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1、第第7 7章章燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环2022/10/2717.1 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有效效利利用用方方面面的的工工作作性性能能，并并探探讨讨影影响响该该循循环环特特性性的的主主要因素。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，分析其热功转换效果及影响因素环，分析其热功转换效果及影响因素在在理理想想可可逆逆循循环
2、环基基础础上上再再考考虑虑实实际际循循环环有有哪哪些些不不可可逆逆损损失失，及及其产生的原因、大小和改进的办法其产生的原因、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，一一般般还还应应当当进进行行熵熵产产或或可可用用能能损损失失方方面面的的分分析析，以以便便合合理理评估循环的完善性评估循环的完善性2022/10/272 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环的能量转换效应，必要时也会涉及一些实际循环的问题循环的能量转换效应，必要时也会涉
3、及一些实际循环的问题 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，有有时是空气，有时是燃气时是空气，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，更换新的工质弃，更换新的工质 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
4、对工质的加热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2022/10/2737.2 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送至燃气
5、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2022/10/274 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)实实际际燃燃气气轮轮机机工工作作过过程程理理想想化化为为定定压压加加热热循循环环 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41Ts1234PsPsP 4213PsPs布
6、雷顿循环布雷顿循环2022/10/275 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 Ts1234PsPs2022/10/276Ts1234PsPs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的始、末态温度程的始、末态温度 布雷顿循环布雷顿循环2022/10/277 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点点的的温度，并非吸热过程和放热
7、过程的热源温度！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程的增压比过程的增压比 随随的增大而提高的增大而提高 2022/10/278 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，希望自重尽量小，输出功率最大希望自重尽量小，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代数和 按绝热过程参数关系按绝热过程参数关系 2022/10/279定义定义增温比增温比循环的最高温度与最
8、低温度之比循环的最高温度与最低温度之比2022/10/2710 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，到达极大值后反提高先增大，到达极大值后反转减少转减少 对应于对应于wnet,max的为最佳增压比的为最佳增压比 opt燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环的净功输出的净功输出wnet式中式中 cp、k、T1已知已知 图中给出了图中给出了k的的wnet=f(,)函数关系函数关系2022/10/2711 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
9、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不不可可能能随随意意降降低低，为为了了提提高高循循环环的的增增温温比比，只只有有提提高高循循环环的最高温度的最高温度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，以便获得尽，以便获得尽可能大的循环热效率和装置功率输出可能大的循环热效率和装置功率输出 2022/10/2712 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
10、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环热效率一定循环热效率一定 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际循环的热效率有影响实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
11、热燃燃气气轮机装置循环轮机装置循环12341布雷顿循环布雷顿循环12s34s12022/10/2713Ts122s34s4实实际际定定压压加加热热燃燃气气轮机装置循环轮机装置循环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12s34s1 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差别由定熵效率表达的差别由定熵效率表达2022/10/2714Ts
12、122s34s4 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2022/10/2715Ts122s34s42022/10/2716 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如图示系如图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率(c,s=c,s=0.85;T1=290K;k)2022/10/2717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)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定的条件下：一定的条件下：增增压压比比 一一定定时时，
13、增增温温比比 越越大大，循循环的热效率环的热效率 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大值值越越大大，相相应应的的增增压压比比也也越大越大增压比增压比 对实际循环热效率的影响与对布对实际循环热效率的影响与对布雷顿循环的影响不一样雷顿循环的影响不一样2022/10/2718 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
14、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也有助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2022/10/27191燃烧室燃烧室2
15、34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下主要设备组成：下主要设备组成：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
16、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2022/10/2720 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
17、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，利用放热过程不改变循环过程基本性质，利用放热过程的放热量满足吸热过程需要的放热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2022/10/27211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)冷却到压缩机冷却到压缩机出口处的工质温度出口处的工质温度T2s 新鲜工质回热后新鲜工质回热后(
18、5)达到燃气轮达到燃气轮机的排气温度机的排气温度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=q2s52022/10/2722Ts12s534s6 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
19、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,B2022/10/27231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冷流体出口温度比热流体的进口温度低温度低热流体出口温度比冷流体的进口热流体出口温度比冷流体的进口温度高温度高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
20、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2022/10/2724 燃气轮机装置回热循环一般燃气轮机装置回热循环一般 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、T82022/10/2725 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施对循环的热效率才会有较明显的影响措施对循环
21、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热措施 在在T3不不变变的的情情况况下下T4不不断断下下降降，回回热热量量愈愈来愈少来愈少T33 4 2022/10/27267.4 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 T
22、maxT1 图图示示为为两两级级压压缩缩，中中间间冷冷却却、两两级级膨膨胀胀，中中间再热的燃气轮机装置理想循环间再热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2022/10/2727Ts12343 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
23、限多级膨胀、级间再热至最高温度无限多级膨胀、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)内所内所能达到的最大热效率！能达到的最大热效率！2022/10/2728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
24、高为为1500 K,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，燃燃气气轮轮机机的的相相对对内内部部效效率率 T。试试求求燃燃气气轮轮机机发发出出的的总总功功率率、压压气气机机消消耗耗的的功功率率和和循循环热效率。环热效率。解：认为燃气轮机的工质是空气，且为定比解：认为燃气轮机的工质是空气，且为定比热容理想气体热容理想气体 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考虑压气机、燃气轮机定
25、熵效率时的实际循环为循环为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12734812022/10/2729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 2022/10/27305678Ts122s34s4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：2022/10/27315678Ts122s34s4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 2022/10/2732 循环的热效率循环的热效率 2022/10/2733