燃气轮机原理概述及热力循环

狄塞尔循环：
——为描述内燃机工质 的热力学过程建立的循 环。 狄塞尔循环由绝热 压缩、定压加热、绝热 膨胀和定容放热过程组 成的气体可逆循环。柴
油机按这种模式工作。
三、燃气轮机的主要特点

优点：

缺点：
1）重量较轻，体积小； 2）装置经济性较高； 3）启动快，维修方便， 运行可靠，自动化程度 高，造价低等； 4）不用水或少用水； 5）可燃用多种燃料，污 染排放低等。
五、当前世界上发电用工业型燃气轮机 技术派系 --四大体系
公 司 国家 美国 美国/日 本 瑞士 德国 世界排名 备注
1、各燃机公司燃机 产量占全世界总产 量的百分比（19891992统计数据）；
2、20世纪90年代后 期，ABB公司的燃气 轮机部分并入 Alsthom公司；WH 公司燃气轮机部分 并入Siemens公司。
2、工作过程：布雷登循环（Brayton Cycle）
吸气压缩 燃烧加热 膨胀做功 排气放热
比较： 蒸汽轮机：朗肯循环（Rankine Cycle） 柴 油 机：狄塞尔循环（Disel Cycle）

朗肯循环：
——最简单的蒸汽动力循环， 由给水泵、锅炉、汽轮机和冷 凝器四个主要装置组成。
1-2过程：等熵膨胀 2-3过程：定压（定温）放热 3-4过程：等熵压缩程 4-1过程：定压吸热
此后燃气轮机的功率不断增大，应用逐渐广泛，与此 同时，也出现了燃气轮机与其它热机相结合的复合装置。
二、应用概况
1、航空领域
2、发电用燃气轮机
3、工业用燃气轮机
4、船用燃气轮机 5、机车用燃气轮机（法国、加拿大） 6、车辆用燃气轮机
坦克的动力装置（军事）；
汽车发动机：研制中

航空用

发电用

工业用
第一章 概 述

第一节 燃气轮机简介 第二节 国外燃气轮机的发展和应用 概况


第三节 我国燃气轮机的简况
第一节
燃气轮机简介
一、燃气轮机的定义及组成 1、定义：
燃气轮机（Gas Turbine，GT）是 以连续流动的燃气 作为工质带动叶轮 高速旋转，将燃料 的化学能转变为有 用功的内燃式动力 机械。
–少用或不用冷却水。

应用：航空燃机
(2)闭式循环（Closed Cycle）

特点
–工质在封闭系统中循环工 作(与大气无关)； –以特殊气体为工质时多采 用闭式循环。

应用：高温气冷堆核电站中的 燃气轮机 –工质为氦气，其化学稳定 性好，传热性能好，而且诱 生放射性小，停堆后能将余 热安全带出，安全性能好。
(2)回热循环（Regenerative Cycle）
——利用排气余热对压气机出口的工质进行预热的热力循环。
工 质 经 历 的 热 力 过 程
压缩 回热加热
燃烧
膨胀 回热放热 回热循环（开式）
(3)再热循环（Reheating Cycle）
——在相继的膨胀段之间对工质进行再次加热的热力循环。
(4)中间冷却循环（Intercooled Cycle）
* p2 * p1
–(2)温比τ
——透平进口气流的滞止温度T*3与压气 机进口气流的滞止温度T*1之比。 (反应工质被加热的程度。)
T T
* 3 * 1

主要性能参数
–(1)燃气轮机的比功Wn ——压气机吸入单位质量空气时燃气轮机输出的净功。 忽略机械损失时，燃气轮机比功Wn近似等于透平比功 与压气机比功之差，即 ：Wn=WT-Wc （反应同样工质流量和装置尺寸下燃气轮机的功率。） –(2)燃气轮机的热效率η ——装置输出功与输入的燃料能量之比，即： η=Wn/qb=Wn/(f×Hu) 式中：f —燃料空气比；Hu —每千克燃料的低热值。 （反应将燃料能量转化为机械功的热经济性。）
余热锅炉型联合循环系统(1)
余热锅炉型联合循环系统（2）
回热循环
哪几种热 力循环？
再热循环
间冷循环
燃气轮机多种热力循环的组合
余热锅炉型联合循环模拟系统（2）
理想余热锅炉型联合循环系统的特点：
燃气轮机—高温区、高品位热量，平均吸热温度高； 蒸汽轮机—低温区、低地品位热量，平均放热温度低； 热量梯级利用，循环效率较高。



第三代： 时间：2000年及其后若干年； 性能参数：燃气初温1400-1600℃、单机功率 250-350MW、简单循环效率≥40%，联合循环效率 ≥60%。典型代表：GE “H”型机组 第四代： 燃气轮机处在或接近于理论燃烧空气量条件 下工作，燃气初温1600～1800℃，冷却系统可能 被取消，采用新的高温材料-密度更小、高温性 能更好（如陶瓷材料） ——基于革命性新材料的构思中的更新一代 的燃气轮机。
四、世界工业燃气轮机及联合循环技术的 发展阶段

第一代： 时间：20世纪40年代-80年代初期； 性能参数：燃气初温1000℃、压比4～10、单机 功率100MW、简单循环效率30%。 第二代： 时间：20世纪80年代-90年代末期； 性能参数：燃气初温1350℃、单缸压比15-30、 单机功率100-250MW、简单循环效率40%，联合循 环效率60%。
(3)半闭式循环（Semiclosed Cycle）

特点 –工质从大气环境进入 系统；
压气机
–一部分工质经历热力 循环后又排出到大气 环境（开式）； –另外一部分再循环 （闭式特点）。

压气机
透 平Biblioteka Baidu
燃烧室
预冷器
负荷
应用：双轴燃气轮机
M
M
透 平

按照工质所经历的热力过程及其组合分类 –(1)简单循环（Simple Cycle）
1.3 热力循环的分类

按照工质流动与组织方式分类
–(1)开式循环（Open Cycle）
–(2)闭式循环（Closed Cycle）
–(3)半闭式循环（Semiclosed Cycle）
(1)开式循环（Open Cycle）

特点 –工质由大气进入燃 机，再排入大气； –结构最简单，紧凑 轻巧、启动快；
理想余热锅炉型联合循环系统图和温熵图
•最低供电效率 约53%； •除KA13E2型机 组，其他机组 供电效率>56%。
燃气蒸汽联合循环电站外景
第二节 燃气轮机的理想简单循环
2.1 简单循环及理想循环的假定条件

简单循环
–1873年，美国人 布雷登（Brayton）
2、组成：三大基本机械组成部分+辅助传动装备 压气机：Compressor --C 燃烧室：Combustion Chamber --CC 涡轮：Turbine --T
Gas Turbine Engine
Brayton Cycle
FUEL COMBUSTION CHAMBER WORK
COMPRESSOR
微型燃气轮机 （Microturbine或Micro一turbines）



一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机 功率范围为25～300 kW。 基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式 透平和离心式压气机）以及回热循环。 近年来随着全球范围内的能源与动力需求结构 特别是电力系统的放松控制（Deregulation） 以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮机得 到了电力、动力等有关部门的高度重视，特别 是在美、欧等国发展迅猛，大有与大中型燃气 轮机共占市场的势头。
——在相继的压缩段之间对工质进行冷却的热力循环。
间冷器 燃烧室
HP
负荷
燃气轮机间冷循环示意图
M
M
低压 压气机
冷却水
透 平
(5)联合循环（Combined Cycle）
——将具有不同工作温度 区间的热机循环联合起来， 互为补充。 狭义：燃气-蒸汽联合循环。
广义：各种形式热机联合。
余热锅炉(HRSG)：Heat Recovery Steam Generator
GE
1 （53.5%）
2 （19.2%） 3 （14.4%） 4 （9%）
WH/MHI
ABB Siemens

目前，世界上只有美、英、俄、法、 德、日本等几个少数发达国家具备独 立研制燃气轮机的能力，其核心技术
一直被这些国家所垄断。
第三节

我国燃气轮机的简况
建国前：空白 建国后：
（1）先后研制过的燃气轮机型号多达数十种，积 累实际使用的经验； （2）地面用燃气轮机 轻型燃气轮机：航改机组 重型燃气轮机：
TURBINE
EXHAUST
AIR
单晶
典型航空发动机示意图
二、燃气轮机的工作原理及过程
1、工作原理：
压气机从外部吸入空气，压缩后送入燃烧室，同时燃
料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混
合，在受控方式下进行燃烧，生成的高温、高压烟气进 入透平（涡轮）膨胀做功，推动动力叶片高速旋转，从 而使得转子旋转做功。转子做功的大部分（现时情况下 约2/3左右）用于驱动压气机，另约1/3的功被输出用来 驱动机械设备，如发电机、泵、压缩机等等。透平出来 的烟气温度很高，可再利用（如利用余热锅炉进行余热 回收利用）或直接排入大气（如航空发动机）。
1）单机功率较小； 2）运行寿命较短（有所 延长，可达20年）； 3）对燃料种类有较高的 要求（液体和气体燃料 为主）。
第二节
国外燃气轮机的发展及应用 概况
一、发展简史
1、雏形：中国南宋高宗时的走马灯；15世纪末，意大利 的L.达· 芬奇设计出的烟气转动装置。
2、1791年，英国J.巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程； 3、1872年，德国F.施托尔策设计了一台燃气轮机。 4、1872年，德国F.施托尔策设计了一台燃气轮机。 5、1920年，德国H.霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机。 6、1936年，瑞士制成第一台能量回收装置。它是利用生产 中排放的气体在透平中膨胀作功的装置。 7、1939年，瑞士制成了效率达18％的4兆瓦发电用燃气轮机 (简单循环)；德国生产装有涡轮喷气发动机的第一架飞机 试飞。 8、1941年，瑞士BBC制造的第一辆燃气轮机车通过了交货试 验。 9、1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水。 10、1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。
动力循环 (汽轮机、 燃气轮机)
正向（p-v图上顺时针）
热 力 循 环
热能
机械能
逆向（p-v图上逆时针）
热能
机械能
输入外功 (冰箱、空 调等）
热力循环p-v图
1.2 燃气轮机装置循环的热力性能指标

滞止压力，相 主要热力参数 流体等熵减速到静止时的压力即为 应的温度为滞止温度。
–(1)压比π ——压气机出口气流滞止压力p*2与进口 气流滞止压力p*1之比。 (反应工质在压气机内被压缩的程度。)
自行设计、测绘仿制或国际合作生产。

目前概况
（1）燃气轮机占发电设备的比例将逐渐增大；
（2）以燃机为核心的总能系统将成为我国新 世纪火电动力的主要发展方向，中国将成为世 界最大的燃机潜在市场。
第二章 燃气轮机热力循环
第一节 燃气轮机热力循环基础原理
1.1 热力循环的概念和功能
热力循环：热力系统（工质）经过一系列的状态变化，重新 回复到原来状态的全部热力过程，简称循环。 功能： 热能 机械能

舰船用

火车机车用

汽车用

军事用
三、发展趋势与前景
1、不断向高参数、高性能、大型化方向发展； 2、重视系统集成与总能系统广泛应用； 3、积极采用新技术、新材料、新工艺； 四大集成技术： 高温合金 冷却技术 气动热力设计 燃烧技术 4、燃料能源多元化和燃煤联合循环商业化； 5、积极开拓新型热力循环与总能系统。
–(2)回热循环（Regenerative Cycle）
–(3)再热循环（Reheating Cycle） –(4)中间冷却循环（Intercooled Cycle） –(5)联合循环（Combined Cycle）
(1)简单循环（Simple Cycle）
——依次由压缩、燃烧和膨胀过程组成的热力循环。


先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料 消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控 和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式发电外，还 可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电 等，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式 发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊 农村甚至边远地区均能适用。 鉴于我国目前的电力发展及其分布不很均衡以及微型燃 气轮机的技术特点及其优越性，微型燃气轮机将在我国 得到广泛的重视与应用。此外，微型燃气轮机在民用交 通运输（混合动力汽车）以及军车以及陆海边防方面均 具有优势，受到美、俄等军事大国的关注，因此，从国 家安全看发展微型燃气轮机也非常重要。