郭明志燃气轮机讲义讲解

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1、第一章第一节燃气轮机的起源和发展燃气轮机是一种新兴的旋转热力发动机。据说起源中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载，它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末，意大利人列奥纳多达芬奇设计出烟气转动装置，其原理与走马灯相同。至17世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较多应用。 1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于19001904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。 1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为

2、13、功率为370千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。 随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，因而在30年代中期出现了效率达85的轴流式压气机。与此同时，透平效率也有了提高。在高温材料方面，出现了能承受600以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。 1939年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率达18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始迅速发展。随着高温材料的不断进展，以

3、及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大，在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机，最高能达到130兆瓦。与此同时，燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验；1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力；1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后，燃气轮机在更多的部门中获得应用。 在燃气轮机获得广泛应用的同时，还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置；5060年代，出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活

4、塞燃气轮机装置，但由于笨重和系统较复杂，到70年代就停止了生产。此外，还发展了柴油机燃气轮机复合装置；另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统，可有效地节约能源，已用于多种工业生产中。 思考题：1、历史上透平它的雏形是哪国？2、燃气轮机只用于工业生产？第二节对燃气轮机的认识Turbine透平燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。燃气轮机有重型和轻型两类：燃气轮机又分为重型（三气）、和轻型（四气）重型的零件较为厚重，大修周期长，寿命可达10万小时以上。重型燃气轮机为工业型燃机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。轻型的结构紧凑而轻，

5、所用材料一般较好，其中以航机的结构为最紧凑、最轻，但寿命较短。轻型燃气轮机为航空发动机的转型，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。燃气轮机的工作过程：压气机(即压缩机)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，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。 燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环；此外

6、，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；此外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。 对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。 燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动，机动性好，在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用，能较好地保障电网的安全运行，所以应用广泛。在汽车(或拖车)电站和列车电站等移动电站中，燃气轮机因其轻小，应用也很广泛。此外，还有不少利用燃气轮机的便携电源，功率最小的在

7、10千瓦以下。 燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温，即改进透平叶片的冷却技术，研制能耐更高温度的高温材料。其次是提高压缩比，研制级数更少而压缩比更高的压气机。再次是提高各个部件的效率。 高温陶瓷材料能在1360以上的高温下工作，用它来做透平叶片和燃烧室的火焰筒等高温零件时，就能在不用空气冷却的情况下大大提高燃气初温，从而较大地提高燃气轮机效率。适于燃气轮机的高温陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。 按闭式循环工作的装置能利用核能，它用高温气冷反应堆作为加热器，反应堆的冷却剂(氦或氮等)同时作为压气机和透平的工质。思考题：1、燃气轮机

8、的特点？1、燃气轮机靠自己能否启动？2、简述燃气轮机有重型和轻型优缺点？第三节燃气轮机和其它发动机的比较燃气轮机是内燃式的旋转设备，它综合内燃机（其中也包括柴油机）和蒸汽轮机双方的优点且避免双方的缺点，所以他是一种新型的动力机械。内燃机和柴油机是内燃式的动力机械，但它是往复式的，所以运行时振动很大。尽管内燃机和柴油机的热效率较高，但单机功率小，且极难实现大型化。运行时价格昂贵的润滑油的消耗量较大，维修费用又较高且维修后的出力总比新机低，单位功率的金属消耗也较大，所以只能应用于对功率要求较小的汽车及中小型船舶等运输工具上。蒸汽轮机是外燃的旋转式动力机械。运行平稳且振动较小，也可以容易地大型化。但

9、由于是外燃式的，运行时必须配备体积庞大的冷却器、锅炉本体及煤处理设备等附属设备，所以占地面积很大且排烟造成的污染很严重，运行时锅炉给水和冷却水的消耗量很大，单位功率金属的消耗量也很大。燃气轮机是内燃的旋转式动力机械，运行平稳且振动较小，也不需要体积庞大的冷凝器，锅炉本体及煤处理等附属设备，占地较小，水的消耗量也较小，并且排气造成的污染也轻，也能容易实现大型化，单位功率的金属消耗量是三种动力设备中最小的。所以发展极其迅速，应用的场合也越来越广。燃气轮机的主要缺点是效率不够高，在部分负荷下效率下降快，空载时的燃料消耗量高。燃气轮机的主要优缺点燃气轮机与其它动力机械，如内燃机、汽轮机相比，有一系列的

10、主要优点：1、 结构简单2、 重量轻、体积小3、 单机功率大4、 水、滑油和厂用电量少5、 维护简单6、 燃料适应性强、公害少7、 启动快、自动化程度高燃气轮机也存在一些缺点，主要有：1、 热效率低2、 运行工况窄3、 制造成本高4、 运行维护水平要求高思考题：1、燃气轮机的主要优缺点？第二章第一节燃气轮机的基本概念一、基本概念：燃气轮机是种新兴动力机械，它是以连续流动的气体为工质的内燃式旋转热力机械。它是由压气机、燃烧室和透平三大部分；以及相应的辅助等组成的整套动力装置。二、燃气轮机的特点归纳内容如下：1、以燃气为工质燃气轮机的作功介质为燃气，即燃料与空气中的氧相化合、燃烧后的燃烧产物。燃气

11、轮机的标准燃料为碳氢化合物C8H16，与空气中的氧化物进行燃烧，燃烧的化学反应如下：C8H16+12O28CO2+8H2O尚有多余的空气共同构成燃气，进行作功。从本质上讲，燃气轮机是燃料的化学能转化为机械功的回转式动力机械。2、具有三大分部燃气轮机具有压气机、燃烧室和透平三大部分组成的动力装置，称为燃气轮机装置。三大部分各有自己的功用，缺一不可。压气机是由透平驱动的气体压缩机，将透平输给它的机械功转化气体的势能与动能。一般开式循环由大气吸入空气，经压气机压缩后压力升高，势能提高，给工质在透平中膨胀作功提供有利条件。气体在压气机中的流动过程，与化工压缩机一样，压缩后气体压力与焓值均有所增加。燃烧

12、室为燃料与空气化合并进行燃烧的设备，类似锅炉。气体在燃烧室内为燃烧过程，燃料的化学能转换为热能，温度提高，热焓上升，为气体在透平中膨胀作功提供热能条件。燃烧室内燃烧过程为等压燃烧，压力基本保持不变。透平为动力机械，燃气在透平中膨胀作功，将工质的热能、势能及动能转化为机械功，由透平轴输出带动负荷和驱动压气机。气体在透平中的过程为膨胀过程。压力、温度（焓值）降低，与汽轮机内流动过程相似。一般循环的燃气轮机作功后的气体排向大气。3、续流回转式机械气体工质在燃气轮机内连续流动，连续作功。这点与一般内燃机不同，内燃机有两冲程、四冲程等，每次循环只有一个冲程作功。而燃气轮机为续流式，不间断的连续作功，因此

13、功率输出连续、均匀，运转平稳。燃气轮机为回转是动力机械，与往复式的内燃机和蒸汽机不同，没有往复式机构，因此部件简单，对驱动回转式机械如:发电机、风机和透平式压缩机等非常方便。4、内燃式动力机械从广义上讲燃气轮机也是内燃机机械，因为燃料的燃烧是在燃气轮机装置的内部（燃烧室）进行，这与汽轮机动力装置不同，因为它的燃烧是在汽轮机的外部（锅炉）进行，它属于外燃机。当然燃气轮机属于内燃机，与柴油机等内燃机不同。内燃机也属内燃式，但为往复式动力机械。三、燃气轮机的热力循环过程燃气轮机与其它热力机械一样，为完成工质作功必须经过热力循环。汽轮机的热力循环称为“朗肯循环”；柴油机为“狄赛尔循环”；而燃气轮机的热

14、力循环称为“焦耳循环”。燃气轮机的理想循环过程由下述四个过程：等熵压缩（压气机）；等压燃烧（燃烧室）；等熵膨胀（透平）；等压放热（排向大气）。燃气轮机的理想循环可用PV(压力比容)图和TS（温度熵）图表示。12：压气机内等熵压缩。气体压力增加，比容减小，温度增加；压气机吸收压缩功W转化为气体的势能。一般人口压气机T1为环境温度，为大气压；压气机出口压力5-18左右，取决于升压比P/P1。出口温度取决于升压比，一般燃气轮机120-300范围内。2-3：燃烧室内等压燃烧。燃料的化学能转化为工质的热能，温度升高，比容加大；燃烧中燃料对工质的加热量为B。燃料经喷油嘴喷射、雾化与压气机的空气混合，经点燃

15、后进行连续燃烧，产生的燃气送入透平膨胀作功。温度T3为燃烧室出口温度，即透平入口温度，为循环的最高温。燃烧室内的燃烧过程为等压过程，即。3-4：透平内等熵膨胀。气体热焓降低；压力、温度降低；速度增加；气体热能，势能转化为机械功，即透平功WT输出，用于驱动压气机和负荷机。透平发出功率的2/3左右用于驱动压气机，消耗于空气的压缩功，剩余的功率通过输出轴驱动外负荷。透平出口气体压力降为大气压。4-1：为等压放热过程，气体从透平出口排放向大气。在大气压下气体温度由T4降为大气温度T1，排气放热量为。排气放热过程为等压放热。第二节燃气轮机工程热力学基础知识燃气轮机和任何一种热力机械一样，依靠工质经过一系列热力过程，形成一个循环，才能连续对外作功。燃气轮机的热力循环由压缩、燃烧、膨胀和放热四个过程组成。根据燃气轮机的热力循环不同的特点，可分类如下。1、 根据热力过程复杂程度分类： 简单循环。工质在循环过程中只有一次压缩、燃烧、膨胀和放热四个过程。 复杂循环。工质在循环过程中不只有一次压缩、燃烧、膨胀和放热过程的热力循环叫复杂循环。