燃气轮机装置的工作原理燃气轮机装置是一种比较新型的动力装置最简单的燃气轮机装置包 括三个主要部件：压气机、燃气轮机和燃烧室，下图是其流程示意图 空气和燃料分别经压气机与泵增压后送入燃烧室，在其中燃料与空气 混合并燃烧，释放出热能燃烧所产生的燃气吸热后温度升高，然后 流入燃气轮机边膨胀边作功，作功后的气体排向大气并向大气放热 重复上述升压、吸热、膨胀与放热过程，连续不断地将燃料的化学能 转换成热能，进而转换成机械能第一章 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（见图1—1）是燃气轮机的雏形，我国在11世纪就有走马灯 的记载，它靠蜡烛在空气中燃烧后产生的亡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 计的烟气转动装置，其原理与走马灯相同现代燃气轮机发动机主要山压气机、燃烧室和透平三大部件组 成当它正常丁作时，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转化的热力循环。
图1—2所示为开式简单循环燃气轮机工作原理图压气机从外界大气 环境吸人空气，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人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；最后图1—1走马灯是工质放热过程，透平排 气可直接排到大气，自然放热给外界环境，也可通过各种换热没备放 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一般，透平的膨 胀功约2/3用于带动压气[il ] -1起吗灯图1 -工 开式筒肌循环龍代伦机工柞原理糧I—压吒机；上一燃烧宅「扌一谨平匚再一的烷机，1/3左右才是驱动外界负荷的有用功燃气轮机有重型与轻型两类结构型式，重型的零部件较厚重， 设计寿命与大修寿命都长；轻型的结构紧凑而轻，所用的材料较好， 但寿命较短图1—3所示为南京汽轮电机厂研制的1000kW发电用的 燃气轮机剖视图，机组为水平中分的重型结构燃气轮机动力装置是指包括燃气轮机发动机及为产生有川的动 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置 的正常运行，除了主机的三大部件外，还应根据不同情况配置控制调 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：一是发动机部件的 运动方式，它为高速旋转且丁质气流朝一个方向流动（不必来回吞 吐），这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，因此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来处理，以满足各种用途的要求燃气轮机区别于汽轮机有三大特征：是工质，它采用空气而不是水，故可不用或少用水；二是多为内燃方式，使它免除庞第2章 燃气轮机热力循环2.1 概述2．1．1 热力循环的概念热力循环是指热力系统经过一系列的状态变化，重新回复到原 来状态的全部过程热力循环分为正向循环及逆向循环将热能转 换为机械功的循环称为正向循环；将机械功转换为热能的循环，称 为逆向循环通过工质的热力状态变化过程，可以将热能转化成机械能而做 功，而要做出功—般必须通过工质的膨胀过程，但是任何一个热力 膨胀过程都不可能一直进行下去，并连续不断地做功这是因为工 质的状态将会变化到不适宜继续膨胀做功的情况，而且任何热力设 备，其尺寸也都是有限的。
例如，通过定温膨胀或绝热膨胀过程做 功时，工质的压力将降低到不能做功的水平，而工质的容积V又将 增大到设备尺寸不能允许的程度，典型的例子是封存于气缸内的一 定质量的气体，当其膨胀做功时，压力将不断下降，容积不断增加 而这个膨胀过程可能由于压力降得太低以至于无法继续做功，或者 由于受到气缸尺寸的限制使得容积不能无限制地增大因此，为使 连续做功成为可能，工质在膨胀后还必须经历某种压缩过程，使它 回复到原来状态，以便重新进行膨胀做功的过程这种使工质经过 一系列的状态变化，重新回复到原来状态的所有热力过程的组合就 叫做一个循环在状态参数的平面坐标图（如压容图或温熵图）上，循 环的全部过程必定构成一条封闭曲线，其起点和终点重合 （见图 2—1）整个循环可以看作一个闭合过程，所以也称循环过程，简称循环工质在完成一 个循环之后，就可以重复进行下一个循环，如此周而复始，就能连 续不断地把热能转化为机械能循环可以沿着两个方向进行，即上述的正向循环和逆向循环， 本章侧重讨论正向循环，也称热力循环汽轮机、燃气轮机等热机 都是按正向循环工作的循环的全部过程可以在一个气缸内进行， 如柴油机循环（又称狄塞尔循环）；也可以分别在几个部件内进行，如 燃气轮机循环（布雷顿循环）。
各种热动力设备采用的循环各不相同， 各具特点，但他们的基本特征是相同的现以闭口系统中 1kg 工质 的正向循环为例，说明正向循环的性质图2—1在p—图上示出 厂该循环，这个循环是一个抽象的、任意确定的正向循环正向循环在状态参数坐标图上是按顺时针方向进行的压容图 上的循环过程，以循环的左、右两个端点（即比体积最小的点1和 最大的点2）为分界，把该循环分成上、下两段在上边一段，从 1—a—2的过程为膨胀过程，该过程的膨胀功以面积1— a—2—3—4—1表示为了能使工质继续做功，必须将上质沿另 一过程从2压缩回到1显然，为了使工质在一个循环中能够对外界 有净功输出，该压缩过程必须沿着一条较低的过程线，如图2—1中2— b—1曲线所示，将工质从2压缩到1点，该过程消耗外功，消耗功 的绝对值以面积2—b—1—4—3—2表示，其代数值为负值这样， 从1—a—2—b—1就完成了一个循环唯位工质完成一个循环对外做 出的净功以w表示显然，在图形上，表示该净功的面积为面积 1—a—2—3—4—1减去面积2—b—1—4—3—2，这正好就是封闭的 循环过程曲线1—a—2—b—1所包围的面积为了使工质在完成一个 循环之后能够对外作出正的第3章燃气轮机主机及主要部件3.1主机概述燃气轮机主机（发动机）是把热能转换为机械功的组件，通常包 括压气机、燃烧室和透平等三大部件（如图1—3所示）。
透平是利用工 质的膨胀产生机械动力的功能部件；压气机是利用机械动力使工质的 压力增加并伴有温度升高的功能部件；燃烧室是使燃料（热源）与工质 发生反应，以提高工质温度的功能部什在燃气轮机主机中把这三大 部件有机整合，以实现预定的热功转换功能本章介绍燃气轮机主机三大部件的概况，重点是论述压气机、 燃烧室和透平的基本工作原理另外，还简要介绍燃气轮机主机的总 体结构3.2 燃气透平3．2．1 轴流透平与径流透平燃气透平又称为燃气轮，它在整台燃气轮机中的作用是把蕴储 在来自燃烧室的高温高压燃气中的能量转化成为机械功按照工质在 透平内部的流动方向，可以把透平区分为轴流式与径流式两大类型 （如图3—1和图3—2所示）一般来说，径流式（又称向心式）透平适宜在小功率燃气轮机中 应用通常所见的大多数燃气透平则是做成轴流式的，因为这种透平 容许流过比较大的工质流量，而效率也较高，结构上又第52页9 ” I 1 TJI 1-222W4W4.1革济圏轴流式勰气透卡示意囲】一过救耙I； 2—压吒亂后丸垃冃a—*— 一圾悴叶内吏捋坏；3一一级静叶；百一變弋了裁；7—^静叶持环；$—谨平气虹；9 镰护环；L0——皱动叶；11一二统静叶匚12^1级护歼；13—二圾朋叶；14—^圾静叶」L .点护哥 W-三级功叶* 口一排七扩压器i堀一排r扩压机臣i 19—盖蓟 甜一后轴*茴密封+ il-后褊掘朋上渥；忑一肩轴礦；23—后轴班后密期；24—a平启字純k劭一三輾统嶽;36—三级律叶内环；油一二、三缠间驼凰：關一二圾牠盘：29 —二观静叶内坏；M——、二级间艳撚；知——険枪泄4．1．1 联合循环的概念热机是通过热力学循环将热能转变为机械功的机械装置。
热力 学第二定律表明，热机将一定量的热能转变为有用功 （机械能 ）的数 量，将随着工质的加热温度的升高和放热温度的降低而增加通常， 加入热机的热能是加入燃烧室的燃料通过燃烧反应而释放出来的，工 质的加热温度可高达20凹C以上；而工质的放热可以接近环境的大气 温度或水温也就是说，燃用化石燃料热机的热力循环可利用的工作 区域，在理论上是相当大的但是，目前热机多采用简单循环，且多采用一种工质，由于所 采用的工质性质和金属材料耐温性等限制，无法充分利用上述工作温 度区域，只能局限于狭窄的温度区间内工作，热转功的效率比较低 若将具有不同工作温度区间的热机循环联合起来，互为补充，即把高 温循环热机的排热作为低温循环的加热，就可以大大降低总的排放热 损失，而提高整体循环效率，这种联合装置就叫做联合循环通常狭 义理解的联合循环是指最常用的也就是燃气轮机和汽轮机串联在一 起的联合循环，但广义的联合循环应该包括所有可能的有效形式，例 如以活塞式内燃机作为顶部与以燃气轮机作为底部的联合循环，其退 化形式为底部循环不输出功，而只给循环顶部提供压力的涡轮增压内 燃机，其应用也很普遍现在大型动力装置（含大型发电机组）应用的 热力循环主要有两类：一是朗肯循环（汽轮机），它的排汽温度可以低 到接近大气温度，但是由于设备受到材料限制，蒸汽初温不能很高（550°C 左右），且水的相变潜热大，热效率的提高受限制；二是布雷顿循环 （燃气轮机），它的燃气初温目前已达1430C，但是燃气轮机的排气温 度很高（一般在450—600C）,而且燃气工质的流量又很大，致使大量 热能随排气进人大气而损失掉，热效率也不高（35％-40％）。
考虑到 它们各自的工作温度区间，若将它们申联在一起，用燃气轮机的排 气来产生蒸汽，再去驱动汽轮机做功，将会大幅度地提高热效率一个新概念提出或新技术突破，常会萌发出新的热力循环或联 合循环的构思，如总能系统概念的提出，使得热力循环研究思路发 生重大变化，人们不再囿于单一循环优劣，更重视探讨把不同循环 有机结合起来的各种高性能联合循环，从而把能量转换利用过程提 高到系统高度和能量品位梯级利用的理念来认识，即在系统的高度 上，综合考虑能量转换过程中功和热梯级利用，不同品位和形式能 的合理安排以及各系统构成的优化匹配等，总体合理利川各级能， 以获得最好的总效果燃气轮机为核心的总能系统，既能充分发挥 其高温加热优势，又避免较高温排热、损失大的缺陷，显示出极好 的总体性能，因而得到电力、石化、冶金等部门的青睐，以联合循 环、功热并供、三联供、多联产以及总能工厂等多种形式，广泛推 广应川本章侧重讨论以燃气轮机为核心的联合循环装置对于简单循环的燃气轮机，随着燃气初温和循环压比的提高，甲—机热效率也在不断提高在一定的技术条件下，单机热效率提高的幅度是不会 很大的，其根本原因是排气带走的能量占很大比例但是如果能把 燃气轮机循环与其他循环结合起来，综合考虑联合循环系统的能流 安排，合理利用燃气轮机的余能，就能建立更高性能的联合循环装 置。
联合循环中不同循环的整合原则是：按照能量品位的高低进行 梯级利用，即按“温度对口，梯级利用”原理，总体安排好功、热（冷） 与工质内能等各种能量之间的配合关系与转换使用；在系统的高度 上，总体综合利用好各级能量，以获得第。