数熵的定义式，在可逆过程中：ds=δq

/T或△s=∫12δq

/TKJ/kg·K

即在微元的可逆过程中，工质熵值得微元增量ds为外界传给工质的微笑热量δq除以传热是工质的绝热温度T所得的熵。相应地对于mkg工质，其熵的变化：dS=δQ/T，因δQ=mδq，故代入上式可得：dS=mds或△S=m△s,这说明当工质的质量增加时，熵的数值也增加。

由热力学可以证明，熵是状态参数，只要工质的状态一定，工质的熵就是一定的，而与工质经历何种过程到达这一状态无关。两个状态之间熵的差值也是一定的，不管连接这两个状态点的过程是什么过程，也不管这些过程是否可逆。

既然熵是状态参数，他就可以和另一个独立的参数一起描述工质的状态。类比压容图(pv图)我们可以绝对温度T为纵坐标，熵S为横坐标，组成温熵图(Ts图)。与压容图一样，温熵图上，每一点可代表一个平衡状态，每一条曲线可代表一个可逆过程，温熵图上过程曲线的方程可以一般地写作：T=f(s)根据熵的定义，ds=δq

/T，因此对于一个可逆过程，过程中对工质加入的热量为：q=∫12δq

=

∫12Tds

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q=∫12Tds就是过程曲线下的面积，如下图所示，曲线1-a-2下面的面积1a2s1s21即表示1-a-2过程工质与外界所传递的热量，因此温熵图又称为示热图，在热力学中，温熵图和压容图具有同样重要的实用价值。

因为绝对温度T总正值，对ds=

δq

/T,若ds＞0,则δq＞0，说明过程中工质的熵增加，表示外界向工质加热；若ds＜0,则δq＜0，说明过程中工质的熵减少，表示工质向外界放热；若ds=0，表示工资与外界无热量传递，此时工质状态变化过程在Ts图上围一条垂直线，称为绝热工程。因此可以根据工质熵的有无增减，来判断工质在可逆过程中是吸热、放热还是绝热。

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第二章

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6、热力学第一定律

热力学第一定律是普遍的能量守恒与转化定律在热现象上的应用。在自然界中，一切物质都具有能量，能量是不可能被创造，也不可能被消灭，但能量可以充一种形态转变为另一种形态。在能量的转化过程中，能地总量保持不变。

工程热力学主要研究热能和机械能之间的相互转化和守恒。机械能变热能或热能变机械能的时候，它们之间的比值是一定的，用A表示与一个单位的功相当的热量，叫做热功当量，则Q=AL。

1、内能

内能是储存于物体内部的能量，内能的量值取决于物体内部微观运动的状态。对于气体，其内能包括内动能和内位能。前者由分子的移动动能、转动动能和分子内部的振动动能所组成。分子间的内位能是由于分子间具有相互作用力而产生的分子间的位能，它随气体的压力和比容而变化。而对于理想气体，由于认为分子之间不存在互相作用力，所以不存在内位能，内动能只是温度的单值函数，因此，理想气体的内能只与温度有关。内能符号U，1千克工质的内能用u表示，其单位是焦耳/公斤(J/kg)

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2、动能

工质在管路、设备中流动，就必然具有一定的速度，因此就具有一定的动能，我们以E=1/2mc2来表示，其中E即为动能，m为工质的质量，c为工质流动时的速度，对于气体，这里的动能E是大量气体分子的集合体做宏观的定向流动时所具有的能量，因此，它是机械能的一种。3、焓

我们用下式来定义“焓”，即i=u+pv；式中u为工质的内能，p和v为与内能相同状态下的压力和比容。i叫做“焓”，上式是对1千克工质而言。对于任意质量工质的焓，用大写字母I表示：I=U+pV。焓的单位与内能相同，为焦耳/千克(J/kg)。

由于u、p、v都是状态参数，因此i也是状态参数，即工质的焓i只与工质状态有关，而与它经历什么过程到达这一状态无关。

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一、燃气轮机热力循环的主要技术指标

衡量一台燃气轮机设计好坏的技术指标是很多的，例如机组的效率、尺寸、寿命、制造和运行费用，启动和携带负荷的速度等，这里我们主要从热力循环的角度，着重讨论机组的效率、比功、有用功系数、压比和温比等参数。1、热效率

热效率的含义是:当工质完成一循环时，把外界加给工质的热量q(或Q)转化成为机械功的百分数。根据机械功是在什么地方测得的，我们有以下三种效率的定义。(1)循环效率：q1—相对于1千克空气来说加给机组的热量，千焦耳/千克wT—相对于1千克空气来说的透平的膨胀轴功，千焦耳/千克wc—相对于1千克空气来说的压气机的压缩轴功，千焦耳/千克wi—相对于1千克空气来说的循环净功，千焦耳/千克HW—燃料得发热量，千焦耳/千克F——燃料流量与空气流量之比，及燃料空气比

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燃气轮机热力循环(2)装置效率：ηm—燃气轮机机械效率Ws—相对于1千克空气来说在透平功率输出轴上测得的功率，千焦耳/千克(3)机组的有效效率：ηg—发电机效率Ne—发电机的功率，千瓦B—每小时加给机组的燃料量，千克/小时ηe—是燃气轮机用来发电时衡量机组热经济性的一相指标。

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工程上还常用油耗这个指标来衡量机组的热经济性，它得含义是每产生1千瓦时（度）的功所消耗的标准燃油的克数，即：

ge—油耗，克标准油Gf—每秒加给机组的燃料量，千克/秒标准燃料油是指发热量（低位）为43124千焦耳/千克的燃油（10300千卡/千克），有时还用热耗率qe

来衡量机组的热功转换效率，即：显然，效率与热耗率互为倒数。油耗、热效率和热耗率是从不同角度来衡量机组功能转换效率的，因此，它们是互相关联的，知道其中一个，就可以求出另外两个来。燃气轮机基础知识

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燃气轮机热力循环二、燃气轮机理想筒单循环

燃气轮机的循环式一种所谓的“白雷登循环”，简单循环的燃气轮机，其通流部分由进排气管道和燃气轮机的三大件即压气机，燃烧室、透平组成。从大气中吸取空气，透平排出的燃气又回到大气中去如下图所示：

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由上图可以看出压气机从大气吸入空气，并把它压缩到一定压力，然后进入燃烧室与喷入的燃料混合、燃烧，形成高温燃气。具有作功能力的高温燃气进入透平膨胀作功，推动透平转子带着压气机一起旋转，从而把燃料中的化学能部分地转变为机械功、燃气在透平中膨胀作功，而其压力和温度都逐渐下降，最后排向大气。

只要机组启动成功后，连续不断地向燃烧室喷入燃料，并维持正常燃烧，那末上述过程就会连续不断地进行下去，燃料中的化学能也将部分地、连续不断地转比为机械功，这就是开式简单循环燃气轮机的工作原理。下面我们顺着工质的流向，对理想简单循环燃气轮机的热力过程以及循环特性参数作简要的介绍。

压气机中，空气被压缩，比容减小，压力增加，因此必须输入一定数量的压缩功。当忽略压气机与外界发生的热量交换时，这一压缩过程就是绝热的。如果过理进行得十分理想，没有摩擦和扰动等不可逆现象存在，那么这一过程就是理想绝热过程。

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在燃烧室中，从压气机排出的高压空气与燃料喷嘴喷出的燃料混合燃烧，将燃料的化学能释放出来，转化为热能，使燃烧产物即燃气达到很高的温度，因此，这就相当于从外界吸收一定数量的热，使工质温度升高，比容增大的加热过程。在这一燃烧加热过程中，工质只与外界有热量交换，并不对机器作功。空气或燃气在燃烧室中的流动过程伴随着损失，压力有所下降。但是设计良好的燃烧室中压力损失很小，因此，在进行理论分析时，可以认为燃烧室中工质压力保持不变，即是说，燃烧室中的燃烧升温过程可以看作为一个定压加热过程。

从燃烧室出来的具有较高压力的高温燃气进入透平后，在透平中膨胀，带动压气机旋转，同时对外界输出一定数量的机械功。与此同时，工质的温度、压力下降，比容增加。在这一过程中透平机壳会对外界环境散热，但是由于燃气流量很大，燃气流过透平所需时间很短，因此对外界的散热相对很小。从而可以忽略对外界的散热而把透平中工质的膨胀作功过程当作绝热过程。在这一过程中，工质与外界只有机械功的传递而没有热量的交换。在没有摩擦等不可逆现象的情况下，透平中的膨胀可以看作是理想绝热过程。

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燃气轮机排气经排气管道和烟囱排入大气，在大气中自然放热，温度降低到环境温度，也就是压气机进口空气的温度，当忽略排气系统压力损失时，在这一自然放热过程中，压力不变，因而是一个定压放热过程。

以上四个过程，即压气机中的理想绝热过程，燃烧室中的定压加热过程，透平中的理想绝热过程和排气系统中的定压放热过程，就组成了燃气轮机理想开式简单循环，我们把压气机进口处空气的状态参数等一律以下标“1”表示，压气机出口即燃烧室进口状态以下标“2”表示，燃烧室出口即透平进口状态以下标“3”表示，而透平的排气状态用下标“4”表示。将该循环表示在压容图和温熵图上，见下图：

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三、简单循环燃气轮机的分析

燃气轮机具有结构简单、体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却水等一系列优点，但它最大的缺点是效率偏低，目前陆用燃气轮机的循环效率大致在32%～38%左右。为了提高效率，需要深入研究和分析燃气轮机热力循环中各种因素对热效率和比功的影响，以便从中找到提高机组热经济性和比功的途径。

机组热效率在燃气轮机热力循环的主要技术指标中已提及。

比功的含义：是指进入压气机的1kg空气，在燃气轮机完成一个循环后所能对外输出的机械功(或电功)或净功。

由机组热效率的表示式可知，影响机组热效率的因素较多。首先是温比τ=T3/Ta(Ta为进入压气机的空气温度、T3为燃气透平的初温）、空气在压气机中的压缩比π；其次是压气机的压缩效率、燃烧室燃烧效率、燃气透平膨胀效率，以及工质流动过程的压力保持系数或压力损失(压气机进气、燃烧室、排气系统)。

下面重点讨论升温和增压这两个因素对机组热效率和比功的影响。

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首先看一下升温的影响。先假定压比π为某一定值。如果以它的极端情况不升温为例，可以肯定地地说，那时燃气轮机根本不会旋转。因为热力学第一定律告诉我们，热机对外界输出轴功，是以工质从外界吸收一定热量为前提的。在燃气轮机中，位移可以加进热量的地方，就是在燃烧室中喷入燃料燃烧，以提高工质的温度。如果不升温，外界并没有对机组施加任何热量，当然机组就不会有机械功输出。这个问题还可以从另外一个角度加以解释：在没有任何不可逆现象的理想情况下，如果空气在压气机中增压后，不经燃烧升温而立即送到透平中去膨胀，可以设想此时透平发出的轴功正好等于压气机消耗的轴功，两者互相抵消，更何况实际的过程是不可逆的，因此压气机功耗大于透平的膨胀轴功，机组本身就转不起来。

如果再压缩过程完成以后，在燃烧室中喷入一定数量的燃料，使工质温度由T2升高到T3，则透平的膨胀轴功就将超过压气机的压缩轴功，这样机组就会旋转起来，并对外界输出一定数量的净功。由此可见，在燃气轮机循环中，燃烧过程所能达到的T3越高，则p-v图上循环曲线所包围的面积越大，即循环的比功越大。在存在摩擦等不可逆损失时，这个结论同样正确，因此此时向外界输出的功是理想循环功扣除各项损失后的余额。另外随着T3的增加，机组的效率也增加。

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我们再来考虑大气温度Ta的影响。当机组所在地点不变时，大气压力的波动是很小的，可近似为pa不变，而大气温度一年四季变化很大。当大气温度下降时，空气比容会减小，压缩过程的起点1将沿等压线向左移动，当它经历等熵压缩过程二达到同一个出口压力p2时，空气的温度和比容都比较小，这久意味着压缩过程压气机所消耗的压缩轴功将随大气温度的下降二不断减小。当T3一定时，机组的比功就会增大。这个规律对于存在不可逆现象的实际循环涞水，也是适合的。由此可见，大气温度Ta的降低对机组比功和热效率的影响，正好与提高透平燃气初温T3的效果相仿；当然它们的影响程度不同。这可以用温比τ=T3/Ta来表示二者共同的作用。不论提高T3，还是降低Ta，τ都增大，从而比功和热效率都有所增加。

在实际燃气轮机中，温比τ对燃气轮机的性能有决定性的影响。T3每提高100℃，机组比功增加约20%～40%，热效率增加0.02～0.05.因此力求提高T3，以得到良好的机组性能。当然T3的提高受到透平叶片材料和冷却技术的限制。目前T3大都被限制950℃～1400℃之间，至于大气温度Ta随时在变动，由于Ta的降低比提高T3对机组性能的影响要大几倍，故天气冷暖对燃气轮机性能有很大影响，Ta每降低10℃，机组比功可增加4%～10%，效率提高0.01～0.02。

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下面讨论下当T3和Ta选定时(即温比τ一定)，压比π对机组比功和热效率的影响。从燃气轮机简单理想循环的温熵图(T-S)中可以清楚地看出压比的影响。如果空气根本不经压气机增压，即π=1，，则不管T3取得多高，这实际上就是一个向大气喷燃料燃烧的过程，机组当然不会有任何机械功的输出。

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这种极限情况就死图中1-4s-4′s-3〞等压燃烧过程线，该线就是压力p=pa的等压线，之后燃气在大气中放热，从原等压线回到初始状态1，这样一个循环表示曲线下的面积为零，因此机组循环浄功为0，效率也为0。而当π＞0时，从图中看出，这时机组可以输出相当于面积1-2′s3′4′s1那样大小的循环浄功，当压比继续增大，则代表循环浄功面积就继续增大，为1-2s34s1。

但并不是压比越高循环比功就越大，因为当选定了T3=常数后，由于压气机出口温度随压比的增加而升高，燃烧室中允