燃气轮机原理(1)全解
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TMI
燃气轮机原理与性能
臧述升
Tel: 34206103
E-Mail: sszang@sjtu.edu.cn
TMI
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
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
TMI
发电设备 发电设备
功率：50 MW 功率：5万千瓦 效率： 40%
TMI
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
TMI
TMI
TMI
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
现代燃气轮机的结构特点
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。
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
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。
TMI
TMI
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
TMI
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
TMI
燃气轮机的未来--燃气轮机+热交换技术（换热器）
TMI
涡轮入口温度的提高
TMI
1-4 燃气轮机的分类
wk.baidu.com
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
TMI
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
TMI
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
(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
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多轴燃气轮机转子
TMI
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。
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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
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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
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
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%
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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
现代燃气轮机的结构特点
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。
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
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。
TMI
TMI
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
TMI
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）
TMI
涡轮入口温度的提高
TMI
1-4 燃气轮机的分类
wk.baidu.com
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
TMI
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；
TMI
海军舰船
TMI
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
(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
TMI
多轴燃气轮机转子
TMI
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。
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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
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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