第六章燃气轮机设备及系统710(透平).ppt

燃气轮机设备及系统,燃气轮机设备及系统,燃气轮机的结构燃烧室的结构及工作原理燃气透平的结构及工作原理燃气轮机变工况联合循环辅助系统与设备,燃气透平的结构及其工作原理,1.燃气透平的概述2.燃气透平的结构与冷却3.燃气透平的工作原理,1.燃气透平的概述,1.1燃气透平的功能1.2燃气透平的工作过程燃气透平工作条件是高温（1200-1400）、高转速(3000r/min)、压力不高（13MPa）与压气机相比，除了承受相应的机械力外，还承受较高的温度，继而因高温引起一系列问题，如热应力、热膨胀、热变形、热冲击和热腐蚀等。为保证燃气透平安全运行，高温金属部件采用耐高温的合金材料，同时采用有效的冷却技术。气体流动一元稳定绝热流动,透平冷却是关键,1燃气透平的概述1.1燃气透平的功能,燃气透平是利用燃烧室送来高温高压燃气的热能来作功的高速回转式动力机械。其转子带动压气机和外负荷（如发电机）转子一起高速旋转。燃气透平即为热机；高温燃气为工质；对外输出轴功。功能一，将燃气的热能转变为转子的机械能；功能二，带动压气机(2/3)和外负荷（如发电机）(1/3)。,1燃气透平的概述1.2燃气透平的工作过程,1燃气透平的概述1.2燃气透平的工作过程,p0,T0,c0,1燃气透平的概述1.2燃气透平的工作过程,透平的级：将一列静（喷嘴）叶栅和相应的动叶栅组成的将燃气的热能转变为转子的机械能的做功基本单元称为透平的级。多级透平（级）（压力的限制，排气温度500-600）：,2.燃气透平的结构与冷却,2.1燃气透平的结构2.2燃气透平的冷却,GE9FA透平,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,燃气透平示例图,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,过渡轴；压气机后气缸；拉杆螺栓；一级静叶内支撑环；一级静叶；燃气导管；一级静叶持环；透平气缸；一级护环；一级动叶；二级静叶；二级护环；二级动叶；三级静叶；三级护环；三级动叶；排气扩压器；排气扩压机匣；盖板；后轴承前密封；后轴承座上盖；后轴承；后轴承后密封；透平后半轴；三级轮盘；三级静叶内环；二、三级间轮盘；二级轮盘；二级静叶内环；一、二级间轮盘；一级轮盘,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,GE9FA压气机,GE9FA透平,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,GE9FA燃气轮机纵剖图,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,PG9351FA型燃气轮机的透平结构特点：（1）3级轴流式，以短螺栓拉杆组装的整体转子。（2）应用压气机的排气冷却。（3）第1、2级动叶应用空气内冷，并采用真空等离子喷涂保护涂层。第3级动叶不冷却，但应用堆积涂层保护。（4）第1级动叶无围带，第2、3级动叶应用整体的乙形围带。（5）3级静叶都应用空气内冷，第1、2级静叶设计成2叶片块结构，应用真空等离子喷涂合金保护涂层。第3级静叶设计成三叶片块结构，应用堆积涂层保护。（6）轴承：两个可倾瓦支持轴承支承，轴向推力由双销轴推力瓦轴承自行平衡。（7）排气：排气缸应用加长的轴向扩压器，减小了排气速度。降低了排气损失。,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构(西门子公司),V94.2型,V94.2型燃气轮机纵剖面图,1-压气机的轴承箱2-带静叶持环的中心部分3-带中心连杆的压气机和透平转子4-带轴承的排气缸,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构(西门子公司),SGT52000E(V94.2)型燃气轮机的透平结构特点：（1）透平四级轴流式。燃气轮机叶片由高温合金钢制造，动静叶片的前三级涂有涂层防止热腐蚀。（2）透平叶片动叶片是由型线、内围带和叶根组成。扭叶片。围带组成热气体通道的内边界并防止转子轮盘边缘受到过度热冲击。叶根是有两或三个锯齿的枞树形叶根。叶片插入转子轮盘的匹配槽中，并用键将其在轴向锁住。（）静叶包括外围带(外环)、叶型和内围带(内环)。外围带把叶片装入静叶持环并形成了热气体通道的外边界。内围带形成了内边界并装有内密封。（）空气冷却透平。热气体通过一个内缸进入透平第一级。来自压气机的压缩空气在该内缸周围流动进入燃烧室，燃烧室与中间缸通过法兰连接。除内缸外所有其他缸的部件均具有水平中分面，便于维修。（）受压外缸（压气机、透平共用）由以下四部分组成：带整体前轴承座的压气机进气缸压气机静叶持环，作为外缸中间缸，包括压气机静叶持环II、III和透平静叶持环排气缸,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构(西门子公司),（）与压气机进气缸为整体的前轴承座装有联合径向/推力轴承。排气缸由一个锥形外壳和内缸（含径向轴承）组成。（）转子将压气机段和透平段连接在一根轴上，并在两端的轴承支撑。转子是由单个的轮盘和一根前、中、后空心轴组成。空心轴和轮盘用一个中心拉杆拉紧在一起。单个部件间用端面齿对中，可自由地径向膨胀和传递力矩。中心拉杆在某些部位通过嵌入轮盘内的环来拉紧。（）轴承：燃气轮机压气机和透平有同一主轴，在缸内由一个压气机进气端径向/推力联合轴承和一个透平出口端径向轴承定位，均为水平中分面式。（）盘车：液压马达与发电机的前端用法兰相连。它的功能是在燃气轮机停机后转动燃气轮机转子，从而防止因不均匀冷却导致转子变形。为了形成轴承中带负荷的油楔，防止半液体摩擦，要求盘车有最小速度。液压马达用来自顶轴油泵的润滑油运行。,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构(西门子公司),V94.3A型,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构(西门子公司),V94.3A燃气轮机纵剖图,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构(西门子公司),2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构(西门子公司),SGT54000F(V94.3A)型燃气轮机的透平结构特点（1）透平为4级轴流式中心拉杆式整体转子。转子将压气机段和透平段连接在一根轴上，并在两端的轴承支撑。转子是由单个的轮盘和一根前、中、后空心轴组成。空心轴与轮盘和轮盘与轮盘间用端面Hirth齿相啮合对中用一个中心拉杆拉紧在一起。可自由地径向膨胀和传递力矩。（中空轴为个扭力盘结构。）（2）透平应用压气机的抽气和排气冷却。需要冷却透平的前三级叶片。冷却空气通过叶片根部送到这些叶片中去。第1 级动叶使用对流、冲击和气膜式冷却混合的方法。第2 级动叶的前沿也用气膜冷却。第3 级动叶由一股冷却空气经过三个通道而冷却，冷却空气在叶片顶端流出。第4 级动叶没有冷却，但是叶片型面部分的外侧的三分之二长度是空心的，以增加刚性。这些叶片镀铬来防止热腐蚀。（3）第1-3 级动叶所有叶片型面内、外有涂敷防止氧化和腐蚀防护层，在吸力面和压力面在这层保护膜上还有一层隔热层。（4）所有透平动叶均为自由叶片，枞树型叶根，可以拆卸/安装而不需要拆卸转子。（5）排气：轴向排气。（6）液压盘车装置。,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,静子（1）气缸透平气缸是整台机组的承力骨架，承受机组的重量、燃气的内压力及其他作用力。透平气缸包括气缸本体和排气缸。气缸本体 通常为双层缸，（一般与压气机共用一个外缸）目的是将承力件和承热件分开。因为采用双层缸结构，可以在双层缸夹层通入冷却空气，即外缸工作温度低主要承力，内缸受力小，主要承热，承力件由于温度低，可选用较差的材料，承热件由于受力小可设计的较薄，因此，1.可以节省优质耐热钢材；2运行工况变化时，承热件热应力较小且抗热冲击能力较强，3.有利于机组的快速启动。透平排气缸 透平排气缸包括框架和排气扩压器两部分，由内外两层气缸组成，内缸为圆筒形，外缸为扩散形的圆筒面。两者间由径向支柱连接两层之间为乏气通道，支持轴承设置在排气缸内层气缸中，排气扩压器为拼焊结构，位于透平的最后端。,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,（2）静叶、静叶环透平静叶又称为喷嘴，其作用是使高温燃气在其中膨胀加速，即将燃气的热能转换为动能。静叶及静叶环可以安装直接装配在气缸上采用持环和护环的结构将持环装在气缸上（构成双层缸），静叶周向装入持环中，内缸简化为圆筒形。大机组一般采用焊接静叶环（分段内环且焊有气封片；半环或整环外环）工作条件差，设计要求为：耐高温、耐热腐蚀；热应力小；耐热冲击；足够的刚度和强度。首先考虑材料的性能耐高温、耐热冲击，耐热腐蚀；第二，考虑采用叶片冷却技术；第三，采用空心铸造叶片，有利于叶片冷却和叶片厚度减薄。第四，采用精铸透平静叶组，以提高叶片刚度。（如MS9001E透平采用静叶组，一级为两叶组18个扇段36片静叶，二级为三叶组16个扇段48片静叶，三级为四叶组16个扇段64片静叶）,Company Logo,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,气 缸,转 子,三级静叶,三级动叶,PG9351FA型三级喷嘴,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,PG9351FA型第一喷嘴组组装图,第二喷嘴组,第三喷嘴组,静叶气封,静叶气封的作用：防止静叶顶部漏气，提高级效率；流经气封空气冷却转子。,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,护环的作用：保护气缸不被高温燃气热冲击。,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,转子转子是透平转动部分的总称，由透平轴、轮盘（叶轮和级间隔离块）、动叶和连接件等组成。其作用是汇集各级动叶栅所得到的机械能，并把它传递给从动机械的转子。（1）转子的分类鼓筒式转子盘式转子盘鼓筒式转子（广泛应用）焊接转子螺栓连接转子GE公司外围拉杆转子和西门子公司的中心拉杆转子西门子公司的V94.2型、V94.3A中心拉杆转子，轮盘间及与中空轴之间以端面H齿对中和传扭矩，用一根长的中心拉杆螺栓把所有的透平轮盘、中空轴、压气机轮盘和前后半轴等压紧连成一体。V94.3A改进型中空轴为三个扭力盘组成。,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,（）叶轮和级间轮盘GE公司透平设置级间轮盘（间隔定位的作用）。9E型外围长拉杆螺栓连接；9FA型外围短拉杆螺栓分段连接。,西门子公司透平无级间轮盘。叶轮轮盘间Hirth齿啮合。,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,（）动叶透平动叶的作用将高温燃气的热能和动能转换为转子的机械能。高温高转速的工作条件，是决定机组寿命的主要零部件之一。动叶由叶身、叶顶和叶根组成。设计为扭叶、空心叶片。叶根一般为枞树型，长柄叶根，轴向装配。,PG9351FA型三级动叶,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,第一级动叶组装图,PG9351FA型一级动叶照片,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,PG9351FA型一级动叶照片,枞树型长柄叶根,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,2.燃气透平的结构与冷却2.1燃气透平的结构,长柄叶根的优点：减少了叶片对轮盘的传热，在配合空气冷却后，可大大减少叶根齿与轮缘的温度。改善了叶根齿中第一对齿的承载条件和叶根应力不均匀程度，因为可取较大的R值。合理地使用材料。镍基合金在650810出现“塑性低谷”现象。（应用长柄叶根结构，“塑性低谷”现象正好出现在长柄区，长柄部分的应力状况比叶根齿处简单，又不承受冲击载荷，材料韧性差问题不大。）,枞树型叶根的优点：多对齿承力，强度好，承载能力大。尺寸紧凑，叶根形状呈楔形，接近等强度，质量较轻。采用有间隙的松装结构，能自由热膨胀，可让冷却空气从间隙中流过，增强对叶根肯轮缘的冷却效果。拆装方便。,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,冷却介质开式空气冷却 开式空气冷却系统目前被广泛应用在燃气透平中，冷却空气从压气机引出，对透平需要冷却部位进行冷却后排入透平通道的燃气中。优点是系统比较简单，结构上容易实现。缺点是引用了部分经过压气机压缩的空气，会带来额外损失和做功量的减少。而且随着增压比的增加，冷却空气温度提高，冷却效果变差。闭式蒸汽冷却闭式蒸汽冷却是从外部引来蒸汽对透平冷却后再回到外部，即冷却蒸汽与燃气隔绝而不流入燃气中。与空气冷却相比优点：消除了冷却空气掺混到燃气中导致燃气温度降低，增大了燃气的做功能力；无冷却空气掺混到燃气中引起对气流的扰动，消除了因扰动引起的损失；不需要从压气机中引空气来冷却叶片，避免了冷却空气的损失。缺点：冷却通道中发生积垢和腐蚀；冷却蒸汽的引进引出会引起蒸汽的泄漏损失。,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,叶片冷却方式对流冷却：通过空心叶片壁面对流换热冷却方式。冲击冷却：将冷却空气从叶片内部直接吹到需要加强冷却的部位，以增强该部位的冷却效果的方式。冲击冷却是对流冷却的特殊形式。气膜冷却：将冷却空气通过一排小孔流至叶片外表面形成气膜，达到良好的冷却效果的方式。综合冷却将气膜冷却和对流冷却两种冷却方式联用或将气膜冷却、对流冷却和冲击冷却三种冷却方式联用的方式。,工作叶片金属材料温度不能超过800,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,转子的冷却方式空气沿叶轮侧面径向对流冷却空气通过具有长颈叶根的空腔时所进行的对流冷却空气通过喷嘴射流撞击冷却轮缘空气通过叶根槽道对流冷却静子的冷却方式 一般采用静叶环和动叶护环与气缸连接的根部沿圆周上开有纵向冷却气孔的结构，以通空气冷却。内外缸夹层通冷却气流。,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,Company Logo,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,PG9351FA型一级动叶和一级喷嘴的冷却,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,PG9351FA型,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,V94.2 第1、2级静叶片冷却,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,V94.2 第1，2级动叶片冷却,Company Logo,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,PG9351FA型动叶冷却空气来源,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却(GE9FA燃机透平冷却),Company Logo,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,PG9351FA型冷却和密封空气管道,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,静子的冷却：级静叶冷却，冷却空气来自压气机排气经燃烧室的过渡段周围引来流入静叶。一部分从静叶下部流入静叶前腔，冷却静叶并从前部小孔排至燃气中；另一部分从静叶上部流入叶片后腔，冷却静叶并从后部的小孔排至燃气中，这部分冷却空气还有一小股去冷却级护环。级静叶却冷，冷却空气来自压气机第级引来流入静叶。冷却静叶后从静叶内环前端开孔吹出。级静叶冷却，冷却空气来自压气机第级引来流入静叶。冷却静叶后从静叶内环前端开孔吹出，冷却级叶轮出气侧和级叶轮进气侧。转子的冷却：来自压气机排气轴封漏气冷却级叶轮进气侧；来自冷却级静叶后从静叶内环前端开孔吹出冷却空气，冷却级叶轮出气侧和级叶轮进气侧。来自冷却级静叶后从静叶内环前端开孔吹出冷却空气，冷却级叶轮出气侧和级叶轮进气侧。来自压气级第级的冷却空气经转子内部流到进入透平，一部分分别叶根处流入级和级动叶内部冷却动叶后排至燃气中，另一部分分别从三级叶轮两侧流出去冷却该级轮毂。,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,蓝色冷却空气去静叶片绿色冷却空气去动叶片,V94.2燃气轮机叶片冷却空气供气,12级后,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,V94.2型燃气轮机透平冷却（）前两级动叶片采用空气冷却。第一级动叶为中空铸造叶片，内部有气孔以便冷却空气通过。冷却空气通过在叶根处的径向孔进入叶片内部，从尾翼的孔排出。第二级动叶片内部有若干扩展径向孔，冷却空气从叶根底部的孔进入叶片内部然后从叶顶气孔排出。（）第一级动叶片的冷却空气来自压气机末级下游。其他级的冷却空气来自压气机第12级下游。它们通过中空轴进入轮盘上的气孔最终进入各级叶片。然后用来冷却第2级叶片和第2，3，4级内围带。叶根冷却空气释放到热气体通道内在轮毂上形成一层冷却气膜。该冷却空气循环可以确保在转子各处被气膜包围，冷却转子。,（）静叶1-3级为中空型并空气冷却。第1、2级静叶带有改进的冷却气孔。冷却空气通过尾翼的气孔释放出来。（）透平第一部分（第1、2级）的冷却和密封空气自压气机流向燃烧室。通过静叶持环和第1、2级静叶各自外围带形成的环形腔室进入静叶，同时冷却外围带。一部分第2级的叶片冷却空气还用来冷却内围带和密封。（）透平第二部分（第3、4级）冷却空气来自压气机第10级后环形腔室。它进入第3、4级静叶及其外围带组成的环形腔室，然后进入第3级静叶。,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,5级后,压气机排气,9级后,压气机排气,13级后,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,V94.3A型燃气轮机透平冷却(1)燃机转子是内冷却的压缩空气从压气机引出，以冷却透平动叶。从压气机出口引出的空气经过中空轴供给到第级透平动叶片。、级透平动叶片的空气压力和温度都较低。冷却空气流通过两级不同压气机轮盘上的孔进入转子内部并流过后面压气机叶轮毂上的孔，通过末级压气机轮盘与首级透平轮盘间的管道再经过透平轮盘毂的孔到达第2、3、4透平级。然后冷却空气进入燃气流形成一层冷空气薄膜，该空气薄膜环绕轮毂冷却叶根。冷却空气的流动保证了转子轮盘，支撑单元都在冷却空气包围中,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,级、级动叶表面涂有防止氧化和腐蚀的保护层，再加一层隔热层。级动叶表面只涂有防止氧化和腐蚀的保护层。级动叶镀铬防止热腐蚀。、级动叶还提供了内表面保护，提高抗氧化腐蚀能力。,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,(2)动叶冷却：透平前三级动叶需要冷却，第四级动叶不需要冷却。冷却空气通过叶片根部进入叶片内。第级动叶，冷却空气来自压气机排气经中空轴至动叶根部。应用对流、冲击和气膜三种联合的综合冷却方式。第级动叶，冷却空气来自压气机中部（级）叶轮间隙经中空轴至动叶根部。应用对流和气膜两种联合的综合冷却方式。第级动叶，冷却空气来自压气机前部叶轮间隙经中空轴至动叶根部。应用对流冷却方式。,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,2.燃气透平的结构与冷却2.2燃气透平的冷却,(3)静叶冷却：四级静叶片都是空心铸造并采用空气以不同的方式冷却。级静叶冷却，冷却空气部分来自压气机排气，外围带和叶片后面的冷却空气经静叶持环由冷却空气入口径向进入叶片内部。叶片前面和叶根板的冷却空气来自防护罩和燃烧室毂之间的轮毂末端。叶片前面、外围带和叶根通过对流和冲击两种方式组合冷却。冷却空气流经叶片上的大量冷却小孔，在后面直接冲击叶片的内表面并通过叶片表面的孔与热气流混合。从孔中流出的冷却空气形成气膜。叶片后面采用对流冷却，冷却空气一部分经叶片表面的气膜冷却孔，另一部分经后沿的槽汇入热气流。级静叶冷却，冷却空气来自压气机末级排气从外缸经静叶持环由冷却空气入口径向进入叶片。只有内围带的入口和叶片顶端是冲击和气膜冷却。叶片的其余部分通过曲折而多通道的对流冷却。流出空气一部分与燃气汇合，另一部分作为密封空气。级静叶冷却，所需要的冷却空气来自压气机级后从外缸经静叶持环由冷却空气入口径向进入叶片。叶片通过曲折的多通道对流冷却。4级静叶冷却，所需要的冷却空气来自压气机级后从外缸经静叶持环由冷却空气入口径向进入叶片。并且作为单独的气体流向密封环对流冷却，以冷却叶根并形成迷宫密封。,3.燃气透平的工作原理,3.1概述功能、分类、基本结构3.2轴流式透平级的工作原理轮周功、轮周效率、速度比3.3多级透平特点、轴向推力、透平特性参数3.4透平变工况透平的通用特性曲线,3.燃气透平的工作原理3.1概述,燃气透平：是以燃气做为工质，将工质的热能转换为转子的机械能的旋转式原动机。燃气透平透平级的概念：一列静叶栅（或称喷嘴叶栅）和其后面的一列动叶栅共同构成的将工质的热能转换为转子的机械能的做功基本单元称为轴流式透平的级。单级透平：整台透平只有一个“级”多级透平：整台透平包含有几个“级”一般轴流式燃气透平采用多级。(34级)基元级：透平的级由许多基元级沿叶高方向叠合而成。以平均直径处叶高为基准的基元级分析讨论：将平均直径处的环形叶栅展开成平面叶栅，由喷嘴和动叶的平面叶栅组成的级，称为基元级。,轴流式透平,径流式透平,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,三个特征截面：0-0喷嘴进口；1-1喷嘴出口；2-2工作动叶的出口。,透平级中状态参数的变化,动叶中,静叶中,dm,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,反动力除了在喷嘴中膨胀加速外，燃气进入动叶栅中继续膨胀而加速；加速气流在流出动叶栅时，会对动叶产生反动力，同样会使叶轮旋转而获得机械功。这样叶轮旋转作功，既依靠高速气流的冲击力，又靠加速气流的反动力。工作叶片进出口气流的压力降低和相对速度提高，P2 w1工作动叶片的通道一般是收敛的.,冲动力燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不再膨胀；依靠高速气流产生对动叶的冲动力来使叶轮旋转作功。工作叶片进出口气流的压力和相对速度几乎不变，即P1p2，w1 w2工作动叶片的通道一般是等截面的。,冲动式动叶叶型,反动式动叶叶型,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,基元级动叶进、出口速度三角形动叶的圆周速度：,一般进口已知,出口已知,如果工作叶轮以圆周速度u旋转的话，那么气流的绝对速度c就是其相对速度w和圆周速度u的矢量和，即,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,注意:(1)静叶在前,动叶在后;(2)叶片间通道截面渐缩;(3)叶片运动方向由叶腹叶背;(4)叶片厚实且弯曲角大。,u,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,喷嘴 0-1燃气流过喷嘴后，压力降低、温度下降，流速c增加；喷嘴相当于一个静止喷管（减压增速），流道截面逐渐收敛。,动叶进口处 1-1气流以速度c1和气流角1自喷嘴流出；动叶栅以 u 旋转；那么气流以相对速度w1与进气角1进入动叶栅。,一般1=1420,静叶,动叶,u,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,动叶出口处 2-2动叶栅通道收敛，气流流过膨胀加速，则压力降低、相对速度w2增加；且气流方向改变、转折较大，出气角21；那么气流以绝对速度c2流出动叶栅，与叶栅额线的夹角为2。,静叶,动叶,u,一般1=1420,基元级叶栅和动叶进出口速度三角形,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,注意：一般c2x c1x（c2x c1x）；气流转折角很大（90），进出口速度三角形是分开的；一般进出口圆周速度u1u2。（轴流级u1 u2=u）,基元级的动叶进出口速度三角形,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,基元级动叶进出口各速度的确定,气流速度的变化是反映能量转换的重要表达式。通过基元级内的能量转换情况来确定气流速度。,喷嘴出口气流的理想绝对速度：,喷嘴出口气流的实际绝对速度：,动叶出口气流的理想相对速度：,动叶出口气流的实际相对速度：,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,基元级比功、轮周功率,Pu=uFu,Pu 轮周功率,力的单位：N比功的单位：J/kg 或 kJ/kg功率的单位：W 或 kW,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,基元级的反动度及热力过程线,hs*,kJ/kg.K,基元级热力过程焓熵图,基元级的运动反动度：气流通过动叶时静焓的变化与滞止焓变化的比值为基元级的运动反动度。,基元级的热力反动度：气流通过动叶时等熵焓降与基元级滞止等熵焓降之比为基元级的热力反动度。,基元级膨胀比：,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,基元级的特性参数,(1)流量系数：进入动叶栅的气流轴向分速度与圆周速度的比值称为流量系数。圆周速度u一定时，大，大流量高速透平的特征之一，气流轴向分速度大减小叶片高度；小，小流量透平叶片做的尽量高些，减小叶片的二次流损失。(2)载荷系数：基元级的比功与圆周速度的平方的比值称为载荷系数。表示基元级的做功能力。圆周速度u一定时，大，说明w大。(3)速度比、理想速度比：(4)等熵膨胀效率、等熵膨胀滞止效率（基元级轮周效率）：,适用单级或末级,适用于中间级余速利用效率提高,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,透平级空间气流的组织当径高比dm/l小于时，长叶片级相同转速下的叶顶直径、平均直径和叶根直径处的圆周速度相差很大，沿叶高增加。叶栅的节距（相对节距）沿叶高增大。直叶片级损失较大，扭叶片,叶片几何入口角1p与气流进气角1之差为冲角i,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,透平叶栅的几何参数与气动参数,主要的几何参数,叶型参数中弧线弦线叶型弯角180(1p+2p)几何入口角1p和几何出口角2p弦长b出口边厚度,叶栅参数节距t相对节距t/b安装角a叶栅的轴向宽度bz冲角i=1p和落后角=22p径高比dm/l相对叶高l/b,叶栅气动参数气流出气角2或2压力分布曲线能量损失系数,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,透平级中的能量损失与效率,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,透平级中的能量损失,叶型损失,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,透平级的内功率和内效率,级内有效焓降：,级的内效率：,级的内功率：,漏气损失等,余速利用,余速未被利用,3.燃气透平的工作原理3.2轴流式透平级的工作原理,轮周效率与速度比,纯冲动级（反动度为0）：,典型反动级（反动度为0.5）：,3.燃气透平的工作原理3.3多级透平,由一系列透平级串联组成。每一级都有压力降，透平中压力逐级降低；气流绝对速度在每一级喷嘴中得到提高，而在每一级工作叶栅中得到利用。具有重热现象，多级透平效率比单级的高。能实现余速利用。应用较多。,3.燃气透平的工作原理3.3多级透平,多级透平的热力过程线和相对内效率,整个多级透平的理想焓降,整个多级透平的实际（有效）焓降,多级透平的内功率,多级透平的相对内效率,多级透平热力过程线,3.燃气透平的工作原理3.3多级透平,多级透平热力过程线,i,i,3.燃气透平的工作原理3.3多级透平,多级透平的余速利用余速不被利用：余速利用：,3.燃气透平的工作原理3.3多级透平,多级透平的排气扩压利用最后一级排气的余速动能，在排气扩压器中，排气速度降低，压力提高。从而可以使末级出口压力降低，使透平的效率提高和功率增加。,3.燃气透平的工作原理3.3多级透平,多级透平的轴向推力轴向推力的产生：平衡轴向推力的措施：,（）透平和压气机轴向推力相反布置（）设置平衡活塞（）设置推力轴承,多级透平性能的主要参数,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,透平的工况设计工况：设计透平时，根据一组确定的工况参数来计算出几何尺寸和相应的性能，这种工况称为设计工况。非设计工况（变工况）：偏离设计工况运行。变工况启动过程特点：转速小于额定转速（级圆周速度u小于相应的额定值）膨胀比小于额定膨胀比流量小于额定流量,透平所带负荷有变化（启动、停机、调峰等）,环境参数的变化,流量、透平的初温、初压、排气温度、透平的膨胀比及转速变化,透平变工况性能曲线：透平性能的基本参数（流量、功率和效率）与决定透平工作的状态参数（转速、透平的初压、初温和膨胀比）的关系曲线，称为透平变工况性能曲线。,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,级的圆周速度u与喷嘴出口的实际速度c1匹配情况匹配情况,速比x1=u/c1不变。等于设计值，动叶进口速度三角形与设计工况相似。冲角为。,透平变工况通用性能曲线：透平性能的基本参数（流量、功率和效率）与决定透平工作的状态参数（转速、透平的初压、初温和膨胀比）的关系曲线，称为透平变工况性能曲线。按相似准则绘制的性能曲线为通用性能曲线。,速比x1=u/c1变小。小于设计值，动叶进口速度三角形与设计工况不相似。冲角为正。气流在叶片的背弧产生分离，气流在叶片的内弧产生撞击，级内损失增大，级的内效率减小，透平效率减小。（冲角i1215度）,速比x1=u/c1变大。大于设计值，动叶进口速度三角形与设计工况不相似。冲角为负。气流在叶片的内弧产生分离，气流在叶片的背弧产生撞击，级内损失增大，级的内效率减小，透平效率减小。（冲角i-20-25度）,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,相似原理在透平中的应用,准则数,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,临界压比(气流速度达到当地音速),(T*)max,GT 即为qT,透平级的通用特性曲线,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,流量特性线当转速不变，膨胀比T*达到临界比值时，流量达到最大值。若继续增大T*值，则最大流量值保持不变，级的通流部分出现堵塞现象。在相同的膨胀比下，转速降低，会使流量有所增加，但影响相当小。,效率特性线在一定的转速下，与最佳速度比相对应的膨胀比(T*)为最佳，透平效率最高。当膨胀比增加或减少时，都使速度比偏离最佳值，导致流阻增大，效率下降。转速降低时，效率曲线向膨胀比减小的方向移动，相应的最高效率也有所减小。,最佳膨胀比：在一定的相似转速下，对应透平效率最高时的膨胀比。转速提高，最佳膨胀比增大，透平最高效率增大。,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,透平级的变工况,变工况中级的反动度的变化,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,工况变化时透平扭矩的变化,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,工况变化时透平扭矩的变化,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,多级透平的变工况,变工况前后均未达到临界时，应用弗留格尔公式：,变工况前后均达到临界时，应用弗留格尔公式：,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,多级透平的变工况,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,多级透平的变工况,3.燃气透平的工作原理3.4透平变工况及性能曲线,多级透平的变工况,思考题,1.V94.3A燃气透平的结构特点。2.燃气透平的功能。3.燃气透平本体由哪些主要部件组成。4.解释燃气透平气缸通常采用双层缸的原因。5.透平冷却常用的冷却介质有哪几种？分别说明其特点。6.叶片冷却方式有哪几种？7.举例说明燃气透平的冷却过程。8.燃气透平的级，基元级的反动度（运动反动度、热力反动度）。9.基元级的特性参数（反动度、膨胀比、流量系数、载荷系数、速度比和轮周效率）10.透平级内损失有哪些？什么是透平级的内效率？11.什么是多级透平的相对内效率和内功率？12.什么是多级透平的重热现象和重热系数？影响重热系数的大小的因素有哪些？13.平衡多级透平轴向推力的措施有哪些？14.多级透平的主要参数有哪些？15.多级透平通用特性曲线及其特点。16.透平级通用特性曲线(流量曲线和效率曲线)及其特点,