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1、第二章 燃气轮机基本原理和计算2022/10/121本讲稿第一页，共一百零三页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：2022/10/122本讲稿第二页，共一百零三页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
2、面安排。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？2022/10/123本讲稿第三页，共一百零三页第一节第一节 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2022/10/124本讲稿第四页，共一
3、百零三页附加知识点：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：2022/10/125本讲稿第五页，共一百零三页附加知识点：附加知识点：燃气轮机四个截面的气体状态参
4、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气流在此处的理想状况的状态参数符号：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状态参气流在此处的实际状况的状态参数符号：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：2022/10/126本讲稿第六页，共一百零三页附加知识点：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
5、状态参数符号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：2022/10/127本讲稿第七页，共一百零三页附加知识点：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
6、气轮机结构示意图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：2022/10/128本讲稿第八页，共一百零三页第一节第一节 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2022/10/129本讲稿第九页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮
7、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1、燃气轮机热力循环称为开式白朗托循环（蒸、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）汽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2022/10/1210本讲稿第十页，共一百零三页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：空气在透平完成膨过程：空气在透平完成膨胀做功过程胀做功过程n4-1过程：空气
8、排出燃机进入大过程：空气排出燃机进入大气，完成冷源放热过程气，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2022/10/1211本讲稿第十一页，共一百零三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
9、计的最关压比就越高，这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压、燃气轮机的效率与燃气温度和压气机压比的关系气机压比的关系1）、如右图，燃气温度）、如右图，燃气温度t3越高，循环越高，循环效率越高。效率越高。2022/10/1212本讲稿第十二页，共一百零三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气）、目前，最先进的燃气轮机燃气温度达温度达13001400，压气机压压气机压比达到比达到1520。因此，提高燃气因此，提高燃气轮机效率，改进燃气轮机的性
10、能，轮机效率，改进燃气轮机的性能，主要要从燃气轮机的燃气温度和主要要从燃气轮机的燃气温度和压气机的压比作手。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2022/10/1213本讲稿第十三页，共一百零三页燃气轮机效率、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，燃气轮机）、燃气温度越高，燃气轮机的比功就越大，每千克空气产生的比功就越大，每千克空气产生的功就越多，一定功率的机组体的功就越多，一定功率的机组体积就会越小。积就会越小。2）、在温度一定下，提高
11、增压比，）、在温度一定下，提高增压比，比功先会增加，但是当超过一个比功先会增加，但是当超过一个最佳压比值以后，比功反而会下最佳压比值以后，比功反而会下降，在设计上要特别注意。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2022/10/1214本讲稿第十四页，共一百零三页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
12、化规律和描述过程的数学方程。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2022/10/1215本讲稿第十五页，共一百零三页第一节第一节 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2022/10/1216本讲稿第十六页，共一百零三页第一节第一节 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
13、压气机在压缩空气过程中，必须从外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。2022/10/1217本讲稿第十七页，共一百零三页第一节第一节 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、
14、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 由热力学分析，在理想绝热过程中，工质的压力和比容由热力学分析，在理想绝热过程中，工质的压力和比容的变化规律为：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化的为绝热指数，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。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。2022/10/1218本讲稿第十八页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二）、压二）、压气机内的
15、压缩过程气机内的压缩过程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 由由 可知，当工质按理想绝热过程压缩（或可知，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，工质的压力膨胀）时，在整个过程的任何一个工况点上，工质的压力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）2022/10/1219本讲稿第十九页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二）、压二）、压气机内的压缩过程气机内的压缩过程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
16、的起始状态当已知过程的起始状态 、和终态压力和终态压力 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 。2022/10/1220本讲稿第二十页，共一百零三页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
17、立p和和T关系关系T和和v关系关系（2-3）2022/10/1221本讲稿第二十一页，共一百零三页 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：2022/10/1222本讲稿第二十二页，共一百零三页第一节第一节 燃气
18、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 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2022/10/1223本讲稿第二十三页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程二）、压二）、压气机内的压缩过程气机内的压缩过程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。由于存在摩擦和换热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，其计算应根据多的因素，
19、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，其中变过程的规律计算，其中n为多变指数。为多变指数。两式联立两式联立整个推理过程为：整个推理过程为：2022/10/1224本讲稿第二十四页，共一百零三页第一节第一节 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 之间的变化之间的变化规律为：规律为：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
20、中存在的不可逆因素有关，一般为压缩过程中存在的不可逆因素有关，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）2022/10/1225本讲稿第二十五页，共一百零三页第一节第一节 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
21、，一个用绝热指数k。具体。具体的举例略。的举例略。2022/10/1226本讲稿第二十六页，共一百零三页第一节第一节 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
22、不可逆程度大小的绝热压缩效率 ，来，来计算工质的终态温度计算工质的终态温度 。2022/10/1227本讲稿第二十七页，共一百零三页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：
23、式中，2022/10/1228本讲稿第二十八页，共一百零三页 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）、压二）、压气机内的压缩过程气机内的压缩过程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）2022/10/1229本讲稿第二
24、十九页，共一百零三页已知已知由式（由式（2-5）可知：）可知：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）、压二）、压气机内的压缩过程气机内的压缩过程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，压气机出口中已计算得，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处空气的温度和比
25、体积为（）2022/10/1230本讲稿第三十页，共一百零三页第一节第一节 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2022/10/1231本讲稿第三十一页，共一百零三页第一节第一节 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，把燃料的化燃烧室的燃烧过程，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。这就相当于工质从外界学能释放出来，转化为热量的过程。这就相当于工质从外界吸收一定量
26、的热，从而温度升高，比容增大。此时，工质只吸收一定量的热，从而温度升高，比容增大。此时，工质只与外界有热交换，而无机械功交换。当确定了压气机出口参与外界有热交换，而无机械功交换。当确定了压气机出口参数数 后，由于压气机出口紧接燃烧室入口，因此，也后，由于压气机出口紧接燃烧室入口，因此，也就知道了燃烧室入口处空气的参数。就知道了燃烧室入口处空气的参数。2022/10/1232本讲稿第三十二页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程三）、燃三）、燃烧室中的加热过程烧室中的加热过程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 在没有摩擦等不可逆现象的情况下，
27、可以把燃烧过程在没有摩擦等不可逆现象的情况下，可以把燃烧过程看成是一个等压加热过程，空气与燃料燃烧后将变成高看成是一个等压加热过程，空气与燃料燃烧后将变成高温燃气。在燃烧室的出口处温度升高为温燃气。在燃烧室的出口处温度升高为 ，比容增大为，比容增大为 ，但压力却维持不变，即，但压力却维持不变，即 。2022/10/1233本讲稿第三十三页，共一百零三页第一节第一节 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2、燃烧室燃烧工质的状态参数理论计算、燃烧室燃烧工质的状态参数理论计算 根据理想气体的状态方程式不难证明，假如忽略空气与根据理想气体的状态方
28、程式不难证明，假如忽略空气与燃气之间气体常数燃气之间气体常数R的微小差别，经等压加热后，燃烧室前后的微小差别，经等压加热后，燃烧室前后工质状态参数的变化关系应满足如下规律：工质状态参数的变化关系应满足如下规律：通常燃烧室出口处燃气的温度通常燃烧室出口处燃气的温度 是根据透平叶是根据透平叶片的材料特性选择的。目前，随着冶金工业和透平冷片的材料特性选择的。目前，随着冶金工业和透平冷却技术的发展，却技术的发展，已经可以提高到已经可以提高到 以上。以上。2022/10/1234本讲稿第三十四页，共一百零三页 最后，根据已经选定的最后，根据已经选定的 和估算得到的和估算得到的 ，利用理想，利用理想气体状
29、态方程式，很容易确定出燃烧室出口比容气体状态方程式，很容易确定出燃烧室出口比容 。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3、燃烧室燃烧工质的状态参数实际计算、燃烧室燃烧工质的状态参数实际计算 实际上，当工质在燃烧室中燃烧加热时，总会有摩擦不实际上，当工质在燃烧室中燃烧加热时，总会有摩擦不可逆现象存在。这将导致燃烧室出口处燃气的压力可逆现象存在。这将导致燃烧室出口处燃气的压力 略有略有下降，其下降程度可以用燃烧室的压力保持系数下降，其下降程度可以用燃烧室的压力保持系数 来估算，来估算，即：即：（2-6）通常，通常，。2022/1
30、0/1235本讲稿第三十五页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程u四）、透平（涡轮）中的膨胀过程四）、透平（涡轮）中的膨胀过程2022/10/1236本讲稿第三十六页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程四）、四）、透平（涡轮）中的膨胀过程透平（涡轮）中的膨胀过程1、透平膨胀的理论计算、透平膨胀的理论计算 透平处高温高压燃气发生膨胀，对外界输出一定数量的透平处高温高压燃气发生膨胀，对外界输出一定数量的机械功，同时工质的压力和温度下降，比容增大。假设工质机械功，同时工质的压力和温度下降，比容增大。假设工质只与外界有机械功的交换
31、，而无热量的交换。在没有摩擦等只与外界有机械功的交换，而无热量的交换。在没有摩擦等不可逆现象的理想情况下，可以认为，在透平中，燃气是按不可逆现象的理想情况下，可以认为，在透平中，燃气是按照理想绝热过程进行膨胀做功的。因而也可以根据式（照理想绝热过程进行膨胀做功的。因而也可以根据式（2-3）来计算燃气状态参数的变化。即：）来计算燃气状态参数的变化。即：p和和T关系关系T和和v关系关系（2-3）2022/10/1237本讲稿第三十七页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程四）、透四）、透平（涡轮）中的膨胀过程平（涡轮）中的膨胀过程2、透平膨胀的理论计算举例、透平膨
32、胀的理论计算举例 例例3：已知透平前燃气的初始状态参数为：已知透平前燃气的初始状态参数为 。由于透平后的排气流道还有一定的阻力，致使。由于透平后的排气流道还有一定的阻力，致使燃气不能膨胀到与外界大气压力相同的情况，而只能达到燃气不能膨胀到与外界大气压力相同的情况，而只能达到 。假设这是一个理想绝热膨胀过程，求膨。假设这是一个理想绝热膨胀过程，求膨胀终态时的燃气温度胀终态时的燃气温度 为多少？为多少？2022/10/1238本讲稿第三十八页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程四）、透四）、透平（涡轮）中的膨胀过程平（涡轮）中的膨胀过程2、透平膨胀的理论计算举例
33、、透平膨胀的理论计算举例 解：对于燃气来说，绝热指数解：对于燃气来说，绝热指数根据式（根据式（2-3）可知：）可知：2022/10/1239本讲稿第三十九页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程四）、四）、透平（涡轮）中的膨胀过程透平（涡轮）中的膨胀过程2、透平膨胀的实际计算、透平膨胀的实际计算 实际上，理想绝热膨胀过程也是不存在的。因不可逆现实际上，理想绝热膨胀过程也是不存在的。因不可逆现象造成的摩擦热象造成的摩擦热 ，也会转加给工质本身，致使工质的终，也会转加给工质本身，致使工质的终态温度态温度 和比容和比容 ，都要比按理想绝热膨胀过程达到的终，都要比按理
34、想绝热膨胀过程达到的终态温度态温度 和比容和比容 大一些，同时还会使工质发出的实际膨大一些，同时还会使工质发出的实际膨胀功减少。胀功减少。的多变膨胀过程相当。因此，在实际膨胀过程中，燃的多变膨胀过程相当。因此，在实际膨胀过程中，燃气终态的状态参数也可以根据式（气终态的状态参数也可以根据式（2-4）来计算。所不同）来计算。所不同的是在膨胀过程中，多变指数的是在膨胀过程中，多变指数 即，即，。从热力学观点看，这个过程正与一个从外界吸收热量从热力学观点看，这个过程正与一个从外界吸收热量2022/10/1240本讲稿第四十页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程四）、
35、四）、透平（涡轮）中的膨胀过程透平（涡轮）中的膨胀过程2、透平膨胀的实际计算、透平膨胀的实际计算p和和T关系关系T和和v关系关系（2-4）透平膨胀的实际计算举例略透平膨胀的实际计算举例略2022/10/1241本讲稿第四十一页，共一百零三页 与压缩过程相同，通常人们也很少用热力学中的计算方法与压缩过程相同，通常人们也很少用热力学中的计算方法来计算燃气的终态参数。同样也习惯的引入一个能够比较直来计算燃气的终态参数。同样也习惯的引入一个能够比较直观地反映实际膨胀过程中不可逆程度大小的绝热膨胀有效效观地反映实际膨胀过程中不可逆程度大小的绝热膨胀有效效率率 ，来计算工质的终态温度，来计算工质的终态温度
36、 。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四）、四）、透平（涡轮）中的膨胀过程透平（涡轮）中的膨胀过程3、透平膨胀的工程计算、透平膨胀的工程计算2022/10/1242本讲稿第四十二页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程四）、透四）、透平（涡轮）中的膨胀过程平（涡轮）中的膨胀过程3、透平膨胀的工程计算、透平膨胀的工程计算1）、绝热膨胀有效效率）、绝热膨胀有效效率 绝热膨胀有效效率绝热膨胀有效效率 ，是指工质在透平的实际，是指工质在透平的实际膨胀过程中，能够发出的实际机械功膨胀过程中，能够发出的实际机械功 ，与，与工质按照理想绝热过程进行膨
37、胀而达到的同一个终态工质按照理想绝热过程进行膨胀而达到的同一个终态压力压力 时所能发出的理想机械功时所能发出的理想机械功 的比值的比值。即。即式中，2022/10/1243本讲稿第四十三页，共一百零三页 在现代透平中，在现代透平中，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随温度改变而忽略微变化的特性时，时，1）、绝热膨胀有效效率）、绝热膨胀有效效率 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四）、四）、透平（涡轮）中的膨胀过程透平（涡轮）中的膨胀过程3、透平膨胀的工程计算、透平膨胀的工程计算 由此可见，只要已知透平的绝热膨胀有效效率由此可见，只要已知透
38、平的绝热膨胀有效效率 ，就很容易求得，就很容易求得透平出口处工质的实际温度透平出口处工质的实际温度 ，进而求出比容，进而求出比容 。（2-6）2022/10/1244本讲稿第四十四页，共一百零三页 的情况下，透平出口处燃气的实际温度的情况下，透平出口处燃气的实际温度？例例4、例如已知例、例如已知例3中透平的中透平的 ，试求在，试求在2）、透平膨胀过程的工程计算举例）、透平膨胀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四）、透四）、透平（涡轮）中的膨胀过程平（涡轮）中的膨胀过程3、透平膨胀的工程计算、透平膨胀的工程计算解：在例解：在例3中已经求得，按照理想绝热膨
39、胀的中已经求得，按照理想绝热膨胀的 已知已知2022/10/1245本讲稿第四十五页，共一百零三页第一节第一节 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2022/10/1246本讲稿第四十六页，共一百零三页 在此过程中，工质将对外界释放一定量的余热，使其状在此过程中，工质将对外界释放一定量的余热，使其状态参数回复到压气机入口处空气的初始状态态参数回复到压气机入口处空气的初始状态 ，工，工质只与外界有热量交换，而无机械功交换。质只与外界有热量交换，而无机械功交换。1、理想的自然放热过程、理想的自然放热过程第一节第一节 燃气轮机循环
40、的过程方程燃气轮机循环的过程方程五）、五）、工质在大气中自然放热过程工质在大气中自然放热过程 在理想状况下，可以把这个过程看成是一个等压在理想状况下，可以把这个过程看成是一个等压发热过程，其结果将使工质的温度降低到发热过程，其结果将使工质的温度降低到 ，比容，比容减小到减小到 。2022/10/1247本讲稿第四十七页，共一百零三页 在实际状况下，工质的压力略有下降，即在实际状况下，工质的压力略有下降，即 ，但放但放热的结果仍然是使工质回复到热的结果仍然是使工质回复到 。2、实际的自然放热过程、实际的自然放热过程第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程五）、五）、工质在大气中
41、自然放热过程工质在大气中自然放热过程 由于在这个过程中，工质的初始状态正是透平排气口燃由于在这个过程中，工质的初始状态正是透平排气口燃气的状态，工质的终态是压气机入口处大气的状态，这个气的状态，工质的终态是压气机入口处大气的状态，这个参数已经求得，就不用再计算了。参数已经求得，就不用再计算了。2022/10/1248本讲稿第四十八页，共一百零三页第一节第一节 燃气轮机循环的过程方程燃气轮机循环的过程方程n六）、总结六）、总结2022/10/1249本讲稿第四十九页，共一百零三页 通过前面介绍的方法，很容易求出在燃气轮通过前面介绍的方法，很容易求出在燃气轮机四个工作过程中工质状态参数的变化关系，
42、还机四个工作过程中工质状态参数的变化关系，还可以进一步探讨在这四个过程中，各种能量之间可以进一步探讨在这四个过程中，各种能量之间的转化规律和定量计算关系。的转化规律和定量计算关系。需要指出的是，前面介绍的计算方法是一种近需要指出的是，前面介绍的计算方法是一种近似方法，因为它没有考虑到在这个过程中，工质比似方法，因为它没有考虑到在这个过程中，工质比热随温度的变化关系对状态参数计算的影响。热随温度的变化关系对状态参数计算的影响。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六）、六）、总结总结2022/10/1250本讲稿第五十页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压
43、燃气轮机理想简单循环一）、理想简单循环功和热变化关系一）、理想简单循环功和热变化关系二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数三）、燃气轮机循环分析三）、燃气轮机循环分析2022/10/1251本讲稿第五十一页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压燃气轮机理想简单循环u一）、理想简单循环功和热变化关系一）、理想简单循环功和热变化关系2022/10/1252本讲稿第五十二页，共一百零三页考虑到连续流动机械的考虑到连续流动机械的“流动功流动功”（项），热焓项），热焓 ，而，而 。故第一定律可写成：。故第一定律可写成：第二节第二节 等压燃气轮机
44、理想简单循环等压燃气轮机理想简单循环一）、一）、理想简单循环功和热变化关系理想简单循环功和热变化关系热力学第一定律为：热力学第一定律为：据此，在理想等压燃气轮机简单循环中，假设工质据此，在理想等压燃气轮机简单循环中，假设工质为理想气体，在压缩、加热、膨胀和放热四个热力为理想气体，在压缩、加热、膨胀和放热四个热力过程内没有损耗，比热和流量也不变，则可由等压过程内没有损耗，比热和流量也不变，则可由等压燃气轮机简单循环图推出各过程中功和热的变换关燃气轮机简单循环图推出各过程中功和热的变换关系。系。2022/10/1253本讲稿第五十三页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压燃气轮机
45、理想简单循环一）、一）、理想简单循环功和热变化关系理想简单循环功和热变化关系等压燃气轮机简单循环图等压燃气轮机简单循环图各个过程的功和热的变化关系如下：各个过程的功和热的变化关系如下：1-2 压气机中等熵压缩压气机中等熵压缩2-3 燃烧室中等压加热燃烧室中等压加热2022/10/1254本讲稿第五十四页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压燃气轮机理想简单循环一）、一）、理想简单循环功和热变化关系理想简单循环功和热变化关系等压燃气轮机简单循环图等压燃气轮机简单循环图各个过程的功和热的变化关系如下：各个过程的功和热的变化关系如下：3-4 透平中等熵膨胀透平中等熵膨胀4-1 大气
46、中等压放热大气中等压放热2022/10/1255本讲稿第五十五页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压燃气轮机理想简单循环n二）、理想简单循环比功、效率、二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数可用功系数2022/10/1256本讲稿第五十六页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压燃气轮机理想简单循环二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数1、理想简单循环比功、理想简单循环比功循环增压比循环增压比 ：循环最高压力与最低压力之比：循环最高压力与最低压力之比 理想简单循环比功理想简单循环比功:透平的功率减去压气机消耗的功透
47、平的功率减去压气机消耗的功率率循环增温比循环增温比 ：循环最高温度与最低温度之比：循环最高温度与最低温度之比即：即：2022/10/1257本讲稿第五十七页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压燃气轮机理想简单循环二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数1、理想简单循环比功、理想简单循环比功 设比热容为定设比热容为定值，则根据各过值，则根据各过程特性可推证：程特性可推证：等压燃气轮机简单循环图等压燃气轮机简单循环图2022/10/1258本讲稿第五十八页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压燃气轮机理想简单循环二）、理
48、想简单循环比功、效率、可用功系数二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数1、理想简单循环比功、理想简单循环比功 推理比功：推理比功：透平功率减去压气机消耗功率透平功率减去压气机消耗功率已知：已知：推出比功推出比功:2022/10/1259本讲稿第五十九页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压燃气轮机理想简单循环二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数1、理想简单循环比功、理想简单循环比功 理想简单定压加热循环比功：理想简单定压加热循环比功：分析上式，知当分析上式，知当 和和 确定后，比功确定后，比功 仅仅是增压仅仅是增压比比 的函数。将
49、比功对增压比求导并令之为零，即可的函数。将比功对增压比求导并令之为零，即可求得最佳增压比：求得最佳增压比：（2-2-1）（2-2-2）将（将（2-2-2）代入（）代入（2-2-1）得最大的循环比功：）得最大的循环比功：（2-2-3）2022/10/1260本讲稿第六十页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压燃气轮机理想简单循环二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数1、理想简单循环比功、理想简单循环比功 由理想简单定压加热循环比功公式作图由理想简单定压加热循环比功公式作图理想简单定压循环性能图理想简单定压循环性能图横坐标为：横坐标为：纵
50、坐标为：纵坐标为：分析：分析：a、增加，增加，增加增加b、增加，增加，增加增加结论：结论：在材料热强度许可的前提在材料热强度许可的前提下，应尽可能提高下，应尽可能提高 ，进而有利于提高燃机比，进而有利于提高燃机比功功 。2022/10/1261本讲稿第六十一页，共一百零三页第二节第二节 等压燃气轮机理想简单循环等压燃气轮机理想简单循环二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数二）、理想简单循环比功、效率、可用功系数2、理想简单循环效率、理想简单循环效率理想简单循环效率理想简单循环效率 ：循环比功与燃烧室加入热量之比：循环比功与燃烧室加入热量之比2022/10/1262本讲稿第六十二页，共一百零三