燃氣輪機原理精講

燃氣輪機原理與性能精講第一章 概論 1-1燃氣輪機簡介 1-2燃氣輪機的開展 1-3燃氣輪機的應(yīng)用 1-4燃氣輪機的未來1-5燃氣輪機的分類 1-6燃氣輪機涉及的主要學(xué)科 1-7燃氣輪機的設(shè)計過程第二章 燃氣輪機循環(huán)理論 2-1燃氣輪機循環(huán)主要性能指標(biāo) 2-2理想燃氣輪機循環(huán) 2-3實際燃氣輪機循環(huán) 2-4復(fù)合燃氣輪機循環(huán)第三章 燃氣輪機熱力計算 3-1熱力計算的目的 3-2燃燒室計算方法 3-3熱力計算的步驟 3-4熱力計算的舉例第四章 相似理論 4-1相似準(zhǔn)那么 4-2相似參數(shù)與換算參數(shù)課程內(nèi)容第五章 燃氣輪機部件特性

5-1軸流壓氣機特性 5-2透平特性

5-3燃燒室特性 5-4徑向壓氣機、向心渦輪特性第六章 燃氣輪機變工況性能計算

6-1燃氣輪機部件特性的處理 6-2燃氣輪機部件間的匹配

6-3變工況性能計算方法 第七章 燃氣輪機過渡工況

7-1燃氣輪機起動過程 7-2燃氣輪機加速過程

7-3燃氣輪機減速過程 7-4燃氣輪機加減速過程參數(shù)控制第八章 燃氣輪機性能仿真

8-1仿真方法 8-2計算實例教學(xué)參考書1、燃氣輪機裝置 沈炳正機械工業(yè)出版社2、燃氣輪機原理與性能翁史烈上海交通大學(xué)出版社3、燃氣輪機工作原理及性能朱行健王雪瑜科學(xué)出版社4、燃氣輪機循環(huán)理論佐滕豪5、GasTurbineTheory H.Cohen,G.F.Rogers,H.I.H.Saravanamuttoo參考書目第一章概論1.1燃氣輪機的組成及工作原理SimplegasturbinesystemC-compresserT-TurbineB–Combustionchamber1-2燃氣輪機的開展公元前150年埃及哲學(xué)家Hero創(chuàng)造了一個玩具－－汽轉(zhuǎn)球(Aeolipile〕1629-GiovanniBranca利用蒸汽驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)磨粉機1687IsaacNewton－－蒸汽貨車1791JohnBarber第一個利用現(xiàn)代燃氣輪機的熱力學(xué)原理申請的設(shè)計專利1872-Dr.F.Stolze(1836-1910)設(shè)計了真正的第一臺燃氣輪機，具有多級渦輪和單級的壓氣機，但并沒有靠自身動力轉(zhuǎn)動起來1914-CharlesCurtis

檔案記載的應(yīng)用燃氣輪機第一人(1864-1949)

AegidiusElling1882開始設(shè)計GT；1884獲得專利；11馬力，六級離心式壓氣機，可變?nèi)~片擴壓器，級間噴水；帶有回?zé)崞鳎徽羝c燃氣混合進入噴嘴；一級向心透平；回?zé)嵬钙剑籘3=500C；44馬力；具有了4軸的想法;1930FrankWhittle1930年申請了第一個用于噴氣推進的燃氣輪機專利1941年第一臺安裝在飛機上的燃氣輪機誕生〔速度＝370MPH，1000磅推力〕1939－HansvonOhainandMaxHahn第一架噴氣式飛機〔HE-178〕1100磅推力，400MPH速度；采用離心壓氣機，后改用軸流壓氣機10整理ppt發(fā)電設(shè)備功率：50MW效率：40%功率/重量、功率/體積最高的動力形式-燃氣輪機發(fā)電設(shè)備功率：5萬千瓦效率：40%功率/重量、功率/體積最高的動力形式-燃氣輪機11整理ppt占地面積小；高效、環(huán)保；21世紀(jì)最具競爭力的發(fā)電方式；占地面積?。桓咝?、環(huán)保；21世紀(jì)最具競爭力的發(fā)電方式；12整理ppt海軍艦船13整理ppt機車車輛英國98年研制4000馬力機車英國98年研制4000馬力機車14整理ppt1999年1月-2000年6月世界燃氣輪機裝機容量15整理ppt燃氣輪機的未來--燃氣輪機+熱交換技術(shù)〔換熱器〕16整理ppt渦輪入口溫度的提高17整理ppt簡單循環(huán)：單軸、分軸、雙軸、多軸燃氣輪機單軸：負荷固定、轉(zhuǎn)速固定；發(fā)電用；壓氣機固有的轉(zhuǎn)動慣量，有利于防止在甩負荷時產(chǎn)生飛車；參加熱交換器可以使整機熱效率提高，但這要損失10%功率。分軸：起動機僅滿足燃氣發(fā)生器即可；甩負荷時會帶來渦輪的飛車，所以控制系統(tǒng)要有保證。多軸：如果不采用熱交換器而獲得高的熱效率，就要有高壓縮比。雖然多級離心式壓氣機具有高的壓比，但其效率要比軸流式的低，所以通常都是采用軸流式壓氣機。而當(dāng)壓氣機在低轉(zhuǎn)速時，由于壓氣機后幾級由于出口面積減小，空氣密度降低，氣體軸向速度加大，葉片會出現(xiàn)阻塞。這種不穩(wěn)定區(qū)的出現(xiàn)，會發(fā)生在燃氣輪機起動或低負荷情況。所以只在一臺壓氣機上取得8以上的壓比是很困難的。但只要采取將一臺分為兩臺或更多臺時，就可以克服上述困難。在有些特殊的發(fā)動機上，由于流量小，多采用離心式；而軸流式那么會由于流量小使其葉片過短，難以保證其效率。開式循環(huán)：1-4燃氣輪機的分類多軸燃氣輪機轉(zhuǎn)子19整理ppt最初雙軸燃氣輪機壓比在10：1，而它適合于30：1這樣的比值。多軸的另一種形式：如果有幾級導(dǎo)葉是可調(diào)的，那么就可在高壓比下采用一臺壓氣機。GE已在一臺壓氣機上實現(xiàn)了15：1。在給定壓比下，壓縮功只與入口空氣溫度有關(guān)。---進氣進行冷卻。在許多情況下，機組的尺寸和重量要比熱效率重要。

優(yōu)點：可以在整個循環(huán)中采用較高的壓比---高的氣體密度，這可以在給定輸出功率下減小機組尺寸；可以使發(fā)電功率只隨閉路中的壓力變化。這種控制形式意味著在整個負荷范圍內(nèi)，最高循環(huán)溫度不會改變，因此，總體效率少有變化。缺點：需要外部加熱系統(tǒng)；這樣加熱器外表溫度給主循環(huán)最高溫度設(shè)定了上限。復(fù)雜循環(huán)：閉式循環(huán)：輕型結(jié)構(gòu)<10KG/PS，重型結(jié)構(gòu)>15KG/PS輕型結(jié)構(gòu)：航空機和航空改型艦用燃氣輪機，工業(yè)輕型〔重載輕型〕重型結(jié)構(gòu)：工業(yè)燃氣輪機 金屬耐熱極限---1100℃；渦輪進氣溫度：1460℃ 采用空氣冷卻葉片；---冷卻技術(shù) 耐高溫材料〔單晶鑄造，定向凝固等技術(shù)〕壽命：工業(yè)輕型2-10萬小時；燃氣輪機裝置的優(yōu)勢：1、裝置輕小；投資僅為蒸汽動力廠的20-80%以下；重量和所占空間只有蒸汽輪機或內(nèi)燃機的幾分之一或幾百分之一；技術(shù)周期短；現(xiàn)代燃氣輪機的結(jié)構(gòu)特點燃氣輪機簡圖：單位功率重量：21整理ppt2、燃料適應(yīng)性強，公害少-----最理想的清潔能源轉(zhuǎn)換裝置3、節(jié)省廠用水、電、潤滑油；4、啟動快、自動化程度高；5、維修快，運行可靠流體力學(xué)〔氣體動力學(xué)〕熱力學(xué)與傳熱自動控制材料與強度1-5燃氣輪機涉及的主要學(xué)科市場調(diào)研技術(shù)規(guī)格書用戶需求循環(huán)方式選擇研究設(shè)計點確實定氣動模型修改功率提高與改型部件試驗設(shè)計修改壓氣機、渦輪、進、排氣等氣動設(shè)計輪盤、葉片、殼體等結(jié)構(gòu)強度設(shè)計工藝設(shè)計及制造試驗及研究產(chǎn)品變工況性能強度修改控制系統(tǒng)設(shè)計售后效勞燃氣輪機設(shè)計流程24整理ppt美國能源部21世紀(jì)先進燃氣輪機系統(tǒng)研究〔AGTSR〕方案高溫和耐腐蝕材料科學(xué)燃燒現(xiàn)象的深入了解天然氣或其他燃料燃燒時的污染物形成和減少新型熱力循環(huán)的根底理論1992年-2003年向大學(xué)設(shè)立了74個工程，投資約$35,485,299.

思考題1-1為什么說燃氣輪機在未來的發(fā)電設(shè)備中具有競爭力的動力形式？1-2燃氣輪機開展中的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？1-3為什么說燃氣輪機未來的開展離不開熱交換器的開展？1-4先進燃氣輪機的標(biāo)志性的參數(shù)是什么？為什么？第二章燃氣輪機循環(huán)理論

決定燃氣輪機前途的因素:裝置的熱效率裝置的尺寸,重量對燃料的適應(yīng)性影響燃氣輪機性能的兩個因素:部件效率和渦輪初溫;1904年兩個法國工程師Armengaud和Lemale,建造了一臺燃氣輪機,部件效率60%,渦輪初溫740K。(只夠自己運轉(zhuǎn))整機的效率還和壓比有關(guān);燃氣輪機的開展和空氣動力學(xué)的開展相關(guān)： 壓比35,部件效率85-90,初溫1650K.(86年的目標(biāo))2-1燃氣輪機循環(huán)主要性能指標(biāo)1.比功w：描述燃氣輪機循環(huán)作功性能的好壞的指標(biāo)。單位質(zhì)量工質(zhì)下所做的功。為什么不用功率作為描述循環(huán)性能的指標(biāo)？2.熱效率ηt和耗油率sfc(specificfuelconsumption)

耗油率：2-2理想燃氣輪機循環(huán)分析假設(shè)條件：壓縮和膨脹過程是可逆的、絕熱的即等熵的。忽略部件進出口工質(zhì)的動能變化；在進氣管道、燃燒室、熱交換器、間冷器、排氣管和連接部件的管道均不考慮壓力損失；工質(zhì)在整個中具有同樣的組分，并且是比熱不變的完全氣體；氣體質(zhì)量流量在整個循環(huán)中不變；在熱交換器中充分換熱；理想簡單燃氣輪機循環(huán)此種循環(huán)的極限是什么？

此種循環(huán)的熱效率

12

31’’’TSvp2’2’’

3’2’’’

3’’

3’’’4’’’4卡諾循環(huán)；1-2等熵加熱；2-3等溫膨脹；3-4等熵放熱；4-3等溫壓縮EricssonCycle斯特林循環(huán)布雷頓〔Braytoncycle)幾種典型的熱力循環(huán)比較四個循環(huán)說明了布雷頓循環(huán)的改進方向——向EricssonCycle靠近ThecycleefficiencyisMakinguseoftheisentropicp-Trelation,AndpressureratioThenshownTheefficiencythusdependsonlyonthepressureratioandnatureofthegas.SpecificworkoutputW,

31整理ppt此時輸出功為最大。理想燃氣輪機循環(huán)其最大效率是隨壓比的增加而上升。復(fù)雜循環(huán)—回?zé)嵫h(huán)T2T1T3T4T6T5TSWithidealheat-exchange20406080124108612Specificworkoutputisunchangedbytheadditionofaheat-exchanger33整理ppt2-3實際燃氣輪機循環(huán)1.實際燃氣輪機與理想燃氣輪機循環(huán)的差異？2.如何考慮實際的燃氣熱力性質(zhì)？3.實際燃氣輪機循環(huán)性能？溫比、壓比對性能的影響？一、壓氣機效率、渦輪效率用滯止等熵效率來衡量實際過程和等熵過程的差距。問題：34整理ppt實際的裝置比功燃氣輪機的:增加的百分?jǐn)?shù)是增加的百分?jǐn)?shù)的倍。有用功系數(shù)小者，對及的影響大，即裝置對的變化愈敏感。

35整理ppt二、壓力損失

實際過程中，工質(zhì)在燃燒室、回?zé)崞?、間冷器、空氣濾清器、消音器系統(tǒng)中流動必然產(chǎn)生流阻損失，表現(xiàn)為工質(zhì)的滯止壓力的損失。燃燒室的壓損率

進氣道的壓損率

排氣道的壓損率36整理ppt渦輪膨脹比為滯止壓恢復(fù)系數(shù)〔三〕空氣、燃氣流量的變化37整理ppt燃料與空氣比約為1/40-1/120,相對較?。粴夥饴夂统闅饫鋮s空氣也使流量改變；計算中：以空氣流量為基準(zhǔn)。抽氣或漏氣5%，會使功率下降10～20%；效率下降0.02-0.06。〔四〕燃燒室效率38整理ppt〔五〕燃氣性質(zhì)定比熱：比熱為常量；〔平均比熱〕；用于簡單循環(huán)計算；變比熱:比熱是溫度、燃料空氣比的函數(shù)。實際計算使用；使用方式：查圖表；數(shù)學(xué)表達式〔程序〕；

39整理ppt〔六〕回?zé)岫?、間冷度回?zé)岫?/p>

間冷度〔七〕機械效率〔八〕實際燃氣輪機循環(huán)性能〔a〕壓比的影響簡單循環(huán)的效率理論上隨壓比的提高而增加。但實際的簡單循環(huán)不同。對應(yīng)最大比功和最大效率都有一個不同值的壓比。回?zé)嵫h(huán)可以使兩個壓比值接近；42整理ppt〔b〕溫比的影響每增加100℃，比功約增加20-40%；效率增高0.02-0.05；實際大氣溫度的影響：降低比提高對燃氣輪機性能的影響要大幾倍。由于工質(zhì)變化和各種損失〔熱損失、化學(xué)損失、機械損失、流動損失〕造成了理想燃氣輪機循環(huán)與實際燃氣輪機循環(huán)的差異。43整理ppt實際燃氣輪機循環(huán)設(shè)計點計算〔1〕求帶有回?zé)岬膶嶋H燃氣輪機的輸出比功、燃料消耗率、循環(huán)效率。： 壓比 4.0；渦輪入口溫度 1100K； 壓氣機絕熱效率 0.85；渦輪絕熱效率 0.87； 機械效率 0.99；燃燒效率 0.98； 換熱器效率 0.80； 壓力損失-------- 燃燒室， 2%壓氣機出口壓力； 換熱器空氣側(cè) 3%壓氣機出口壓力； 換熱器空氣側(cè) 0.04bar 大氣條件 1bar,288K44整理ppt解：由于 和壓氣機耗功產(chǎn)生的溫升為：用于驅(qū)動壓氣機每單位質(zhì)量流量所需的渦輪功為：45整理ppt因此，由于對于排氣

總的渦輪做功所產(chǎn)生的溫升單位工質(zhì)所作的總渦輪功46整理ppt注意：渦輪的輸出比功為

如果對于1000kW,需要7.3kg/s為了確定燃/空比f，我們必須確定燃燒室的溫升熱交換器效率=0.80=47整理ppt對于入口溫度為759K的燃燒室和燃燒溫升為〔1100-759)=341K;理論上的燃料/空氣比為0.0094，