燃气轮机原理(1)

TMI燃气轮机原理与性能臧述升Tel:34206103E-Mail:[e-mail]第一章概论1-1燃气轮机简介1-2燃气轮机的发展1-3燃气轮机的应用1-4燃气轮机的未来1-5燃气轮机的分类1-6燃气轮机涉及的主要学科1-7燃气轮机的设计过程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2-2理想燃气轮机循环2-3实际燃气轮机循环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3-2燃烧室计算方法3-3热力计算的步骤3-4热力计算的举例第四章相似理论4-1相似准则4-2相似参数与换算参数课程内容TMI第五章燃气轮机部件特性5-1轴流压气机特性5-2透平特性5-3燃烧室特性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6-2燃气轮机部件间的匹配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7-2燃气轮机加速过程7-3燃气轮机减速过程7-4燃气轮机加减速过程参数控制第八章燃气轮机性能仿真8-1仿真方法8-2计算实例TMI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、GasTurbineTheoryH.Cohen,G.F.Rogers,H.I.H.Saravanamuttoo参考书目TMI第一章概论1.1燃气轮机的组成及工作原理SimplegasturbinesystemC-compresserT-TurbineB–CombustionchamberTMITMITMI1-2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-GiovanniBranca利用蒸汽驱动涡轮旋转磨粉机1687IsaacNewton－－蒸汽货车TMI1791JohnBarber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-CharlesCurtis档案记载的应用燃气轮机第一人(1864-1949)AegidiusElling1882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•1930FrankWhittle1930年申请了第一个用于喷气推进的燃气轮机专利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－HansvonOhainandMaxHahn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发电设备功率：50MW效率：40%功率/重量、功率/体积最高的动力形式-燃气轮机发电设备功率：5万千瓦效率：40%功率/重量、功率/体积最高的动力形式-燃气轮机TMI占地面积小；高效、环保；21世纪最具竞争力的发电方式；占地面积小；高效、环保；21世纪最具竞争力的发电方式；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TMI050001000015000200002500030000非洲和中东中南美洲东西欧远东和太平洋北美中国台湾系列11999年1月-2000年6月世界燃气轮机装机容量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简单循环：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。开式循环：1-4燃气轮机的分类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。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。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。复杂循环：闭式循环：TMI轻型结构10KG/PS，重型结构15KG/PS轻型结构：航空机和航空改型舰用燃气轮机，工业轻型（重载轻型）重型结构：工业燃气轮机金属耐热极限---1100℃；涡轮进气温度：1460℃采用空气冷却叶片；---冷却技术耐高温材料（单晶铸造，定向凝固等技术）寿命：工业轻型2-10万小时；燃气轮机装置的优势：1、装置轻小；投资仅为蒸汽动力厂的20-80%以下；重量和所占空间只有蒸汽轮机或内燃机的几分之一或几百分之一；技术周期短；现代燃气轮机的结构特点燃气轮机简图：单位功率重量：TMI2、燃料适应性强，公害少-----最理想的清洁能源转换装置3、节省厂用水、电、润滑油；4、启动快、自动化程度高；5、维修快，运行可靠TMI流体力学（气体动力学）热力学与传热自动控制材料与强度1-5燃气轮机涉及的主要学科TMI市场调研技术规格书用户需求循环方式选择研究设计点的确定气动模型修改功率提高与改型部件试验设计修改压气机、涡轮、进、排气等气动设计轮盘、叶片、壳体等结构强度设计工艺设计及制造试验及研究产品变工况性能强度修改控制系统设计售后服务燃气轮机设计流程TMI美国能源部21世纪先进燃气轮机系统研究（AGTSR）计划高温和耐腐蚀材料科学燃烧现象的深入了解天然气或其他燃料燃烧时的污染物形成和减少新型热力循环的基础理论1992年-2003年向大学设立了74个项目，投资约$35,485,299.TMI思考题1-1为什么说燃气轮机在未来的发电设备中具有竞争力的动力形式？1-2燃气轮机发展中的关键技术有哪些？1-3为什么说燃气轮机未来的发展离不开热交换器的发展？1-4先进燃气轮机的标志性的参数是什么？为什么？TMI第二章燃气轮机循环理论决定燃气轮机前途的因素:•装置的热效率•装置的尺寸,重量•对燃料的适应性影响燃气轮机性能的两个因素:部件效率和涡轮初温;1904年两个法国工程师Armengaud和Lemale,建造了一台燃气轮机,部件效率60%,涡轮初温740K。(只够自己运转)整机的效率还和压比有关;燃气轮机的发展和空气动力学的发展相关：压比35,部件效率85-90,初温1650K.(86年的目标)TMI2-1燃气轮机循环主要性能指标1.比功w：描述燃气轮机循环作功性能的好坏的指标。单位质量工质下所做的功。为什么不用功率作为描述循环性能的指标？2.热效率ηt和耗油率sfc(specificfuelconsumption)耗油率：dWwdmtuwfH30003600faqfsfcwqw3600tusfcHTMI2-2理想燃气轮机循环分析假设条件：•压缩和膨胀过程是可逆的、绝热的即等熵的。•忽略部件进出口工质的动能变化；•在进气管道、燃烧室、热交换器、间冷器、排气管和连接部件的管道均不考虑压力损失；•工质在整个中具有同样的组分，并且是比热不变的完全气体；•气体质量流量在整个循环中不变；•在热交换器中充分换热；理想简单燃气轮机循环此种循环的极限是什么？此种循环的热效率(1)/34111111/tkkTTTMI1231’’’TSvp2’2’’3’2’’’3’’3’’’4’’’4卡诺循环；1-2等熵加热；2-3等温膨胀；3-4等熵放热；4-3等温压缩EricssonCycle斯特林循环布雷顿（Braytoncycle)几种典型的热力循环比较四个循环表明了布雷顿循环的改进方向——向EricssonCycle靠近TMIThecycleefficiencyisMakinguseoftheisentropicp-Trelation,AndpressureratioThenshownTheefficiencythusdependsonlyonthepressureratioandnatureofthegas.2134//pppp(1)/2134//kkTTTT34232()()()pppcTTcTTcTT(1)/11()kk1.44(166k空气）；=.(燃气）SpecificworkoutputW,3421(1)/(1)/()()1(1)(1)ppkkkkpWcTTcTTWcTTMI/(1)max/2(1)(1)/kkkkkkoptopt2max1(1)pwcT24TT此时输出功为最大。理想燃气轮机循环其最大效率是随压比的增加而上升。TMI复杂循环—回热循环T2T1T3T4T6T5(1)/1kkTS342135()()()pppcTTcTTcTTWithidealheat-exchange54TT2040608053124108612Specificworkoutputisunchangedbytheadditionofaheat-exchangerTMI2-3实际燃气轮机循环1.实际燃气轮机与理想燃气轮机循环的差别？2.如何考虑实际的燃气热力性质？3.实际燃气轮机循环性能？温比、压比对性能的影响？一、压气机效率、涡轮效率用滞止等熵效率来衡量实际过程和等熵过程的差距。scsccccwTwT问题：TMI1343341()/1()kttktststwTTTTwTpp/etctstsccwwwww实际的装置比功燃气轮机的:增加的百分数是增加的百分数的倍。有用功系数小者，对及的影响大，即装置对的变化愈敏感。tw1twtTMI二、压力损失p实际过程中，工质在燃烧室、回热器、间冷器、空气滤清器、消音器系统中流动必然产生流阻损失，表现为工质的滞止压力的损失。燃烧室的压损率23322211BBBppppppp进气道的压损率00110000011ppppppp排气道的压损率545554441BpppppppTMI涡轮膨胀比33500120540124550055(1)(1)(1)(1)tBBpppppppppppppppp为滞止压恢复系数（三）空气、燃气流量的变化,fGG(1)gfGGGGGGfGTMI燃料与空气比约为1/40-1/120,相对较小；气封漏气和抽气冷却空气也使流量改变；计算中：以空气流量为基准。抽气或漏气5%，会使功率下降10～20%；效率下降0.0