燃气轮机的实际热力循环
2-燃气轮机-第二讲(热力循环)
比功与压比、温比的关系： 比功与压比、温比的关系：
结论2——效率与压比、温比的关系： 结论2——效率与压比、温比的关系： 效率与压比 仅取决于压比π，而与温比τ （1）燃气轮机的循环效率 仅取决于压比 ，而与温比 ）燃气轮机的循环效率η仅取决于压比 无关； 无关； 随压比增大而增大。 （2）效率 随压比增大而增大。 ）效率η随压比增大而增大
其他多种热力循环组合的联合循环
–必要性：单独的一种热力循环各有优缺点，而几种 必要性：单独的一种热力循环各有优缺点， 必要性 热力循环结合使用则可扬长避短，达到理想效果。 热力循环结合使用则可扬长避短，达到理想效果。 –多种热力循环组合的联合循环方式： 多种热力循环组合的联合循环方式： 多种热力循环组合的联合循环方式 间冷再热循环 间冷回热循环 再热回热循环 间冷再热回热循环 燃气-蒸汽联合循环
第二讲
燃气轮机热力循环
一、燃气轮机的理想简单循环 二、理想简单循环效率的影响因素 三、燃气轮机的实际简单循环 四、燃气轮机常见其他热力循环
第一节 燃气轮机的简单循环
思考题一：何为理想循环？ 思考题一：何为理想循环？ 1、理想气体 、 2、稳定流动 、 3、可逆过程 、
二、理想简单循环
思考题二：简单循环的组成？ 思考题二：简单循环的组成？
q3-4= 0
工质在涡轮中膨胀做功，称为膨胀功wT
= c p (T3* − T4* )
= c pT3* (1 − π* -m )
* * p − v图上，wT = 面积3-4-p1 -p2 -3
④4s-1 大气中的等压放热过程
q2 = q4−1 = h − h
* 4
* 1
kJ/kg
q1
= c p (T4* − T1* )
燃气轮机热力计算方法
上述分析原则上适用于航空燃气轮机循环参数的 选择，但须考虑两个问题。
需考虑的两个问题
问题一：飞行状态对航空燃气轮机发 动机参数选择有影响
随飞行高度增加，周围大气温度 降低。在给定涡轮前燃 T0 气温度 的条件下，加热比 将随飞行高度的增加而增 * T 3 加；
T3/T0
*
问题一：飞行状态对航空燃气轮机发 动机参数选择有影响
3-3 燃烧室油气比的计算方法
在热力计算中，需要根据燃烧室的进口温度 T * 和出口温度 T 3 ，燃烧效率b和燃料热值Hu，计 算油气比f。
* 2
T
qma
* f
qmf h
* f
h 2 ,a
T
* 2
*
b qmf H u
( qma qmf )
h 3, g
*
T
* 3
燃烧室进、出口参数分布
T
T2
p2 R ln( ) p1
变为：
p Cp ln(T 2 ) R ln( 2 ) p1 T1
等熵绝热过程方程：
T 2 ( p2 ) p1 T1
k 1 k
或
* T2 ( p ) * p T1
k 1 * k 2 * 1
计算方法简单，但计算精度较差
2.分段平均比热法
取工质经过某一等熵绝热过程始末状态的比热的平均值 作为该过程的比热。
超音速进气道 M 2.0 i 0.65 ~ 0.88
M 3.0 i 0.30 ~ 0.60
地面燃气轮机
i 0.99
压气机出口气流参数
和
* * 及比功 的计算 P 2
T2
wc
* 进气道出口气流参数 P* 和 T就是压气机进口气流参数。 1 1 根据选定的压气机增压比 ，计算压气机出口总压。
燃气—蒸汽联合循环简介
燃气—蒸汽联合循环在世界范围内，使用化学燃料通过热力动力机械发电的火力发电量仍然占据最高的比例。
从节约资源和保护环境等各方面来说，作为一种重要的发电装置，火力发电机组首先要求有高的热效率。
在大型热力发电设备中，目前技术水平比较成熟的，能够经济地大规模应用的只有燃气轮机和蒸汽轮机。
但是它们的热效率都不高，一般都在38—42%左右，即使最先进的燃气轮机热效率也只能达到42—44%，最先进的超临界参数蒸汽轮机热效率也只能达到43—45%。
对这两种热力机械所使用的热力循环进行分析。
燃气轮机燃气初温很高，目前的技术水平一般能达到1350—1430℃，因此燃气轮机中的热力循环平均吸热温度高，但是它的排气温度也就是循环低温也高，一般要达到450—630℃，所以燃气轮机热力循环的卡诺效率不高。
蒸汽轮机虽然循环低温较低，也就是蒸汽的冷凝温度可以降低到30—33℃，但是由于受到材料上的限制，它的蒸汽初温不高，在目前的技术水平下一般难以达到600℃，即使采用再热之后，平均吸热温度也不会太高，所以蒸汽轮机热力循环的卡诺效率也不高。
进一步分析可以发现，蒸汽轮机蒸汽初温一般在535—565℃以下，所以实际上只要有570—610℃的热源就可以让蒸汽轮机工作，而燃气轮机的排气温度就很高，在排气中蕴含着大量的热能，能够给蒸汽轮机提供所需要的热能。
因此如果使用燃气轮机排气作为蒸汽轮机的热源，蒸汽轮机就可以不额外消耗燃料了。
也就是说，蒸汽轮机可以回收燃气轮机的排气热量，额外发出一些有用功，这样就相当于增加了燃气轮机的热效率。
如前所述，目前先进的燃气轮机和蒸汽轮机的热效率基本相当，都在38—42%左右，那么，此时这个相当于增加了燃气轮机热效率的系统，热效率必然比单纯的燃气轮机和蒸汽轮机都高。
实际上，如果把上述由燃气轮机和蒸汽轮机组成的系统看成一个整体，那么在它的热力循环中，循环高温就是燃气轮机的循环高温，而循环低温则是蒸汽轮机的冷凝温度。
内燃机热力循环-打印版
内燃机热力循环一、燃气轮机循环燃气轮机理想循环为布雷顿循环（Brayton Cycle) ，它是工质连续流动做功的一种轮机循环，如图1所示 。
它既可作内燃布雷顿循环，又可作外燃布雷顿循环。
内燃的布雷顿循环为开式循环，常用工质为空气或燃气。
外燃的布雷顿循环是闭式循环，通过热交换器对工质加热，在另一热交换器排出工质余热。
循环过程为：工质在压气机中等熵压缩1－2，在燃烧室（或热交换器中）等压加热2－3 ，在燃气轮机中等熵膨胀3－4和等压排气4－1 。
图1 燃气轮机循环燃气轮机循环的指示热效率为11k k i c ηπ-=-式中，c π为压气机中气体的压比，k 为比热比。
燃气轮机开式循环常与内燃机基本循环配合使用。
二、涡轮增压内燃机热力循环将涡轮增压技术（或燃气轮机技术）应用到内燃机上是内燃机循环的一项重大技术发展。
一方面内燃机希望获得更多的进气（或可燃混合气）充量，以提高内燃机的功率和热效率；另一方面从内燃机排出的高温、高压废气能导入燃气涡轮中再作功，推动与燃气涡轮相连（同轴）的压气机来提高进气（或可燃混合气）的压力供给内燃机，这样就成为涡轮增压内燃机。
涡轮增压内燃机有等压涡轮和变压涡轮两种系统，它们的热力循环也有所不同。
1．恒压涡轮增压内燃机热力循环图2是等压涡轮增压内燃机热力循环。
它由内燃机基本循环1→2→3’→3→4→1和燃气轮机循环7→1→5→6→7组成。
图2 等压涡轮增压内燃机热力循环压气机将气体从状态7（大气压力p0）等熵压缩到状态1（压力为p s）之后进入内燃机。
按内燃机热力循环到达状态4。
气体在排气过程进入等压涡轮时由于排气门的节流损失和排气动能在排气总管内的膨胀、摩擦、涡流等损失而变成热能，气体温度升高，体积膨胀而到达状态5。
气体从4→5 这部分能量没有利用，对内燃机来说相当于从状态4直接回到状态1。
气体在等压涡轮中从状态5等熵膨胀到状态6，然后排入大气。
2 ．变压涡轮增压内燃机热力循环变压涡轮增压内燃机热力循环如图3 。
燃气轮机热力循环原理
• 热耗率 机组每输出产生l kW·h的功需要多
少焦耳的热量。
• 油耗 每产生lkW·h的功所消耗的标准燃
油（是指发热量为43124kJ/kg的燃油） 的克数。
燃气轮机理想简单循环性能分析
理想简单循环比功
w G Tcp T 1 * [(1 m ) (m 1 )]
推导上式
压气机耗功的计算：
3 T
w ch 2h 1cp(T 2T 1)
单机功率
• 合同额定功率 指在事先确定的运行工况下连续运行，
发电机能够保证的出力。
单机功率
• 现场额定功率 指在燃气轮机发电厂所处的当前环境
的条件下，诸如大气压、大气温度、压力 损失等条件下的最大持续功率。
单机功率
• 尖峰功率 在规定的运行条件下，保持一个约定
的短时间内，燃气轮机以高于连续额定功 率安全运行的最大功率。
k1
cpT1TT12
1cpT1
p2 p1
k
1
p 4
2 p
1
k1
cpT1( k 1)
s
燃气轮机作功量的计算：
w Th 3h 4cp(T 3T 4)
k1
k1
cpT 4 T T 4 31 cpT 4 p p4 3 k
1 cpT 4 p p1 2 k
1
一般来说，T3＊每提高 100℃，机组比功大约增加 20％～40％，热效率增加 2％～5％
燃气轮机燃烧系统的热力学性能分析与优化设计
燃气轮机燃烧系统的热力学性能分析与优化设计近年来，燃气轮机技术得到了快速发展，在能源领域发挥着重要的作用。
燃气轮机的核心是燃烧系统，而燃烧系统的热力学性能分析与优化设计对燃气轮机的效率和环境友好性具有重要意义。
本文将对燃气轮机燃烧系统的热力学性能进行深入分析，并探讨优化设计的方法。
1. 燃气轮机燃烧系统的热力学基础燃气轮机燃烧系统是将燃料和氧化剂进行反应，产生高温高压燃气流，从而驱动涡轮机旋转，产生功。
燃气轮机的热力学性能主要包括热效率、功率密度和排放特性。
热效率指的是燃料的化学能转化为机械能的比例，是燃气轮机的重要性能指标。
功率密度是指单位体积或单位质量的燃气轮机所能输出的功率，高功率密度意味着更高的性能和更小的体积。
排放特性是指燃气轮机在燃烧过程中产生的污染物和温室气体的排放情况，对环境保护和可持续发展至关重要。
2. 燃烧系统的热力学分析燃烧系统的热力学分析是对燃气轮机燃烧过程中的能量转化和损失进行综合评估。
燃烧系统主要包括氧化剂供应、燃料供应、混合和点火四个阶段。
在氧化剂供应阶段，燃气轮机通过压氧机将大气中的氧气挤入燃烧室，形成所需的氧化剂。
在燃料供应阶段，燃气轮机通过燃料喷嘴向燃烧室中喷入燃料。
在混合阶段，氧化剂和燃料进行充分的混合，以保证燃料能够完全燃烧。
在点火阶段，通过火花塞或者火花放电来点燃混合气体。
在燃烧过程中，热效率的提高是燃气轮机热力学性能分析的重点之一。
燃烧反应的热效率主要取决于燃料的分解和氧化过程中的能量转化效率。
高效的燃烧系统应该能够实现燃料的完全燃烧，减少可燃物的残留，提高热效率。
同时，燃气轮机的排放特性也是需要考虑的因素。
燃烧过程中产生的氮氧化物和颗粒物等有害物质对环境和健康造成一定的影响，因此需要探索降低排放的方法。
3. 热力学性能分析的方法燃气轮机燃烧系统的热力学性能分析和优化设计需要借助计算模拟和实验测试。
计算模拟可以利用数值计算方法对燃烧过程进行模拟和分析。
《燃气轮机与联合循环》第二章 燃气轮机的热力循环解析
第二章 燃气轮机的热力循环
2-3 实际简单循环的特性
特点： 热力过程中有各种能量损耗，是不可逆的；
工质的热力性质和数量因燃烧而变。
假定条件（为便于与理想循环比较）： ①具有相同的压比C*和初始温度T1* ； ②涡轮前燃气初温相同， T3* = T3s* ； ③环境参数均为p0、T0， 即p1* = p0 、T1* = T0 。
一、热力参数
1、压比
—说明工质在压气机内受压缩的程度。
—压气机出口的气流压力与其进口的气流压力的比值。
用滞止压力（总压）表示：
p p
燃气轮机与联合循环
* 2 * 1
决定循环性能的重要参数
能源与动力学院
第二章 燃气轮机的热力循环
2、温比
—说明工质被加热的程度。
—透平前进口燃气温度与压气机进 口气流温度的比值
燃气轮机与联合循环
能源与动力学院
第二章 燃气轮机的热力循环
二、性能参数与压比和温比的关系
1、比功与温比压比的关系
wc cp (T2* T1* ) wt cp (T3* T4* )
wn c p (T3* T4* ) c p (T2* T1* ) * T 1 * * 2 c pT3 1 * c pT1 * 1 T3 T1 * T 4
燃气轮机与联合循环
能源与动力学院
第二章 燃气轮机的热力循环
k 1 1 wn c pT1* (1 k 1 ) ( k 1) k
（ 1）压比
一定时，温比 增大，循环比功w 增大（公式上看）。
n
4*
一定时，有一最佳压比 (3) 时， 。
燃气轮机-热力循环
压降
* * * p B p3 p2 (0.02 ~ 0.08) p2
* p3 压力保持系数 B * 0.92 ~ 0.98 p2
燃烧不完全，燃烧效率B<1.0 (0.90~1.0)
实际吸热量降低 q1=q1sB
* 2 * 1
③3s-4s 涡轮中进行可逆绝热膨胀过程
* * q3s4s (i4 i s 3s ) LTs 0
* * LTs i3 i s 4 s kJ/kg
q3s-4s= 0
工质在涡轮中膨胀做功，称为膨胀功LTs
c p (T3*s T4*s )
c pT1* * (1 π
复习内容
1、什么是稳定流动？其条件是什么？
所谓稳定流动，就是热力系统在任何截面上， 工质的一切参数都不随时间而变。 稳定流动的条件： （1）进出口工质的热力状态不随时间而变； （2）进出口工质的流量相等且不随时间而变； （3）系统与外界交换的一切能量不随时间而变。
2、什么是滞止现象？滞止参数？
T * p p T
*
k k 1
稳定流动能量方程式
q i2 i1 c c
1 2 2 2
工质吸收 的热量
2 1
g z - z
2 1
位能差
Ls
理论轴功
焓差
动能差
忽略燃气轮机进出口的位能差
q i2 c i1 c Ls
1 2 2 2 1 2 2 1
滞止现象：当流动工质受到阻碍而使工质流速 静参数 降为零时 所发生的现象。 滞止参数： 通过可逆绝热压缩过程使工质流速降为零时所 得到的参数。 滞止焓或总焓 i* 滞止压力或总压 p*
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作者：水之北
1. 燃气轮机的实际循环 1.1. 燃气轮机的实际循环如图 1 的实线所示，包括四个热力过程：
n n n
熵增的多变压缩过程：空气从 p1 压缩至 p2； 略有压降的的加热过程：燃烧后的烟气温度从 T2 升至 T3，压力从 p2 略降至 p3； 熵增的多变膨胀过程，热烟气从 p3 膨胀至 p4＝p1，烟温从 T3 降至 T4； 等压放热过程，膨胀后的烟气从 T4 冷却至 T1。
h 02 h 01 1 h 02s h 01 c
(1)
其中ηc 是压气机的效率。那么：
h 02 h 02s 1 c h01 c
~1~
(Байду номын сангаас)
过程 1—2 的空气压缩功为：
L c 1 h 02 h 01
(3)
2.2. 略有压降的加热过程 2—3 已知参数：p2，T2，T3； 求解参数：p3，q2-3。 设燃烧室总压恢复系数为 σb，则：
(8)
将（8）带入（5） ，得到：
mf h 03 h 02 b H f K 03h 03 h f 2
(9)
2.3. 熵增膨胀过程 3—4 已知参数：p3，T3，p4； 求解参数：T4。
~2~
与式（1）类似，3—4 的等熵和熵增过程之间的关系为：
h g3 h g4 T h g3 h g4s h g4 1 T h g3 h g4s
p3 b p2
(4)
设喷油量为 mf，燃油的低发热值为 Hf，燃烧室燃烧效率为ηb，则：
q 23 b m f H f m f h f 2 1 m f h g3 h 02
(5)
其中： hg3： h02： hf2： 状态 3 处烟气的热焓 状态 2 处空气的热焓 状态 2 处燃料的热焓
(10)
比焓的计算公式为：
hg =
1+ L0 h1 + α -1 L0 h 0
1+ αL 0
=
1+ L0
h1 + α -1 L 0 h0 h0 1+ αL0
(11)
引入参数：
hc = h1 h0
(12)
在 300℃ ~ 2000℃的范围内，hc 的变化范围为 1.0729 ~ 1.1184。若取 hc 的值为 1.09，则 hc 值的偏差均小于 2%。将（12）带入（11） ：
n
1.2. 循环工质是 1 kg/s 质量流量的空气，是热力学意义上的理想气体。 1.3. 忽略燃气轮机进出口空气的动能和重力势能。
P 2 3
理想循环 实际循环
1 0
图 1. 燃气轮机的实际循环
4 V
2. 实际循环的热力过程 2.1. 熵增多变压缩过程 1—2 已知参数：p1，T1，p2； 求解参数：T2。 用下标 s 表示等熵过程中的参数，则对于过程 1—2，熵增和等熵过程之间的关系为：
h 04 = 1+ αL 0 h g4 1.09 1+ L0 + α -1 L 0
(13)
由（13）式可以求出 T4。如果追求更精确的计算结果，用求出的 T4 再代入式（11） ：
h 04,i+1 =
1+ L0 h c4,i + α -1 L0
1+ αL 0
h g4
(14)
这个过程可以一直继续下去，直到迭代出任意精度的结果。 过程 3—4 的烟气膨胀功为：
K 0 L0 h03 1 L 0
根据烟气热焓的计算公式：
h g3
(6)
其中： h03： α： L0： 状态 3 处纯空气的热焓 空气过剩系数（α＞1） 理论空气量
燃烧的空气过剩系数为：
1 mf L0
(7)
将（7）带入（6） ：
h g3 1 m f K 0 h 03 1 mf
L T 1 mf h g3 h g4
(15)
2.4. 等压放热过程 4—1 已知参数：p4，T4，T1； 求解参数：q4-1。
q 41 h 01 1 m f h g4
(16)
3. 理想循环的循环功
L id q 23 q 41
(17)
4. 理想循环的热效率
L id q 23
(18)
~3~