第二章 燃气轮机基本原理和计算优秀PPT.ppt
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1、第二章 燃气轮机基本原理和计算2022/12/61第一页,本课件共有103页n为什么现代燃气轮机,尤其是三代以后的为什么现代燃气轮机,尤其是三代以后的燃气轮机,在热力参数上面要提倡压气机燃气轮机,在热力参数上面要提倡压气机高压比,高涡轮前燃气温度?压气机压比高压比,高涡轮前燃气温度?压气机压比和涡轮前燃气温度的关系?和涡轮前燃气温度的关系?提问:提问:2022/12/62第二页,本课件共有103页n通过燃气轮机的循环分析,就可以明白。通过燃气轮机的循环分析,就可以明白。解答:解答:本章学习完毕后,将前面的问题作为讨论课的论本章学习完毕后,将前面的问题作为讨论课的论点进行讨论。具体时间会在后面安
2、排。请同学们酝酿!点进行讨论。具体时间会在后面安排。请同学们酝酿!讨论课的题目:讨论课的题目:为什么提倡高压比和高涡轮前燃气温度?为什么提倡高压比和高涡轮前燃气温度?2022/12/63第三页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程一)、燃气轮机的循环过程一)、燃气轮机的循环过程二)、压气机内的压缩过程二)、压气机内的压缩过程三)、燃烧室中的加热过程三)、燃烧室中的加热过程四)、透平(涡轮)中的膨胀过程四)、透平(涡轮)中的膨胀过程五)、工质在大气中自然放热过程五)、工质在大气中自然放热过程六)、总结六)、总结2022/12/64第四页,本课件共有103页
3、附加知识点:附加知识点:燃气轮机四个截面的气体状态参数符号燃气轮机四个截面的气体状态参数符号燃气轮机结构示意图燃气轮机结构示意图1、)、)1截面(压气机进气截面)截面(压气机进气截面)气流在此处的理想状况的气流在此处的理想状况的状态参数符号:状态参数符号:温度:温度:比容:比容:压强:压强:气流在此处的实际状况的气流在此处的实际状况的状态参数符号:状态参数符号:温度:温度:比容:比容:压强:压强:气流在此处的状态参数平均值:气流在此处的状态参数平均值:温度:温度:比容:比容:压强:压强:2022/12/65第五页,本课件共有103页附加知识点:附加知识点:燃气轮机四个截面的气体状态参数符号燃气
4、轮机四个截面的气体状态参数符号燃气轮机结构示意图燃气轮机结构示意图2、)、)2截面(压气机出口截面,截面(压气机出口截面,燃烧室进口截面)燃烧室进口截面)气流在此处的理想状况的状态气流在此处的理想状况的状态参数符号:参数符号:温度:温度:比容:比容:压强:压强:气流在此处的实际状况的状态气流在此处的实际状况的状态参数符号:参数符号:温度:温度:比容:比容:压强:压强:气流在此处的状态参数平均值:气流在此处的状态参数平均值:温度:温度:比容:比容:压强:压强:2022/12/66第六页,本课件共有103页附加知识点:附加知识点:燃气轮机四个截面的气体状态参数符号燃气轮机四个截面的气体状态参数符号
5、燃气轮机结构示意图燃气轮机结构示意图3、)、)3截面(燃烧室出口截面,截面(燃烧室出口截面,透平进口截面)透平进口截面)气流在此处的理想状况的气流在此处的理想状况的状态参数符号:状态参数符号:温度:温度:比容:比容:压强:压强:气流在此处的实际状况的气流在此处的实际状况的状态参数符号:状态参数符号:温度:温度:比容:比容:压强:压强:气流在此处的状态参数平均值:气流在此处的状态参数平均值:温度:温度:比容:比容:压强:压强:2022/12/67第七页,本课件共有103页附加知识点:附加知识点:燃气轮机四个截面的气体状态参数符号燃气轮机四个截面的气体状态参数符号燃气轮机结构示意图燃气轮机结构示意
6、图1、)、)4截面(透平出口截面)截面(透平出口截面)气流在此处的理想状况的气流在此处的理想状况的状态参数符号:状态参数符号:温度:温度:比容:比容:压强:压强:气流在此处的实际状况的气流在此处的实际状况的状态参数符号:状态参数符号:温度:温度:比容:比容:压强:压强:气流在此处的状态参数平均值:气流在此处的状态参数平均值:温度:温度:比容:比容:压强:压强:2022/12/68第八页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程u一)、燃气轮机的循环过程一)、燃气轮机的循环过程2022/12/69第九页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃
7、气轮机循环的过程方程一)、燃气轮机的循环过程一)、燃气轮机的循环过程1、燃气轮机热力循环称为开式白朗托循环(蒸汽、燃气轮机热力循环称为开式白朗托循环(蒸汽轮机电厂循环称为闭式朗肯循环)轮机电厂循环称为闭式朗肯循环)燃气轮机开式白朗托循环图见下页燃气轮机开式白朗托循环图见下页2022/12/610第十页,本课件共有103页n1-2过程:空气在压气机内完过程:空气在压气机内完成空气压缩耗功过程成空气压缩耗功过程n2-3过程:空气在燃烧室内完过程:空气在燃烧室内完成燃烧升温过程成燃烧升温过程n3-4过程:空气在透平完成膨胀过程:空气在透平完成膨胀做功过程做功过程n4-1过程:空气排出燃机进入过程:空
8、气排出燃机进入大气,完成冷源放热过程大气,完成冷源放热过程完成一次开式循环完成一次开式循环燃气轮机热力循环图燃气轮机热力循环图第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程一)、燃气轮机的循环过程一)、燃气轮机的循环过程2022/12/611第十一页,本课件共有103页燃气轮机效率曲线燃气轮机效率曲线2)、)、对应一个燃气温度对应一个燃气温度t3的循环效的循环效率有一个最佳压比,即在这个温度率有一个最佳压比,即在这个温度下,在最佳压比值对应的燃机效率下,在最佳压比值对应的燃机效率最大。燃气温度越高,相应的最佳最大。燃气温度越高,相应的最佳压比就越高,这是燃机设计的最关压比就越高,这
9、是燃机设计的最关键点。键点。第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程一)、燃气轮机的循环过程一)、燃气轮机的循环过程2、燃气轮机的效率与燃气温度和、燃气轮机的效率与燃气温度和压气机压比的关系压气机压比的关系1)、如右图,燃气温度)、如右图,燃气温度t3越高,越高,循环效率越高。循环效率越高。2022/12/612第十二页,本课件共有103页燃气轮机效率曲线燃气轮机效率曲线3)、目前,最先进的燃气轮机燃)、目前,最先进的燃气轮机燃气温度达气温度达13001400,压气压气机压比达到机压比达到1520。因此,提高因此,提高燃气轮机效率,改进燃气轮机的燃气轮机效率,改进燃气轮机的性
10、能,主要要从燃气轮机的燃气性能,主要要从燃气轮机的燃气温度和压气机的压比作手。温度和压气机的压比作手。第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程一)、燃气轮机的循环过程一)、燃气轮机的循环过程2022/12/613第十三页,本课件共有103页燃气轮机效率、比功曲线图燃气轮机效率、比功曲线图3、燃气轮机的效率与比功关系、燃气轮机的效率与比功关系1)、燃气温度越高,燃气轮)、燃气温度越高,燃气轮机的比功就越大,每千克空气机的比功就越大,每千克空气产生的功就越多,一定功率的产生的功就越多,一定功率的机组体积就会越小。机组体积就会越小。2)、在温度一定下,提高增压)、在温度一定下,提高
11、增压比,比功先会增加,但是当超过比,比功先会增加,但是当超过一个最佳压比值以后,比功反而一个最佳压比值以后,比功反而会下降,在设计上要特别注意。会下降,在设计上要特别注意。第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程一)、燃气轮机的循环过程一)、燃气轮机的循环过程2022/12/614第十四页,本课件共有103页4、总之:、总之:为了计算燃气轮机中工质与外界交换的热量和功量,必须为了计算燃气轮机中工质与外界交换的热量和功量,必须分析燃气轮机的四个过程中工质的热力状态参数压力分析燃气轮机的四个过程中工质的热力状态参数压力p、比容、比容v、温度、温度t的变化规律和描述过程的数学方程。
12、的变化规律和描述过程的数学方程。第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程一)、燃气轮机的循环过程一)、燃气轮机的循环过程2022/12/615第十五页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程u二)、压气机内的压缩过程二)、压气机内的压缩过程2022/12/616第十六页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、压气机内的压缩过程二)、压气机内的压缩过程1、压气机理想绝热压缩空气过程的假设、压气机理想绝热压缩空气过程的假设 压气机在压缩空气过程中,必须从外界吸收一定量压气机在压缩空气过程中,必须从外
13、界吸收一定量的压缩功,才能使空气的压力的压缩功,才能使空气的压力p和温度和温度t升高,比容升高,比容v缩小。缩小。假设工质只与外界发生功的交换,而无热量交换。这假设工质只与外界发生功的交换,而无热量交换。这个与外界没有热量交换的热力过程,是在没有摩擦和扰动个与外界没有热量交换的热力过程,是在没有摩擦和扰动等不可逆现象的理想情况下进行的,成为理想绝热过程。等不可逆现象的理想情况下进行的,成为理想绝热过程。2022/12/617第十七页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程2、压气机理想绝热压缩空气过程计算、压
14、气机理想绝热压缩空气过程计算 由热力学分析,在理想绝热过程中,工质的压力和由热力学分析,在理想绝热过程中,工质的压力和比容的变化规律为:比容的变化规律为:(2-1)式中:式中:k为绝热指数,当忽略工质比热随温度而变为绝热指数,当忽略工质比热随温度而变化的关系时,它就是所谓的比热比。化的关系时,它就是所谓的比热比。通常在作近似计算时,空气的绝热指数通常在作近似计算时,空气的绝热指数k可以取可以取1.4,燃气的燃气的k取取1.33。2022/12/618第十八页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程2、压气机理
15、想绝热压缩空气过程计算、压气机理想绝热压缩空气过程计算 由由 可知,当工质按理想绝热过程压缩可知,当工质按理想绝热过程压缩(或膨胀)时,在整个过程的任何一个工况点上,工质(或膨胀)时,在整个过程的任何一个工况点上,工质的压力的压力p与其比热容比与其比热容比v的的k次方的乘积是彼此相等的。即次方的乘积是彼此相等的。即 (2-2)2022/12/619第十九页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程2、压气机理想绝热压缩空气过程计算、压气机理想绝热压缩空气过程计算 当已知过程的起始状态当已知过程的起始状态 、和终
16、态压力和终态压力 后,后,就可以根据就可以根据 和理想气体和理想气体状态方程式状态方程式 ,计算出工质在理想绝热过程终态,计算出工质在理想绝热过程终态的其它参数的其它参数 和和 。2022/12/620第二十页,本课件共有103页2、压气机理想绝热压缩空气过程计算、压气机理想绝热压缩空气过程计算 第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程 联解,得出,在理想绝热过程中联解,得出,在理想绝热过程中 与与 ,与与 之间的变之间的变化规律为:化规律为:整个推理过程为:整个推理过程为:两式联立两式联立p和和T关系关系T和和v关系关系(2-
17、3)2022/12/621第二十一页,本课件共有103页 例例1、今有一台压气机,把空气由起始状态、今有一台压气机,把空气由起始状态 ,压缩到压缩到 。假设这是一个理想压缩过程,。假设这是一个理想压缩过程,试问压缩终了时,空气的比容试问压缩终了时,空气的比容 和温度和温度 各为多少?各为多少?第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程3、理想绝热过程计算举例、理想绝热过程计算举例已知空气的绝热指数:已知空气的绝热指数:2022/12/622第二十二页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)
18、、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程3、理想绝热过程计算举例、理想绝热过程计算举例 解:解:根据根据(2-3)可知可知 即得:即得:已知空气的绝热指数:已知空气的绝热指数:因而因而()根据根据2022/12/623第二十三页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程4、实际压缩过程计算、实际压缩过程计算 理想的绝热压缩过程是不存在的。由于存在摩理想的绝热压缩过程是不存在的。由于存在摩擦和换热的因素,实际过程是一个多变的压缩过程,擦和换热的因素,实际过程是一个多变的压缩过程,其计算应根据多变过程的规律计算
19、,其中其计算应根据多变过程的规律计算,其中n为多变指为多变指数。数。两式联立两式联立整个推理过程为:整个推理过程为:2022/12/624第二十四页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程4、实际压缩过程计算、实际压缩过程计算p和和T关系关系T和和v关系关系 联解,得出,在理想绝热过程中联解,得出,在理想绝热过程中 与与 ,与与 之间的变化规律之间的变化规律为:为:即:将绝热指数即:将绝热指数k改为多变指数改为多变指数n。nk,n的大小与实际的大小与实际压缩过程中存在的不可逆因素有关,一般为压缩过程中存在的不
20、可逆因素有关,一般为 。在。在确定了确定了n值后,就用式(值后,就用式(2-4),即可算出实际过程中终态空),即可算出实际过程中终态空气的状态参数。气的状态参数。(2-4)2022/12/625第二十五页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程 二)、压气机内的压缩过程二)、压气机内的压缩过程4、实际压缩过程计算举例、实际压缩过程计算举例 实际压缩过程的计算跟理想绝热压缩过程的计算是一样实际压缩过程的计算跟理想绝热压缩过程的计算是一样的,不同的只是一个用多变指数的,不同的只是一个用多变指数n,一个用绝热指数,一个用绝热指数k。具。具体的举例略。体的举例略。
21、2022/12/626第二十六页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程4、实际压缩过程的工程计算、实际压缩过程的工程计算 根据热力学的多变过程来计算,不能够直观反映在根据热力学的多变过程来计算,不能够直观反映在 实际压缩过程中不可逆程度大小。因此,工程上,人们实际压缩过程中不可逆程度大小。因此,工程上,人们很少利用这个方法。而是引入一个能够比较直观地反映很少利用这个方法。而是引入一个能够比较直观地反映实际压缩过程中不可逆程度大小的绝热压缩效率实际压缩过程中不可逆程度大小的绝热压缩效率 ,来,来计算工质的终态
22、温度计算工质的终态温度 。2022/12/627第二十七页,本课件共有103页1)、绝热压缩效率)、绝热压缩效率第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)二)、压气机内的压缩过程、压气机内的压缩过程4、实际压缩过程的工程计算、实际压缩过程的工程计算 绝热压缩效率绝热压缩效率 ,是指工质在理想的绝热压缩过程中,是指工质在理想的绝热压缩过程中所需吸收的压缩功所需吸收的压缩功 ,与实际压缩过程中达到同一,与实际压缩过程中达到同一个终态压力个终态压力 时所需加给工质的实际压缩功时所需加给工质的实际压缩功 的比值。即:的比值。即:式中,2022/12/628第二十八页,本课件共有10
23、3页 当忽略工质定压比热当忽略工质定压比热 随温度改变而忽略微变化的特性时,随温度改变而忽略微变化的特性时,1)、绝热压缩效率)、绝热压缩效率第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程4、实际压缩过程的工程计算、实际压缩过程的工程计算 在现代压气机中,在现代压气机中,由此可见,只要已知压气机的由此可见,只要已知压气机的 ,就很容易求得压,就很容易求得压气机出口处工质的实际温度气机出口处工质的实际温度 ,进而求出比容,进而求出比容 。(2-5)2022/12/629第二十九页,本课件共有103页已知已知由式(由式(2-5)可知:)可
24、知:例例2、假设已知例、假设已知例1中压气机的中压气机的 ,试求在,试求在 的情况下,压气机出口处空气的实际状态参数。的情况下,压气机出口处空气的实际状态参数。2)、实际压缩过程的工程计算举例)、实际压缩过程的工程计算举例第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二)、二)、压气机内的压缩过程压气机内的压缩过程4、实际压缩过程的工程计算、实际压缩过程的工程计算解:在例解:在例1中已计算得,当工质按理想绝热压缩过程工作时,压中已计算得,当工质按理想绝热压缩过程工作时,压气机出口处空气的温度和比体积为气机出口处空气的温度和比体积为()2022/12/630第三十页,本课件共有103
25、页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程u三)、燃烧室中的加热过程三)、燃烧室中的加热过程2022/12/631第三十一页,本课件共有103页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程三)、三)、燃烧室中的加热过程燃烧室中的加热过程1、燃烧室燃烧过程的理论简化、燃烧室燃烧过程的理论简化 燃烧室的燃烧过程,是空气与燃料混合燃烧,把燃料的燃烧室的燃烧过程,是空气与燃料混合燃烧,把燃料的化学能释放出来,转化为热量的过程。这就相当于工质从化学能释放出来,转化为热量的过程。这就相当于工质从外界吸收一定量的热,从而温度升高,比容增大。此时,外界吸收一定量的热,从而温度升
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