燃气轮机的概念与技术原理

目

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Contents燃气轮机概述与应用燃气轮机基本技术原理12燃气轮机：

一种旋转式动力机械

将燃料部分热能转变为机械能

以气体为工质，含压缩、燃烧、膨胀三个过程

核心组成：压气机、燃烧室、透平燃气轮机的雏形可以追溯到11世纪我国发明的走马灯：蜡烛燃烧后加热周围的空气，受热的空气上升，从而带动位于顶部的风车以及与风车同轴的纸人马一齐旋转。航空动力（航空发动机）：飞机的心脏。舰船动力：大型舰艇的理想动力源。机车动力：汽车、坦克、机车管线动力：天然气输送管线中的泵站、化工、油田、海上钻井平台发电领域：简单循环发电装置联合循环发电装置发电领域燃气轮机热电联产系统IGCC整体煤气化联合循环发电燃料电池目

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Contents燃气轮机概述与应用燃气轮机基本技术原理12

燃气轮机与蒸汽轮机比较燃气轮机蒸汽轮机工作介质锅炉空气、天然气煤、水无有有冷凝器无给水处理设备排放无有NOx、水、CO2硫化物等有害气体要求有暖管时间长（现场安装）启动速度建设周期投资成本快短（整体输运）低要建煤站等配套设施建设周期长其它维修方便、运行可靠、自动化程度高燃烧室：完成燃烧过程，化学能转换成热能压气机：完成压缩过程，机械能转换成压力能透平：完成膨胀过程，压力能和热能转换成机械能(部分用于驱动压气机)理想简单循环燃气轮机12

燃机工作原理P

*222t1、压缩过程（压气机）hP

*11

2t等熵绝热压缩过程1

2不可逆绝热压缩过程1Spp*2*

*c压比：1压缩功：w

h*2

h1*

c

T（*2

T1*）（实际）cpcwct

h*2t

h1*

c

T（*2t

T*）（理想）pct1

燃机工作原理2、燃烧过程（燃烧室）燃料的碳和氢与空气中的氧相互化合成二氧化碳和水蒸汽，同时释放出反应热（称燃料低发热值），使燃料产物的焓值上升。燃烧过程中加入到工质的热量为：Q

c

（T

*

T

*）pg32b

燃机工作原理33、膨胀过程(透平)h3

4t等熵绝热膨胀过程3

4不可逆绝热膨胀过程4*3*4tpp膨胀比：

*T

S4w

h

h

c

T

T膨胀功：

*3

*4t

（*3

*4t），（理想）TtpTtw

h

h

c

T

T

（），（实际）

*3

*4*3

*4TpT*3

*4*4tw

T

T等熵效率：

TTwT

T*Tt3

压气机压气机是组成燃气轮机装置的三大部件之一，它的作用是实现燃气轮机装置热力循环中的空气压缩过程。在燃气轮机装置中，已经得到成功应用的有轴流式和离心式压气机两种。地面重型发电用燃气轮机一般采用轴流式压气机。轴流式压气机会有许多的叶片，形状类似螺旋桨叶片，分为“静子”（stator）与“转子”（rotor）两种。转子就像螺旋桨一样地旋转，在旋转的过程中将气流向后推，这时气流的压力就会提高，温度也会升高。静子的功用是将因为转子的作用而产生旋转的气流导引回轴向，以正确的角度进入下一组转子。通常：转子和静子交互配置，一组转子和一组静子就称为一级。

基元级速度三角形用某一直径的圆柱面去截取压气机的一个级，并展为平面，即可得到一个由两排平面叶栅组成的基元级；基元级是构成压气机级的基本元素。压气级可以认为是由数量相当的基元级叠加而成。选取基元级的目的是将实际压气机内复杂的三元流动进行简化。

基元级速度三角形w1c111uc2w2

22

速度三角形由绝对速度C、相对速度W、圆周速度U

向量合成。W

=C

-U

W

=C

-U111222当

U

=U

为

圆柱面，U

不等于U

为非圆柱面。1212C

=Cw1w2

1

21z2zc2

2c11u1u2

速度三角形

速度三角形w1puuRuw2pu为气流对叶片的作用力P在圆周速度方向上的分力；由于此力和叶片的运动方向相反，叶片必须为克服此力而作功。所以压气机中是外界向气体输入功。

压气机的不稳定工作压气机在非设计工况下运行时会产生不稳定工作。特别是在低速工况下运行时，随着流量的减少，压气机会出现失速，严重时会出现喘振。压气机在一定转速下运行时，由于某种原因而出现流量增大或减小，产生负冲角和正冲角，气流就会在叶背或叶腹处分离。当流量减小时：i

产生正冲角，叶背分离。1c1当流量增大时：i

产生负冲角，叶腹分离1c1

压气机的不稳定工作w1w1-iw1+iui

1c

1w1w1w1cc1aw21aw2c1aw2设计值小于设计值大于设计值流量增大流量减小前几级中间级后几级前喘后堵前堵后喘

压气机的不稳定工作

压气机不稳定的工作状态，是由于偏离设计工况后，设计点气流参数和几何参数的良好配合遭到破坏，形成过大的正、负冲角，使压气机发生喘振或堵塞。

压气机喘振的影响：燃机部件强烈的机械振动和热端超温，极短时间内造成严重损坏。如何防喘

压气机的不稳定工作三种防喘措施：中间级放气、可变导叶、分轴压气机。压气机防喘尽管方法不同，但指导思想都是通过减小非设计工况时的冲角变化，来保持压气机工作的稳定性。1、中间级放气在压气机中间某一位置把空气直接放掉，使压气机前几级流量增加，后几级流量减少。从而减小了正负冲角，使不稳定工作得到改善。优点：结构简单、效果好。缺点：10－25%的压缩空气放掉，不经济。w1u1w1u1uu最后级第一级2、旋转导叶将叶片制作成可以按照叶片本身的一个轴线转动，从而使叶片的安装角得以改变。也就是说改变导叶安装角的位置，以适应来流方向的气流角，以至达到减小冲角的目的。优点：降低了压气机的耗功，便于启动。缺点：结构、操纵复杂，重量增加。w1

透平透平的工作过程是压气机工作过程的逆向过程，如；气流进入压气机遵行的是压缩过程，进入透平遵行是膨胀过程；透平对外作功，压气机接受外功（耗功）等。项目轴流压气机(Compressor)轴流涡轮(Turbine)工作

外界输入轮周功Wu，通过叶轮的连续

高温、高压的燃气在涡轮级叶栅中连续的旋转实现空气的压缩过程。空气的压

膨胀作功，推动叶轮旋转输出轮周功Wu

。原理力、温度和焓增加。机械功转化成压

燃气的压力、温度和焓降低。热能转化成力能。

机械功。

c12221

w22221

c2222

w122c22wcwWu

Wu

2动叶：减速扩压，w减小，p增加；

喷嘴：加速膨胀，c增加，p减小；静叶：减速扩压，c减小，p增加；

动叶：加速膨胀，w增加，p减小。冲动式：Wu全部由燃气的绝对速度动能转化；反动式：

Wu部分由燃气的绝对速度动能转化；部分由动叶栅膨胀转化。项目轴流压气机(Compressor)轴流涡轮(Turbine)工作原理w1

w2w1

w2c1

c2

1

2

1

2c1

c2

1

1

22压气机叶栅内部的减速扩压流动容易引

涡轮叶栅内部的加速膨胀流动不容易引起吸力面附面层分离，所以压气机动叶

起吸力面附面层分离，所以涡轮机动叶栅中气流转折角较小。栅中气流转折角较大。项目轴流压气机(Compressor)轴流涡轮(Turbine)涡轮收敛式叶栅通道叶栅

压气机扩张式叶栅通道结构压气机叶片薄，叶型转折角小。单级压

涡轮叶片厚，叶型转折角大。单级膨胀比小，需要的级数多。比大，需要的级数少。（1.加速膨胀过程不易分离；2.来流温度高，当地音速大，许可流速高）项目轴流压气机(Compressor)轴流涡轮(Turbine)叶栅

压气机级＝动叶+静叶结构涡轮（透平）级＝喷嘴+动叶项目轴流压气机(Compressor)轴流涡轮(Turbine)叶栅

多级压气机渐缩式子午流道结构多级涡轮渐扩式子午流道空气被压缩后密度增加，体积流量逐渐

燃气膨胀后密度减小，体积流量逐渐增减小，沿轴向子午流道收缩，叶片高度

加，沿轴向子午流道扩张，叶片高度增减小。加。

燃烧室1、燃烧效率高衡量燃烧完全程度和散热量大小：Qf

b

;

Qf为实际释热量。Q0Q

q

H

;

Q

为完全燃烧时的释热量。0fu0要使燃烧效率高，就需要燃料在燃烧室中完全燃烧，尽可能把燃料的化学能完全释放出来，转变为热能加热工质，而且不发生严重积炭和冒烟现象。2、点火可靠、燃烧稳定稳定燃烧：不熄火、不超温、不发生火焰脉动。qcqf

L0过量空气系数：

单位质量燃料完全燃烧所需的空气量称理论空气量：1

8L0

(

C%

8H%

S%

O%)0.232

3当

1,恰当混气

1,富油混气

1,贫油混气3、压力损失小、燃烧效率高*3*2p总压恢复系数

:

b

p4、出口温度场均匀火焰短、稳定，沿径向温度分布附合两头低，中间高。在圆周面上最大不均匀度θ和不均匀系数δ

：1最高温度

出口温度出口平均温度

进口平均温度最高温度

出口温度

l

1

出口平均温度T5、排气污染少燃烧室排气中的Nox、Co，碳烟等有害成分应小于法定标准。通常改进措施是改善雾化质量。Nox的产生与燃烧区的空气温度有关，向燃烧室内直接喷水或蒸汽，降低燃烧区温度是降低Nox的有效手段。6、寿命长，便于维修燃烧室长期在高温高压下工作，工作条件恶劣，常会出现变形、开裂、掉块等致命故障。所以必须合理的选择材料，优化冷却条件，防止积碳，提高燃烧质量。通常：运输机寿命：3000~10000小时固定式燃气轮机寿命：20000~30000小时燃烧室的组成和作用火焰筒、喷油嘴、扩压器、内外壁、旋流器、点火装置。1、火焰筒的作用燃烧室出口温度受涡轮叶片温度的限制，由于涡轮叶片最大能承受的温度在1200k～1400k左右，如果冷却技术先进可以提高到1600K左右。而对与1kg轻柴油温度2200k。完全燃烧需要14.6kg空气这明显超过了涡轮叶片所能承受的温度，要使温度降低，唯一的办法是供给更多的空气。要满足涡轮的进口温度，则1kg轻柴油50－60kg空气；

这一比例由于含油量偏低，实际根本不能稳定燃烧（贫油）。为解决这一矛盾，火焰筒起着不可缺少的作用。设计思想：使空气沿着火焰筒上开的孔进入火焰筒，一部分空气（约占总空气量的25~30%称一次空气），经火焰筒头部进气装置及前部的射流孔（称主燃孔）进入火焰筒前部的燃烧区，一次空气进入前部燃烧后温度可达2000k以上。在这区域，由于温度很高，燃烧反应的很快，使燃烧过程在火焰筒头部附近的燃烧区基本完成。另一部分空气沿着火焰筒后段的孔进入火焰筒，并与高温燃气掺混，使温度降低，以适应涡轮进口温度的要求，，这些孔称掺混孔，通常称二次空气。主燃孔和掺混孔之间还有一到二排补燃孔，是补充空气用的。由于火焰筒是在常期的高温下工作。所需要有可靠的冷却保护措施，如在火焰筒壁面上开小孔或作出间隙，使冷却空气沿火焰筒内壁时形成冷却气膜。２、喷油嘴的作用在燃气轮机燃烧室中，燃料逗留的时间是极短的，在有的燃烧室中，仅千分之几秒，要在如此短暂的时间内使燃料充分燃烧，加快燃料的蒸发气化极为重要，其中的关键问题就是使燃料很好的雾化。把燃料喷成大量小直径的油滴所形成的油雾，这一工作由喷油嘴来完成。雾化后的表面积大大增加并很快吸热气化并与空气混合，形成可燃气体。