燃?xì)廨啓C(jī)裝置的工作原理最新

1、 燃?xì)廨啓C(jī)裝置的工作原理 燃?xì)廨啓C(jī)裝置是一種比較新型的動(dòng)力裝置。最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置包括三個(gè)主要部件：壓氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和燃燒室，下圖是其流程示意圖。空氣和燃料分別經(jīng)壓氣機(jī)與泵增壓后送入燃燒室，在其中燃料與空氣混合并燃燒，釋放出熱能。燃燒所產(chǎn)生的燃?xì)馕鼰岷鬁囟壬?，然后流入燃?xì)廨啓C(jī)邊膨脹邊作功，作功后的氣體排向大氣并向大氣放熱。重復(fù)上述升壓、吸熱、膨脹與放熱過(guò)程，連續(xù)不斷地將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。第一章 概述1. 1 燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)介 燃?xì)廨啓C(jī)(Gas Turbine)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械，包括壓氣機(jī)、加熱工質(zhì)的設(shè)備(如燃燒室)、透平、控制

2、系統(tǒng)和輔助設(shè)備等。 走馬燈(見(jiàn)圖11)是燃?xì)廨啓C(jī)的雛形，我國(guó)在11世紀(jì)就有走馬燈的記載，它靠蠟燭在空氣中燃燒后產(chǎn)生的亡升熱氣推動(dòng)頂部風(fēng)車及其轉(zhuǎn)軸上的紙人馬一起旋轉(zhuǎn)。15世紀(jì)末，意大利人列奧納多·達(dá)芬奇設(shè)計(jì)的煙氣轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，其原理與走馬燈相同。 現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主要山壓氣機(jī)、燃燒室和透平三大部件組成。當(dāng)它正常丁作時(shí)，工質(zhì)順序經(jīng)過(guò)吸氣壓縮、燃燒加熱、膨脹做功以及排氣放熱等四個(gè)工作過(guò)程而完成一個(gè)由熱變功轉(zhuǎn)化的熱力循環(huán)。圖12所示為開(kāi)式簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)工作原理圖。壓氣機(jī)從外界大氣環(huán)境吸人空氣，并逐級(jí)壓縮(空氣的溫度與壓力也將逐級(jí)升高)；壓縮空氣被送到燃燒室與噴人的燃料混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓的燃

3、氣；然后再進(jìn)入透平膨脹做功；最后 圖l1 走馬燈是工質(zhì)放熱過(guò)程，透平排氣可直接排到大氣，自然放熱給外界環(huán)境，也可通過(guò)各種換熱沒(méi)備放熱以回收利用部分余熱。在連續(xù)重復(fù)完成上述的循環(huán)過(guò)程的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)也就把燃料的化學(xué)能連續(xù)地部分轉(zhuǎn)化為有用功。一般，透平的膨脹功約23用于帶動(dòng)壓氣第1頁(yè)機(jī)，13左右才是驅(qū)動(dòng)外界負(fù)荷的有用功。 燃?xì)廨啓C(jī)有重型與輕型兩類結(jié)構(gòu)型式，重型的零部件較厚重，設(shè)計(jì)壽命與大修壽命都長(zhǎng)；輕型的結(jié)構(gòu)緊湊而輕，所用的材料較好，但壽命較短。圖13所示為南京汽輪電機(jī)廠研制的1000kW發(fā)電用的燃?xì)廨啓C(jī)剖視圖，機(jī)組為水平中分的重型結(jié)構(gòu)。 燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置是指包括燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及為產(chǎn)生有川的動(dòng)力(例

4、如電能、機(jī)械能或熱能)所必需的基本設(shè)備。為了保證整個(gè)裝置的正常運(yùn)行，除了主機(jī)的三大部件外，還應(yīng)根據(jù)不同情況配置控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)等。 燃?xì)廨啓C(jī)區(qū)別于活塞式內(nèi)燃機(jī)有兩大特征：一是發(fā)動(dòng)機(jī)部件的運(yùn)動(dòng)方式，它為高速旋轉(zhuǎn)且丁質(zhì)氣流朝一個(gè)方向流動(dòng)(不必來(lái)回吞吐)，這使它擺脫了往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械功率受活塞體積與運(yùn)動(dòng)速度限制的制約，因此在同樣大小的機(jī)器內(nèi)每單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的工質(zhì)量要大得多，產(chǎn)生的功率也大得多，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、潤(rùn)滑油耗少；二是主要部件的功能，其工質(zhì)經(jīng)歷的各熱力過(guò)程是在不同的部件中進(jìn)行的，故可方便地把它們加以不同組合來(lái)處理，以滿足各種用途的要求。 燃?xì)廨啓C(jī)區(qū)別于汽輪機(jī)有三

5、大特征：一是工質(zhì)，它采用空氣而不是水，故可不用或少用水；二是多為內(nèi)燃方式，使它免除龐第2章 燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán) 2.1 概述 211 熱力循環(huán)的概念 熱力循環(huán)是指熱力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列的狀態(tài)變化，重新回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的全部過(guò)程。熱力循環(huán)分為正向循環(huán)及逆向循環(huán)。將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的循環(huán)稱為正向循環(huán)；將機(jī)械功轉(zhuǎn)換為熱能的循環(huán)，稱為逆向循環(huán)。 通過(guò)工質(zhì)的熱力狀態(tài)變化過(guò)程，可以將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能而做功，而要做出功般必須通過(guò)工質(zhì)的膨脹過(guò)程，但是任何一個(gè)熱力膨脹過(guò)程都不可能一直進(jìn)行下去，并連續(xù)不斷地做功。這是因?yàn)楣べ|(zhì)的狀態(tài)將會(huì)變化到不適宜繼續(xù)膨脹做功的情況，而且任何熱力設(shè)備，其尺寸也都是有限的。例如，通過(guò)定溫膨脹

6、或絕熱膨脹過(guò)程做功時(shí)，工質(zhì)的壓力將降低到不能做功的水平，而工質(zhì)的容積V又將增大到設(shè)備尺寸不能允許的程度，典型的例子是封存于氣缸內(nèi)的一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)其膨脹做功時(shí)，壓力將不斷下降，容積不斷增加，而這個(gè)膨脹過(guò)程可能由于壓力降得太低以至于無(wú)法繼續(xù)做功，或者由于受到氣缸尺寸的限制使得容積不能無(wú)限制地增大。因此，為使連續(xù)做功成為可能，工質(zhì)在膨脹后還必須經(jīng)歷某種壓縮過(guò)程，使它回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，以便重新進(jìn)行膨脹做功的過(guò)程。這種使工質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列的狀態(tài)變化，重新回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的所有熱力過(guò)程的組合就叫做一個(gè)循環(huán)。在狀態(tài)參數(shù)的平面坐標(biāo)圖(如壓容圖或溫熵圖)上，循環(huán)的全部過(guò)程必定構(gòu)成一條封閉曲線，其起點(diǎn)和終點(diǎn)重合(見(jiàn)圖

7、21)。整個(gè)循環(huán)可以看作一個(gè)閉合過(guò)程，所以也稱循環(huán)過(guò)程，簡(jiǎn)稱循環(huán)。工質(zhì)在完成一個(gè)循環(huán)之后，就可以重復(fù)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，如此周而復(fù)始，就能連續(xù)不斷地把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 循環(huán)可以沿著兩個(gè)方向進(jìn)行，即上述的正向循環(huán)和逆向循環(huán)，本章側(cè)重討論正向循環(huán)，也稱熱力循環(huán)。汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等熱機(jī)都是按正向循環(huán)工作的。循環(huán)的全部過(guò)程可以在一個(gè)氣缸內(nèi)進(jìn)行，如柴油機(jī)循環(huán)(又稱狄塞爾循環(huán))；也可以分別在幾個(gè)部件內(nèi)進(jìn)行，如燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)(布雷頓循環(huán))。各種熱動(dòng)力設(shè)備采用的循環(huán)各不相同，各具特點(diǎn)，但他們的基本特征是相同的?，F(xiàn)以閉口系統(tǒng)中1kg工質(zhì)的正向循環(huán)為例，說(shuō)明正向循環(huán)的性質(zhì)。圖21在p。圖上示出廠該循環(huán)，這個(gè)循環(huán)是一個(gè)

8、抽象的、任意確定的正向循環(huán)。 正向循環(huán)在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上是按順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行的。壓容圖上的循環(huán)過(guò)程，以循環(huán)的左、右兩個(gè)端點(diǎn)(即比體積。最小的點(diǎn)1和最大的點(diǎn)2)為分界，把該循環(huán)分成上、下兩段。在上邊一段，從1a2的過(guò)程為膨脹過(guò)程，該過(guò)程的膨脹功以面積1a2341表示。為了能使工質(zhì)繼續(xù)做功，必須將上質(zhì)沿另一過(guò)程從2壓縮回到1。顯然，為了使工質(zhì)在一個(gè)循環(huán)中能夠?qū)ν饨缬袃艄敵?，該壓縮過(guò)程必須沿著一條較低的過(guò)程線，如圖21中2b1曲線所示，將工質(zhì)從2壓縮到1點(diǎn)，該過(guò)程消耗外功，消耗功的絕對(duì)值以面積2b1432表示，其代數(shù)值為負(fù)值。這樣，從1a2b1就完成了一個(gè)循環(huán)。唯位工質(zhì)完成一個(gè)循環(huán)對(duì)外做出的凈功以w

9、表示。顯然，在圖形上，表示該凈功的面積為面積1a2341減去面積2b1432，這正好就是封閉的循環(huán)過(guò)程曲線1a2b1所包圍的面積。為了使工質(zhì)在完成一個(gè)循環(huán)之后能夠?qū)ν庾鞒稣牡?章 燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)及主要部件 3.1 主機(jī)概述 燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī))是把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的組件，通常包括壓氣機(jī)、燃燒室和透平等三大部件(如圖13所示)。透平是利用工質(zhì)的膨脹產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力的功能部件；壓氣機(jī)是利用機(jī)械動(dòng)力使工質(zhì)的壓力增加并伴有溫度升高的功能部件；燃燒室是使燃料(熱源)與工質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，以提高工質(zhì)溫度的功能部什。在燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)中把這三大部件有機(jī)整合，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的熱功轉(zhuǎn)換功能。 本章介紹燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)三大部件的概況

10、，重點(diǎn)是論述壓氣機(jī)、燃燒室和透平的基本工作原理。另外，還簡(jiǎn)要介紹燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。 3.2 燃?xì)馔钙?321 軸流透平與徑流透平 燃?xì)馔钙接址Q為燃?xì)廨?，它在整臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)中的作用是把蘊(yùn)儲(chǔ)在來(lái)自燃燒室的高溫高壓燃?xì)庵械哪芰哭D(zhuǎn)化成為機(jī)械功。按照工質(zhì)在透平內(nèi)部的流動(dòng)方向，可以把透平區(qū)分為軸流式與徑流式兩大類型(如圖31和圖32所示)。 一般來(lái)說(shuō)，徑流式(又稱向心式)透平適宜在小功率燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用。通常所見(jiàn)的大多數(shù)燃?xì)馔钙絼t是做成軸流式的，因?yàn)檫@種透平容許流過(guò)比較大的工質(zhì)流量，而效率也較高，結(jié)構(gòu)上又第52頁(yè)第4章 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)裝置 4.1 概述 411 聯(lián)合循環(huán)的概念 熱機(jī)是通過(guò)熱力學(xué)循環(huán)將熱

11、能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的機(jī)械裝置。熱力學(xué)第二定律表明，熱機(jī)將一定量的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?機(jī)械能)的數(shù)量，將隨著工質(zhì)的加熱溫度的升高和放熱溫度的降低而增加。通常，加入熱機(jī)的熱能是加入燃燒室的燃料通過(guò)燃燒反應(yīng)而釋放出來(lái)的，工質(zhì)的加熱溫度可高達(dá)20凹以上；而工質(zhì)的放熱可以接近環(huán)境的大氣溫度或水溫。也就是說(shuō)，燃用化石燃料熱機(jī)的熱力循環(huán)可利用的工作區(qū)域，在理論上是相當(dāng)大的。 但是，目前熱機(jī)多采用簡(jiǎn)單循環(huán)，且多采用一種工質(zhì)，由于所采用的工質(zhì)性質(zhì)和金屬材料耐溫性等限制，無(wú)法充分利用上述工作溫度區(qū)域，只能局限于狹窄的溫度區(qū)間內(nèi)工作，熱轉(zhuǎn)功的效率比較低。若將具有不同工作溫度區(qū)間的熱機(jī)循環(huán)聯(lián)合起來(lái)，互為補(bǔ)充，即把高溫循環(huán)熱

12、機(jī)的排熱作為低溫循環(huán)的加熱，就可以大大降低總的排放熱損失，而提高整體循環(huán)效率，這種聯(lián)合裝置就叫做聯(lián)合循環(huán)。通常狹義理解的聯(lián)合循環(huán)是指最常用的也就是燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)串聯(lián)在一起的聯(lián)合循環(huán)，但廣義的聯(lián)合循環(huán)應(yīng)該包括所有可能的有效形式，例如以活塞式內(nèi)燃機(jī)作為頂部與以燃?xì)廨啓C(jī)作為底部的聯(lián)合循環(huán)，其退化形式為底部循環(huán)不輸出功，而只給循環(huán)頂部提供壓力的渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)，其應(yīng)用也很普遍?，F(xiàn)在大型動(dòng)力裝置(含大型發(fā)電機(jī)組)應(yīng)用的熱力循環(huán)主要有兩類：一是朗肯循環(huán)(汽輪機(jī))，它的排汽溫度可以低到接近大氣溫度，但是由于設(shè)備受到材料限制，蒸汽初溫不能很高(550左右)，且水的相變潛熱大，熱效率的提高受限制；二是布雷頓循環(huán)

13、(燃?xì)廨啓C(jī))，它的燃?xì)獬鯗啬壳耙堰_(dá)1430，但是燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度很高(一般在450600)，而且燃?xì)夤べ|(zhì)的流量又很大，致使大量熱能隨排氣進(jìn)人大氣而損失掉，熱效率也不高(35-40)。考慮到它們各自的工作溫度區(qū)間，若將它們申聯(lián)在一起，用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣來(lái)產(chǎn)生蒸汽，再去驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功，將會(huì)大幅度地提高熱效率。 一個(gè)新概念提出或新技術(shù)突破，常會(huì)萌發(fā)出新的熱力循環(huán)或聯(lián)合循環(huán)的構(gòu)思，如總能系統(tǒng)概念的提出，使得熱力循環(huán)研究思路發(fā)生重大變化，人們不再囿于單一循環(huán)優(yōu)劣，更重視探討把不同循環(huán)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的各種高性能聯(lián)合循環(huán)，從而把能量轉(zhuǎn)換利用過(guò)程提高到系統(tǒng)高度和能量品位梯級(jí)利用的理念來(lái)認(rèn)識(shí)，即在系統(tǒng)的高度上，綜

14、合考慮能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中功和熱梯級(jí)利用，不同品位和形式能的合理安排以及各系統(tǒng)構(gòu)成的優(yōu)化匹配等，總體合理利川各級(jí)能，以獲得最好的總效果。燃?xì)廨啓C(jī)為核心的總能系統(tǒng)，既能充分發(fā)揮其高溫加熱優(yōu)勢(shì)，又避免較高溫排熱、損失大的缺陷，顯示出極好的總體性能，因而得到電力、石化、冶金等部門的青睞，以聯(lián)合循環(huán)、功熱并供、三聯(lián)供、多聯(lián)產(chǎn)以及總能工廠等多種形式，廣泛推廣應(yīng)川。 本章側(cè)重討論以燃?xì)廨啓C(jī)為核心的聯(lián)合循環(huán)裝置。對(duì)于簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)，隨著燃?xì)獬鯗睾脱h(huán)壓比的提高，甲機(jī)熱效率也在不斷提高。在一定的技術(shù)條件下，單機(jī)熱效率提高的幅度是不會(huì)很大的，其根本原因是排氣帶走的能量占很大比例。但是如果能把燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)與其他循環(huán)

15、結(jié)合起來(lái)，綜合考慮聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的能流安排，合理利用燃?xì)廨啓C(jī)的余能，就能建立更高性能的聯(lián)合循環(huán)裝置。聯(lián)合循環(huán)中不同循環(huán)的整合原則是：按照能量品位的高低進(jìn)行梯級(jí)利用，即按“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”原理，總體安排好功、熱(冷)與工質(zhì)內(nèi)能等各種能量之間的配合關(guān)系與轉(zhuǎn)換使用；在系統(tǒng)的高度上，總體綜合利用好各級(jí)能量，以獲得第5章 燃?xì)廨啓C(jī)全工況特性 5 .1 燃?xì)廨啓C(jī)全工況特性概述 燃?xì)廨啓C(jī)工作的總特性不僅與組成的部件的特性有關(guān)，而且與其驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷特性規(guī)律關(guān)聯(lián)。許多教科書和文章都從不同角度討論和研究了燃?xì)廨啓C(jī)的變工況特性。本章從裝置總體層面討論透平、壓氣機(jī)、燃燒室與外界負(fù)荷等聯(lián)合工作時(shí)相互匹配關(guān)系及其總體性能

16、特性，即全工況特性，并討論裝置性能隨大氣條件改變而變化的規(guī)律。 511全工況特性概念 在燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，由于種種原因經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)工況，處于非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，即所謂的變工況，而裝置的所有可能運(yùn)行工作狀況(穩(wěn)定工況和過(guò)渡態(tài)工況)的總和稱為全工況。傳統(tǒng)的做法是把全工況分為設(shè)計(jì)工況和變工況，但兩者的前提和目標(biāo)有很大差異。設(shè)計(jì)工況及其設(shè)計(jì)優(yōu)化是在給定的設(shè)計(jì)參數(shù)與要求下，進(jìn)行設(shè)計(jì)分析以得到基準(zhǔn)工況，而整個(gè)裝置和各單元部件都按設(shè)計(jì)工況的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)制造和調(diào)試運(yùn)行，并在設(shè)計(jì)工況下協(xié)調(diào)各組成部件的工作，考核各單元部件和整體裝置的性能。裝置偏離設(shè)計(jì)工況的其他穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況和過(guò)渡上況統(tǒng)稱為變工況，其特性分析是在

17、裝置硬件條什確定的情況下進(jìn)行，其主要目標(biāo)是優(yōu)化運(yùn)行，即研究負(fù)荷與運(yùn)行條件變化時(shí)的系統(tǒng)特性以及最佳控制方案。 實(shí)際上，隨著環(huán)境大氣條件、外界負(fù)荷或系統(tǒng)本身等變動(dòng)，燃?xì)廨啓C(jī)總是處于非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)工況變化的主要因素有： 1裝置負(fù)荷的變化 燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的變化，是導(dǎo)致裝置運(yùn)行丁況變動(dòng)的一個(gè)重要原因。例如，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載對(duì)功率需求變化時(shí)，電網(wǎng)中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的輸出功率將隨之而變化，并由此引起相應(yīng)的燃?xì)獬鯗?、壓比、空氣流量、燃料流量和機(jī)組效率等性能參數(shù)都發(fā)生變化，因而使燃?xì)廨啓C(jī)偏離了設(shè)計(jì)工況。又如，當(dāng)天然氣輔氣管網(wǎng)輸氣量變化后，驅(qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率就會(huì)隨著改變，相應(yīng)的參數(shù)也都改變，機(jī)組的工況也就改變了。 2大氣環(huán)境條件的變化 在燃?xì)廨啓C(jī)沒(méi)計(jì)時(shí)，般都按標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件(總壓1013kPa，總溫15，相對(duì)濕度60)來(lái)計(jì)算，但實(shí)際上大氣溫度和壓力經(jīng)常偏離上述標(biāo)準(zhǔn)條件，使壓氣機(jī)進(jìn)口空氣的質(zhì)量流量等參數(shù)發(fā)生變化，這是導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)在變工況下運(yùn)行的另一重要因素。例如，山于建設(shè)的需要，某燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組被遷移到大氣溫度較高的南方沿海城市或是海拔很高的青藏高原地區(qū)去運(yùn)行，在那里即使保持透平進(jìn)口溫度為額定設(shè)計(jì)值，而裝置輸出的功率將不同于額定設(shè)計(jì)值，其他的性能參數(shù)(壓氣機(jī)空氣流量、壓比以及機(jī)組熱耗率等)也都會(huì)發(fā)