燃气轮机原理精讲.ppt

1、燃气轮机原理与性能 精讲,第一章概论 1-1 燃气轮机简介 1-2燃气轮机的发展 1-3燃气轮机的应用1-4 燃气轮机的未来 1-5 燃气轮机的分类1-6 燃气轮机涉及的主要学科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2-2 理想燃气轮机循环 2-3 实际燃气轮机循环2-4 复合燃气轮机循环 第三章燃气轮机热力计算 3-1 热力计算的目的3-2 燃烧室计算方法 3-3 热力计算的步骤3-4 热力计算的举例 第四章相似理论 4-1 相似准则4-2 相似参数与换算参数,课程内容,第五章燃气轮机部件特性 5-1 轴流压气机特性 5-2 透平特性 5-3 燃

2、烧室特性5-4 径向压气机、向心涡轮特性 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6-2 燃气轮机部件间的匹配 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7-2 燃气轮机加速过程 7-3 燃气轮机减速过程 7-4 燃气轮机加减速过程参数控制 第八章燃气轮机性能仿真 8-1 仿真方法 8-2 计算实例,教学参考书,1、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 Theory H. C

3、ohen, G. F. Rogers, H. I. H. Saravanamuttoo,参考书目,第一章 概论,1.1 燃气轮机的组成及工作原理,Simple gas turbine system,C- compresser T- Turbine B Combustion chamber,1-2 燃气轮机的发展,公元前150年 埃及哲学家Hero发明了一个玩具汽转球 (Aeolipile） 1629 - Giovanni Branca利用蒸汽驱动涡轮旋转磨粉机 1687 Isaac Newton 蒸汽货车,1791 John Barber第一个利用现代燃气轮机的热力学原理申请的设计专利 187

4、2 - 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 - Charles Curtis 档案记载的应用燃气轮机第一人,(1864-1949) Aegidius Elling 1882 开始设计GT；1884获得专利；11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=500C；44马力；具有了4轴的想法;,1930 Frank Whittle 1930年申请了第一个用于喷气推进的燃气轮机专利 1941年第一台安装在飞机上的燃气轮

5、机诞生（速度370MPH，1000磅推力）,1939Hans von Ohain and Max Hahn 第一架喷气式飞机（HE-178）1100磅推力，400MPH速度；采用离心压气机，后改用轴流压气机,发电设备 功率：50 MW 效率： 40% 功率/重量、功率/体积最高的动力形式-燃气轮机,发电设备 功率：5万千瓦 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；,占地面积小； 高效、环保； 21世纪最具竞争力的发电方式；,海军舰船,机车车辆,英国98年研制4000马力机车,英国98年研制4000马力机车,1999

6、年1月-2000年6月世界燃气轮机装机容量,燃气轮机的未来-燃气轮机+热交换技术（换热器）,涡轮入口温度的提高,简单循环： 单轴、分轴、双轴、多轴燃气轮机 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，

7、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。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。,开式循环：,1-4 燃气轮机的分类,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。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

8、下，机组的尺寸和重量要比热效率重要。 优点：可以在整个循环中采用较高的压比-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。,复杂循环：,闭式循环：,轻型结构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 金属耐热极限-1100 ；涡轮进气温度：1460 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

9、 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；,现代燃气轮机的结构特点,燃气轮机简图：,单位功率重量：,2、燃料适应性强，公害少-最理想的清洁能源转换装置 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,流体力学（气体动力学） 热力学与传热 自动控制 材料与强度,1-5 燃气轮机涉及的主要学科,市场调研,技术规格书,用户需求,循环方式选择研究,设计点的确定,气动模 型修改,功率提高 与改型,部件试验,设计修改,压气机、涡轮、进、 排气等气动设计,轮盘

10、、叶片、壳体 等结构强度设计,工艺设计及制造,试验及研究,产品,变工况性能,强度修改,控制系统设计,售后服务,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？ 1-3 为什么说燃气轮机未来的发展离不开热交换器的发展？ 1-4 先进燃气轮机的标志性的参数是什么？为什么？,第

11、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740K。 (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),2-1 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。,为什么不用功率作为描述循环性能的指标？ 2. 热效率t和耗油率sfc (spe

12、cific fuel consumption) 耗油率：,2-2 理想燃气轮机循环分析,假设条件： 压缩和膨胀过程是可逆的、绝热的即等熵的。 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？ 此种循环的热效率,1,2,3,1,T,S,v,p,2,2,3,2,3,3,4,4,卡诺循环；1-2等熵加热；2-3 等温膨胀；3-4等熵放热；4-3等温压缩 Ericsson Cycle

13、斯特林循环 布雷顿（Brayton cycle),几种典型的热力循环比较,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 Making use of the isentropic p-T relation, And pressure ratio Then shown The efficiency thus depends only on the pressure ratio and nature of the gas.,Specific work output W,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

14、而上升。,复杂循环回热循环,T2,T1,T3,T4,T6,T5,With ideal heat-exchange,Specific work output is unchanged by the addition of a heat-exchanger,2-3 实际燃气轮机循环,1. 实际燃气轮机与理想燃气轮机循环的差别？ 2. 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 用滞止等熵效率来衡量实际过程和等熵过程的差距。,问题：,实际的装置比功,燃气轮机的 : 增加的百分数是 增加的百分数的 倍。有用功系数 小者 ， 对 及 的

15、影响大，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,为滞止压恢复系数,（三） 空气、燃气流量的变化,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0.02-0.06。 （四）燃烧室效率,（五）燃气性质 定比热：比热为常量 ；（平均比热） ；用于简单循环计算； 变比热: 比热是温度、 燃料空气比的函数。实际

16、计算使用； 使用方式：查图表；数学表达式（程序）；,（六）回热度、间冷度 回热度 间冷度,（七）机械效率,（八） 实际燃气轮机循环性能 （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。,回热循环可以使两个压比值接近；,（b） 温比的影响 每增加100，比功 约增加20-40%； 效率 增高0.02-0.05； 实际大气温度的影响： 降低 比提高 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

17、（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； 换热器效率0.80； 压力损失- 燃烧室， 2% 压气机出口压力； 换热器空气侧 3% 压气机出口压力； 换热器空气侧 0.04 bar 大气条件 1bar,288K,解： 由于和,压气机耗功产生的温升为： 用于驱动压气机每单位质量流量所需的涡轮功为：,因此，,由于对于排气,总的涡轮做功所产生的温升,单位工质所作的总涡轮功,注意：涡轮的输出比功为 如果对于1000kW,需要7.3 kg/s 为了确定

18、燃/空比f，我们必须确定燃烧室的温升 热交换器效率=0.80=,对于入口温度为759K的燃烧室和燃烧温升为（1100-759) = 341K;理论上的燃料/空气比为0.0094，这样,因此，油耗率 SFC =,最后，循环效率,已知：压比12.0 ；涡轮入口温度1350K； 压气机绝热效率0.86；涡轮绝热效率0.89； 机械效率0.99；燃烧效率0.99； 换热器效率0.80； 压力损失- 燃烧室压力损失 6% 压气机出口压力； 排气压力损失 0.03 bar 大气条件 1bar,288K 求： 带 自由涡轮的燃气轮机输出比功；耗油率；循环效率；,2-4 燃气轮机联合循环（combined cycles plant CHP),1. 燃气-蒸汽联合循环的基本方案 余热锅炉型联合循环； 增压燃烧锅炉型联合循环； 加热锅炉给水型 联合循环 cogeneration； 1）T