燃气轮机基本原理和计算
燃气轮机简介
西门子SIEMENS 燃气轮机 ❖ we
GE 燃气轮机
1、燃气轮机基本原理
❖ 地面燃气轮机旳评价参数：
效率：42.9% ，联合循环效率高达58%；（油耗率、热耗） 功率： 最大334MW； 涡轮前温度、压比； 寿命：50000~100000小时； 停机检验时间：4000~8000小时； 单位功率旳重量：重型旳一般不小于2～5kg/kW，轻型则
在1872瑞士人Stole取得了一种燃气轮机旳专利，他设计 旳燃气轮机涉及多级轴流式压气机、反动式涡轮、燃烧 室、回热器等部件。
1895年,美国人 Charles提出了完整旳燃气轮机旳设计专 利。
2、燃气轮机发展史
❖ 在1923年，法国人 Stolze制造了第一台“真正”
旳燃气轮机，而且进行了试验，但是成果却是失败 了。装置除了带动本身旋转外，几乎不能对外输出 功。 ❖ 同步，其他旳人也尝试制造燃气轮机，但是几乎都 失败了。 ❖ 失败旳主要原因有两个：
部件旳效率偏低（主要是压气机，当初旳压气机效率只有 60%左右）。
材料旳限制（没有耐热钢和冷却技术，涡轮前温度只有 740K左右，在后来旳学习中会发觉涡轮前温度循环效率旳 影响最大）。
2、燃气轮机发展史
❖ 到了20世纪30年代，因为空气动力学旳发展应用在 压气机设计领域，使得压气旳效率和压比均得到了 提升；同步冶金技术旳发展出现了耐热钢，能够承 受500~600摄氏度左右旳高温。为燃气轮机旳制造成 功提供了基本旳确保。
一、燃气轮机简介
1. 燃气轮机基本原理 2. 燃气轮机发展史 3. 燃气轮机旳特点 4. 燃气轮机旳应用 5. 发展前景
燃气轮机介绍
西门子 燃气轮机
，
GE 燃气轮机
，
三菱燃气轮机
，
2、燃气轮机结构组成
❖ 2.1轴流式压气机
❖ 压气机负责从周围大气中吸入空气，增压 后供给燃烧室，分轴流式压气机与离心式压 气机（应用较少），这里介绍轴流式压气机。
❖ 轴流式压气机的叶轮由叶片与叶盘组成， 工作原理如同电风扇的叶片，叶片旋转时拨 动空气，流动产生风；压气机的叶轮旋转把空 气推进气缸压缩。
❖ 理论上进入燃烧室的空气压力越高越好，实际上综合各 种因素，，压比较多为 12 至 20。燃气轮机的压气机由本身 的涡轮机带动，燃气轮机启动时，先使用外动力带动压气 机旋转，把空气压入燃烧室。燃气轮机点火后进入运转状 态，则转变至由涡轮带动压气机旋转压气。
西门子 燃气轮机
西门子 燃气轮机
西门子 燃气轮机
1、燃气轮机基本原理
❖ 电站燃气轮机循环主要性能指标：
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。 温比：循环最高温度t3*（燃气初温：第一级喷嘴后缘 平面处的燃气的平均滞止温度）与最低温度t1*之比值。 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。 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。 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。
❖ 燃气轮机定义：燃气轮机是将燃料（石油、天然 气）的能量转化为某种形式的有用功，例如机械 功或者高速喷气式动力装置的推力。
❖ 最简单的燃气轮机包括三部分：压气机、燃烧室、 涡轮。
❖压气机——压缩空气（消耗功） ❖燃， 烧室——燃料与空气燃烧（化学能转化为热能） ❖涡 轮——燃气膨胀做功，一部分功用来带动压
燃气轮机的工作原理分析
燃气轮机的工作原理分析燃气轮机是一种将燃气能转换为机械能的热动力装置。
它通过燃烧燃气，并利用高温高压气体的膨胀驱动涡轮机运转，从而将热能转化为机械能。
本文将对燃气轮机的工作原理进行深入分析。
一、燃气轮机的基本构造燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮机和辅助系统等组成。
压气机负责将大气中的空气压缩，提高压气机出口的压力和温度；燃烧室将燃料与压缩空气混合并燃烧，产生高温高压的燃气；涡轮机则利用高温高压燃气的膨胀作用，转动轴，输出机械能。
二、燃气轮机的工作过程1. 压缩过程在压气机中，压气机叶片将空气压缩，并不断增加其压力和温度。
由于压缩过程中涡轮机的功率输入，工作流体的压力会急剧增加，温度也会相应上升。
2. 燃烧过程压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料充分混合并燃烧。
在燃烧过程中，燃气的温度急剧升高，压力也随之上升。
在燃烧过程中，燃气释放的热能被吸收，并驱动涡轮机的转动。
3. 膨胀过程高温高压的燃气进入涡轮机，通过叶轮的高速旋转，将热能转化为机械能。
涡轮机的转动使得轴上的负载得以工作，产生功率输出。
4. 排气过程经过涡轮机的工作后，燃气温度和压力均下降。
排气系统将残余燃气排出燃气轮机，进入大气中。
三、燃气轮机的特点与优势1. 高效率：相比于蒸汽轮机，燃气轮机拥有更高的实际功率和热效率，能够更充分地利用燃气的能量。
2. 快速启动：燃气轮机的启动时间相对较短，可以在数分钟内达到额定工况。
3. 灵活性：燃气轮机由于结构简单，响应速度快，适用于大范围的负荷变化，具有较好的负载调节性能。
4. 环保性：燃气轮机燃烧过程中的烟气排放较少，对环境污染较低。
四、燃气轮机的应用领域燃气轮机由于其高效率、快速启动和灵活性的优势，广泛应用于各个领域。
以下是燃气轮机的几个主要应用领域：1. 发电行业：燃气轮机广泛用于电力厂的发电设备，可以有效提供稳定可靠的电力供应。
2. 航空航天产业：燃气轮机被用于飞机、火箭等航空航天器的推进系统，提供动力支持。
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。
燃气轮机基本原理和计算
温度：T1(t1) 比容：v1 压强：p1 燃气轮机结构示意图
气流在此处的状态参数平均值：
温度：T *(t*) 比容：v* 压强：p*
2023/8/6
5
附加知识点：
燃气轮机四个截面的气体状态参数符号
2、）2截面（压气机出口截面， 燃烧室进口截面）
气流在此处的理想状况的 状态参数符号：
温度：T2s (t2s ) 比容：v2s 压强：p2s 气流在此处的实际状况的
第二章 燃气轮机基本原理和计算
第一节 燃气轮机循环的过程方程 第二节 等压燃气轮机理想简单循环 第三节 轴流式压气机原理和计算 第四节 燃料燃烧理论 第五节 透平原理
2023/8/6
1
提问：
为什么现代燃气轮机，尤其是三代以后的 燃气轮机，在热力参数上面要提倡压气机 高压比，高涡轮前燃气温度？压气机压比 和涡轮前燃气温度的关系？
例1、今有一台压气机，把空气由起始状态 p1s 9.807104 Pa ， t1s 15 ℃压缩到 p2s 8.8263105 Pa 。假设这是一个理想压缩过程， 试问压缩终了时，空气的比容 v2s 和温度 t2s 各为多少？
已知空气的绝热指数： k 1.4
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22
第一节 燃气轮机循环的过程方程
TS 常数 k 1
ps k
T1S TiS T2S
k 1
k 1
k 1
p1sk
pisk
p2
k s
p和T关系
（2-3）
TS
v
k s
1
常数
T1s
v k 1 1s
Tis
v k 1 is
T2
s
v k 1 2s
T和v关系
燃气轮机手册
燃气轮机手册燃气轮机是一种热力机械，将燃料的化学能转化为机械能。
下面是一份简要的燃气轮机手册，介绍燃气轮机的基本原理、类型、应用和维护。
一、燃气轮机基本原理燃气轮机的工作原理是基于热力学循环，通常采用布雷顿循环。
在布雷顿循环中，气体在高温高压条件下膨胀，产生动力，然后通过冷却在低压低温条件下收缩，形成一个闭合的循环。
燃气轮机的四个主要部分是：燃烧室、喷嘴、涡轮和压缩机。
1. 燃烧室：燃烧室是将燃料和空气混合并燃烧的地方。
燃料可以是天然气、石油气、煤炭气等多种形式。
2. 喷嘴：喷嘴是将高温高压的气体排放到涡轮的地方。
喷嘴的设计对燃气轮机的性能至关重要。
3. 涡轮：涡轮是燃气轮机的核心部分，利用高温高压气体的能量驱动。
涡轮的叶片设计要承受高速气流的冲击，因此需要高温合金等先进材料。
4. 压缩机：压缩机是将空气压缩并送入燃烧室的地方。
压缩机的工作效率直接影响到燃气轮机的性能。
二、燃气轮机类型1. 轴流式燃气轮机：轴流式燃气轮机的气体流动方向与轴线平行，具有结构简单、体积小、重量轻、维护方便等优点。
2. 径流式燃气轮机：径流式燃气轮机的气体流动方向与轴线呈径向，具有效率高、抗振性能好等优点。
3. 反动式燃气轮机：反动式燃气轮机在涡轮后方设有反作用轮，可以提高输出功率和效率。
三、燃气轮机应用燃气轮机广泛应用于电力、石油、化工、航空、航天等领域。
在电力领域，燃气轮机主要用于应急发电、调峰发电和热电联产等。
在航空航天领域，燃气轮机是飞机和火箭的动力装置。
四、燃气轮机维护1. 定期检查：定期对燃气轮机进行检查，确保各部件工作正常，及时发现并排除故障。
2. 清洁保养：保持燃气轮机清洁，避免灰尘和污物进入机内，影响性能和寿命。
3. 燃料系统维护：定期检查燃料系统，确保燃料供应稳定，防止泄漏。
4. 冷却系统维护：保持冷却系统畅通，避免过热损坏。
5. 润滑系统维护：定期更换润滑油，保证各部件润滑良好。
燃气轮机是一种高效、环保的热力机械，具有广泛的应用前景。
燃气轮机工作原理与应用技术
燃气轮机工作原理与应用技术燃气轮机是一种能够将燃料的热能转化为动能的发电机组，被广泛应用于发电、航空、船舶等领域。
本文旨在介绍燃气轮机的工作原理和应用技术。
一. 燃气轮机的工作原理燃气轮机的基本构成包括压气机、燃烧室、涡轮和发电机。
其工作原理可以简单概括为：压缩来自空气压力机的压缩空气，送入燃烧室燃烧燃料，产生高温高压气流，通过涡轮转子驱动发电机发电，同时排出尾气。
1. 压气机压气机的作用是将空气压缩并提高压力，为下一步的燃烧提供充足的氧气。
一般情况下，燃气轮机会使用多级离心式压气机，它的作用是将来自空气压力机的空气进行多级压缩，以达到较高的压力和温度。
2. 燃烧室燃烧室是将燃料燃烧，产生高温高压气流的空间。
在燃烧室中，燃料喷射器将燃料喷入燃烧室中，随后点火引燃。
经过燃烧后，气流温度达到1000℃以上，并且压力增加。
3. 涡轮涡轮是燃气轮机中最重要的组成部分之一。
涡轮的作用是将由燃烧室排出的高温高压气流转化为机械能，启动发电机转子，发电机转子通过旋转发电。
通常，燃气轮机会采用多级叶轮式涡轮，不同级数叶片的转速和角度不同，以适应不同的压力和温度。
4. 发电机发电机是将涡轮输出的机械能转化为电能的装置。
发电机一般采用在转子上安装绕组的感应式发电机。
整个燃气轮机的工作过程，最终会输出电能。
二. 燃气轮机的应用技术燃气轮机作为一种高效能、节能、环保的发电机组，具有着广泛的应用领域。
1. 发电在发电领域，燃气轮机可以单独或者联合热电联产的方式来输出电能和热能，具有高效能、低污染等优点。
另外，由于其响应速度较快，可以在短时间内投入运行，满足紧急情况下的电力需求。
2. 航空领域燃气轮机在航空领域中可以作为飞机推进装置，为飞机提供动力。
燃气轮机具有高可靠性、高效能、快速响应等优点，很好地满足了航空领域对发动机的高要求。
3. 船舶领域燃气轮机在船舶领域中可以作为动力装置，为船只提供足够的动力。
燃气轮机具有启动响应快、可调速、低振动、低噪音等优点，非常适合船舶的工作环境。
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％
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第一节 燃气轮机循环的过程方程
二）、压气机内的压缩过程
4、实际压缩过程计算
联解，得出，在理想绝热过程中 p与 T，T 与 v之间的
变化规律为：
TS
n 1
常数
ps n
T1S
n1
TniS1
T2nS1
p1sn
pisn
p2sn
p和T关系
（2-4）
TSvsn1 常数T 1 s v 1 n s 1 T is v i n s 1 T 2 s v 2 n s 1T和v关系
三）、燃烧室中的加热过程
四）、透平（涡轮）中的膨胀过程
五）、工质在大气中自然放热过程
六）、总结
2020/4/2
4
附加知识点：
燃气轮机四个截面的气体状态参数符号
1、）1截面（压气机进气截面）
气流在此处的理想状况的 状态参数符号：
温度：T1s (t1s ) 比容：v1s 压强：p 1 s
气流在此处的实际状况的 状态参数符号：
1、）4截面（透平出口截面）
气流在此处的理想状况的 状态参数符号：
温度：T4s (t4s ) 比容：v 4 s 压强：p 4 s 气流在此处的实际状况的
状态参数符号：
温度：T4(t4) 比容：v 4 压强：p4 燃气轮机结构示意图
气流在此处的状态参数平均值：
温度：T2*02(0t/*4/)2 比容：v * 压强：p *
3、燃气轮机的效率与比功关系
1）、燃气温度越高，燃气轮 机的比功就越大，每千克空气 产生的功就越多，一定功率的 机组体积就会越小。
2）、在温度一定下，提高增 压比，比功先会增加，但是当 超过一个最佳压比值以后，比 功反而会下降，在设计上要特 别注意。2020/4/2
燃气轮机效率、比功曲线图
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第一节 燃气轮机循环的过程方程 一）、燃气轮机的循环过程
（2-2）
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第一节 燃气轮机循环的过程方程
二）、压气机内的压缩过程
2、压气机理想绝热压缩空气过程计算
当已知过程的起始状态 p1、 v1 和终态压力 p 2 后，
就可以根据 p 1 sv 1 k s p isv iks p 2 sv 2 k s和理想气体 状态方程式 pvRT ，计算出工质在理想绝热过程终 态的其它参数v 2 s 和 T 2 S 。
2020/4/2
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第一节 燃气轮机循环的过程方程
二）、压气机内的压缩过程
4、实际压缩过程的工程计算
根据热力学的多变过程来计算，不能够直观反映在 实际压缩过程中不可逆程度大小。因此，工程上，人们 很少利用这个方法。而是引入一个能够比较直观地反映 实际压缩过程中不可逆程度大小的绝热压缩效率 c ，来 计算工质的终态温度 t2 。
1-2过程：空气在压气机内完 成空气压缩耗功过程
2-3过程：空气在燃烧室内完 成燃烧升温过程
3-4过程：空气在透平完成膨 胀做功过程
4-1过程：空气排出燃机进入 大气，完成冷源放热过程
完成一次开式循环
2020/4/2
燃气轮机热力循环图
11
第一节 燃气轮机循环的过程方程 一）、燃气轮机的循环过程
2020/4/2
18
第一节 燃气轮机循环的过程方程
二）、压气机内的压缩过程
2、压气机理想绝热压缩空气过程计算
由 psvsk 常数可知，当工质按理想绝热过程压缩 （或膨胀）时，在整个过程的任何一个工况点上，工
质的压力p与其比热容比v的k次方的乘积是彼此相等
的。即
p 1 sv 1 k s p isv iks p 2 sv 2 k s
温度：T3s (t3s )比容：v 3 s 压强：p 3 s 气流在此处的实际状况的
状态参数符号：
温度：T3 (t3 ) 比容：v 3 压强：p 3 燃气轮机结构示意图
气流在此处的状态参数平均值：
温度：T2*02(0t/*4/)2 比容：v * 压强：p *
7
附加知识点：
燃气轮机四个截面的气体状态参数符号
2020/4/2
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第一节 燃气轮机循环的过程方程
二）、压气机内的压缩过程
4、实际压缩过程的工程计算
1）、绝热压缩效率 c
绝热压缩效率 c ，是指工质在理想的绝热压缩过程中 所需吸收的压缩功 Lcs或（lcs），与实际压缩过程中达到同一 个终态压力 p2 p2s时所需加给工质的实际压缩功 Lc或（lc） 的比值。即：
8
第一节 燃气轮机循环的过程方程
一）、燃气轮机的循环过程
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9
第一节 燃气轮机循环的过程方程 一）、燃气轮机的循环过程
1、燃气轮机热力循环称为开式白朗托循环 （蒸汽轮机电厂循环称为闭式朗肯循环） 燃气轮机开式白朗托循环图见下页
2020/4/2
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第一节 燃气轮机循环的过程方程 一）、燃气轮机的循环过程
状态参数符号：
温度：T2(t2) 比容：v 2 压强：p2 燃气轮机结构示意图
气流在此处的状态参数平均值：
温度：T2*02(0t/*4/)2 比容：v * 压强：p *
6
附加知识点：
燃气轮机四个截面的气体状态参数符号
3、）3截面（燃烧室出口截面， 透平进口截面）
气流在此处的理想状况的 状态参数符号：
2020/4/2
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第一节 燃气轮机循环的过程方程
二）、压气机内的压缩过程
2、压气机理想绝热压缩空气过程计算
整个推理过程为：
psvsk 常数 p 1 sv 1 k s p isv iks p 2 sv 2 k s 两式联立
pvRT
联解，得出，在理想绝热过程中 p与 T，T 与 v之间的
变化规律为：
c
Lcs Lc
lcs lc
式中，LcLcs,lclcs
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第一节 燃气轮机循环的过程方程
二）、压气机内的压缩过程
4、实际压缩过程的工程计算
1）、绝热压缩效率 c
当忽略工质定压比热 C p 随温度改变而忽略微变化的特
性时，
c
Lcs lcs Cp(T2s T1s) T2s T1s Lc lc Cp(T2 T1) T2 T1
第二章 燃气轮机基本原理和计算
第一节 燃气轮机循环的过程方程 第二节 等压燃气轮机理想简单循环 第三节 轴流式压气机原理和计算 第四节 燃料燃烧理论 第五节 透平原理
2020/4/2
1
提问：
为什么现代燃气轮机，尤其是三代以后的 燃气轮机，在热力参数上面要提倡压气机 高压比，高涡轮前燃气温度？压气机压比 和涡轮前燃气温度的关系？
2020/4/2
2
解答：
通过燃气轮机的循环分析，就可以明白。
本章学习完毕后，将前面的问题作为讨论课的 论点进行讨论。具体时间会在后面安排。请同学们 酝酿！
讨论课的题目：
为什么提倡高压比和高涡轮前燃气温度？
2020/4/2
3
第一节 燃气轮机循环的过程方程
一）、燃气轮机的循环过程
二）、压气机内的压缩过程
2、燃气轮机的效率与燃气温度 和压气机压比的关系
1）、如右图，燃气温度t3越高， 循环效率越高。
2）、对应一个燃气温度t3的循环 效率有一个最佳压比，即在这个 温度下，在最佳压比值对应的燃 机效率最大。燃气温度越高，相 应的最佳压比就越高，这是燃机 设计的最关键点。
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燃气轮机效率曲线
12
t2s 26.73℃
v2s 0.17(6m3kg)
由式（2-5）可知：
c 0 .8 2 8 t2 . 3 6 1 17 5 5 t2 2.3 6 1 0 .8 5 0 5 .8 8 1 8 3 5.7 0 （℃1 ）
t2s t1s t2 t1
压气机进T1气 T1处 s
c
T2s T1 T2 T1
t2s t1 t2 t1
（2-5）
在现代压气机中，c0.80~0.90
由此可见，只要已知压气机的 c ，就很容易求得压 气机出口处工质的实际温度 t2 ，进而求出比容 v 2 。
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第一节 燃气轮机循环的过程方程
TS 常数 k 1
ps k
T1S
k1
TiS
k1
T2kS1
p1sk
pisk
p2sk
p和T关系
（2-3）
TSvsk1 常数 T 1 s v 1 k s 1 T is v i k s 1 T 2 s v 2 k s 1T和v关系
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第一节 燃气轮机循环的过程方程
二）、压气机内的压缩过程
二）、压气机内的压缩过程
3、理想绝热过程计算举例
解： 根据（2-3）可知
T1S
k 1
p1sk
T2 S
k 1
p
2
k s
即得： T2S
T1S
(
p2S p1s
k1
)k
已知空气的绝热指数：k1.4
因而 T 2 S ( 2 7 1 ) 3 5 ( 8 9 .. 8 8 2 0 1 1 4 5 6 7 ) 0 1 0 1 .4 .4 1 3 5.3 4 ( K ) 0
温度：T1(t1) 比容：v 1 压强：p1 燃气轮机结构示意图
气流在此处的状态参数平均值：
温度：T *(t*) 比容：v * 压强：p *
2020截面的气体状态参数符号
2、）2截面（压气机出口截面， 燃烧室进口截面）
气流在此处的理想状况的 状态参数符号：
温度：T2s (t2s ) 比容：v 2 s 压强：p 2 s 气流在此处的实际状况的
二）、压气机内的压缩过程