第1章-燃气轮机及其热力循环-2013

燃气轮机及发动机涡轮增压燃气轮机及发动机涡轮增压与配合技术与配合技术主讲：王兆文成晓北成晓北课程教学大纲一、课程编号二、学时和学分学时学分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。发动机性能设计与研究的能力。五、课程内容课内讲授：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）第十章涡轮增压系统设计（2学时）六、参考教材六、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《内燃机增压》，朱梅林主编，华中科技大学出版社，2002年；（）《柴油机涡轮增压技术》陆家祥主编机械（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版旭光主编，天津大学出版社，2005年第1版；第章燃气轮机及其热力循环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，并通过形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。燃气轮机主要由叶轮式空气压缩机、燃气发生器（燃气轮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，还有燃料供给、润滑、冷却、启动、调节和安全等辅助系统燃气轮机工作过程燃气轮机工作过程压气机连续地从大压气机连续地从大气中吸入空气，并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料燃烧喷燃混合后燃烧，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，并对外做功外做功。二、结构与类型：1.结构离式压气机轴流式涡轮离心式压气机+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1-进气道2-离心式压气机3-燃油喷嘴4-燃烧室5-第级涡轮6-拖动涡轮7-排气管8-减速箱轴流式压气机+轴流式涡轮轴流式压气机+轴流式涡轮某舰用燃气轮机示意图某一舰用燃气轮机示意图航空用燃气轮机1-进气道2-压气机3-燃烧室4-涡轮5-加力燃烧室6-排气道喷嘴5-加力燃烧室6-排气道喷嘴2.分类：2.分类：a.绝大部分热能转变为机械能：涡轴：速度＜400km/h的直升机，军舰，汽车，发电机组等。发电机等涡桨：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。b.绝大部分热能转变为尾气动能：涡喷：现代航空军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喷射速度低、推进效率高、耗油率低、推力大。涡轴：速度＜400km/h的直升机，汽车，发电机组等。动力涡轮涡轴：速度＜400km/h的直升机，汽车，发电机组等。欧洲NH-90直升机涡轴发动机直升飞机内部结构发电机组用燃气轮机-涡轴发动机涡桨：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。压气机:第一代燃气轮第代燃气轮机中，压气机耗功为总机械工的2/3现工的2/3，现在大约为1/2;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。涡喷：现代航空军用发动机的主流机型。涡喷：现代航空军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。三、两种内燃机的比较与活塞式内燃机结构形式的比较间歇做功连续做功活塞式内燃机与燃气轮机结构对比示意图燃气轮机理论循环压气机：燃烧室：涡轮：等熵压缩；等压燃烧；等熵膨胀。燃气轮机与活塞式内燃机理论循环的比较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（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）燃气轮机循环活塞式内燃机等容度较高燃气轮机等压燃烧等容度为0活塞式内燃机等容度较高；燃气轮机等压燃烧，等容度为0。两种内燃机优缺点比较燃气轮机功重比达4~5；汽油机为2柴油机更低两种内燃机优缺点比较1.功率大、重量轻、体积小是燃气轮机的优势汽油机为2；柴油机更低。燃气轮机气体流通率高，单位时间内可以燃烧更多的燃料发出更大的功率2.燃气轮机与活塞式内燃机热效率的比较料，发出更大的功率。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（1）压缩方式不同：叶轮式压气机效率较低；压缩比低。最高压力低（2）能量转换方式不同：燃气轮机，热能动能机械能活塞式：热能机械能能量转换复杂活塞式：热能机械能能量转换复杂（3）最高燃气温度不同：燃烧温度低，燃气轮机燃烧区最高（3）最高燃气温度不同：燃烧温度低，燃气轮机燃烧区最高温度1800℃，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最高温度低做功质平均温度较低受制于叶片材料的耐热能力。（）定压燃烧过程热效率低其它条件相同等容燃烧比最高温度低（4）定压燃烧过程热效率低：其它条件相同，等容燃烧比等压燃烧效率高3~5%。燃气轮机等容度低燃气轮机等容度低定压加热循环与定容加热循环的比较3燃气轮机的变工况性能差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况下，流动损失最小，热效率最高。在实际运行中，燃气轮机工况变化，而结构参数不变，工况变化，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，燃气轮机性能显实际循环效率变化图著变差。4.燃气轮机优点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般情况下，同等功率的燃机体积是柴油机的三分之到五分之一，体积小、功率大，非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点。启动更快启动更快；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。可以燃用煤油重油等劣质燃料可以燃用煤油，重油等劣质燃料。讨论讨论：假如你是潜艇艇长你会选用燃气轮机还是假如你是潜艇艇长，你会选用燃气轮机还是柴油机做动力？柴油机做动力？潜艇内燃机工作方式：无敌情时水上航行内燃机带动发电机发电发出的直流无敌情时，水上航行，内燃机带动发电机发电，发出的直流电直接驱动电动机，带动螺旋桨旋转，推进潜艇航行；同时内燃机发出的电又给蓄电池充电（内燃机与螺旋桨没有直接的燃机发出的电又给蓄电池充电。（内燃机与螺旋桨没有直接的机械连接)。准备作战时，半潜，根据需要开动内燃机，以便快速机动；躲避敌人时，深潜，内燃机不能使用（空气、振动），由蓄电池带动电动机，做慢速航行。通气管通俗点说就是常规潜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。1.燃气轮机进、排气量大，需要的通气管大，不利于潜艇隐蔽；2.在半潜时，燃气轮机耗空气太多，不能开动燃气轮机，不利于作战机动；3.如果用燃气轮机－电动机动力装置，给蓄电池充电，燃气轮3.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,续航能力降低，这对讲究持续活动能力的潜艇来说是不现实的现实的。因此现代常规潜艇多用经济性比较好的柴油机。5.两种内燃机复合形式的典型－废气涡轮增压内燃机把活塞式内燃机与燃气轮机结合扬长补短组合成把活塞式内燃机与燃气轮机结合，扬长补短，组合成性能更为优越的热力发动机。一种成功的复合式内燃机-------废气涡轮增压柴油机；相对而言，燃气轮机实际看成涡轮增压柴油机的一种形式形式。涡轮增压技术是一种较优越的提高发动机进气能力方法涡轮增压技术是种较优越的提高发动机进气能力方法。它通过采用专门的压气机，预先对进入气缸的气体进行压缩，提高进入气缸的气体密度，增大进气量，更好地满足燃料的燃烧需要，从而达到提高发动机功率密度的目的。燃烧需要，从而达到提高发动机功率密度的目的。同时，活塞发动机燃烧温度高，燃烧压力高带来的热效率高这个优势得以保留。另外，涡轮增压，利用了排出气缸废气的能量，进一步提高了工作循环的热效率提高了工作循环的热效率。内燃机是目前热效率最高的动力机械；到2010年，我国内燃机装机功率总数已超过发电总量四燃气轮机的现状与趋势四、燃气轮机的现状与趋势1燃气轮机的现状与水平1.燃气轮机的现状与水平（1）机组功率和效率燃气轮机单机最大功率为334MW，简单循环机组的效率最高已达42.5％，联合循环的效率最高已达58％；率最高联合循环的效率最高；西门子制造：重444T世界上功率最大的柴油机，瓦锡兰14缸RT-flex96C船用柴油机：持续最大功率为80,080kW（108,920bhp），转速102rpm，长27.3m，高13.5m，重2300T；汽缸容积2.5立方米，缸径960毫米，冲程2.5米；燃油消耗为160克/千瓦小时。丹麦马士基公司的“艾玛.马士基”号（EmmaMaeligrsk）集装箱船。该级船也是迄今为止最大的集装船，于2006年在丹麦欧登塞船厂建造，总吨位为170,974吨，长397米，宽56米，吃水15.5米，型深30米，可载14,770个20英尺标准集装箱。四、燃气轮机的现状与趋势1.燃气轮机的现状与水平（2）环保性能（2）环保性能燃气轮机污染排放相对较低；燃烧天然气时，SOx排放趋于零，采取措施后NOx、CO等降至很低水平。（3）应用现状（3）应用现状航空领域，主要有涡轮喷气、涡轮风扇，涡轮螺浆、涡轮轴发动机其中涡轮扇发动机推进效率高油耗率低轮轴发动机，其中涡轮风扇发动机推进效率高、油耗率低，应用最广泛。航机的发展领先于地面燃气轮机，它的先进技术常移植到地面燃气轮机设计中术常移植到地面燃气轮机设计中。电站发电用途，在一些工业发达国家，燃气轮机和联合循环发电之和超过了蒸汽轮机成为电力工业的主力军循环发电之和超过了蒸汽轮机，成为电力工业的主力军。舰用燃气轮机开始被广泛应用，2.燃气轮机的发展趋势2.燃气轮机的发展趋势（1）进一步提高性能；提高燃气初温，采用涡轮叶片冷却技术研制高温材料叶片燃气初温达到1700℃的涡冷却技术，研制高温材料叶片；燃气初温达到1700℃的涡轮研制工作已在进行，燃气初温的选择要兼顾热力性能和使用寿命。（2）大力发展联合循环（2）大力发展联合循环把燃气轮机与其他热力循环或系统联合起来，取长补系汽联短，形成新的循环与系统，燃气－蒸汽联合循环就是典型的例子。系统中能源从高品位到中低品位逐级利用，形成能源的梯级利用，大大提高了能源的利用率。燃气－蒸汽组合形式不同，有余热锅炉型、排气补燃燃气蒸汽组合形式不同，有余热锅炉型排气补燃型、增压燃烧型、加热锅炉给水型、锅炉并联型。（3）研究发展新型