燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热力循环措施

燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热力循环措施

专业：热能与动力

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燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热

力循环措施

摘要：燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。本文主要介绍了燃气轮机的工作原理，基本结构，热力循环的分类及热力循环措施。

关键词：燃气轮机分类性能改善

引言：燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是21世纪的先导技术。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。

正文：

燃气轮机（Gas Turbine）是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，只有压气机（Compressor）、燃烧室（Combustor）和燃气透平（Turbine）这三大部件组成的燃气轮机循环，

通称为简单循环，如图1。大多数燃气轮机均采用简单循

环方案。因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮

机所特有的体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却

水等一系列优点。

一、工作原理

压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压

气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压

缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温

高压的燃气；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。从透平中排出的废气排至大气自然放热。这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的，它是透平的负载。在简单循环中，透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机，其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。在燃气轮机起动的时候，首先需要外界动力，一般是起动机带动压气机，直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界起动机脱扣，燃气轮机才能自身独立工作。

二、热力循环分类

按不同热力循环区分燃机类型，是由于任何热机都必须借助一定的媒介物质（工质），经历一系类热力过程，才能实现热转功的循环而对外。按照循环工质流动与组织方式的不同，燃气轮机会在性能、总体布局及结构上有很大差异。为了提高燃机性能（热效率和比功），除了一般简单循环外，探索和采用很多种热力循环方式。详细的热力循环类型如图2。

图2

三、性能指标

(1)燃机的热效率，是装置输出功与输入的燃料比能之比，即燃机的净能量输出

与按燃料的净比能（低热值）计算的燃料输入之比

式中：：燃机的比功，kW；：每秒每千克空气流量消耗的燃料所具有的热能；

：燃料空气比，即燃料流量与空气流量之比；

：燃料净比能（燃料低热值）；

：燃料消耗率，即单位输出功每小时的燃料消耗量，。

实际上，针对所指系统范围的不同，燃机热效率有三种定义，三者分母都是外界给工质的热量Q=q mf H u，而分子（输出功）是扣除不同的耗功损失后的输出功。

a．循环效率x中的输出功就是当工质完成一个循环时，将外界给工质的热量全部转化为机械功，没有考虑其他损失。

b．装置效率考虑了机械效率m，因此

c．机组有效效率e。还考虑了所驱动的负载效率，如发电机效率G，则

装置的热效率越高，热耗率就越低，发出相同的功率所需消耗的燃料就越少，因此热效率是表征燃机的经济性，也是衡量装置能源利用率高低的热力性能指标

(2)燃机的比功比功是单位质量工质所做的功，也就是燃机净输出功率与压气机进气质量流量的比值，即

如果忽略压力、透平中流量的差别及机械损失，则装置的比功近似等于透平比功与压气机比功之差

装置比功越大，发出相同功率所需工质流量越少，装置尺寸越小，因此比功是从热力性能方面衡量燃机尺寸大小的一个指标。

四、改善热力循环措施

在燃气轮机上采用先进的热力循环，充分利用余热能，是不断提高燃气轮机性能的一个着力点，如果采用复杂循环、联合循环，燃机的热效率和比功有大幅度提高。

(1)回热循环它是利用余热提高机组热效率的一个途径。一般是在简单循环基础上增加一个换热器。它可以利用涡轮排出的废气对进入燃烧室的高压空气预热（可增加温度200℃以上），预热后的高压空气进入燃烧室参加燃烧，如图3所示。这样在保持相同涡轮进口条件下可以减少燃料消耗量，增加热效率150%~200%。对于高增压比、高燃气温度的燃机效果更好。

在航空用涡轮轴发动机上，早已开始探索采

用回热循环。至今，美国在中小发动机发展计划中已采用回热循环，作为发展高性能发动机的关键措施。有、无回热循环的涡轴发动机降低耗油率的效果如图2-14所示。由图可见，先进工艺和高的回热度效果更好。

(2)再热循环它是通过增大涡轮膨胀功，提高燃机的比功。一般是在高、低压涡轮之间增加一个燃烧室，对从高压涡轮流出的燃气再次供油燃烧，然后燃气进入低压涡轮，因此称为再热循环（又称中间再热循环），如图2-17所示。实际的再热循环比功和效率比简单循环的高多了，最佳增压比也增大了，如图2-18所示。

实际的再热循环性能如图2-18所示，可以看出再热循环的比功比简单循环大得多，最佳增压比也增大了。由于再热循环需要从外界吸入更多的热量，它与比功增高的得益不能相平衡，只有在增压比较高的情况下，采用再热循

环方案才有可能使循环效率有所提高。

(3)中冷循环(ICR)它是通过减小压气机

的压缩功来增大燃机的比功。一般是将燃机的压

气机分成高、低压两个部分，在其间增设一个中

间冷却器，利用水或其他介质对从低压压气机中

流出的空气进行冷却，然后送入高压压气机而组

成中间冷却循环（或称间冷循环），如图2-19

所示。间冷循环之所以能增大燃机比功，从压气