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燃气轮机与发动机涡轮增压技术主讲：成晓北课程教学大纲一、课程编号二、学时和学分32学时，2.0学分三、先修课程工程热力学、流体力学、动力机械基础、内燃机原理等四、课程教学目标本课程属于热能与动力工程专业动力机械专业方向的专业选修课程。本门课程的教学目标，旨在使学生获得燃气轮机与涡轮增压器工作原理、涡轮增压系统及增压系统设计应用技术方面的必备知识，培养学生综合所学知识进行发动机性能设计与研究的能力。五、课程内容课内讲授：32学时第一章燃气轮机及其热力循环（4学时）第二章涡轮增压技术及涡轮增压器基本结构（3学时）第三章离心式压气机（3学时）第四章轴流式压气机（3学时）第五章涡轮机（3学时）第六章排气能量的利用（4学时）第七章现代涡轮增压系统（4学时）第八章柴油机与涡轮增压器的匹配（4学时）第九章涡轮增压系统设计（4学时）六、参考教材（1）《燃气轮机与废气涡轮增压技术》，林建生，谭旭光主编，天津大学出版社，2005年第1版；（2）《柴油机涡轮增压技术》，陆家祥主编，机械工业出版社，2004年第1版；（3）《汽轮机与燃气轮机原理及应用》黄庆宏编著，东南大学出版社，2005年第1版；（4）《内燃机原理》，刘永长主编，华中科技大学出版社，2002年；第一章燃气轮机及其热力循环一概况燃气轮机是靠内部燃料燃烧释放出的热量直接加热空气，并通过形成的燃气将热能转换成机械功的一种热力机械，同样是内燃机。主要由叶轮式空气压缩机、燃气发生器（燃烧室）和燃气涡轮三个基本部分组成，还有燃料、润滑、冷却、启动、调节和安全等辅助系统各种内燃机的理论工作循环（a）活塞式内燃机的等容循环（b）活塞式内燃机的混合循环（c）燃气轮机循环燃气轮机与活塞式内燃机理论循环的比较陆用双轴燃气轮机进气道2-离心式压气机3-燃油喷嘴4-燃烧室5-第一级涡轮6-拖动涡轮7-排气管8-减速箱二、结构与类型：离心式压气机，轴流式涡轮某一舰用燃气轮机示意图轴流式压气机，轴流式涡轮航空燃气轮机1-进气道2-压气机3-燃烧室4-涡轮5-加力燃烧室6-排气道喷嘴活塞式内燃机与燃气轮机结构对比示意图与活塞式内燃机结构形式的比较三、两种内燃机优缺点比较及它们的复合形式1.功率大、重量轻、体积小是燃气轮机的优势燃气轮机气体流通率高，单位时间内可以燃烧更多的燃料，，发出更大的功率。2.燃气轮机与活塞式内燃机热效率的比较相对而言，燃气轮机的热效率较低，主要原因：（1）压缩方式不同，叶轮式压气机效率较低，（2）能量转换方式不同（3）最高燃气温度不同：燃烧温度，瞬间温度，叶片材料耐热能力（4）定压燃烧过程热效率低定压加热循环与定容加热循环的比较3.两种内燃机复合形式的典型－废气涡轮增压内燃机把活塞式内燃机与燃气轮机结合，扬长补短，组合成性能更为优越的热力发动机。复合式内燃机－废气涡轮增压柴油机相对而言，燃气轮机实际是涡轮增压柴油机的一部分而已。增压技术是一种提高发动机进气能力的方法。它通过采用专门的压气机，预先对进入气缸的气体进行压缩，提高进入气缸的气体密度，增大进气量，更好地满足燃料的燃烧需要，从而达到提高发动机功率的目的。发动机的增压方法主要有三类：机械增压、废气涡轮增压和复合增压。废气涡轮增压早先运用于柴油车，国内轿车１９９８年开始在排量１．８的奥迪２００上运用，以后又有奥迪Ａ６的１．８Ｔ（即Ｔｕｒｂｏｃｈａｒａｅｄ，涡轮增压），直至最新的帕萨特１．８Ｔ。涡轮增压的优点是显而易见的，在不增加发动机排量的基础上，可大幅度提高功率和扭矩，其输出的最大功率大约可增加４０％，如１．８Ｔ车大约与２．３升排量的车动力相当。另外，发动机在采用了增压技术后，还能提高燃油经济性和降低尾气排放。四、燃气轮机的现状与趋势1.燃气轮机的现状与水平（1）机组功率和效率单机最大功率为334MW，简单循环机组的效率最高已达42.5％，联合循环的效率最高已达58％；（2）环保性能燃气轮机污染排放相对较低，燃烧天然气时，Sox排放趋于零，采取措施后NOx、CO等降至很低水平。（3）可靠性（4）应用现状航空领域，主要有涡轮喷气、涡轮风扇，涡轮螺浆、涡轮轴发动机，其中涡轮风扇发动机推进效率高、油耗率低，应用最广泛。航机的发展领先于地面燃气轮机，它的先进技术常移植到地面燃气轮机设计中。电站发电用途，在一些工业发达国家，燃气轮机和联合循环发电之和超过了蒸汽轮机，成为电力工业的主力军。舰用燃气轮机被广泛应用，2.燃气轮机的发展趋势（1）进一步提高性能；提高燃气初温，采用涡轮机叶片冷却技术，研制高温材料叶片；燃气初温达到1700度的涡轮机研制工作已在进行，同时要兼顾可靠性和使用寿命。（2）大力发展联合循环把燃气轮机与其他热力循环或系统联合起来，取长补短，形成新的循环与系统，燃气－蒸汽联合循环就是典型的例子。系统中能源从高品位到中低品位逐级利用，形成能源的梯级利用，大大提高了能源的利用率。燃气－蒸汽组合形式不同，有余热锅炉型、排气补燃型、增压燃烧型、加热锅炉给水型、锅炉并联型。（3）研究发展新型热力循环目的是提高效率或达到高效率的同时降低机组造价；（4）扩大应用主要是燃用天然气和液化天然气的机组，拓展商船和汽车等应用领域。五、燃气轮机的热力循环1.理想简单循环在燃气轮机热力循环中，常用比功、热效率指标分析比较各种循环简单开式循环的T-S图理想简单循环四个工作过程的计算公式：等熵压缩1－2：等压加热2－3：等熵膨胀3－4：等压放热4－1:理想简单循环的比功：理想简单循环的热效率：2.实际简单循环在燃气轮机热力循环中，常用比功、热效率指标分析比较各种循环简单循环比功图，简单循环热效率图温比对实际循环的性能影响很大，尤其是对效率影响。目前，压气机和涡轮机效率的范围一般为：轴流式压气机：ηc＝0.85～0.9；轴流式涡轮机：ΗT=0.85～0.92；离心式压气机：ηc＝0.75～0.85；向心式涡流机：ηT＝0.75～0.88；3.回热循环燃气轮机的排温很高，一般为400～550℃，如能回收这一高温气体，就可提高燃气轮机效率。如果采用高温排气加热从压气机出口的空气，提高进入燃烧室的温度，可使燃烧室中加入的燃料量减少，从而提高了热效率，在燃气轮机中加装回热器R，就可实现上述工作过程，这就是回热循环。4.间冷循环在压缩过程中间，把工质引至冷却器冷却后，再回到压气机中继续压缩以完成压缩过程，此即间冷循环，其中IC是中间冷却器，它的应用使压气机分为低压LC和高压HC两个部分.在理想的情况下，从间冷器出口的工质温度已冷却到与进入燃气轮机时的T*1温度相同，5.再热循环在膨胀过程中间，把工质引出再热燃烧室中加热后，再回到涡轮机中继续膨胀以完成膨胀过程，此即再热循环。其中B2是再热燃烧室，它使涡轮机分为高压HT和低压LT两部分，为使再热后比功增加得再多些，再热后工质的温度T*5应尽量高当T*5＝T*3时燃料完全燃烧，且无压力损失。6.间冷再热循环同时具有间冷和再热循环，其热力循环图形比上述两种循环面积进一步增大，即比功增加较多。实际的间冷再热循环燃气轮机一般是双轴甚至是三轴的。第二章废气涡轮增压技术一涡轮增压基本概念提高内燃机功率的主要途径：（1）结构方面；（2）工作过程方面（3）提高机械效率方面（4）运行方面上述诸因素之间的相互关联和制约。发动机增压的功用•增压将空气预先压缩后供入气缸，以提高空气密度、增加进气量•功用进气量增加，可增加循环供油量，从而可增加发动机功率可以改善燃油经济性可以得到良好的加速性发动机增压类型机械增压涡轮增压气波增压与发动机容易匹配，结构紧凑，但燃油效率高经济性好，排放少、噪声低，但顺态响应和低速加速性差低速转矩特性好，但体积大，噪声高复合增压可以兼顾高、低速转矩特性好，但体积大，结构复杂涡轮增压涡轮增压器涡轮机排气管压气机进气管•利用废气涡轮机，带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸当然，发动机在采用废气涡轮增压技术后，工作中产生的最高爆发压力和平均温度将大幅度提高，从而使发动机的机械性能、润滑性能都会受到影响。这就是至今为止，增压技术在汽油机上得不到广泛应用的主要原因。机械增压器压缩机的驱动力来自引擎曲轴，一般都是利用皮带连接曲轴皮带轮，间接将曲轴运转的扭力带动增压器，达到增压目的。依构造不同，机械增压会经出现过许多种类，包括叶片式(Vane)、鲁氏(Roots)、温克尔(Wankle)等型式，而活塞运动最早也被认为是一种机械增压，时至今日，则以鲁氏增压器最被广泛使用，更是改装的大热门。机械增压的特征，除了在低转速便可获得增压外，增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例，即机械增压引擎的油门反应随着转速的提高，动力输出随之增强，因此机械增压引擎的操作感觉与自然气极为相似，却能拥有较大的马力与扭力。机械增压机械增压器1）齿轮增速器驱动2）传动带及电磁离合器驱动齿轮增速器增压器空气增压器电磁离合器气波增压气波增压器进气管转动带排气管气波增压器转子•由曲轴经传动带驱动气波增压器转子，利用排气压力波使空气受到压缩，以提高进气压力复合增压机械增压与涡轮增压适当结合串联复合增压并联复合增压空气先涡轮增压，中冷器降温，再机械增压主要用于高增压发动机上由机械增压和涡轮增压同时供给增压空气低速主要靠机械增压，而在高速主要靠涡轮增压二、涡轮增压技术的发展与现状1.增压技术向高压比，大功率柴油机领域发展2.提高涡轮增压器效率；3.拓宽涡轮增压器工作的流量范围；4.也向小功率、高转速柴油机方向发展；5.带放气阀、可变涡轮截面技术，EGR等技术的广泛应用；6.匹配技术提高；增压模拟计算技术与能力的提高；7.提高涡轮增压器的工作可靠性，增加使用寿命，降低成本。第三章离心式压气机工作原理一.离心式压气机的结构叶轮式压气机有离心式和轴流式两种基本类型：轴流式压气机流道的特点适于组织多级压缩，比较容易获得较高的增压比。用于航空和大型燃气轮机，离心式压气机结构简单，外形较短，重量较轻，及具有在较宽的流量范围内保持较好的效率，多用于小型燃气轮机和活塞式内燃机中。涡轮增压器•离心式压气机•径流式涡轮机•中间体压气机增压器轴涡轮机离心式压气机简图多级轴流式压气机剖面图1-导向器2-轮盘3-工作叶片4-机壳5-整流叶片6-转子轴1.进气道将外界空气导入压气机叶轮2.压气机叶轮压气机中唯一对空气作功的部件；导风轮和叶轮。压气机叶轮进口的速度三角形。压气机叶轮结构形式（1）开式叶轮，流动损失大，叶轮效率最低，叶片刚性较差，易振动，因而在燃气轮机和涡轮增压器中已较少采用了；（2）半开式叶轮：叶轮无轮盖，叶片一侧与壳体间存在轴向间隙，叶轮内的流动损失较封闭式叶轮大，但结构简单，强度和刚度较好，适用于高压比、高转速压气机，是目前应用最广泛的一种叶轮类型；（3）封闭式叶轮：组成封闭通道，流动损失小，效率较高，但圆周速度高，叶轮承受的应力较大，不宜在高转速下工作，且结构复杂，在燃气轮机和涡轮增压器中也已较少采用了；3.扩压器作用：将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能。分为有叶扩压器和无叶扩压器两种结构。燃气轮机中一般采用无叶扩压器和有叶扩压器串联。效率区别，适用范围。4.压气机涡壳收集从扩压器出来的空气，将其引导到发动机的进气管。涡壳有一定的扩压作用，进一步将动能转化为压力能。分为变截面涡壳和等截面涡壳。5.轴承与润滑增压器的寿命很大程度上取决于轴承的寿命6.密封与冷却二、离心式压气机的工作原理1.压气机中的空气状态与变化趋势图离心式压气机简图2.压气机的焓熵图2.压气机的主要性能参数:（1）增压比π（2）空气流量:（3）压气机的定熵效率ηb（4）压气机转速nb三、离心式压气机中的空气流动1.空气在叶轮中的流动压气机叶轮的进、出口速度三角形惯性旋流对叶片通道内气流运动的影响由于叶轮上的叶片数目有限，在空气的惯性作用下叶片通道内存在着与叶轮转向相反的气流转动，称为惯性漩流，可以由速度叠加方法来解释叶片通道内速度的叠加环流速度（b）径向速度（c）叠加速度（d）气体压力离心式压气机叶轮内的气流模型气流压力在叶片内通道内不均匀分布，使得同一叶片两边的气流