1、TMI燃氣輪機原理與性能燃氣輪機原理與性能臧臧 述述 升升Tel: 34206103 Tel: 34206103 E-Mail: E-Mail: TMI第一章第一章概論概論1-1 燃氣輪機簡介燃氣輪機簡介 1-2燃氣輪機的發展燃氣輪機的發展1-3燃氣輪機的應用燃氣輪機的應用1-4 燃氣輪機的未來燃氣輪機的未來 1-5 燃氣輪機的分類燃氣輪機的分類1-6 燃氣輪機涉及的主要學科燃氣輪機涉及的主要學科1-7 燃氣輪機的設計過程燃氣輪機的設計過程第二章第二章燃氣輪機循環理論燃氣輪機循環理論2-1 燃氣輪機循環主要性能指標燃氣輪機循環主要性能指標2-2 理想燃氣輪機循環理想燃氣輪機循環2-3 實際燃氣

2、輪機循環實際燃氣輪機循環2-4 復合燃氣輪機循環復合燃氣輪機循環第三章第三章燃氣輪機熱力計算燃氣輪機熱力計算3-1 熱力計算的目的熱力計算的目的3-2 燃燒室計算方法燃燒室計算方法3-3 熱力計算的步驟熱力計算的步驟3-4 熱力計算的舉例熱力計算的舉例第四章第四章相似理論相似理論4-1 相似準則相似準則4-2 相似參數與換算參數相似參數與換算參數課程內容課程內容TMI第五章第五章燃氣輪機部件特性燃氣輪機部件特性5-1 軸流壓氣機特性軸流壓氣機特性 5-2 透平特性透平特性5-3 燃燒室特性燃燒室特性5-4 徑向壓氣機、向心渦輪特性徑向壓氣機、向心渦輪特性第六章第六章燃氣輪機變工況性能計算燃氣輪

3、機變工況性能計算 6-1 燃氣輪機部件特性的處理燃氣輪機部件特性的處理6-2 燃氣輪機部件間的匹配燃氣輪機部件間的匹配6-3 變工況性能計算方法變工況性能計算方法第七章第七章燃氣輪機過渡工況燃氣輪機過渡工況7-1 燃氣輪機起動過程燃氣輪機起動過程7-2 燃氣輪機加速過程燃氣輪機加速過程7-3 燃氣輪機減速過程燃氣輪機減速過程 7-4 燃氣輪機加減速過程參數控制燃氣輪機加減速過程參數控制第八章第八章燃氣輪機性能仿真燃氣輪機性能仿真8-1 仿真方法仿真方法 8-2 計算實例計算實例TMI教學參考書1、燃氣輪機裝置、燃氣輪機裝置 沈炳正沈炳正 機械工業出版社機械工業出版社2、燃氣輪機原理與性能、燃氣

4、輪機原理與性能 翁史烈翁史烈 上海交通大學出版社上海交通大學出版社3、燃氣輪機工作原理及性能、燃氣輪機工作原理及性能 朱行健朱行健 王雪瑜王雪瑜 科學出版社科學出版社4、燃氣輪機循環理論、燃氣輪機循環理論 佐滕豪佐滕豪 5、 Gas Turbine Theory H. Cohen, G. F. Rogers, H. I. H. Saravanamuttoo參考書目參考書目TMI第一章 概論1.1 燃氣輪機的組成及工作原理Simple gas turbine system C- compresserT- TurbineB Combustion chamber TMITMITMI1-2 1-2 燃

5、氣輪機的發展燃氣輪機的發展n公元前公元前150150年年 埃及哲學家埃及哲學家HeroHero發明發明了一個玩具汽轉球了一個玩具汽轉球 (Aeolipile(Aeolipile）n1629 - Giovanni BrancaGiovanni Branca利用蒸汽利用蒸汽驅動渦輪旋轉磨粉機驅動渦輪旋轉磨粉機n1687 Isaac NewtonIsaac Newton 蒸汽貨車蒸汽貨車TMIn1791 John Barber第一個利用現代燃氣輪機的熱力學原理申請的設計專利n1872 - 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

6、有靠自身動力轉動起來n1914 - Charles Curtis 檔案記載的應用燃氣輪機第一人n (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，可變葉片擴壓器，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;TMI 1930 Frank Whittle 1930 Frank Whittle 19301930年申請了第一個用于噴氣推年申請了第一個用于噴氣推進的燃氣輪機專利進的燃氣輪機專利19411941年第一臺安裝在飛機上的燃年第一臺安裝在飛機上的燃

7、氣輪機誕生（速度氣輪機誕生（速度370MPH370MPH，10001000磅推力）磅推力） 19391939Hans von Ohain and Max HahnHans von Ohain and Max Hahn 第一架噴氣式飛機（第一架噴氣式飛機（HE-178HE-178）11001100磅推力，磅推力，400MPH400MPH速度；采用離心壓氣機，后改用軸速度；采用離心壓氣機，后改用軸流壓氣機流壓氣機TMI發電設備功率：50 MW效率： 40%功率/重量、功率/體積最高的動力形式-燃氣輪機發電設備發電設備功率：功率：5 5萬千瓦萬千瓦效率：效率： 40%40%功率功率/ /重量、功重量

8、、功率率/ /體積最高的體積最高的動力形式動力形式- -燃氣輪機燃氣輪機TMI占地面積??；高效、環保；21世紀最具競爭力的發電方式；占地面積?。徽嫉孛娣e??；高效、環保；高效、環保；2121世紀最具世紀最具競爭力的發電競爭力的發電方式；方式；TMI海軍艦船海軍艦船TMI機車車輛機車車輛英國英國9898年研制年研制40004000馬力機車馬力機車英國英國98年研制年研制4000馬力機車馬力機車TMI050001000015000200002500030000非洲和中東中南美洲東西歐遠東和太平洋北美中國臺灣系列119991999年年1 1月月-2000-2000年年6 6月世界燃氣輪機裝機容量月世界

9、燃氣輪機裝機容量TMI 燃氣輪機的未來燃氣輪機的未來-燃氣輪機燃氣輪機+ +熱交換技術（換熱器）熱交換技術（換熱器）TMI渦輪入口溫度的提高TMI簡單循環：單軸、分軸、雙軸、多軸燃氣輪機 單軸：負荷固定、轉速固定；發電用；壓氣機固有的轉動慣量，有利于防止在甩負荷時產生飛車；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生器即可；甩負荷時會帶來渦輪的飛車，所以控制系統要有保證。 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。而當壓氣機在低轉速時，由于壓氣機后幾級

10、由于出口面積減小，空氣密度降低，氣體軸向速度加大，葉片會出現阻塞。這種不穩定區的出現，會發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：1-4 燃氣輪機的分類燃氣輪機的分類TMI多軸燃氣輪機轉子多軸燃氣輪機轉子 TMI 最初雙軸燃氣輪機壓比在最初雙軸燃氣輪機壓比在1010：1 1，而它適合于，而它適合于3030：1 1這樣的比值。這樣的比值。 多軸的另一種形式：如果有幾級導葉是可調的，那么就可在

11、高壓比多軸的另一種形式：如果有幾級導葉是可調的，那么就可在高壓比下采用一臺壓氣機。下采用一臺壓氣機。GEGE已在一臺壓氣機上實現了已在一臺壓氣機上實現了1515：1 1。 在給定壓比下，壓縮功只與入口空氣溫度有關。在給定壓比下，壓縮功只與入口空氣溫度有關。- - 進氣進行冷卻。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。在許多情況下，機組的尺寸和重量要比熱效率重要。 優點：可以在整個循環中采用較高的壓比優點：可以在整個循環中采用較高的壓比-高的氣體密度，這可以在給高的氣體密度，這可以在給定輸出功率下減小機組尺寸；可以使發電功率只隨閉路中的壓力變化。定輸出功率下減小機組尺寸；可以

12、使發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，最高循環溫度不會改變，因此，這種控制形式意味著在整個負荷范圍內，最高循環溫度不會改變，因此，總體效率少有變化。總體效率少有變化。 缺點：需要外部加熱系統；這樣加熱器表面溫度給主循環最高溫度缺點：需要外部加熱系統；這樣加熱器表面溫度給主循環最高溫度設定了上限。設定了上限。復雜循環：復雜循環：閉式循環：閉式循環：TMI輕型結構15KG/PS輕型結構： 航空機和航空改型艦用燃氣輪機，工業輕型（重載輕型）重型結構：工業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；- 冷卻技術耐高溫材料（單晶鑄造，定向凝固

13、等技術）壽命：工業輕型 2-10 萬小時；燃氣輪機裝置的優勢：1、裝置輕?。煌顿Y僅為蒸汽動力廠的20-80%以下；重量和所占空間只 有蒸汽輪機或內燃機的幾分之一或幾百分之一；技術周 期短；現代燃氣輪機的結構特點燃氣輪機簡圖：單位功率重量：TMI2、燃料適應性強，公害少-最理想的清潔能源轉換裝置3、節省廠用水、電、潤滑油；4、啟動快、自動化程度高；5、維修快，運行可靠TMIn流體力學（氣體動力學）流體力學（氣體動力學）n熱力學與傳熱熱力學與傳熱n自動控制自動控制n材料與強度材料與強度1-5 燃氣輪機涉及的主要學科燃氣輪機涉及的主要學科TMI市場調研市場調研技術規格書技術規格書用戶需求用戶需求循環

14、方式選擇研究循環方式選擇研究設計點的確定設計點的確定氣動模氣動模型修改型修改功率提高功率提高與改型與改型部件試驗部件試驗設計修改設計修改壓氣機、渦輪、進、壓氣機、渦輪、進、排氣等氣動設計排氣等氣動設計輪盤、葉片、殼體輪盤、葉片、殼體等結構強度設計等結構強度設計工藝設計及制造工藝設計及制造試驗及研究試驗及研究產品產品變工況性能變工況性能強度修改強度修改控制系統設計控制系統設計售后服務售后服務燃氣輪機設計流程TMI美國能源部21世紀先進燃氣輪機系統研究（AGTSR）計劃n高溫和耐腐蝕材料科學n燃燒現象的深入了解n天然氣或其他燃料燃燒時的污染物形成和減少n新型熱力循環的基礎理論n1992年-2003

15、年向大學設立了74個項目，投資約$35,485,299. TMI思考題思考題n1-1 為什么說燃氣輪機在未來的發電設備中具有競爭力的動力形式？為什么說燃氣輪機在未來的發電設備中具有競爭力的動力形式？n1-2 燃氣輪機發展中的關鍵技術有哪些？燃氣輪機發展中的關鍵技術有哪些？n1-3 為什么說燃氣輪機未來的發展離不開熱交換器的發展？為什么說燃氣輪機未來的發展離不開熱交換器的發展？n1-4 先進燃氣輪機的標志性的參數是什么？為什么？先進燃氣輪機的標志性的參數是什么？為什么？TMI第二章 燃氣輪機循環理論 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

16、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) 整機的效率還和壓比有關; 燃氣輪機的發展和空氣動力學的發展相關：壓比35,部件效率85-90,初溫1650K.(86年的目標)TMI2-1 燃氣輪機循環主要性能指標1.比功 w：描述燃氣輪機循環作功性能的好壞的指標。單位質量工質下所做的功。為什么不用功率作為描述循環性能的指標？2. 熱效率t和耗油率sfc (specific fuel consumption) 耗油率：dWwdmtuwfH30003600faqfsfcwqw3600tusfcH

17、TMI2-2 理想燃氣輪機循環分析假設條件：假設條件： 壓縮和膨脹過程是可逆的、絕熱的即等熵的。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的動能變化；忽略部件進出口工質的動能變化； 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；不考慮壓力損失； 工質在整個中具有同樣的組分，并且是比熱不變的完全氣體；工質在整個中具有同樣的組分，并且是比熱不變的完全氣體； 氣體質量流量在整個循環中不變；氣體質量流量在整個循環中不變； 在熱交換器中充分換熱；在熱交換器中充分換熱；理想簡單燃氣輪機循環理想簡

18、單燃氣輪機循環 此種循環的極限是什么？此種循環的極限是什么？此種循環的熱效率 (1)/34111111/tkkTT TMI12 31TSvp22 32 3 344卡諾循環；卡諾循環；1-2等熵加熱；等熵加熱；2-3 等溫膨脹；等溫膨脹；3-4等熵放熱；等熵放熱；4-3等溫壓縮等溫壓縮Ericsson Cycle斯特林循環斯特林循環布雷頓（布雷頓（Brayton cycle) 幾種典型的熱力循環比較幾種典型的熱力循環比較四個循環表明了布雷頓循環的改四個循環表明了布雷頓循環的改進方向進方向向向Ericsson Cycle靠靠近近 TMIThe cycle efficiency isMaking u

19、se 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.2134/pppp(1)/2134/kkTTTT34232()()()pppc TTc TTc TT(1)/11 ()kk 1.44(166k空氣）； = . (燃氣）Specific work output W, 3421(1)/(1)/()()1(1)(1)ppkkkkpWc TTc TTWc TTMI/(1)m

20、ax/2(1)(1)/kkkkkkoptopt2max1(1)pwc T24TT此時輸出功為最大。此時輸出功為最大。理想燃氣輪機循環其最大效率是隨壓比的增加而理想燃氣輪機循環其最大效率是隨壓比的增加而上升。上升。TMI復雜循環復雜循環回熱循環回熱循環T2T1T3T4T6T5(1)/1kk TS342135()()()pppc TTc TTc TTWith ideal heat-exchange 54TT2040608053124108612Specific work output is unchanged by the addition of a heat-exchangerTMI2-3 實際

21、燃氣輪機循環實際燃氣輪機循環1. 實際燃氣輪機與理想燃氣輪機循環的差別？實際燃氣輪機與理想燃氣輪機循環的差別？ 2. 如何考慮實際的燃氣熱力性質如何考慮實際的燃氣熱力性質 ？3.實際燃氣輪機循環性能？實際燃氣輪機循環性能？ 溫比、壓比對性能的影響？溫比、壓比對性能的影響？ 一、壓氣機效率、渦輪效率一、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。用滯止等熵效率來衡量實際過程和等熵過程的差距。scsccccwTwT問題：問題：TMI1343341()/1 ()kttktststwTTTTwTpp/etctstsccwwwww實際的裝置比功實際的裝置比功燃氣輪機的燃氣輪機的

22、: 增加的百分數是增加的百分數是 增加的百分數增加的百分數的的 倍。有用功系數倍。有用功系數 小者小者 ， 對對 及及 的影的影響大，即裝置對響大，即裝置對 的變化愈敏感。的變化愈敏感。 tw1twtccTMI二、壓力損失二、壓力損失 p實際過程中，工質在燃燒室、回熱器、間冷器、空氣實際過程中，工質在燃燒室、回熱器、間冷器、空氣濾清器、消音器系統中流動必然產生流阻損失，表現濾清器、消音器系統中流動必然產生流阻損失，表現為工質的滯止壓力的損失。為工質的滯止壓力的損失。燃燒室的壓損率燃燒室的壓損率 23322211BBBppppppp 進氣道的壓損率進氣道的壓損率 00110000011ppppp

23、pp 排氣道的壓損率排氣道的壓損率545554441Bppppppp TMI渦輪膨脹比渦輪膨脹比33500120540124550055(1) (1)(1)(1)tBBpppppppppppppppp 為滯止壓恢復系數為滯止壓恢復系數（三）（三） 空氣、燃氣流量的變化空氣、燃氣流量的變化 ,fG G(1)gfGGGGGGfGTMI燃料與空氣比約為燃料與空氣比約為1/40 - 1/120,1/40 - 1/120,相對較??；相對較??；氣封漏氣和抽氣冷卻空氣也使流量改變；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。抽氣或漏氣計算中：以空氣流量為基準。抽氣或漏氣5%5%，會使功，會

24、使功率下降率下降101020%20%；效率下降；效率下降0.02-0.060.02-0.06。（四）燃燒室效率（四）燃燒室效率321)(298)(298)(298)Bpgppffuf cTc TfcTfH工質獲得的熱消耗燃料的低熱值（TMI（五）燃氣性質（五）燃氣性質 定比熱：比熱為常量定比熱：比熱為常量 ；（平均比熱）；（平均比熱） ；用于簡單循環；用于簡單循環計算；計算； 變比熱變比熱: 比熱比熱是溫度、是溫度、 燃料空氣比的函數。實際計燃料空氣比的函數。實際計算使用；算使用； 使用方式：查圖表；數學表達式（程序）；使用方式：查圖表；數學表達式（程序）；,pck( ,)pcT fTMITM

25、I（六）回熱度、間冷度（六）回熱度、間冷度n 回熱度回熱度 n 間冷度間冷度 2222244242()()p aaagp aGcTTTTG cTTTT2121mmimwTTTT0.9 1.0i0.5 0.85TMI（七）機械效率（七）機械效率(1)ccnttmmwwGwfwwG9799%m（八）（八） 實際燃氣輪機循環性能實際燃氣輪機循環性能（a a）壓比的影響）壓比的影響簡單循環的效率理論上隨壓比的提高而增加。但實際的簡簡單循環的效率理論上隨壓比的提高而增加。但實際的簡單循環不同。對應最大比功和最大效率都有一個不同值的單循環不同。對應最大比功和最大效率都有一個不同值的壓比。壓比。maxmax

26、w回熱循環可以使兩個壓比值接近；TMI（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。 3Tw3T1T由于工質變化和各種損失（熱損失、化學損失、機械損失、流動由于工質變化和各種損失（熱損失、化學損失、機械損失、流動損失）損失） 造成了理想燃氣輪機循環與實際燃氣輪機循環的差別造成了理想燃氣輪機循環與實際燃氣輪機循環的差別 。 TMI實際燃氣輪機循環設計點計算（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

27、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 3% 壓氣機出口壓力；換熱器空氣側 0.04 bar大氣條件 1bar,288Kbphaphgp,aap TTMI解： 由于和 01aTT01,1.4app壓氣機耗功產生的溫升為：用于驅動壓氣機每單位質量流量所需的渦輪功為：(1)/02021/3.5()128841164.70.85kkaacaTpTTpK02()1.005 164.7167.2/0.99paatcmcTTWkJkg03020202(1)4.0(10.020.03)3.8bhappppbarppT

28、MI041.04ahgpppbar因此，因此，03043.654pp由于對于排氣由于對于排氣 1.333k 總的渦輪做功所產生的溫升總的渦輪做功所產生的溫升(1)/03040303041/411 ()/10.87 1100 1 ()264.83.654kktTTTppK單位工質所作的總渦輪功單位工質所作的總渦輪功0304()1.148 264.8304.0/tpgWcTTkJ kgTMI注意：渦輪的輸出比功為注意：渦輪的輸出比功為 如果對于如果對于1000kW,需要7.3 kg/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=304 167.2136.8/ttcWWk

29、J kg0305TT05020402TTTT050.80 382.5452.7758.7T02164.7288452.7,TK041100264.8835.2,TKTMI對于入口溫度為對于入口溫度為759K759K的燃燒室和燃燒溫升為（的燃燒室和燃燒溫升為（1100-1100-759) = 341K;759) = 341K;理論上的燃料理論上的燃料/ /空氣比為空氣比為0.00940.0094，這樣，這樣0.00940.00960.98bff理論上因此，油耗率因此，油耗率SFC SFC = 3600 0.00940.253/136.8ttcfkg kWWW最后，循環效率最后，循環效率,360036000.3310.253 43100net pSFCQTMI已知：已知： 壓比壓比12.0 12.0 ；渦輪入口溫度；渦輪入口溫度1350K1350K；壓氣機絕熱