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1、一、一、燃气轮机简介燃气轮机简介1.燃气轮机基本原理燃气轮机基本原理2.燃气轮机发展史燃气轮机发展史3.燃气轮机的特点燃气轮机的特点4.燃气轮机的应用燃气轮机的应用5.发展前景发展前景1、燃气轮机基本原理、燃气轮机基本原理v燃气轮机定义：燃气轮机定义：燃气轮机是将燃料燃气轮机是将燃料（石油、天然气、（石油、天然气、煤）煤）的能量转化为某种形式的有用功，例如机械功的能量转化为某种形式的有用功，例如机械功或者高速喷气式动力装置的推力。或者高速喷气式动力装置的推力。v最简单的燃气轮机包括三部分：压气机、燃烧室、最简单的燃气轮机包括三部分：压气机、燃烧室、涡轮。涡轮。v压气机压气机压缩空气（消耗功）压
2、缩空气（消耗功）v燃烧室燃烧室燃料与空气燃烧（化学能转化为热能）燃料与空气燃烧（化学能转化为热能）v涡轮涡轮 燃气膨胀做功，一部分功用来带动压气机、燃气膨胀做功，一部分功用来带动压气机、剩余的功输出，提供动力或推力。剩余的功输出，提供动力或推力。1、燃气轮机基本原理、燃气轮机基本原理v工作1、燃气轮机基本原理、燃气轮机基本原理1、燃气轮机基本原理、燃气轮机基本原理v装置的示意图和热力过程图通常表示为下图形式。装置的示意图和热力过程图通常表示为下图形式。v四个基本的热力过程（理想循环）：四个基本的热力过程（理想循环）：v等熵压缩（等熵压缩（1212）压气机压气机v定压加热（定压加热（2323）燃
3、烧室燃烧室v等熵膨胀（等熵膨胀（3434）涡轮涡轮v定压放热（定压放热（4141）大气中大气中部分负荷时效率低部分负荷时效率低1、燃气轮机基本原理、燃气轮机基本原理v现代燃气轮机的基本特点：现代燃气轮机的基本特点：在燃烧的过程中，燃烧室的压力近似不变，称为在燃烧的过程中，燃烧室的压力近似不变，称为定压加定压加热过程。热过程。做功的气体来自大气，最后排入大气，称为做功的气体来自大气，最后排入大气，称为开式循环开式循环。通常称这个循环为布雷顿（通常称这个循环为布雷顿（Brayton）循环。）循环。地面燃机的分类：地面燃机的分类：1.1.重型、轻型和微型；重型、轻型和微型；2.2.简单循环和复合循环
4、；简单循环和复合循环；3.3.单轴和多轴；单轴和多轴；4.4.工业用和舰船用；工业用和舰船用；vwe 西门子西门子SIEMENS SIEMENS 燃气轮机燃气轮机 GE GE 燃气轮机燃气轮机 1、燃气轮机基本原理、燃气轮机基本原理v地面燃气轮机的评价参数：地面燃气轮机的评价参数：效率：效率：42.9%42.9%，联合循环效率高达，联合循环效率高达58%58%；（油耗率、热耗）；（油耗率、热耗）功率：功率：最大最大334MW334MW；涡轮前温度、压比；涡轮前温度、压比；寿命：寿命：5000010000050000100000小时；小时；停机检查时间：停机检查时间：40008000400080
5、00小时；小时；单位功率的重量：重型的一般大于单位功率的重量：重型的一般大于2 25kg/kW5kg/kW，轻型则小，轻型则小于于2 kg/kW2 kg/kW）污染物排放水平。污染物排放水平。2、燃气轮机发展史、燃气轮机发展史v早在早在1818世纪，燃气轮机的理论和工作原理就已经建世纪，燃气轮机的理论和工作原理就已经建立起来了，但直到立起来了，但直到19401940左右才真正制造出来。主要左右才真正制造出来。主要的原因在于高温的原因在于高温材料方面的限制材料方面的限制和和各部件（压气机、各部件（压气机、涡轮）效率偏低涡轮）效率偏低。v发展的历程。发展的历程。专利专利试制试制成功，三个阶段成功，
6、三个阶段。在在17911791年英国人年英国人John BarberJohn Barber 获得了第一个燃气轮机的获得了第一个燃气轮机的专利，尽管他没有真正制造一台燃气轮机，但是为将来专利，尽管他没有真正制造一台燃气轮机，但是为将来的发展奠定了基础。的发展奠定了基础。在在18721872瑞士人瑞士人StoleStole获得了一个燃气轮机的专利，他设计获得了一个燃气轮机的专利，他设计的燃气轮机包括多级轴流式压气机、反动式涡轮、燃烧的燃气轮机包括多级轴流式压气机、反动式涡轮、燃烧室、回热器等部件。室、回热器等部件。18951895年年,美国人美国人 CharlesCharles提出了完整的燃气轮机
7、的设计专提出了完整的燃气轮机的设计专利。利。2、燃气轮机发展史、燃气轮机发展史v在在19001900年，法国人年，法国人 StolzeStolze制造了第一台制造了第一台“真正真正”的燃气轮机，并且进行了试验，但是结果却是失败的燃气轮机，并且进行了试验，但是结果却是失败了。装置除了带动自身旋转外，几乎不能对外输出了。装置除了带动自身旋转外，几乎不能对外输出功。功。v同时，其他的人也尝试制造燃气轮机，但是几乎都同时，其他的人也尝试制造燃气轮机，但是几乎都失败了。失败了。v失败的主要原因有两个：失败的主要原因有两个：部件的效率偏低部件的效率偏低（主要是压气机，当时的压气机效率只有（主要是压气机，当
8、时的压气机效率只有60%60%左右）。左右）。材料的限制（材料的限制（没有耐热钢和冷却技术，涡轮前温度只有没有耐热钢和冷却技术，涡轮前温度只有740K740K左右，在以后的学习中会发现涡轮前温度循环效率的左右，在以后的学习中会发现涡轮前温度循环效率的影响最大）。影响最大）。2、燃气轮机发展史、燃气轮机发展史v到了到了2020世纪世纪3030年代，由于空气动力学的发展应用在年代，由于空气动力学的发展应用在压气机设计领域，使得压气的效率和压比均得到了压气机设计领域，使得压气的效率和压比均得到了提高；同时冶金技术的发展出现了耐热钢，能够承提高；同时冶金技术的发展出现了耐热钢，能够承受受5006005
9、00600摄氏度左右的高温。为燃气轮机的制造成摄氏度左右的高温。为燃气轮机的制造成功提供了基本的保证。功提供了基本的保证。在在1939 1939 年，年，Brown Brown BoverBoveri i 成功制造了作为电站备用机成功制造了作为电站备用机组的燃气轮机，输出功率组的燃气轮机，输出功率4000kW4000kW，效率不详，循环类型采，效率不详，循环类型采用简单循环。用简单循环。在在19391939年，德国首次在飞机发动机上采用了燃气轮机代替年，德国首次在飞机发动机上采用了燃气轮机代替内燃机，并进行了试飞。内燃机，并进行了试飞。2、燃气轮机发展史、燃气轮机发展史v由于战争的原因，在二次
10、世界大战之前，主要的研由于战争的原因，在二次世界大战之前，主要的研究集中在地面燃气轮机究集中在地面燃气轮机（轴功输出形式）（轴功输出形式）。v在战争期间，但是注意力迅速转移到作为飞行器推在战争期间，但是注意力迅速转移到作为飞行器推进动力的进动力的涡轮喷气式涡轮喷气式机械上来。由于军事的需要，机械上来。由于军事的需要，燃气轮机技术得到了迅猛的发展，并广泛应用于工燃气轮机技术得到了迅猛的发展，并广泛应用于工业、舰船动力、航空等领域。业、舰船动力、航空等领域。v时至今日，许多先进的技术依然最先应用在航空发时至今日，许多先进的技术依然最先应用在航空发动机上，地面燃气轮机的研发技术很多是从航空发动机上，
11、地面燃气轮机的研发技术很多是从航空发动机上动机上“移植移植”过来的。过来的。3、燃气轮机的特点、燃气轮机的特点v在燃气轮机中，压缩、燃烧、膨胀过程不像往复式在燃气轮机中，压缩、燃烧、膨胀过程不像往复式机械（内燃机）那样，发生在一个部件内。机械（内燃机）那样，发生在一个部件内。这些过这些过程发生在独立的部件内意味着他们可以单独地进行程发生在独立的部件内意味着他们可以单独地进行设计、实验和研究发展设计、实验和研究发展，并且这些部件可以通过不，并且这些部件可以通过不同的组合方式形成燃气轮机。同的组合方式形成燃气轮机。v不同的轴系布置方式不同的轴系布置方式影响着效率随输出功的变化和影响着效率随输出功的
12、变化和输出扭矩随转速的变化。有的布置适合于带动负荷输出扭矩随转速的变化。有的布置适合于带动负荷变化但转速恒定的交流发电机，有的布置适合于带变化但转速恒定的交流发电机，有的布置适合于带动变转速的船用螺旋桨。动变转速的船用螺旋桨。3、燃气轮机的特点、燃气轮机的特点v如按照轴系布置可组成不同类型的燃气轮机如按照轴系布置可组成不同类型的燃气轮机3、燃气轮机的特点、燃气轮机的特点v根据需要，为了增加效率或者输出功，通常采用根据需要，为了增加效率或者输出功，通常采用回回热、再热、间冷热、再热、间冷等复杂循环。等复杂循环。v这些优化增加输出功和装置效率的代价是附加了复这些优化增加输出功和装置效率的代价是附加
13、了复杂性、重量和价格。杂性、重量和价格。3、燃气轮机的特点、燃气轮机的特点v优点：优点：结构紧凑、质量轻、体积小、占地面积小，单位结构紧凑、质量轻、体积小、占地面积小，单位功率质量较低；相对于汽轮机，省去了庞大的锅功率质量较低；相对于汽轮机，省去了庞大的锅炉系统。炉系统。启动快、从冷态启动至满负荷，通常只用几分钟启动快、从冷态启动至满负荷，通常只用几分钟至半小时。至半小时。耗水少或者不用水。耗水少或者不用水。v缺点：缺点：部分负荷时效率低，油耗高。部分负荷时效率低，油耗高。4 4、燃气轮机的应用领域、燃气轮机的应用领域v工业领域工业领域v陆地和海上运输陆地和海上运输v航空领域航空领域4、燃气轮
14、机的应用、燃气轮机的应用v工业领域：工业领域：v电站电站基本负荷、调峰运行和备用机组；无电网的孤立基本负荷、调峰运行和备用机组；无电网的孤立地区供电；与汽轮机组成联合循环供电。美国在地区供电；与汽轮机组成联合循环供电。美国在2020世世纪纪8080年代后期，燃气轮机的年生产量就超过了汽轮机。年代后期，燃气轮机的年生产量就超过了汽轮机。燃气轮机和联合循环发电，在世界范围内已成为电力燃气轮机和联合循环发电，在世界范围内已成为电力工业的主力军。工业的主力军。v天然气管道输运天然气管道输运增压用燃气轮机、增压用燃气轮机、石油化工领域石油化工领域去动去动泵、压缩机等；燃气轮机的排气可以泵、压缩机等；燃气
15、轮机的排气可以实现热电联供。实现热电联供。4、燃气轮机的应用、燃气轮机的应用v陆地和海上运输：陆地和海上运输：v2020世纪世纪6060年代，轻型燃气轮机被认为军舰用的最佳动年代，轻型燃气轮机被认为军舰用的最佳动力，在大型舰船中广泛应用。但由于燃气轮机在低负力，在大型舰船中广泛应用。但由于燃气轮机在低负荷时油耗高，通常与汽轮机、柴油机组成荷时油耗高，通常与汽轮机、柴油机组成联合动力装联合动力装置。置。如，如，COSAG,CODOG,COGOG,COGAGCOSAG,CODOG,COGOG,COGAG等，等，COCO联合，联合，SS汽轮机，汽轮机，GG燃气轮机，燃气轮机，DD柴油机，柴油机，OO
16、或，或，AA和。和。v陆地上机车、坦克应用上属于尝试阶段（陆地上机车、坦克应用上属于尝试阶段（M-1M-1主战坦克主战坦克曾经用过）曾经用过）。5 5、燃气轮机的现状及发展趋势、燃气轮机的现状及发展趋势v现状：现状：效率和功率，单机效率达到效率和功率，单机效率达到42.9%42.9%，功率，功率334MW334MW，联合循环效率高达联合循环效率高达58%58%。环保性能，能够满足环保性能。环保性能，能够满足环保性能。可靠性较高、应用广泛。可靠性较高、应用广泛。v发展趋势：发展趋势：进一步提高性能进一步提高性能发展联合循环和新型热力循环发展联合循环和新型热力循环我国燃气轮机整体技术落后、我国燃气
17、轮机整体技术落后、关键技术依然国外大公司垄断关键技术依然国外大公司垄断v当前航空发动机的主要类型有哪四种？（4分，每条一分）v 涡轮喷气式发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮轴发动机涡轮喷气式发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮轴发动机v燃气轮机的基本组成部分及各部分功能？（6分）v包括三部分：压气机、燃烧室、涡轮。压气机、燃烧室、涡轮。（3分）v压气机压缩空气（消耗功）（1分）v燃烧室燃料与空气燃烧（化学能转化为热能）（1分）v涡轮 燃气膨胀做功，一部分功用来带动压气机、剩余的功输出，提供动力或推力。（1分）v火箭推进系统的种类有哪些？（6分）v大体分为两类：化学能火箭推进系统、特种火箭推进系统（化学能火箭推进系统、特种火箭推进系统（2分，每条分，每条1分）分）v化学能火箭推进系统包括：液体火箭推进系统液体火箭推进系统、固体火箭推进系统、固液混固体火箭推进系统、固液混合火箭推进系合火箭推进系统（2分，答出1条 1分）v特种火箭推进系统包括：电火箭推进系统、核火箭推进系统、太阳火箭推进电火箭推进系统、核火箭推进系统、太阳火箭推进系统系统（2分，答出1条 1分）