燃氣輪機原理精講.ppt

1、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燃氣輪機的發(fā)展 1-3燃氣輪機的應用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科1-7 燃氣輪機的設計過程 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 相似準則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

2、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 上海交通大學出版社 3、燃氣輪機工作原理及性能 朱行健 王雪瑜 科學出版社 4、燃氣輪機循環(huán)理論 佐滕豪 5、 Gas Turbine Theory H. C

3、ohen, 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,Simple gas turbine system,C- compresser T- Turbine B Combustion chamber,1-2 燃氣輪機的發(fā)展,公元前150年 埃及哲學家Hero發(fā)明了一個玩具汽轉(zhuǎn)球 (Aeolipile） 1629 - Giovanni Branca利用蒸汽驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)磨粉機 1687 Isaac Newton 蒸汽貨車,1791 John Barber第一個利用現(xiàn)代燃氣輪機的熱力學原理申請的設計專利 187

4、2 - Dr. F. Stolze (1836-1910)設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 - Charles Curtis 檔案記載的應用燃氣輪機第一人,(1864-1949) Aegidius Elling 1882 開始設計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；帶有回熱器；蒸汽與燃氣混合進入噴嘴；一級向心透平；回熱透平 ；T3=500C；44馬力；具有了4軸的想法;,1930 Frank Whittle 1930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

5、機誕生（速度370MPH，1000磅推力）,1939Hans von Ohain and Max Hahn 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,發(fā)電設備 功率：50 MW 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,占地面積??；高效、環(huán)保；21世紀最具競爭力的發(fā)電方式；,占地面積小； 高效、環(huán)保； 21世紀最具競爭力的發(fā)電方式；,海軍艦船,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,1999

6、年1月-2000年6月世界燃氣輪機裝機容量,燃氣輪機的未來-燃氣輪機+熱交換技術(shù)（換熱器）,渦輪入口溫度的提高,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；加入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，

7、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；而軸流式則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,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

8、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)；這樣加熱器表面溫度給主循環(huán)最高溫度設定了上限。,復雜循環(huán)：,閉式循環(huán)：,輕型結(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

9、 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：,2、燃料適應性強，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（氣體動力學） 熱力學與傳熱 自動控制 材料與強度,1-5 燃氣輪機涉及的主要學科,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,設計點的確定,氣動模 型修改,功率提高 與改型,部件試驗,設計修改,壓氣機、渦輪、進、 排氣等氣動設計,輪盤

10、、葉片、殼體 等結(jié)構(gòu)強度設計,工藝設計及制造,試驗及研究,產(chǎn)品,變工況性能,強度修改,控制系統(tǒng)設計,售后服務,燃氣輪機設計流程,美國能源部21世紀先進燃氣輪機系統(tǒng)研究（AGTSR）計劃,高溫和耐腐蝕材料科學 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)的基礎理論 1992年-2003年向大學設立了74個項目，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)電設備中具有競爭力的動力形式？ 1-2 燃氣輪機發(fā)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發(fā)展離不開熱交換器的發(fā)展？ 1-4 先進燃氣輪機的標志性的參數(shù)是什么？為什么？,第

11、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); 燃氣輪機的發(fā)展和空氣動力學的發(fā)展相關(guān)： 壓比35,部件效率85-90,初溫1650K.(86年的目標),2-1 燃氣輪機循環(huán)主要性能指標,1.比功 w：描述燃氣輪機循環(huán)作功性能的好壞的指標。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？ 2. 熱效率t和耗油率sfc (spe

12、cific fuel consumption) 耗油率：,2-2 理想燃氣輪機循環(huán)分析,假設條件： 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,1,2,3,1,T,S,v,p,2,2,3,2,3,3,4,4,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 Ericsson Cycle

13、斯特林循環(huán) 布雷頓（Brayton cycle),幾種典型的熱力循環(huán)比較,四個循環(huán)表明了布雷頓循環(huán)的改進方向向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

14、而上升。,復雜循環(huán)回熱循環(huán),T2,T1,T3,T4,T6,T5,With ideal heat-exchange,Specific work output is unchanged by the addition of a heat-exchanger,2-3 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)的差別？ 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：,實際的裝置比功,燃氣輪機的 : 增加的百分數(shù)是 增加的百分數(shù)的 倍。有用功系數(shù) 小者 ， 對 及 的

15、影響大，即裝置對 的變化愈敏感。,二、壓力損失,實際過程中，工質(zhì)在燃燒室、回熱器、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,渦輪膨脹比,為滯止壓恢復系數(shù),（三） 空氣、燃氣流量的變化,燃料與空氣比約為1/40 - 1/120,相對較??； 氣封漏氣和抽氣冷卻空氣也使流量改變； 計算中：以空氣流量為基準。抽氣或漏氣5%，會使功率下降1020%；效率下降0.02-0.06。 （四）燃燒室效率,（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

16、計算使用； 使用方式：查圖表；數(shù)學表達式（程序）；,（六）回熱度、間冷度 回熱度 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。對應最大比功和最大效率都有一個不同值的壓比。,回熱循環(huán)可以使兩個壓比值接近；,（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)的差別 。,實際燃氣輪機循環(huán)設計點計算

17、（1）求帶有回熱的實際燃氣輪機的輸出比功、燃料消耗率、循環(huán)效率。 已知：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) 0.04 bar 大氣條件 1bar,288K,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：,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,注意：渦輪的輸出比功為 如果對于1000kW,需要7.3 kg/s 為了確定

18、燃/空比f，我們必須確定燃燒室的溫升 熱交換器效率=0.80=,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，這樣,因此，油耗率 SFC =,最后，循環(huán)效率,已知：壓比12.0 ；渦輪入口溫度1350K； 壓氣機絕熱效率0.86；渦輪絕熱效率0.89； 機械效率0.99；燃燒效率0.99； 換熱器效率0.80； 壓力損失- 燃燒室壓力損失 6% 壓氣機出口壓力； 排氣壓力損失 0.03 bar 大氣條件 1bar,288K 求： 帶 自由渦輪的燃氣輪機輸出比功；耗油率；循環(huán)效率；,2-4 燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)（combined cycles plant CHP),1. 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的基本方案 余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)； 增壓燃燒鍋爐型聯(lián)合循環(huán)； 加熱鍋爐給水型 聯(lián)合循環(huán) cogeneration； 1）T