1、同濟(jì)大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)技術(shù)期末論述報(bào)告 姓名：*學(xué)號(hào)：* 院系：機(jī)械與能源工程學(xué)院專業(yè)：熱能與動(dòng)力工程 燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)分類及其性能改善措施摘要 ： 本論文對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)概念進(jìn)行了簡述，以熱力學(xué)熱力循環(huán)角度來涉及燃?xì)廨啓C(jī)的熱力循環(huán)過程及工作原理問題、燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)分類、各類熱力循環(huán)的基本原理及其優(yōu)越性和缺陷、從簡單到復(fù)雜進(jìn)行了比較。最后，簡述了外界因素對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)工作效率的影響和改善燃?xì)廨啓C(jī)性能的各種措施。關(guān)鍵詞: 燃?xì)廨啓C(jī) 熱力循環(huán) GE 公司 MS6001 型燃?xì)廨啓C(jī)引言: 燃?xì)廨啓C(jī)是靠內(nèi)部燃料燃燒釋放出的熱量直接加熱空氣,并通過行成的燃?xì)鈱崮苻D(zhuǎn)換成機(jī)械功的一種熱力機(jī)械,

2、同樣是內(nèi)燃機(jī)。 主要由葉輪式空氣壓縮機(jī)、燃?xì)獍l(fā)生器(燃燒室)和燃?xì)鉁u輪三個(gè)基本部分組成,還有燃料、潤滑、冷卻、啟動(dòng)、調(diào)節(jié)和安全等輔助系統(tǒng)。熱力循環(huán)是指熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化，重新回復(fù)到原來狀態(tài)的全部過程。熱力循環(huán)分為正向循環(huán)及逆向循環(huán)。將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的循環(huán)稱為正向循環(huán);將機(jī)械功轉(zhuǎn)換為熱的循環(huán)，稱為逆向循環(huán)。通過工質(zhì)的熱力狀態(tài)變化過程，可以將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能而做功，而要做出功一般必須通過工質(zhì)的膨脹過程，但是任何一個(gè)熱力膨脹過程都不可能一直進(jìn)行下去，并連續(xù)不斷地做出功。這是因?yàn)楣べ|(zhì)的狀態(tài)將會(huì)變化到不適宜繼續(xù)膨脹做功的情況，而且任何熱力設(shè)備，其尺寸也都是有限的。一、燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的四個(gè)熱力過程

3、與工作原理通常，在可逆的理想情況下，燃?xì)廨啓C(jī)是由四個(gè)熱力過程組成的正向循環(huán)來實(shí)現(xiàn)把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的動(dòng)力機(jī)械，它們是：(1)理想絕熱壓縮過程對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，壓縮過程是在壓氣機(jī)中完成，過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)將按絕熱過程的規(guī)律(pvk=常數(shù))進(jìn)行變化：壓力不斷上升，比容逐漸減小，溫度伴隨增高。由于工質(zhì)流量相對(duì)大、對(duì)外界的散熱很小，通常認(rèn)為與外界沒有熱量交換，因而是絕熱過程，即工質(zhì)與外界沒有熱交換，工質(zhì)狀態(tài)變化是靠部分透平膨脹功驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。另外，在理想的可逆情況下，壓縮過程中工質(zhì)的熵值為常數(shù)不變，因此理想絕熱壓縮過程又稱為等熵壓縮過程;而實(shí)際的絕熱壓縮過程，由于存在的摩擦渦流等因素的影響，將使

4、工質(zhì)內(nèi)能增加(溫度升高更多一些)，等價(jià)于從外部加入同樣數(shù)量的熱量，過程是不可逆的，熵總是增加的。(2)等壓燃燒過程燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的加熱過程是在燃燒室中完成的，從壓氣機(jī)出來的高壓氣體吸收噴入燃燒室的燃料燃燒釋放的熱量，燃燒過程的結(jié)果是使工質(zhì)吸收了外界加入的熱量Q1，而沒有與外界發(fā)生機(jī)械功的交換。對(duì)于加熱過程，工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)將按定壓過程的規(guī)律(v/T=常數(shù))進(jìn)行變化：壓力恒定不變(p=常數(shù))，比容(比體積)不斷增加，溫度逐漸上升，熵值也相應(yīng)增加。(3)理想絕熱膨脹過程燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的膨脹做功過程是在透平中完成，過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)也將按絕熱過程的規(guī)律(pvk=常數(shù))進(jìn)行變化，只不過變化的趨勢與壓縮過程正相

5、反：壓力不斷下降，比容逐漸增大，溫度伴隨降低。通常也認(rèn)為與外界沒有熱量交換，因而也是絕熱過程，即工質(zhì)與外界沒有熱交換，借助工質(zhì)狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)膨脹做功。同樣，在理想的可逆情況下，膨脹過程中工質(zhì)的熵值為常數(shù)不變，因此理想絕熱膨脹過程又稱為等熵膨脹過程;而實(shí)際的絕熱膨脹過程，由于存在的摩擦渦流等因素的影響，過程是不可逆的，熵總是增加的。(4)等壓放熱過程燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的是向大氣環(huán)境排氣放熱來完成的，由于環(huán)境相對(duì)與循環(huán)系統(tǒng)體系來說，可認(rèn)為是“無限大”，其壓力為恒定不變，并與外界沒有機(jī)械功傳遞。這樣，對(duì)于放熱過程，工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)也將按如下變化：壓力恒定不變(p=常數(shù))，比容(比體積)不斷減小，溫度逐漸下降。

6、二、燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)分類2.1理想簡單熱力循環(huán)圖中：1-2 壓氣機(jī)絕熱壓縮過程2-3 燃燒室中定壓吸熱過程3-4 透平中絕熱膨脹過程4-1 大氣中定壓放熱過程 熱力學(xué)第一定律：Q=U+W假設(shè)工質(zhì)為理想氣體，四個(gè)過程均為可逆過程Cp和流量保持不變，假定空氣比熱與燃?xì)獗葻峤葡嗟取?.2實(shí)際簡單熱力循環(huán)特點(diǎn)：熱力過程中有各種能量損耗，是不可逆的；工質(zhì)的熱力性質(zhì)和數(shù)量因燃燒而變。假定條件（為便于與理想循環(huán)比較）： 具有相同的壓比pC*和初始溫度T1* ； 渦輪前燃?xì)獬鯗叵嗤?T3* = T3s* ； 環(huán)境參數(shù)均為p0、T0， 即p1* = p0 、T1* = T02.3 回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度

7、很高，一般為400至500，如能回收這一高溫氣體，就可提高燃?xì)廨啓C(jī)效率。如果采用高溫排氣加熱從壓氣機(jī)出口的空氣，再次吸收部分排氣能量，提高進(jìn)入燃燒室的溫度，可使燃燒室中加入的燃料量減少，從而提高了熱效率，在燃?xì)廨啓C(jī)中加裝回?zé)崞鱎,就可實(shí)現(xiàn)上述工作過程，這就是回?zé)嵫h(huán)。優(yōu)點(diǎn)：可提高燃?xì)廨啓C(jī)熱效率缺點(diǎn)：一、尺寸大，增加維護(hù)費(fèi)用。二、不適用高壓比燃機(jī)。2.4 間冷循環(huán)：在壓縮過程中間，把工質(zhì)引至冷卻器冷卻后，再回到壓氣機(jī)中繼續(xù)壓縮以完成壓縮過程，此即間冷循環(huán)，其中IC是中間冷卻器，它的應(yīng)用使壓氣機(jī)分為低壓氣機(jī)LC和高壓氣機(jī)HC兩個(gè)部分。間冷循環(huán)的目的是增加機(jī)組凈功，但熱效率會(huì)有所降低。 IC為中間冷

8、卻器理論上，間冷次數(shù)無窮多時(shí)，壓縮過程就變?yōu)榈葴貕嚎s，壓縮耗功降至最低，循環(huán)比功增加最多。最佳壓比分配使循環(huán)比功最大。優(yōu)點(diǎn)：可提高比功。缺點(diǎn)：一、增加了冷卻器設(shè)備二、間冷循環(huán)宜選取較高的壓比三、一般只能用一次2.5 再熱循環(huán)在膨脹過程中間，把工質(zhì)引入再熱燃燒室中加熱后，再回到渦輪機(jī)中繼續(xù)膨脹以完成膨脹過程，此即再熱循環(huán)。其目的也是增加機(jī)組凈功，但熱效率會(huì)有所降低。理論上，再熱次數(shù)無窮多時(shí)，膨脹過程就變?yōu)榈葴嘏蛎洠蛎浌_(dá)到最大，循環(huán)比功增加最多，最佳膨脹比分配使比功最大。優(yōu)點(diǎn)：可提高比功缺點(diǎn)：一、增加了再熱燃燒室設(shè)備二、再熱循環(huán)宜選取較高的壓比三、一般只能用一次2.6 間冷再熱循環(huán)同時(shí)具有間冷

9、再熱循環(huán)，其熱力循環(huán)圖形比上述兩種循環(huán)面積進(jìn)一步增大，即比功增加比較多，實(shí)際的間冷再熱循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)一般是雙軸甚至是三軸的。間冷再熱循環(huán)：增大高溫端，降低低溫端，最大限度的增大溫差系統(tǒng)復(fù)雜，易出現(xiàn)故障。2.7帶回?zé)岬膹?fù)雜循環(huán)同時(shí)具有回?zé)岷烷g冷循環(huán)或再熱循環(huán)，其熱力循環(huán)圖形比上述循環(huán)面積更進(jìn)一步增大，既能提高比功又能增大熱效率。間冷回?zé)嵫h(huán)：增大傳熱溫差再熱回?zé)嵫h(huán)：增大傳熱溫差三、改善燃?xì)廨啓C(jī)性能的熱力循環(huán)措施影響燃?xì)廨啓C(jī)性能的主要因素是燃機(jī)的循環(huán)參數(shù)、部件效率及循環(huán)方式。因此，提高燃?xì)廨啓C(jī)性能的途徑要從這三方面去尋求。3.1 采用高循環(huán)參數(shù)由于燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)的固有特點(diǎn)，其熱效率和比功隨著其增

10、壓比和透平進(jìn)口溫度的上升而提高，特別是后者的升高對(duì)其性能的提高更大。因此，不斷提高熱力參數(shù)成為提高燃機(jī)性能的著力點(diǎn)。3.2改善部件結(jié)構(gòu)和性能對(duì)大、中型燃機(jī)部件的改善：改善壓氣機(jī)部件 為提高燃機(jī)性能，要求壓氣機(jī)增壓比高、效率高、工作穩(wěn)定、重量輕。這些要求是相互矛盾的，一般主要致力于提高每級(jí)增壓比以減輕重量，往往要采用超聲級(jí)或跨聲級(jí)壓氣機(jī)；改進(jìn)葉型的設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)以減少超、跨聲級(jí)葉片通道的激波損失，進(jìn)而提高效率。改善渦輪部件 先進(jìn)渦輪的設(shè)計(jì)要求是：高效率、大焓降、耐高溫。為追求高效率、渦輪部件也是采用先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)（葉型技術(shù)，全三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)）以優(yōu)化葉型，減小流體損失。以及燃燒室部件的改善3.3采

11、用先進(jìn)的熱力循環(huán)在燃?xì)廨啓C(jī)上采用先進(jìn)的熱力循環(huán)，充分地利用余熱能是不斷提高燃?xì)廨啓C(jī)性能的另一個(gè)著力點(diǎn)。上述的各類熱力循環(huán)中回?zé)嵫h(huán)，再熱循環(huán)，間冷循環(huán)以及本論中未涉及到的蒸汽回注循環(huán)和熱電并供循環(huán)等，都是一些先進(jìn)的循環(huán)方式。另外，由于燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)要吸入周圍環(huán)境的空氣，安裝在不同的現(xiàn)場條件下，環(huán)境溫度、大氣壓力和空氣濕度差別很大，會(huì)顯著影響進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量流量，而且燃料組分和熱值也不相同，導(dǎo)致同一型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)在不同現(xiàn)場條件下實(shí)際輸出功率和熱效率均存在一定程度的差別。其中環(huán)境溫度和大氣壓力是對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能影響最大的主要現(xiàn)場參數(shù)，大氣壓力通常由項(xiàng)目所在地海拔高度決定，想從技術(shù)上改變壓氣機(jī)入口

12、空氣壓力難度較大，因此，提高燃?xì)廨啓C(jī)性能的一個(gè)較為切實(shí)可行的措施就是壓氣機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)。采用進(jìn)氣冷卻技術(shù)的作用是降低燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣溫度，提高進(jìn)氣總空氣量，減少壓氣機(jī)的單位耗功，使燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率與熱效率得到提高。一般來說，對(duì)于GE 公司 MS6001 型燃?xì)廨啓C(jī)而言，壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度每下降 1，可以增加透平輸出功率 273.2kW。按燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻器的結(jié)構(gòu)型式, 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)分為直接接觸式和間接接觸式。 直接接觸式主要有蒸發(fā)冷卻、噴霧冷卻和濕式壓縮技術(shù)，直接接觸式制冷的原理是利用水在空氣中蒸發(fā)時(shí)所吸收的潛熱來降低空氣溫度。當(dāng)未飽和空氣與水接觸時(shí), 兩者之間便會(huì)發(fā)生傳熱、傳質(zhì)過程，結(jié)果

13、是空氣的顯熱變?yōu)樗舭l(fā)時(shí)所吸收的潛熱, 從而使空氣溫度降低。理論上可將這一過程近似看做對(duì)空氣的絕熱加濕過程。直接接觸式冷卻裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是初投資較少，施工工期短，運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用較低, 但最大的缺點(diǎn)是冷卻能力較小，受環(huán)境濕度影響較大，最多只能冷卻到濕球溫度附近，適合應(yīng)用于資金相對(duì)短缺、干燥炎熱的地區(qū)。 間接接觸式冷卻主要有電制冷、冰蓄冷制冷以及蒸汽或熱水制冷等。間接接觸式冷卻通過換熱器來冷卻燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣，在燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣道中安裝鰭片管式換熱器, 管內(nèi)通入 5 左右的冷水, 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣經(jīng)過鰭片管外側(cè)時(shí)被冷卻。間接接觸式冷卻最大的優(yōu)點(diǎn)是不受環(huán)境空氣相對(duì)濕度的影響, 只要冷源有足夠的制冷能力、換熱

14、器鰭片管有足夠的傳熱能力, 就可以將進(jìn)氣冷卻到合適的最佳進(jìn)氣溫度, 但初投資和運(yùn)行費(fèi)用也較高，因此在資金比較寬裕、潮濕炎熱的地區(qū)采用這種冷卻方式的較多。 綜上所述，燃?xì)廨啓C(jī)在不改變本體結(jié)構(gòu)的條件下可以通過多種方式降低壓氣機(jī)入口溫度，從而增加其輸出功率并降低熱耗率。對(duì)于具體的項(xiàng)目而言，可以根據(jù)自身的條件、環(huán)境、市場、資金等，來選擇適合自己的方法。四、結(jié)論一般而言，人們無法對(duì)影響燃?xì)廨啓C(jī)組性能的廠址和布置方案進(jìn)行控制，因?yàn)榇蠖鄶?shù)項(xiàng)目受前期投資規(guī)劃的限制，但了解影響燃?xì)廨啓C(jī)性能的幾個(gè)重要現(xiàn)場參數(shù)及性能提高途徑后，可在設(shè)計(jì)和采購階段就結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在燃機(jī)設(shè)計(jì)選型時(shí)就把現(xiàn)場實(shí)際影響因素考慮進(jìn)來，從而制定和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過系統(tǒng)配置的改進(jìn)，如要求廠商采用高循環(huán)參數(shù)、采用先進(jìn)的熱力循環(huán)、改善部件結(jié)構(gòu)和性能以及增加燃?xì)廨啓C(jī)入口冷卻設(shè)施、提高燃料氣進(jìn)氣溫度等