燃气轮机装置的工作原理

燃气轮机装置的工作原理

燃气轮机装置是一种比较新型的动力装置。最简单的燃气轮机装置包括三个主要部件：压气机、燃气轮机和燃烧室，下图是其流程示意图。空气和燃料分别经压气机与泵增压后送入燃烧室，在其中燃料与空气混合并燃烧，释放出热能。燃烧所产生的燃气吸热后温度升高，然后流入燃气轮机边膨胀边作功，作功后的气体排向大气并向大气放热。重复上述升压、吸热、膨胀与放热过程，连续不断地将燃料的化学能转换成热能，进而转换成机械能。

第一章概述

1. 1 燃气轮机简介

燃气轮机(Gas Turbine)是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，包括压气机、加热工质的设备(如燃烧室)、透平、控制系统和辅助设备等。

走马灯(见图1—1)是燃气轮机的雏形，我国在11世纪就有走马灯的记载，它靠蜡烛在空气中燃烧后产生的亡升热气推动顶部风车及其转轴上的纸人马一起旋转。15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计的烟气转动装置，其原理与走马灯相同。

现代燃气轮机发动机主要山压气机、燃烧室和透平三大部件组成。当它正常丁作时，工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功转化的热力循环。图1—2所示为开式简单循环燃气轮机工作原理图。压气机从外界大气环境吸人空气，并逐级压缩(空气的温度与压力也将逐级升高)；压缩

空气被送到燃烧室与喷人的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气；然后再进入透平膨胀做功；最后图l—1 走马灯是工质放热过程，透平排气可直接排到大气，自然放热给外界环境，也可通过各种换热没备放热以回收利用部分余热。在连续重复完成上述的循环过程的同时，发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功。一般，透平的膨胀功约2／3用于带动压气

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机，1／3左右才是驱动外界负荷的有用功。

燃气轮机有重型与轻型两类结构型式，重型的零部件较厚重，设计寿命与大修寿命都长；轻型的结构紧凑而轻，所用的材料较好，但寿命较短。图1—3所示为南京汽轮电机厂研制的1000kW发电用的燃气轮机剖视图，机组为水平中分的重型结构。

燃气轮机动力装置是指包括燃气轮机发动机及为产生有川的动力(例如电能、机械能或热能)所必需的基本设备。为了保证整个装置的正常运行，除了主机的三大部件外，还应根据不同情况配置控制调节系统、启动系统、润滑油系统、燃料系统等。

燃气轮机区别于活塞式内燃机有两大特征：一是发动机部件的运动方式，它为高速旋转且丁质气流朝一个方向流动(不必来回吞吐)，这使它摆脱了往复式动力机械功率受活塞体积与运动速度限制的制约，因此在同样大小的机器内每单位时间内通过的工质量要大得多，产生的功率也大得多，且结构简单、运动平稳、润滑油耗少；二是主要部件的功能，其工质经历的各热力过程是在不同的部件中进行的，故可方便地把它们加以不同组合来处理，以满足各种用途的要求。

燃气轮机区别于汽轮机有三大特征：一是工质，它采用空气而不是水，故可不用或少用水；二是多为内燃方式，使它免除庞

第2章燃气轮机热力循环

2.1 概述

2．1．1 热力循环的概念

热力循环是指热力系统经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程。热力循环分为正向循环及逆向循环。将热能转换为机械功的循环称为正向循环；将机械功转换为热能的循环，称为逆向循环。

通过工质的热力状态变化过程，可以将热能转化成机械能而做功，而要做出功—般必须通过工质的膨胀过程，但是任何一个热力膨胀过程都不可能一直进行下去，并连续不断地做功。这是因为工质的状态将会变化到不适宜继续膨胀做功的情况，而且任何热力设备，其尺寸也都是有限的。例如，通过定温膨胀或绝热膨胀过程做功时，工质的压力将降低到不能做功的水平，而工质的容积V又将增大到设备尺寸不能允许的程度，典型的例子是封存于气缸内的一定质量的气体，当其膨胀做功时，压力将不断下降，容积不断增加，而这个膨胀过程可能由于压力降得太低以至于无法继续做功，或者

由于受到气缸尺寸的限制使得容积不能无限制地增大。因此，为使连续做功成为可能，工质在膨胀后还必须经历某种压缩过程，使它回复到原来状态，以便重新进行膨胀做功的过程。这种使工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的所有热力过程的组合就叫做一个循环。在状态参数的平面坐标图(如压容图或温熵图)上，循环的全部过程必定构成一条封闭曲线，其起点和终点重合(见图2—1)。整个循环可以

看作一个闭合过程，所以也称循环过程，简称循环。工质在完成一个循环之后，就可以重复进行下一个循环，如此周而复始，就能连续不断地把热能转化为机械能。

循环可以沿着两个方向进行，即上述的正向循环和逆向循环，本章侧重讨论正向循环，也称热力循环。汽轮机、燃气轮机等热机都是按正向循环工作的。循环的全部过程可以在一个气缸内进行，如柴油机循环(又称狄塞尔循环)；也可以分别在几个部件内进行，如燃气轮机循环(布雷顿循环)。各种热动力设备采用的循环各不相同，各具特点，但他们的基本特征是相同的。现以闭口系统中1kg工质的正向循环为例，说明正向循环的性质。图2—1在p—。图上示出厂该循环，这个循环是一个抽象的、任意确定的正向循环。

正向循环在状态参数坐标图上是按顺时针方向进行的。压容图上的循环过程，以循环的左、右两个端点(即比体积。最小的点1和最大的点2)为分界，把该循环分成上、下两段。在上边一段，从1—a—2的过程为膨胀过程，该过程的膨胀功以面积1—a—2—3—4—1表示。为了能使工质继续做功，必须将上质沿另一过程从2压缩回到1。显然，为了使工质在一个循环中能够对外界有净功输出，该压缩过程必须沿着一条较低的过程线，如图2—1中2—b—1曲线所示，将工质从2压缩到1点，该过程消耗外功，消耗功的绝对值以面积2—b—1—4—3—2表示，其代数值为负值。这样，从1—a—2—b—1就完成了一个循环。唯位工质完成一个循环对外做出的净功以w表示。显然，在图形上，表示该净功的面积为面积1—a—2—3—4—1减去面积2—b—1—4—3—2，这正好就是封闭的循环过程曲线1—a—2—b—1所包围的面积。为了使工质在完成一个循环之后能够对外作出正的

第3章燃气轮机主机及主要部件

3.1 主机概述