第2章 燃气轮机循环理论基础

第2章 燃气轮机循环理论基础

§2.1 燃气轮机循环概述

与汽轮机装置的循环相比，燃气轮机装置的循环颇具多样性和复杂性。下面逐次展开作一个简要的介绍。

2.1.1 燃气轮机的理想循环与实际循环

单轴燃气轮机简单循环的示意图与温熵图见图2.1

理想循环是指构成燃气轮机循环的四个过程都是可逆的，即：压气机的压缩过程是等熵（绝热无损，熵流与熵产都等于零的）压缩过程，燃烧室的燃烧过程是等压（无流动损失，无散热和燃烧损失的）燃烧过程，透平的膨胀过程是等熵（绝热无损，熵流与熵产都等于零的）膨胀过程，排气的放热过程是等压（无流动损失的）放热过程。

实际循环是指构成燃气轮机循环的四个过程都是不可逆的实际过程，即：压气机的压缩过程是不等熵（绝热有损，熵流等于零而熵产不等于零的）压缩过程，燃烧室的燃烧过程是不等压（燃烧室有流动损失，流体流经燃烧室时滞止压力有所降低的）燃烧过程，透平的膨胀过程是不等熵（不绝热(对透平的高温部件进行冷却所致)有损，熵流与熵产都不等于零的）膨胀过程，排气的放热过程是不等压（排气管道有流动损失,流体流经排气管道时滞止压力有所降低的）放热过程。

对于理想过程各计算点的参数计算，有热力学与流体力学中的公式可以使用。对于实际过程，常常是使用损失模型对理想过程的计算结果加以修正，来获得实际过程各计算点的参数，进而获得实际循环的计算结果。损失模型是通过实验和生产实际中总结出的经验数据与公式得到的，这一点在下面的讲课过程中会处处遇到。而且，在对燃气轮机循环进行定性分析时，使用理想循环的模型会使得分析得以简化。

单轴燃气轮机简单理想循环的s T -图和v p -图参见图2.2。

在图2.2(a)中，不计压气机进气管道的流动损失，大气压和压气机第一级入口的滞止压力 相等，即*a p =*1p ，空气在压气机中等熵压缩，压气机出口空气总压为*2p ，滞止温度为*2s T ， 之后，空气进入燃烧室与加入燃烧室的燃料进行无燃烧损失和散热损失的定压燃烧，不计

燃烧室中的流动损失，则在燃烧室出口，燃气的滞止压力与压气机出口的滞止压力相等， 即*3p =*2p ，而滞止温度为*3T ，然后，燃气进入透平等熵膨胀作功，膨胀到大气压，不计透平排气管道的流动损失，则在透平出口，滞止压力*4p =*a p (=*1p )，滞止温度为*

4s T ，排入大气的燃气在大气压力下，定压放热，温度最终降到*1T (=*a T )。这就是单轴燃气轮机简 单理想循环的工作过程。相应的v p -图如图2.2(b)。

单轴燃气轮机简单实际循环的s T -图和v p -图参见图2.3。

在单轴燃气轮机简单实际循环中，大气压力为*a p , 温度为*a T （图2.2(a)的点0）；空

气流经空气滤清设备和压气机的进口管道，滞止压力由*a p 降为*

1p ，滞止温度保持不变，

*1T =*a T （图2.2(a)的点1）；之后，空气在压气机里经过压缩，在压气机出口，压力达到*2p ，温度为*2T ，因为压气机的实际压缩过程存在损失，有熵产产生，造成熵增，所以*2T ＞*2s T (图

2.2(a)的点2）；再之后，经过压缩的空气进入燃烧室和加入燃烧室的燃料进行燃烧，在燃 烧室的出口燃气的温度为*3T ，由于燃烧室中存在流动损失，所以在燃烧室出口，燃气的滞止压力*3p 比压气机出口滞止压力*2p 有所降低（图2.2(a)的点3）；然后，燃气进入透平膨胀作功，在透平出口，燃气的滞止压力为*4p ，滞止温度为*4T （图2.2(a)的点4），因为燃气从透平出口还要流经排气管道才能排入大气，而流经排气管道是有流动损失的，所以*4

p 略高于*a p ，因为透平的实际膨胀过程存在损失，有熵产产生，造成熵增，所以*4T ＞*4s T ；

最后，排入大气的燃气在大气压力下，向大气散热，5点是排气管道出口，*5p =*a p <*

4p ，

*5T =*4T 。上面所述的实际循环路径在s T -图（图2.2(a))上表示为0→1→2→3→4→5→0。在v p -图（图2.2(b)）上相应地也是0→1→2→3→4→5→0。要强调的是，在我们通常使用的燃气轮机温熵图上的循环标识1→2→3→4是以图2.1(a)的理想循环 1→s 2→3→s 4和与其相应的图2.2(a)的理想循环0→s 2'→s 3'→s 4'为基础的实际循环， 是只考虑了压气机损失和透平损失，而没有考虑压气机的空气滤清设备和压气机进气管道的流动损失、燃烧室的流动损失和透平排气管道的流动损失。图2.2(a)上的实际循环1→2 →s 3→4'是以该图上的准理想循环1→s 2→s 3→ss 4'为基础的实际循环，

显然，这个实际 循环考虑了压气机的空气滤清设备和压气机进气管道的流动损失、压气机损失和透平损失，而没有考虑燃烧室的流动损失和透平排气管道的流动损失。因此，我们要熟知，考虑了哪些损失，没有考虑哪些损失的燃气轮机循环在s T -图和v p -图上的相应表示方法，并在相应的分析与计算中做相应的处理。

2.1.2 燃气轮机的简单循环与复杂循环

上面介绍燃气轮机的理想循环与实际循环的概念时,使用的是单轴燃气轮机简单循环。所谓简单循环，就是指燃气轮机只由一个压气机，一个燃烧室和一个透平构成。为了提高和改进燃气轮机的性能（比如提高燃气轮机的效率或增大燃气轮机的比功），常常要对燃气轮机的构成做一些变化，这就形成了燃气轮机的复杂循环。下面对燃气轮机的复杂循环作一个简单的介绍。

2.1.2.1 燃气轮机回热循环

这是为了提高燃气轮机的效率而采用的一种复杂循环。与简单循环相比较，回热循环

多了一个回热换热器(简称回热器)。透平的排气在回热换热器中加热压气机出口的空气，

使空气以高于压气机出口空气温度的温度进入燃

烧室，在T 3*不变时减少了燃料量，而且提高了

吸热过程的平均吸热温度，同时透平的排气在回

热换热器中降低了温度，然后以低于透平出口燃

气温度的温度在大气中放热，从而降低了放热过

程的平均放热温度，这样就使得循环中的吸热与

放热这两个换热过程的换热温差都减小了，这些

因素使得燃气轮机循环效率得以提高。回热循环的示意图见图2.4。

2.1.2.2 燃气轮机间冷循环

这首先是为了加大燃气轮机的比功而采用的一种复杂循环。与简单循环相比，间冷循

环是把压气机分成两段，在两段压气机之间加装一个冷却器，把第一段压气机出口的空气冷却后再送入第二段压气机继续压缩。对于第二段压气机来讲，有了中间冷却器之后的进口空气温度低于没有中间冷却器时的空气进口温度，所以第二段压气机的耗功减小，从而减小了整个压气机的耗功。压气机进口空气温度降低而导致压气机耗功减少的理论分析式