燃气轮机原理
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所以只在一台压气机上取得8以上的压比是很困难的。但只要采取将 一台分为两台或更多台时，就可以克服上述困难。
在有些特殊的发动机上，由于流量小，多采用离心式；而轴流式则会 由于流量小使其叶片过短，难以保证其效率。
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燃气轮机原理
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多轴燃气轮机转子
燃气轮机原理
最初双轴燃气轮机压比在10：1，而它适合于30：1这样的比值。 多轴的另一种形式：如果有几级导叶是可调的，那么就可在高压比
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燃气轮机原理
• 1930 Frank Whittle 1930年申请了第一个用于喷气推 进的燃气轮机专利 1941年第一台安装在飞机上的燃 气轮机诞生（速度＝370MPH， 1000磅推力）
• 1939－Hans von Ohain and Max Hahn 第一架喷气式飞机（HE-178）1100磅推力，
1-2燃气轮机的发展 1-4 燃气轮机的未来 1-6 燃气轮机涉及的主要学科
2-2 理想燃气轮机循环 2-4 复合燃气轮机循环
3-2 燃烧室计算方法 3-4 热力计算的举例
4-2 相似参数与换算参数
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燃气轮机原理
第五章 燃气轮机部件特性 5-1 轴流压气机特性 5-3 燃烧室特性
第六章 燃气轮机变工况性能计算 6-1 燃气轮机部件特性的处理 6-3 变工况性能计算方法
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燃气轮机原理
第一章 概论
1.1 燃气轮机的 组成及工作原理
C- compresser T- Turbine B – Combustion chamber
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Simple gas turbine system
燃气轮机原理
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燃气轮机原理
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燃气轮机原理
下采用一台压气机。GE已在一台压气机上实现了15：1。
复杂循环： 在给定压比下，压缩功只与入口空气温度有关。--- 进气进行冷却。
在许多情况下，机组的尺寸和重量要比热效率重要。
闭式循环：
优点：可以在整个循环中采用较高的压比---高的气体密度，这可以在给 定输出功率下减小机组尺寸；可以使发电功率只随闭路中的压力变化。 这种控制形式意味着在整个负荷范围内，最高循环温度不会改变，因此， 总体效率少有变化。
分轴：起动机仅满足燃气发生器即可；甩负荷时会带来涡轮的飞车， 所以控制系统要有保证。
多轴：如果不采用热交换器而获得高的热效率，就要有高压缩比。虽 然多级离心式压气机具有高的压比，但其效率要比轴流式的低，所以通常 都是采用轴流式压气机。而当压气机在低转速时，由于压气机后几级由于 出口面积减小，空气密度降低，气体轴向速度加大，叶片会出现阻塞。这 种不稳定区的出现，会发生在燃气轮机起动或低负荷情况。
采用空气冷却叶片；--- 冷却技术
耐高温材料（单晶铸造，定向凝固等技术）
寿命：工业轻Fra Baidu bibliotek 2-10 万小时；
燃气轮机装置的优势： 1、装置轻小；投资仅为蒸汽动力厂的20-80%以下；重量和所占空间只
有蒸汽轮机或内燃机的几分之一或几百分之一；技术周 期短；
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燃气轮机原理
2、燃料适应性强，公害少-----最理想的清洁能源转换装置 3、节省厂用水、电、润滑油； 4、启动快、自动化程度高； 5、维修快，运行可靠
轮盘、叶片、壳体 等结构强度设计
设计修改 工艺设计及制造
试验及研究
产品
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变工况性能
强度修改
控制系统设计
售后服务
燃气轮机原理
美国能源部21世纪先进燃气轮机系统研究（AGTSR）计划
n 高温和耐腐蚀材料科学 n 燃烧现象的深入了解 n 天然气或其他燃料燃烧时的污染物形成和减少 n 新型热力循环的基础理论 n 1992年-2003年向大学设立了74个项目，投资约$35,485,299.
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2020/11/21
燃气轮机原理
课程内容
第一章 概论 1-1 燃气轮机简介 1-3燃气轮机的应用 1-5 燃气轮机的分类 1-7 燃气轮机的设计过程
第二章 燃气轮机循环理论 2-1 燃气轮机循环主要性能指标
2-3 实际燃气轮机循环 第三章 燃气轮机热力计算
3-1 热力计算的目的 3-3 热力计算的步骤 第四章 相似理论 4-1 相似准则
占地面积小； 占高高地效效面、、积环环小保保；；； 21世纪最具竞 争21力世的纪发最电具方 式竞；争力的发电 方式；
燃气轮机原理
海军舰船
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燃气轮机原理
机车车辆
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英国98年英研国制984年00研0制马4力00机0马车力机车
燃气轮机原理
1999年1月-2000年6月世界燃气轮机装机容量
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燃气轮机原理
1-5 燃气轮机涉及的主要学科
n 流体力学（气体动力学） n 热力学与传热 n 自动控制 n 材料与强度
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燃气轮机原理
燃气轮机设计流程
市场调研
技术规格书
循环方式选择研究
用户需求
气动模 型修改
设计点的确定
压气机、涡轮、进、 排气等气动设计
部件试验
功率提高 与改型
理想简单燃气轮机循环 此种循环的极限是什么？ 此种循环的热效率
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燃气轮机原理
几种典型的热力循环比较
2
3 2’
3’ 2’’ 3’’’
3’’
T
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v
2’’’
1
1’’’ 4
p
4’’’
S
卡诺循环；1-2等熵加热；2-3 等温膨胀；3-4等熵放热；4-3等温压缩
Ericsson Cycle 斯特林循环 布雷顿（Brayton cycle)
400MPH速度；采用离心压气机，后改用轴 流压气机
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燃气轮机原理
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发电发设电备设备
功率：50 MW
功率效：率5万：千40瓦% 效率功：率4/0重%量、功率/ 功率体式/重积-燃量最气高、轮的功机动力形 率/体积最高的 动力形式 -燃气轮机
燃气轮机原理
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Specific work output W,
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燃气轮机原理
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此时输出功为最大。
理想燃气轮机循环其最大效率是随压比的增加而 上升。
燃气轮机原理
T
T2 T1
80 60 40 20
复杂循环—回热循环
T3
T5
T4
With ideal heat-exchange
T6
S
Specific work output is unchanged by the addition of a heat-exchanger
决定燃气轮机前途的因素: •装置的热效率 •装置的尺寸,重量 •对燃料的适应性
影响燃气轮机性能的两个因素:部件效率和涡轮初温; 1904年两个法国工程师Armengaud和Lemale,建造了一台燃气轮
机,部件效率60%,涡轮初温740K。 (只够自己运转) 整机的效率还和压比有关; 燃气轮机的发展和空气动力学的发展相关： 压比35,部件效率85-90,初温1650K.(86年的目标)
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燃气轮机原理
实际的装置比功
燃气轮机的 : c增加的百分数是 增加的百分数 的 倍。有用功系数 小者 ， 对 及 的影
c
响大，即装置对 的变化愈敏感。
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燃气轮机原理
二、压力损失 实际过程中，工质在燃烧室、回热器、间冷器、空气 滤清器、消音器系统中流动必然产生流阻损失，表现 为工质的滞止压力的损失。
第七章 燃气轮机过渡工况 7-1 燃气轮机起动过程 7-3 燃气轮机减速过程
第八章 燃气轮机性能仿真 8-1 仿真方法
5-2 透平特性 5-4 径向压气机、向心涡轮特性 6-2 燃气轮机部件间的匹配
7-2 燃气轮机加速过程 7-4 燃气轮机加减速过程参数控制 8-2 计算实例
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燃气轮机原理
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燃气轮机原理
2-1 燃气轮机循环主要性能指标 1.比功 w：描述燃气轮机循环作功性能的好坏的指标。单位质量 工质下所做的功。
为什么不用功率作为描述循环性能的指标？ 2. 热效率ηt和耗油率sfc (specific fuel consumption)
耗油率：
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燃气轮机原理
四个循环表明了布雷顿循环的改 进方向——向Ericsson Cycle靠 近
燃气轮机原理
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.
1872 - Dr. F. Stolze (1836-1910)设计 了真正的第一台燃气轮机，具有多级涡轮 和单级的压气机，但并没有靠自身动力转 动起来
1914 - Charles Curtis 档案记载的应用燃气轮机第一人
(1864-1949) Aegidius Elling 1882 开始设计GT；1884获得专利；11马 力，六级离心式压气机，可变叶片扩压器，级间喷水；带有回热器；蒸 汽与燃气混合进入喷嘴；一级向心透平；回热透平 ；T3=500C；44马力； 具有了4轴的想法;
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1 2 4 6 8 10 12
燃气轮机原理
2-3 实际燃气轮机循环
问题： 1. 实际燃气轮机与理想燃气轮机循环的差别？ 2. 如何考虑实际的燃气热力性质 ？ 3.实际燃气轮机循环性能？ 温比、压比对性能的影响？
一、压气机效率、涡轮效率 用滞止等熵效率来衡量实际过程和等熵过程的差距。
缺点：需要外部加热系统；这样加热器表面温度给主循环最高温度 设定了上限。
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燃气轮机原理
现代燃气轮机的结构特点
轻型结构<10KG/PS， 重型结构 >15KG/PS 燃气轮机简轻图型：结构： 航空机和航空改型舰用燃气轮机，工业轻型（重载轻型）
重型结构：工业燃气轮机
单位功率重量：
金属耐热极限---1100 ℃；涡轮进气温度：1460 ℃
2-2 理想燃气轮机循环分析
假设条件： • 压缩和膨胀过程是可逆的、绝热的即等熵的。 • 忽略部件进出口工质的动能变化； • 在进气管道、燃烧室、热交换器、间冷器、排气管和连接部件的管道均 不考虑压力损失； • 工质在整个中具有同样的组分，并且是比热不变的完全气体； • 气体质量流量在整个循环中不变； • 在热交换器中充分换热；
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燃气轮机原理
思考题
n 1-1 为什么说燃气轮机在未来的发电设备中具有竞争力的动力形式？ n 1-2 燃气轮机发展中的关键技术有哪些？ n 1-3 为什么说燃气轮机未来的发展离不开热交换器的发展？ n 1-4 先进燃气轮机的标志性的参数是什么？为什么？
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燃气轮机原理
第二章 燃气轮机循环理论
参考书目
教学参考书
1、燃气轮机装置 沈炳正 机械工业出版社 2、燃气轮机原理与性能 翁史烈 上海交通大学出版社 3、燃气轮机工作原理及性能 朱行健 王雪瑜 科学出版社 4、燃气轮机循环理论 佐滕豪 5、 Gas Turbine Theory
H. Cohen, G. F. Rogers, H. I. H. Saravanamuttoo
1-2 燃气轮机的发展
公元前150年 埃及哲学家Hero发明 了一个玩具－－汽转球 (Aeolipile）
1629 - Giovanni Branca利用蒸汽 驱动涡轮旋转磨粉机
1687 Isaac Newton －－蒸汽货车
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燃气轮机原理
1791 John Barber第一个利用现代燃气轮 机的热力学原理申请的设计专利
燃烧室的压损率
进气道的压损率
排气道的压损率
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燃气轮机原理
涡轮膨胀比
为滞止压恢复系数 （三） 空气、燃气流量的变化
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燃气轮机原理
燃料与空气比约为1/40 - 1/120,相对较小； 气封漏气和抽气冷却空气也使流量改变； 计算中：以空气流量为基准。抽气或漏气5%，会使功 率下降10～20%；效率下降0.02-0.06。 （四）燃烧室效率
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燃气轮机原理
燃气轮机的未来--燃气轮机+热交换技术（换热器）
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燃气轮机原理
涡轮入口温度的提高
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燃气轮机原理
1-4 燃气轮机的分类
简单循环：
开式循单环轴：、分轴、双轴、多轴燃气轮机 单轴：负荷固定、转速固定；发电用；压气机固有的转动惯量，有利
于防止在甩负荷时产生飞车；加入热交换器可以使整机热效率提高，但这 要损失10%功率。
在有些特殊的发动机上，由于流量小，多采用离心式；而轴流式则会 由于流量小使其叶片过短，难以保证其效率。
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燃气轮机原理
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多轴燃气轮机转子
燃气轮机原理
最初双轴燃气轮机压比在10：1，而它适合于30：1这样的比值。 多轴的另一种形式：如果有几级导叶是可调的，那么就可在高压比
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燃气轮机原理
• 1930 Frank Whittle 1930年申请了第一个用于喷气推 进的燃气轮机专利 1941年第一台安装在飞机上的燃 气轮机诞生（速度＝370MPH， 1000磅推力）
• 1939－Hans von Ohain and Max Hahn 第一架喷气式飞机（HE-178）1100磅推力，
1-2燃气轮机的发展 1-4 燃气轮机的未来 1-6 燃气轮机涉及的主要学科
2-2 理想燃气轮机循环 2-4 复合燃气轮机循环
3-2 燃烧室计算方法 3-4 热力计算的举例
4-2 相似参数与换算参数
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燃气轮机原理
第五章 燃气轮机部件特性 5-1 轴流压气机特性 5-3 燃烧室特性
第六章 燃气轮机变工况性能计算 6-1 燃气轮机部件特性的处理 6-3 变工况性能计算方法
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燃气轮机原理
第一章 概论
1.1 燃气轮机的 组成及工作原理
C- compresser T- Turbine B – Combustion chamber
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Simple gas turbine system
燃气轮机原理
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燃气轮机原理
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燃气轮机原理
下采用一台压气机。GE已在一台压气机上实现了15：1。
复杂循环： 在给定压比下，压缩功只与入口空气温度有关。--- 进气进行冷却。
在许多情况下，机组的尺寸和重量要比热效率重要。
闭式循环：
优点：可以在整个循环中采用较高的压比---高的气体密度，这可以在给 定输出功率下减小机组尺寸；可以使发电功率只随闭路中的压力变化。 这种控制形式意味着在整个负荷范围内，最高循环温度不会改变，因此， 总体效率少有变化。
分轴：起动机仅满足燃气发生器即可；甩负荷时会带来涡轮的飞车， 所以控制系统要有保证。
多轴：如果不采用热交换器而获得高的热效率，就要有高压缩比。虽 然多级离心式压气机具有高的压比，但其效率要比轴流式的低，所以通常 都是采用轴流式压气机。而当压气机在低转速时，由于压气机后几级由于 出口面积减小，空气密度降低，气体轴向速度加大，叶片会出现阻塞。这 种不稳定区的出现，会发生在燃气轮机起动或低负荷情况。
采用空气冷却叶片；--- 冷却技术
耐高温材料（单晶铸造，定向凝固等技术）
寿命：工业轻Fra Baidu bibliotek 2-10 万小时；
燃气轮机装置的优势： 1、装置轻小；投资仅为蒸汽动力厂的20-80%以下；重量和所占空间只
有蒸汽轮机或内燃机的几分之一或几百分之一；技术周 期短；
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燃气轮机原理
2、燃料适应性强，公害少-----最理想的清洁能源转换装置 3、节省厂用水、电、润滑油； 4、启动快、自动化程度高； 5、维修快，运行可靠
轮盘、叶片、壳体 等结构强度设计
设计修改 工艺设计及制造
试验及研究
产品
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变工况性能
强度修改
控制系统设计
售后服务
燃气轮机原理
美国能源部21世纪先进燃气轮机系统研究（AGTSR）计划
n 高温和耐腐蚀材料科学 n 燃烧现象的深入了解 n 天然气或其他燃料燃烧时的污染物形成和减少 n 新型热力循环的基础理论 n 1992年-2003年向大学设立了74个项目，投资约$35,485,299.
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2020/11/21
燃气轮机原理
课程内容
第一章 概论 1-1 燃气轮机简介 1-3燃气轮机的应用 1-5 燃气轮机的分类 1-7 燃气轮机的设计过程
第二章 燃气轮机循环理论 2-1 燃气轮机循环主要性能指标
2-3 实际燃气轮机循环 第三章 燃气轮机热力计算
3-1 热力计算的目的 3-3 热力计算的步骤 第四章 相似理论 4-1 相似准则
占地面积小； 占高高地效效面、、积环环小保保；；； 21世纪最具竞 争21力世的纪发最电具方 式竞；争力的发电 方式；
燃气轮机原理
海军舰船
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燃气轮机原理
机车车辆
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英国98年英研国制984年00研0制马4力00机0马车力机车
燃气轮机原理
1999年1月-2000年6月世界燃气轮机装机容量
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燃气轮机原理
1-5 燃气轮机涉及的主要学科
n 流体力学（气体动力学） n 热力学与传热 n 自动控制 n 材料与强度
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燃气轮机原理
燃气轮机设计流程
市场调研
技术规格书
循环方式选择研究
用户需求
气动模 型修改
设计点的确定
压气机、涡轮、进、 排气等气动设计
部件试验
功率提高 与改型
理想简单燃气轮机循环 此种循环的极限是什么？ 此种循环的热效率
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燃气轮机原理
几种典型的热力循环比较
2
3 2’
3’ 2’’ 3’’’
3’’
T
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v
2’’’
1
1’’’ 4
p
4’’’
S
卡诺循环；1-2等熵加热；2-3 等温膨胀；3-4等熵放热；4-3等温压缩
Ericsson Cycle 斯特林循环 布雷顿（Brayton cycle)
400MPH速度；采用离心压气机，后改用轴 流压气机
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发电发设电备设备
功率：50 MW
功率效：率5万：千40瓦% 效率功：率4/0重%量、功率/ 功率体式/重积-燃量最气高、轮的功机动力形 率/体积最高的 动力形式 -燃气轮机
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燃气轮机原理
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此时输出功为最大。
理想燃气轮机循环其最大效率是随压比的增加而 上升。
燃气轮机原理
T
T2 T1
80 60 40 20
复杂循环—回热循环
T3
T5
T4
With ideal heat-exchange
T6
S
Specific work output is unchanged by the addition of a heat-exchanger
决定燃气轮机前途的因素: •装置的热效率 •装置的尺寸,重量 •对燃料的适应性
影响燃气轮机性能的两个因素:部件效率和涡轮初温; 1904年两个法国工程师Armengaud和Lemale,建造了一台燃气轮
机,部件效率60%,涡轮初温740K。 (只够自己运转) 整机的效率还和压比有关; 燃气轮机的发展和空气动力学的发展相关： 压比35,部件效率85-90,初温1650K.(86年的目标)
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实际的装置比功
燃气轮机的 : c增加的百分数是 增加的百分数 的 倍。有用功系数 小者 ， 对 及 的影
c
响大，即装置对 的变化愈敏感。
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燃气轮机原理
二、压力损失 实际过程中，工质在燃烧室、回热器、间冷器、空气 滤清器、消音器系统中流动必然产生流阻损失，表现 为工质的滞止压力的损失。
第七章 燃气轮机过渡工况 7-1 燃气轮机起动过程 7-3 燃气轮机减速过程
第八章 燃气轮机性能仿真 8-1 仿真方法
5-2 透平特性 5-4 径向压气机、向心涡轮特性 6-2 燃气轮机部件间的匹配
7-2 燃气轮机加速过程 7-4 燃气轮机加减速过程参数控制 8-2 计算实例
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燃气轮机原理
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2-1 燃气轮机循环主要性能指标 1.比功 w：描述燃气轮机循环作功性能的好坏的指标。单位质量 工质下所做的功。
为什么不用功率作为描述循环性能的指标？ 2. 热效率ηt和耗油率sfc (specific fuel consumption)
耗油率：
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燃气轮机原理
四个循环表明了布雷顿循环的改 进方向——向Ericsson Cycle靠 近
燃气轮机原理
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.
1872 - Dr. F. Stolze (1836-1910)设计 了真正的第一台燃气轮机，具有多级涡轮 和单级的压气机，但并没有靠自身动力转 动起来
1914 - Charles Curtis 档案记载的应用燃气轮机第一人
(1864-1949) Aegidius Elling 1882 开始设计GT；1884获得专利；11马 力，六级离心式压气机，可变叶片扩压器，级间喷水；带有回热器；蒸 汽与燃气混合进入喷嘴；一级向心透平；回热透平 ；T3=500C；44马力； 具有了4轴的想法;
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1 2 4 6 8 10 12
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2-3 实际燃气轮机循环
问题： 1. 实际燃气轮机与理想燃气轮机循环的差别？ 2. 如何考虑实际的燃气热力性质 ？ 3.实际燃气轮机循环性能？ 温比、压比对性能的影响？
一、压气机效率、涡轮效率 用滞止等熵效率来衡量实际过程和等熵过程的差距。
缺点：需要外部加热系统；这样加热器表面温度给主循环最高温度 设定了上限。
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燃气轮机原理
现代燃气轮机的结构特点
轻型结构<10KG/PS， 重型结构 >15KG/PS 燃气轮机简轻图型：结构： 航空机和航空改型舰用燃气轮机，工业轻型（重载轻型）
重型结构：工业燃气轮机
单位功率重量：
金属耐热极限---1100 ℃；涡轮进气温度：1460 ℃
2-2 理想燃气轮机循环分析
假设条件： • 压缩和膨胀过程是可逆的、绝热的即等熵的。 • 忽略部件进出口工质的动能变化； • 在进气管道、燃烧室、热交换器、间冷器、排气管和连接部件的管道均 不考虑压力损失； • 工质在整个中具有同样的组分，并且是比热不变的完全气体； • 气体质量流量在整个循环中不变； • 在热交换器中充分换热；
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思考题
n 1-1 为什么说燃气轮机在未来的发电设备中具有竞争力的动力形式？ n 1-2 燃气轮机发展中的关键技术有哪些？ n 1-3 为什么说燃气轮机未来的发展离不开热交换器的发展？ n 1-4 先进燃气轮机的标志性的参数是什么？为什么？
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第二章 燃气轮机循环理论
参考书目
教学参考书
1、燃气轮机装置 沈炳正 机械工业出版社 2、燃气轮机原理与性能 翁史烈 上海交通大学出版社 3、燃气轮机工作原理及性能 朱行健 王雪瑜 科学出版社 4、燃气轮机循环理论 佐滕豪 5、 Gas Turbine Theory
H. Cohen, G. F. Rogers, H. I. H. Saravanamuttoo
1-2 燃气轮机的发展
公元前150年 埃及哲学家Hero发明 了一个玩具－－汽转球 (Aeolipile）
1629 - Giovanni Branca利用蒸汽 驱动涡轮旋转磨粉机
1687 Isaac Newton －－蒸汽货车
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1791 John Barber第一个利用现代燃气轮 机的热力学原理申请的设计专利
燃烧室的压损率
进气道的压损率
排气道的压损率
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涡轮膨胀比
为滞止压恢复系数 （三） 空气、燃气流量的变化
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燃气轮机原理
燃料与空气比约为1/40 - 1/120,相对较小； 气封漏气和抽气冷却空气也使流量改变； 计算中：以空气流量为基准。抽气或漏气5%，会使功 率下降10～20%；效率下降0.02-0.06。 （四）燃烧室效率
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燃气轮机的未来--燃气轮机+热交换技术（换热器）
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燃气轮机原理
涡轮入口温度的提高
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1-4 燃气轮机的分类
简单循环：
开式循单环轴：、分轴、双轴、多轴燃气轮机 单轴：负荷固定、转速固定；发电用；压气机固有的转动惯量，有利
于防止在甩负荷时产生飞车；加入热交换器可以使整机热效率提高，但这 要损失10%功率。