第7章 燃气轮机装置循环
燃气轮机装置的工作原理
燃气轮机装置的工作原理燃气轮机装置是一种比较新型的动力装置。
最简单的燃气轮机装置包括三个主要部件：压气机、燃气轮机和燃烧室，下图是其流程示意图。
空气和燃料分别经压气机与泵增压后送入燃烧室，在其中燃料与空气混合并燃烧，释放出热能。
燃烧所产生的燃气吸热后温度升高，然后流入燃气轮机边膨胀边作功，作功后的气体排向大气并向大气放热。
重复上述升压、吸热、膨胀与放热过程，连续不断地将燃料的化学能转换成热能，进而转换成机械能。
第一章概述1. 1 燃气轮机简介燃气轮机(Gas Turbine)是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，包括压气机、加热工质的设备(如燃烧室)、透平、控制系统和辅助设备等。
走马灯(见图1—1)是燃气轮机的雏形，我国在11世纪就有走马灯的记载，它靠蜡烛在空气中燃烧后产生的亡升热气推动顶部风车及其转轴上的纸人马一起旋转。
15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计的烟气转动装置，其原理与走马灯相同。
现代燃气轮机发动机主要山压气机、燃烧室和透平三大部件组成。
当它正常丁作时，工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功转化的热力循环。
图1—2所示为开式简单循环燃气轮机工作原理图。
压气机从外界大气环境吸人空气，并逐级压缩(空气的温度与压力也将逐级升高)；压缩空气被送到燃烧室与喷人的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气；然后再进入透平膨胀做功；最后图l—1 走马灯是工质放热过程，透平排气可直接排到大气，自然放热给外界环境，也可通过各种换热没备放热以回收利用部分余热。
在连续重复完成上述的循环过程的同时，发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功。
一般，透平的膨胀功约2／3用于带动压气第1页机，1／3左右才是驱动外界负荷的有用功。
燃气轮机有重型与轻型两类结构型式，重型的零部件较厚重，设计寿命与大修寿命都长；轻型的结构紧凑而轻，所用的材料较好，但寿命较短。
燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热力循环措施
燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热力循环措施专业：热能与动力姓名：学号：燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热力循环措施摘要：燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。
本文主要介绍了燃气轮机的工作原理，基本结构，热力循环的分类及热力循环措施。
关键词：燃气轮机分类性能改善引言：燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。
燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。
作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是21世纪的先导技术。
发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。
正文：燃气轮机（Gas Turbine）是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。
在空气和燃气的主要流程中，只有压气机（Compressor）、燃烧室（Combustor）和燃气透平（Turbine）这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环，如图1。
大多数燃气轮机均采用简单循环方案。
因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却水等一系列优点。
一、工作原理压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。
从透平中排出的废气排至大气自然放热。
这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。
通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的，它是透平的负载。
燃气轮机原理概述及热力循环85页PPT
燃气轮机原理概述及热力循环
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
燃气轮机及燃气蒸汽联合循环概述
燃气轮机国产化的问题
1、2001年10月国家计委颁布《燃气轮机产业发展 和技术引进工作实施意见》
2、2004年428号文 以市场换技术，引进PG9351FA、M701F、
V94.3A等机组，17个燃气轮机电站40多台燃气 轮机及其联合循环机组
3、三大公司哈尔滨动力、东方东方电气、上海电 气分别与GE动力、三菱重工、siemens合作组 装、生产燃气轮机
2、要注重能源高效利用
热电联供效率75%以上 热电冷联供效率80%以上
精品课件
8、燃气轮机名词和概念的说明
1、基本负荷、中间负荷、尖峰负荷等概念
精品课件
运行代码
A
B
C
D
E
符合特征
年运行小时 数
连续满负荷 基本符合
8000~8600 6000~8000
中间负荷
3000~6000
基本/尖峰 交替负荷
三菱
机组型号
S109EC S109FA S209FA KA13E2-2 KA13E2-3 KA26-1 GUD94.2 GUD94.3A MPCP1 MPCP2 MPCP1
ISO基本功率 供电效率
259.3 54.0 390.0 56.7 786.9 57.1 480.0 52.9 720.0 52.9 392.5 56.3 239.2 52.2 392.2 57.4 397.7 57.0 799.6 57.3 489.3 精品课件58.7
所配燃机
MS9001EC×1 MS9001FA×1 MS9001FA×2
GT13E2×2 GT13E2×3
GT26×1 V94.2×1 V94.3A×1 M701F×1 M701F×2 M701G×1
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％
燃气轮机循环
4、消耗水量少：燃气一蒸汽联合循环电厂的蒸汽轮机仅占总容量的1/3，所以用水量一般为燃煤火电的1/3， 由于凝汽负压部分的发电量在全系统中十分有限，国际上已广泛采用空气冷却方式，用水量近乎为零。此外，甲 烷中的氢和空气中的氧燃烧还原成二氧化碳和水，每燃烧一立方米天然气理论可回收约1.53kg水，每公斤可回收 2.2kg水，足以满足电厂自身的用水。
燃气轮机循环
由绝热压缩等组成的系统
01 循环过程
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
目录
02 原理
03
燃气轮机联合循环发 电的优点
04 循环指标
05 闭式循环
06 发展展望
由绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压冷却 4个过程组成的燃气轮机热力循环。也曾有过等容加热循环的 燃气轮机，但没有得到推广应用。
循环过程
燃气轮机循环图为燃气轮机的简单循环。燃气轮机自大气吸入空气，在压气机（即压缩机）中压缩。压缩后 的气体进入燃气轮机燃烧室，在此加入燃料燃烧加热。加热后的高温燃气进入燃气透平（以下简称透平）膨胀作 功。膨胀后的燃气排向大气。透平排气温度还相当高（约400～550℃），而压气机吸入的空气是大气温度，相当 于在大气中进行了冷却。上述四个过程都是连续地进行的。透平膨胀功扣去压气机消耗的压缩功之后的净功，作 为燃气轮机的输出功。燃气轮机循环。
4、通过设备引进，全面了解国外先进的机组性能设计、结构设计、工艺性能、质量检查、项目验收等环节的 内涵，确实制订出我国自己的技术设计规范，为实现技术创新和科学生产管理打下坚实的基础。加快装备产业化 步伐，为市场提供节能低耗的动力装备。
气体动力循环
1
T3
1
T4 T3
T2
(1
)
代入参数间的关系式 T2 T3 ，( 可1)/得
T1 T4
t
(
1)
/
1 ( 1)/
1
1
( 1) /
(1
)
( 1) /
2024年5月31日
第九章 气体动力循环
9
热效率影响因素分析
由 可见:
t
(
1)
/
1( ( 1)/
1)
1
( 1) /
(1
平均放热温度。因此，由等效卡诺循环的热效率公 式可知，采用回热措施能提高燃气轮机装置循环的 热效率。
2024年5月31日
燃气轮机回热循环热效率可表示为
t
1
w0 q1
(ws )T
(ws )c q1
(h3 h4 ) (h2 h1) h3 h6
比热容为定值时，有 t
T4
T3 T4
1
T1
T2 T1
3 b b' 2' 2 3代表燃气轮机所输出的轴功，根据喷气发动机
的工作原理，两轴功的数值相等，故两面积相等。 显然，喷气式发动机的热力循环和定压加热燃气轮机循环相同，
故可引用有关的结论来对其进行分析。
2024年5月31日
第九章 气体动力循环
15
9-3 活塞式热气发动机及其循环
活塞式热气发动机又称斯特林发动机，是一种外部加热的 闭式循环的发动机，只是在近几十年来才取得较大的进展。 突出优点： 采用外部加热，故废气的污染少，可以采用多种 燃料特别是劣质燃料，还可以利用核能。
过程的不可逆损失较大。
压气燃气轮机轴功：(ws )T T (h3 h4 )
燃气轮机及其热力循环资料共99页文档
15、机会是不守纪律的。——雨果
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
Hale Waihona Puke 燃气轮机及其热力循环资料11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
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工质压缩过程12为定熵的绝热过程 燃烧过程23视为定压加热过程 工质在燃气轮机中定熵绝热膨胀34
废气排放到大气视同定压放热过程41
s
1
s
P 4
布雷顿循环
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4
⑶ 布雷顿循环的热效率
循环的吸热量
q1 q23 h3 h2 cp (T3 T2 )
循环的放热量
T P 2 s 1 P
k 2 ( k 1)
dwnet 0求得 d
opt 增温比 愈大，opt也愈大
对应的wnet ,max值也愈大 燃汽轮机装置中压气机吸入的为大气，因而布雷顿循环的初始 温度T1不可能随意降低，为了提高循环的增温比，只有提高循环 的最高温度T3 在材料允许的条件下，可尽量采用高的增温比，以便获得尽 可能大的循环热效率和装置功率输出
当工质一定、初态1一定时 式中 cp、k、T1已知 若 一定，循环净功wnet仅取决于 wnet随增压比 提高先增大，到达极大值后 反转减少 对应于wnet,max的为最佳增压比opt
2018/11/13 10
燃气轮机装置循环 的净功输出wnet
最佳增压比opt可利用 按此条件求得的该增压比为
k 1 π k
k 1 k
wnet cpT3 (1
1
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k 1 k
) cpT1 (
T3 1 1) c pT1[ (1 k 1 ) ( T1 k
1)]
8
wnet
定义
T 1 c pT1[ 3 (1 k 1 ) ( T1 k
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11
⑸ 实际(不可逆)定压加热循环分析
实际定压加热循环是不可逆的 就热效率而言，只要吸热量和放热量一定则 循环热效率一定 q
T
3 2 4
t 1
2
2s 1
4s
q1
与加热过程和放热过程是否可逆无关 压气机和燃汽轮机工作过程的不可逆性则对 实际循环的热效率有影响 实际定压加热燃气轮机装置循环
T2 P2 ( ) T1 P1
P π 2 P1
k 1 k k 1 π k
布雷顿循环
t,B 1
1
k 1 k
布雷敦循环的热效率仅取决于压缩 过程的增压比π 随π的增大而提高
7
2018/11/13
⑷ 布雷敦循环的功输出
燃汽轮机装置常用作航空、船舰动力装置， 希望自重尽量小，输出功率最大 循环净功=两绝热过程技术功代数和
t,B
T4 T1 ( 1) T1 1 T3 T2 ( 1) T2
t,B
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T1 1 T2
布雷顿循环的热效率仅取决于压缩 过程的始、末态温度
6
T1 t,B 1 T2 不要与卡诺循环热效率表达式混淆
T P
2 s 1 P
3 s
4 s
式中的T1和T2只不过是循环中1点和2点的 温度，并非吸热过程和放热过程的热源温度！ 增压比
2 压缩机 1 空气 燃料 燃烧室 3 燃气 燃气轮机
4 废气
大气
燃气轮机装置
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3
⑵ 燃汽轮机装置定压加热理想循环 ——布雷敦循环(Brayton cycle)
实际燃气轮机工作过程理想化为定压加热 循环 工质视为某种定比热容理想气体
Tபைடு நூலகம்P
2 s 1 P P
3 s 4 s 2 P 3
k 1 k
1)]
增温比——循环的最高温度与最低温度之比
T3 T1
wnet cpT1 (
k 1 k
1)(
k 1 k
1)
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9
wnet cpT1 (
k 1 k
1)(
k 1 k
1)
系
图中给出了 k=1.4 的 wnet=f( ,) 函数关
§7.1 循环分析的目的和一般方法
分析动力循环的目的在于评价该循环在热能对机械能的连续转 换及能量有效利用方面的工作性能，并探讨影响该循环特性的主 要因素。
⑴ 分析动力循环的一般方法
①对实际过程加以抽象和概括，将实际循环简化为理想的可逆循 环，分析其热功转换效果及影响因素 ②在理想可逆循环基础上再考虑实际循环有哪些不可逆损失，及 其产生的原因、大小和改进的办法 对于实际循环，从能量的有效利用考虑，除需要进行热效率分 析外，一般还应当进行熵产或可用能损失方面的分析，以便合理 评估循环的完善性
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1
本课程主要讨论相关热力装置的理论循环，重点在于分析热力 循环的能量转换效应，必要时也会涉及一些实际循环的问题
⑵ 对实际气体动力循环所作的理想化处理 ①实际的气体动力循环中，在循环的不同阶段工质成份不同，有
时是空气，有时是燃气 燃气的热物性与空气相近 理论分析中视工质为类同空气的某种定比热容理想气体 弃，更换新的工质
②实际装置的工作循环是开放式的，每个工作循环后均将废气排
理论分析时抽象成闭式循环 燃烧过程视为对工质的加热过程 排气过程视为工质的放热过程
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§7.2 燃气轮机装置定压加热理想循环
⑴ 燃气轮机装置工作过程
燃气轮机装置中的主要设备为 透平式空气压缩机 燃烧室 燃气轮机 轴流式压气机不断将空气压送至燃烧室 燃料喷入燃烧室中燃烧 产生的高温高压燃气送至燃气轮机中膨胀作功 废气排放到大气中
T P
2 s 1 P
3 s
4 s
wnet (h3 h4 ) (h2 h1 ) cp (T3 T4 ) cp (T2 T1 )
T4 T2 c p T3 (1 ) c p T1 ( 1) T3 T1
按绝热过程参数关系
T3 T2 ( ) T1 T4
k 1 k
3 s 4 s
q2 q41 h4 h1 cp (T4 T1 )
布雷敦循环的热效率
t,B
cp (T4 T1 ) q2 1 1 q1 cp (T3 T2 ) T4 T1 ( 1) (T4 T1 ) T1 1 1 T3 (T3 T2 ) T2 ( 1) T2
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由绝热过程12和34
由定压过程23和41
T1 ( T2 P2 k 1 T4 P4 k ( ) T3 P3 P3 P2
P4 P 1 P4 P1 P3 P2
T4 T3 T1 T2
k 1 P1 k )
T P 2 s 1 P
3 s 4 s
布雷顿循环
T4 T1 T3 T2