燃氣輪機3完整版本

三、實際簡單循環(huán)

特點：熱力過程中有各種能量損耗，是不可逆的；工質(zhì)的熱力性質(zhì)和數(shù)量因燃燒而變。假定條件（為便于與理想循環(huán)比較）：

①具有相同的壓比

和初始溫度T1*

；

②渦輪前燃氣初溫相同，T3*=T3s*

；③環(huán)境參數(shù)均為pa、Ta，即p1*=pa

、T1*=Ta

。

比較時，暫不考慮工質(zhì)流量的差異。燃氣輪機實際簡單循環(huán)進氣、壓縮；加熱；膨脹；排氣、放熱1、實際與理想簡單循環(huán)的區(qū)別（1）進氣過程(進氣道、空濾器）

流動阻力壓力降低但總溫不變（2）壓縮過程1-2存在能損，不可逆絕熱，熵增加空氣絕熱指數(shù)相同壓比下，理想壓縮過程與實際壓縮過程所耗功的比值（3）燃燒過程2-3

存在摩擦和熱阻力，總壓降低

燃燒不完全，燃燒效率

B=0.90~1.0<1.0q1=fHu

B

，實際吸熱量降低（4）膨脹過程3-4存在能損，不可逆絕熱，熵增加

膨脹終了的壓力大于大氣壓力燃氣絕熱指數(shù)透平的實際膨脹比

T（4）膨脹過程3-4

相同的膨脹比下，實際膨脹過程與理想膨脹過程所作功的比值。（5）排氣放熱過程4-1要克服排氣道等部位的阻力，實際膨脹終壓力高于大氣壓力實際排氣放熱過程不是等壓線。燃氣輪機實際簡單循環(huán)綜合定性分析結(jié)果

由于各種不可逆因素的存在，機組性能變差。（1）壓氣機壓縮功wC增大、透平膨脹功wT減少，使機組比功wn降低，即：

wC

=wCs/

C↑

wT

=wTs

T↓

wn=wT

-wC

↓

，動力性能變差

（2）工質(zhì)吸熱量q1減少、放熱量q2增大，使機組熱效率

t降低，即：

q1=q1s

B

↓

q2=cp(T4*-T1*)↑

t=1-

q2/q1

↓

，熱經(jīng)濟性能惡化2、實際簡單循環(huán)的比功wn實際簡單循環(huán)存在各種能損，偏離了理想循環(huán)。

采用兩種方法表示不可逆程度：

(一)相當(dāng)于加熱的多變過程

用多變指數(shù)n的大小衡量過程的不可逆程度；只要確定n值，則wT和wC容易求得。

(二)引入比較直觀的參數(shù)

壓氣機絕熱壓縮效率

C；透平絕熱膨脹效率

T。

實際采用較多較少采用假設(shè)工質(zhì)仍為理想氣體，且不考慮工質(zhì)流量的變化。實際簡單循環(huán)的比功wn壓力損失工質(zhì)熱力性質(zhì)we=wn

m3、實際簡單循環(huán)的熱效率

t

e=

n

m

4、實際簡單循環(huán)的有用功系數(shù)

不考慮壓力損失、工質(zhì)物性變化和流量差異時，三、影響實際簡單循環(huán)性能的因素溫比

、壓比

；部件效率

C

T

和

B；壓力損失；工質(zhì)的熱力性質(zhì)差異；工質(zhì)流量變化；機械損失

m1.溫比

、壓比

為了簡化而又使結(jié)論不失其一般意義暫不考慮：工質(zhì)物性變化及流量差異當(dāng)各部件效率和壓力損失一定時進行討論簡化公式由簡化后的公式可知：當(dāng)壓比

=1時，比功wn=0、熱效率

t=0；當(dāng)提高時，wn和

t都增大；但當(dāng)壓比提高到所謂極限壓比時，壓氣機耗功等于透平膨脹功，比功wn=0、熱效率

t=0。最佳壓比兩種極端情況之間，必存在使比功達到極大值的最佳壓比

wmax

和使熱效率達到極大值的最佳壓比

max

。對簡化公式的

m求一階偏導(dǎo)數(shù)，并令其等于零求得。實線按計算公式計算繪制，表示比功、熱效率隨循環(huán)主要

熱力參數(shù)變化的變化規(guī)律；

虛線按最佳壓比繪制，表示最佳壓比隨溫比的變化規(guī)律。實際簡單循環(huán)比功實際簡單循環(huán)效率

C=0.87

T=0.88

B=0.98

m=0.97

cl

=0.04

=0.94

we=wn

m

e=

t

m溫比

、壓比

的影響發(fā)動機壓比的選擇Ⅰ重量尺寸是主要矛盾，例如軍用機組。

應(yīng)選在

wmax

附近，使比功最大，降低氣耗量及機組重量尺寸。Ⅱ熱經(jīng)濟性是主要矛盾，例如民用發(fā)電機組。

應(yīng)選在

max附近，使熱效率最大，把耗油率降低到最低限度。Ⅲ一般，可把壓比取在wmax與

max之間，兼顧熱經(jīng)濟性和重量尺寸。溫比

、壓比

的影響

溫比對實際循環(huán)性能的影響很大，特別是對效率的影響。

不斷地提高燃氣初溫T3*以提高效率。降低T1*也可提高溫比，從而提高效率。但T1*一般就是大氣溫度，人們不能控制。在T3*相同的情況下，燃氣輪機在冬季和寒冷地區(qū)使用時效率較高，而在夏季和熱帶地區(qū)使用時效率較低。

實際簡單循環(huán)比功：但在相同

和

時實際比功值下降較多，且較低時下降幅度大。

=2時實際比功已變?yōu)樨摰?，故圖上已無這條線。最佳壓比

wmax仍存在，只是具體的數(shù)值有所不同。理想簡單循環(huán)比功圖形相似

理想簡單循環(huán)效率實際簡單循環(huán)效率：首先，實際循環(huán)熱效率不僅與壓比

有關(guān)，且與溫比

有關(guān)。

越大熱效率越高。其次，一定的溫比

下，存在效率最佳壓比

max。再次，在

與

相同時，實際循環(huán)熱效率下降得較多，

越低時下降得越多。二者有很大差別實際簡單循環(huán)的有用功系數(shù)：與理想循環(huán)相比，變化相似。主要不同：在相同的壓比和溫比下其數(shù)值降低較多。2、部件效率

C、

T的影響

從圖看出：（1）主要是使循環(huán)比功數(shù)值減小；（2）對循環(huán)比功隨壓比

的變化趨勢無影響。理想循環(huán)（1）

C和

T對實際循環(huán)比功的影響溫比

=4

C和

T對簡單循環(huán)效率的影響

C和

T小于1時不同溫比對循環(huán)效率的影響（2）

C和

T對實際循環(huán)熱效率的影響溫比=4

C=

T=0.85首先，

C和

T不僅使效率下降，而且改變了效率隨壓比

的變化趨勢，出現(xiàn)了最佳壓比

max。其次，使實際循環(huán)熱效率與溫比有關(guān)。由此可見，導(dǎo)致實際循環(huán)效率變化的根本原因是

C和

T的影響。（3）壓氣機和透平效率的一般范圍軸流式壓氣機

C=0.85-0.90，離心式壓氣機

C=0.75-0.85；軸流式透平

T=0.85-0.92，向心式透平

T=0.75-0.88。（2）

C和

T對實際循環(huán)熱效率的影響鑒于wT>wC，在

C和

T變化相對量相同時，

T對循環(huán)比功的影響較大。可見，提高透平效率

T對改善循環(huán)性能的影響，要比提高壓氣機效率

C的影響大。3、燃燒效率

B的影響一般0.96～0.99，多數(shù)達0.98左右，已達到很高水平。

B主要影響循環(huán)效率：工質(zhì)在燃燒室中達到要求的溫升時，實際所需燃料量大于理論所需的量，故

B下降時

t降低。

B對循環(huán)比功的影響很小，基本無影響。

通過影響燃料流量qf，影響工質(zhì)流量的差別，進而影響比功。但燃料流量一般僅占1%～2%。

B變化的相對量，就是它對效率

t、

e影響的相對變化量。式中298—燃料低位發(fā)熱值測量時基準(zhǔn)溫度，K；T2*、cP

—燃燒室進口空氣溫度K和比熱容kJ/(kg

K)；Tf

、cPf—燃料的溫度K和比熱容kJ/(kg

K)；液體燃料cPf≈2kJ/(kg

K)T3*、cPg

—燃燒室出口燃氣溫度K和比熱容kJ/(kg

K)。4、壓力損失的影響

壓力損失由進氣道流動阻力、燃燒室流阻和熱阻、排氣道的流動阻力引起的。

壓力損失減小了透平膨脹比，使透平比功減少，導(dǎo)致循環(huán)比功和熱效率下降較多。

T=

↓

，一般

=0.96~0.90。

壓力損失對比功的影響

壓力損失對效率的影響

C=0.87

T=0.88

B=0.98

=5

=5壓力損失使循環(huán)的比功和熱效率下降較多。其他因素的影響5、工質(zhì)流量的差別透平進口的燃氣流量與壓氣機進口的空氣流量不一樣。通常qT

/q<1

，導(dǎo)致實際循環(huán)比功和效率下降。燃氣空氣燃料漏氣和冷卻用空氣燃料空氣比漏氣和冷卻用的相對空氣量視T3*高低和冷卻狀況而變化透平葉片冷卻對

e的影響一般來說，葉片冷卻效果好的T3*高，效率

e高。但是要考慮冷卻空氣量增大對

e下降的影響。改進透平葉片冷卻技術(shù)，在提高冷卻效果的同時，冷卻空氣量增加較少或很少。圖2-15透平冷卻空氣消耗對性能的影響———無冷卻空氣（理想的）

—

—

—有冷卻空氣六、機械損失在燃氣輪機中，還有軸承摩擦和傳動輔機等機械損失，可用機械效率

m來表示。we=wn

m

m一般可取為0.99。機械損失使we和

e降低，因而在設(shè)計燃氣輪機時應(yīng)盡可能地減少這部分損失。7、工質(zhì)熱力性質(zhì)的差別空氣與燃氣的組成成分是不一樣的，它們的熱力性質(zhì)不同。為使循環(huán)計算更準(zhǔn)確，除需考慮焓值隨溫度的變化外，還應(yīng)考慮工質(zhì)不同的影響。目前，國內(nèi)廣泛應(yīng)用吳仲華燃氣熱力性質(zhì)表來計算氣體的熱力性質(zhì)。工質(zhì)熱力性質(zhì)的差別粗略估算時：過程分段，各段按平均溫度計算cp和k。附錄B更為粗略的計算：采用定值比熱容和定值絕熱指數(shù)計算?？諝猓篶p=1.005kJ/(kg

K)，k=1.4；燃氣：cpg=1.147kJ/(kg

K)，kg=1.333；空氣及燃氣的氣體常數(shù)：Rg=0.287kJ/(kg

K)。工質(zhì)熱力性質(zhì)的差別詳細精確的計算：宜查用詳細的圖表，目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用吳仲華“燃氣熱力性質(zhì)表”。在燃料品種差別較大時，也需要做出適當(dāng)?shù)男拚?，例如重油和天然氣，具體見附錄B相關(guān)內(nèi)容。采用計算機進行熱力計算時：將熱力性質(zhì)擬合成多項式表示更為合適。

對于空氣的熱力性質(zhì)比熱容cp、焓h和相對壓比

0

可以用溫度T為變量的多項式：——空氣的比熱容cp、焓h和相對壓比

0的系數(shù)?！細獾谋葻崛輈pg、焓hg和相對壓比

g0的修正項系數(shù)。對于由標(biāo)準(zhǔn)燃油產(chǎn)生的燃氣空氣比為f的燃氣的熱力性質(zhì)，可加上燃氣的修正項，其表達式：給定了各系數(shù)、溫度T和燃料空氣比f后，就可算出空氣和燃氣的熱力性質(zhì)。表2-1計算空氣和燃氣的熱力性質(zhì)的系數(shù)表系數(shù)空氣系數(shù)燃氣修正項cphln

0cpghgln

g0E01047.8389-4040.62.81661E

0261.067080.010.276527Eln003.650244E

ln000.921799E1-0.38813451047.8389-1.352102

10-3E

19.2322154278.24020.03217804E28.8819258

10-4-0.194067271.547050

10-6E

2-0.01866944.6061438-3.2535245

1