燃气轮机装置

７燃气轮机的主要优点
重量轻、体积小、启动快
少用水或不用水 便于集中控制
适宜燃烧多种燃料
润滑油和冷却水消耗少 振动和低频噪音小 运行维护方便，费用低
７燃气轮机的主要优缺点
与蒸汽轮机电站比，燃气轮机电站优点
金属消耗量可以减少3-5倍 厂房占地面积缩小2.5-4倍 机组能在10-15分钟内，从冷态起动、加速直到带上全负荷
3.2 燃气轮机装置的热力循环
3.2.1 燃气轮机装置循环的热力性能指标
3.2 燃气轮机装置的热力循环
3.2.1 燃气轮机装置循环的热力性能指标
1．热力参数 (1)压比 压气机出口气流滞止压力与进口滞止压力之比，即
P2* * P1
(2)温比 指循环的最高滞止温度(透平进口气流的滞止温度T3*)与循环的最 低滞止温度(压气机进口气流的滞止温度T1*)之比，即
2 燃气轮机发展简史
2 燃气轮机发展简史
2 燃气轮机发展简史
2 燃气轮机发展简史
4 燃气轮机的优点
1> 结构紧凑，质量轻，重型结构机组单位功率 质量为2~5kg／kW， 轻型结构机组则低于lkg／ kW。 2> 体积小，占地面积小。用于车、船等运输机 械时可节省空间作 其他用途用。 3> 起动快，从冷态起动至带满负荷，视机组功率 的大小及结构型 式的不同在数分钟至半小时之 间，在紧急情况下很多机组的起动 时间可缩短约 一半左右。 4> 安装周期短，对于燃气轮机电站，在做好基础设施等准备工作 后，燃气轮机发电机可在１-9个月投产。
T1* 1 t 1 * 1 1 T2

理想简单燃气轮机循环的 热效率只与增压比有关。

判断下列理想简单循环的热效率的大小
1. T1=20o,T3=1000o,=6 2. T1=20o,T3=600o,=10
2>1 判断下列理想简单循环的比功的大小
1. T1=20o,T3=1000o,=6 2. T1=20o,T3=600o,=6
(2) 装置效率 装置效率是指装置输出的有用功与输入的燃料热值之比
Wn / fH u
式中，H u为每千克燃料的低热值(kJ／kg)； f为燃料空气比，即加给单位质量空气的燃料量。
(3) 有用功系数 为便于比较燃气轮机的相对大小和表明在变工况时装置性能对各 部件性能变化的敏感性，有时采用有用功系数。有用功系数是指 装置输出的有用功与透平比功的比值，即
5 燃气轮机的应用
军用飞机
民用飞机
直升机
其它民用产品
先进燃气涡轮发动机
巡航导弹
发电设备
舰船
车辆
5 燃气轮机的应用
６我国燃气轮机的发展
上世纪50年代中期开始仿制苏联的发动机
仿制成功以后不断地改进和改型 中国特色的wp6、wp7系列发动机，用于强五、歼6、歼7和歼8 上 地面燃气轮机，1500kw-2300kw 石油资源有限，燃气轮机电站没有得到推广
4 燃气轮机的优点
5> 运行平稳，可靠性高，大量机组可靠性达99％，即机组的事故 停机率仅为1％。 6> 效率高，现简单循环燃气轮机效率最高已达42．9％，而联合 循环机组效率最高已达58％，后 者是目前各种热力机械中所达到 的最高效率值。 7> 污染排放低，其NOX和CO等的排放能低于最新规 定的严格标 准。 8> 耗水少或者不用水。
热交换器
理想燃气轮机回热循环— 可以提高理想简单燃气轮机循环的热效率。
Mercury 50 先进燃气轮机流程图
透平排气 进口空气

RECUPERATOR
燃烧室
透平
压缩机
齿轮箱
3
2a
4 4a
2 1
利用涡轮出口的排气 余热加热压气机出口 的空气。由于对进入 燃烧室的空气进行了 预热，所需燃料量减 少，而比功不变，从 而使循环的热效率得 到提高。
第三章 燃气轮机装置
3.1 燃气轮机的发展概况
2 燃气轮机发展简史
959年我国民间开始流行的走马灯
2 燃气轮机发展简史
• 1550年达· 芬奇设置在壁炉烟道中的叶轮
共同特征是把气体的动能转化为机械功的回转式原动机 械。
• The development of the gas turbine was characterized by a number of patents. Many of the early designs were never built, and those that were built usually produced extremely low power outputs if any at all.
k 1 k
1)
2.等压加热过程（2-3）
在燃烧室中完成
1 2 1 2 q23 V2 h2 w23 V3 h3 2 2
其中：w23=0；V2=V3 工质吸收热量为
q B q23 h3 h2 C p (T *3 T * 2 )
---温比 =T*3/T*1
C pT (
* 1
k 1 k
)
3.绝热膨胀过程（3-4）
1 2 1 2 q34 V3 h3 w34 V4 h4 2 2
地面燃气轮机：整个膨胀过程在涡轮中完成 其中：q34=0；V3=V4 单位质量工质所作的机械功为：
wt w34 h3 h4 C p (T

T3* T1*
2．性能参数 (1) 装置比功Wn 比功用于评定燃气轮机循环做功性能的优劣 若忽略压气机与涡轮中流量的差别以及机械损失等，则 燃气轮机的比功近似等于涡轮比功wT和压气机比功wC之 差，即 wn wT- wC 比功大者，气耗率小，发出相同功率所需工质流量小， 燃气轮机装置尺寸小。
Wn / WT 1 Wc / WT
3.2.2 理想简单燃气轮机循环
理想简单燃气轮机循环由布雷领(Brayton)于1872年提出。
排气 轴 燃料喷嘴 输出轴
进口空气
动力涡轮 燃气发生器透平 燃烧室 压缩机
燃气轮机循环可看为理想循环的条件（两点假设）：
1. 工质是空气，可视为理想气体，整个工作过程中空气 的比热为常数，不随气体的温度和压力而变化； 2. 整个工作过程中没有流动损失，绝热过程为等熵，燃 烧前后压力不变，没有热损失（排热过程除外）和机 械损失。
1>2
循环净功分析
循环净功 wn wT wC (h3 h2 ) (h2 h1 ) cp (T3* T4* ) cp (T2* T1* )
* T3* T4* T2* T4* T *3 T *2 * T3 wn c T ( * * * 1) cpT1 ( * * * * 1) T1 T1 T 1 T 1 T3 T1 T 1 * p 1
亦即：
wn qB q
理想简单燃气轮机循环热效率
热效率 cp (T *4 T *1 ) T *1 q 1 1 1 * * * q B cp (T 3 T 2 ) T 2 T4* * 1 T1 T3* * 1 T2
* 3
T 4 ) C pT (1
* * 1
1

k 1 k
)
4.等压放热过程（4-1）
1 2 1 2 q41 V4 h4 w41 V1 h1 2 2
其中：w41=0；V1=V4 工质放出热量为
q q 41 h4 h1 C p (T
*
4
T ) C pT (
可调静叶 多轴轴系 回热-采用回热器有利于提高燃气轮机变工况时的经济性 闭式循环-流量调节适应工况变化
８燃气轮机的发展方向
降低材料工艺成本，简省燃气轮机维护 特种工艺和设备 精铸、多次真空冶炼、定向洁净、粉末冶金、陶瓷冶金、纤维 复合材料、高速挤锻、温加工强化、喷丸强化、激光加工、 数控加工、电蚀加工、强力旋压、陶瓷或金属等离子喷镀、 电子束焊、氩弧焊、激光焊和钎焊等。 电子计算机自动监控 在全机关键部位布置测点和光纤孔探仪的深测孔，不需开缸就 能早期发现问题
８燃气轮机的发展方向
提高热效率 提高燃气轮机的增压比 • 提高单级压比 采用超跨音速级，级压比1.5-2.0时仍维持尚好的效率 正在研究的级压比高达3.5 • 提高整机压比 改善级间匹配，采用可转导叶和双转子，总压比 可达35以上
８燃气轮机的发展方向
提高热效率 余热利用 • 回热 利用排气加热进入燃烧室的空气 • 燃气蒸汽联合循环 利用余气产生蒸汽，增加做功量 • 总能量综合利用 热电联供
循环的增温比为
T3* * T1
1
wn c T (
* p 1


1
1)
wn f ( , , T1* )
在循环增温 比一定时，存在 一最佳增压比， 使得循环净功最 大。
最佳增压比opt
令
dwn 0 d
opt
k 2 ( k 1)
最大增压比max
８燃气轮机的发展方向
燃烧便宜燃料同时限制污染及腐蚀 重燃料处理 煤的气化和液化，重油处理(如沉淀、过滤、水洗和加料等) 使用核燃料 高温快速堆闭式氦气轮机，单机功率1000kw 低污染高温燃烧室的研究 改善冷却结构和燃烧过程，降低排气中NOX的含量
８燃气轮机的发展方向
提高燃气轮机变工况的经济性
利用 wt-wc=0
max
opt
， max 。
k k 1
可见
，
（注意此时热效率并不是最大值。）
（2）理想简单循环有用功系数
Wc 1 1 WT