燃氣輪機原理精講2023/7/19燃氣輪機原理精講第一章 概論 1-1燃氣輪機簡介 1-2燃氣輪機的發展

1-3燃氣輪機的應用

1-4燃氣輪機的未來1-5燃氣輪機的分類 1-6燃氣輪機涉及的主要學科 1-7燃氣輪機的設計過程第二章 燃氣輪機循環理論 2-1燃氣輪機循環主要性能指標 2-2理想燃氣輪機循環

2-3實際燃氣輪機循環 2-4復合燃氣輪機循環第三章 燃氣輪機熱力計算 3-1熱力計算的目的 3-2燃燒室計算方法 3-3熱力計算的步驟 3-4熱力計算的舉例第四章 相似理論 4-1相似準則 4-2相似參數與換算參數課程內容燃氣輪機原理精講第五章 燃氣輪機部件特性 5-1軸流壓氣機特性 5-2透平特性 5-3燃燒室特性 5-4徑向壓氣機、向心渦輪特性第六章 燃氣輪機變工況性能計算 6-1燃氣輪機部件特性的處理 6-2燃氣輪機部件間的匹配 6-3變工況性能計算方法 第七章 燃氣輪機過渡工況 7-1燃氣輪機起動過程 7-2燃氣輪機加速過程 7-3燃氣輪機減速過程 7-4燃氣輪機加減速過程參數控制第八章 燃氣輪機性能仿真 8-1仿真方法 8-2計算實例燃氣輪機原理精講教學參考書1、燃氣輪機裝置 沈炳正機械工業出版社2、燃氣輪機原理與性能翁史烈上海交通大學出版社3、燃氣輪機工作原理及性能朱行健王雪瑜科學出版社4、燃氣輪機循環理論佐滕豪5、GasTurbineTheory H.Cohen,G.F.Rogers,H.I.H.Saravanamuttoo參考書目燃氣輪機原理精講第一章概論1.1燃氣輪機的組成及工作原理SimplegasturbinesystemC-compresserT-TurbineB–Combustionchamber燃氣輪機原理精講燃氣輪機原理精講燃氣輪機原理精講1-2燃氣輪機的發展公元前150年埃及哲學家Hero發明了一個玩具－－汽轉球(Aeolipile）1629-GiovanniBranca利用蒸汽驅動渦輪旋轉磨粉機1687IsaacNewton

－－蒸汽貨車燃氣輪機原理精講1791JohnBarber第一個利用現代燃氣輪機的熱力學原理申請的設計專利1872-Dr.F.Stolze(1836-1910)設計了真正的第一臺燃氣輪機，具有多級渦輪和單級的壓氣機，但并沒有靠自身動力轉動起來1914-CharlesCurtis檔案記載的應用燃氣輪機第一人(1864-1949)

AegidiusElling1882開始設計GT；1884獲得專利；11馬力，六級離心式壓氣機，可變葉片擴壓器，級間噴水；帶有回熱器；蒸汽與燃氣混合進入噴嘴；一級向心透平；回熱透平；T3=500C；44馬力；具有了4軸的想法;燃氣輪機原理精講1930FrankWhittle1930年申請了第一個用于噴氣推進的燃氣輪機專利1941年第一臺安裝在飛機上的燃氣輪機誕生（速度＝370MPH，1000磅推力）

1939－HansvonOhainandMaxHahn第一架噴氣式飛機（HE-178）1100磅推力，400MPH速度；采用離心壓氣機，后改用軸流壓氣機燃氣輪機原理精講發電設備功率：50MW效率：40%功率/重量、功率/體積最高的動力形式-燃氣輪機發電設備功率：5萬千瓦效率：40%功率/重量、功率/體積最高的動力形式-燃氣輪機燃氣輪機原理精講占地面積小；高效、環保；21世紀最具競爭力的發電方式；占地面積小；高效、環保；21世紀最具競爭力的發電方式；燃氣輪機原理精講海軍艦船燃氣輪機原理精講機車車輛英國98年研制4000馬力機車英國98年研制4000馬力機車燃氣輪機原理精講1999年1月-2000年6月世界燃氣輪機裝機容量燃氣輪機原理精講

燃氣輪機的未來--燃氣輪機+熱交換技術（換熱器）燃氣輪機原理精講渦輪入口溫度的提高燃氣輪機原理精講簡單循環：單軸、分軸、雙軸、多軸燃氣輪機單軸：負荷固定、轉速固定；發電用；壓氣機固有的轉動慣量，有利于防止在甩負荷時產生飛車；加入熱交換器可以使整機熱效率提高，但這要損失10%功率。分軸：起動機僅滿足燃氣發生器即可；甩負荷時會帶來渦輪的飛車，所以控制系統要有保證。多軸：如果不采用熱交換器而獲得高的熱效率，就要有高壓縮比。雖然多級離心式壓氣機具有高的壓比，但其效率要比軸流式的低，所以通常都是采用軸流式壓氣機。而當壓氣機在低轉速時，由于壓氣機后幾級由于出口面積減小，空氣密度降低，氣體軸向速度加大，葉片會出現阻塞。這種不穩定區的出現，會發生在燃氣輪機起動或低負荷情況。所以只在一臺壓氣機上取得8以上的壓比是很困難的。但只要采取將一臺分為兩臺或更多臺時，就可以克服上述困難。在有些特殊的發動機上，由于流量小，多采用離心式；而軸流式則會由于流量小使其葉片過短，難以保證其效率。開式循環：1-4燃氣輪機的分類燃氣輪機原理精講多軸燃氣輪機轉子燃氣輪機原理精講

最初雙軸燃氣輪機壓比在10：1，而它適合于30：1這樣的比值。多軸的另一種形式：如果有幾級導葉是可調的，那么就可在高壓比下采用一臺壓氣機。GE已在一臺壓氣機上實現了15：1。在給定壓比下，壓縮功只與入口空氣溫度有關。---進氣進行冷卻。在許多情況下，機組的尺寸和重量要比熱效率重要。

優點：可以在整個循環中采用較高的壓比---高的氣體密度，這可以在給定輸出功率下減小機組尺寸；可以使發電功率只隨閉路中的壓力變化。這種控制形式意味著在整個負荷范圍內，最高循環溫度不會改變，因此，總體效率少有變化。缺點：需要外部加熱系統；這樣加熱器表面溫度給主循環最高溫度設定了上限。復雜循環：閉式循環：燃氣輪機原理精講輕型結構<10KG/PS，重型結構>15KG/PS輕型結構：航空機和航空改型艦用燃氣輪機，工業輕型（重載輕型）重型結構：工業燃氣輪機 金屬耐熱極限---1100℃；渦輪進氣溫度：1460℃ 采用空氣冷卻葉片；---冷卻技術 耐高溫材料（單晶鑄造，定向凝固等技術）壽命：工業輕型2-10萬小時；燃氣輪機裝置的優勢：1、裝置輕小；投資僅為蒸汽動力廠的20-80%以下；重量和所占空間只有蒸汽輪機或內燃機的幾分之一或幾百分之一；技術周期短；現代燃氣輪機的結構特點燃氣輪機簡圖：單位功率重量：燃氣輪機原理精講2、燃料適應性強，公害少-----最理想的清潔能源轉換裝置3、節省廠用水、電、潤滑油；4、啟動快、自動化程度高；5、維修快，運行可靠燃氣輪機原理精講流體力學（氣體動力學）熱力學與傳熱自動控制材料與強度1-5燃氣輪機涉及的主要學科燃氣輪機原理精講市場調研技術規格書用戶需求循環方式選擇研究設計點的確定氣動模型修改功率提高與改型部件試驗設計修改壓氣機、渦輪、進、排氣等氣動設計輪盤、葉片、殼體等結構強度設計工藝設計及制造試驗及研究產品變工況性能強度修改控制系統設計售后服務燃氣輪機設計流程燃氣輪機原理精講美國能源部21世紀先進燃氣輪機系統研究（AGTSR）計劃高溫和耐腐蝕材料科學燃燒現象的深入了解天然氣或其他燃料燃燒時的污染物形成和減少新型熱力循環的基礎理論1992年-2003年向大學設立了74個項目，投資約$35,485,299.

燃氣輪機原理精講思考題1-1為什么說燃氣輪機在未來的發電設備中具有競爭力的動力形式？1-2燃氣輪機發展中的關鍵技術有哪些？1-3為什么說燃氣輪機未來的發展離不開熱交換器的發展？1-4先進燃氣輪機的標志性的參數是什么？為什么？燃氣輪機原理精講第二章燃氣輪機循環理論

決定燃氣輪機前途的因素:裝置的熱效率裝置的尺寸,重量對燃料的適應性影響燃氣輪機性能的兩個因素:部件效率和渦輪初溫;1904年兩個法國工程師Armengaud和Lemale,建造了一臺燃氣輪機,部件效率60%,渦輪初溫740K。(只夠自己運轉)整機的效率還和壓比有關;燃氣輪機的發展和空氣動力學的發展相關： 壓比35,部件效率85-90,初溫1650K.(86年的目標)燃氣輪機原理精講2-1燃氣輪機循環主要性能指標1.比功w：描述燃氣輪機循環作功性能的好壞的指標。單位質量工質下所做的功。為什么不用功率作為描述循環性能的指標？2.熱效率ηt和耗油率sfc(specificfuelconsumption)耗油率：燃氣輪機原理精講2-2理想燃氣輪機循環分析假設條件：壓縮和膨脹過程是可逆的、絕熱的即等熵的。忽略部件進出口工質的動能變化；在進氣管道、燃燒室、熱交換器、間冷器、排氣管和連接部件的管道均不考慮壓力損失；工質在整個中具有同樣的組分，并且是比熱不變的完全氣體；氣體質量流量在整個循環中不變；在熱交換器中充分換熱；理想簡單燃氣輪機循環此種循環的極限是什么？

此種循環的熱效率

燃氣輪機原理精講12

31’’’TSvp2’2’’

3’2’’’

3’’

3’’’4’’’4卡諾循環；1-2等熵加熱；2-3等溫膨脹；3-4等熵放熱；4-3等溫壓縮EricssonCycle斯特林循環布雷頓（Braytoncycle)幾種典型的熱力循環比較四個循環表明了布雷頓循環的改進方向——向EricssonCycle靠近燃氣輪機原理精講ThecycleefficiencyisMakinguseoftheisentropicp-Trelation,AndpressureratioThenshownTheefficiencythusdependsonlyonthepressureratioandnatureofthegas.SpecificworkoutputW,

燃氣輪機原理精講此時輸出功為最大。理想燃氣輪機循環其最大效率是隨壓比的增加而上升。燃氣輪機原理精講復雜循環—回熱循環T2T1T3T4T6T5TSWithidealheat-exchange20406080124108612Specificworkoutputisunchangedbytheadditionofaheat-exchanger燃氣輪機原理精講2-3實際燃氣輪機循環1.實際燃氣輪機與理想燃氣輪機循環的差別？2.如何考慮實際的燃氣熱力性質？3.實際燃氣輪機循環性能？溫比、壓比對性能的影響？

一、壓氣機效率、渦輪效率用滯止等熵效率來衡量實際過程和等熵過程的差距。問題：燃氣輪機原理精講實際的裝置比功燃氣輪機的:增加的百分數是增加的百分數的倍。有用功系數小者，對及的影響大，即裝置對的變化愈敏感。

燃氣輪機原理精講二、壓力損失

實際過程中，工質在燃燒室、回熱器、間冷器、空氣濾清器、消音器系統中流動必然產生流阻損失，表現為工質的滯止壓力的損失。燃燒室的壓損率

進氣道的壓損率

排氣道的壓損率燃氣輪機原理精講渦輪膨脹比為滯止壓恢復系數（三）空氣、燃氣流量的變化燃氣輪機原理精講燃料與空氣比約為1/40-1/120,相對較小；氣封漏氣和抽氣冷卻空氣也使流量改變；計算中：以空氣流量為基準。抽氣或漏氣5%，會使功率下降10～20%；效率下降0.02-0.06。（四）燃燒室效率燃氣輪機原理精講（五）燃氣性質定比熱：比熱為常量；（平均比熱）；用于簡單循環計算；變比熱:比熱是溫度、燃料空氣比的函數。實際計算使用；使用方式：查圖表；數學表達式（程序）；

燃氣輪機原理精講燃氣輪機原理精講（六）回熱度、間冷度回熱度

間冷度燃氣輪機原理精講（七）機械效率（八）實際燃氣輪機循環性能（a）壓比的影響簡單循環的效率理論上隨壓比的提高而增加。但實際的簡單循環不同。對應最大比功和最大效率都有一個不同值的壓比。回熱循環可以使兩個壓比值接近；燃氣輪機原理精講（b）溫比的影響每增加100℃，比功約增加20-40%；效率增高0.02-0.05；實際大氣溫度的影響：降低比提高對燃氣輪機性能的影響要大幾倍。由于工質變化和各種損失（熱損失、化學損失、機械損失、流動損失）造成了理想燃氣輪機循環與實際燃氣輪機循環的差別。燃氣輪機原理精講實際燃氣輪機循環設計點計算（1）求帶有回熱的實際燃氣輪機的輸出比功、燃料消耗率、循環效率。已知： 壓比 4.0；渦輪入口溫度 1100K； 壓氣機絕熱效率 0.85；渦輪絕熱效率 0.87； 機械效率 0.99；燃燒效率 0.98； 換熱器效率 0.80； 壓力損失-------- 燃燒室， 2%壓氣機出口壓力； 換熱器空氣側 3%壓氣機出口壓力；

換熱器空氣側 0.04bar 大氣條件 1bar,288K燃氣輪機原理精講解：由于 和壓氣機耗功產生的溫升為：用于驅動壓氣機每單位質量流量所需的渦輪功為：燃氣輪機原理精講因此，由于對于排氣

總的渦輪做功所產生的溫升單位工質所作的總渦輪功燃氣輪機原理精講注意：渦輪的輸出比功為

如果對于1000kW,需要7.3