燃气轮机基本原理和计算.ppt

1、2022/10/19,1,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,第二章 燃气轮机基本原理和计算,2022/10/19,2,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？,提问：,2022/10/19,3,通过燃气轮机的循环分析，就可以明白。,解答：,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？,2022/10/19,4,

2、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,2022/10/19,5,附加知识点：燃气轮机四个截面的气体状态参数符号,燃气轮机结构示意图,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：比容：压强：,气流在此处的实际状况的状态参数符号：温度：比容：压强：,气流在此处的状态参数平均值：温度：比容：压强：,2022/10/19,6,附加知识点：燃气轮机四个截面的气体状态参数符号,燃气轮机结构示意图,2、）2截面（压气机出口截面，燃烧室进口截面）

3、气流在此处的理想状况的状态参数符号：温度：比容：压强：,气流在此处的实际状况的状态参数符号：温度：比容：压强：,气流在此处的状态参数平均值：温度：比容：压强：,2022/10/19,7,附加知识点：燃气轮机四个截面的气体状态参数符号,燃气轮机结构示意图,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：温度：比容：压强：,气流在此处的实际状况的状态参数符号：温度：比容：压强：,气流在此处的状态参数平均值：温度：比容：压强：,2022/10/19,8,附加知识点：燃气轮机四个截面的气体状态参数符号,燃气轮机结构示意图,气流在此处的状态参数平均值：温度：比容：压强：,

4、2022/10/19,9,第一节 燃气轮机循环的过程方程,一）、燃气轮机的循环过程,2022/10/19,10,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,2022/10/19,11,1-2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,燃气轮机热力循环图,第一节 燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过程,2022/10/19,12,

5、燃气轮机效率曲线,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。,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、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。,2022/10/19,13,燃气轮机效率曲线,3）、目前，最先进的燃气轮机燃气温度达13001400，压气机压比达到1520。因此，提高燃气轮机效率，改进燃气轮机的性能，主要要从燃气轮机的燃气温度和压气机的压比作手。,第一节 燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过

6、程,2022/10/19,14,燃气轮机效率、比功曲线图,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。,第一节 燃气轮机循环的过程方程一）、燃气轮机的循环过程,2022/10/19,15,4、总之：为了计算燃气轮机中工质与外界交换的热量和功量，必须分析燃气轮机的四个过程中工质的热力状态参数压力p、比容v、温度t的变化规律和描述过程的数学方程。,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

7、022/10/19,16,第一节 燃气轮机循环的过程方程,二）、压气机内的压缩过程,2022/10/19,17,第一节 燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程,1、压气机理想绝热压缩空气过程的假设 压气机在压缩空气过程中，必须从外界吸收一定量的压缩功，才能使空气的压力p和温度t升高，比容v缩小。假设工质只与外界发生功的交换，而无热量交换。这个与外界没有热量交换的热力过程，是在没有摩擦和扰动等不可逆现象的理想情况下进行的，成为理想绝热过程。,2022/10/19,18,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 由热力学分析，在理想绝热过程

8、中，工质的压力和比容的变化规律为：（2-1）,式中：k为绝热指数，当忽略工质比热随温度而变化的关系时，它就是所谓的比热比。通常在作近似计算时，空气的绝热指数k可以取1.4，燃气的k取1.33。,2022/10/19,19,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 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（2-2）,2022/10/19,20,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

9、、和终态压力 后，就可以根据 和理想气体状态方程式，计算出工质在理想绝热过程终态的其它参数 和。,2022/10/19,21,2、压气机理想绝热压缩空气过程计算,第一节 燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程,联解，得出，在理想绝热过程中 与，与 之间的变化规律为：,整个推理过程为：,两式联立,p和T关系,T和v关系,（2-3）,2022/10/19,22,例1、今有一台压气机，把空气由起始状态，压缩到。假设这是一个理想压缩过程，试问压缩终了时，空气的比容 和温度 各为多少？,第一节 燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程,3、理想绝热过程计算举例,已知空气的绝热指数：,202

10、2/10/19,23,第一节 燃气轮机循环的过程方程二）、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 即得：,已知空气的绝热指数：,因而,（）,根据,2022/10/19,24,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,理想的绝热压缩过程是不存在的。由于存在摩擦和换热的因素，实际过程是一个多变的压缩过程，其计算应根据多变过程的规律计算，其中n为多变指数。,两式联立,整个推理过程为：,2022/10/19,25,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,p和T关系,T和v关系,联解，得出，在理想绝热

11、过程中 与，与 之间的变化规律为：,即：将绝热指数k改为多变指数n。nk，n的大小与实际压缩过程中存在的不可逆因素有关，一般为。在确定了n值后，就用式（2-4），即可算出实际过程中终态空气的状态参数。,（2-4）,2022/10/19,26,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、实际压缩过程计算举例,实际压缩过程的计算跟理想绝热压缩过程的计算是一样的，不同的只是一个用多变指数n，一个用绝热指数k。具体的举例略。,2022/10/19,27,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

12、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，来计算工质的终态温度。,2022/10/19,28,1）、绝热压缩效率,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,绝热压缩效率，是指工质在理想的绝热压缩过程中所需吸收的压缩功，与实际压缩过程中达到同一个终态压力 时所需加给工质的实际压缩功 的比值。即：,式中，,2022/10/19,29,当忽略工质定压比热 随温度改变而忽略微变化的特性时，,1）、绝热压缩效率,第一节 燃气轮机循环的过程方程二）、压气机内的压缩过程,

13、4、实际压缩过程的工程计算,在现代压气机中，,由此可见，只要已知压气机的，就很容易求得压气机出口处工质的实际温度，进而求出比容。,（2-5）,2022/10/19,30,已知由式（2-5）可知：,例2、假设已知例1中压气机的，试求在 的情况下，压气机出口处空气的实际状态参数。,2）、实际压缩过程的工程计算举例,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,解：在例1中已计算得，当工质按理想绝热压缩过程工作时，压气机出口处空气的温度和比体积为,（）,2022/10/19,31,第一节 燃气轮机循环的过程方程,三）、燃烧室中的加热过程,2022/10/19,3

14、2,第一节 燃气轮机循环的过程方程三）、燃烧室中的加热过程,1、燃烧室燃烧过程的理论简化,燃烧室的燃烧过程，是空气与燃料混合燃烧，把燃料的化学能释放出来，转化为热量的过程。这就相当于工质从外界吸收一定量的热，从而温度升高，比容增大。此时，工质只与外界有热交换，而无机械功交换。当确定了压气机出口参数 后，由于压气机出口紧接燃烧室入口，因此，也就知道了燃烧室入口处空气的参数。,2022/10/19,33,第一节 燃气轮机循环的过程方程三）、燃烧室中的加热过程,1、燃烧室燃烧过程的理论简化,在没有摩擦等不可逆现象的情况下，可以把燃烧过程看成是一个等压加热过程，空气与燃料燃烧后将变成高温燃气。在燃烧室

15、的出口处温度升高为，比容增大为，但压力却维持不变，即。,2022/10/19,34,第一节 燃气轮机循环的过程方程三）、燃烧室中的加热过程,2、燃烧室燃烧工质的状态参数理论计算,根据理想气体的状态方程式不难证明，假如忽略空气与燃气之间气体常数R的微小差别，经等压加热后，燃烧室前后工质状态参数的变化关系应满足如下规律：,通常燃烧室出口处燃气的温度 是根据透平叶片的材料特性选择的。目前，随着冶金工业和透平冷却技术的发展，已经可以提高到 以上。,2022/10/19,35,最后，根据已经选定的 和估算得到的，利用理想气体状态方程式，很容易确定出燃烧室出口比容。,第一节 燃气轮机循环的过程方程三）、燃

16、烧室中的加热过程,3、燃烧室燃烧工质的状态参数实际计算,实际上，当工质在燃烧室中燃烧加热时，总会有摩擦不可逆现象存在。这将导致燃烧室出口处燃气的压力 略有下降，其下降程度可以用燃烧室的压力保持系数 来估算，即：（2-6）,通常，。,2022/10/19,36,第一节 燃气轮机循环的过程方程,四）、透平（涡轮）中的膨胀过程,2022/10/19,37,第一节 燃气轮机循环的过程方程四）、透平（涡轮）中的膨胀过程,1、透平膨胀的理论计算,透平处高温高压燃气发生膨胀，对外界输出一定数量的机械功，同时工质的压力和温度下降，比容增大。假设工质只与外界有机械功的交换，而无热量的交换。在没有摩擦等不可逆现象的理想情况下，可以认为，在透平中，燃气是按照理想绝热过程进行膨胀做功的。因而也可以根据式（2-3）来计算燃气状态参数的变化。即：,2022/10/19,38,第一节 燃气轮机循环的过程方程四）、透平（涡轮）中的膨胀过程,2、透平膨胀的理论计算举例,2022/10/19,39,第一节 燃气轮机循环的过程方程四）、透平（涡轮）中的膨胀过程,2、透平膨胀的理论计算举例,解：对于燃气来说，绝热指数,根据式