第二章燃?xì)廨啓C(jī)及其熱力循環(huán)

第二章燃?xì)廨啓C(jī)及其熱力循環(huán)第1頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二章燃?xì)廨啓C(jī)及其熱力循環(huán)2-1概述2-2燃?xì)廨啓C(jī)熱力性能指標(biāo)

熱力參數(shù)（壓比、溫比）；性能參數(shù)（比功和功率、熱效率、耗油率和熱耗率等）2-3燃?xì)廨啓C(jī)的簡(jiǎn)單循環(huán)2-4燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)計(jì)算2-5提高燃?xì)廨啓C(jī)熱力性能的途徑第2頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2-4燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)

性能的熱力計(jì)算首先：根據(jù)給定的燃?xì)廨啓C(jī)工作過(guò)程參數(shù)和各部件效率，計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)各截面的氣體參數(shù)和性能參數(shù)；然后：根據(jù)所要達(dá)到的燃?xì)廨啓C(jī)功率來(lái)確定空氣流量，或者根據(jù)給定的空氣流量來(lái)計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)的功率。第3頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三熱力循環(huán)計(jì)算的主要步驟一、參數(shù)的選取1．流量GT和燃料空氣比f(wàn)

二者隨燃?xì)廨啓C(jī)工況而變化。

GT=GC+Gf-G=GC(1+f-G/GC)kg/s式中f=Gf/GC，一般為0.007~0.02；G─氣封漏氣和冷卻用空氣量，kg/s；G/GC≈0.02~0.05。第4頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．各部件效率（1）壓氣機(jī)效率C*一般軸流式壓氣機(jī)C*=0.83~0.92離心式壓氣機(jī)C*=0.75~0.85第5頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）燃燒室效率B（3）渦輪效率T*

一般，軸流式渦輪T*=0.85~0.93徑流向心式渦輪T*=0.70~0.88

通常B≈94%~99%；B=100%繪制圖1-6。溫升TB*=

T3*-T2*第6頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）機(jī)械效率m

燃?xì)廨啓C(jī)軸承摩擦等機(jī)械損失及驅(qū)動(dòng)附屬設(shè)備所消耗的功率，用機(jī)械效率來(lái)考慮。

3．比熱容Cp和絕熱指數(shù)kT隨燃料的品種、燃料空氣比和燃燒工況等不同而變化比熱容隨溫度和工質(zhì)成分變化—變比熱容[復(fù)雜精確]粗算時(shí)—可取平均溫度下的值或取為定值一般m≈0.97~0.99第7頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一般進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失

PC=P0-P1*≈0.01~0.03bar排氣系統(tǒng)的壓力損失PT=P4*-P0≈0.02~0.08bar

燃燒室內(nèi)的壓力損失

PB=P2*-P3*=（0.02~0.08）P2*

4．壓力損失P第8頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、循環(huán)的計(jì)算給定的必要條件：

大氣條件、機(jī)組功率或空氣流量、燃?xì)獬鯗亍⑷剂蠠嶂?、耗油率等?．壓縮過(guò)程計(jì)算

選取壓比C*、進(jìn)氣道壓損PC、壓氣機(jī)效率

C*

；計(jì)算壓氣機(jī)進(jìn)出口參數(shù)（溫度、壓力）；計(jì)算空氣的比熱容cpc；計(jì)算壓氣機(jī)實(shí)際比功wC。第9頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．燃燒過(guò)程

選取燃?xì)獬鯗豑3*

，計(jì)算燃燒室溫升TB

；

查取理論燃料空氣比f(wàn)’（查圖1-6）；選取燃燒效率

B，計(jì)算實(shí)際燃料空氣比f(wàn)；選取燃燒室壓力損失PB。第10頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．渦輪膨脹過(guò)程計(jì)算

選取排氣道壓損PT、渦輪效率

T*

；計(jì)算渦輪出口壓力、排氣溫度；計(jì)算渦輪膨脹比T*；計(jì)算燃?xì)獾谋葻崛輈pT、絕熱指數(shù)kT；計(jì)算渦輪實(shí)際比功wT。第11頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4．循環(huán)性能指標(biāo)的計(jì)算計(jì)算燃?xì)饬髁縂T、燃料消耗量B；選取機(jī)械效率

m；計(jì)算循環(huán)比功wi

、內(nèi)功率Ni

；計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)有效功率Ne

；計(jì)算機(jī)組耗油率ge

、熱耗率qe

；計(jì)算機(jī)組的內(nèi)效率i

、有效功率e

。第12頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1-5燃?xì)廨啓C(jī)熱力計(jì)算舉例循環(huán)計(jì)算的目的通常是為了了解機(jī)器各處的熱力參數(shù)及總體熱力特性，或者是為了驗(yàn)證所取參數(shù)的合理性。已知條件：一般包括環(huán)境溫度Ta(或T1*)和環(huán)境壓力pa(或p1*)、軸功率Pgt、壓比及燃?xì)獬鯗豑3*等。選取的參數(shù)：壓氣機(jī)的等熵效率c、透平的等熵效率T、燃燒室效率B壓氣機(jī)進(jìn)氣道的壓損率c、燃燒室的壓損率B、透平排氣道的壓損率T等。

計(jì)算結(jié)果：系統(tǒng)各處的壓力、溫度、流量及整機(jī)的耗油（氣）率、耗油（氣）量、循環(huán)熱效率等。第13頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三[例]現(xiàn)擬定按簡(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)方案，其軸功率Pgt=270MW，大氣條件為T(mén)a=288K、pa=0.1013MPa，試進(jìn)行循環(huán)計(jì)算。計(jì)算時(shí)取c=0.88，T=0.90，B=0.98，c=0.02，B=0.03，T=0.03，=17，T3*=1623K，燃料熱值Hu=43124kJ/kg。解取cpa=1.005kJ/(kg.K)，ka=1.4cpg=1.156kJ/(kg.K)，kg=1.33(1)壓縮過(guò)程：第14頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)燃燒過(guò)程：(3)膨脹過(guò)程：第15頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三燃料空氣比(燃料)/kg(空氣)比功(不考慮抽汽冷卻時(shí))空氣流量耗油量比耗油率熱效率(4)整體性能：第16頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三作業(yè)習(xí)題1．壓力為1bar、溫度為15℃的空氣，以200m/s的速度流動(dòng)。試求：當(dāng)空氣完全滯止時(shí)的焓、溫度和壓力。（已知cp=1.005kJ/(kg.K)k=1.4）第17頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2．已知某燃?xì)廨啓C(jī)裝置的參數(shù)如下：[用滯止參數(shù)計(jì)算]p1*=1.05bart1*=27℃t3*=900℃壓力保持參數(shù)C=B=T=0.98c*=0.85T*=0.90B=0.98m=0.98cpc=1.005kJ/(kg.K)cpT=1.147kJ/(kg.K)kc=1.4kT=1.33c=9GC≈GT=40kg/sHu=43100kJ/kg試求（1）畫(huà)出燃?xì)廨啓C(jī)裝置的流程圖和其實(shí)際循環(huán)的p-v圖及T-s圖；（2）確定三大件（C、B、T）進(jìn)出口的參數(shù)（壓力、溫度）；（3）求燃料空氣比f(wàn)和每小時(shí)的耗油量B；（4）有效功率Ne、有效效率e、耗油率ge及熱耗率qe。第18頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．某一燃?xì)廨啓C(jī)裝置，已知Ne=21000kW，GC=116kg/s，熱耗率qe=13450kJ/(kW?h)，燃油熱值為Hu=43100kJ/kg。現(xiàn)改燒天然氣，其熱值為8000kcaw/Nm3、比重為rg=0.73kg/Nm3，完全燃燒時(shí)所需理論空氣量為G0=16kg/kg（天然氣）。試求：機(jī)組的耗氣量B（Nm3/h）、耗氣率ge（Nm3//(kW?h)）、有效效率

e、過(guò)量空氣系數(shù)。第19頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2-6提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱力性能的途徑對(duì)于簡(jiǎn)單循環(huán)

提高

減少

采用較高的

各部件效率C*

T*

B壓力損失，提高總壓保持系數(shù)溫比*壓比*，并按需選擇最佳壓比分析第一條：B=0.94~0.99C*

T*燃機(jī)發(fā)展初期約85%，壓比也??；后穩(wěn)定在88%水平好長(zhǎng)時(shí)間；目前達(dá)到或接近90%~92%（壓比30）提高循環(huán)性能很有限（0.90~0.96）

溫比*=T3*/T1*提高C*

T*，主要取決于壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片間氣流通道的設(shè)計(jì)及加工。第20頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三提高溫比*=T3*/T1*——從循環(huán)特性參數(shù)方面來(lái)講，這是提高循環(huán)熱效率的主要方向?！憩F(xiàn)在兩方面:

一方面提高燃?xì)獬鯗?，即透平前溫T3*；一方面降低T1*，即降低環(huán)境溫度T0。第21頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)于提高燃?xì)獬鯗匾蕾?lài)兩種技術(shù)的發(fā)展。第一種技術(shù)：加強(qiáng)冶金工業(yè)耐高溫合金技術(shù)的發(fā)展、加強(qiáng)熱處理工藝技術(shù)的研究，以提高渦輪透平材料的耐高溫特性。t3提高速率目前接近25℃/年，MS9001FA已達(dá)1288℃。第二種技術(shù)：先進(jìn)的冷卻技術(shù)的發(fā)展。

新冷卻技術(shù)，如內(nèi)冷、薄膜冷卻、發(fā)散冷卻等，冷卻效果提高且冷卻空氣量大幅度下降。目前發(fā)展的蒸汽冷卻技術(shù)以及耐高溫陶瓷材料的應(yīng)用，使燃?xì)獬鯗卮蠓忍岣撸蛇_(dá)1427℃），可進(jìn)一步節(jié)約冷卻空氣量。燃?xì)廨啓C(jī)會(huì)由于強(qiáng)烈熱輻射會(huì)使冷卻無(wú)能為力，而終止燃?xì)獬鯗氐脑鲩L(zhǎng)。第22頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)于降低環(huán)境溫度——同一地區(qū)人類(lèi)無(wú)能為力?！厍蛏系哪媳睒O常年處于低溫；人類(lèi)測(cè)出的最低溫度在南極，為-88℃（185K），常年平均-55℃。——聯(lián)合循環(huán)才能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于簡(jiǎn)單循環(huán)輕型燃機(jī)GE公司wM6000PC熱效率最高為43%；工業(yè)型先進(jìn)燃機(jī)熱效率在35%以上。相對(duì)來(lái)說(shuō)仍不是很高。

第23頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三提高循環(huán)熱效率的其他途徑溫比和壓比確定后，進(jìn)一步提高燃機(jī)裝置循環(huán)熱效率必須改進(jìn)熱力循環(huán)，提高循環(huán)性能。1)采用回?zé)嵫h(huán)2)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)3)間冷循環(huán)（分級(jí)壓縮中間冷卻）4)再熱循環(huán)（分級(jí)膨脹中間再熱）5)復(fù)雜循環(huán)（回?zé)衢g冷再熱）

這些措施，無(wú)論對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)裝置的實(shí)際循環(huán)，還是理想循環(huán)，都是有效的。充分利用余熱，降低放熱量降低壓氣機(jī)壓縮功增加渦輪膨脹功第24頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、回?zé)嵫h(huán)

在簡(jiǎn)單循環(huán)三大件基礎(chǔ)上增加一個(gè)熱交換器（即回?zé)崞鳎?，利用渦輪的排氣來(lái)加熱進(jìn)入燃燒室的空氣，這樣的循環(huán)稱(chēng)為回?zé)嵫h(huán)。分析實(shí)際循環(huán)，注意到燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度通?？偸歉哂趬簹鈾C(jī)出口溫度。循環(huán)加熱和放熱過(guò)程的溫度變化范圍有交叉。利用這個(gè)溫度交叉，增設(shè)回?zé)崞?，進(jìn)行內(nèi)部回?zé)?，可達(dá)到提高循環(huán)平均吸熱溫度和降低循環(huán)平均放熱溫度的目的，從而提高循環(huán)的熱效率。第25頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三回?zé)嵫h(huán)的特點(diǎn)由六個(gè)熱力過(guò)程組成：1-2壓縮過(guò)程；2-2’在回?zé)崞髦械念A(yù)熱過(guò)程；2’-3燃燒加熱過(guò)程；3-4膨脹做功過(guò)程；4-4’在回?zé)崞髦械睦鋮s過(guò)程；4’-1大氣中的放熱過(guò)程。未考慮壓力損失q2-2’q4-4’

①具有較高的熱效率

吸熱溫度增加、放熱溫度降低

②循環(huán)比功不變，實(shí)際略有減小

流阻增加，渦輪膨脹功減小(5%~10%)

③極限回?zé)?/p>

T2’*=T4*,T4’*=T2*

實(shí)際回?zé)酺2’*<T4*,T4’*=T2*

面積不可能無(wú)限大，存在傳熱溫差回?zé)岵煌晟脾軠乇纫欢〞r(shí)，提高壓比，回?zé)嵝Ч儾睢?/p>

當(dāng)壓比達(dá)到回?zé)針O限壓比時(shí)，T4*=T2*回?zé)嵝Ч優(yōu)闉跤小?/p>

壓比應(yīng)小于回?zé)針O限壓比。第26頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三極限回?zé)帷诨責(zé)崞髦校羧細(xì)獗焕鋮s到可能的最低溫度，壓縮空氣被預(yù)熱到可能的最高溫度，這種回?zé)岱Q(chēng)為極限回?zé)?。—?duì)提高裝置的內(nèi)部效率最為有利，但由于傳熱必須有溫差，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)。第27頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三回?zé)岫醛せ責(zé)崞髦校べ|(zhì)實(shí)際接收的廢熱值與理論上能接受的廢熱極限值之比—代表回?zé)岬耐晟瞥潭?，用符?hào)表示，即—一般情況下，回?zé)岫?0.5~0.85最合適。

太小，效率不高；過(guò)大，則回?zé)崞髦亓?、體積及流動(dòng)阻力均增大，而機(jī)組比功因流阻增加而降低，循環(huán)效率變差。第28頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三回?zé)嵫h(huán)的應(yīng)用回?zé)崞魇且粋€(gè)龐然大物，使整個(gè)機(jī)組般的笨重、成本增加、運(yùn)行啟動(dòng)復(fù)雜。目前，只在大型基本負(fù)荷的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組中采用。對(duì)回?zé)嵫h(huán)進(jìn)行能量分析和計(jì)算時(shí)，要注意吸熱過(guò)程、放熱過(guò)程初、終態(tài)的變化。第29頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)思路：利用燃機(jī)循環(huán)平均吸熱溫度高和蒸汽動(dòng)力循環(huán)平均放熱溫度低的特點(diǎn)。

例如燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗馗哌_(dá)1200~1500℃，排氣溫度高達(dá)300~500℃。先進(jìn)的蒸汽輪機(jī)，排汽溫度只有幾十度，鍋爐的排煙溫度一般只有160~200℃。組成：燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)與余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，它利用余熱鍋爐回收燃機(jī)排氣的部分熱能，產(chǎn)生蒸汽以推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，或?qū)⒉糠职l(fā)電作功后的乏氣再用于供熱。形式：?jiǎn)屋S聯(lián)合循環(huán)；多軸聯(lián)合循環(huán)。用途：發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)。最高效率：發(fā)電時(shí)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)ABBGT26-1為58.5%第30頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三舉例：雙軸聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出基本功率Neg；蒸汽輪機(jī)發(fā)出附加功率Nest；總功率Ne=Neg+Nest1-2-3-4-1燃?xì)庋h(huán)a-b-c-d-a蒸汽循環(huán)余熱鍋爐中存在傳熱溫差：Tb*=T5*-Tb*：蒸發(fā)器的溫差，稱(chēng)為窄點(diǎn)溫度，最適宜的窄點(diǎn)溫度20-25℃；Tc*=T4*-Tc*：過(guò)熱器中的溫差，一般小于50℃。兩個(gè)循環(huán)的熱力參數(shù)間的約束條件應(yīng)滿足熱平衡方程式：蒸汽吸熱量＝排氣放熱量第31頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)優(yōu)點(diǎn)：１顯著降低機(jī)組耗油率２顯著提高機(jī)組功率缺點(diǎn)：增加了蒸汽回路，使機(jī)組大為復(fù)雜。應(yīng)用：只適用于地面動(dòng)力裝置。

20%-30%第32頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、間冷循環(huán)簡(jiǎn)單循環(huán)中，壓氣機(jī)耗功約占2/3，減少壓縮功，提高循環(huán)比功。

等溫壓縮耗功最少，但很難實(shí)現(xiàn)。采用分段冷卻、逐級(jí)加壓方法——?dú)怏w被壓縮后溫度升高，將其引出來(lái)冷卻降溫，再對(duì)其加壓、再冷卻……由此降低壓氣機(jī)耗功?！诘蛪簤簹鈾C(jī)wC與高壓壓氣機(jī)HC之間增加一個(gè)中冷器IC實(shí)現(xiàn)。1-2’

低壓壓氣機(jī)中壓縮過(guò)程；2’-1’

中冷器中的冷卻過(guò)程；1’-2高壓壓氣機(jī)中壓縮過(guò)程。T-S圖上機(jī)組的循環(huán)比功增大第33頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)于多級(jí)間冷循環(huán)，如何分配壓比最佳？在相同的壓氣機(jī)效率C*和進(jìn)氣溫度T1*的前提下，最佳壓比分配規(guī)律：

即各級(jí)壓比相等，壓縮總耗功最少。第34頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三間冷循環(huán)的特點(diǎn)—采用間冷循環(huán)后，可使循環(huán)比功wi增大，但壓縮終了溫度T2*會(huì)降低，對(duì)循環(huán)熱效率不利?！挥袡C(jī)組壓比較高時(shí)，間冷循環(huán)的熱效率才得益。缺點(diǎn)—采用中冷器，機(jī)組尺寸重量增大，設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，并需大量冷卻水。應(yīng)用—偶見(jiàn)大型機(jī)組，應(yīng)用并不廣泛。第35頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2