燃气轮机装置

第三章燃气轮机装置3.1燃气轮机的发展概况2燃气轮机发展简史959年我国民间开始流行的走马灯•1550年达·芬奇设置在壁炉烟道中的叶轮共同特征是把气体的动能转化为机械功的回转式原动机械。•Thedevelopmentofthegasturbinewascharacterizedbyanumberofpatents.Manyoftheearlydesignswereneverbuilt,andthosethatwerebuiltusuallyproducedextremelylowpoweroutputsifanyatall.2燃气轮机发展简史2燃气轮机发展简史2燃气轮机发展简史2燃气轮机发展简史2燃气轮机发展简史4燃气轮机的优点1结构紧凑，质量轻，重型结构机组单位功率质量为2~5kg／kW，轻型结构机组则低于lkg／kW。2体积小，占地面积小。用于车、船等运输机械时可节省空间作其他用途用。3起动快，从冷态起动至带满负荷，视机组功率的大小及结构型式的不同在数分钟至半小时之间，在紧急情况下很多机组的起动时间可缩短约一半左右。4安装周期短，对于燃气轮机电站，在做好基础设施等准备工作后，燃气轮机发电机可在１-9个月投产。4燃气轮机的优点5运行平稳，可靠性高，大量机组可靠性达99％，即机组的事故停机率仅为1％。6效率高，现简单循环燃气轮机效率最高已达42．9％，而联合循环机组效率最高已达58％，后者是目前各种热力机械中所达到的最高效率值。7污染排放低，其NOX和CO等的排放能低于最新规定的严格标准。8耗水少或者不用水。先进燃气涡轮发动机其它民用产品巡航导弹直升机民用飞机军用飞机发电设备舰船车辆5燃气轮机的应用5燃气轮机的应用６我国燃气轮机的发展上世纪50年代中期开始仿制苏联的发动机仿制成功以后不断地改进和改型中国特色的wp6、wp7系列发动机，用于强五、歼6、歼7和歼8上地面燃气轮机，1500kw-2300kw石油资源有限，燃气轮机电站没有得到推广７燃气轮机的主要优点重量轻、体积小、启动快少用水或不用水便于集中控制适宜燃烧多种燃料润滑油和冷却水消耗少振动和低频噪音小运行维护方便，费用低７燃气轮机的主要优缺点与蒸汽轮机电站比，燃气轮机电站优点金属消耗量可以减少3-5倍厂房占地面积缩小2.5-4倍机组能在10-15分钟内，从冷态起动、加速直到带上全负荷与蒸汽轮机和活塞式发动机比，燃气轮机的主要缺点是油耗率偏高部分负荷条件下，热效率显著下降８燃气轮机的发展方向提高热效率提高燃气温度(初温)•研制高温材料表面保护层：渗铝、铬、钴、陶瓷技术研制特种陶瓷叶片：耐热温度1300-1700℃•改进冷却技术气膜、发散冷却技术降低叶片表面温度500-800℃以25℃/年的速度提高初温８燃气轮机的发展方向提高热效率提高燃气轮机的增压比•提高单级压比采用超跨音速级，级压比1.5-2.0时仍维持尚好的效率正在研究的级压比高达3.5•提高整机压比改善级间匹配，采用可转导叶和双转子，总压比可达35以上８燃气轮机的发展方向提高热效率余热利用•回热利用排气加热进入燃烧室的空气•燃气蒸汽联合循环利用余气产生蒸汽，增加做功量•总能量综合利用热电联供８燃气轮机的发展方向燃烧便宜燃料同时限制污染及腐蚀重燃料处理煤的气化和液化，重油处理(如沉淀、过滤、水洗和加料等)使用核燃料高温快速堆闭式氦气轮机，单机功率1000kw低污染高温燃烧室的研究改善冷却结构和燃烧过程，降低排气中NOX的含量８燃气轮机的发展方向提高燃气轮机变工况的经济性可调静叶多轴轴系回热-采用回热器有利于提高燃气轮机变工况时的经济性闭式循环-流量调节适应工况变化８燃气轮机的发展方向降低材料工艺成本，简省燃气轮机维护特种工艺和设备精铸、多次真空冶炼、定向洁净、粉末冶金、陶瓷冶金、纤维复合材料、高速挤锻、温加工强化、喷丸强化、激光加工、数控加工、电蚀加工、强力旋压、陶瓷或金属等离子喷镀、电子束焊、氩弧焊、激光焊和钎焊等。电子计算机自动监控在全机关键部位布置测点和光纤孔探仪的深测孔，不需开缸就能早期发现问题3.2燃气轮机装置的热力循环3.2.1燃气轮机装置循环的热力性能指标3.2燃气轮机装置的热力循环1．热力参数(1)压比压气机出口气流滞止压力与进口滞止压力之比，即(2)温比指循环的最高滞止温度(透平进口气流的滞止温度T3*)与循环的最低滞止温度(压气机进口气流的滞止温度T1*)之比，即1*2*PP3.2.1燃气轮机装置循环的热力性能指标31**TT2．性能参数(1)装置比功Wn比功用于评定燃气轮机循环做功性能的优劣若忽略压气机与涡轮中流量的差别以及机械损失等，则燃气轮机的比功近似等于涡轮比功wT和压气机比功wC之差，即wnwT-wC比功大者，气耗率小，发出相同功率所需工质流量小，燃气轮机装置尺寸小。(2)装置效率装置效率是指装置输出的有用功与输入的燃料热值之比式中，Hu为每千克燃料的低热值(kJ／kg)；f为燃料空气比，即加给单位质量空气的燃料量。(3)有用功系数为便于比较燃气轮机的相对大小和表明在变工况时装置性能对各部件性能变化的敏感性，有时采用有用功系数。有用功系数是指装置输出的有用功与透平比功的比值，即/1/nTcT/nuWfH排气燃料喷嘴输出轴动力涡轮燃气发生器透平燃烧室轴压缩机进口空气理想简单燃气轮机循环由布雷领(Brayton)于1872年提出。3.2.2理想简单燃气轮机循环燃气轮机循环可看为理想循环的条件（两点假设）：1.工质是空气，可视为理想气体，整个工作过程中空气的比热为常数，不随气体的温度和压力而变化；2.整个工作过程中没有流动损失，绝热过程为等熵，燃烧前后压力不变，没有热损失（排热过程除外）和机械损失。1理想简单燃气轮机循环1-2绝热压缩2-3等压加热3-4绝热膨胀4-1等压放热对单位工质，定常流的能量方程为:hVwhVq20202121q--工质在过程中吸热V0,V--过程进口和出口的流速h0,h—工质在进口和出口出静焓w---工质对叶轮机（压气机或涡轮）作的机械功２理想循环参数(1)理想循环比功1.绝热压缩过程（1-2）)1()(11*1*2*1212kkppcTCTTChhww其中：q12=0；V1=V2地面燃气轮机：整个压缩过程在压气机中完成22212121122121hVwhVq对单位质量工质所作的机械功为：2.等压加热过程（2-3）在燃烧室中完成)()(11*2*3*2323kkppBTCTTChhqq其中：w23=0；V2=V3工质吸收热量为32323222232121hVwhVq---温比=T*3/T*13.绝热膨胀过程（3-4）)11()(11*4*3*4334kkpptTCTTChhww其中：q34=0；V3=V4地面燃气轮机：整个膨胀过程在涡轮中完成42434323342121hVwhVq单位质量工质所作的机械功为：4.等压放热过程（4-1）)1()(11*1*4*1441kkppTCTTChhqq其中：w41=0；V1=V4工质放出热量为12141424412121hVwhVq整个循环中，单位质量工质向低温热源（大气）中放出能量从高温热源（燃烧室）中吸收能量)()(11*2*3*2323kkppBTCTTChhqq)1()(11*1*4*1441kkppTCTTChhqq)1()11(111*kkkkpBTCqqqqwBn亦即：)1()11(111*kkkkpctnTC理想简单燃气轮机循环比功理想简单燃气轮机循环热效率理想简单燃气轮机循环的热效率只与增压比有关。*4****p4111****p3223*21()111()1BTcTTTTqqcTTTTT热效率1*1t*2111TT判断下列理想简单循环的热效率的大小1.T1=20o,T3=1000o,=62.T1=20o,T3=600o,=10判断下列理想简单循环的比功的大小1.T1=20o,T3=1000o,=62.T1=20o,T3=600o,=62112循环净功分析****nTC3221p34p21*********3334242np1p1*******1111311()()()()(1)(1)循环净功*3*1TT循环的增温比为11*np1(1)wcT*n1(,,)wfT在循环增温比一定时，存在一最佳增压比，使得循环净功最大。最佳增压比opt0ddwn利用wt-wc=0令最大增压比max)1(2kkopt1maxkk可见optmax，，。（注意此时热效率并不是最大值。）（2）理想简单循环有用功系数111cTWW愈大，相应的膨胀功愈大，故愈大;而愈大，相应的压缩功愈大，故愈小。3.4.3燃气轮机的理想回热循环理想燃气轮机回热循环—可以提高理想简单燃气轮机循环的热效率。热交换器Mercury50先进燃气轮机流程图燃烧室透平压缩机齿轮箱RECUPERATOR透平排气进口空气理想燃气轮机回热循环利用涡轮出口的排气余热加热压气机出口的空气。由于对进入燃烧室的空气进行了预热，所需燃料量减少，而比功不变，从而使循环的热效率得到提高。122a344a理想燃气轮机回热循环通过回热器后压气机出口的空气温度度由T2上升到T2a。涡轮出口的排气温度由T4下降到T4a。122a344a回热器内热交换的理想状况是T*2a=T*4，T*4a=T*2等压吸热和等压放热过程的热交换量相等，即)()(****2244TTCTTCaapp回热器内热交换的实际状况是T*2aT*4，T*4aT*2实际热交换量低于理想热交换量。回热度---实际热交换量与理想热交换量之比******44**2222422242)()(TTTTTTGCTTGCaapaap理想回热循环，T*2a=T*4，所以回热度。1理想回热循环的加热量为)11()(1***1123kkppTCTTCqa理想回热循环的热效率kknRqw111其中，wn为理想简单循环的比功理想回热循环的热效率kknRqw111一定的条件下，越小，R越高。原因是：增加，R下降。当增加到使T*2=T*4时，排气余热无法利用，理想回热循环退化为理想简单循环。此时的压比定义为临界增压比cr。根据达到临界增压比cr的条件：T*2=T*4，则有：crkkcrkkTT1*31*1)1(2kkcrcrkkR111此时，理想回热循环的热效率为：理想回热循环蜕化为理想简单燃气轮机循环。继续增加，使得cr，此时，T*2T*4，压气机出口气流中的部分热量将通过回热器传给涡轮出口的排气，使得理想回热循环的热效率低于理想简单循环，这是毫无疑义的。增压比达到临界增压比cr３.2.4燃气轮机的理想间冷循环l一2m空气在低压压气机中的压缩过程;2m—1m空气在间冷器中的冷却过程;1m一2空气在高压压气机中的压缩过程;2一3空气和燃料在燃烧室中的燃烧过程;3—4燃气在透平中的膨胀过程;4—1透平排气的放热过程。4.2.5燃气轮机的理想间冷循环)(*2*3TTCqpB在燃烧室中加入的热量为)1/()1(/1111*1*31*11*3kkipkkpkkpniTKTCTCT