02第二章燃气轮机基本原理和计算

21:521第一节燃气轮机循环的过程方程第二节等压燃气轮机理想简单循环第三节轴流式压气机原理和计算第四节燃料燃烧理论第五节透平原理第二章燃气轮机基本原理和计算21:522为什么现代燃气轮机，尤其是三代以后的燃气轮机，在热力参数上面要提倡压气机高压比，高涡轮前燃气温度？压气机压比和涡轮前燃气温度的关系？提问：21:523通过燃气轮机的循环分析，就可以明白。解答：本章学习完毕后，将前面的问题作为讨论课的论点进行讨论。具体时间会在后面安排。请同学们酝酿！讨论课的题目：为什么提倡高压比和高涡轮前燃气温度？21:524第一节燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过程二）、压气机内的压缩过程三）、燃烧室中的加热过程四）、透平（涡轮）中的膨胀过程五）、工质在大气中自然放热过程六）、总结21:525附加知识点：燃气轮机四个截面的气体状态参数符号燃气轮机结构示意图1、）1截面（压气机进气截面）气流在此处的理想状况的状态参数符号：温度：比容：压强：)(11sstTsv1sp1气流在此处的实际状况的状态参数符号：温度：比容：压强：)(11tT1v1p气流在此处的状态参数平均值：温度：比容：压强：)(**tT*v*p21:526附加知识点：燃气轮机四个截面的气体状态参数符号燃气轮机结构示意图2、）2截面（压气机出口截面，燃烧室进口截面）气流在此处的理想状况的状态参数符号：温度：比容：压强：)(22sstTsv2sp2气流在此处的实际状况的状态参数符号：温度：比容：压强：)(22tT2v2p气流在此处的状态参数平均值：温度：比容：压强：)(**tT*v*p21:527附加知识点：燃气轮机四个截面的气体状态参数符号燃气轮机结构示意图3、）3截面（燃烧室出口截面，透平进口截面）气流在此处的理想状况的状态参数符号：温度：比容：压强：)(33sstTsv3sp3气流在此处的实际状况的状态参数符号：温度：比容：压强：)(33tT3v3p气流在此处的状态参数平均值：温度：比容：压强：)(**tT*v*p21:528附加知识点：燃气轮机四个截面的气体状态参数符号燃气轮机结构示意图1、）4截面（透平出口截面）气流在此处的理想状况的状态参数符号：温度：比容：压强：)(44sstTsv4sp4气流在此处的实际状况的状态参数符号：温度：比容：压强：)(44tT4v4p气流在此处的状态参数平均值：温度：比容：压强：)(**tT*v*p21:529第一节燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过程21:5210第一节燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过程1、燃气轮机热力循环称为开式白朗托循环（蒸汽轮机电厂循环称为闭式朗肯循环）燃气轮机开式白朗托循环图见下页21:52111-2过程：空气在压气机内完成空气压缩耗功过程2-3过程：空气在燃烧室内完成燃烧升温过程3-4过程：空气在透平完成膨胀做功过程4-1过程：空气排出燃机进入大气，完成冷源放热过程完成一次开式循环燃气轮机热力循环图第一节燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过程21:5212燃气轮机效率曲线2）、对应一个燃气温度t3的循环效率有一个最佳压比，即在这个温度下，在最佳压比值对应的燃机效率最大。燃气温度越高，相应的最佳压比就越高，这是燃机设计的最关键点。第一节燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过程2、燃气轮机的效率与燃气温度和压气机压比的关系1）、如右图，燃气温度t3越高，循环效率越高。21:5213燃气轮机效率曲线3）、目前，最先进的燃气轮机燃气温度达1300℃～1400℃，压气机压比达到15～20。因此，提高燃气轮机效率，改进燃气轮机的性能，主要要从燃气轮机的燃气温度和压气机的压比作手。第一节燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过程21:5214燃气轮机效率、比功曲线图3、燃气轮机的效率与比功关系1）、燃气温度越高，燃气轮机的比功就越大，每千克空气产生的功就越多，一定功率的机组体积就会越小。2）、在温度一定下，提高增压比，比功先会增加，但是当超过一个最佳压比值以后，比功反而会下降，在设计上要特别注意。第一节燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过程21:52154、总之：为了计算燃气轮机中工质与外界交换的热量和功量，必须分析燃气轮机的四个过程中工质的热力状态参数压力p、比容v、温度t的变化规律和描述过程的数学方程。第一节燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过程21:5216第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程21:5217第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程1、压气机理想绝热压缩空气过程的假设压气机在压缩空气过程中，必须从外界吸收一定量的压缩功，才能使空气的压力p和温度t升高，比容v缩小。假设工质只与外界发生功的交换，而无热量交换。这个与外界没有热量交换的热力过程，是在没有摩擦和扰动等不可逆现象的理想情况下进行的，成为理想绝热过程。21:5218第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程2、压气机理想绝热压缩空气过程计算由热力学分析，在理想绝热过程中，工质的压力和比容的变化规律为：（2-1）常数kssvp式中：k为绝热指数，当忽略工质比热随温度而变化的关系时，它就是所谓的比热比。通常在作近似计算时，空气的绝热指数k可以取1.4，燃气的k取1.33。21:5219第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程2、压气机理想绝热压缩空气过程计算由可知，当工质按理想绝热过程压缩（或膨胀）时，在整个过程的任何一个工况点上，工质的压力p与其比热容比v的k次方的乘积是彼此相等的。即（2-2）常数kssvpksskskssvpvpvp22isi1121:5220第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程2、压气机理想绝热压缩空气过程计算当已知过程的起始状态、和终态压力后，就可以根据和理想气体状态方程式，计算出工质在理想绝热过程终态的其它参数和。RTpv1vksskskssvpvpvp22isi111p2psv2ST221:52212、压气机理想绝热压缩空气过程计算第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程RTpvksskskssvpvpvp22isi11联解，得出，在理想绝热过程中与，与之间的变化规律为：TvpT整个推理过程为：常数kssvp两式联立常数kksSpT1kksSkkisiSkksSpTpTpT1221111p和T关系常数1ksSvT1221isi111ksskskssvTvTvTT和v关系（2-3）21:5222例1、今有一台压气机，把空气由起始状态，℃压缩到。假设这是一个理想压缩过程，试问压缩终了时，空气的比容和温度各为多少？第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程3、理想绝热过程计算举例Paps4110807.9151stPaps52108263.8sv2st2已知空气的绝热指数：4.1k21:5223第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程3、理想绝热过程计算举例解：根据（2-3）可知即得：kksSkksSpTpT122111kksSSSppTT11212)(已知空气的绝热指数：4.1k因而)(3.540)10807.9108263.8()15273(4.114.1452KTS3.2672733.54027322sSTt（℃）根据RTpv)(176.0108263.83.54005.28735222kgmpRTvsss21:5224第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程4、实际压缩过程计算理想的绝热压缩过程是不存在的。由于存在摩擦和换热的因素，实际过程是一个多变的压缩过程，其计算应根据多变过程的规律计算，其中n为多变指数。RTpvnssnsnssvpvpvp22isi11常数nssvp两式联立整个推理过程为：21:5225第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程4、实际压缩过程计算常数nnsSpT1nnsSnnisiSnnsSpTpTpT1221111p和T关系常数1nsSvT1221isi111nssnsnssvTvTvTT和v关系联解，得出，在理想绝热过程中与，与之间的变化规律为：TvpT即：将绝热指数k改为多变指数n。n＞k，n的大小与实际压缩过程中存在的不可逆因素有关，一般为。在确定了n值后，就用式（2-4），即可算出实际过程中终态空气的状态参数。52.145.1n（2-4）21:5226第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程4、实际压缩过程计算举例实际压缩过程的计算跟理想绝热压缩过程的计算是一样的，不同的只是一个用多变指数n，一个用绝热指数k。具体的举例略。21:5227第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程4、实际压缩过程的工程计算根据热力学的多变过程来计算，不能够直观反映在实际压缩过程中不可逆程度大小。因此，工程上，人们很少利用这个方法。而是引入一个能够比较直观地反映实际压缩过程中不可逆程度大小的绝热压缩效率，来计算工质的终态温度。c2t21:52281）、绝热压缩效率第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程4、实际压缩过程的工程计算c绝热压缩效率，是指工质在理想的绝热压缩过程中所需吸收的压缩功，与实际压缩过程中达到同一个终态压力时所需加给工质的实际压缩功的比值。即：c）或（cscslLspp22）或（cclLccsccscllLL式中，csccscllLL,21:5229当忽略工质定压比热随温度改变而忽略微变化的特性时，1）、绝热压缩效率第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程4、实际压缩过程的工程计算c1212121211121212121212)()(ttttTTTTTTttttTTTTTTCTTCllLLsscssssspsspccsccsc压气机进气处pC在现代压气机中，90.0~80.0c由此可见，只要已知压气机的，就很容易求得压气机出口处工质的实际温度，进而求出比容。c2t2v（2-5）21:5230已知由式（2-5）可知：例2、假设已知例1中压气机的，试求在的情况下，压气机出口处空气的实际状态参数。2）、实际压缩过程的工程计算举例第一节燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程4、实际压缩过程的工程计算88.0c2p52108263.8sp解：在例1中已计算得，当工质按理想绝热压缩过程工作时，压气机出口处空气的温度和比体积为3.2672st℃88.0c7.30188.01588.0153.26515153.26788.022ttc（℃）)(187.0108263.8)7.301273(05.28735222kgmpRTv)(176.032kgmvs21:5231第一节燃气轮机循环的过程方程三）、燃烧室中的加热过程21:5232第一节燃气轮机循环的过程方程三）、燃烧室中的加热过程1、燃烧室燃烧过程的理论简化燃烧室的燃烧过程，是空气与燃料混合燃烧，把燃料的化学能释放出来，转化为热量的过程。这就相当于工质从外界吸收一定量的热，从而温度升高，比容增大。此时，工质只与外界有热交换，而无机械功交换。当确定了压气机出口参数后，由于压气机出口紧接燃烧室入口，因此，也就知道了燃烧室入口处空气的参数。222vtp和、21:5233第一节燃气轮机循环的过程方程三）、燃烧室中的加热过程1、燃烧室燃烧过程的理论简化在没有摩擦等不可逆现象的情况下，可以把燃烧过程看成是一个等压加热过程，空气与燃料燃烧后将变成高温燃气。在燃烧室的出口处温度升高为，比容增大为，但压力却维持不变，即。3t32pp3v21:5234第一节燃气轮机循环的过程方程