燃气轮机原理精讲.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,燃气轮机原理与性能,精讲,第一章概论,1-1,燃气轮机简介,1-2,燃气轮机的发展,1-3,燃气轮机的应用,1-4,燃气轮机的未来,1-5,燃气轮机的分类,1-6,燃气轮机涉及的主要学科,1-7,燃气轮机的设计过程,第二章燃气轮机循环理论,2-1,燃气轮机循环主要性能指标,2-2,理想燃气轮机循环,2-3,实际燃气轮机循环,2-4,复合燃气轮机循环,第三章燃气轮机热力计算,3-1,热力计算的目的,3-2,燃烧室计算方法,3-3,热力计算的步骤,3-4,热力计算的举例,第四章相似理论,4-1,相似准则,4-2,相似参数与换算参数,课程内容,第五章燃气轮机部件特性,5-1,轴流压气机特性,5-2,透平特性,5-3,燃烧室特性,5-4,径向压气机、向心涡轮特性,第六章燃气轮机变工况性能计算,6-1,燃气轮机部件特性的处理,6-2,燃气轮机部件间的匹配,6-3,变工况性能计算方法,第七章燃气轮机过渡工况,7-1,燃气轮机起动过程,7-2,燃气轮机加速过程,7-3,燃气轮机减速过程,7-4,燃气轮机加减速过程参数控制,第八章燃气轮机性能仿真,8-1,仿真方法,8-2,计算实例,教学参考书,1,、燃气轮机装置 沈炳正 机械工业出版社,2,、燃气轮机原理与性能 翁史烈 上海交通大学出版社,3,、燃气轮机工作原理及性能 朱行健 王雪瑜 科学出版社,4,、燃气轮机循环理论 佐滕豪,5,、,Gas Turbine Theory,H.Cohen,G.F.Rogers,H.I.H.Saravanamuttoo,参考书目,第一章 概论,1.1,燃气轮机的组成及工作原理,Simple gas turbine system,C-compresser,T-Turbine,B Combustion chamber,1-2,燃气轮机的发展,公元前,150,年 埃及哲学家,Hero,发明了一个玩具汽转球,(Aeolipile,）,1629-,Giovanni Branca,利用蒸汽驱动涡轮旋转磨粉机,1687,Isaac Newton,蒸汽货车,1791 John Barber,第一个利用现代燃气轮机的热力学原理申请的设计专利,1872-Dr.F.Stolze(1836-1910),设计了真正的第一台燃气轮机，具有多级涡轮和单级的压气机，但并没有靠自身动力转动起来,1914-Charles Curtis,档案记载的应用燃气轮机第一人,(1864-1949),Aegidius Elling,1882,开始设计,GT,；,1884,获得专利；,11,马力，六级离心式压气机，可变叶片扩压器，级间喷水；带有回热器；蒸汽与燃气混合进入喷嘴；一级向心透平；回热透平；,T3=500C,；,44,马力；具有了,4,轴的想法,;,1930 Frank Whittle,1930,年申请了第一个用于喷气推进的燃气轮机专利,1941,年第一台安装在飞机上的燃气轮机诞生（速度,370MPH,，,1000,磅推力）,1939,Hans von Ohain and Max Hahn,第一架喷气式飞机（,HE-178,）,1100,磅推力，,400MPH,速度；采用离心压气机，后改用轴流压气机,发电设备,功率：,50 MW,效率：,40%,功率,/,重量、功率,/,体积最高的动力形式,-,燃气轮机,发电设备,功率：,5,万千瓦,效率：,40%,功率,/,重量、功率,/,体积最高的动力形式,-,燃气轮机,占地面积小；高效、环保；,21,世纪最具竞争力的发电方式；,占地面积小；,高效、环保；,21,世纪最具竞争力的发电方式；,海军舰船,机车车辆,英国,98,年研制,4000,马力机车,英国,98,年研制,4000,马力机车,1999,年,1,月,-2000,年,6,月世界燃气轮机装机容量,燃气轮机的未来,-,燃气轮机,+,热交换技术（换热器）,涡轮入口温度的提高,简单循环：,单轴、分轴、双轴、多轴燃气轮机,单轴：负荷固定、转速固定；发电用；压气机固有的转动惯量，有利于防止在甩负荷时产生飞车；加入热交换器可以使整机热效率提高，但这要损失,10%,功率。,分轴：起动机仅满足燃气发生器即可；甩负荷时会带来涡轮的飞车，所以控制系统要有保证。,多轴：如果不采用热交换器而获得高的热效率，就要有高压缩比。虽然多级离心式压气机具有高的压比，但其效率要比轴流式的低，所以通常都是采用轴流式压气机。而当压气机在低转速时，由于压气机后几级由于出口面积减小，空气密度降低，气体轴向速度加大，叶片会出现阻塞。这种不稳定区的出现，会发生在燃气轮机起动或低负荷情况。,所以只在一台压气机上取得,8,以上的压比是很困难的。但只要采取将一台分为两台或更多台时，就可以克服上述困难。,在有些特殊的发动机上，由于流量小，多采用离心式；而轴流式则会由于流量小使其叶片过短，难以保证其效率。,开式循环：,1-4,燃气轮机的分类,多轴燃气轮机转子,最初双轴燃气轮机压比在,10,：,1,，而它适合于,30,：,1,这样的比值。,多轴的另一种形式：如果有几级导叶是可调的，那么就可在高压比下采用一台压气机。,GE,已在一台压气机上实现了,15,：,1,。,在给定压比下，压缩功只与入口空气温度有关。,-,进气进行冷却。在许多情况下，机组的尺寸和重量要比热效率重要。,优点：可以在整个循环中采用较高的压比,-,高的气体密度，这可以在给定输出功率下减小机组尺寸；可以使发电功率只随闭路中的压力变化。这种控制形式意味着在整个负荷范围内，最高循环温度不会改变，因此，总体效率少有变化。,缺点：需要外部加热系统；这样加热器表面温度给主循环最高温度设定了上限。,复杂循环：,闭式循环：,轻型结构,15KG/PS,轻型结构：航空机和航空改型舰用燃气轮机，工业轻型（重载轻型）,重型结构：工业燃气轮机,金属耐热极限,-1100,；涡轮进气温度：,1460,采用空气冷却叶片；,-,冷却技术,耐高温材料（单晶铸造，定向凝固等技术）,寿命：工业轻型,2-10,万小时；,燃气轮机装置的优势：,1,、装置轻小；投资仅为蒸汽动力厂的,20-80%,以下；重量和所占空间只,有蒸汽轮机或内燃机的几分之一或几百分之一；技术周,期短；,现代燃气轮机的结构特点,燃气轮机简图：,单位功率重量,：,2,、燃料适应性强，公害少,-,最理想的清洁能源转换装置,3,、节省厂用水、电、润滑油；,4,、启动快、自动化程度高；,5,、维修快，运行可靠,流体力学（气体动力学）,热力学与传热,自动控制,材料与强度,1-5,燃气轮机涉及的主要学科,市场调研,技术规格书,用户需求,循环方式选择研究,设计点的确定,气动模,型修改,功率提高,与改型,部件试验,设计修改,压气机、涡轮、进、,排气等气动设计,轮盘、叶片、壳体,等结构强度设计,工艺设计及制造,试验及研究,产品,变工况性能,强度修改,控制系统设计,售后服务,燃气轮机设计流程,美国能源部,21,世纪先进燃气轮机系统研究（,AGTSR,）计划,高温和耐腐蚀材料科学,燃烧现象的深入了解,天然气或其他燃料燃烧时的污染物形成和减少,新型热力循环的基础理论,1992,年,-2003,年向大学设立了,74,个项目，投资约,$35,485,299.,思考题,1-1,为什么说燃气轮机在未来的发电设备中具有竞争力的动力形式？,1-2,燃气轮机发展中的关键技术有哪些？,1-3,为什么说燃气轮机未来的发展离不开热交换器的发展？,1-4,先进燃气轮机的标志性的参数是什么？为什么？,第二章 燃气轮机循环理论,决定燃气轮机前途的因素,:,装置的热效率,装置的尺寸,重量,对燃料的适应性,影响燃气轮机性能的两个因素,:,部件效率和涡轮初温,;,1904,年两个法国工程师,Armengaud,和,Lemale,建造了一台燃气轮机,部件效率,60%,涡轮初温,740K,。,(,只够自己运转,),整机的效率还和压比有关,;,燃气轮机的发展和空气动力学的发展相关：,压比,35,部件效率,85-90,初温,1650K.(86,年的目标,),2-1,燃气轮机循环主要性能指标,1.,比功,w,：描述燃气轮机循环作功性能的好坏的指标。单位质量工质下所做的功。,为什么不用功率作为描述循环性能的指标？,2.,热效率,t,和耗油率,sfc(specific fuel consumption),耗油率：,2-2,理想燃气轮机循环分析,假设条件：,压缩和膨胀过程是可逆的、绝热的即等熵的。,忽略部件进出口工质的动能变化；,在进气管道、燃烧室、热交换器、间冷器、排气管和连接部件的管道均不考虑压力损失；,工质在整个中具有同样的组分，并且是比热不变的完全气体；,气体质量流量在整个循环中不变；,在热交换器中充分换热；,理想简单燃气轮机循环,此种循环的极限是什么？,此种循环的热效率,1,2,3,1,T,S,v,p,2,2,3,2,3,3,4,4,卡诺循环；,1-2,等熵加热；,2-3,等温膨胀；,3-4,等熵放热；,4-3,等温压缩,Ericsson Cycle,斯特林循环,布雷顿（,Brayton cycle),几种典型的热力循环比较,四个循环表明了布雷顿循环的改进方向,向,Ericsson Cycle,靠近,The cycle efficiency is,Making use of the isentropic p-T relation,And pressure ratio,Then shown,The efficiency thus depends only on the pressure ratio and nature of the gas.,Specific work output W,此时输出功为最大。,理想燃气轮机循环其最大效率是随压比的增加而上升。,复杂循环,回热循环,T,2,T,1,T,3,T,4,T,6,T,5,T,S,With ideal heat-exchange,20,40,60,80,1,2,4,10,8,6,12,Specific work output is unchanged by the addition of a heat-exchanger,2-3,实际燃气轮机循环,1.,实际燃气轮机与理想燃气轮机循环的差别？,2.,如何考虑实际的燃气热力性质？,3.,实际燃气轮机循环性能？温比、压比对性能的影响？,一、压气机效率、涡轮效率,用滞止等熵效率来衡量实际过程和等熵过程的差距。,问题：,实际的装置比功,燃气轮机的,:,增加的百分数是 增加的百分数的 倍。有用功系数 小者，对 及 的影响大，即装置对 的变化愈敏感。,二、压力损失,实际过程中，工质在燃烧室、回热器、间冷器、空气滤清器、消音器系统中流动必然产生流阻损失，表现为工质的滞止压力的损失。,燃烧室的压损率,进气道的压损率,排气道的压损率,涡轮膨胀比,为滞止压恢复系数,（三）空气、燃气流量的变化,燃料与空气比约为,1/40-1/120,相对较小；,气封漏气和抽气冷却空气也使流量改变；,计算中：以空气流量为基准。抽气或漏气,5%,，会使功率下降,10,20%,；效率下降,0.02-0.06,。,（四）燃烧室效率,（五）燃气性质,定比热：比热为常量；（平均比热）；用于简单循环计算；,变比热,:,比热,是温度、燃料空气比的函数。实际计算使用；,使用方式：查图表；数学表达式（程序）；,（六）回热度、间冷度,回热度,间冷度,（七）机械效率,（八）实际燃气轮机循环性能,（,a,）压比的影响,简单循环的效率理论上随压比的提高而增加。但实际的简单循环不同。对应最大比功和最大效率都有一个不同值的压比。,回热循环可以使两个压比值接近；,（,b,）温比的影响,每增加,100,，比功 约增加,20-40%,；效率 增高,0.02-0.05,；,实际大气温度的影响：,降低 比提高 对燃气轮机性能的影响要大几倍。,由于工质变化和各种损失（热损失、化学损失、机械损失、流动损失）造成了理想燃气轮机循环与实际燃气轮机循环的差别。,实际燃气轮机循环设计点计算,（,1,）求带有回热的实际燃气轮机的输出比功、燃料消耗率、循环效率。,已知：压比,4.0,；涡轮入口温度,1100K,；,压气机绝热效率,0.85,；涡轮绝热效率,0.87,；,机械效率,0.99,；燃烧效率,0.98,；,换热器效率,0.80,；,压力损失,-,燃烧室，,2%,压气机出口压力；,换热器空气侧,3%,压气机出口压力,；,换热器空气侧,0.04 bar,大气条件,1bar,288K,解：由于和,压气机耗功产生的温升为：,用于驱动压气机每单位质量流量所需的涡轮功为,：,因此，,由于对于排气,总的涡轮做功所产生的温升,单位工质所作的总涡轮功,注意：涡轮的输出比功为,如果对于,1000kW,需要,7.3 kg/s,为了确定燃,/,空比,f,，我们必须确定燃烧室的温升,热交换器效率,=0.80=,对于入口温度为,759K,的燃烧室和燃烧温升为（,1100-759)=341K;,理论上的燃料,/,空气比为,0.0094,，这样,因此，油耗率,SFC,=,最后，循环效率,已知：压比,12.0,；涡轮入口温度,1350K,；,压气机绝热效率,0.86,；涡轮绝热效率,0.89,；,机械效率,0.99,；燃烧效率,0.99,；,换热器效率,0.80,；,压力损失,-,燃烧室压力损失,6%,压气机出口压力；,排气压力损失,0.03,bar,大气条件,1bar,288K,求：带 自由涡轮的燃气轮机输出比功；耗油率；循环效率；,2-4,燃气轮机联合循环,（,combined cycles plant,CHP),1.,燃气,-,蒸汽联合循环的基本方案,余热锅炉型联合循环；,增压燃烧锅炉型联合循环；,加热锅炉给水型 联合循环,cogeneration,；,1,）,T-H,图上给出锅炉中的燃气、蒸气条件。,2,）余热锅炉（,heat recovery steam generator)(HRSG),3,）,Pinch point,（节点）,and terminal temperature differences,（端部温差）,20,；,思考题,2-1,几种典型的燃气轮机循环形式及特点。,2-2,变温比下的循环热力计算方法。,2-3,不同循环下的压比,效率,涡轮前温间的关系。,2-4,间冷循环会对燃气轮机哪个主要性能参数产生影响？,2-5,回热循环燃气轮机比简单循环燃气轮机在性能上有哪些改善？,2-6,实际燃气轮机循环中主要考虑哪些因素对性能的影响？,