《燃气轮机》PPT课件.ppt

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1、第四章 燃气透平概述（功能、分类、基本结构等）；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；多级透平；透平特性；燃气透平的冷却。 六、透平级的热力过程i-s图oo* c02/2p0 P0* P1*p11s 1H 1H1s=c1s2/2 1* p 2P2*2s 2s 2H2sH2s 2s* 2* c22/22*余速损失Hc2=H2理想焓降 Hs Hu实际焓降i s整个涡轮级0-1喷嘴1-2叶轮HHi 内功 4-3 透平级中的能量损失、效率和速度比 一、透平级的能量损失1、喷嘴损失H 1 2、动叶栅损失 H 2 3、余速损失H c24、内损失H发生在透平通流部分的内部直接影响燃气参

2、数、功率和流量变化2 2 2 221 1 1 11 21H (1 ) ( 1)2 2 2s sc c c c 2 2 2 222 2 2 22 21H (1 ) ( 1)2 2 2s sw w w w 2 22cH (1 ) 2 01 c 余速利用系数透平级数越多，越大 轮周损失最大，约占总作功量的10%H 2H 1 Hc2 n静叶能量损失系数： n动叶能量损失系数：n余速动能损失系数： 22 sHH 11 sHH 22 cc sHH （1）气流流经透平叶栅时产生的损失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。（2）叶栅

3、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。（4）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干扰损失。 气流流经透平叶栅时产生的损失二、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，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。 （2）内损失的内容n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

4、受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）。n轮盘摩擦损失H dfn 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d减少，从而减少该损失。 二、轮周效率、内效率1、轮周效率轮周功（实际焓降H u）和理论功（理想焓降）之比uu sHH 2* *0 2 1 2( )u u s cL H i i H 2* * u uu s s cH HH H H *2*0 *2*0 sii ii sii ii

5、2*0 *2*0静参数滞止参数 uu * 单 级 或 末 级考 虑 余 速 损 失中 间 级 （ 余 速 得 到 利 用 ）循 环 计 算 中21 21 - - c oo* c02/2p0 P0* P1*p11s 1H 1H1s=c1s2/2 1* p2P2*2s 2s 2H2sH2s 2s* 2* c22/22*余速损失Hc2=H2理想焓降 Hs Hu实际焓降i s整个涡轮级0-1喷嘴1-2叶轮HHi有效焓降21a 2s cu n bsH H q qH HH 有叶片冷却的透平级，式中 qn静叶环中排去的热量；qb动叶环中排去的热量。 2、内效率（级效率）内功Hi和理论功（理想焓降）之比21

6、2( )u s ci dfH HH H （ ） i 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 ； 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 度 比 有 关 ， 而 且 还 与 级 的 结 构 特 点 有 关 。 21 21ii c dfsHH 漏气损失系数 =H /H s；摩擦损失系数 df=H df /H s。P131改错！P131改错！ 透平的有效效率如果再考虑轴承等机械损失H m等，那么e i

7、m 三、最佳速度比u轮 周 损 失n 余 速 损 失 的 大 小 ， 不 仅 与 叶 栅 的 气 流 角 度 有 关 ，而 且 与 速 度 比 u/c 1有 密 切 关 系 。1 2(1) H H 流动损失2(2) cH 余速损失叶 栅 效 率,不可避免降到最低限度 1uc opt 一般透平基元级的速度三角形21 21 w1 w2c1 c2u1 u 2叶栅额线c1u c2uc2u很小（接近轴向出气）90c2z c1z n 由 速 度 三 角 形 知 ， 把 c2设 计 成 轴 向 方 向 2=90， 那 么余 速 损 失 就 能 减 小 到 最 低 程 度 ， 此 时 速 度 比 最 佳 。

8、1、冲动式透平级T=021 21 w1 w2c1 c2u u 理想情况：c2z= c1z u1= u2= u w1= w2 轴对称 最 小此 时 2211 ,90 ,2cos ccu 11 cos2optuc 轴向出气 21 21u c 轮周效率1 114 20 1 很 小 cos 11 cosu 0.5c 2opt T=0 2、反动式透平级 T=0.521 21 w1 w2c1 c2u u 假设：c2z= c1z u1= u2= u c2= w1w2= c1进出口速度关于轴对称 cos 11 cu此 时 11 cosoptuc T=0.5 %2%511 sHH %5%222 sHH %6.5

9、%3.5 22 scc HH 21 21 83%90%u c 1u 0.90c opt 任意反动度T下，最佳速度比：11 cos2(1 )Toptuc 达 到 最 佳 速 度 比 时 ：n透平级效率比较：n 当u和1相同时，反动式透平级中c1和w1要小很多，型阻损失和端部损失都较小，效率较高。n透平级做功量比较：n 冲动式 Lu=2u2，级数较少； n 反动式 Lu=u2，级数较多。n级的反动度范围：n 平均叶高处（ 00.5）T=0T=0.5 n作业：P159n 1n 2n 4 4-4 多级透平n在实际的透平设计中，当机组的总焓降较大时，总是把总焓降分成几段，每一段焓降在一个级中加以利用。n

10、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。（压比在6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，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，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。 4-4 多级透平n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（25级）。n透平分为：n 多级冲动透平（速度级） n 多级反动透平（压力级）n叶片较短者多采用冲动级。 多级冲动透平n整个透平的等熵焓降均在喷嘴中被转换成气体的动能；n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。n喷嘴中

11、：H 1s=H s n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。n原因：n 气流速度高且流动阻力增加。双列速度级或复速级一级内装有两列动叶栅叶轮 反动式透平（压力级）n由一系列反动式透平级串联组成。n每一级都有压力降，透平中压力逐级降低；n气流绝对速度在每一级喷嘴中得到提高，而在每一级工作叶栅中得到利用。 n余速损失较少，效率比单级的高。n应用较多。三级反动透平简图 a静叶 b冲动式动叶 c反动式动叶1=2 12 10 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 ， 气流 密 度 也 逐 级 减 小 。n 根

12、 据 连 续 性 方 程 qT=Acz可 知 ， 这 将 导 致 气 流 轴 向 分速 cz增 加 ， 或 者 通 流 面 积 A增 加 。 n 一 般 同 时 采 用 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。 三种型式Dt=const Dm=const等外径等内径等平均直径Dh=const 1、等外径的通流部分结 构 ： 外 径 Dt相 同 内 径 Dh和 平 均 直 径 Dm则 沿 流 程 逐 级 降 低 。优 点 ： 涡 轮 的 径 向 尺 寸 较 小 ， 机 壳 的 加 工 制 造 方 便 。缺 点 ： 内 径 较 小 ，

13、 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 。应 用 ： 用 于 航 空 和 舰 船 燃 气 轮 机 。 2、等内径的通流部分结 构 ： 内 径 Dh相 同 外 径 Dt和 平 均 直 径 Dm则 沿 流 程 逐 级 增 加 。优 点 ： 叶 片 高 度 较 小 ， 则 叶 片 扭 曲 不 甚 剧 烈 。 工 作 叶 轮 加 工 方 便 。缺 点 ： 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

14、。 因 外 径 D t逐 级 增 加 ， 机 壳 加 工 较 繁 。应 用 ： 地 面 固 定 式 燃 气 轮 机 。 3、等平均直径的通流部分n 结 构 ： 平 均 直 径 Dm相 同n 外 径 Dt逐 级 增 加 ， 内 径 Dh逐 级 减 小 。n 优 缺 点 ： 介 入 以 上 二 者 之 间 叶 片 扭 曲 不 甚 剧 烈 ； 涡 轮 的 径 向 尺 寸 变 化 不 太 剧 烈 。 应 用 ： 涡 轮 通 流 部 分 的 扩 张 角 不 大 ， 广 泛 应 用 。 n一般建议采用内、外壁面型线光滑、连续的子午剖面通道。 n外壳壁面倾角一般不宜超过2025；n内壳壁面，则应小于15左右

15、（绝对值）。 n某一级的内外壁总扩张角最好限制在3035以内，相邻叶栅内壁倾角之间或外壁倾角之间的差别不宜大于812。 a等内径 b等外径 c等中径 二、焓降分配与级数选择n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1.52.5之间选取，流量系数的最佳数值在0.81.0左右。 n对一般亚声速级，焓降通常为80190kJ/kg左右，而航空发动机跨声速透平单级焓降已达420540kJ/kg左右，叶尖圆周速度达到500m/

16、s以上。 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，实际过程线向右偏移了，而等压线向右是扩张的。n 2 2s sH H 3 3s sH H 1 2 3s s s sH H H H sj1zs jH H sj1 (1 )z sj H H 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。 级效率：n多级透平的热效率：sj1 (1 )z sj H H ij sj1 1z zj jiT s s sstH HHH H H (1 ) T st T st 由于热重获，使多级透平的效率大于各级的平均效率。 ij ij sjsj st stH H HH

17、 0.010.02 一般 透 平 的 热 重 获 系 数( )T stf z ， ， 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，热重获系数也大。（2）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。 四、多级透平的主要性能参数1、 膨 胀 比2 轴 功 率 （ 内 功 率 ） PT透 平 内 比 功 LT 各 级 轴 功 之 和 1 1 1 1n n n nT Ti i sti is st isi i i iL L H H H )(设各级的级效率相同 * *3

18、3*4 4 T Tp pp p kg/sT T T TP q L q 燃 气 流 量 。 内 功 率 （ 轴 功 率 ）T T Ts TP q L 1 *3 (1 ) TTkkTs pT TL C T 或 3透平效率（绝热膨胀效率） * * i iT Ts sH HH H 多级透平的效率比单级效率要高。 五、多级透平的余速利用（自学）oo* c02/2p0 P0* P1*p11s 1H 1H1s=c1s2/2 1* p 2P2*2s 2s 2H2sH2s 2s* 2* c22/22*余速损失 Hc2=H2理想焓降 Hs Hu实际焓降i s整个涡轮级0-1喷嘴1-2叶轮HHi有效焓降出口扩压器