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燃气轮机复习
第一章
1、什么是燃气轮机？
燃气轮机是一种以空气和燃气为工作介质、将热能转变为机械能的高速回转式动力机械。与内燃机、蒸汽轮机一样，为热力发动力机。

2、燃气轮机的组成？什么是燃气轮机装置？
一般由压气机、燃烧室、涡轮（透平膨胀机）、控制系统及基本的辅助设备组成。
压气机 Compressor：完成气体压缩过程；
燃烧室 Burner ：完成燃烧过程；
涡轮（透平膨胀机） Turbine：完成高温高压燃气的膨胀作功过程。
简单循环装置简图
B
T

C

负荷

3、请简述燃气轮机的工作原理
压气机从外界中吸入空气（吸气），压缩到一定压力；
送入燃烧室中，与喷入的燃料混合，进行燃烧；
生成的高温高压的燃气进入透平涡轮中膨胀做功，推动涡轮带动压气机一起旋转；
做功后的废气排入大气中或加以利用（排气）。
燃料中的化学能→热能→机械功。
燃气在涡轮中所做的机械功，大约2/3用来带动压气机；其余1/3机械功则通过机组的输出轴去带动各种负荷。

4、燃气轮机命名及其分类. PG9171E型燃气轮机，这个铭牌中包含哪些信息？
用途—燃气轮机系列号—输出功率—轴式—循环方式——压气机改型号
用途：
M——机械驱动；GD——发电设备；PG——箱装式发电设备；
系列号：
3、5、6、7、9等相应表示MS3002、MS5000、MS6001、MS7001和MS9001等系列；
输出功率：万Hp（马力）；
轴式：
是指单轴还是双轴，用1或2表示；
循环方式：
R－回热循环，如此项空缺则为简单循环；
压气机改型号：代表压气机型号及相关技术。
PG9171E型燃气轮机即为箱装式发电机组MS9001系列E型，简单循环单轴机组，出力约为17万hp。
M5322R（B）即为机械驱动用MS5000系列B型，回热循环双轴机组，其出力约为32000hp。

第二章
1、何为理想循环？
（1）理想气体 （2）稳定流动 （3）可逆过程

2、简单循环的组成？
组成：2个可逆绝热过程
2个可逆定压过程
1-2 等熵压缩 2-3 等压加热
3-4 等熵膨胀 4- 1 等压放热

工作过程
以理想简单燃气轮机循环为例
燃气轮机的工质视为理想气体；理想简单燃气轮机循环为可逆循环，组成循环的过程分别为：
在压气机中实现工质可逆绝热压缩过程1－2；
在燃烧室中实现工质可逆定压吸热过程2－3；
在燃气透平中实现工质可逆绝热膨胀过程3－4；
燃气透平排气（乏气）排入大气实现工质可逆定压放热过程4－1。
循环由布雷顿（Brayton）于1872年提出，也被称为布雷顿循环。

3、理想简单循环的比功和热效率如何计算？
理想简单循环的比功Wt
循环净功 wt = wT-wC
wt= f( t* , p*)
循环热效率 hs = wt/ q1s = f(p*)
比功是指相应于进入燃气轮机的1kg空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的功，用符号“wt”表示，单位的符号kJ/kg空气 wt＝PGT/G

4、压比和温比的定义
压缩比（增压比）
压缩比（ p*）指压气机出口的气体压力与进口气体压力之比，表示工质被压缩的程度。
一般情况下，压气机进气压力即为大气压力。
温比（循环的加热比）
温比（ t* ）是指燃气轮机循环中所达到的最高温度T3*与最低温度T1*之比。

5、理想循环压比，温比和净功的关系，比功最佳压比的定义
（1）压比π一定时，温比τ越高，则比功Wn越大；
（2）温比τ一定时，随压比π从小到大变化，比功Wn呈先增后减的趋势，而且存在一个使比功最大的最佳压比πWmax；
（3）温比是影响最佳压比的唯一因素，温比τ越高，则最佳压比越大。
比功最佳压比：

6、理想循环压比，温比和热效率的关系，（实际循环效率最佳压比的定义）
（1）燃气轮机的循环效率η仅取决于压比π，而与温比τ无关；
（2）效率η随压比增大而增大。
实际循环效率最佳压比：

7、比较理想循环与实际循环的差别？
工况条件的差别
(1)实际的压缩和膨胀过程均为有损耗的不可逆过程，不是等熵过程；
(2)工质实际流动中存在压力损失，燃烧室和进排气道内的吸热和放热过程并非等压；
(3)燃烧室中实际上存在不完全燃烧损失和散热损失；
(4) 实际工质的比定压热容和等熵过程指数随温度、压力等变化，并非理想气体；
(5) 压气机空气流量与透平燃气流量实际上不相等；
(6) 实际燃气轮机中存在轴承摩擦等机械损失和传动损失。

比功和效率变化趋势的异同
(1)理想循环与实际循环的比功Wn随压比π和温比τ的变化趋势一致，但实际循环的比功相对较小；
(2)理想循环与实际循环的效率η 随压比π的变化趋势一致，但随温比τ的变化趋势不同：实际循环的效率η随温比τ的增加而增加；温比一定时，随压比π从小到大变化，效率η呈先增后减的趋势，而且存在一个使效率最高的最佳压比πηmax；
(3) 实际燃气轮机的使效率η最高的最佳压比πηmax通常大于使比功最大的最佳压比πWmax。

8、提高燃气的功率和效率的方法和措施？
A、从循环角度
提高温比t* = T3*/T1*
从循环特性参数方面来讲，这是提高循环热效率的主要方向。
表现在两方面:
一方面提高燃气初温，即透平前温T3*；
一方面降低T1*，即降低环境温度T0。
（1）提高燃气初温，依赖与材料技术和冷却技术的发展。燃气轮机会在1650~1700 ℃而终止燃气初温的增长。
（2）降低环境温度，人为改变意义不大。
B、减少损失
（1） 提高各部件效率
（2） 减少介质流动过程中压力损失，提高压力保持系数。
C、必须改进热力循环，提高循环性能。
1)采用回热循环
2)燃气-蒸汽联合循环
3)间冷循环（分级压缩中间冷却）
4)再热循环（分级膨胀中间再热）
5)复杂循环（回热间冷再热）
9、燃气蒸汽联合循环的目的是实现能源的阶梯利用。
第三章
1、轴流式压气机的结构
以机械动力提高工质压力并伴有温升的，向燃气轮机燃烧室输送工质的旋转叶轮机械。
组成：
（1） 静子：包括机壳（气缸）及固定在其上的静叶片、进出口导向叶片等零件
气缸：
导流器或静叶栅：静子上的一圈叶片。
导流叶片或静叶：组成导流器的叶片。
（2） 转子：压气机的旋转部件，包括轮盘、轴、动叶以及装在一起的其它零件
动叶栅或工作叶栅：安装在转轮上的一圈叶片（一个叶列）。
动叶或工作叶片：动叶栅中的叶片。
工作叶轮：每列动叶栅与带动它的转盘部分一起组成。
（3）进气管，进口收敛器， 进口导流器；出口导流器，出口扩压器，输气管

2、 何为轴流式压气机的基元级？
用假想的同轴圆柱面切割级的叶片排所到的高度无穷小的级。
压气机级
一列动叶栅和它后面的一列静叶栅共同组成轴流式压气机的一个级。

3、影响压气机级的增压能力的因素（限制条件）
叶片材料许用应力（强度）的限制
圆周速度u不能过大
叶栅气动性能的限制
气流转折角Δβ不宜过大

4、轴流式压气机的级效率
基元级的效率：气体压缩的有益功和实际耗功之比。
等熵（绝热）效率：理想基元级等熵（绝热）压缩功与外界实际输入基元级的机械功（基元级多变压缩功与摩擦损失功之和）之比。
用静参数表示：

用滞止参数表示：

多变效率：多变压缩功与实际耗功（基元级静参数多变压缩功与摩擦损失功之和）之比。

5、压气机级中的能量损失
内部损失
① 型阻损失（影响因素：叶型）
a、叶栅表面附面层中产生的摩擦和脱离现象引起；
b、叶片表出口尾迹中的涡流以及与主流的掺混；
c、在超音速气流中发生的激波现象等引起的能量损失。
② 端部损失（影响因素：叶片高度）
端部摩擦
二次流损失
③ 径向间隙的漏气损失（影响因素：动静间隙大小、前后压差和直径大小等）
外部损失
①支持轴承和止推轴承上的机械摩擦损失；
（相应的减损措施：采用高效轴承、适当润滑等措施）
②经过高压转子轴端与机匣之间的间隙泄漏到外界去的漏气损失。
（相应的减损措施：增设气封装置）

6、何为压气机特性线？
在转速恒定的条件下，压气机的压比 和效率 随流量的改变而变化的关系曲线。
（1）压比曲线
当转速nc一定时，压比曲线可分为左、右两侧支。在特性线上某点o处的压比最高。
（2）效率曲线
在转速nc一定时，有一个流量使效率最高，此时流阻最小。当流量Gc增加或减少时，都使流阻增大，效率下降。

7、压气机的通用特性线
用压气机对应的定性准则数为自变量绘制出压气机的通用的压比特性线和效率特性线。
统一采用四个参数

8、压气机的不稳定工况
典型的不稳定工况：失速，喘振，阻塞。

9、叶栅的失速
叶栅中体积流量减小时，叶栅背面边界层发生严重脱离，以致脱离区占据大部分流道并引起流动损失急剧增大的现象，称为叶栅的失速。

10、喘振现象：
在压气机特性线的左侧，有条喘振边界线，如流经压气机的空气流量减小到一定程度而此时，叶栅发生旋转失速，空气流量会出现波动，忽大忽小，压力出现脉动，时高时低，严重时甚至会出现气流倒流的现象，同时会伴随低频怒吼声响，可能会使机组强烈振动，使运行工况进入喘振边界线左侧，则整台压气机就不能正常工作。这种现象称为喘振现象。
（1）压气机喘振的特征
压气机的流量时增时减；
压力忽高忽低；
整个机组剧烈振动并伴随特有轰鸣声。
（2）压气机喘振的原因
内因（根本原因和必要条件）—— 压气机失速；
外因—— 压气机下游存在容积较大的管网部件。
(3)防止喘振的措施
(1)中间放气
从压气机中间放掉部分气体，放气口前流量相对增大，放气口后流量相对减小，使首、末级的气流冲角均可以调整到接近设计值，从而消除喘振。
中间放气措施的优缺点
优点：简单易行，压比低于10以下时效果较理想。
缺点：经济性差，因放掉10％～15％经过压缩的空气

(2)旋转导叶
压气机在低转速下靠近喘振边界运行时，若导叶不动，前几级将出现大的正冲角；转动导叶，改变安装角，可消除气流冲角，避免喘振。
旋转导叶防喘措施的优缺点
优点：经济性好；
缺点：操纵机构及系统复杂，重量增加。
(3)分轴压气机
—— 双转子压气机利用高压透平拖动高压压气机，低压透平拖动低压压气机，于是当转速降低时能够使高、低压压气机的首级和末级的圆周速度与气流轴向速度都协调变化，结果使低压压气机的正冲角和高压压气机的负冲角消失，从而消除压气机的喘振。
分轴压气机防喘措施的优缺点
优点：可实现压气机转速与流量的协调，高压比下可保证防喘的要求。
缺点：需采用复杂的同心套轴结构。
第四章
1、燃烧室的功能
燃烧室把压气机送来的高压空气同燃料很好地混合和燃烧，产生高温高压的燃气，并送入燃气透平中作功。
功能一，燃烧室必须保证提供燃气透平合格的做功工质（一定温度和压力）
功能二，燃烧室又是燃气轮机的主要调节部件，它必须保证控制燃料的供应量（与压气机控制空气量匹配）以满足外界负荷的变化需求。
功能三，控制NOX生成。
2、燃烧产物有哪些，哪些是污染物？减少燃烧室的冷却空气量，对燃气轮机的工作有何影响？（燃烧温度、透平进口温度及NOX）
燃烧室中产生的污染物：
NOX空气中76%质量的氮，是惰性气体。燃烧室的一次区温度极高（1650℃）时形成。（有害污染物）
CO不完全燃烧产生。（有害污染物）
少量未燃尽的烃（UHC）
SOX燃料中含有杂质硫，燃烧过程中生成。（有害污染物）不能依靠改善燃烧过程控制。
CO2燃料燃烧的产物，是温室效应污染气体，是不可避免的，减少它的唯一途径提高燃气轮机效率。
3、什么是燃烧效率？燃烧室损失有哪些？燃烧室的特性指标有哪些？
（1）燃烧效率ηr(95%—98%)
表示实际燃烧过程偏离理想过程的程度。燃烧室效率ηr是燃料燃烧生成物燃气的物理焓与反应物的物理焓（都相对于基准状态而言）之差（即有效产出）与燃料的热值（燃料的化学能）之比。
（2）总压保持系数Φr(0.95—0.97)或压力损失系数εr（0.03—0.05）
是衡量燃烧室气动性能好坏的指标。压保持系数Φr是指燃烧室出口工质的滞止压力与入口工质的滞止压力之比。
特性指标：
燃烧室的特性指标：
(1)燃烧效率ηr(95%—98%)
(2)总压保持系数Φr(0.95—0.97)或压力损失系数εr（0.03—0.05）
(3)出口温度均匀度（平均值偏差不超过15－20℃）
(4)污染物排放（严格限制NOX CO SO2 SO3 等）
(5)火焰筒壁温度水平和梯度（650－700 ℃ 高低均匀程度影响寿命）
4、什么是熄火极限？什么是振荡燃烧现象？什么是启动点火特性？
富油熄火极限：燃料与空气的混合比浓到一定程度时发生富”油”熄火，此时燃料与空气混合比所相当的过量空气系数αmin称为富”油”熄火极限
贫油熄火极限：燃料与空气的混合比稀到一定程度时发生贫”油”熄火，此时燃料与空气混合比所相当的过量空气系数αmax称为贫”油”熄火极限
振荡燃烧现象：燃烧室压力发生较大幅度的脉动并伴随着噪声发生。
启动点火特性：
能保证在机组启动时，在规定的进口空气参数压力、温度和流量条件下，借助点火系统快速可靠地点燃由主喷嘴射出来的燃料，并在点火系统关闭后自动维持连续的燃烧过程，而在机组启动后升速和加负荷过程中，不发生熄火、超温和火焰过长等现象。
5、什么是DLN燃烧技术？ DLN的含义？
低DLN燃烧技术（NOX低于50mg/m3）
在比较稀释（贫）的燃料浓度下进行较低温度（低于生成NOX的起始温度1650℃）的燃烧，能有效减少NOX排放物的生成，同时满足透平前温度的需求，用均相贫预混的湍流火焰传播燃烧方法实现。
6、控制燃烧室低NOX排放的措施有哪些？简单说明是如何实现的？
控制燃烧室低NOX排放的措施
（１）常规措施
向扩散燃烧的燃烧室中喷射一定数量的水或水蒸气
　　降低最高燃烧火焰温度抑制NOX产生
在余热锅炉中安装选择性催化还原反应器（SCR）
　　对燃烧产物进行后处理以降低已经生成的NOX数量。在催化剂的作用下向燃烧产物喷散氨水。NOX与氨水（NH3）催化反应产生氮气和水。
在燃烧室中采用催化燃烧法（开发试验阶段）
（２）干式低NOX（DLN）燃烧室
GE公司的串联式分级燃烧室（2.6+DLN逆流燃烧室—9FB）
Alstom公司的并联式分级燃烧室
Siemens(西门子)公司干式低NOX混合式燃烧器
三菱公司的变几何燃烧室
7、常用的燃烧方案有哪些？举例分别说明其特点。
（1）预先混合式的燃烧方案
预先混合式的燃烧方案的特点
（1）燃烧火焰比较短，因而燃烧室的热容强度可以做得相当高；
（2）燃烧稳定性比较差过量空气系数一般在2.6－3.0之间，过量空气系数为15左右时燃烧室容易熄火；（液体燃料）
（3）在低负荷工况下，燃烧室效率降低幅度较大。过量空气系数为1时，燃烧室效率为94%－95%；过量空气系数为2时，燃烧室效率为82%－83%。
克服这种缺点的方法：在旋流器中心部位安装一个值班天然气喷嘴。空气旋流器前加装一次空气量调节机构。
（2）扩散燃烧式的燃烧方案
扩散燃烧式的燃烧方案的特点
（1）混合过程比燃烧过程缓慢得多，火焰比预混式长。
（2）燃烧稳定范围大，燃烧室效率随负荷变化小。
（3）需要很好控制空气和天然气的配合，防止天然气喷至缺氧区。导致不完全燃烧。
（容积浓度在5%－14%一突然点火会发生爆炸）
第五章
1、什么是透平级的内效率？透平级内损失有哪些？
2、透平冷却常用的冷却介质有哪几种？分别说明其特点。
冷却介质
（1）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：
系统比较简单，结构上容易实现。
缺点：
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。
（2）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。

3、叶片冷却方式有哪几种？
叶片冷却方式
（1）对流冷却：
　　通过空心叶片壁面对流换热冷却方式。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
4、举例说明燃气透平的冷却过程。
5、燃气透平的级，基元级的反动度（运动反动度、热力反动度）。
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。

6、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）
(2)基元级膨胀比：

(3)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，φ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； φ小，小流量透平叶片做的尽量高些，减小叶片的二次流损失。
(4)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，Φ大，说明w大。
(5) 速度比
;

轮周效率

7、什么是多级透平的相对内效率和内功率？

8、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？
多级透平的重热现象
在多级透平中，上一级的损失在后面的各级中得到部分的利用，或者说，上一级的损失使后面各级的理想比焓降增大的现象称为重热现象。
影响重热系数大小的因素：
(1)透平的级数
(2)各级的内效率
(3)透平中工质的热力参数

9、多级透平的主要参数有哪些？

11、多级透平通用特性曲线及其特点。
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。
12、透平级通用特性曲线(流量曲线和效率曲线)及其特点
(1)流量特性线
当转速不变，膨胀比pT*达到临界比值时，流量达到最大值。若继续增大pT* 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。
(2)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(pT*)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。

例题：
某单轴燃气轮机所配透平工作特性如图所示，已知环境温度为15℃、压力为0.1013MPa，转速为6000r/min，空气流量为17kg/s，压气机压比为4、效率为0.82。假设燃气轮机进气压损、燃烧室压损及排气压损忽略不计，空气和燃气流量差别忽略不计。
试求：1.燃气透平的初温为多少？
2.假设在此条件下，燃烧室效率为0.97，燃气轮机功率和效率。
解：1.
πt= π=4