燃气轮机-理论循环.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,2-1,燃气轮机循环的主要性能指标,1,、,比功,流经燃气轮机的单位质量工质所输出的机械功或单位质量,流量的工质所输出的功率,。,采用比功而不是总功率作为描述循环性能的指标的原因：,功率不仅与循环性能有关，还与工质流量有关,/,而工质流量基本上由燃气轮机的尺寸决定，与循环性能无关。,忽略压气机和涡轮中流量的差别及机械损失等,装置比功大，气耗率就小，发出相同功率所需工质流量小，装置就可以造的小。,力争提高比功。,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,通过燃气轮机的一定量工质输出的有用功与输入该工质的燃料所含热值之比,2,、,热效率 和油耗率,衡量燃气轮机的经济性，即输出单位功率每小时需消耗的燃油量,相互关系,对以,推力,衡量性能的航空燃气轮机：,1,、,单位推力,流经航空燃气轮机的单位质量工质所产生的推力,2,、,耗油率,输出单位推力（,N,）每小时消耗的燃料量,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,2-2,理想简单燃气轮机循环,工质为空气，可视为理想气体；整个工质过程中空气的比热为常数，不随气体,的温度和压力而变化；,整个工质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。,定常流动能量方程：,C,B,T,1,2,4,3,T-s,图,p-v,图,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,1,、绝热压缩过程（,1-2,）：,地面燃气轮机：,航空燃气轮机：,单位质量工质所作的机械功,略去工质流速变化,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,燃烧室内完成。工质通过燃烧室与外界无机械功的传递，,工质的流速变化可以忽略,。,工质吸热：,2,、等压加热过程（,2-3,）：,3,、绝热膨胀过程（,3-4,）：,过程中工质吸热为零，单位质量工质所作的机械功的情况与绝热压缩过程类似。,忽略涡轮进出口工质流速变化,。,地面燃气轮机,：,航空燃气轮机,：,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,4,、等压放热过程（,4-1,）：,此过程向大气放热,与等压压缩过程类似。工质与外界无机械功的传递,，,工质的流速变化可以忽略,。,工质对外界放热,整个循环过程中单位质量工质从高温热源,(,燃烧室,),中吸收热量,即燃烧过程加热量,:,向低温热源放热量,:,理想简单燃气轮机循环的比功：,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,等温压缩过程中，工质的内能和焓均不变。,等温压缩过程放热量（,1-2,）：,按热力学第一定律,2,-3,等压加热过程中吸收的热量：,4-1,等压放热过程中放出的热量：,等温压缩理想燃气轮机循环的比功：,循环热效率：,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,等温压缩理想燃气轮机循环比功,效率,等温压缩燃气轮机循环的比功和热效率随压比的变化图,等温压缩燃气轮机循环燃气轮机的热效率,2,、压缩过程一次中间冷却的理想燃气轮机循环：,理想间冷燃气轮机循环示意图和,T-s,图,设循环总增压比仍为,2,-3,等压加热过程中吸收的热量：,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,a-b,等压放热过程放出的热量：,4-1,等压放热过程中放出的热量：,一次中间冷却理想燃气轮机循环的比功：,循环热效率：,1,一定时,代入 中，得出 一定时比功最大的总的,对 也可以进行类似分析，且存在一个热效率达最大值的总的最佳增压比：,原因：,压比越高，,T,2,越高，达到相同的,T,3,所需要的热量越少；,压比越高，,T,4,越低，废气带走的热量与越多，对效率有利。,但，压比提高过多时，比功下降太多，致使效率也下降。,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,2-4,膨胀过程中一次中间加热的理想燃气轮机循环,膨胀过程中一次中间加热的燃气轮机循环,T-s,图,在不变动燃气发生器的条件下，有效地增大燃气轮机的功率或推力,加力燃烧室：,使歼击机迅速起飞、爬升、加速和增大升限,F15/F16,的,F100,发动机，,B1-A,的,F101,发动机,J7/J8,的,WP13,和,J10,、,J11,的,AL31F,和太行、昆仑发动机等,航空燃气轮机,：,地面燃气轮机,：,加力燃烧室后无转动部件,T,d,T,3,中间加热时，燃烧室后还有动力涡轮，,加热温度不能太高，,T,d,T,3,膨胀过程中一次中间加热后，也会使循环比功增大而效率降低,作业：结合,T-s,图，分析膨胀过程中间一次加热时产生这种结果的原因,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,2-5,理想燃气轮机回热循环,目的：提高燃气轮机循环的热效率,压气机和涡轮的比功都没有改变,0.20,0.320.25,0.36,回热过程的理想状况是等压吸热和等压放热过程的热交换量相等：,回热度：,实际热交换量,/,理想热交换量,理想回热：,=1,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,与理想燃气轮机循环相比，理想回热循环的比功不变，只是由于回热减少了燃料的加热量。,加热量为：,理想回热燃气轮机循环的热效率：,压气机增压比越低，越高,/,原因：,压比越低，压气机出口温度越低，回热器中排,气余热利用越充分。,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,压气机增压比越高，越低,当,T,2,=T,4,时，排气余热无法利用。理想回热燃气轮机循环,理想简单燃气轮机循环,临界增压比,此时，理想回热循环燃气轮机热效率：,类似与比功达最大值的,若进一步提高压比，,当,cr,时，,T,2,T,4,压气机中部分热量将通过回热器由涡轮出口排出，使效率还低于理想简单循环，,毫无意义！,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,2-6,实际燃气轮机循环分析,实际燃气轮机循环,T-s,图,理想燃气轮机循环分析中，认为压缩和膨胀过程是等熵的，没有流动损失，且整个循环过程中比热比保持不变。,实际燃气轮机中，,Cp,随气体成分和温度不断变化，且各个工作过程中存在,流动损失,。,流动损失,气流在流动过程中，由于存在附面层、湍流流动或激波，使流动的气流在静压不变的情况下降低了流速或者说降低的气流的总压。,绝热流动中，气流总温不变，存在流动损失的绝热流动过程是熵增过程。,1,、实际简单燃气轮机循环：,用绝热压缩效率表示压缩过程流动损失,：,用绝热膨胀效率表示膨胀过程流动损失,：,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,实际简单燃气轮机循环比功：,实际简单燃气轮机循环的最佳增压比,：（由 ）,实际简单燃气轮机循环的热效率：,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,不仅与压比有关,也与温比有关,当压比超过此值时，由于流动损失的存在，热效率开始下降，直到 ，此时循环的加热量全部用于克服流动损失和向大气放出热量（）。,随加热比的增加而增大。,特点：,加热比越大，实际简单燃气轮机循环的热效率越高；,加热比一定时，热效率随压比的变化有一个热效率,达最大值的 ；,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,特点：,实际简单燃气轮机循环的比功和热效率不仅与增压比和加热比有关，还与压缩和膨胀过程的效率有关，且随二者的提高，循环的比功和热效率均要增大。,表中 压比,=10,，加热比,=5,，,压气机效率,=0.85,，涡轮效率,=0.90,随 的增加，和 也增加，同,一加热比下：,设计增压比：,比功,w,热效率,t,压气机效率增加,1%,+0.94%,+0.94%,涡轮效率增加,1%,+1.95%,+1.95%,加热比增加,1%,+1.95%,+0.69%,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,实际简单燃气轮机循环耗油率与热力参数变化关系对不同燃气轮机是不同的。,a,）地面燃气轮机：,b,）航空燃气轮机：,随热力参数的变化关系与效率一致,只不过 对应,最小值。,推进效率,：,=,推进功（每秒流过发动机,1kg,空气所作的推进功）,发动机的可用功,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,作为一个推进器：,航空发动机将可用功转变为飞机前进的推进功，所以，推进效率是衡量航空发动机的可用功转变为推进功的程度。,总效率：,航空燃气轮机作为热机和推进器的组合体，应该用总效率来衡量它的经济性。,总效率,表示加入航空燃气轮机的燃料完全燃烧产生的热量有多少转变为飞机飞行的推进功 。,热效率、推进效率和压比的关系图,耗油率和加热比的关系图,对航空燃气轮机来讲，其耗油率绝不简单与热效率有关，而且还与推进效率有关，不再象地面燃气轮机那样，对应热效率最高的最佳增压比也是对应耗油率最小的最佳增压比。,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,2,、实际简单燃气轮机回热循环：,理想回热中，未考虑流动损失，比功与理想燃气轮机循环的比功相等。,实际循环中，存在流动损失，压缩和膨胀过程都是非等熵的，回热器的存在加大了压气机和燃烧室以及排气系统的损失，因此，实际回热循环过程中的比功将下降。,另外，实际回热循环中，实际热交换量低于理想热交换量。,回热度：,从压气机流出的空气，经回热器实际吸收的热量与最大可能吸收热量之比。,实际回热循环,T-s,图,燃烧室进口温度：,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,实际燃气轮机回热循环加热量：,如果暂不考虑流动过程中的其它损失，该循环的比功和实际简单燃气轮机循环的比功相等。,实际回热循环热效率,和压比的关系图,达最大值时，也存在一个最经济增压比,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,几点结论：,加热比越高，实际回热循环的比功和热效率也越高。因此，在材料耐热性允许的条件下，应尽可能地提高加热比。,回热器的回热度越大，循环热效率越高，应适当地提高回热度。,实际回热循环的最佳增压比大于最经济增压比,但当增压比大于最经济增压比后，热效率随增压比的变化比较平坦。,设计增压比应取在最佳增压比 的附近，使比功接近实际简单燃气轮机循环，而热效率则大于实际简单燃气轮机循环。,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,2-7,涡扇发动机热力循环,涡扇发动机和涡喷发动机相比，由于将可用功分配给更大量的空气，降低了尾喷管气流的喷射速度，增大了发动机的推力，提高了推进效率。,采用涡扇，为了提高热效率而提高涡轮前燃气温度不会给推进效率带来不利影响。,1,、涡扇发动机的性能参数：,a,）涵道比：,通过外涵风扇的空气流量与通过内涵燃气发生器的空气流量之比，称为涡扇发动机的涵道比。,b,）功分配系数：,传给外涵的可用功与全部可用功之比。,传给外涵每公斤空气的功：,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,c,）单位推力：,分开排气涡扇发动机内外涵气流不在尾喷管内掺混，在各自的尾喷管内,完全膨胀后分别以不同的速度喷出，其内外涵单位推力为：,涡扇发动机的单位推力有两种表示法：,一种是发动机的总推力和内涵空气流量之比；,一种是发动机总推力和内外涵总空气流量之比。,对于不加力涡扇发动机，用发动机的总推力和内涵空气流量之比比较合理，这样相当于把外涵作为发动机的推进器，与涵道比为零的涡喷发动机相比较，可以看出涡扇发动机方案后单位推力和推力的增大程度,。,不加力涡扇发动机的单位推力：,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,2,、分开排气涡扇发动机功分配系数和涵道比的选择：,首先讨论燃气发生器的可用功一定时怎样选择功分配系数和涵道比,才能使涡扇发动机的推力最大。,内涵尾喷管出口燃气喷射速度：,外涵尾喷管出口空气喷射速度,：,分开排气涡扇发动机的单位推力：,外涵尾喷管中每公斤空气所得到的功,除内涵传给外涵的功 以外，还有迎面气流动能通过进气道减速增压得到的功。,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,为研究涡扇发动机的优越性，合理选择功分配系数和涵道比，将涡扇发动机的单位推力与相同燃气发生器的涡喷发动机 的单位推力对比。,推力或单位推力的相对比值：,令,A,、,B,为定值时,：,由 并假定 时：,地面静止条件下，当,一般情况下，当 时，,存在机械损失和流动损失,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,具体设计涡扇发动机时，功分配系数的选择要考虑多方面的因素,。为减少风扇和发动机的涡轮级数，使发动机的尺寸、重量和制造成本都能减少，功分配系数的选择往往比最佳值小些，即：,美国,JT3D,发动机，在设计状态下：,4.4,(5.28),309.2/472.5,CF-6,4.9,(5.10),313.9/476.5,JT9D,(,1.4,),F100-PW-100:B=0.63,309.4/465.6,JT3D,B,I,II,j,j,C,C,实际上，,功分配系数的选择往往使,外涵风扇出口总压,与,内涵涡轮后的总压,相接近。,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,研究涵道比,B,对涡扇发动机性能的影响,：,将最佳功分配系数代入推力相对比值表达式,在最佳功分配系数下，涵道比,与最大比推力的关系曲线,最佳功分配系数,和,最大比推力,：,都是涵道比,B,和速度比,A,的函数。,相同燃气发生器的涡喷发动机,C,j,=700m/s,在,A=0.3,时，,飞行速度为：,756 km/h,。,在,A=0.4,时,，在,B=2,4,左右出现极值（,1.10,）：,相同燃气发生器的涡喷发动机,C,j,=700 m/s,；飞行速度为：,1008km/h,。,在,A=0.5,时,，在,B=0.6,10,左右就出现极大值（仅为,1.016,）；,B=2.0,时，降为,1.0,。,当飞行速度较大而,A,超过,0.4,以后，采用涡扇发动机与相同燃气发生器的涡喷发动机相比，已没有增大推力的优越性。,涡扇发动机：,为使相同速比,A,对应较高的飞行速度，应选择比功大的燃气发生器。,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,歼击,(,战斗,),机：,运输机和旅客机：,速度比,A,较大，可选较低的,B,；,飞行速度较低，,B,可选在,4,10,，,获得大的起飞推力。,要考虑其他方面的因素：,B,发动机的重量,发动机短舱的气动阻力,要从飞机获得最远航程的角度全面考虑。,混合排气涡扇发动机,：,其外涵的空气与内涵燃气（涡轮后）相混合有利于,增加推力,降低油耗,小涵道比涡扇发动机中,涵道比较大涡扇发动机,：,采用混合排气不能明显增加发动机推力（混合器内总压损失大），却增加了发动机的重量。,一般采用分开排气方案,实践证明：,当外涵空气总压与内涵燃气涡轮后总压相等时，掺混过程造成的总压损失最小。,第二章 燃气轮机循环理论,燃气轮机原理,2-8,本章小结,习题,1,：,一台回热循环单轴燃气轮机的参数为,涡轮进气温度,1100,；大气温度,15 ,；,压气机前总压,100.212 kPa,；,压气机后总压,1173.65 kPa,；,燃用燃油，其燃料的热值为,H,u,=43100 kj/kg,；,若已知其装置比功为,269.86 kj/kg,；,涡轮比功为,630.04 kj/kg,；,燃料空气比,f=0.01651,。,试求出装置的温比、压比、装置的热效率、燃料的消耗率（,kg/kWh),。,习题,2,：,试画出双轴燃气轮机装置（中间冷却、再热和回热，高压涡轮带高压压气机、低压涡轮带低压压气机）的循环过程的,T-S,图。,