第1章 燃气轮机及其热力循环
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-热力循环
p* T2*s 2 * * T1 p 1
k-1 k
k 1 * k
q (i i ) Ls
* 2 * 1
②2s-3s 燃烧室中的等压加热过程 从外界吸收的热量为q1 与外界没有功的交换 L2s-3s= 0 ；
q1 q2s3s i i
* 3s
三、实际简单循环
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 。
LCs 1 LTs
1
c p (T2*s T1* ) c p (T T )
* 3 * 4s
1
T1* ( π* - 1) T (1 - π
* * 1
m
*m
)
= 1- *m/* = f(*，*)
规律： (1) 压比 *一定时 , 随温比 *增加而增加 ; (2) 温比 *一定时 , 随压比 *增加而减少 。
* 2 * 1
④4s-1 大气中的等压放热过程
与外界没有功的交换 L4s-1= 0 ；向外界放出的热量为q2
* * q2 q4s1 i4 i s 1 kJ/kg
q1
c p (T T )
* 4s * 1
c pT1* ( π
k 1 * * k
-1)
q2
k 1 T4*s * k * T3s
复习内容
1、什么是稳定流动？其条件是什么？
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)
《燃气轮机与联合循环》第一章 联合循环概论
第一章 联合循环概论
余热锅炉型联合循环电厂(单轴）
燃气轮机与联合循环
能源与动力学院
第一章 联合循环概论
燃气轮机与联合循环
能源与动力学院
第一章 联合循环概论
燃气轮机与联合循环
能源与动力学院
第一章 联合循环概论
余热锅炉型联合循环电厂(多轴）
燃气轮机与联合循环
能源与动力学院
（2）补燃余热锅炉联合循环 特点：
除燃气轮机排气进入锅炉 外，还可补充部分燃料；
随着补充燃料增加，汽轮 机容量可增加；
补充燃料可以是煤或其他 廉价燃料；
随着补燃量增加，冷却水 量增加；
汽轮机不能单独运行； 燃气轮机与联合循环 能源与动力学院
第一章 联合循环概论
二、基本形式的联合循环
（3）增压锅炉联合循环
第一章 联合循环概论
第一节 联合循环的热力学原理
一、汽轮机循环与燃气轮机循环的局限性 热机的热效率可以表示为：
T2 1 T1
若想效率升高：则需提高平均吸热温度； 或需减低平均放热温度（冷源温度）
燃气轮机与联合循环 能源与动力学院
第一章 联合循环概论
燃气轮机与联合循环
能源与动力学院
第一章 联合循环概论
浙江镇海电厂正在建两套300MW烧重油的联合循环装置
燃气轮机与联合循环 能源与动力学院
第一章 联合循环概论
第三节 常规余热锅炉联合循环
一、设备与系统
1、配置方案（几拖几）
（1）方案：一台燃气轮机+一台余热锅炉+一台汽轮机 （ 1拖 1） n台燃气轮机+n台余热锅炉+一台汽轮机（n拖1） 常见： （2拖1） （2）布置方式：单轴 多轴
燃气轮机基础知识
第一章 绪论
一、燃气轮机发电装置的组成 燃气轮机是近几十年迅速发展起来的热能动力机械。现广泛应用的是按 开式循环工作的燃气轮机。它不断地由外界吸入空气，经过压气机压缩，在 燃烧室中通过与燃料混合燃烧加热，产生具有较高压力的高温燃气，再进入 透平膨胀作功，并把废气排入大气。输出的机械功可作为驱动动力之用。因 此，由压气机、燃烧室、透平再加上控制系统及基本的辅助设备，就组成了 燃气轮机装置。如果用以驱动发电机供应电力，就成了燃气轮机发电装置。
燃气轮机基础知识
第一章 绪论
先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构。运输、安装、维修和更换都比 较方便，而且广泛地应用了孔探仪、振动、温度监控、焰火保护等措施，其 可靠性和可用率大为提高，指标已超过了蒸汽轮机电站的相应指标。此外， 在环保方面，出于燃气轮机的燃烧效率很高，排气干净，未燃烧的碳氢化合 物，CO、S0X，等排放物一般的都能够达到严格的环保标准，再结合应用 干式低NOX燃烧室、排气烟道中安装选择性催化还原装置(SCR)等技术措施， 可施使NOX的排放低至9ppm，满足最严格的环保要求。因此，燃气轮机发 电机组，特别是燃气-蒸汽联合循环机组已作基本负荷机组或备用机组得到 了迅速的应用。 燃气轮机的发展主要还是圈绕着增加单机功率，提高效率和经济性，燃 用多种燃料和廉价燃料，减少对环境的有害影响来进行的。诸如加强高温材 料的开发，提高冷却技术，发展闭回路蒸汽冷却燃气轮机，发展新型航空改 型燃气轮机，开发先进的燃气轮机循环，进一步发展清洁煤技术等等。燃煤 的燃气-蒸汽联合循环是“煤的清洁燃绕”技术中最为令人瞩目的项目，是九十 年代到下世纪之初最有发展前途的方式。到目前为止最具竞争力的方案有三 个，即(1)增压流化床方案(PFBC);(2)增压流化床加炭化炉加顶置燃烧室方 案(简称CPFBC燃气· 蒸汽联合循环);(3)整体煤气化联合循环(IGCC)。
第一讲燃气轮机基本原理及9E燃机性能型号参数-图文
第一讲燃气轮机基本原理及9E燃机性能型号参数-图文9E燃机培训讲义之第一讲2003.10授课内容：第一章：绪论1）：燃气轮机发电装置的组成2）：燃气轮机发展史3）：我国燃气轮机工业慨况第三章：燃气轮机热力循环1）：燃气轮机热力循环的主要技术指标2）：燃气轮机理想简单循环3）：燃气—蒸汽联合循环第四章：9E燃机性能型号参数1）：PG9171E型燃机型号简介2）：PG9171E型燃机性能参数简介9E燃机培训讲义之第一讲2003.10第一章绪论第一节燃气轮机发电装置的组成燃气轮机是近几十年迅速发展起来的热能动力机械。
现广泛应用的是按开式循环工作的燃气轮机。
它不断地由外界吸入空气，经过压气机压缩，在燃烧室中通过与燃料混合燃烧加热，产生具有较高压力的高温燃气，再进入透平膨胀作功，并把废气排入大气。
输出的机械功可作为驱动动力之用。
因此，由压气机、燃烧室、透平再加上控制系统及基本的辅助设备，就组成了燃气轮机装置。
如果用以驱动发电机供应电力，就成了燃气轮机发电装置。
(幻灯)29E燃机培训讲义之第一讲2003.1039E燃机培训讲义之第一讲2003.10第二节燃气轮机发展史燃气轮机是继汽轮机和内燃机问世以后，吸取了二者之长而设计出来的，它49E燃机培训讲义之第一讲2003.10是内燃的，避免了汽轮机需要庞大锅炉的缺点;又是回转式的，免去了内燃机中将往复式运动转换成旋转运动而带来的结构复杂，磨损件多，运转不平稳等缺点。
但由于燃气轮机对空气动力学和高温材料的要求超过其他动力机械，因此，发展燃气轮机并使之实用化，人们为之奋斗了很长时间。
如果从1791年英国人约翰·巴贝尔(JohnBaber)申请登记第一个燃气轮机设计专利算起，经过了半个世纪的奋斗，到1939年，一台用于电站发电的燃气轮机(400OkW)才由瑞士BBC公司制成，正式投运。
同时Heinkel工厂的第一台涡轮喷气式发动机试飞成功，这标志着燃气轮机发展成熟而进入了实用阶段·在此以后，燃气轮机的发展是很迅速的。
燃气轮机原理(精华版)
QD20燃机轮机机组第 1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，它靠蜡烛在空气燃烧后产生的上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臵，其原理与走马灯相同。
现代燃气轮机发动机主要由压气机、燃烧室和透平三大部件组成。
当它正常工作时，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的转化的热力循环。
图1-2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入空气、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入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，也可通过各种换热设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。
燃气轮机动力装臵是指包括燃气轮机发动机及为产生有用的动力（例如：电能、机械能或热能）所必需的基本设备。
为了保证整个装臵的正常运行，除了主机三大部件外，还应根据不同情况配臵控制调节系统、启动系统、润滑油系统、燃料系统等。
燃气轮机区别于活塞式内燃机有两大特征：一是发动机部件运动方式，它为高速旋转、且工质气流朝一个方向流动（不必来回吞吐），使它摆脱了往复式动力机械功率受活塞体积与运动速度限制的制约，在同样大小的机器内每单位时间内通过的工质量要大得多，产生的功率也大得多，且结构简单、运动平稳、润滑油耗少；二是主要部件的功能，其工质经历的各热力过程是在不同的部件中进行的，故可方便地把它们加以不同组合处理，来满足各种用途的要求。
燃气轮机区别于汽轮机有三大特征：一是工质，它采用空气而不是水，可不用或少用水；另是多为内燃方式，使它免除庞大的传热与冷凝设备，因而设备简单，启动和加载时间短，电站金属消耗量、厂房占地面积与安装周期都成倍地减少；再是高温加热高温放热，使它有更大的提高系统效率的潜力，但也使它在简单循环时热效率较低，且高温部件需更多的镍、铬、钴等高级合金材料，影响了使用经济性与可靠性。
01燃气轮机热力循环原理
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涡扇发动机
• 涡扇与涡喷发动机工作原理的区别 • 涡扇发动机推进效率高的原因是什么？ • 涡扇发动机的热力循环
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涡桨发动机
• 涡桨与涡喷、涡扇发动机的主要区别 • 涡桨发动机的热力循环
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一． 燃气轮机简单循环热力过程 二． 燃气轮机的复杂循环 三． 航空燃气轮机循环 四． 燃机热力循环计算方法
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
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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
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压气机和涡轮的效率
对比功的影响，谁更大一些？ 目前，压气机和涡轮的效率范围
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燃烧室的损失主要表现 在那两个方面，目前的 情况怎样？
压气机出口 = 燃烧室进口 ？ 透平进口 = 燃烧室出口 ？
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电站燃气轮机循环的主要性能指标
1. 压比 2. 温比 3. 比功 4. 单机功率 5. 热效率
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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。
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2、温比
温比是指循环最高温度t3*（燃气初温）与 最低温度t1*之比值。
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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？
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主讲：王兆文 成晓北
课程教学大纲
一、课程编号 二、学时和学分
32学时，2.0学分 三、先修课程
工程热力学、流体力学、动力机械基础、内燃机原理等 四、课程教学目标
本课程属于热能与动力工程专业动力机械专业方向的专 业选修课程。本门课程的教学目标，旨在使学生获得燃气 轮机与涡轮增压器工作原理、涡轮增压系统及增压系统设 计应用技术方面的必备知识，培养学生综合所学知识进行 发动机性能设计与研究的能力。 五、 课程内容
在实际运行中，性能变化 ，而结构参数不变，使得各种 流动损失增加。
当燃气轮机工作工况偏离 设计工况时，燃气轮机性能显 著变差。
实际循环效率变化图
4. 燃气轮机优点
功率密度大，重量轻，体积小；
一般情况下，同等功率的燃机体积是柴油机的三分之一到五分 之一，体积小、功率大，非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点。
压缩后的空气进入 燃烧室，与喷入的燃料 混合后燃烧，成为高温 燃气；
高温燃气流入燃气 轮机中膨胀做功，推动 燃气轮机叶轮带动压气 机叶轮一起旋转，并对 外做功。
燃气轮机：等压燃烧
燃气轮机与活塞式内燃机理论循环的比较
各种内燃机的理论工作循环 （a）活塞式内燃机的等容循环 （b）活塞式内燃机的混合循环 （c）燃气轮机循环
课内讲授：32学时
第一章 燃气轮机及其热力循环（4学时） 第二章 涡轮增压技术及涡轮增压器基本结构（4学时） 第三章 离心式压气机（2学时） 第四章 轴流式压气机（3学时） 第五章 涡轮机（2学时） 第六章 排气能量的利用（2学时） 第七章 现代涡轮增压系统（4学时） 第八章 柴油机与涡轮增压器的匹配（3学时） 第九章 涡轮增压柴油机数值模拟计算 （4学时） 第十章 涡轮增压系统设计（2学时）
涡桨：亚音速飞机，速度＜900km/h的中低速飞机，巡逻机， 教练机，反潜机等。
涡桨：亚音速飞机，速度＜900km/h的中低速飞机，巡逻机， 教练机，反潜机等。
涡轴：速度＜400km/h的直升机，汽车，发电机组等。
涡轴：速度＜400km/h的直升机，汽车，发电机组等。
欧洲NH-90直升机
涡轴发动机自升飞机内构与类型： 1. 结构
离心式压气机，轴流式涡轮
陆用双轴燃气轮机 1-进气道 2-离心式压气机 3-燃油喷嘴 4-燃烧室 5-第一级涡轮
6-拖动涡轮 7-排气管 8-减速箱
轴流式压气机，轴流式涡轮 某一舰用燃气轮机示意图
航空燃气轮机 1-进气道 2-压气机 3-燃烧室 4-涡轮
如果用燃气轮机－电动机动力装置，给蓄电池充电，燃气轮
机太耗油,潜艇要求有较大的续航能力，得不偿失。
燃气轮机燃料损耗高，这对讲究持续活动能力的潜艇来说是
启动更快；
虽然燃气轮机的转速非常高，但由于整个转子十分轻巧，在启 动机帮助下在1-2分钟就可以达到最高转速。而柴油机由于转子运动源 于活塞的往复，加速较慢。
机械摩擦副少，振动小，低频噪声低；
柴油机的活塞往复产生了大量低频机械振动噪声,燃汽轮机主要 是高速度转动, 噪声中低频分量很低，产生的噪声更多是高频啸声。海 洋有容易传播低频噪声的特点，导致柴油机军舰容易被敌方声纳探测。
温度2000℃，活塞式2500℃。为了 可靠性，燃气轮机要用冷空气掺混，
做功工质平均温度较低。1200~1350
受制于叶片材料的耐热能力。
（4）定压燃烧过程热效率低：
定压加热循环与定容加热循环的比较
等容度低
3. 燃气轮机的变工况性能差 无论是压气机，还是涡轮
机，其叶轮结构只有在设计工 况下，流动损失最小，热效率 最高。
六、参考教材 （1）《涡轮增压器原理及应用》朱大鑫编著，机械工 业出版社，1995年第1版； （2）《内燃机增压》，朱梅林主编，华中科技大学出 版社，2002年； （3）《柴油机涡轮增压技术》，陆家祥主编，机械工 业出版社，2004年第1版； （4）《燃气轮机与废气涡轮增压技术》，林建生，谭 旭光主编，天津大学出版社，2005年第1版；
5-加力燃烧室 6-排气道喷嘴
2. 分类：
a. 绝大部分热能转变为机械能：
涡桨：亚音速飞机，速度＜900km/h的中低速飞机。 巡逻机，教练机，反潜机等。
涡轴：速度＜400km/h的直升机，军舰，汽车， 发电机组等。
b. 绝大部分热能转变为尾气动能：
涡喷：现代航空用发动机的主流机型。
涡扇：推力较大的一种涡喷燃气轮机，适合飞行速度 400至1,000km/h。涡扇比涡喷工质流量大、 喷射速度低、推进效率高、耗油率低、推力大。
料，发出更大的功率。
2. 燃气轮机与活塞式内燃机热效率的比较
相对而言，燃气轮机的热效率较低，主要原因：
（1）压缩方式不同：叶轮式压气机效率较低；
最高压力低
压缩比低。
（2）能量转换方式不同：燃气轮机，热能动能机械能
能量转换复杂
活塞式：热能机械能
（3）最高燃气温度不同：燃烧温度低，燃气轮机燃烧区最高
最高温度低
可以燃用煤油，重油等劣质燃料。
讨论：
假如你是潜艇艇长，你会选用燃气轮机还是 柴油机做动力？
在潜航时，燃气轮机进气量大，需要的通气管大不利于潜艇 隐蔽；
通气管通 俗点说就 是常规潜 艇在潜望 镜深度航 行时，为 柴油机提 供新鲜空 气、排出 废气的装 置。
在深潜时，燃气轮机耗空气太多，不能开动燃气轮机；
发电机组用燃气轮机-涡轴发动机
涡喷：现代航空用发动机的主流机型。
涡喷：现代航空用发动机的主流机型。
涡扇：推力较大的一种涡喷燃气轮机，常用做大型客机动力。
与活塞式内燃机结构形式的比较
活塞式内燃机与燃气轮机结构对比示意图
三、两种内燃机优缺点比较及它们的复合形式
1. 功率大、重量轻、体积小是燃气轮机的优势 燃气轮机气体流通率高，单位时间内可以燃烧更多的燃
第一章 燃气轮机及其热力循环
一 概况
燃气轮机是靠内部燃料燃烧释放出的热量直接加热 空气，并通过行成的燃气将热能转换成机械功的一种热 力机械，同样是内燃机。
主要由叶轮式空气压缩机、燃气发生器（燃烧室） 和燃气涡轮三个基本部分组成，还有燃料、润滑、冷却 、启动、调节和安全等辅助系统
燃气轮机理论循环
压气机连续地从大 气中吸入空气，并将其 压缩；