燃气轮机燃烧室

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n 低压压气机由低压涡轮 带动(LC-LT)。
n 宜用于常在部分负荷下 工作的高效机组。
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•MT-L
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6-2 单轴燃气轮机变工况特性
一、燃机平衡运行条件
n 机组在不同负荷下稳定运行时,各部件的 参数(流量、转速、压比、功率)应满足 的相互配合的条件。
•n
4、机械牵引负荷特性
n 用机械方式(如联轴器、齿轮等)传动各 种车辆。
n 在启动时有最大扭矩,即 n=0, Me=Memax
n 当转速升高时,扭矩减小;
n 当n=nmax, Me=Memin。
•Ne
n 负荷功率:Ne∝Men
n Ne随n增加而增大。 •n
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1.燃烧要完全
n 要求绝大多数进入燃烧室的燃料,能够在燃烧 室内燃烧掉,不发生严重的积炭和冒烟现象。
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燃烧效率特性
燃烧效率-衡量燃烧的完善程度
•CO、H2、CH4 等
Qi — 燃烧室的各项热损失: (1)化学不完全燃烧
(2)机械不完全燃烧
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(3)散热损失
•冒黑烟、 积炭、结焦 等
•B
•4.0 •过量空气系数
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2.燃烧稳定
要求燃烧室在燃气轮机的一切工况下均能稳定燃烧,不发 生灭火现象以及强烈的火焰脉动现象。
保证(1)火焰不被高速气流吹灭(火焰稳定器);
(2)不发生熄火。
•富
油熄
熄火极限—指一定的油气比范围(fmin ~ fmax) 火
其差值越大,稳定性越好。
n 分析讨论燃气轮机变工况的基础:
n
各部件的特性和平衡运行条件
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1、转速平衡
•平行双轴机组
n 每根轴上的转子转速相同。
n 单轴机组:nC=nT=n
n
分轴机组:nC=nHT nLT=n
n
2、压比平衡
n
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T*= C*
•涡轮膨胀 比
•压气机压 比
•总压保持系数 •=CBT
(1)为设计新机组提供选择方案的依据 (2)为用户提供变工况性能曲线。
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三、基本要求及性能指标
基本要求:
保证在各种负荷下机组能够经济地、可靠地运 行,同时有较强的适应外界负荷变化的能力。 性能指标: 1.经济性
机组的效率或耗油率不因功率下降而极度恶化; 机组的负荷特性曲线变化得平坦些。
n 整台机组偏离设计状态下工作的各种工况
n
(1)稳定的非设计工况
n 如部分负荷或环境条件改变时引起的变工况;
n (2)不稳定的过渡工况
n 如启动、加速等引起的变工况。
n 非常复杂(三大件+负荷)
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二、研究目的
n 分析燃气轮机机组各部分相互联系、相互 制约的变化规律,从而掌握燃气轮机的变 工况过程及其特性。
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3.三轴方案
3.1 低压涡轮带动负荷
n 高压压气机由高压涡轮 带动(HC-HT);
n 低压压气机由中压涡轮 带动(LC-MT)。
n 可用于变速负荷。
•LT-L
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3.2 中压涡轮带动负荷 (MT-L)
n 高压压气机由高压涡轮 带动(HC-HT);
燃烧产物。
n 最关键部分: •火焰管
•长期高温下工作, 必须进行冷却
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二次空气的作用
n 大部分用来冷却火焰管外壁和燃烧室外壳,一部分 冷却火焰管内壁;
n 一部分经混合器5进入混合区与燃气混合掺冷,把温 度降低到给定的燃气温度;
n
补燃作用。
•85%~70%
•15%~30%
一般 油气比 f = 1/40 ~ 1/330
•贫油
熄火
过量空气系数 =2.73~22.5
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3.整体尺寸要小、结构要紧凑
要求容积热强度越大越好。
固定式: QV = 30~200 W/(m.N)
移动式: QV =100~300 W/(m.N)
4.压力损失要小
•压力损失增加1%, •整机效率下降2%。
n 优点: n 空间利用率高,尺寸小、结构紧凑; n 需冷却保护的火焰管面积较少,比容积热强度高; n 可获最佳的流路配合,压力损失小; n 启动点火性能好。
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环形燃烧室
n 缺点:
n
调试时耗气量大;
n 油气匹配难、组织燃烧难;
n 出口温度场的稳定性差;
n 高温下火焰管易变形;难拆卸。
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3、功率平衡
•平行双轴机组
n 机械联系的各部件的驱动力矩,应等
于总的阻力矩(包括压气机耗功),
即每根轴上的功率应平衡。
n 单轴机组:
•压气机内功率
•NLT=NLC/m1+Ne •NHT=NHC/m2
•n涡轮内功率
n或
NT=NC+Nm+Ne NT=NC/m+Ne
•分轴机组:
•机组附件消耗和 机械损失功率
存在传焰问题,启动点火性能较差。 n 应用:航空型燃机(顺流式);工业型燃机(逆流式)。
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火焰稳定器
(旋流器)
பைடு நூலகம்
n 改善气流的流动结构,稳定高速气流中的火焰, 使燃烧工况得到改善的装置。
n 主要作用:
•高速气流中的低速区
n 在火焰管的前部造成一个特殊形态的速度场,以
便强化燃料和空气的混合作用,并为燃烧火焰的
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5-2 燃烧室类型与基本结构
分类:
•按总体结构:圆管型、分管型、环形和环管型 •按气流流动:逆流式和顺流式
基本结构: 一次空气的配气结构、火焰管壁的冷却结构、 燃气混合机构、燃料供应机构、点火机构等。
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1、圆筒型
n 具有圆筒形的外壳和火焰管;
6.起动、点火性能要好 7.排气污染少 8.寿命长
•航空:300~1000小时 •运输式燃机:3000~10000小时 •船用:4000~10000小时 •固定式燃机:大于20000小时
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n 上述各项要求往往又存在矛盾,很难同时满足。
n 一般基本要求:
n 燃烧完全、燃烧过程稳定、足够的使用寿命 以及外形尺寸小等。
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n 2.稳定性
•满负荷、部分负荷、 低速、启动等
n 在各种负荷下,压气机不喘振、涡轮不超温、 燃烧室不熄火;机组能稳定可靠地运行。
n 3.加载性
n 机组功率能及时适应外界负荷变化的需要。
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四、负荷特性
n 负荷功率Ne随负荷转速n变化的关系
n 多采用逆流式结构(紧凑);可按1-2个;
n 可直立或横卧于燃机上方,或直立于燃机侧面。
n 优点:结构简单、便于维修、使用寿命
n 缺点:空间利用率差、容积热强度较低;
n
调试时所需风源较大。
n 应用:广泛应用于小功率燃机及部分中等功率燃机。
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圆筒型
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•NHT=NC/m1
•机械效率 •NLT=Ne/m2
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4、流量平衡
•燃气流量
GT= GC+Gf - G
•冷却用和
泄露的空气
•进气量
量 •燃料消耗量
n 变工况时,可近似认为: G/GC≈const
n 粗算时,可取 GT ≈GC
稳定提供条件。
n 工作过程:
n
具体见教材 P120-122(自学)。
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5-3 燃烧室的工作过程
n 特点:
n 一、进入燃烧室的空气量比理论空气量多得多。
n
总=3.7 ~ 12
n 二、气流速度高,燃料停留时间很短。
n
一般26~40 m/s,航空70m/s以上
n 主要过程:
n (1)燃料的雾化;(2)燃料与空气的混合; n (3)着火、稳焰与燃烧; n (4)高温燃气与二次空气的混合掺冷。
n
Ne = f (n)
1、恒速负荷特性
n 负荷功率Ne变化与负荷转速n无关
•Ne
n 即 n=const
n Ne = f (n)是一条垂直线
•n
•例子:恒频交流电机
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2、螺旋桨型负荷特性
n 负荷功率Ne与其转速n的三次方呈正比
n 即 Ne = c n3 (c为比例系数)
n 变速负荷
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•具体的组合方式
五、燃气轮机的轴系方案
n 1.单轴方案(C-T-L)
n 压气机、涡轮及负荷共用一根轴。 n 宜用于恒速负荷。
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2.双轴方案
n 2.1 分轴方案
n 压气机与高压涡轮共轴
(C-HT)和燃烧室一起
组成燃气发生器; n 低压涡轮与负荷共轴
(LT-L)。
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2020/11/21
燃气轮机燃烧室
燃烧室的作用
n 把压气机送来的高压空气同燃料很好 地混合和燃烧,产生高温高压的燃气, 并送入透平涡轮中作功。
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5-1 燃烧室的工作简图及其要求
n 主要由五部分组成:
n 外壳1、火焰管2、旋流器3、喷油嘴4、混合器5。
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简单工作原理
n 压缩空气和燃料分别输入燃烧室。
n 高压空气经导管引入燃烧室分成两股:
n 一股空气经旋流器3进入火焰管,这是燃料燃烧所 必需的助燃空气,称为一次空气;
n 一股空气则进入火焰管2与燃烧室外壳1间的环形空 间,这部分主要是冷却用的空气,称为二次空气。
n 燃油经喷油嘴4喷入火焰管内,形成雾状与一次空气 混合。外源点火后近似等压燃烧,生成高温高压的
要求燃烧室内的粘性摩擦、涡流阻力以
及热阻力等越小越好。
一般燃烧室总压保持系数:B=0.92 ~ 0.98
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5.燃烧室出口温度场要均匀
要求使燃气温度大小及分布均匀,避免叶片受热 不均匀而变形、甚至被烧坏。 n 整个燃烧室不同部位温度相差不大于50C; n 存在多个燃烧室时,平均温差不超过15~20C。
启动点火较慢;周向温度不均匀度大;压力损失大。
n 应用:大功率工业型燃气轮机;已较少应用。
•14
•5
•9
•4
•混合区
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•混合 器
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3、环形燃烧室
n 在燃烧室内壳、外壳体所形成的环形空腔内,安装一 个由内、外环构成的火焰管。在环形火焰管头部沿周 向均匀布置若干喷嘴和旋流器(12~20个)。
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第六章 燃气轮机的变工况
单轴燃气轮机的变工况特性 环境条件对燃气轮机性能的影响
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6-1 概述
n 燃气轮机的变工况 n 研究目的 n 基本要求及性能指标 n 不同的轴系方案
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一、燃气轮机的变工况
•例子: • 固定螺距螺旋桨(轮船) • 叶轮机械(泵、风机等)
•Ne
•Ne = c n3
•n
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3、调速负荷特性
n 负荷功率Ne与转速n在一定范围内任意配合, 用来带动变速负荷。
n 变频调速负荷
•Ne •例子: •变螺距螺旋桨负荷或机车燃气轮机
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燃气轮机燃烧室
n 结构不太复杂。
n 燃烧过程复杂:
n 气体流动—三元紊流+化学反应; n 传热、传质过程—导热、对流换热、辐射换热; n 化学反应—碳氢燃料的燃烧机理。
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对燃烧室的要求
n 判断燃烧室性能的好坏,主要是看它能否 可靠地、经济地提供合格的高温燃气。
n 应用:
n 广泛应用于航空燃机中。
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4、环管型
n 在燃烧室内、外壳体所形成的环形腔内,沿周向均 匀布置若干管形火焰管(8-12个),以点火传焰用 的联焰管连接。
n 结构特点均介于分管型与环形两燃烧室之间。 n 优点:尺寸较小;易组织燃烧;易调试。 n 缺点:气体流动比较复杂,扩压器设计困难;
n 宜用于变速负荷。
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2.2 平行双轴方案
n 高压压气机由高压涡轮 带动(HC-HT);
n 低压压气机由低压涡轮 带动(LC-LT)。
n 负荷的带动有两种形式: HT-L或LT-L
•以高压轴带动负荷HC-HT-L •宜用于恒速负荷。
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•以低压轴带动负荷LC-LT-L,宜用于变速负荷。
2、分管型
n 一台燃气轮机中设置若
干分开的小燃烧室,通
常8-12个,围绕燃机
轴线均匀布置,各燃烧
室之间由联焰管联接。
•3
n 每个燃烧室有单独的外 壳、火焰管、喷油嘴, 但仅有2个点火器,其
它则靠联焰管点燃。
•5 •1
•2 •4
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燃气轮机燃烧室
分管型
n 优点:尺寸较小,易组织燃烧;易调试、易拆卸。 n 缺点:构造复杂,较笨重;需冷却的火焰管表面较多;
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