燃气轮机原理精讲

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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
Simple gas turbine system
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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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现代燃气轮机的结构特点
重型结构 >15KG/PS
轻型结构<10KG/PS，
燃气轮机简图： 轻型结构： 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 ℃ 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）
T5 T4

80 60 40 20 1 2 4 6 8
来自百度文库
S
( k 1) / k 1
5 3
Specific work output is unchanged by the addition of a heat-exchanger
10
12

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2-3 实际燃气轮机循环
• 1939－Hans von Ohain and Max Hahn 第一架喷气式飞机（HE-178）1100磅推力， 400MPH速度；采用离心压气机，后改用轴 流压气机
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发电设备 发电设备
功率：50 MW 功率：5万千瓦 效率： 40%
效率： 40% 功率 /重量、功率/
体积最高的动力形 功率/重量、功 式-燃气轮机
变工况性能
强度修改 控制系统设计
设计修改
工艺设计及制造
试验及研究 产品 售后服务
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美国能源部21世纪先进燃气轮机系统研究（AGTSR）计划
高温和耐腐蚀材料科学 燃烧现象的深入了解 天然气或其他燃料燃烧时的污染物形成和减少 新型热力循环的基础理论 1992年-2003年向大学设立了74个项目，投资约$35,485,299.
1 ( )( k 1) / k
1
Then shown
The efficiency thus depends only on the pressure ratio and nature of the gas.
k 1.44(空气）； =166 . (燃气）
W c p (T3 T4 ) c p (T2 T1 )
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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
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
t 1 ( k 1) / k
1 T3 / T4 1
• 气体质量流量在整个循环中不变；
• 在热交换器中充分换热；

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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几种典型的热力循环比较
2 3 2’ 3’ 2’’ 3’’’ 3’’
T
v
2’’’
p
4’’’
1
率/体积最高的
动力形式 -燃气轮机
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占地面积小； 占地面积小； 高效、环保； 高效、环保； 21世纪最具竞 21世纪最具 争力的发电方 式； 竞争力的发电
方式；
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海军舰船
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机车车辆
英国98年研制 4000 马力机车 英国98 年研制 4000马力机车
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1999年1月-2000年6月世界燃气轮机装机容量
c p (T3 T4 ) c p (T2 T ) c p (T3 T2 )
Making use of the isentropic p-T relation,
T2 / T1 ( k 1)/ k T3 / T4
And pressure ratio
p2 / p1 p3 / p4
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多轴燃气轮机转子
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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
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。
Specific work output W,
W 1 (1 ( k 1) / k ) ( ( k 1) / k 1) c pT
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wmax c pT1 ( 1)
max k /( k 1) opt k / 2( k 1)
T2 T4
寿命：工业轻型 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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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
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。
wsc T c wc T
sc c
第八章 燃气轮机性能仿真
8-1 仿真方法 8-2 计算实例
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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
30000 25000 20000 15000 10000 5000
北美 中国 非洲和中东 中南美洲 东西欧 远东和太平洋 台湾
系列1
0
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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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涡轮入口温度的提高
TMI 1-4 燃气轮机的分类 简单循环： 开式循环： 单轴、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。 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。 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。
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。 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。
sfc
3000q f wqa

sfc
3600 t Hu
TMI 假设条件：
2-2
理想燃气轮机循环分析
• 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； 1 1 1
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1-5 燃气轮机涉及的主要学科
流体力学（气体动力学）
热力学与传热
自动控制 材料与强度
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燃气轮机设计流程
市场调研 技术规格书 用户需求
循环方式选择研究
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 轮盘、叶片、壳体 等结构强度设计
气动模 型修改

(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;
TMI • 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）
2
opt ( k 1) / k
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。
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复杂循环—回热循环
T3
T T5 T4 T2 T6 T1

c p (T3 T4 ) c p (T2 T1 ) c p (T3 T5 )
With ideal heat-exchange
TMI 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 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 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 6-2 燃气轮机部件间的匹配 5-2 透平特性 5-4 径向压气机、向心涡轮特性
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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。
w
dW dm
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)
t
w fH u
3600 f w
耗油率：
1’’’ 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) 四个循环表明了布雷顿循环的改 进方向——向Ericsson Cycle靠 近
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The cycle efficiency is
•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)
思考题 TMI
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？ 1-2 燃气轮机发展中的关键技术有哪些？ 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？ 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
决定燃气轮机前途的因素:
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燃气轮机原理与性能 精讲
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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 4-2 相似参数与换算参数 3-2 燃烧室计算方法 3-4 热力计算的举例 2-2 理想燃气轮机循环 2-4 复合燃气轮机循环 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