燃气轮机教学课件12-透平1

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1、第四章 燃气透平,概述（功能、分类、基本结构等）； 轴流式燃气透平的工作原理； 轮周功、轮周效率、速度比； 多级透平； 透平特性； 燃气透平的冷却。,4-1 概述,燃气透平，又称燃气涡轮，是燃气轮机装置中向外输出机械功的部件。 一、功能 将高温高压燃气中的能量转换为机械功； 其中约2/33/5的机械功用以带动压气机，而其余的机械功作为燃气轮机的输出功率用以带动负荷。,二、与蒸汽轮机的比较,空气压缩比水蒸气困难得多,三、分类、特点及应用,主要介绍轴流式透平的工作原理论及结构。,四、基本构造简介,比较复杂 = 机械问题+高温问题 透平由静子和转子两大部分组成。 静子由气缸、扩压机闸、静叶和排气道（

2、排气蜗壳）组成。 转子由转盘、轴和动叶组成，有盘式和盘鼓式结构。 良好的空气冷却系统 使动叶、转子和静子都有效地冷却。,承力构件,本体结构,双层结构,：外层是气缸，内层由静叶外缘板和持环组成。,排气扩压机闸,排气扩压器,透平气缸,一级轮盘 二级轮盘 三级轮盘,透平后半轴,静 叶,动 叶,静 叶,静 叶,动 叶,动 叶,排气道,1、静子,扩压机闸 由排气扩压器内、外流道组成，扩压器内外环间用筋板连接为一体。 两种型式：铸造和焊接 气缸 一般不再轴向分段，仅分为上下两半的单个气缸，且铸造得到。 原因：透平级数少，轴向尺寸短；双层结构；空气冷却， 其工作温度相差不大。,1、静子,静叶 又称喷嘴，使高

3、温高压的燃气在静叶中膨胀加速，把燃气的热能转化为动能，然后推动转子旋转做功。 静叶通过持环和护环而固定在气缸上。 静叶组：两叶、三叶、四叶、五叶组 等等 刚性增强，不易扭曲或弯曲变形，广泛应用。 静叶内环：级焓降大，为减少漏气设置，上下有气封。 可调静叶：高温下能自由热膨胀，转轴灵活不漏气。,静叶,动叶,静叶内环,静子双层结构,外层 气缸,内层,静叶外缘板,轮盘,静叶内缘板,2、动叶,把高温燃气的能量转变为转子机械功的关键零件之一。 工作条件恶劣，是决定机组寿命的主要零件之一。 被高温燃气包围； 承受巨大离心力； 承受气流动力； 振动应力； 热腐蚀。,枞树形叶根,叶冠,工字型长柄,气封齿,透平

4、后半轴,排气扩压机闸,透平后半轴,过渡轴,拉杆螺栓,透平气缸,压气机后气缸,排气扩压器,后轴承,一级静叶,二级静叶 三级静叶,一级静叶内支撑环,一级静叶持环,一级护环 二级护环 三级护环,一级动叶 二级动叶 三级动叶,二级静叶内环 三级静叶内环,一级轮盘 二级轮盘 三级轮盘,一、二级间轮盘 二、三级间轮盘,转子采用外围拉杆结构，共12根拉杆螺栓。,MS6001燃气轮机,静叶外缘板,静叶内缘板,燃气导管,透平冷却,采用从压气机中抽气来冷却的方法。 分为两部分： 转子和静子的冷却 叶片冷却 根据冷却部位所需压力的高低， 冷却空气自压气机的不同级处引来。 冷却空气量： 约占压气机进口空气流量的10%

5、以上。,MS6001透平冷却空气：,静子2股；转子3股。,压气机出口,压气机第5级,压气机出口,压气机16级,压气机第5级,燃气导管,透平气缸,排气扩压机闸,3、多级透平的通流部分,在膨胀过程中，气体压力降低、密度不断减小，气体容积逐级增大； 透平的通流部分应逐级扩张，即沿气流流动的轴向方向上，叶片的高度是不断增加的。,一台燃气轮机模型,负荷,C,B,T,进气,排气,进气,排气,B,工人,轴,轴,轴流式压气机和轴流式透平,C,B,B,T,轴,轴,轴流式压气机和轴流式透平,进气,进气,排气,排气,带动压气机,带动负荷,分轴燃气轮机装置,涡轮喷气发动机,高速喷流推力,喷气推进,继续膨胀 减压增速,

6、燃气轮机装置,发电机,压气机,燃烧室,火焰筒,透平,4-2 轴流式透平级的工作原理,一、级的概念 1、透平级 一列静叶栅（或称喷嘴环）与其后面的一列动叶栅（或称工作叶轮）共同构成轴流式透平的一个级。 单级透平：整台透平只有一个“级” 多级透平：整台透平包含有几个“级” 一般轴流式燃气透平采用多级。,透平级的结构,外径 Dt,内径 Dh,三个特征截面： 0-0静叶进口； 1-1静叶出口； 2-2动叶出口。,平均直径 Dm,护环,静叶外缘板,静叶内环,静叶 内缘板,轮盘,叶冠,2、基元级,从基元级入手，概念较清楚，易于理解。 透平级是由许多基元级沿半径的叶高方向叠合而成。 设想一个级内的流动是由无

7、限多同心的环形薄层组成，这就是基元级。忽略径向分速，成为正圆柱面基元级。 平面叶栅：一列静叶栅和一列动叶栅。 常以平均直径Dm处的基元级参数表征整个级的流动特点。,1,1,2,2,静叶,动叶,u,画法: (1)静叶在前,动叶在后 标注三个特征截面 (2) 叶片间通道截面渐缩 (3)叶片运动方向 叶腹叶背 (4)叶片厚实且弯曲角大。,透平基元级,亚声速气流,二、级中气流参数的变化,能量转换过程主要是 在动叶中依靠气流转向来实现。,亚声速气流,透平级中燃气参数的变化规律,喷嘴,工作 叶轮,静叶 动叶 （喷嘴） （叶轮）,膨胀 加速,膨胀 加速,1、反动式透平,喷嘴中，燃气膨胀加速c后流入动叶栅：

8、高速气流冲击动叶做功； 燃气继续膨胀而加速w ，会对动叶产生反动力，推动叶轮旋转做功。 这样叶轮旋转作功，既依靠高速气流的冲动力，又依靠加速气流的反动力。 p2 w1 动叶片之间的通道一般是收敛的。,1,2,u,c1,w2,冲动力,反动力,u,动叶栅,2、冲动式透平,燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不再膨胀； 仅依靠高速气流对动叶产生的冲动力使叶轮旋转作功。 工作叶片： p1 p2，w1 w2 动叶片的通道一般是等截面的。,u,燃气在动叶中的膨胀程度常用反动度T表示。,压气机用反力度C衡量在动叶栅中直接把机械功转变为压力能的能力特性。,b冲动级 c反动级 图4-3 透平级、级中气流参数的变

9、化,a级示意图,3、叶片叶型,透平级中能量转换大，即气流速度高且转折大， 相对于压气机叶型，透平叶片厚实且弯曲角大。,冲动级的动叶片 更为厚实、 弯曲角更大。,三、基元级的速度三角形,如果工作叶轮以圆周速度u旋转， 那么气流绝对速度c就是其相对速度w和圆周速度的矢量和， c = w + u,喷嘴 0-1,燃气流过喷嘴后，压力降低、温度下降，流速c增加； 相当于一个静止喷管（减压增速） 流道截面逐渐收敛。,1,1,p1 c0,亚声速气流,静叶,动叶进口处 1-1,气流以速度c1和气流角1自喷嘴流出； 动叶栅以 u1 旋转； 那么气流以相对速度w1与进气角1进入动叶栅。,u,静叶,动叶,一般1=1

10、420,动叶出口处 2-2,动叶栅通道收敛，气流膨胀加速，则压力降低、 相对速度w2增加； 且气流方向改变、转折较大，21 ； 那么气流以绝对速度c2流出动叶栅，与叶栅额线的夹角为2。,u,静叶,动叶,一般1=1420,基元级的速度三角形,进出口速度三角形画在一起。 注意： 一般轴向分速度不相等，c2z c1z ； 气流转折角很大 （ 90）， 进出口速度三角形是分开的 ； 一般圆周速度不相等，u1u2。,一般透平基元级速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u1,u2,叶栅额线,c1u,c2u, 90,c1z c2z,u1u2,英美等国,我国,c1z c2z,简化分析，假定：c2

11、c0，并认为c1z=c2z 图中可见在透平级中，气流折转角较大。 静叶中气流折转角； 动叶中气流折转角。,典型基元级速度三角形,轴流级 u1u2=u,c2u很小（接近轴向出气），而预旋c1u很大。,c2u,c1u,压气机级基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,cz,c1,c2,u,u,叶栅额线,轴向分速度,气流转折角,c2u,c1u,预旋c1u很小 ，而c2u较大,则c2u和u一起决定L数值。,速度三角形的异同：,相同点：气流速度间的关系完全一样 形状上的区别： 透平 c和w数值比压气机的大得多，故u显得很小。 透平 很大，一般超过90，扭速wu很大。 气流在透平叶栅中可转换更多的功

12、量。 结构上 透平叶片弯折很大且中间厚实； 压气机叶片弯度较小且显得较薄； 透平和压气机的旋转方向相同，但叶片安装方向相反。,为什么？,（P118中）,透平级与压气机级的基元级,同一燃气轮机中，为什么透平的级数比压气机的要少得多，而且透平动叶片厚实、弯曲角大？,这是由气体流动的特点所决定的。 在压气机叶栅中，气体是减速扩压流动，气流从低压区流向高压区。这样在叶片表面特别是在叶背处很容易造成气流脱离现象甚至发生喘振，这是绝对不允许的，故压气机叶栅中气流速度较低且气流转折小，能量转换小。 在透平级中，沿流程气体压力不断降低，负压梯度不易发生气体脱离现象，级中气流速度可以很高，且气流转折可以更大，即

13、透平级中能量转换很大，可发出更高功率。 故在同一燃气轮机中，透平的级数比压气机的要少得多，同时叶片承受力较大，则相对压气机叶型来说，透平动叶片厚实、弯曲较大。,简化分析，假定：c2c0，并认为c1z=c2z 图中可见在透平级中，气流折转角较大。 静叶中气流的折转角； 动叶中气流的折转角。,典型基元级速度三角形,轴流级 u1u2=u,c2u很小（接近轴向出气），预旋c1u很大。,c2u,c1u,四、级的轮周功Lu,1.定义 气体在透平级的动叶中，把本身具有的能量经过转换后变成轴上的机械功，即气体对动叶做的功。 意义 代表了整个透平级的能量转换过程。【动叶栅】 规律 能量守恒关系（稳定流动能量方程

14、 、伯努利方程） 动量守恒关系 （欧拉方程）,透平级的稳定流动能量方程式,静叶栅中的加速过程， 实际上是气流膨胀使静焓下降变为动能的过程。,动叶栅中，气流滞止焓的降低量就是气流对外做的功。,动叶栅中，气流继续膨胀， 静焓下降使相对动能增加。,伯努利方程的形式,在透平动叶栅中， 气流所做的膨胀功与减少的绝对动能之和， 扣除流动损失外， 转变为轴上的机械功Lu输出。,膨胀功 （反动力做功）,动叶栅1-2,冲动力做功,静叶栅(0-1),c1c0,p0p1,气体与外界无功的交换,(c2c0),冲动力做功,w2w1,p2p1,气体与外界无功的交换,反动力做功,2. 轮周功的计算 确定气流速度功的定量关系

15、,欧拉方程,轴流式透平，设u1= u2= u,提高轮周功的途径,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u1,u2,T0,c1u,c2u,w1u,w2u,受材料强度限制,( 90),c2u有限，因为c2为余速损失， 越小越好， 一般接近轴向出气。,1有限，主要2,主要1,cu,wu,Lu的另一表达形式,在速度三角形中，由余弦定律知：,第二欧拉方程,冲动力功 c,反动力功 w,离心力功 u,轴流式透平，u1= u2= u,五、基元级反动度,1、运动反动度 气流通过动叶时静焓变化与其滞止焓变化的比值，以T表示：,对于圆柱面基元级u1=u2 ：,可为正值、零或负值,T=0纯冲动式基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u,u,假设：c2z= c1z ，u1= u2= u,w1= w2 1= 2,相对速度w1、w2 关于轴对称,大小相等方向相反,习惯上，常把T值较小的级称为冲动级,T=