第7章燃气轮机装置循环

·增压比 一定时，增温比 越大，循 环的热效率t越高
·增温比 一定时，循环热效率t随增 压比增大而变化有一极大值；增温比 越大该极大值越大，相应的增压比也
越大
实际燃气轮机装置循环的热效率 (c,s =c,s =0.85;T1=290K;k=1.4)
t,B 1
1
k 1
k
增压比 对实际循环热效率的影响与对布
T 3
P
s
2
4
s
P
1
s
P
2P3
s
s
1 P4
布雷顿循环
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6
⑶ 布雷顿循环的热效率
循环的吸热量
q 1 q 2 3h 3 h 2 c p (T 3 T 2 )
循环的放热量
q 2q 41 h 4 h 1 cp(T 4 T 1)
布雷敦循环的热效率
tB , 1q q1 2
1cp(T4T1) cp(T3T2)
T1
c,s T1
t
k 1
k
T ,s
1 c,s
1 1
k 1
k 1
c,s
实际循环热效率t随及的变化关
系如图示
T2s
T3
(P2)kk1
k1
πk
T1 T4s P1
T3 T1
实际燃气轮机装置循环的热效率 (c,s =c,s =0.85;T1=290K;k=1.4)
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初态、燃气轮机及压气机定熵效率 一定的条件下：
h3
h1
1
c,s
(h2s
h1)
Fra Baidu bibliotek
T
2 2s 1
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3 4
4s s
16
t
wnet q1
Ts,
(h3
h4s
)
(h2s h1)
c,s
h3
h1
1
c,s
(h2s
h1)
h
cpT
t
wnet q1
T
s,
(T3
T4s
)
(T2s T1)
c,s
T3
T1
1
c,s
(T2s
T1)
T
2 2s 1
3 4
4s
s
t
Ts,T3(1TT43s
4
回热器 燃气轮机 装置的工作过程为： 压缩机吸入状态为1的空气
1 空气
燃气轮机
带回热的燃气轮机装置
压缩至状态2，送入回热器
在回热器中回热至状态5后送入燃烧室
燃料喷入燃烧室燃烧生成高温高压燃气3，送入汽轮机
燃气在气轮机中膨胀作功后(4)排往回热器
排气在回热器中回热冷却至状态6成废气，排入大气中
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雷顿循环的影响不一样
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从 、 两者对t的影响看来
提高增温比是提高燃气轮机装置循环热效率的主要方向
提高循环增温比 在于提高燃气轮机进口处的温度T3
涉及金属材料耐热强度极限问题
为寻找出路，正在研究使用陶瓷材料作为替代 减小压缩机和燃气轮机内部过程的不可逆性，提高其定熵效率 也有助于提高循环的热效率
q1q53h3h5
循环放热量
q2q61h6h1
显然
吸热平均温度提高了 放热平均温度降低了
t,12s534s61>简单布雷顿循环的热效率t,B
极限回热循环的热效率
t ,1s523s4611TT36TT51
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②实际燃气轮机装置回热循环
实际换热器“端差”——
冷流体出口温度比热流体的进口
1
(T4 (T3
T1) T2)
1
T1(TT14
T2
(T3 T2
1) 1)
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T 3
P
s
2
4
s
P
1
s
7
由绝热过程12和34 由定压过程23和41
T4 T1 T3 T2
T4 T3 T1 T2
T1
(
P1
)
k 1 k
T2 P2
T4
(
P4
)
k 1 k
T3 P3
P3 P2
P4 P1
T 3
P
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4
§7.2 燃气轮机装置定压加热理想循环
⑴ 燃气轮机装置工作过程
燃料 燃烧室
燃气轮机装置中的主要设备为
3 燃气
透平式空气压缩机
2
燃烧室 燃气轮机
1 压缩机 空气
燃气轮机装置
轴流式压气机不断将空气压送至燃烧室
燃料喷入燃烧室中燃烧
产生的高温高压燃气送至燃气轮机中膨胀作功
废气排放到大气中
⑵ 对实际气体动力循环所作的理想化处理 ①实际的气体动力循环中，在循环的不同阶段工质成份不同，有
时是空气，有时是燃气
燃气的热物性与空气相近 理论分析中视工质为类同空气的某种定比热容理想气体
②实际装置的工作循环是开放式的，每个工作循环后均将废气排
弃，更换新的工质
理论分析时抽象成闭式循环 燃烧过程视为对工质的加热过程 排气过程视为工质的放热过程
P
s
2
4
s
P
1
s
增压比
π P2 P1
布雷顿循环
T2
(P2
k1
)k
k1
π k
T1 P1
t,B 1
1 布雷敦循环的热效率仅取决于压缩 k1 过程的增压比π
k
随π的增大而提高
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⑷ 布雷敦循环的功输出
T
燃汽轮机装置常用作航空、船舰动力装置，
3
希望自重尽量小，输出功率最大
P
s
循环净功=两绝热过程技术功代数和
从循环方式出发，提高燃气轮机装置循环热效率的途径尚有：
·实行回热
·在回热的基础上实行分级压缩、级间冷却和分级膨胀、中间 再热
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§7.3 燃气轮机装置定压加热-回热循环
⑴ 带回热的燃气轮机装置
带回热的燃气轮机装置由以
回热器
下主要设备组成：
废气 6
燃料
燃烧室 3
5
燃气
压缩机 燃烧室
2 压缩机
s
回热度——实际回热对最大可能回热之比
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h7h2h7h2T7T21
h4h6 h4h2 T4T2
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回热度——实际回热对最大可能回热之比
燃气轮机装置回热循环一般≯0.8
图示的实际回热循环1273481
吸热量 q 1 q 7 3h 3 h 7 c p (T 3 T 7 ) 放热量 q 2q 81 h 8h 1cp(T 8 T 1)
循环的热效率
t ,12734811TT38TT71
T
3
75
4
2
68
1
s
T7 T2
T4 T2
循环端点状态已知时,
据 可确定回热器出口温度T7、T8
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值得注意的是，只是在增压比π较小时回 热措施对循环的热效率才会有较明显的影响 T
T3 3 3
随增压比 提高，T2将不断提高
在T3不变的情况下T4不断下降，回热量愈 来愈少
cs,
wcs, wc
h2s h1 h2 h1
Ts,
wT wTs,
h3 h4 h3 h4s
3
2 2s
1
4 4s
s 布雷顿循环12s34s1
实际定压加热燃气 轮机装置循环12341
实际定压加热燃气轮机装置循环的净功输出
w ne tw Tw cTs,(h3h4s)(h2sh 1) cs,
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61——定压放热(大气中)
1
回热——不改变循环过程基本性质，利用放热过程 s
的放热量满足吸热过程需要
理想回热——达到最大可能的回热程度
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理想回热亦称 极限回热、
完全回热
回热器 废气 6
燃料
燃烧室 3
理想回热情况下：
5
燃气
2 压缩机
4
新鲜工质回热后(5)达到燃气轮
机的排气温度T4s
温度低
T7 T4
热流体出口温度比冷流体的进口
温度高
T8 T2
极限回热循环为1253461
回热器 废气 8
2 压缩机 1
空气
最大可能回热量q46=q25=cp(T4−T6) 实际回热循环为1273481
实际回热量q48=q27=cp(T4−T8)
燃料 7
T 2
1
燃烧室 3 燃气
4
燃气轮机
3
5 7
4
68
2 2
5
②在理想可逆循环基础上再考虑实际循环有哪些不可逆损失，及 其产生的原因、大小和改进的办法
对于实际循环，从能量的有效利用考虑，除需要进行热效率分 析外，一般还应当进行熵产或可用能损失方面的分析，以便合理 评估循环的完善性
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3
本课程主要讨论相关热力装置的理论循环，重点在于分析热力 循环的能量转换效应，必要时也会涉及一些实际循环的问题
s
2
4
s
P
1
s 布雷顿循环
P4 P1 P3 P2
t, B
1
T1
(
T4 T1
T
2
(
T T
3 2
1) 1)
t,B
1
T1 T2
布雷顿循环的热效率仅取决于压缩过 程的始、末态温度
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8
t, B
1
T1 T2
T 3
不要与卡诺循环热效率表达式混淆 式中的T1和T2只不过是循环中1点和2点的 温度，并非吸热过程和放热过程的热源温度！
13
⑸ 实际(不可逆)定压加热循环分析
实际定压加热循环是不可逆的
T
3
就热效率而言，只要吸热量和放热量一定则
循环热效率一定
t
1
q2 q1
与加热过程和放热过程是否可逆无关
压气机和燃汽轮机工作过程的不可逆性则对 实际循环的热效率有影响
2 2s
4 4s
1
s
布雷顿循环12s34s1 实际定压加热燃气 轮机装置循环12341
k
2(k1) opt
增温比 愈大，opt也愈大
对应的wnet ,max值也愈大
燃汽轮机装置中压气机吸入的为大气，因而布雷顿循环的初始
温度T1不可能随意降低，为了提高循环的增温比，只有提高循环
的最高温度T3
在材料允许的条件下，可尽量采用高的增温比，以便获得尽
可能大的循环热效率和装置功率输出
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⑵ 燃气轮机定压加热-回热循环
①理想回热循环
回热循环可理想化为：
12s——可逆绝热(定熵)压缩
回热器 废气 6
燃料
5
燃烧室
3 燃气
2 压缩机
4
2s5——定压回热 (回热器) 53——定压加热 (燃烧室)
1 空气
T
燃气轮机
3
34s——可逆绝热(定熵)膨胀 4s6——定压回热 (回热器)
5 2s
4s 6
第7章燃气轮机装置循环
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第7章 燃气轮机装置循环
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2
§7.1 循环分析的目的和一般方法
分析动力循环的目的在于评价该循环在热能对机械能的连续转 换及能量有效利用方面的工作性能，并探讨影响该循环特性的主 要因素。
⑴ 分析动力循环的一般方法
①对实际过程加以抽象和概括，将实际循环简化为理想的可逆循 环，分析其热功转换效果及影响因素
15
w ne tw Tw cTs,(h3h4s)(h2sh 1)
实际定压加热循环吸热量
cs,
c,s
h2s h2
h1 h1
q1q23h3h2
1
h2
h1
cs,
(h2s
h1)
1
q1h3h1cs, (h2s h1)
实际定压加热循环热效率
t
wnet q1
T
s, (h3
h4s
)
(h2s h1)
c,s
(T2s 1)
)T1
T1
cs,
T3T11cs, (T2s T1)
Ts,
T3 T1
(1T4s T3
(T2s 1) ) T1
cs,
(T3 1) 1 (T2s 1)
T1
cs, T1
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17
t
T, s
T3 T1
(1
T4s T3
)
(T2s 1) T1
c,s
(T3 1) 1 (T2s 1)
1 空气
T
燃气轮机
废气排放至大气时(6)冷却到压缩机
3
出口处的工质温度T2s 回热器中最大可能的回热量
5 2s
4s 6
q4s6=q2s5
1 s
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12s34s1——布雷顿循环
T
3
实行回热时各过程的基本性质不改变
端点状态也不改变
5 2s
4s 6
无论回热与否循环的净功输出不变
1
s
采用回热时 循环吸热量
实际定压加热燃气轮机装置循环
12——不可逆绝热压缩，非定熵过程 23——定压加热过程 34——不可逆绝热膨胀，非定熵过程
41——定压放热过程
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14
初态1、增压比相同情况下，实际循环的 T
压气机功耗及燃气轮机的功输出与理想循环 的差别由定熵效率表达
压气机定熵效率
燃气轮机定熵效率 (相对内效率)
燃气轮机
4 废气 大气
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5
⑵ 燃汽轮机装置定压加热理想循环 ——布雷敦循环(Brayton cycle)
实际燃气轮机工作过程理想化为定压加热 循环
工质视为某种定比热容理想气体 工质压缩过程12为定熵的绝热过程
燃烧过程23视为定压加热过程
工质在燃气轮机中定熵绝热膨胀34
废气排放到大气视同定压放热过程41
系
当工质一定、初态1一定时 式中 cp、k、T1已知
若 一定，循环净功wnet仅取决于 wnet随增压比 提高先增大，到达极大值后反
转减少
对应于wnet,max的为最佳增压比opt
燃气轮机装置循环 的净功输出wnet
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12
最佳增压比opt可利用
dwnet 0求得
d
按此条件求得的该增压比为
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定义
wne t cpT1[T T1 3(1
1 k1)(
k
k1
k 1)]
增温比——循环的最高温度与最低温度之比
T3 T1
k1
wne t cpT1( k 1)( k1
1)
k
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11
k1
wne t cpT1( k 1)( k1
1)
k 图中给出了k=1.4的wnet=f( ,)函数关
2
4
s
P
1
w n e ( h 3 t h 4 ) ( h 2 h 1 ) c p ( T 3 T 4 ) c p ( T 2 T 1 )
s
cpT3(1T T3 4)cpT1(T T1 2 1)
按绝热过程参数关系
T2
(T3
)
π
k1 k
T1 T4
w n ec p tT 3 ( 1 1 k k 1 ) c p T 1 (k k 1 1 ) c p T 1 [ T T 1 3 ( 1 1 k k 1 ) (k k 1 1 )