燃气轮机12-PPT课件.ppt

1、第三章第三章 燃气涡轮燃气涡轮概述概述（功能、分类、基本结构等）（功能、分类、基本结构等）；轴流式燃气涡轮的工作原理；轴流式燃气涡轮的工作原理；轮周功、轮周效率、速度比；轮周功、轮周效率、速度比；多级涡轮；多级涡轮；涡轮特性涡轮特性；燃气涡轮的冷却。燃气涡轮的冷却。多级涡轮一般为多级轴流式涡轮（25级）分为速度多级涡轮和压力多级涡轮速度级涡轮（速度级涡轮（冲动式）冲动式）n整个涡轮的等熵焓降均在整个涡轮的等熵焓降均在喷嘴中被转换成气体的动喷嘴中被转换成气体的动能，而在工作动叶栅中仅能，而在工作动叶栅中仅发生绝对速度降低、将动发生绝对速度降低、将动能转化为机械功。能转化为机械功。n喷嘴中：喷嘴中

2、：H1s=Hs双级速度级涡轮简图双级速度级涡轮简图n多级速度级涡轮的最多级速度级涡轮的最高效率比单级冲动式高效率比单级冲动式涡轮的要低得多。涡轮的要低得多。n原因：原因：n气流速度高且流动阻气流速度高且流动阻力增加。力增加。双级速度级涡轮简图双级速度级涡轮简图压力级涡轮压力级涡轮（反动式）（反动式）n由一系列反动式涡轮级由一系列反动式涡轮级串联组成。串联组成。n每一级都有压力降，涡每一级都有压力降，涡轮中压力逐级降低；轮中压力逐级降低；n气流绝对速度在每一级气流绝对速度在每一级喷嘴中得到提高，而在喷嘴中得到提高，而在每一级工作叶栅中得到每一级工作叶栅中得到利用。利用。n余速损失较少，效率比余速

3、损失较少，效率比单级的高。单级的高。n应用较多。应用较多。三级压力级涡轮简图三级压力级涡轮简图六、多级涡轮的基本参数六、多级涡轮的基本参数（压力级）（压力级）多级压力级涡轮的基本参数多级压力级涡轮的基本参数1 1、膨胀比、膨胀比 T T*2 2涡轮的轴功率涡轮的轴功率 （1 1）内功率）内功率N NT T涡轮内功涡轮内功L LT T为各级轴功之和为各级轴功之和为级数。nTnTT*2*1*T niisstniisstiniiniTiTHHHLL1*1*1*1)(设各级的级效率相同内功率（轴功率）内功率（轴功率）。为为燃燃气气流流量量，kg/skWTTTTGLGN kW*TTsTTLGN)kJ/k

4、g1(1 *3TTkkTpTTsTCLkW103uTTLGNJ/kg2221222221wwccLu或者：或 (2)(2)有效功率有效功率mTeNN 3 3涡轮的效率涡轮的效率 T T*（绝热膨胀效率绝热膨胀效率）n假设各级的级效率相等假设各级的级效率相等*1*sniisstsTHHHH*1*sniisHH*sni*isH)(H11令令由于重热，*st*st)(1多级涡轮的效率比单级效率要高多级涡轮的效率比单级效率要高。涡轮重热系数涡轮重热系数)(*nfstT，0.020.01一般，。数数愈愈多多，重重热热愈愈有有利利，系系级级数数；重重热热愈愈明明显显，则则愈愈低低，则则磨磨擦擦热热愈愈大大

5、，级级效效率率；得得到到更更大大应应用用，故故擦擦热热在在后后面面诸诸级级中中愈愈大大，涡涡轮轮前前几几级级的的磨磨膨膨胀胀比比n(3)(2)(1)st*T注意注意:重热效应回收的摩擦热仅仅是流动阻力损失的一小部分，所以流动阻力增加总是导致涡轮效率降低的。七、多级轴流式涡轮的通流部分型式七、多级轴流式涡轮的通流部分型式n在轴流式涡轮中，随着气流压力沿流程逐级下降，气在轴流式涡轮中，随着气流压力沿流程逐级下降，气流密度也逐级减小。流密度也逐级减小。n根据连续性方程根据连续性方程G=G=A A c cx x可知，这将导致气流轴向分可知，这将导致气流轴向分速速c cx x增加，或者通流面积增加，或者

6、通流面积A A增加。增加。n一般同时采用一般同时采用逐级增加轴向分速和叶片高度的办法。逐级增加轴向分速和叶片高度的办法。n多级轴流式涡轮的通流部分逐级渐扩。三种型式三种型式Dt=constDm=const等外径等外径等内径等内径等平均直径等平均直径Dh=const1、等外径的通流部分、等外径的通流部分结构：结构：外径外径D Dt t相同相同 内径内径D Dh h和平均直径和平均直径DDmm则沿流程逐级降低。则沿流程逐级降低。优点：优点：涡轮的径向尺寸较小，机壳的加工制造方便。涡轮的径向尺寸较小，机壳的加工制造方便。缺点：缺点：内径较小，叶片较长，叶片扭曲较剧烈。内径较小，叶片较长，叶片扭曲较剧

7、烈。特别是体积流量很大时，叶片更长，受材料强度限制。特别是体积流量很大时，叶片更长，受材料强度限制。应用：应用：用于航空和舰船燃气轮机。用于航空和舰船燃气轮机。2、等内径的通流部分、等内径的通流部分结构：结构：内径内径D Dh h相同相同 外径外径D Dt t和平均直径和平均直径DDmm则沿流程逐级增加。则沿流程逐级增加。优点：优点：叶片高度较小，则叶片扭曲不甚剧烈。叶片高度较小，则叶片扭曲不甚剧烈。工作叶轮加工方便。工作叶轮加工方便。缺点：缺点：涡轮的径向尺寸变化剧烈。特别是体积流量涡轮的径向尺寸变化剧烈。特别是体积流量变化很大时，易引起气流脱离，流阻增加。变化很大时，易引起气流脱离，流阻增

8、加。因外径因外径D Dt t逐级增加，机壳加工较繁。逐级增加，机壳加工较繁。应用：应用：地面固定式燃气轮机地面固定式燃气轮机。3、等平均直径的通流部分、等平均直径的通流部分n结构：结构：平均直径平均直径DDh h相同相同n 外径外径DDt t逐级增加，内径逐级增加，内径DDh h逐级减小。逐级减小。n优缺点：优缺点：介入以上二者之间介入以上二者之间 叶片扭曲不甚剧烈；涡轮的径向尺寸变化不太剧烈。叶片扭曲不甚剧烈；涡轮的径向尺寸变化不太剧烈。应用：应用：涡轮通流部分的扩张角不大，广泛应用。涡轮通流部分的扩张角不大，广泛应用。3-3 涡轮特性n设计工况：n涡轮级的通流部分形状和各级叶片的几何参数，

9、均与设计工况的气流速度三角形一致n能保证气流绕流叶片时不致于产生撞击和分离。n变工况：n在不同条件下的实际运行工况，往往会偏离设计工况，在变工况下工作。一、涡轮的变工况n所谓涡轮工况的变化，通常指各工况参数的变化：n(1)(1)转速转速n nT T；n(2)(2)涡轮级前压力和温度（涡轮级前压力和温度（p p3 3*、T T3 3*）等进气参数的变化）等进气参数的变化；n(3)(3)涡轮级后背压涡轮级后背压 （p p4 4）等参数的变化。）等参数的变化。n会导致各级间的焓降重新分配、速度三角形的变化以及在叶片进口出现冲角等；n最终必将引起涡轮级的综合参数的变化，如流量、轴功以及效率等性能参数。

10、涡轮特性涡轮特性n研究在非设计工况下，涡轮的研究在非设计工况下，涡轮的性能参数性能参数依从于涡轮依从于涡轮工况参数工况参数变化时的规律性。变化时的规律性。流量、功率、效率等转速、进气参数、背压等涡轮的变工况举例n涡轮变工况时，喷嘴出口气流角1变化很小，但叶轮的气流进气角1变化可能很大，而动叶片几何进气角1c不变n冲角冲角i=1c-1发生变化发生变化n气流进入工作叶栅时，会发生撞击和分离，气流进入工作叶栅时，会发生撞击和分离，冲角愈大愈严重。冲角愈大愈严重。涡轮变工况时，速度比u/c1会变化（一）出现正冲角（一）出现正冲角i0（1）气流撞击叶腹前缘；气流撞击叶腹前缘；在叶背引起旋涡和分离。在叶背

11、引起旋涡和分离。（二）出现负冲角（二）出现负冲角i0（1）气流撞击叶背前缘；气流撞击叶背前缘；在叶腹引起旋涡和分离。在叶腹引起旋涡和分离。n流阻增加，涡轮效率下降。n用特性曲线定量估算这种影响。u/c1 u/c1 工作叶片表工作叶片表面面(或喷嘴出或喷嘴出口处口处)引起旋引起旋涡和分离涡和分离二、涡轮特性线的表示方法n通常通常采用相似参数采用相似参数来绘制，以相似参数为坐来绘制，以相似参数为坐标绘制的特性线为标绘制的特性线为通用特性通用特性，不受具体参数，不受具体参数变化的影响。变化的影响。*3*3TGpT*4*3*ppT*TTn3*TTL3*T涡轮特性的表示涡轮特性的表示 Tn,G*3T*T

12、1*3*3TfpT Tn,*3T*T2*fT Tn,*3T*3*31*TpTGfT Tn,*3T*3*32*TpTGfT或者或者一般一般三、涡轮级的特性线三、涡轮级的特性线*TTn3最佳最佳)(1cu*TTn3T*(T*)maxT*(T*)最佳最佳临界压比临界压比(气流速度达到当地音速气流速度达到当地音速)*TpTG33max33)(*TpTG 效率特性效率特性流量特性流量特性特性曲线的变化特点特性曲线的变化特点流量特性线流量特性线n当转速不变，膨胀比当转速不变，膨胀比 T T*达到临界比值时，流量达到临界比值时，流量达到最大值。若继续增大达到最大值。若继续增大 T T*值，则最大流量值值，则

13、最大流量值保持不变，级的通流部分出现堵塞现象。保持不变，级的通流部分出现堵塞现象。n在相同的膨胀比下，转速降低，会使流量有所在相同的膨胀比下，转速降低，会使流量有所增加，但影响相当小。增加，但影响相当小。*TTn3最佳最佳)(1cu*TTn3T*(T*)maxT*(T*)最佳最佳临界压比临界压比(气流速度达到当地音速气流速度达到当地音速)*TpTG33max33)(*TpTG 效率特性效率特性流量特性流量特性效率特性线效率特性线n在一定的转速下，与最佳速度比相对应的膨在一定的转速下，与最佳速度比相对应的膨胀比胀比(T T*)为最佳，涡轮效率最高。当膨胀比为最佳，涡轮效率最高。当膨胀比增加或减少

14、时，都使速度比偏离最佳值，导增加或减少时，都使速度比偏离最佳值，导致流阻增大，效率下降。致流阻增大，效率下降。n转速降低时，效率曲线向膨胀比减小的方向转速降低时，效率曲线向膨胀比减小的方向移动，相应的最高效率也有所减小。移动，相应的最高效率也有所减小。*TTn3最佳最佳)(1cu*TTn3T*(T*)maxT*(T*)最佳最佳临界压比临界压比(气流速度达到当地音速气流速度达到当地音速)*TpTG33max33)(*TpTG 效率特性效率特性流量特性流量特性四、多级涡轮的特性线四、多级涡轮的特性线与涡轮级特性非常相似，但具有以下特点：与涡轮级特性非常相似，但具有以下特点：、多级涡轮的总膨胀比变化

15、时，对第一级、多级涡轮的总膨胀比变化时，对第一级喷嘴工作的影响最小，而对最后一级工作喷嘴工作的影响最小，而对最后一级工作叶栅的影响最大。叶栅的影响最大。、当多级涡轮的总膨胀比不变时，转速参、当多级涡轮的总膨胀比不变时，转速参数的变化对各级膨胀比的分配影响很小数的变化对各级膨胀比的分配影响很小。涡轮总膨胀比变化时的影响涡轮总膨胀比变化时的影响n当膨胀比小于设计值时，各级膨胀比均会减小当膨胀比小于设计值时，各级膨胀比均会减小：n 最后一级的膨胀比减小得最多；最后一级的膨胀比减小得最多；n 而第一级喷嘴的膨胀比减小得最少。而第一级喷嘴的膨胀比减小得最少。n当膨胀比大于设计值时，各级膨胀比和当膨胀比大

16、于设计值时，各级膨胀比和c cx x均增加均增加 ：n 最后一级工作叶栅的膨胀比增加得最多；最后一级工作叶栅的膨胀比增加得最多；n 而第一级喷嘴的膨胀比增加得最少而第一级喷嘴的膨胀比增加得最少。n c cx x增加直到涡轮出口处增加直到涡轮出口处c cx x达到当地音速为止达到当地音速为止n 其他各级其他各级c cx x均小于当地音速。均小于当地音速。膨胀比膨胀比 T*轴向分速轴向分速 cx3-4 3-4 轴流式透平与轴流式压气机的比较轴流式透平与轴流式压气机的比较n在工作原理、叶栅结构方面的比较在工作原理、叶栅结构方面的比较n自学内容自学内容 P94-96n改错改错：nP94 L=u(c1u

17、+c2u)=(c12-c22)/2nP95 2个速度三角形中个速度三角形中u的方向的方向标注标注n 1 2 n 转折角转折角n LcLcs 第四章第四章 轴流式压气机轴流式压气机 与轴流式透平的基本结构与轴流式透平的基本结构自学内容自学内容 P97-115重点：重点：4-3 4-3 燃气涡轮的冷却燃气涡轮的冷却4-3 4-3 燃气涡轮的冷却燃气涡轮的冷却n提高燃气初温提高燃气初温是提高燃气轮机性能最关键的因素。是提高燃气轮机性能最关键的因素。n着重研究着重研究叶轮和叶片的冷却叶轮和叶片的冷却问题问题：n 工作叶轮的应力最大；工作叶轮的应力最大；n 叶片承受的温度最高叶片承受的温度最高。效效）冷

18、冷却却涡涡轮轮零零件件（行行之之有有）采采用用耐耐合合金金材材料料（有有限限*T3一、叶轮的冷却一、叶轮的冷却n叶轮的冷却是靠压气机出口叶轮的冷却是靠压气机出口或从中间级抽出来的空气进或从中间级抽出来的空气进行冷却的。行冷却的。n冷却方式两类：冷却方式两类：n第一类：第一类：叶轮间隙吹风冷却（叶轮间隙吹风冷却（a a）n 冷却效果好，但易阻塞。冷却效果好，但易阻塞。n第二类：第二类：轮面吹风冷却（轮面吹风冷却（b b）n 安全可靠，但对叶根和轮缘的安全可靠，但对叶根和轮缘的冷却效果较差。冷却效果较差。加装导流罩加装导流罩n均被广泛应用。均被广泛应用。所有燃气轮机均所有燃气轮机均已采用叶轮冷却已

19、采用叶轮冷却轮缘轮缘叶根叶根轮面轮面动叶平台表面动叶平台表面300-400 二、叶片的冷却二、叶片的冷却n非常复杂非常复杂：叶片整个浸浴在高温燃气中，无法实现：叶片整个浸浴在高温燃气中，无法实现外部冷却；叶片本身尺寸小，形状也比较复杂，内外部冷却；叶片本身尺寸小，形状也比较复杂，内部冷却复杂。部冷却复杂。n分类：分类：n按冷却介质分：按冷却介质分：n 气冷气冷：压气机的高压空气；广泛应用。：压气机的高压空气；广泛应用。n 液冷液冷：水、氟里昂、液态金属等，结构复杂，：水、氟里昂、液态金属等，结构复杂，n 易过冷或过热；应用较少。易过冷或过热；应用较少。“发散发散”冷却冷却按冷却方式分：按冷却方

20、式分：n内部冷却（又称对流冷却）内部冷却（又称对流冷却）n 方法简单，但冷却效果差。方法简单，但冷却效果差。n气膜冷却（外冷却气膜冷却（外冷却)n 冷却效果很好，结构较简单。冷却效果很好，结构较简单。n发散冷却（发汗冷却）发散冷却（发汗冷却）n 冷却效果最好，同时消耗冷却介质最少。冷却效果最好，同时消耗冷却介质最少。n采用叶片冷却，采用叶片冷却，叶片的平均温度可降低叶片的平均温度可降低300400以上以上，可有效减轻金属的热负荷降低成本；，可有效减轻金属的热负荷降低成本；n或使用同样的金属材料，可有效地提高燃气初温。或使用同样的金属材料，可有效地提高燃气初温。冷却效果最好冷却效果最好冷却效果最差冷却效果最差第五章第五章 燃烧室燃烧室