燃气轮机装置

第一章综述《燃气轮机装置》课程教案1第一章综述§1-1燃气轮机装置的应用及其组成一、动力装置动力装置是指能够发出原动力的机械设备，如蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机等等，其技术的革新或进步是推动人类社会发展的动力源泉。纵观人类利用工具和能源的历史，蒸汽机、内燃机、蒸汽轮机以及燃气轮机的发明都是革新能源热利用技术以及推动社会发展方面的重要事件。1712年，英国人纽克门发明了纽克门式蒸汽机。1765年瓦特（1736-1819）改良了纽克门式蒸汽机（1969年获得发明专利），后世称为万能蒸汽机，誉为第一次工业革命（1760-1840）的标志性事件，瓦特本人则被称为工业革命之父。二、燃气轮机的应用燃气轮机是一种动力装置，它以气体为工质，把燃料燃烧时释放出来的热量变为有用功的高速回转式动力机械，在陆地、航海、航空领域具有广泛的应用。陆地：整体煤气化联合循环，驱动，热电冷联产航海：LM2500燃气轮机（军用）航空：F35战机发动机+空客A380发动机微型燃气轮机：Capstone30kW，65kW，200kW超微型燃气轮机：MIT纽扣燃机三、燃气轮机的组成三大部件：压气机、燃烧室、透平（涡轮）空气pT压气机（）燃烧室（）透平做功排气一般，燃气在涡轮中所作的机械功三分之二左右被用来驱动压气机，三分之一左右的机械功通过输出轴带动外界负荷。输出功率：发电、驱动说明：1、同蒸汽轮机的工质（水蒸汽）不同，燃气轮机的工质为气体，回转式与往复式（蒸汽机）不同2、现代燃机有三大部件，其中的压气机和透平为高速旋转的叶轮机械，是气流能量与机械功之间相互转换的关键部件。3、在上述的工作过程中，燃烧室燃烧加热过程的压力近似不变，称为等压燃烧加热方式，而工作过程中的气体即工质来自大气，最后又排入大气，称为开式循环。上述为现代燃气轮机循环的两个基本特征。4、图中所示的为一单轴机组的例子。第一章综述《燃气轮机装置》课程教案2§1-2燃气轮机发展史萌芽阶段：1、公元X年，希罗（Hero）发明了希罗球最早的透平雏形。2、公元960-1279年，我国在北宋时期出现了走马灯：蜡烛燃烧时产生的热气吹动顶部叶轮旋转。3、1510年，意大利人达芬奇提出烟气转动装置，工作原理类似于走马灯，后在欧洲被广泛地用于转动烤肉棒。4、1791年，英国人巴贝尔（J.Barber）首次使用燃气轮机（Gasturbine）这一名词，并提出了具体的设计方案。5、1872年，德国人斯托尔兹（F.Stolze）提出第一台与现代燃气轮机相似的机组希罗球走马灯烟气转动装置巴贝尔的设计萌芽阶段燃机特点：无净功输出气动设计问题材料以及加工工艺问题说明：在19世纪，曾有多人提出了多种燃气轮机的设计方案，其中最有名的是德国人斯托尔兹（F.Stolze）于1872年提出的热空气轮机，它是历史上第一台与现代燃气轮机十分相似的机组。它采用多级轴流式压气机和透平，压气机中压缩后的空气流入底部的加热器，被从燃烧室（燃用发生炉煤气）来的燃气加热，然后流入透平中膨胀做功。机组的设计输出功率为147kW。直至1901年－1904年，机组才制成进行试验，但由于始终未能脱离外界动力的帮助而独立运行，因而遭到了失败。在20世纪之前，还有许多人进行了许多不同的设计，并进行了多次试验，但都发不出功率，未获得成功。一方面是由于在20世纪之前，冶炼工业还不能提供在足够高的温度和转速下运转的叶片材料，制造工艺也达不到燃气轮机所要求的加工水平，人们对空气动力学的认识还不能设计效率较高的压气机和透平。因此，这些客观的社会生产能力限制了燃气轮机成功的可能性。第一章综述《燃气轮机装置》课程教案3工业试用阶段：1、1905年，法国透平发动机协会的拉马尔（C.Lemale）和阿尔芒哥（R.Armengard）研制成第一台能输出功率的燃气轮机，4，Ct560*3,%43。效率低，主要是压气机（当时轴流60%,离心约60％）。20世纪30年代后期，才出现效率为85％的轴流式压气机，研制成承受600℃以上高温的耐热钢。2、1920年，德国人霍尔兹华斯（H.Holzwarth）（又译霍兹伐尔塔）研制成第一台正式实用的燃机。%13，kWp370。3、1939年，瑞士BBC（勃朗·波维利公司，今合并为ABB）研制4MW燃机，首次用于发电。%18，38.4，Ct5753。德国Heinkel工厂的第一台涡喷发动机试飞成功。瑞士EW（爱休维斯）第一台闭式燃机制成。MWp2，%5.31。4、1940年，BBC，第一台燃机机车制成。MWp62.1，%16。实用阶段（50年代）：1、1947年，英国MV（GEC）第一台舰用燃机试航，MWp86.1。2、1950年，英Rover第一台燃机汽车行驶。快速发展阶段：50年代后期，燃机的经济可靠性得到认同，技术的发展使效率逐渐提高。航空：功率大、重量轻、尺寸小，取代了活塞式发动机。50年代后期已占据绝对优势，目前，军用、民用飞机上全部为燃机。资料：航空发动机分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机，涡轮螺浆发动机和涡轮轴发动机。前两种喷气推进，后两种输出轴功率。第四种在直升飞机中使用，第二种推进效率高，应用最广。舰艇：英国1968年宣布采用全燃机推进，其它工业先进国家纷纷效仿，现广泛采用。地面运输（军用）：坦克（美国MIA主战坦克，俄罗斯T-80）发电：1）70年代电网大停电，2000年末，美国加州电力微机调峰式，分布式。2）联合循环，单机功率334MW，净效率达56-58％。数据：a、1998年欧洲21个国家的新增电力设备，，81％是燃用天然气的燃气轮机及其联合循环；b、美国能源部估计，1997-2020年之间天然气及其联合循环电站的发电量将增加3倍。（截至98年，占装机总量的10.5％）；c、发达国家每年新增cc占火电新增总量的40-60％。3）分布式发电：同燃料电池(溶融碳酸燃料电池MCFC、固体氧化物燃料电池SOFC)组成的联合循环，效率达70％以上。输气输油：西气东送。第一章综述《燃气轮机装置》课程教案4§1-3现代燃机技术燃气轮机是一项多种技术集成的高技术，按技术特征，工业型燃气轮机可分为四代：过去的半个世纪，世界发展了头两代工业燃气轮机，其传统的提高性能途径是：不断地提高透平初温，相应地增大压气机压比和完善有关部件。未来五十年，可能主要利用新材料和新技术的突破，再开发出两代新的燃气轮机。（1）第一代始自四、五十年代1939年秋，瑞士研制出世界首台4MW燃气轮机发电机组。1949年世界首套燃气蒸汽联合循环发电装置投入运行。五十年代初，透平初温只有600～700℃，那时主要靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约10℃。六十年代后，还藉助于空气冷却技术，透平初温平均每年升20℃。到了八十年代，已把初温升至850～1000℃。第一代技术的特点是：单轴重型结构（航空移植除外），初期高温合金，简单空冷技术，亚音速压气机，机械液压式或模拟式电子调节系统。性能参数特征：透平初温小于1000℃，压比在4-10，简单循环效率小于30%。（2）第二代已达当今最高水平从七十年代开始，充分吸收先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性能，现已开发出一批“F”、“FA”、“3A”型技术的新产品，它代表着当今工业燃气轮机的最高水平：透平初温达到1260-1300℃，压比10-30，简单循环效率36-40%，联合循环效率55-58%。第二代技术特征：轻重结合结构，超级合金和保护涂层，先进的空冷技术，低污染燃烧，数字式微机控制系统，联合循环总能系统。性能参数特征透平初温小于1430℃，简单循环效率小于40%，联合循环效率小于60%。（3）第三代正在研制其主要特征是采用更有效的蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，采用先进工艺（定向结晶，单晶叶片等）进一步改善合金性能，部分静部件可能采用陶瓷材料。应用智能型微机控制系统是一方向。GE公司的GE37是相当于第三代水平的喷气发动机，正在研制，它使用现有超级合金和少量可提供的陶瓷材料，透平初温在1400℃～1500℃，短时达到1600℃。正在研制第三代工业燃气轮机的典型代表是许多公司的H型技术产品，它们采用蒸汽冷却，以保证达到1430℃以上的初温。（4）第四代正在构思对第四代燃气轮机的构思是基于采用革命性的新材料，发动机处于或接近理论燃烧空气量条件下工作，透平初温将大于1600-1800℃，冷却系统可能被取消，现采用的熔点1200℃、密度为8g/cm3的超级合金将被淘汰，新的高级材料应是小密度（5g/cm3）的、有更好的综合高温性能，也许陶瓷材料是一种选择。第一章综述《燃气轮机装置》课程教案5国外主要燃机研发项目：（1）美国IHPTETT和ATS计划：在国际市场上，美国燃气轮机在技术水平和产量方面均具有领先地位，是其在贸易方面保持大量顺差的主要产业之一。为了保持在军务和商业竞争方面的领先地位，美国对下一代燃气轮机的发展，正在投入大量资金，实施多项大的发展计划。如：IHPTET计划：这项为期16年（1987～2003年）的计划是针对航空的要求提出的，要使航空发动机的推重比现有最高水平的基础翻一番，达到20。该项计划的投资为45亿美元。除此之外，近年来美国还有4～5个大中型航空发电动机研制项目。这些，都为美国先进燃气轮机技术的发展提供了技术基础。ATS计划：即先进透平动力系统（AdvancedTubineSystems）计划。由美国能源部主持，政府与工业界共同投资7亿美元历时8年（1992～2000年）的计划，主要目标是：透平初温1427℃，系统效率约60%，以煤为燃料，更好的RAM性能，低水耗，低污染（Nox9ppm，CO10ppm）。（2）美国和欧洲合作的CAGT计划：即先进燃气轮机（CollaborativeAdvancedGasTurbine）合作计划。是一项由美国牵头，美、欧22个部门和公司参加的多国计划，主要是将波音777飞机配装的三种超级风扇发动机（GE90，PW4000和Trent）改为先进的燃气轮机。当前首要项目是ICAD（中间冷却）方案，透平转子前温度为1700～1755K，简单循环效率为45～47%。ICAD是实现更先进的循环-HAT的第一步。HAT循环的热效率可达61～63%。（3）欧共体EC-ATS计划：从80年代中期起，欧共体赞助研究新一代高效率（简单循环效率为40%，联合循环效率为＞60%）的先进燃气轮机（EC-ATS）计划。其研究内容和美国ATS计划的第1和2阶段研究内容相仿。这个计划由一个叶轮机械研究协会（TurboAG）来协调和组织，成员包括ABB，BMW，DaimlerBenz,Rolls-Royce,和Siemens。（4）日本发展高效率燃气轮机：一九七八年，日本通产省工业技术院制订了主要内容为能源技术研究和开展“月光计划”，共有五个项目，第一个就是“先进燃气轮机”。日本的燃气轮机是靠与美国进行技术协作发展起来的，即购买生产许可证仿制美国的产品，而“月光计划”研制的高温高效燃气轮机则完全依靠日本自己掌握的技术来赶超国际水平了，这是日本燃气轮机行业的一个新的起点。另外，日本在开发高温的陶瓷燃气轮机上进展迅速。§1-4我国工业燃机概况重型燃机概况：我国重型燃气轮机制造业始于五十年代末。六十年代至七十年代初，上海汽轮机厂股份有限公司（原上汽厂）、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司（原哈汽厂）、东方汽轮机厂和南京汽轮电机（集团）有限责任公司（原南汽厂）都曾以厂所校联合的方式，自行设计和生产过燃第一章综述《燃气轮机装置》课程教案6气轮机，透平进气初温为700℃等级，与当时的世界水平差距不大。典型机型有1MW、1.5MW、3MW、6MW发电机组，6MW船用机组，3500hp、4500hp机车用机组。七十年代中期，为配合川沪输气管线的建设，由国家计委批准，以南汽为基础，投资1.4亿，并将各地燃机专业人员200余人调入南汽，建设了我国重型燃气轮机科研生产基地。并由原第一机械工业部负责在南汽组织了由全国近百个