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1、第四章第四章 燃气透平燃气透平概述概述（功能、分类、基本结构等）（功能、分类、基本结构等）；轴流式燃气透平的工作原理；轴流式燃气透平的工作原理；透平级中的能量损失、效率和速度比；透平级中的能量损失、效率和速度比；多级透平；多级透平；透平特性；透平特性；燃气透平的冷却。燃气透平的冷却。燃气轮机六、透平级的热力过程六、透平级的热力过程i-s图图oo*c02/2p0P0*P1*p11s1H 1H1s=c1s2/21*p2P2*2s2s2H2sH2s2s*2*c22/22*余速余速损失失Hc2=H2理想焓降理想焓降 HsHu实际焓降实际焓降is整个涡轮级0-1喷嘴1-2叶轮HHi 内功内功燃气轮机4-
2、3 透平级中的能量损失、效率和速度比透平级中的能量损失、效率和速度比燃气轮机一、透平级的能量损失一、透平级的能量损失1、喷嘴嘴损失失 H1 2、动叶叶栅损失失 H2 3、余速、余速损失失 Hc24、内损失、内损失 H发生在透平通流部分的内部生在透平通流部分的内部直接影响燃气参数、功率和流量直接影响燃气参数、功率和流量变化化轮周损失轮周损失最大，约占总作最大，约占总作功量的功量的10% H2 H 1 Hc2燃气轮机n静叶能量损失系数：静叶能量损失系数： n动叶能量损失系数动叶能量损失系数：n余速动能损失系数：余速动能损失系数： 燃气轮机（1）气流流经透平叶栅时产生的损失）气流流经透平叶栅时产生的
3、损失n型阻损失和端部损失（包括二次流损失）两大类。一、型阻损失一、型阻损失n主要由五种现象造成的：（1）叶栅附面层中产生的摩擦损失。）叶栅附面层中产生的摩擦损失。（2）叶栅附面层中产生的气流分离损失。）叶栅附面层中产生的气流分离损失。（3）在叶片出口尾迹中产生的涡流损失和掺混损失。）在叶片出口尾迹中产生的涡流损失和掺混损失。（4）在气流中可能发生的激波现象引起的能量损失。）在气流中可能发生的激波现象引起的能量损失。（5）在有叶片冷却时引起的冷却气流对附面层和主流的）在有叶片冷却时引起的冷却气流对附面层和主流的干扰损失。干扰损失。 燃气轮机气流流经透平叶栅时产生的损失气流流经透平叶栅时产生的损失
4、二、端部损失二、端部损失n 在叶片的两端，气流与气缸内壁以及工作转子在叶片的两端，气流与气缸内壁以及工作转子的表面相接触，这样不可避免地也会形成附在这的表面相接触，这样不可避免地也会形成附在这些表面上的气流附面层，从而产生摩擦阻力损失些表面上的气流附面层，从而产生摩擦阻力损失和涡流损失。这种损失是端部损失的一个部分。和涡流损失。这种损失是端部损失的一个部分。n 此外，在叶片端部还会产生一种二次流损失，此外，在叶片端部还会产生一种二次流损失，它是由于气流流过弯曲的叶间流道时，因为离心它是由于气流流过弯曲的叶间流道时，因为离心力的作用所引起的。力的作用所引起的。燃气轮机（2）内损失的内容）内损失的
5、内容n径向间隙的漏气损失径向间隙的漏气损失 H n 减少了工质在动叶中的做功量；反动度高，泄漏增加，还受减少了工质在动叶中的做功量；反动度高，泄漏增加，还受叶尖几何特性影响等。叶尖几何特性影响等。n 减少径向间隙，采用带冠叶片（加气封片）。减少径向间隙，采用带冠叶片（加气封片）。n轮盘摩擦损失轮盘摩擦损失 Hdfn 也称风阻损失，叶轮两侧表面在充满气体的空间里高速旋转也称风阻损失，叶轮两侧表面在充满气体的空间里高速旋转时，会产生表面摩擦、且由于旋转轮盘与静止气缸间流体的循时，会产生表面摩擦、且由于旋转轮盘与静止气缸间流体的循环而产生的。再者，冷却气体是沿着转子轮盘表面从发动机中环而产生的。再者
6、，冷却气体是沿着转子轮盘表面从发动机中心线附近朝外流向叶片的根部，也会产生摩擦。心线附近朝外流向叶片的根部，也会产生摩擦。n u不变，增加转度、直径不变，增加转度、直径d减少，从而减少该损失。减少，从而减少该损失。燃气轮机燃气轮机二、轮周效率、内效率二、轮周效率、内效率1、轮周效率、轮周效率轮周功（实际焓降轮周功（实际焓降Hu）和理论功（理想焓降）之比）和理论功（理想焓降）之比静参数静参数滞止参数滞止参数单级或末级单级或末级考虑余速损失考虑余速损失中间级（中间级（余速得到利用余速得到利用）循环计算中循环计算中燃气轮机oo*c02/2p0P0*P1*p11s1H 1H1s=c1s2/21*p2P
7、2*2s2s2H2sH2s2s*2*c22/22*余速余速损失失Hc2=H2理想焓降理想焓降 HsHu实际焓降实际焓降is整个涡轮级0-1喷嘴1-2叶轮HHi有效焓降有效焓降式中 qn静叶环中排去的热量；qb动叶环中排去的热量。燃气轮机2、内效率（级效率）、内效率（级效率）内功内功Hi和理论功（理想焓降）之比和理论功（理想焓降）之比 i 表示实际涡轮级在能量转换过程中，扣除了表示实际涡轮级在能量转换过程中，扣除了可能存在的各种损失后得到的；可能存在的各种损失后得到的； 衡量燃气轮机热经济性的一个重要指标。衡量燃气轮机热经济性的一个重要指标。 其大小，不仅与所选用的叶片形状、反动度、速其大小，不
8、仅与所选用的叶片形状、反动度、速度比有关，而且还与级的结构特点有关。度比有关，而且还与级的结构特点有关。漏气损失系数漏气损失系数 = H /Hs；摩擦损失系数；摩擦损失系数 df= Hdf /Hs。P131改错！改错！P131改错！改错！燃气轮机透平的有效效率透平的有效效率如果再考虑轴承等机械损失如果再考虑轴承等机械损失 Hm等，那么等，那么燃气轮机燃气轮机三、最佳速度比三、最佳速度比u 轮周损失轮周损失n余速损失的大小，不仅与叶栅的气流角度有关，余速损失的大小，不仅与叶栅的气流角度有关，而且与而且与速度比速度比u/c1有密切关系。有密切关系。燃气轮机一般一般透平基元级的速度透平基元级的速度三
9、角形三角形 2 1 2 1w1w2c1c2u1u2叶栅额线c1uc2uc2u很小（很小（接近轴向出气接近轴向出气）90c2z c1z n由速度由速度三角形知，三角形知，把把c2设计成设计成轴向方向轴向方向 2 2=90=90 ，那么，那么余速损失就能减小到最低程度余速损失就能减小到最低程度，此时，此时速度比最佳速度比最佳。燃气轮机1、冲动式透平级冲动式透平级T=0 2 1 2 1w1w2c1c2uu 理想情况：理想情况：c2z= c1z u1= u2= u w1= w2 轴对称轴对称轴向出气轴向出气燃气轮机T=0燃气轮机 2、反动式透平级 T=0.5 2 1 2 1w1w2c1c2uu 假设：
10、假设：c2z= c1z u1= u2= u c2= w1w2= c1进出口速度进出口速度 关于轴对称关于轴对称燃气轮机T=0.5燃气轮机任意反动度T下，最佳速度比：燃气轮机达到最佳速度比时：达到最佳速度比时：n透平级效率比较：透平级效率比较：n 当当u和和 1相同相同时，反动式透平级时，反动式透平级中中c1和和w1要小很多，型阻损失和要小很多，型阻损失和端部损失都较小，效率较高。端部损失都较小，效率较高。n透平级做功量比较：透平级做功量比较：n 冲动式冲动式 Lu=2u2，级数较少；，级数较少；n 反动式反动式 Lu=u2，级数较多。，级数较多。n级的反动度范围：级的反动度范围：n 平均叶高处
11、（平均叶高处（ 00.5） T=0 T=0.5燃气轮机n作业：P159n 1n 2n 4燃气轮机燃气轮机4-4 多级透平多级透平n在实际的透平设计中，当机组的总焓降较大时，总是把在实际的透平设计中，当机组的总焓降较大时，总是把总焓降分成几段，每一段焓降在一个级中加以利用。总焓降分成几段，每一段焓降在一个级中加以利用。n几个级沿着燃气的流动方向串联在一起，就构成几个级沿着燃气的流动方向串联在一起，就构成了一个多级透平。了一个多级透平。（压比在（压比在6以下单级足够）以下单级足够）n可保证：在较小的动叶圆周速度下，达到最佳速度比，可保证：在较小的动叶圆周速度下，达到最佳速度比，从而获得满意的轮周效
12、率。从而获得满意的轮周效率。n另一方面，当级中的焓降不大时，若给定透平的转速，另一方面，当级中的焓降不大时，若给定透平的转速，就可采用较小的叶轮直径；若给定叶轮的平均直径，就就可采用较小的叶轮直径；若给定叶轮的平均直径，就可采用较低的转速。可采用较低的转速。燃气轮机4-4 多级透平多级透平n大多数功率较大的透平都是多级的，效率较高，大多数功率较大的透平都是多级的，效率较高，n但结构较复杂，叶轮叶片数目较多（但结构较复杂，叶轮叶片数目较多（2 5级）。级）。n透平分为：透平分为：n 多级冲动透平（速度级）多级冲动透平（速度级）n 多级反动透平（压力级）多级反动透平（压力级）n叶片较短者多采用冲动
13、级。叶片较短者多采用冲动级。燃气轮机多级冲动透平多级冲动透平n整个透平的等熵焓降均在喷嘴中整个透平的等熵焓降均在喷嘴中被转换成气体的动能；被转换成气体的动能；n在工作动叶栅中仅发生绝对速度在工作动叶栅中仅发生绝对速度降低，将动能转化为机械功。降低，将动能转化为机械功。n喷嘴中：喷嘴中：H1s=Hsn多级速度级透平的最高效率比单多级速度级透平的最高效率比单级冲动式透平的要低得多。级冲动式透平的要低得多。n原因：原因：n 气流速度高且流动阻力增加。气流速度高且流动阻力增加。双列速度级或复速级双列速度级或复速级一级内装有两列动叶栅一级内装有两列动叶栅叶轮燃气轮机反动式透平（反动式透平（压力级压力级）
14、n由一系列反动式透平级由一系列反动式透平级串联组成。串联组成。n每一级都有压力降，透每一级都有压力降，透平中压力逐级降低；平中压力逐级降低；n气流绝对速度在每一级气流绝对速度在每一级喷嘴中得到提高，而在喷嘴中得到提高，而在每一级工作叶栅中得到每一级工作叶栅中得到利用。利用。n余速损失较少，效率比余速损失较少，效率比单级的高。单级的高。n应用较多。应用较多。三级反动透平简图三级反动透平简图燃气轮机a静叶 b冲动式动叶 c反动式动叶1=2 12 1 0 燃气轮机一、多级轴流式透平的通流部分型式一、多级轴流式透平的通流部分型式n在轴流式涡轮中，随着气流压力沿流程逐级下降，气在轴流式涡轮中，随着气流压
15、力沿流程逐级下降，气流密度也逐级减小。流密度也逐级减小。n根据连续性方程根据连续性方程qT= A cz可知，这将导致气流轴向可知，这将导致气流轴向分速分速c cz z增加，或者通流面积增加，或者通流面积A A增加。增加。n一般同时采用一般同时采用逐级增加轴向分速和叶片高度的办法。逐级增加轴向分速和叶片高度的办法。 n多级轴流式透平的通流部分逐级渐扩。燃气轮机三种型式三种型式Dt=constDm=const等外径等外径等内径等内径等平均直径等平均直径Dh=const燃气轮机1、等外径的通流部分、等外径的通流部分结构：结构：外径外径Dt相同相同 内径内径Dh和平均直径和平均直径Dm则沿流程逐级降低
16、。则沿流程逐级降低。优点：优点：涡轮的径向尺寸较小，机壳的加工制造方便。涡轮的径向尺寸较小，机壳的加工制造方便。缺点：缺点：内径较小，叶片较长，叶片扭曲较剧烈。内径较小，叶片较长，叶片扭曲较剧烈。特别是体积流量很大时，叶片更长，受材料强度限制。特别是体积流量很大时，叶片更长，受材料强度限制。应用：应用：用于航空和舰船燃气轮机。用于航空和舰船燃气轮机。 燃气轮机2、等内径的通流部分、等内径的通流部分结构：结构：内径内径D Dh h相同相同 外径外径D Dt t和平均直径和平均直径D Dm m则沿流程逐级增加。则沿流程逐级增加。优点：优点：叶片高度较小，则叶片扭曲不甚剧烈。叶片高度较小，则叶片扭曲
17、不甚剧烈。 工作叶轮加工方便。工作叶轮加工方便。缺点：缺点：涡轮的径向尺寸变化剧烈。特别是体积流量涡轮的径向尺寸变化剧烈。特别是体积流量变化很大时，易引起气流脱离，流阻增加。变化很大时，易引起气流脱离，流阻增加。 因外径因外径D Dt t逐级增加，机壳加工较繁。逐级增加，机壳加工较繁。应用：应用：地面固定式燃气轮机地面固定式燃气轮机。燃气轮机3、等平均直径的通流部分、等平均直径的通流部分n结构：结构：平均直径平均直径D Dm m相同相同n 外径外径D Dt t逐级增加，内径逐级增加，内径D Dh h逐级减小。逐级减小。n优缺点：优缺点：介入以上二者之间介入以上二者之间 叶片扭曲不甚剧烈；涡轮的
18、径向尺寸变化不太剧烈。叶片扭曲不甚剧烈；涡轮的径向尺寸变化不太剧烈。 应用：应用：涡轮通流部分的扩张角不大，广泛应用。涡轮通流部分的扩张角不大，广泛应用。燃气轮机n一般建议采用一般建议采用内、外壁面型线光滑、连续的内、外壁面型线光滑、连续的子午剖面通道子午剖面通道。 n外壳壁面倾角一般不宜超过外壳壁面倾角一般不宜超过2025；n内壳壁面，则应小于内壳壁面，则应小于15左右（绝对值）。左右（绝对值）。 n某一级的内外壁总扩张角最好限制在某一级的内外壁总扩张角最好限制在3035以内，以内，相邻叶栅内壁倾角之间或外壁倾角之间的差别不宜相邻叶栅内壁倾角之间或外壁倾角之间的差别不宜大于大于812。 a等
19、内径等内径 b等外径等外径 c等中径等中径燃气轮机二、焓降分配与级数选择二、焓降分配与级数选择n实质上是一个负荷分配问题。实质上是一个负荷分配问题。 n结构布置上，透平外径通常选得与压气机外径差不多，至多结构布置上，透平外径通常选得与压气机外径差不多，至多大出大出1020。n叶片和轮盘的材料强度，透平平均直径处的圆周速度一般不叶片和轮盘的材料强度，透平平均直径处的圆周速度一般不高于高于320350m/s。n根据基元级分析及试验结果，一般说来，负荷系数在根据基元级分析及试验结果，一般说来，负荷系数在1.52.5之间选取，流量系数的最佳数值在之间选取，流量系数的最佳数值在0.81.0左右。左右。n
20、对一般亚声速级，焓降通常为对一般亚声速级，焓降通常为80190kJ/kg左右，而航空发左右，而航空发动机跨声速透平单级焓降已达动机跨声速透平单级焓降已达420540kJ/kg左右，叶尖圆周左右，叶尖圆周速度达到速度达到500m/s以上。以上。燃气轮机三、多级透平的热重获问题三、多级透平的热重获问题n由于各级有损失的缘故，气流的熵增加了，实际过程由于各级有损失的缘故，气流的熵增加了，实际过程线向右偏移了，而等压线向右是扩张的。线向右偏移了，而等压线向右是扩张的。n 热重获系数；z多级透平级数。在透平中，损失的能量又部分被利用的现象，叫做热重获现象。在透平中，损失的能量又部分被利用的现象，叫做热重
21、获现象。燃气轮机级效率：级效率：n多级透平的热效率：多级透平的热效率：由于由于热重重获，使多，使多级透平的效率大于各透平的效率大于各级的平均效率。的平均效率。燃气轮机透平的热重获系数透平的热重获系数 注意注意: : 热重获现象回收的摩擦热仅仅是流动阻力损失的一小部分，所以流动阻力增加总是导致涡轮效率降低的。（1）级数越多，前面损失被后面利用的程度大，热）级数越多，前面损失被后面利用的程度大，热重获系数也大。重获系数也大。（2）级效率越低，损失越大，热重获系数也越大。）级效率越低，损失越大，热重获系数也越大。（3）膨胀比越大，热重获系数也越大。）膨胀比越大，热重获系数也越大。燃气轮机四、多级透平
22、的主要性能参数四、多级透平的主要性能参数1 1、膨胀比、膨胀比2 2轴功率（内功率）轴功率（内功率）P PT T透平内比功透平内比功L LT T各级轴功之和各级轴功之和燃气轮机内功率（轴功率）内功率（轴功率） 或 3透平效率（透平效率（绝热膨胀效率绝热膨胀效率）多级透平的效率比单级效率要高多级透平的效率比单级效率要高。燃气轮机燃气轮机五、多级透平的余速利用五、多级透平的余速利用（自学）（自学）oo*c02/2p0P0*P1*p11s1H 1H1s=c1s2/21*p2P2*2s2s2H2sH2s2s*2*c22/22*余速余速损失失 Hc2=H2理想焓降理想焓降 HsHu实际焓降实际焓降is整个涡轮级0-1喷嘴1-2叶轮HHi有效焓降有效焓降出口扩压器出口扩压器燃气轮机燃气轮机
