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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 分析动力循环的目的在于评价该循环在热能对机械能的连续转换及能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。分析动力循环的一般方法对实际过程加以抽象和概括，将实际循环简化为理想的可逆循环，分析其热功转换效果及影响因素在理想可逆循环基础上再考虑实际循环有哪些不可逆损失，及其产生的原因、大小和改进的办法 对于实际循环，从能量的有效利用考虑，除需要进行热效率分析外，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2023/5/12 2第2 页，本讲稿共33 页 本课程主要讨论相关热力装置的理论循环
2、，重点在于分析热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 实际的气体动力循环中，在循环的不同阶段工质成份不同，有时是空气，有时是燃气 燃气的热物性与空气相近理论分析中视工质为类同空气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 实际装置的工作循环是开放式的，每个工作循环后均将废气排弃，更换新的工质 理论分析时抽象成闭式循环燃烧过程视为对工质的加热过程排气过程视为工质的放热过程2023/5/123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 1压缩机燃烧室燃气轮机234燃气轮机装置燃料空气废气燃气 燃气轮机装置工作过程 燃气轮机装置中的主要设备为透平
3、式空气压缩机燃烧室燃气轮机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产生的高温高压燃气送至燃气轮机中膨胀作功废气排放到大气中大气2023/5/12 4第4 页，本讲稿共33 页 燃汽轮机装置定压加热理想循环布雷敦循环(Brayton cycle)实际燃气轮机工作过程理想化为定压加热循环 工质视为某种定比热容理想气体工质压缩过程12为定熵的绝热过程燃烧过程23视为定压加热过程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41Ts1234PsPsP4213PsPs布雷顿循环2023/5/125第5 页，本讲稿共33 页 布雷顿循环的热效率 循环的吸热量 循环的放热量
4、布雷敦循环的热效率 Ts1234PsPs2023/5/12 6第6 页，本讲稿共33 页Ts1234PsPs由绝热过程12和34 由定压过程23和41 布雷顿循环的热效率仅取决于压缩过程的始、末态温度 布雷顿循环2023/5/12 7第7 页，本讲稿共33 页 不要与卡诺循环热效率表达式混淆 式中的T1和T2只不过是循环中1点和2点的温度，并非吸热过程和放热过程的热源温度！增压比Ts1234PsPs布雷顿循环 布雷敦循环的热效率仅取决于压缩过程的增压比 随的增大而提高 2023/5/12 8第8 页，本讲稿共33 页 布雷敦循环的功输出 燃汽轮机装置常用作航空、船舰动力装置，希望自重尽量小，输
5、出功率最大Ts1234PsPs 循环净功=两绝热过程技术功代数和 按绝热过程参数关系 2023/5/12 9第9 页，本讲稿共33 页定义增温比循环的最高温度与最低温度之比2023/5/12 10第10 页，本讲稿共33 页 当工质一定、初态1一定时 若 一定，循环净功wnet仅取决于wnet随增压比 提高先增大，到达极大值后反转减少 对应于wnet,max的为最佳增压比opt燃气轮机装置循环的净功输出wnet式中 cp、k、T1已知 图中给出了k=1.4的wnet=f(,)函数关系2023/5/1211第1 1 页，本讲稿共33 页 最佳增压比opt可利用按此条件求得的该增压比为 求得增温比
6、 愈大，opt也愈大对应的wnet,max值也愈大 燃汽轮机装置中压气机吸入的为大气，因而布雷顿循环的初始温度T1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T3在材料允许的条件下，可尽量采用高的增温比，以便获得尽可能大的循环热效率和装置功率输出 2023/5/1212第12 页，本讲稿共33 页 实际(不可逆)定压加热循环分析 实际定压加热循环是不可逆的 就热效率而言，只要吸热量和放热量一定则循环热效率一定 与加热过程和放热过程是否可逆无关 压气机和燃汽轮机工作过程的不可逆性则对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12不可逆绝热压缩，非定熵过程34不可逆绝热膨
7、胀，非定熵过程23定压加热过程41定压放热过程Ts122s34s4实际定压加热燃气轮机装置循环12341布雷顿循环12s34s12023/5/12 13第13 页，本讲稿共33 页Ts122s34s4实际定压加热燃气轮机装置循环12341 压气机定熵效率 燃气轮机定熵效率(相对内效率)实际定压加热燃气轮机装置循环的净功输出布雷顿循环12s34s1 初态1、增压比 相同情况下，实际循环的压气机功耗及燃气轮机的功输出与理想循环的差别由定熵效率表达2023/5/1214第14 页，本讲稿共33 页Ts122s34s4 实际定压加热循环吸热量 实际定压加热循环热效率2023/5/12 15第15 页，
8、本讲稿共33 页Ts122s34s42023/5/12 16第16 页，本讲稿共33 页 实际循环热效率 t随 及 的变化关系如图示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)2023/5/12 17第17 页，本讲稿共33 页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)初态、燃气轮机及压气机定熵效率一定的条件下：增压比 一定时，增温比 越大，循环的热效率t越高增温比 一定时，循环热效率 t随增压比 增大而变化有一极大值；增温比 越大该极大值越大，相应的增压比也越大增压比 对实际循环热效率的影响与对布雷顿循环的影响
9、不一样2023/5/12 18第18 页，本讲稿共33 页 提高循环增温比 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 为寻找出路，正在研究使用陶瓷材料作为替代 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：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于提高循环的热效率 从、两者对t的影响看来2023/5/12 19第19 页，本讲稿共33 页1燃烧室234带回热的燃气轮机装置燃料空气废气燃气燃气轮机压缩机567.3 燃气轮机装置定压加热
10、-回热循环 带回热的燃气轮机装置由以下主要设备组成：带回热的燃气轮机装置压缩机回热器燃烧室燃气轮机 装置的工作过程为：压缩机吸入状态为1的空气压缩至状态2，送入回热器在回热器中回热至状态5后送入燃烧室燃料喷入燃烧室燃烧生成高温高压燃气3，送入汽轮机燃气在气轮机中膨胀作功后(4)排往回热器排气在回热器中回热冷却至状态6成废气，排入大气中回热器2023/5/12 20第20 页，本讲稿共33 页 燃气轮机定压加热-回热循环1燃烧室234燃料空气废气燃气燃气轮机压缩机56 回热循环可理想化为：回热器Ts12s可逆绝热(定熵)压缩2s5定压回热(回热器)53定压加热(燃烧室)34s可逆绝热(定熵)膨胀
11、4s6定压回热(回热器)12s534s661定压放热(大气中)理想回热循环回热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理想回热达到最大可能的回热程度2023/5/12 21第21 页，本讲稿共33 页1燃烧室234燃料空气废气燃气燃气轮机压缩机56回热器Ts12s534s6 理想回热情况下：废气排放至大气时(6)冷却到压缩机出口处的工质温度T2s 新鲜工质回热后(5)达到燃气轮机的排气温度T4s 回热器中最大可能的回热量极限回热、完全回热理想回热亦称q4s6=q2s52023/5/12 22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
12、12s34s1布雷顿循环 端点状态也不改变 无论回热与否循环的净功输出不变采用回热时循环吸热量循环放热量显然吸热平均温度提高了放热平均温度降低了 极限回热循环的热效率t,12s534s61简单布雷顿循环的热效率t,B2023/5/1223第23 页，本讲稿共33 页1燃烧室234燃料空气废气燃气燃气轮机压缩机78回热器实际燃气轮机装置回热循环 实际换热器“端差”冷流体出口温度比热流体的进口温度低热流体出口温度比冷流体的进口温度高Ts12345678 最大可能回热量q46=q25=cp(T4T6)极限回热循环为1253461 实际回热循环为1273481 实际回热量q48=q27=cp(T4T8
13、)回热度实际回热对最大可能回热之比2023/5/12 24第24 页，本讲稿共33 页 燃气轮机装置回热循环一般 0.8回热度实际回热对最大可能回热之比 图示的实际回热循环1273481Ts12345678吸热量放热量循环的热效率循环端点状态已知时,据 可确定回热器出口温度T7、T82023/5/1225第25 页，本讲稿共33 页 值得注意的是，只是在增压比较小时回热措施对循环的热效率才会有较明显的影响Ts12345678 随增压比 提高，T2将不断提高当增压比高至令T2=T4 时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 船舰和航空动力装置要求有尽量小的设备自重，因而不会
14、采用回热措施 在T3不变的情况下T4不断下降，回热量愈来愈少T3 342023/5/1226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Ts12343TmaxT1 图示为两级压缩，中间冷却、两级膨胀，中间再热的燃气轮机装置理想循环第1级压缩 冷却器某中间压力定压冷却至初温第2级压缩绝热绝热燃烧室定压加热第1级燃气轮机绝热膨胀燃烧室定压再热第2级燃气轮机绝热膨胀排大气定压放热某中间压力 至最高温度2023/5/12 27第27 页，本讲稿共33 页Ts12343TmaxT1无限多级压缩、级间冷却至初温定温压缩无限多级膨胀、级间再热至最高温度定温膨胀极限极限配以完全回热时，
15、循环将成为概括性卡诺循环 从热力学理论上看来 这是燃气轮机装置工作温度范围(T1,T3)内所能达到的最大热效率！2023/5/1228第28 页，本讲稿共33 页例7-1(习题10-18的第一部分)某电厂以燃气轮机装置产生动力，向发电机输出的功率为20 MW，循环简图如图10-23，循环最低温度为290 K、最高为1500 K,循环最低压力为95 kPa、最高压力为950 kPa。循环中设一回热器，回热度为75%。压气机绝热效率 c,s=0.85，燃气轮机的相对内部效率 T=0.87。试求燃气轮机发出的总功率、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，且为定比热容理想气体 5
16、678Ts122s34s4 12s34s1为理想循环布雷顿循环 考虑压气机、燃气轮机定熵效率时的实际循环为12341 极限回热时T4=T5；T2=T6，考虑回热度时循环为12734812023/5/1229第29 页，本讲稿共33 页循环中各端点的温度：5678Ts122s34s4燃气轮机的定熵效率（相对内效率）压气机的定熵效率 2023/5/12 30第30 页，本讲稿共33 页5678Ts122s34s4由回热度的定义 燃气轮机的轴功：压气机消耗的轴功：2023/5/12 31第31 页，本讲稿共33 页5678Ts122s34s4燃气轮机的工质流率：燃气轮机发出的总功率 压气机消耗的功率 循环的吸热量 2023/5/1232第32 页，本讲稿共33 页 循环的热效率 2023/5/1233第33 页，本讲稿共33 页