01燃气轮机热力循环原理汇总
燃气轮机原理(1)
燃气轮机原理(1)
燃气轮机原理
燃气轮机是一种以高速旋转涡轮机传递动力的热力机械，能够将燃料
燃烧释放的能量转换为机械能或电能。
其工作原理可分为以下几个方面：
1. 空气的压缩
燃气轮机最基本的组成部件是压气机，其主要功能是将进入机器的空
气进行压缩。
在压缩过程中，由于空气压缩比较明显，使空气温度升高，此时空气具有更多的能量，在后面的燃烧中将释放更多的能量。
2. 空气与燃料的混合
经过压缩后的空气进入燃烧室，通过喷嘴喷入燃料形成混合气，然后
由高压火花点火器进行点火。
燃料燃烧产生的高温高压气体将驱动涡
轮转子转动，使得机组转动。
3. 热力循环
涡轮传动跟压缩空气和燃料混合甚至接触燃烧产生的高温高压气体的
热力循环有关。
燃气轮机采用的是布雷顿循环，由压缩、燃烧和膨胀
三个阶段组成，其中压缩和膨胀阶段是通过涡轮完成的。
4. 热量转换
在燃气轮机的使用中，热量的转换是非常重要的一部分。
压缩空气时，
能给空气增加压强，使燃烧过程更充分，在燃烧后产生的高温高压气
体也可以增加其旋转力矩。
热量转换也可以表现为机组的功率输出，
同时也可以用来驱动其他机械设备。
总之，燃气轮机是一种高效率的动力机械，其应用广泛，不仅可以用
于发电、船舶、飞机、陆地机械等领域，也被用于工农业等很多领域。
随着技术进步的不断推进，燃气轮机的性能和效率也在不断提升。
燃气轮机原理精讲(1)
燃气轮机原理精讲(1)
燃气轮机（Gas Turbine）是一种高效、灵活、可靠的发电设备，被广
泛应用于能源、制造、交通运输等各个领域。
下面从三个方面来精讲
燃气轮机的原理。
一、燃气轮机的构成与工作原理
燃气轮机主要由压缩机、燃烧室、燃气涡轮和功率轮组成。
其工作原
理是：空气经过压缩机增压后进入燃烧室，燃料在其中燃烧产生高温
高压的燃气，然后燃气驱动燃气涡轮旋转，进一步推动功率轮带动发
电机发电。
二、燃气轮机的热力学基础
燃气轮机的工作原理基于空气与燃料的化学热力学反应。
在压缩机中，空气经压缩升高温度，然后进入燃烧室进行燃烧，热功率由燃烧产生
的高温高压燃气转化为转子运动，再转化为电能输出。
同时，燃烧的
过程也会产生大量的热量，需要通过冷却和排气来保证发电的可持续性。
三、燃气轮机的优势和发展趋势
相对于其他发电设备，燃气轮机有很多明显的优点：它们具有快速启动、高效节能、低排放、维护简单等特点，特别适用于紧急电力需求
和低载率运行。
随着燃气轮机技术的持续进步，未来的发展趋势主要
包括：提高系统效率、进一步降低排放、扩大燃气轮机的应用领域以
及提高系统可靠性和可维护性等。
总之，燃气轮机的原理是非常广泛的，理解燃气轮机的基础原理和优势，是使用和维护燃气轮机时的必经之路。
燃气轮机的实际热力循环
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)
《燃气轮机与联合循环》第二章 燃气轮机的热力循环解析
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
（3）燃烧过程有不完全燃烧损失
燃烧不完全，燃烧效率b<1.0 (0.96~0.99)
实际吸热量降低
qb b f Hu
qb f Hu
（4）比热容是随温度变化的，空气和燃气的 等熵指数是不一样的。
燃气轮机与联合循环
能源与动力学院
T3 T2
循环增温比
3-4 等熵膨胀（燃气透平内） 4-1 定压放热（排气，假想换热器）
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
假设条件：
工质为理想气体； 热力过程均是可逆的，无能量损耗； 工质的比热容和流量不变。
组成：2个可逆绝热过程 2个可逆定压过程
1-2s 等熵压缩 3s-4s 等熵膨胀 2s-3s 等压加热 4s- 1 等压放热
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
一、实际循环与理想循环的差别
（2）工质流动过程是有压力损失的
* * * * * * p0 p1 , p2 p3 , p4 p0 pc 压气机进气道压损率： c * 0.01-0.015 p0
燃烧室压损率： 0.03-0.06
用滞止温度（总温）表示：
T T
* 3 * 1
决定循环性质的最重要参数
愈高，性能愈好，但对耐高温材料或冷却技术的要求越高。
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、性能指标
1、比功和功率
比功w—单位质量工质所做的功，kJ/kg； wc—压气机的比功， kJ/kg； wt —涡轮比功， kJ/kg。 功率N—单位时间内工质所做的功，kW。
第3章 燃气轮机热力循环-4.
3.1.2燃气轮机热力循环的性能参数
(1)标准额定功率 (2)合同额定功率 (3)现场额定功率 (4)尖峰功率 通常将前三项统称为基本负荷。 ANSI B1336“额定值及性能”将基本负荷 定义为：每年运行8000h和每次启动运行800h。 而将尖峰负荷定义为：每年运行1250h和每次 启动运行5h。
§3.1.1燃气轮机热力循环
开式循环燃气轮机从大气连续地吸取空气 作工质，经过压缩、加热、膨胀作功后排回大 气放热而不断地循环工作。膨胀过程所作的功， 要扣除压缩过程耗功及其它损耗所需的耗功之 后才是装置的输出功。开式循环燃气轮机通常 采用内燃方式加热，把燃料直接喷入空气工质 中燃烧。
开式循环燃气轮机
燃气轮机排气温度较高，可达500℃左右， 因此还可利用其热量来加热压缩后的空气，从而 在燃烧室加热时就可节省一部分燃料，故能较多 地提高装置效率，这种循环称为回热循环。燃气 轮机还能采用把间冷、回热和再热组合起来的复 杂循环以提高性能。也可同其它工作循环结合起 来提高综合经济性能，例如涡轮增压柴油机循环、 燃气蒸汽联合循环和化工流程燃气轮机循环等。
（二）压比
π=P2*/ P1*
压比π是压气机出口气体全压P2*与进口气体全 压P1* 之比值。
§3.2燃气轮机理想简单循环分析
• §3.2.1燃气轮机理想简单循环 • §3.2.2燃气轮机理想简单循环分析
§3.2.1燃气轮机理想简单循环
所谓理想简单热力循环是指循环中的工质假 定为满足气体状态方程的理想气体，并认为在 理想热力循环中所进行的各热力过程，除了有 不可避免的给冷源的放热损失外，和外部介质 既不发生热量的交换，也不存在摩擦损失。
3.3.1提高燃气轮机热效率的措施
理想回热循环的比功仍用式(2-4)计算。由
燃气轮机循环水循环原理
燃气轮机循环水循环原理
燃气轮机循环水循环原理是指在燃气轮机运行过程中，通过循环水系统对轮机进行冷却和热回收的过程。
循环水循环原理的主要目的是保持燃气轮机的运行温度稳定，提高热能利用效率，同时减少对环境的影响。
燃气轮机的循环水系统由循环水泵、冷却器、水箱、热交换器、控制阀等组成。
循环水泵负责将水从水箱中抽入系统，并将水通过管道输送到燃气轮机的各个部位，以冷却燃气轮机的各个热点部位。
循环水在冷却过程中吸收了部分热量后，通过冷却器将热量排出，然后再次回到水箱中循环使用。
燃气轮机循环水的循环原理基于热力学的工作原理。
燃气轮机在运行过程中会产生大量的热量，如果不进行冷却，将会导致轮机过热而失效。
因此，通过循环水系统，可以将产生的热量带走，保持轮机的正常运行温度。
循环水循环过程中，水的温度会逐渐上升，这是因为水在冷却燃气轮机过程中吸收了热量。
为了保持循环水温度在可控的范围内，循环水系统中通常设有热交换器。
热交换器可以将循环水和其他介质（如蒸汽、油等）之间进行热量交换，将循环水的热量传递给其他介质，使循环水的温度得以降低，从而保持燃气轮机的运行温度稳定。
另外，燃气轮机循环水循环原理还可以实现热回收。
在循环水系统中，通过热交换器将循环水的热量传递给其他介质，如蒸汽。
这样可以利用循环水的热量，产生蒸汽用于其他工艺过程，从而提高能源利用效率。
总之，燃气轮机循环水循环原理通过循环水系统对燃气轮机进行冷却和热回收，保持轮机的运行温度稳定，提高能源利用效率，并减少对环境的影响。
这一原理在燃气轮机的设计和运行中起到至关重要的作用。
《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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19:32:57
1
燃料
燃烧室
燃气轮机发电装置示意图
1800-2300K 3 2
压气机
q1
涡轮（透平） 发电机
电
q2
1 进气口
4 排气
一． 二． 三． 四．
燃气轮机简单循环热力过程 燃气轮机的复杂循环 航空燃气轮机循环 燃机热力循环计算方法
19:32:57
3
一、燃气轮机理想简单循环
温比是指循环最高温度t3*（燃气初温）与 最低温度t1*之比值。
19:32:57
9
3、比功 比功是指相应于进入燃气轮机的每lkg 空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能 对外输出的功。
比功反映燃机哪方面信息？ WGT 与 WT 和 WC 的关系？
19:32:57 10
4、单机功率
燃气轮发电机组的输出电功率PGTG，为 主要的性能指标。
2 p 1
4
c pT1 (
k 1 k
1)
s
燃气轮机作功量的计算：
wT h3 h4 c p (T3 T4 )
k 1 k 1 k k T3 p3 p2 c pT4 1 c pT4 1 c pT4 1 p4 p1 T4 k 1 c pT4 ( k 1)
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• 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。
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19
燃气轮机理想简单循环性能分析
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20
理想简单循环比功
wGT c T [ (1
什么是燃料的低热值？燃料的高热值？
燃料的热值是指单位燃料在量热计中燃烧后测得 的热量数值。由于燃料燃烧产物中的H2O在冷凝 的过程中会放出潜热包括在量热计所测的数值中，
所以测出的数值称为高热值。这部分潜热在发动
机中是无法利用的，因此要将这部分热量从高热 值中减去。燃料在气缸中燃烧后发出的有效热量 称为低热值。
① ② ③ ④ 标准额定功率 合同额定功率 现场额定功率 尖峰功率
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11
单机功率
• 标准额定功率 是指在IS0工况下，即环境温度15℃、 海平面高度、相对湿度为60％、以及燃用 天然气的工况下连续运行，发电机出线端 的最大持续功率。
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12
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。
1 s
因 定义 则
k 1 p2 T2 k T1 p 1 p2 为循环增压比. p1
k 1 k
t 1
1
k 1 k
显然，定压加热燃气轮机循环的热效率完全 取决于循环增压比，并随着π的增大而增加。
实际简单循环性能分析
19:32:57
30
19:32:57
15
5、热效率
当工质完成一循环时，把外界加给工质的热量
转化成为机械功或电功的百分数。 有三种计算方法：
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16
q
: 每1kg空气，加给机组的热量；
f
: 每1kg空气，加入的燃料量；
Hu ：燃料的低热值； Gf ：每秒钟加给机组的燃料量； PGTG：单机输出电功率
19:32:57 17
w0 q2 t 1 q1 q1
T
3
q1 h3 h2 c p T3 T2 q2 h4 h1 c p T4 T1
2 1
4
s
由 得
T3 T4 T2 T 1
T
3
w0 q2 t 1 q1 q1
p
2
4
p
T1 1 1 1 T2 T2 T1
由： 可得：
w W 0 c p [T3 (1 GT
( 1) / ) T ( 1） ] 1 ( 1) /
1
此式说明，当温度T3和T1一定时，循环 净功决定于增压比。为找出循环净功随增 压比变化的关系，通过求 wGT 的一阶及二阶 导数，可以求得最大WGT增压比.
T
T3
3
3
3
在循环最高温度T3和最低 温度T1一定的情况下，循 环增压比对比功的影响
2
4
4
T1
1
4 s
理想简单循环热效率
推导上式
随压比的提高，循环效率可以 一直提高的接近1吗？
19:32:57 26
燃气轮机装置循环的计算内容 吸热量 放热量 压气机耗功 燃气轮机作功 循环净功 循环热效率
热力系统 示意图
19:32:57
4
1-2 3-4
等熵压缩（压气机内） 2-3 等熵膨胀（透平内） 4-1
定压吸热（燃烧室内） 定压放热（排气）
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5
约定：
1. 压气机进口处空气的状态参数，以下标“1”表示；
2. 压气机出口（燃烧室进口）状态，以下标“2”表示； 3. 透平进口（燃烧室出口）状态，以下标“3”表示； 4. 透平的排气状态，以下标“4”表示。
19:32:57
13
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。
19:32:57
14
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。
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31
比较图7.7 和图7.2 比较图7.8 和图7.4
比较图7.7 和图7.8
19:32:57
压气机出口 = 燃烧室进口 ？ 透平进口
19:32:57
= 燃烧室出口 ？
6
电站燃气轮机循环的主要性能指标
1. 2. 3. 4. 5. 压比 温比 比功 单机功率 热效率
19:32:57
7
1、压比
压气机出口的气体压力P2＊与进口的气体压力 P1＊之比值，反映工质被压缩的程度。
19:32:57
8
2、温比
* p 1
m
) ( 1)]
m
推导上式
19:32:57
21
压气机耗功的计算：
T
3
wc h2 h1 c p (T2 T1 )
p
k 1 k T2 p2 c pT1 1 c pT1 1 p1 T1