燃气轮机原理 (1)

t 1
1
( k 1) / k
1
1 1 1 T3 / T4
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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
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
c p (Tຫໍສະໝຸດ Baidu T4 ) c p (T2 T ) c p (T3 T2 )
Making use of the isentropic p-T relation,
T2 / T1 ( k 1)/ k T3 / T4
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 2-2 理想燃气轮机循环 2-4 复合燃气轮机循环
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
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.
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思考题

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？


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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
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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
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。
And pressure ratio Then shown
p2 / p1 p3 / p4
1 ( )( k 1) / k
1
The efficiency thus depends only on the pressure ratio and nature of the gas.
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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 5-2 透平特性 5-4 径向压气机、向心涡轮特性
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 第八章 燃气轮机性能仿真 8-1 仿真方法 8-2 计算实例 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
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。
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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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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
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
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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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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
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燃气轮机原理与性能
臧述升
Tel: 34206103
E-Mail: sszang@sjtu.edu.cn
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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 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
k 1.44(空气）； =166 . (燃气）
W c p (T3 T4 ) c p (T2 T1 )
Specific work output W,
W 1 (1 ( k 1) / k ) ( ( k 1) / k 1) c pT
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wmax c pT1 ( 1)
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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。
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， 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%
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：
sfc
3000q f wqa

sfc
3600 t Hu
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2-2
理想燃气轮机循环分析
假设条件：


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: •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;
max k /( k 1) opt k / 2( k 1)
T2 T4
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 )
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1999年1月-2000年6月世界燃气轮机装机容量
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
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1-4 燃气轮机的分类
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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。
wsc T c wc T
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
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
• 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；
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
With ideal heat-exchange
T5 T4

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


(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
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） 寿命：工业轻型 2-10 万小时；



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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 设计点的确定 压气机、涡轮、进、 排气等气动设计 部件试验 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 变工况性能 强度修改 控制系统设计 用户需求
气动模 型修改
功率提高 与改型
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售后服务
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