燃?xì)廨啓C(jī)的概念與技術(shù)原理

目

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Contents燃?xì)廨啓C(jī)概述與應(yīng)用燃?xì)廨啓C(jī)基本技術(shù)原理12燃?xì)廨啓C(jī)：

一種旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械

將燃料部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能

以氣體為工質(zhì)，含壓縮、燃燒、膨脹三個(gè)過程

核心組成：壓氣機(jī)、燃燒室、透平燃?xì)廨啓C(jī)的雛形可以追溯到11世紀(jì)我國(guó)發(fā)明的走馬燈：蠟燭燃燒后加熱周圍的空氣，受熱的空氣上升，從而帶動(dòng)位于頂部的風(fēng)車以及與風(fēng)車同軸的紙人馬一齊旋轉(zhuǎn)。航空動(dòng)力（航空發(fā)動(dòng)機(jī)）：飛機(jī)的心臟。艦船動(dòng)力：大型艦艇的理想動(dòng)力源。機(jī)車動(dòng)力：汽車、坦克、機(jī)車管線動(dòng)力：天然氣輸送管線中的泵站、化工、油田、海上鉆井平臺(tái)發(fā)電領(lǐng)域：簡(jiǎn)單循環(huán)發(fā)電裝置聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置發(fā)電領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)IGCC整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃料電池目

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Contents燃?xì)廨啓C(jī)概述與應(yīng)用燃?xì)廨啓C(jī)基本技術(shù)原理12

燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)比較燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)工作介質(zhì)鍋爐空氣、天然氣煤、水無有有冷凝器無給水處理設(shè)備排放無有NOx、水、CO2硫化物等有害氣體要求有暖管時(shí)間長(zhǎng)（現(xiàn)場(chǎng)安裝）啟動(dòng)速度建設(shè)周期投資成本快短（整體輸運(yùn)）低要建煤站等配套設(shè)施建設(shè)周期長(zhǎng)其它維修方便、運(yùn)行可靠、自動(dòng)化程度高燃燒室：完成燃燒過程，化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能壓氣機(jī)：完成壓縮過程，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能透平：完成膨脹過程，壓力能和熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(部分用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī))理想簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)12

燃機(jī)工作原理P

*222t1、壓縮過程（壓氣機(jī)）hP

*11

2t等熵絕熱壓縮過程1

2不可逆絕熱壓縮過程1Spp*2*

*c壓比：1壓縮功：w

h*2

h1*

c

T（*2

T1*）（實(shí)際）cpcwct

h*2t

h1*

c

T（*2t

T*）（理想）pct1

燃機(jī)工作原理2、燃燒過程（燃燒室）燃料的碳和氫與空氣中的氧相互化合成二氧化碳和水蒸汽，同時(shí)釋放出反應(yīng)熱（稱燃料低發(fā)熱值），使燃料產(chǎn)物的焓值上升。燃燒過程中加入到工質(zhì)的熱量為：Q

c

（T

*

T

*）pg32b

燃機(jī)工作原理33、膨脹過程(透平)h3

4t等熵絕熱膨脹過程3

4不可逆絕熱膨脹過程4*3*4tpp膨脹比：

*T

S4w

h

h

c

T

T膨脹功：

*3

*4t

（*3

*4t），（理想）TtpTtw

h

h

c

T

T

（），（實(shí)際）

*3

*4*3

*4TpT*3

*4*4tw

T

T等熵效率：

TTwT

T*Tt3

壓氣機(jī)壓氣機(jī)是組成燃?xì)廨啓C(jī)裝置的三大部件之一，它的作用是實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱力循環(huán)中的空氣壓縮過程。在燃?xì)廨啓C(jī)裝置中，已經(jīng)得到成功應(yīng)用的有軸流式和離心式壓氣機(jī)兩種。地面重型發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)一般采用軸流式壓氣機(jī)。軸流式壓氣機(jī)會(huì)有許多的葉片，形狀類似螺旋槳葉片，分為“靜子”（stator）與“轉(zhuǎn)子”（rotor）兩種。轉(zhuǎn)子就像螺旋槳一樣地旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中將氣流向后推，這時(shí)氣流的壓力就會(huì)提高，溫度也會(huì)升高。靜子的功用是將因?yàn)檗D(zhuǎn)子的作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的氣流導(dǎo)引回軸向，以正確的角度進(jìn)入下一組轉(zhuǎn)子。通常：轉(zhuǎn)子和靜子交互配置，一組轉(zhuǎn)子和一組靜子就稱為一級(jí)。

基元級(jí)速度三角形用某一直徑的圓柱面去截取壓氣機(jī)的一個(gè)級(jí)，并展為平面，即可得到一個(gè)由兩排平面葉柵組成的基元級(jí)；基元級(jí)是構(gòu)成壓氣機(jī)級(jí)的基本元素。壓氣級(jí)可以認(rèn)為是由數(shù)量相當(dāng)?shù)幕?jí)疊加而成。選取基元級(jí)的目的是將實(shí)際壓氣機(jī)內(nèi)復(fù)雜的三元流動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

基元級(jí)速度三角形w1c111uc2w2

22

速度三角形由絕對(duì)速度C、相對(duì)速度W、圓周速度U

向量合成。W

=C

-U

W

=C

-U111222當(dāng)

U

=U

為

圓柱面，U

不等于U

為非圓柱面。1212C

=Cw1w2

1

21z2zc2

2c11u1u2

速度三角形

速度三角形w1puuRuw2pu為氣流對(duì)葉片的作用力P在圓周速度方向上的分力；由于此力和葉片的運(yùn)動(dòng)方向相反，葉片必須為克服此力而作功。所以壓氣機(jī)中是外界向氣體輸入功。

壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工作壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定工作。特別是在低速工況下運(yùn)行時(shí)，隨著流量的減少，壓氣機(jī)會(huì)出現(xiàn)失速，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)喘振。壓氣機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，由于某種原因而出現(xiàn)流量增大或減小，產(chǎn)生負(fù)沖角和正沖角，氣流就會(huì)在葉背或葉腹處分離。當(dāng)流量減小時(shí)：i

產(chǎn)生正沖角，葉背分離。1c1當(dāng)流量增大時(shí)：i

產(chǎn)生負(fù)沖角，葉腹分離1c1

壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工作w1w1-iw1+iui

1c

1w1w1w1cc1aw21aw2c1aw2設(shè)計(jì)值小于設(shè)計(jì)值大于設(shè)計(jì)值流量增大流量減小前幾級(jí)中間級(jí)后幾級(jí)前喘后堵前堵后喘

壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工作

壓氣機(jī)不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，是由于偏離設(shè)計(jì)工況后，設(shè)計(jì)點(diǎn)氣流參數(shù)和幾何參數(shù)的良好配合遭到破壞，形成過大的正、負(fù)沖角，使壓氣機(jī)發(fā)生喘振或堵塞。

壓氣機(jī)喘振的影響：燃機(jī)部件強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)和熱端超溫，極短時(shí)間內(nèi)造成嚴(yán)重?fù)p壞。如何防喘

壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工作三種防喘措施：中間級(jí)放氣、可變導(dǎo)葉、分軸壓氣機(jī)。壓氣機(jī)防喘盡管方法不同，但指導(dǎo)思想都是通過減小非設(shè)計(jì)工況時(shí)的沖角變化，來保持壓氣機(jī)工作的穩(wěn)定性。1、中間級(jí)放氣在壓氣機(jī)中間某一位置把空氣直接放掉，使壓氣機(jī)前幾級(jí)流量增加，后幾級(jí)流量減少。從而減小了正負(fù)沖角，使不穩(wěn)定工作得到改善。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果好。缺點(diǎn)：10－25%的壓縮空氣放掉，不經(jīng)濟(jì)。w1u1w1u1uu最后級(jí)第一級(jí)2、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉將葉片制作成可以按照葉片本身的一個(gè)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使葉片的安裝角得以改變。也就是說改變導(dǎo)葉安裝角的位置，以適應(yīng)來流方向的氣流角，以至達(dá)到減小沖角的目的。優(yōu)點(diǎn)：降低了壓氣機(jī)的耗功，便于啟動(dòng)。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)、操縱復(fù)雜，重量增加。w1

透平透平的工作過程是壓氣機(jī)工作過程的逆向過程，如；氣流進(jìn)入壓氣機(jī)遵行的是壓縮過程，進(jìn)入透平遵行是膨脹過程；透平對(duì)外作功，壓氣機(jī)接受外功（耗功）等。項(xiàng)目軸流壓氣機(jī)(Compressor)軸流渦輪(Turbine)工作

外界輸入輪周功Wu，通過葉輪的連續(xù)

高溫、高壓的燃?xì)庠跍u輪級(jí)葉柵中連續(xù)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)空氣的壓縮過程?？諝獾膲?/p>

膨脹作功，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)輸出輪周功Wu

。原理力、溫度和焓增加。機(jī)械功轉(zhuǎn)化成壓

燃?xì)獾膲毫Α囟群挽式档?。熱能轉(zhuǎn)化成力能。

機(jī)械功。

c12221

w22221

c2222

w122c22wcwWu

Wu

2動(dòng)葉：減速擴(kuò)壓，w減小，p增加；

噴嘴：加速膨脹，c增加，p減??；靜葉：減速擴(kuò)壓，c減小，p增加；

動(dòng)葉：加速膨脹，w增加，p減小。沖動(dòng)式：Wu全部由燃?xì)獾慕^對(duì)速度動(dòng)能轉(zhuǎn)化；反動(dòng)式：

Wu部分由燃?xì)獾慕^對(duì)速度動(dòng)能轉(zhuǎn)化；部分由動(dòng)葉柵膨脹轉(zhuǎn)化。項(xiàng)目軸流壓氣機(jī)(Compressor)軸流渦輪(Turbine)工作原理w1

w2w1

w2c1

c2

1

2

1

2c1

c2

1

1

22壓氣機(jī)葉柵內(nèi)部的減速擴(kuò)壓流動(dòng)容易引

渦輪葉柵內(nèi)部的加速膨脹流動(dòng)不容易引起吸力面附面層分離，所以壓氣機(jī)動(dòng)葉

起吸力面附面層分離，所以渦輪機(jī)動(dòng)葉柵中氣流轉(zhuǎn)折角較小。柵中氣流轉(zhuǎn)折角較大。項(xiàng)目軸流壓氣機(jī)(Compressor)軸流渦輪(Turbine)渦輪收斂式葉柵通道葉柵

壓氣機(jī)擴(kuò)張式葉柵通道結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)葉片薄，葉型轉(zhuǎn)折角小。單級(jí)壓

渦輪葉片厚，葉型轉(zhuǎn)折角大。單級(jí)膨脹比小，需要的級(jí)數(shù)多。比大，需要的級(jí)數(shù)少。（1.加速膨脹過程不易分離；2.來流溫度高，當(dāng)?shù)匾羲俅?，許可流速高）項(xiàng)目軸流壓氣機(jī)(Compressor)軸流渦輪(Turbine)葉柵

壓氣機(jī)級(jí)＝動(dòng)葉+靜葉結(jié)構(gòu)渦輪（透平）級(jí)＝噴嘴+動(dòng)葉項(xiàng)目軸流壓氣機(jī)(Compressor)軸流渦輪(Turbine)葉柵

多級(jí)壓氣機(jī)漸縮式子午流道結(jié)構(gòu)多級(jí)渦輪漸擴(kuò)式子午流道空氣被壓縮后密度增加，體積流量逐漸

燃?xì)馀蛎浐竺芏葴p小，體積流量逐漸增減小，沿軸向子午流道收縮，葉片高度

加，沿軸向子午流道擴(kuò)張，葉片高度增減小。加。

燃燒室1、燃燒效率高衡量燃燒完全程度和散熱量大?。篞f

b

;

Qf為實(shí)際釋熱量。Q0Q

q

H

;

Q

為完全燃燒時(shí)的釋熱量。0fu0要使燃燒效率高，就需要燃料在燃燒室中完全燃燒，盡可能把燃料的化學(xué)能完全釋放出來，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗訜峁べ|(zhì)，而且不發(fā)生嚴(yán)重積炭和冒煙現(xiàn)象。2、點(diǎn)火可靠、燃燒穩(wěn)定穩(wěn)定燃燒：不熄火、不超溫、不發(fā)生火焰脈動(dòng)。qcqf

L0過量空氣系數(shù)：

單位質(zhì)量燃料完全燃燒所需的空氣量稱理論空氣量：1

8L0

(

C%

8H%

S%

O%)0.232

3當(dāng)

1,恰當(dāng)混氣

1,富油混氣

1,貧油混氣3、壓力損失小、燃燒效率高*3*2p總壓恢復(fù)系數(shù)

:

b

p4、出口溫度場(chǎng)均勻火焰短、穩(wěn)定，沿徑向溫度分布附合兩頭低，中間高。在圓周面上最大不均勻度θ和不均勻系數(shù)δ

：1最高溫度

出口溫度出口平均溫度

進(jìn)口平均溫度最高溫度

出口溫度

l

1

出口平均溫度T5、排氣污染少燃燒室排氣中的Nox、Co，碳煙等有害成分應(yīng)小于法定標(biāo)準(zhǔn)。通常改進(jìn)措施是改善霧化質(zhì)量。Nox的產(chǎn)生與燃燒區(qū)的空氣溫度有關(guān)，向燃燒室內(nèi)直接噴水或蒸汽，降低燃燒區(qū)溫度是降低Nox的有效手段。6、壽命長(zhǎng)，便于維修燃燒室長(zhǎng)期在高溫高壓下工作，工作條件惡劣，常會(huì)出現(xiàn)變形、開裂、掉塊等致命故障。所以必須合理的選擇材料，優(yōu)化冷卻條件，防止積碳，提高燃燒質(zhì)量。通常：運(yùn)輸機(jī)壽命：3000~10000小時(shí)固定式燃?xì)廨啓C(jī)壽命：20000~30000小時(shí)燃燒室的組成和作用火焰筒、噴油嘴、擴(kuò)壓器、內(nèi)外壁、旋流器、點(diǎn)火裝置。1、火焰筒的作用燃燒室出口溫度受渦輪葉片溫度的限制，由于渦輪葉片最大能承受的溫度在1200k～1400k左右，如果冷卻技術(shù)先進(jìn)可以提高到1600K左右。而對(duì)與1kg輕柴油溫度2200k。完全燃燒需要14.6kg空氣這明顯超過了渦輪葉片所能承受的溫度，要使溫度降低，唯一的辦法是供給更多的空氣。要滿足渦輪的進(jìn)口溫度，則1kg輕柴油50－60kg空氣；

這一比例由于含油量偏低，實(shí)際根本不能穩(wěn)定燃燒（貧油）。為解決這一矛盾，火焰筒起著不可缺少的作用。設(shè)計(jì)思想：使空氣沿著火焰筒上開的孔進(jìn)入火焰筒，一部分空氣（約占總空氣量的25~30%稱一次空氣），經(jīng)火焰筒頭部進(jìn)氣裝置及前部的射流孔（稱主燃孔）進(jìn)入火焰筒前部的燃燒區(qū)，一次空氣進(jìn)入前部燃燒后溫度可達(dá)2000k以上。在這區(qū)域，由于溫度很高，燃燒反應(yīng)的很快，使燃燒過程在火焰筒頭部附近的燃燒區(qū)基本完成。另一部分空氣沿著火焰筒后段的孔進(jìn)入火焰筒，并與高溫燃?xì)鈸交?，使溫度降低，以適應(yīng)渦輪進(jìn)口溫度的要求，，這些孔稱摻混孔，通常稱二次空氣。主燃孔和摻混孔之間還有一到二排補(bǔ)燃孔，是補(bǔ)充空氣用的。由于火焰筒是在常期的高溫下工作。所需要有可靠的冷卻保護(hù)措施，如在火焰筒壁面上開小孔或作出間隙，使冷卻空氣沿火焰筒內(nèi)壁時(shí)形成冷卻氣膜。２、噴油嘴的作用在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中，燃料逗留的時(shí)間是極短的，在有的燃燒室中，僅千分之幾秒，要在如此短暫的時(shí)間內(nèi)使燃料充分燃燒，加快燃料的蒸發(fā)氣化極為重要，其中的關(guān)鍵問題就是使燃料很好的霧化。把燃料噴成大量小直徑的油滴所形成的油霧，這一工作由噴油嘴來完成。霧化后的表面積大大增加并很快吸熱氣化并與空氣混合，形成可燃?xì)怏w。