燃氣輪機基礎知識

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第一章緒論

一、燃氣輪機發(fā)電裝置的組成

燃氣輪機是近幾十年迅速發(fā)展起來的熱能動力機械?，F廣泛應用的是按開式循環(huán)工作的燃氣輪機。它不斷地由外界吸入空氣，經過壓氣機壓縮，在燃燒室中通過與燃料混合燃燒加熱，產生具有較高壓力的高溫燃氣，再進入透平膨脹作功，并把廢氣排入大氣。輸出的機械功可作為驅動動力之用。因此，由壓氣機、燃燒室、透平再加上控制系統(tǒng)及基本的輔助設備，就組成了燃氣輪機裝置。如果用以驅動發(fā)電機供應電力，就成了燃氣輪機發(fā)電裝置。

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二、燃氣輪機發(fā)展史

燃氣輪機是繼汽輪機和內燃機問世以后，吸取了二者之長而設計出來的。它是內燃的，避免了汽輪機需要龐大鍋爐的缺點；又是回轉式的，免去了內燃機中將往復式運動轉換成旋轉運動而帶來的結構復雜，磨損件多，運轉不平穩(wěn)等缺點。但由于燃氣輪機對空氣動力學和高溫材料的要求超過其他動力機械，因此，發(fā)展燃氣輪機并使之實用化，人們?yōu)橹畩^斗了很長時間。從1891年英國人約翰·巴貝爾申請登記第一個燃氣輪機設計專利算起，經過了半個世紀的奮斗，到1939年，一臺用于電站發(fā)電的燃氣輪機(400kW)才由瑞士BBC公司制成，正式投運。同時Heinkel工廠的第一臺渦輪噴氣式發(fā)動機試飛成功，這標志著燃氣輪機發(fā)展成熟而進入了實用階段，在此以后，燃氣輪機的發(fā)展是很迅速的。由于燃氣輪機本身固有的優(yōu)點和其技術經濟性能的不斷提高，它的應用很快地擴展到了國民經濟的很多部門。

首先在石油工業(yè)中，由于油田的開發(fā)和建設，用電量急劇增加。油田有充足的可供燃用的氣體和液體燃料燃氣輪機裝置被廣泛應用，除用于發(fā)電外，還在多種生產作業(yè)申用燃氣輪機帶動壓縮機(例如天然氣管道輸送，天然氣回注，氣田采油等)和泵(例如原油管道輸送和注水等)。

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其他工業(yè)部門，如煉油廠、石油化工廠、化工廠、造紙廠等等；它們不僅需要機械動力，而且需要大量熱(例如蒸汽)。這時用燃氣輪機來功熱聯(lián)供，在滿足這兩方面需要的同時，還能有效地節(jié)能，故應用發(fā)展較快。實踐證明，燃氣輪機作為艦船推進動力，其優(yōu)點顯著，特別是排水量為數千噸的軍艦，近一、二十年來所建造的大多是用燃氣輪機作為推進動力的，飛機上應用渦輪噴氣發(fā)動機等航空燃氣輪機時，不僅重量輕，功率大，且迎風面積小，效率高，適宜于高速飛行，故早在50年代就基本上取代了活塞式航空發(fā)動機。

近二十年來，燃氣輪機在電站中得到了迅速的發(fā)展，這是要引起我們足夠重視的。由于燃氣輪機起動迅速，且能在無外界電源的情況下起動，機動性好，用它帶尖峰負荷和作為緊急備用機組，可保證電網的安全運行，因而被廣泛地應用。在進入八十年代以后，燃氣輪機技術獲得了迅速的發(fā)展，技術性能大幅度提高。

GE公司于2011年發(fā)布最新9FB機型，單機功率291MW，聯(lián)合循環(huán)功率444MW；簡單循環(huán)燃機效率38.4％，聯(lián)合循環(huán)效率達59.1%，并正在向60％邁進。

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先進的燃氣輪機已普遍應用模塊化結構。運輸、安裝、維修和更換都比較方便，而且廣泛地應用了孔探儀、振動、溫度監(jiān)控、焰火保護等措施，其可靠性和可用率大為提高，指標已超過了蒸汽輪機電站的相應指標。此外，在環(huán)保方面，出于燃氣輪機的燃燒效率很高，排氣干凈，未燃燒的碳氫化合物，CO、S0X，等排放物一般的都能夠達到嚴格的環(huán)保標準，再結合應用干式低NOX燃燒室、排氣煙道中安裝選擇性催化還原裝置(SCR)等技術措施，可施使NOX的排放低至9ppm，滿足最嚴格的環(huán)保要求。因此，燃氣輪機發(fā)電機組，特別是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組已作基本負荷機組或備用機組得到了迅速的應用。燃氣輪機的發(fā)展主要還是圈繞著增加單機功率，提高效率和經濟性，燃用多種燃料和廉價燃料，減少對環(huán)境的有害影響來進行的。諸如加強高溫材料的開發(fā)，提高冷卻技術，發(fā)展閉回路蒸汽冷卻燃氣輪機，發(fā)展新型航空改型燃氣輪機，開發(fā)先進的燃氣輪機循環(huán)，進一步發(fā)展清潔煤技術等等。燃煤的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)是“煤的清潔燃繞”技術中最為令人矚目的項目，是九十年代到下世紀之初最有發(fā)展前途的方式。到目前為止最具競爭力的方案有三個，即(1)增壓流化床方案(PFBC);(2)增壓流化床加炭化爐加頂置燃燒室方案(簡稱CPFBC燃氣·蒸汽聯(lián)合循環(huán));(3)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)。

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自1984年美國Coolwater電廠建成和投運以來，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電設備的優(yōu)越性及其發(fā)展前景己為世人所共識。據不完全統(tǒng)計，正在興建和規(guī)劃中的IGCC電站項目共有27項，電站總功率8613MW，預期在近期內它們的供電效率有望達到43％～46％，其比投資費用亦將大幅度地降低。據美國某些部門的樂觀估計，認為到2015年時，美國燒媒電廠裝機容量中大約有35.8％～50％的機組將為IGCC和PFBC類型的燃煤的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組所取代。

燃氣輪機的應用發(fā)展現已提高到總能系統(tǒng)的高度，它是當前世界節(jié)能技術的主要發(fā)展方向之一。能量的分級利用與綜合利用的全能量系統(tǒng)工程的概念被普遍重視，以熱電聯(lián)產及冷熱電聯(lián)供為核心的總能系統(tǒng)同樣有廣闊的前景，今后在能量轉換過程的系統(tǒng)中，燃氣輪機將占更重要的位置，并將大量采用燃氣輪機總能系統(tǒng)?，F在世界上已有20多個國家，一百多個企業(yè)生產近千種型號的燃氣輪機，國外在60～80年代的生產競爭中，燃氣輪機的制造企業(yè)通過兼并和協(xié)作，以GE、SIMS(KWU)、ABB、西屋(WH)、普惠(PW)、R-R公司六家大公司為中心形成若千跨國生產集團，上述六個最大集團的產量占世界大中型燃氣輪機的絕大部分。

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三、GE公司燃氣輪機產品系列及其編號

GE公司可提供重型和航機改型燃氣輪機以作發(fā)電和工業(yè)應用。重型燃氣輪機有簡單循環(huán)環(huán)和回熱循環(huán)，由五個系列組成:MS3002.MS5000，MS600l,MS7001和MS9001。有單軸和雙軸結構，用于帶動發(fā)電機發(fā)電或機械驅動，以符號LM標志的航機改型燃氣輪機也用于機械驅動和發(fā)電機驅動。

帶動發(fā)電機發(fā)電的燃氣輪機產品系列其額定功率大致在10000～226000KW。表1-1列舉了一些典型機組的出力和熱耗等性能參數。機械驅動用的機組額定功率在14600～10800Ohp.見表1-2所列。表1-1和表1-2所列機組中各代號的含義如下：

M5322R（B）--------(1)(2)(3)(4)(5)(6)(1)用途:M-機械驅動;GD-發(fā)電設備;PG-箱裝式發(fā)電設備(2)系列號:3,5,6,7,9等相應表示MS3002,MS5000,MS6001等中申的系列號(3)輸出功率:大致為幾百、幾千、或幾萬馬力(4)軸數:是單軸還是雙軸(即1或2)(5)循環(huán)方式:R－回熱循環(huán)，如此項空缺，則為簡單循環(huán)(6)型號

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因此，M5322R(B)即為機械驅動用MS5000系列B型，回熱循環(huán)雙抽機組·其出力大致為32000馬力，PG9171(E)即為箱裝式發(fā)電機組MS9001系列E型，簡單循環(huán)單軸機組·出力大致為17萬馬力(125MW)。LM的符號用以標志航機改型機組，其系列號有LM2500、LM5000和LM6000等，機組的型號再在系列號后面加字母標出。如LM6000(PA)。GE公司燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)產品系列的設備配置申，各種代號的含義規(guī)定如下。

配備MS系列重型燃氣輪機的，以S209E為例:S-STAG聯(lián)合循環(huán)·STAG是SteamandGas(蒸汽與燃氣)的縮寫2：燃氣輪機的臺數0：沒有意義。9：燃氣輪機系列號E：燃氣輪機型號因此，S209E就表示配備2臺9000系列E型燃氣輪機的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站；S109E就表示配備1臺9000系列E型燃氣輪機的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站。

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一、工質的基本狀態(tài)參數

一般來說，各類熱機都是采用氣態(tài)物質作為熱功轉換過程的媒介物，我們把這種媒介物叫做工質。熱能動力裝置的工作就是借助于工質的吸熱、膨脹、放熱等過程完成變熱為功的轉換。在這些過程中，工質的物理特性隨時在起變化，我們把工質在熱力變化過程中的某一瞬間所呈現宏觀物理狀況稱為工質的熱力學狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。為了說明熱工設備中的工作過程，必須研究工質所處的狀態(tài)和它所經歷的狀態(tài)變化過程，在研究熱力過程時常采用壓力、溫度、比容、內能、熔、熵等參數來加以描述。其中溫度、壓力、比容可以直接或間接用儀器測量出來，且物理意義易于理解，稱為工質的三個基本狀態(tài)參數。以下我們先介紹三個基本狀態(tài)參數，內能、焓、熵等參數將在以后有關章節(jié)中分別予以介紹。

1、溫度

溫度是標志物體冷熱程度的物理量。它反映了分子平均移動動能的大小，可以用溫度計測量。當兩個溫度不同的物體相互接觸，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，經過一段時間之后，兩者溫度相等，它們之間就不再有熱量傳遞，達到一個共同的熱平衡狀態(tài)。因此當溫度計與被測物體達到熱平衡時，溫度計指示的溫度就等于被測物體的溫度。

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衡量溫度的標尺叫溫標，在我國法定計量單位中，溫度測量采用熱力學溫標，符號為T，單位名稱是開爾文(K)。按照國際單位制的規(guī)定，把水的三相點溫度，即水的固相、液相、汽相平衡共存的狀態(tài)點作為基準點，并規(guī)定該點溫度為273·16K。工程上還常用攝氏溫標，它規(guī)定在標準大氣壓下純水的冰點是0℃，汽點是100℃，℃是攝氏溫度單位的符號，攝氏溫度用t表示。它與熱力學溫度開爾文之間的數量關系為:t=T-273.15

攝氏溫度與熱力學溫度的間隔完全相同，只是起點不同，在一般工程計算中取t℃=(T－273)℃己足夠精確。熱力學溫度通常又稱為絕對溫度。在英制系統(tǒng)用華氏溫標，也用t表示，其單位符號為F。因此攝氏溫度與華氏溫度的數量關系為：

T(F)=9/5×T(℃)＋32T(℃)＝(T(F)-32)×5/9

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2、壓力垂直作用在單位面積上的力稱為壓力，以符號P表示，這就是物理學上所稱的壓強。按分子運動論的觀點，壓力是氣體的大量分子向容器壁面撞擊所產生的平均結果。若氣體作用在器壁面積A上的垂直作用力為F，那么該壁上的壓力為:P=F/A壓力通常用各種壓力計來測定。這些壓力計的測量原理部是建立在力的平衡的基礎上。由于壓力計本身處于大氣壓力B作用下，因此壓力計上測得的壓力是工質的真實壓力和大氣壓力B的差值，是一個相對壓力，稱為表壓力或工作壓力，用符號Pg表示，而工質的實際壓力稱絕對壓力，用P表示。P,Pg和B之間的關系是：P=B+Pg有時工質的壓力低于大氣壓力B時，此時壓力計上測得的壓力稱為"真空度"，用H表示，則H=B-P

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絕對壓力P，表壓力Pg，真空度H和大氣壓B的關系可用下圖說明：只有絕對壓力才能表征工質的狀態(tài)，在熱力學中均以工質的絕對壓力作為狀態(tài)參數，在工程計算中亦以絕對壓力作為計算的依據。

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(1)按我國的法定計量單位，壓力的單位采用牛/米2(N/m2)，即1米2面積上作用1牛頓的力，稱為帕斯卡，符號為帕(Pa)，工程上因這個單位太小，常采用兆帕(MPa)1MPa=106Pa

暫時與國際單位制壓力并用的有巴(bar)1bar=105Pa=0.1MPa(2)工程大氣壓，它的單位是公斤力/厘米2(kg/cm2)，即1厘米2面積上施加1公斤的作用力。用符號at表示。(3)標準大氣壓，又稱物理大氣壓，把緯度45。，大氣溫度為0℃的海平面上的大氣常年平均氣壓定為標準大氣壓，用符號atm表示，它的大小是，1標準大氣壓(atm)=1.033公斤力/厘米2=1.033工程大氣壓(at)=1.0133bar

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(4)壓力的大小也可以用液柱(常用的有汞柱或水柱)的高度來表示，根據壓力測量設備液柱的高度，可以計算出用其它單位表示的壓力：P=yA=pgH式中y為液體的重度，N/m2;H為液柱的高度，m。這樣求出的壓力為帕，如：1mm水柱=9.8Xl03N/m3X10-3m=9.8帕1mm汞柱=1.33x105N/m3X10-3m=133N/m2=133帕(5)在引進機組中，常常遇到用英制單儀制表示的壓力單位磅/英寸，(psi)，由于1磅=0.4536公斤1英寸=2.54厘米

所以1工程大氣壓(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

單位質量的工質所占有的容積稱為比容，以符號v表示。按我國法定計量單位質量用千克,長度用米，容積用米3，因此比容的單位是米3/千克(m3/kg)若容積為V米3的氣體，具有m千克的質量，則其比容為:v=V/m(m3/kg)

單位容積內物質的質量稱為密度，以符號p表示，單位為千克/米3(kg/m3)。若容積為V米3的氣體，具有m千克的質量，則密度為p=m/V(kg/m3)顯然，比容與密度互為倒數，即:

pv=1從微觀上講，對于同一氣體，比容和密度均是反映單位容積中氣體分子數的多少及分子間平均距離的大小，即說明氣體某一狀態(tài)下分子聚集、疏密的物理量，只要知道比容和密度其中一個，就可以求出另一個。

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二、理想氣體的狀態(tài)方程所謂理想氣體乃是一種經科學抽象的假想氣體，這種氣體的分子是一些彈性的、不占有體積的質點;分子之間沒有相互作用力(引力和斥力)。凡不符合這兩個假設條件的氣體則稱之為實際氣體。

熱力學中引入理想氣體這一概念，其目的是為了便于分析計算，因為在這兩個假設條件下，氣體分子運動規(guī)律可大大地簡化，各狀態(tài)參數之間可以得出簡單的函數關系式。雖然理想氣體在自然界并不存在，但是對工程上常遇到的一些氣體，當壓力不太高，溫度不太低時，分子間距離較大，因此分子本身占據的體積與氣體所占體積相比是非常小的，分子間的作用力也很微弱，因此可以忽略，此時這些氣體就可以近似地把它們當作理想氣體來處理，使問題大為簡化，同時又能達到工程上所要求的精確度。例如燃氣輪機中所遇到的空氣和燃氣，其溫度一般在0℃以上，壓為一般不超過2MPa，如果計算精度要求不太高，就可以把它們當作理想氣體來處理。而當壓力較高，或溫度較低時，氣體的比容小，分子之間距離較近，因比分子本身體積以及分子之間相互作用力不能忽略。如蒸汽動力裝置中的水蒸汽以及壓縮致冷裝置中的致冷劑蒸汽等就不能作理想氣體來處理。

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理想氣體的三個基本狀態(tài)參數一一一壓力、溫度、比容之間存在窗一定的函數關系：Pv=RTPV=mRTP:氣體的絕對壓力,Pa

v:氣體的比容,m3/kgV:質量為m千克氣體所占有的容積，m3m:氣體的質量,kgR:氣體常數,J/kg·KT:氣體的熱力學溫度,K氣體常數R與氣體的性質有關，而與氣體的狀態(tài)無關，不同性度的氣體，其R值不同，R的單位是焦耳/千克·開(J/kg·K)，對于空氣R=287J/kg·K。燃氣的R值取決于燃氣的成分，在燃氣輪機中所遇到的燃氣，其R值與空氣差不多，大體上為287.3J/kg·K。

這里順便提一下氣體常數R的求法，根據阿伏加德羅定律可以得出，各種氣體的千摩爾氣體常數Rm都一樣。為;Rm=8314.3J/kmol·K，稱為"通用氣體常數"。所謂千摩爾(kmol)是指物質相當于其分子量的千克數。例如氧氣的分子量U=32,則1千摩耳氧氣就是32千克。因此，只要知道了某種氣體的分子量，就可以求出它的氣體常數R,R=R/U.氧氣的氣體常數R即為8314.3/32=259.82J/kg·K

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三、功和熱量如果一個熱力學系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，那么它只有在外界的作用下才能發(fā)生變化，外界作用的結果，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，這種變化過程稱為熱力過程。在該過程中將伴隨著能量的傳遞，熱力系統(tǒng)與外界傳遞能量的形式有兩種——功和熱量。下面我們分別研究功和熱量的概念。

1、功在力學中，功被定義為力與沿力的作用方向所產生位移的乘積。在熱力學中，按照熱力系統(tǒng)和外界間相互作用的關系，作如下定義:當熱力系統(tǒng)和外界間存在壓力差時，系統(tǒng)通過邊界和外界之間相互傳遞的能量，在熱力學申通常規(guī)定:熱力系統(tǒng)對外界所作功為正值，外界對熱力系統(tǒng)作的功為負值。

功是系統(tǒng)傳遞中的能量，功不是一個熱力狀態(tài)參數。只有當系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的時候，才有功的傳遞，所以我們說功與過程性質有關，為過程量。功用w和dw表示,dw表示微元過程中氣體對外界所作的微量的功。

在我國的法定計量單位中，功的單位為焦耳(J)，1焦耳的功相當于1牛頓力作用下產生1米位移時完成的功量，即1J=lN×1m；單位時間內完成的功稱為功率，單位為瓦特(W)或千瓦(kW):1W=1J/S

1kW=1kJ/s

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2、熱量

熱量是一個重要的概念，在熱力學中有它嚴格的定義:當熱力系統(tǒng)與外界之間存在溫差時，系統(tǒng)通過邊界與外界之間相互傳遞的非功形式的能量。

功和熱量是熱力系統(tǒng)與外界之間能量傳遞的兩種基本形式，功是由壓差的作用而產生的能量，熱量則是由溫差的作用而傳遞的能量。它們都表示能量在傳遞過程中的一種量度。與功一樣，熱量不是狀態(tài)參數，而是過程量。在熱力學中我們用符號Q代表熱量，對于微元過程中傳遞的微小熱量，則用dQ表示，通常規(guī)定:當熱力系統(tǒng)吸熱時，熱量取正號，放熱時取負號。熱量的單位習慣上用大卡(kcal)，它是1千克純水溫度升高1℃所需要的熱量，由于熱和功都是能量的傳遞形式，它們可以互相轉換，因此沒有必要周不同的單位表示它們，在我國的法定計量單位中，熱量的單位與功的單位同微焦耳(J)或千焦耳(KJ)。它們與大卡有以下的換算關系:1kcal=4.1868kJ

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在工程上，熱量的計算是引用比熱這個概念來進行的，單位質量的物體溫度升高1℃所需要的熱量叫比熱，用符號C表示;它的單位焦耳/千克·度(J/kg*K)或千焦耳/千克·度(kJ/kg*K)。試驗表明:工質的比熱通常不是一個恒定的常數，它與工質的性質、熱最交換的具體過程及工質溫度的變化范圍有關。如下圖過程所示：

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對上圖中甲和乙兩個容器分別加熱，圖中甲是一個帶有活塞的容器，裝有1千克溫度t1的空氣，占有容積V1，活塞上放有重塊，活塞與汽缸之間的摩擦力忽略不計。這樣，工質受熱膨脹舉起活塞和重物時，活塞、重物的重量與氣體壓力保持平衡，由于活塞和重物的重量量恒定不變，所以工質壓力也不變，始終保持為一個常數，這樣一個過程稱為定壓過程。過程終了，工質容積變?yōu)閂2，溫度升高到t2。

圖中乙是一個封閉容器，其容積不變，也裝1千克空氣，受熱時，溫度由t1升高到t2，顯然這時工質的壓力也升高了，這樣一個加熱過程是容積恒定不變的過程，稱為定容過程。

兩種情況下，工質的種類相同，質量相同，溫度變化范圍也相同，但它們吸收的熱量不同，加熱給甲容器中工質的熱量中，除了使工質溫升外，還要舉起重物，因此可以肯定的說，外界傳給甲容器中工質的熱量大于加給乙容器中工質的熱量。定壓過程中的比熱即定壓比熱，用CP表示，定容過程中工質的比熱即定容比熱，用CV表示。通過上述說明可以知道CP＞CV，而定壓比熱與定容比熱的比值：k=CP/CV；k稱為比熱比。

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工質的比熱不僅與過程有關，而且還與工質變化的范圍有關。在工程上為了簡化計算，通常取0℃作為一個基準點，找出工質從0℃加熱到不同溫度時的平均比熱，并做成表格備查。這樣，對于m千克的工質，其溫度由t1變化到t2，其吸收或放出的熱量就是：

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

上式中(C)t1t2、(C)0t2、(C)0t1分別為溫度t1到t2、0℃到t1及0℃到t2范圍內工質的平均比熱。如果t2＞t1，則外界對工質加熱，所得Q為正值，如果t1＞t2，則工質對外界放熱，所得Q為負值，因此，熱量得正負表明了熱量得傳遞方向。

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4、膨脹功和壓容圖處于熱力平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，只要不受外界影響，它的狀態(tài)不會隨時間而變，平衡也不會自發(fā)地破壞。在受到外界作用時，工質狀態(tài)就要變化工質從一個狀態(tài)經歷一系列中間狀態(tài)，變化到另一狀態(tài)，它所經歷的全部過程就叫熱力過程，簡稱過程。經歷某一過程的系統(tǒng)，如果能在外界不發(fā)生任何變化的情況下回復到初態(tài)，則此過程稱為可逆過程；如果再外界不發(fā)生變化的情況下不能回復到系統(tǒng)的初態(tài)，則此過程稱為不可逆過程。實際熱力設備中所進行的熱力過程總存在各種不可逆因素，因而都是不可逆的；而可逆過程則是一切實際過程的理想極限，是一切熱力設備力求接近的目標。因此，我們看重研究可逆過程；對于實際過程，則可根據實際因素的影響進行修正。

通常熱能轉換為機械能是通過工質的膨脹的，現在我們來討論工質的可逆膨脹過程所作的功。

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膨脹功與壓容圖

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假定在氣缸中有1公斤氣體，這時氣體所占的氣缸容積即為比容。如果我們在氣缸外緩緩加熱，則氣體逐漸膨脹，壓力降低而比容增加，過程由初態(tài)1到終態(tài)2，如果進行的是可逆過程，則過程1-a-2可以在壓容圖上以實線表示出來。壓容圖是以壓力p為縱坐標，比容v為橫坐標而形成的，壓容圖上的任一個點就表示一個確定的狀態(tài)。如果活塞面積為A，任一瞬間氣體在壓力p的作用下推動活塞移動距離dx所作的膨脹功為：δw=Fdx=pAdx因Adx=dv，即為氣體容積的變化量，所以δw

=pdv

在過程1-a-2中，由于時可逆過程，過程中的每一點是一平衡狀態(tài)點。如果知道工質在狀態(tài)變化過程中壓力p和比容v的變化規(guī)律，即過程方程式p=f(v)為已知，則即可以用積分方法求得功：W12=∫v1v2δw=∫12pdv

對于mkg工質所作的功，則寫成W12=m∫v1v2pdV=∫12pdv

由定積分的幾何意義可知，即p=f(v)這已函數關系不同，如壓容圖中的過程1-b-2，即使過程的起點和終點一樣，過程的膨脹功也不同。此時過程1-b-2所做的膨脹功面積為1b2nml。因此，膨脹功是一個過程量，即功的大小不近與過程的起點、終點有關，而且與所進行的過程性質有關。由于壓容圖上p=f(v)曲線下面的面積，定量表示了1kg工質在經歷該熱力過程時所作的膨脹功，壓容圖又叫做“示功圖”。

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第二章

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5、熵和溫熵圖

功和熱量都是與過程性質有關的量，兩者具有許多共同的特征。由前面已經知道，在可逆過程中，工質與外界傳遞的功量可以用兩個狀態(tài)參數p和v來描述，即δw

=pdv或W12=∫12pdv

其中壓力p是作功的推動力，只要工質與外界微小的壓力差就能作功，因而比容v的變化則表示有無作功，當dv＞0時，工質對外界作功，當dv＜0時，工質對外界作負功，即外界對工質作功。而當dv=0時，則在熱力過程中不論其他的狀態(tài)參數如何變化，工質未作膨脹功，也未獲得壓縮功。因此dv是否為零以及dv的正、負就表示了是否作功和作功的方向。

用類比方法，既然熱量是工質與外界有溫差存在時所穿的的熱量，于是相應地也應有某一狀態(tài)參數的變化來標識有無傳熱，我們就把反映熱量傳遞關系的狀態(tài)參數起名叫做“熵”，以符號S表示，1千克工質的熵用小寫字母s表示，任意質量工質的熵用大寫字母S表示。

在可逆過程中，類比功的關系式，熱量q也可以用數學式表達如下：δq

=Tds或q12=∫12Tds

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由此可得狀態(tài)參數熵的定義式，在可逆過程中：ds=δq

/T或△s=∫12δq

/TKJ/kg·K

即在微元的可逆過程中，工質熵值得微元增量ds為外界傳給工質的微笑熱量δq除以傳熱是工質的絕熱溫度T所得的熵。相應地對于mkg工質，其熵的變化：dS=δQ/T，因δQ=mδq，故代入上式可得：dS=mds或△S=m△s,這說明當工質的質量增加時，熵的數值也增加。

由熱力學可以證明，熵是狀態(tài)參數，只要工質的狀態(tài)一定，工質的熵就是一定的，而與工質經歷何種過程到達這一狀態(tài)無關。兩個狀態(tài)之間熵的差值也是一定的，不管連接這兩個狀態(tài)點的過程是什么過程，也不管這些過程是否可逆。

既然熵是狀態(tài)參數，他就可以和另一個獨立的參數一起描述工質的狀態(tài)。類比壓容圖(pv圖)我們可以絕對溫度T為縱坐標，熵S為橫坐標，組成溫熵圖(Ts圖)。與壓容圖一樣，溫熵圖上，每一點可代表一個平衡狀態(tài)，每一條曲線可代表一個可逆過程，溫熵圖上過程曲線的方程可以一般地寫作：T=f(s)根據熵的定義，ds=δq

/T，因此對于一個可逆過程，過程中對工質加入的熱量為：q=∫12δq

=

∫12Tds

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q=∫12Tds就是過程曲線下的面積，如下圖所示，曲線1-a-2下面的面積1a2s1s21即表示1-a-2過程工質與外界所傳遞的熱量，因此溫熵圖又稱為示熱圖，在熱力學中，溫熵圖和壓容圖具有同樣重要的實用價值。

因為絕對溫度T總正值，對ds=

δq

/T,若ds＞0,則δq＞0，說明過程中工質的熵增加，表示外界向工質加熱；若ds＜0,則δq＜0，說明過程中工質的熵減少，表示工質向外界放熱；若ds=0，表示工資與外界無熱量傳遞，此時工質狀態(tài)變化過程在Ts圖上圍一條垂直線，稱為絕熱工程。因此可以根據工質熵的有無增減，來判斷工質在可逆過程中是吸熱、放熱還是絕熱。

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6、熱力學第一定律

熱力學第一定律是普遍的能量守恒與轉化定律在熱現象上的應用。在自然界中，一切物質都具有能量，能量是不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，但能量可以充一種形態(tài)轉變?yōu)榱硪环N形態(tài)。在能量的轉化過程中，能地總量保持不變。

工程熱力學主要研究熱能和機械能之間的相互轉化和守恒。機械能變熱能或熱能變機械能的時候，它們之間的比值是一定的，用A表示與一個單位的功相當的熱量，叫做熱功當量，則Q=AL。

1、內能

內能是儲存于物體內部的能量，內能的量值取決于物體內部微觀運動的狀態(tài)。對于氣體，其內能包括內動能和內位能。前者由分子的移動動能、轉動動能和分子內部的振動動能所組成。分子間的內位能是由于分子間具有相互作用力而產生的分子間的位能，它隨氣體的壓力和比容而變化。而對于理想氣體，由于認為分子之間不存在互相作用力，所以不存在內位能，內動能只是溫度的單值函數，因此，理想氣體的內能只與溫度有關。內能符號U，1千克工質的內能用u表示，其單位是焦耳/公斤(J/kg)

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2、動能

工質在管路、設備中流動，就必然具有一定的速度，因此就具有一定的動能，我們以E=1/2mc2來表示，其中E即為動能，m為工質的質量，c為工質流動時的速度，對于氣體，這里的動能E是大量氣體分子的集合體做宏觀的定向流動時所具有的能量，因此，它是機械能的一種。3、焓

我們用下式來定義“焓”，即i=u+pv；式中u為工質的內能，p和v為與內能相同狀態(tài)下的壓力和比容。i叫做“焓”，上式是對1千克工質而言。對于任意質量工質的焓，用大寫字母I表示：I=U+pV。焓的單位與內能相同，為焦耳/千克(J/kg)。

由于u、p、v都是狀態(tài)參數，因此i也是狀態(tài)參數，即工質的焓i只與工質狀態(tài)有關，而與它經歷什么過程到達這一狀態(tài)無關。

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燃氣輪機熱力循環(huán)

一、燃氣輪機熱力循環(huán)的主要技術指標

衡量一臺燃氣輪機設計好壞的技術指標是很多的，例如機組的效率、尺寸、壽命、制造和運行費用，啟動和攜帶負荷的速度等，這里我們主要從熱力循環(huán)的角度，著重討論機組的效率、比功、有用功系數、壓比和溫比等參數。1、熱效率

熱效率的含義是:當工質完成一循環(huán)時，把外界加給工質的熱量q(或Q)轉化成為機械功的百分數。根據機械功是在什么地方測得的，我們有以下三種效率的定義。(1)循環(huán)效率：q1—相對于1千克空氣來說加給機組的熱量，千焦耳/千克wT—相對于1千克空氣來說的透平的膨脹軸功，千焦耳/千克wc—相對于1千克空氣來說的壓氣機的壓縮軸功，千焦耳/千克wi—相對于1千克空氣來說的循環(huán)凈功，千焦耳/千克HW—燃料得發(fā)熱量，千焦耳/千克F——燃料流量與空氣流量之比，及燃料空氣比

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燃氣輪機熱力循環(huán)(2)裝置效率：ηm—燃氣輪機機械效率Ws—相對于1千克空氣來說在透平功率輸出軸上測得的功率，千焦耳/千克(3)機組的有效效率：ηg—發(fā)電機效率Ne—發(fā)電機的功率，千瓦B—每小時加給機組的燃料量，千克/小時ηe—是燃氣輪機用來發(fā)電時衡量機組熱經濟性的一相指標。

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燃氣輪機熱力循環(huán)

工程上還常用油耗這個指標來衡量機組的熱經濟性，它得含義是每產生1千瓦時（度）的功所消耗的標準燃油的克數，即：

ge—油耗，克標準油Gf—每秒加給機組的燃料量，千克/秒標準燃料油是指發(fā)熱量（低位）為43124千焦耳/千克的燃油（10300千卡/千克），有時還用熱耗率qe

來衡量機組的熱功轉換效率，即：顯然，效率與熱耗率互為倒數。油耗、熱效率和熱耗率是從不同角度來衡量機組功能轉換效率的，因此，它們是互相關聯(lián)的，知道其中一個，就可以求出另外兩個來。燃氣輪機基礎知識

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燃氣輪機熱力循環(huán)二、燃氣輪機理想筒單循環(huán)

燃氣輪機的循環(huán)式一種所謂的“白雷登循環(huán)”，簡單循環(huán)的燃氣輪機，其通流部分由進排氣管道和燃氣輪機的三大件即壓氣機，燃燒室、透平組成。從大氣中吸取空氣，透平排出的燃氣又回到大氣中去如下圖所示：

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由上圖可以看出壓氣機從大氣吸入空氣，并把它壓縮到一定壓力，然后進入燃燒室與噴入的燃料混合、燃燒，形成高溫燃氣。具有作功能力的高溫燃氣進入透平膨脹作功，推動透平轉子帶著壓氣機一起旋轉，從而把燃料中的化學能部分地轉變?yōu)闄C械功、燃氣在透平中膨脹作功，而其壓力和溫度都逐漸下降，最后排向大氣。

只要機組啟動成功后，連續(xù)不斷地向燃燒室噴入燃料，并維持正常燃燒，那末上述過程就會連續(xù)不斷地進行下去，燃料中的化學能也將部分地、連續(xù)不斷地轉比為機械功，這就是開式簡單循環(huán)燃氣輪機的工作原理。下面我們順著工質的流向，對理想簡單循環(huán)燃氣輪機的熱力過程以及循環(huán)特性參數作簡要的介紹。

壓氣機中，空氣被壓縮，比容減小，壓力增加，因此必須輸入一定數量的壓縮功。當忽略壓氣機與外界發(fā)生的熱量交換時，這一壓縮過程就是絕熱的。如果過理進行得十分理想，沒有摩擦和擾動等不可逆現象存在，那么這一過程就是理想絕熱過程。

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在燃燒室中，從壓氣機排出的高壓空氣與燃料噴嘴噴出的燃料混合燃燒，將燃料的化學能釋放出來，轉化為熱能，使燃燒產物即燃氣達到很高的溫度，因此，這就相當于從外界吸收一定數量的熱，使工質溫度升高，比容增大的加熱過程。在這一燃燒加熱過程中，工質只與外界有熱量交換，并不對機器作功?？諝饣蛉細庠谌紵抑械牧鲃舆^程伴隨著損失，壓力有所下降。但是設計良好的燃燒室中壓力損失很小，因此，在進行理論分析時，可以認為燃燒室中工質壓力保持不變，即是說，燃燒室中的燃燒升溫過程可以看作為一個定壓加熱過程。

從燃燒室出來的具有較高壓力的高溫燃氣進入透平后，在透平中膨脹，帶動壓氣機旋轉，同時對外界輸出一定數量的機械功。與此同時，工質的溫度、壓力下降，比容增加。在這一過程中透平機殼會對外界環(huán)境散熱，但是由于燃氣流量很大，燃氣流過透平所需時間很短，因此對外界的散熱相對很小。從而可以忽略對外界的散熱而把透平中工質的膨脹作功過程當作絕熱過程。在這一過程中，工質與外界只有機械功的傳遞而沒有熱量的交換。在沒有摩擦等不可逆現象的情況下，透平中的膨脹可以看作是理想絕熱過程。

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燃氣輪機排氣經排氣管道和煙囪排入大氣，在大氣中自然放熱，溫度降低到環(huán)境溫度，也就是壓氣機進口空氣的溫度，當忽略排氣系統(tǒng)壓力損失時，在這一自然放熱過程中，壓力不變，因而是一個定壓放熱過程。

以上四個過程，即壓氣機中的理想絕熱過程，燃燒室中的定壓加熱過程，透平中的理想絕熱過程和排氣系統(tǒng)中的定壓放熱過程，就組成了燃氣輪機理想開式簡單循環(huán)，我們把壓氣機進口處空氣的狀態(tài)參數等一律以下標“1”表示，壓氣機出口即燃燒室進口狀態(tài)以下標“2”表示，燃燒室出口即透平進口狀態(tài)以下標“3”表示，而透平的排氣狀態(tài)用下標“4”表示。將該循環(huán)表示在壓容圖和溫熵圖上，見下圖：

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三、簡單循環(huán)燃氣輪機的分析

燃氣輪機具有結構簡單、體積小、重量輕、起動快、少用或不用冷卻水等一系列優(yōu)點，但它最大的缺點是效率偏低，目前陸用燃氣輪機的循環(huán)效率大致在32%～38%左右。為了提高效率，需要深入研究和分析燃氣輪機熱力循環(huán)中各種因素對熱效率和比功的影響，以便從中找到提高機組熱經濟性和比功的途徑。

機組熱效率在燃氣輪機熱力循環(huán)的主要技術指標中已提及。

比功的含義：是指進入壓氣機的1kg空氣，在燃氣輪機完成一個循環(huán)后所能對外輸出的機械功(或電功)或凈功。

由機組熱效率的表示式可知，影響機組熱效率的因素較多。首先是溫比τ=T3/Ta(Ta為進入壓氣機的空氣溫度、T3為燃氣透平的初溫）、空氣在壓氣機中的壓縮比π；其次是壓氣機的壓縮效率、燃燒室燃燒效率、燃氣透平膨脹效率，以及工質流動過程的壓力保持系數或壓力損失(壓氣機進氣、燃燒室、排氣系統(tǒng))。

下面重點討論升溫和增壓這兩個因素對機組熱效率和比功的影響。

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首先看一下升溫的影響。先假定壓比π為某一定值。如果以它的極端情況不升溫為例，可以肯定地地說，那時燃氣輪機根本不會旋轉。因為熱力學第一定律告訴我們，熱機對外界輸出軸功，是以工質從外界吸收一定熱量為前提的。在燃氣輪機中，位移可以加進熱量的地方，就是在燃燒室中噴入燃料燃燒，以提高工質的溫度。如果不升溫，外界并沒有對機組施加任何熱量，當然機組就不會有機械功輸出。這個問題還可以從另外一個角度加以解釋：在沒有任何不可逆現象的理想情況下，如果空氣在壓氣機中增壓后，不經燃燒升溫而立即送到透平中去膨脹，可以設想此時透平發(fā)出的軸功正好等于壓氣機消耗的軸功，兩者互相抵消，更何況實際的過程是不可逆的，因此壓氣機功耗大于透平的膨脹軸功，機組本身就轉不起來。

如果再壓縮過程完成以后，在燃燒室中噴入一定數量的燃料，使工質溫度由T2升高到T3，則透平的膨脹軸功就將超過壓氣機的壓縮軸功，這樣機組就會旋轉起來，并對外界輸出一定數量的凈功。由此可見，在燃氣輪機循環(huán)中，燃燒過程所能達到的T3越高，則p-v圖上循環(huán)曲線所包圍的面積越大，即循環(huán)的比功越大。在存在摩擦等不可逆損失時，這個結論同樣正確，因此此時向外界輸出的功是理想循環(huán)功扣除各項損失后的余額。另外隨著T3的增加，機組的效率也增加。

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我們再來考慮大氣溫度Ta的影響。當機組所在地點不變時，大氣壓力的波動是很小的，可近似為pa不變，而大氣溫度一年四季變化很大。當大氣溫度下降時，空氣比容會減小，壓縮過程的起點1將沿等壓線向左移動，當它經歷等熵壓縮過程二達到同一個出口壓力p2時，空氣的溫度和比容都比較小，這久意味著壓縮過程壓氣機所消耗的壓縮軸功將隨大氣溫度的下降二不斷減小。當T3一定時，機組的比功就會增大。這個規(guī)律對于存在不可逆現象的實際循環(huán)淶水，也是適合的。由此可見，大氣溫度Ta的降低對機組比功和熱效率的影響，正好與提高透平燃氣初溫T3的效果相仿；當然它們的影響程度不同。這可以用溫比τ=T3/Ta來表示二者共同的作用。不論提高T3，還是降低Ta，τ都增大，從而比功和熱效率都有所增加。

在實際燃氣輪機中，溫比τ對燃氣輪機的性能有決定性的影響。T3每提高100℃，機組比功增加約20%～40%，熱效率增加0.02～0.05.因此力求提高T3，以得到良好的機組性能。當然T3的提高受到透平葉片材料和冷卻技術的限制。目前T3大都被限制950℃～1400℃之間，至于大氣溫度Ta隨時在變動，由于Ta的降低比提高T3對機組性能的影響要大幾倍，故天氣冷暖對燃氣輪機性能有很大影響，Ta每降低10℃，機組比功可增加4%～10%，效率提高0.01～0.02。

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下面討論下當T3和Ta選定時(即溫比τ一定)，壓比π對機組比功和熱效率的影響。從燃氣輪機簡單理想循環(huán)的溫熵圖(T-S)中可以清楚地看出壓比的影響。如果空氣根本不經壓氣機增壓，即π=1，，則不管T3取得多高，這實際上就是一個向大氣噴燃料燃燒的過程，機組當然不會有任何機械功的輸出。

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這種極限情況就死圖中1-4s-4′s-3〞等壓燃燒過程線，該線就是壓力p=pa的等壓線，之后燃氣在大氣中放熱，從原等壓線回到初始狀態(tài)1，這樣一個循環(huán)表示曲線下的面積為零，因此機組循環(huán)浄功為0，效率也為0。而當π＞0時，從圖中看出，這時機組可以輸出相當于面積1-2′s3′4′s1那樣大小的循環(huán)浄功，當壓比繼續(xù)增大，則代表循環(huán)浄功面積就繼續(xù)增大，為1-2s34s1。

但并不是壓比越高循環(huán)比功就越大，因為當選定了T3=常數后，由于壓氣機出口溫度隨壓比的增加而升高，燃燒室中允