燃气轮机及其热力循环 课件.ppt
燃气轮机与发动机涡轮增压与配合技术主讲：王兆文 成晓北,1,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,2,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（2学时）第六章 排气能量的利用（2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（3学时）第九章 涡轮增压柴油机数值模拟计算（4学时）第十章 涡轮增压系统设计（2学时）,3,六、参考教材（1）涡轮增压器原理及应用朱大鑫编著，机械工业出版社，1995年第1版；（2）内燃机增压，朱梅林主编，华中科技大学出版社，2002年；（3）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；（4）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；,4,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，并通过行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,5,燃气轮机理论循环,燃气轮机：等压燃烧,压气机连续地从大气中吸入空气，并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气；高温燃气流入燃气轮机中膨胀做功，推动燃气轮机叶轮带动压气机叶轮一起旋转，并对外做功。,6,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,燃气轮机：等压燃烧,7,陆用双轴燃气轮机1-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：1.结构离心式压气机，轴流式涡轮,8,某一舰用燃气轮机示意图,轴流式压气机，轴流式涡轮,9,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,10,2.分类：a.绝大部分热能转变为机械能：涡桨：亚音速飞机，速度900km/h的中低速飞机。巡逻机，教练机，反潜机等。涡轴：速度400km/h的直升机，军舰，汽车，发电机组等。b.绝大部分热能转变为尾气动能：涡喷：现代航空用发动机的主流机型。涡扇：推力较大的一种涡喷燃气轮机，适合飞行速度 400至1,000km/h。涡扇比涡喷工质流量大、喷射速度低、推进效率高、耗油率低、推力大。,11,涡桨：亚音速飞机，速度900km/h的中低速飞机，巡逻机，教练机，反潜机等。,12,涡桨：亚音速飞机，速度900km/h的中低速飞机，巡逻机，教练机，反潜机等。,13,涡轴：速度400km/h的直升机，汽车，发电机组等。,14,涡轴：速度400km/h的直升机，汽车，发电机组等。,欧洲NH-90直升机,15,涡轴发动机自升飞机内部结构,16,发电机组用燃气轮机-涡轴发动机,17,涡喷：现代航空用发动机的主流机型。,18,涡喷：现代航空用发动机的主流机型。,19,涡扇：推力较大的一种涡喷燃气轮机，常用做大型客机动力。,20,21,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,22,三、两种内燃机优缺点比较及它们的复合形式 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。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；压缩比低。（2）能量转换方式不同：燃气轮机，热能动能机械能 活塞式：热能机械能,最高压力低,能量转换复杂,23,（3）最高燃气温度不同：燃烧温度低，燃气轮机燃烧区最高 温度2000，活塞式2500。为了 可靠性，燃气轮机要用冷空气掺混，做功工质平均温度较低。12001350 受制于叶片材料的耐热能力。（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,等容度低,最高温度低,24,多级轴流式压气机特性曲线 压气机相对转速,压气机设计状态的转速,燃气轮机的变工况性能差 无论是压气机，还是涡轮机，其叶轮结构只有在设计工况下，流动损失最小，热效率最高。在实际运行中，性能变化，而结构参数不变，使得各种流动损失增加。当燃气轮机工作工况偏离设计工况时，燃气轮机性能显著变差。,25,4.两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。,26,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密度的目的。同时，发动机燃烧温度高，燃烧压力高带来的热效率高这个优势得以保留。另外，涡轮增压，利用的工质为排出气缸的废气，使得热能进一步利用，进一步提高了工作循环的热效率。,27,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，以后又有奥迪的1.8（即Turbocharged，涡轮增压），直至最新的帕萨特1.8。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。,28,四、燃气轮机的现状与趋势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,29,（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，,30,2.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。,31,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。,32,五、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,33,理想简单循环四个工作过程的计算公式：等熵压缩 12：等压加热 23：等熵膨胀 34：等压放热 41:理想简单循环的比功：P137理想简单循环的热效率：P137,34,2.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 目前，压气机和涡轮机效率的范围一般为：轴流式压气机：c0.850.9；涡轮机：T=0.850.92；离心式压气机：c0.750.85；向心式涡流机：T0.750.88；,35,3.回热循环 燃气轮机的排温很高，一般为400550，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，再次吸收部分排气能量，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。循环原理及循环T-S图见P139，图6-6,36,4.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压气机LC和高压压气机HC两个部分.循环原理及循环T-S图见P140，图6-9 间冷循环的目的是增加机组净功，但热效率会有所降低。,37,5.再热循环 在膨胀过程中间，把工质引入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涡轮HT和低压涡轮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。循环原理及循环T-S图见P141，图6-10 再热循环的目的是增加机组净功，但热效率会有所降低。,38,6.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。循环原理及循环T-S图见P141，图6-11 实际的间冷再热循环燃气轮机一般是双轴甚至是三轴的。,39,7.带回热的复杂循环 同时具有回热和间冷循环或再热循环，其热力循环图形比上述循环面积进一步增大，即能提高比功又能增大热效率。（1）间冷回热循环：增大传热温差。（2）再热回热循环：增大传热温差（3）间冷再热：增大高温端，降低低温端，最大限度的增大温差 系统复杂，易出现故障。,40,8.燃气轮机的燃烧组织与燃烧室结构（1）燃烧室结构类型,41,42,（2）燃烧过程的特点与组织 燃料在流动的空气中连续不断与空气混合、雾化与燃烧。特点：高气流速度，高过量空气系数；高温、高燃烧热强度、运行参数变化强烈，燃用多种燃料。燃烧室要求：1.点火可靠，燃烧稳定 2.重量轻，尺寸小，寿命长 3.排放少，NOx，CO等,43,点火可靠，燃烧稳定 组织合理的气流速度场：扩压：速度由120135m/s降低到1525m/s；分流：1530%的为一次空气，直接燃烧；二次空气冷却火焰管；旋流器：利于可燃混合气的形成和燃烧的稳定性。组织合理的燃料浓度场：高压喷油器 旋流器,44,
