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1、燃气轮机装置循环第1页，本讲稿共33页7.1 循环分析的目的和一般方法循环分析的目的和一般方法 分分析析动动力力循循环环的的目目的的在在于于评评价价该该循循环环在在热热能能对对机机械械能能的的连连续续转转换换及及能能量量有效利用方面的工作性能，并探讨影响该循环特性的主要因素。有效利用方面的工作性能，并探讨影响该循环特性的主要因素。分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法对对实实际际过过程程加加以以抽抽象象和和概概括括，将将实实际际循循环环简简化化为为理理想想的的可可逆逆循循环环，分分析析其其热热功转换效果及影响因素功转换效果及影响因素在在理理想想可可逆逆循循环环基基础础上上再再考考虑虑实实
2、际际循循环环有有哪哪些些不不可可逆逆损损失失，及及其其产产生生的的原原因因、大小和改进的办法大小和改进的办法 对对于于实实际际循循环环，从从能能量量的的有有效效利利用用考考虑虑，除除需需要要进进行行热热效效率率分分析析外外，一一般还应当进行熵产或可用能损失方面的分析，以便合理评估循环的完善性般还应当进行熵产或可用能损失方面的分析，以便合理评估循环的完善性2023/2/172第2页，本讲稿共33页 本本课课程程主主要要讨讨论论相相关关热热力力装装置置的的理理论论循循环环，重重点点在在于于分分析析热热力力循循环环的能量转换效应，必要时也会涉及一些实际循环的问题的能量转换效应，必要时也会涉及一些实际
3、循环的问题 实实际际的的气气体体动动力力循循环环中中，在在循循环环的的不不同同阶阶段段工工质质成成份份不不同同，有有时时是是空空气，有时是燃气气，有时是燃气 燃气的热物性与空气相近燃气的热物性与空气相近理论分析中视工质为理论分析中视工质为类同空气类同空气的某种定比热容理想气体的某种定比热容理想气体 对实际气体动力循环所作的理想化处理对实际气体动力循环所作的理想化处理 实实际际装装置置的的工工作作循循环环是是开开放放式式的的，每每个个工工作作循循环环后后均均将将废废气气排排弃弃，更更换换新新的工质的工质 理论分析时抽象成理论分析时抽象成闭式闭式循环循环燃烧过程燃烧过程视为对工质的视为对工质的加热
4、过程加热过程排气过程排气过程视为工质的视为工质的放热过程放热过程2023/2/173第3页，本讲稿共33页7.2 燃气轮机装置定压加热理想循环燃气轮机装置定压加热理想循环 1压缩机压缩机燃烧室燃烧室燃气轮机燃气轮机234燃气轮机装置燃气轮机装置燃料燃料空气空气废气废气燃气燃气 燃气轮机装置工作过程燃气轮机装置工作过程 燃气轮机装置中的主要设备为燃气轮机装置中的主要设备为透平式空气压缩机透平式空气压缩机燃烧室燃烧室燃气轮机燃气轮机轴流式压气机不断将空气压送至燃烧室轴流式压气机不断将空气压送至燃烧室 燃料喷入燃烧室中燃烧燃料喷入燃烧室中燃烧产生的高温高压燃气送至燃气轮机中膨胀作功产生的高温高压燃气
5、送至燃气轮机中膨胀作功废气排放到大气中废气排放到大气中大气大气2023/2/174第4页，本讲稿共33页 燃汽轮机装置定压加热理想循环燃汽轮机装置定压加热理想循环布雷敦循环布雷敦循环(Brayton cycle)实际燃气轮机工作过程理想化为定压加热循环实际燃气轮机工作过程理想化为定压加热循环 工质视为某种定比热容理想气体工质视为某种定比热容理想气体工质压缩过程工质压缩过程12为定熵的绝热过程为定熵的绝热过程燃烧过程燃烧过程23视为定压加热过程视为定压加热过程工质在燃气轮机中定熵绝热膨胀工质在燃气轮机中定熵绝热膨胀34废气排放到大气视同定压放热过程废气排放到大气视同定压放热过程41Ts1234P
6、sPsP 4213PsPs布雷顿循环布雷顿循环2023/2/175第5页，本讲稿共33页 布雷顿循环的热效率布雷顿循环的热效率 循环的吸热量循环的吸热量 循环的放热量循环的放热量 布雷敦循环的热效率布雷敦循环的热效率 Ts1234PsPs2023/2/176第6页，本讲稿共33页Ts1234PsPs由绝热过程由绝热过程12和和34 由定压过程由定压过程23和和41 布布雷雷顿顿循循环环的的热热效效率率仅仅取取决决于于压压缩缩过过程程的的始、末态温度始、末态温度 布雷顿循环布雷顿循环2023/2/177第7页，本讲稿共33页 不要与卡诺循环热效率表达式混淆不要与卡诺循环热效率表达式混淆 式式中中
7、的的T1和和T2只只不不过过是是循循环环中中1点点和和2点点的的温温度度，并非吸热过程和放热过程的热源温度！并非吸热过程和放热过程的热源温度！增压比增压比Ts1234PsPs布雷顿循环布雷顿循环 布布雷雷敦敦循循环环的的热热效效率率仅仅取取决决于于压压缩缩过过程程的增压比的增压比 随随的增大而提高的增大而提高 2023/2/178第8页，本讲稿共33页 布雷敦循环的功输出布雷敦循环的功输出 燃燃汽汽轮轮机机装装置置常常用用作作航航空空、船船舰舰动动力力装装置置，希希望望自自重尽量小，输出功率最大重尽量小，输出功率最大Ts1234PsPs 循环净功循环净功=两绝热过程技术功代数和两绝热过程技术功
8、代数和 按绝热过程参数关系按绝热过程参数关系 2023/2/179第9页，本讲稿共33页定义定义增温比增温比循环的最高温度与最低温度之比循环的最高温度与最低温度之比2023/2/1710第10页，本讲稿共33页 当工质一定、初态当工质一定、初态1一定时一定时 若若 一定，循环净功一定，循环净功wnet仅取决于仅取决于 wnet随增压比随增压比 提高先增大，到达极大值后反转提高先增大，到达极大值后反转减少减少 对应于对应于wnet,max的为最佳增压比的为最佳增压比 opt燃气轮机装置循环的燃气轮机装置循环的净功输出净功输出wnet式中式中 cp、k、T1已知已知 图中给出了图中给出了k=1.4
9、的的wnet=f(,)函数关系函数关系2023/2/1711第11页，本讲稿共33页 最佳增压比最佳增压比 opt可利用可利用按此条件求得的该增压比为按此条件求得的该增压比为 求得求得增温比增温比 愈大，愈大，opt也愈大也愈大对应的对应的wnet,max值也愈大值也愈大 燃燃汽汽轮轮机机装装置置中中压压气气机机吸吸入入的的为为大大气气，因因而而布布雷雷顿顿循循环环的的初初始始温温度度T1不可能随意降低，为了提高循环的增温比不可能随意降低，为了提高循环的增温比，只有提高循环的最高温度，只有提高循环的最高温度T3在材料允许的条件下，可尽量采用高的增温比在材料允许的条件下，可尽量采用高的增温比，以
10、便获得尽可能，以便获得尽可能大的循环热效率和装置功率输出大的循环热效率和装置功率输出 2023/2/1712第12页，本讲稿共33页 实际实际(不可逆不可逆)定压加热循环分析定压加热循环分析 实际定压加热循环是不可逆的实际定压加热循环是不可逆的 就就热热效效率率而而言言，只只要要吸吸热热量量和和放放热热量量一一定定则则循循环环热热效效率一定率一定 与加热过程和放热过程是否可逆无关与加热过程和放热过程是否可逆无关 压压气气机机和和燃燃汽汽轮轮机机工工作作过过程程的的不不可可逆逆性性则则对对实实际循环的热效率有影响际循环的热效率有影响 实际定压加热燃气轮机装置循环实际定压加热燃气轮机装置循环12不
11、可逆绝热压缩，非定熵过程不可逆绝热压缩，非定熵过程34不可逆绝热膨胀，非定熵过程不可逆绝热膨胀，非定熵过程23定压加热过程定压加热过程41定压放热过程定压放热过程Ts122s34s4实实际际定定压压加加热热燃燃气气轮轮机机装置循环装置循环12341布雷顿循环布雷顿循环12s34s12023/2/1713第13页，本讲稿共33页Ts122s34s4实实际际定定压压加加热热燃燃气气轮轮机机装置循环装置循环12341 压气机定熵效率压气机定熵效率 燃气轮机定熵效率燃气轮机定熵效率(相对内效率相对内效率)实际定压加热燃气轮机装置循环的净功输出实际定压加热燃气轮机装置循环的净功输出布雷顿循环布雷顿循环1
12、2s34s1 初初态态1、增增压压比比 相相同同情情况况下下，实实际际循循环环的的压压气气机机功功耗耗及及燃燃气气轮轮机机的的功功输输出出与与理理想想循循环环的的差差别别由由定定熵熵效率表达效率表达2023/2/1714第14页，本讲稿共33页Ts122s34s4 实际定压加热循环吸热量实际定压加热循环吸热量 实际定压加热循环热效率实际定压加热循环热效率2023/2/1715第15页，本讲稿共33页Ts122s34s42023/2/1716第16页，本讲稿共33页 实实际际循循环环热热效效率率 t随随 及及 的的变变化化关关系系如如图图示示实际燃气轮机装置循环的热效率实际燃气轮机装置循环的热效
13、率(c,s=c,s=0.85;T1=290K;k=1.4)2023/2/1717第17页，本讲稿共33页实际燃气轮机装置循环的热效率实际燃气轮机装置循环的热效率(c,s=c,s=0.85;T1=290K;k=1.4)初初态态、燃燃气气轮轮机机及及压压气气机机定定熵熵效效率率一一定定的的条条件下：件下：增增压压比比 一一定定时时，增增温温比比 越越大大，循循环环的的热热效率效率 t越高越高增增温温比比 一一定定时时，循循环环热热效效率率 t随随增增压压比比 增增大大而而变变化化有有一一极极大大值值；增增温温比比 越越大大该该极极大值越大，相应的增压比也越大大值越大，相应的增压比也越大增压比增压比
14、 对实际循环热效率的影响与对布雷对实际循环热效率的影响与对布雷顿循环的影响不一样顿循环的影响不一样2023/2/1718第18页，本讲稿共33页 提高循环增温比提高循环增温比 在于提高燃气轮机进口处的温度在于提高燃气轮机进口处的温度T3 涉及金属材料耐热强度极限问题涉及金属材料耐热强度极限问题 为寻找出路，正在研究使用为寻找出路，正在研究使用陶瓷陶瓷材料作为替代材料作为替代 从循环方式出发，提高燃气轮机装置循环热效率的途径尚有：从循环方式出发，提高燃气轮机装置循环热效率的途径尚有：实行回热实行回热在回热的基础上实行分级压缩、级间冷却和分级膨胀、中间再热在回热的基础上实行分级压缩、级间冷却和分级
15、膨胀、中间再热提高增温比是提高燃气轮机装置循环热效率的主要方向提高增温比是提高燃气轮机装置循环热效率的主要方向 减小压缩机和燃气轮机内部过程的不可逆性，提高其定熵效率也有助减小压缩机和燃气轮机内部过程的不可逆性，提高其定熵效率也有助于提高循环的热效率于提高循环的热效率 从从 、两者对两者对 t的影响看来的影响看来2023/2/1719第19页，本讲稿共33页1燃烧室燃烧室234带回热的燃气轮机装置带回热的燃气轮机装置燃料燃料空气空气废气废气燃气燃气燃气轮机燃气轮机压缩机压缩机567.3 燃气轮机装置定压加热燃气轮机装置定压加热-回热循环回热循环 带带回回热热的的燃燃气气轮轮机机装装置置由由以以
16、下下主要设备组成：主要设备组成：带回热的燃气轮机装置带回热的燃气轮机装置压缩机压缩机回热器回热器燃烧室燃烧室燃气轮机燃气轮机 装置的工作过程为：装置的工作过程为：压缩机吸入状态为压缩机吸入状态为1的空气的空气压缩至状态压缩至状态2，送入回热器，送入回热器在回热器中回热至状态在回热器中回热至状态5后送入燃烧室后送入燃烧室燃料喷入燃烧室燃烧生成高温高压燃气燃料喷入燃烧室燃烧生成高温高压燃气3，送入汽轮机送入汽轮机燃气在气轮机中膨胀作功后燃气在气轮机中膨胀作功后(4)排往回热器排往回热器排气在回热器中回热冷却至状态排气在回热器中回热冷却至状态6成废气，排入大气中成废气，排入大气中回热器回热器2023
17、/2/1720第20页，本讲稿共33页 燃气轮机定压加热燃气轮机定压加热-回热循环回热循环1燃烧室燃烧室234燃料燃料空气空气废气废气燃气燃气燃气轮机燃气轮机压缩机压缩机56 回热循环可理想化为：回热循环可理想化为：回热器回热器Ts12s可逆绝热可逆绝热(定熵定熵)压缩压缩2s5定压定压回热回热(回热器回热器)53定压定压加热加热(燃烧室燃烧室)34s可逆绝热可逆绝热(定熵定熵)膨胀膨胀4s6定压定压回热回热(回热器回热器)12s534s661定压定压放热放热(大气中大气中)理想回热循环理想回热循环回热回热不改变循环过程基本性质，利用放热过程的放热不改变循环过程基本性质，利用放热过程的放热量满
18、足吸热过程需要量满足吸热过程需要理想回热理想回热达到最大可能的回热程度达到最大可能的回热程度2023/2/1721第21页，本讲稿共33页1燃烧室燃烧室234燃料燃料空气空气废气废气燃气燃气燃气轮机燃气轮机压缩机压缩机56回热器回热器Ts12s534s6 理想回热情况下：理想回热情况下：废气排放至大气时废气排放至大气时(6)冷却到压缩机出口冷却到压缩机出口处的工质温度处的工质温度T2s 新鲜工质回热后新鲜工质回热后(5)达到燃气轮机的达到燃气轮机的排气温度排气温度T4s 回热器中最大可能的回热量回热器中最大可能的回热量极限回热极限回热、完全回热完全回热理想回热亦称理想回热亦称q4s6=q2s5
19、2023/2/1722第22页，本讲稿共33页Ts12s534s6 实行回热时各过程的基本性质不改变实行回热时各过程的基本性质不改变 12s34s1布雷顿循环布雷顿循环 端点状态也不改变端点状态也不改变 无论回热与否循环的无论回热与否循环的净功输出净功输出不变不变采用回热时采用回热时循环循环吸热量吸热量循环循环放热量放热量显然显然吸热平均温度吸热平均温度提高了提高了放热平均温度放热平均温度降低了降低了 极限回热循环的热效率极限回热循环的热效率 t,12s534s61简单布雷顿循环的热效率简单布雷顿循环的热效率 t,B2023/2/1723第23页，本讲稿共33页1燃烧室燃烧室234燃料燃料空气
20、空气废气废气燃气燃气燃气轮机燃气轮机压缩机压缩机78回热器回热器实际燃气轮机装置回热循环实际燃气轮机装置回热循环 实际换热器实际换热器“端差端差”冷流体出口温度比热流体的进口温冷流体出口温度比热流体的进口温度低度低热流体出口温度比冷流体的进口温热流体出口温度比冷流体的进口温度高度高Ts12345678 最大可能回热量最大可能回热量q46=q25=cp(T4T6)极限回热循环为极限回热循环为1253461 实际回热循环为实际回热循环为1273481 实际回热量实际回热量q48=q27=cp(T4T8)回热度回热度实际回热对最大可能回热之比实际回热对最大可能回热之比2023/2/1724第24页，
21、本讲稿共33页 燃气轮机装置回热循环一般燃气轮机装置回热循环一般 0.8回热度回热度实际回热对最大可能回热之比实际回热对最大可能回热之比 图示的实际回热循环图示的实际回热循环1273481Ts12345678吸热量吸热量放热量放热量循环的热效率循环的热效率循环端点状态已知时循环端点状态已知时,据据 可确定回可确定回热热器出口温度器出口温度T7、T82023/2/1725第25页，本讲稿共33页 值值得得注注意意的的是是，只只是是在在增增压压比比较较小小时时回回热热措措施施对对循环的热效率才会有较明显的影响循环的热效率才会有较明显的影响Ts12345678 随增压比随增压比 提高，提高，T2将不
22、断提高将不断提高当增压比当增压比 高至令高至令T2 =T4 时时不可能有回热过程存在不可能有回热过程存在 2 回热措施只能在陆用的固定设备中采用回热措施只能在陆用的固定设备中采用 船舰和航空动力装置要求有尽量小的设备自重，因而不会采用回热船舰和航空动力装置要求有尽量小的设备自重，因而不会采用回热措施措施 在在T3不变的情况下不变的情况下T4不断下降，回热量愈来愈少不断下降，回热量愈来愈少T33 4 2023/2/1726第26页，本讲稿共33页7.4 多级压缩和再热的燃气轮机装置循环多级压缩和再热的燃气轮机装置循环Ts12343 TmaxT1 图图示示为为两两级级压压缩缩，中中间间冷冷却却、两
23、两级级膨膨胀胀，中中间间再再热热的燃气轮机装置理想循环的燃气轮机装置理想循环第第1 1级压缩级压缩冷却器冷却器某中间压力某中间压力定压冷却定压冷却至初温至初温第第2 2级压缩级压缩绝热绝热绝热绝热燃烧室燃烧室定压加热定压加热第第1 1级燃气轮机级燃气轮机绝热膨胀绝热膨胀燃烧室燃烧室定压再热定压再热第第2 2级燃气轮机级燃气轮机绝热膨胀绝热膨胀排大气排大气定压放热定压放热某中间压力某中间压力至最高温度至最高温度2023/2/1727第27页，本讲稿共33页Ts12343 TmaxT1无限多级压缩、级间冷却至初温无限多级压缩、级间冷却至初温定温压缩定温压缩无限多级膨胀、级间再热至最高温度无限多级膨
24、胀、级间再热至最高温度定温膨胀定温膨胀极限极限极限极限配以完全回热时，循环将成为概括性卡诺循环配以完全回热时，循环将成为概括性卡诺循环 从热力学理论上看来从热力学理论上看来 这是燃气轮机装置工作温度范围这是燃气轮机装置工作温度范围(T1,T3)内所能达到的内所能达到的最大热效率！最大热效率！2023/2/1728第28页，本讲稿共33页例例7-1(习题习题10-18的第一部分的第一部分)某某电电厂厂以以燃燃气气轮轮机机装装置置产产生生动动力力，向向发发电电机机输输出出的的功功率率为为20 MW，循循环环简简图图如如图图10-23，循循环环最最低低温温度度为为290 K、最最高高为为1500 K
25、,循循环环最最低低压压力力为为95 kPa、最最高高压压力力为为950 kPa。循循环环中中设设一一回回热热器器，回回热热度度为为75%。压压气气机机绝绝热热效效率率 c,s=0.85，燃燃气气轮轮机机的的相相对对内内部部效效率率 T=0.87。试试求求燃燃气气轮轮机机发出的总功率、压气机消耗的功率和循环热效率。发出的总功率、压气机消耗的功率和循环热效率。解：认为燃气轮机的工质是空气，且为定比热容理解：认为燃气轮机的工质是空气，且为定比热容理想气体想气体 5678Ts122s34s4 12s34s1为理想循环为理想循环布雷顿循环布雷顿循环 考虑压气机、燃气轮机定熵效率时的实际循环为考虑压气机、
26、燃气轮机定熵效率时的实际循环为12341 极限回热时极限回热时T4=T5；T2=T6，考虑回热度时循环为考虑回热度时循环为12734812023/2/1729第29页，本讲稿共33页循环中各端点的温度：循环中各端点的温度：5678Ts122s34s4燃气轮机的定熵效率（相对内效率）燃气轮机的定熵效率（相对内效率）压气机的定熵效率压气机的定熵效率 2023/2/1730第30页，本讲稿共33页5678Ts122s34s4由回热度的定义由回热度的定义 燃气轮机的轴功：燃气轮机的轴功：压气机消耗的轴功：压气机消耗的轴功：2023/2/1731第31页，本讲稿共33页5678Ts122s34s4燃气轮机的工质流率：燃气轮机的工质流率：燃气轮机发出的总功率燃气轮机发出的总功率 压气机消耗的功率压气机消耗的功率 循环的吸热量循环的吸热量 2023/2/1732第32页，本讲稿共33页 循环的热效率循环的热效率 2023/2/1733第33页，本讲稿共33页