02第二章 燃气轮机基本原理和计算.

k k 1
可见 ，
opt,i
k 1 k
1)
2.等压加热过程（2-3）
在燃烧室中完成
1 2 1 2 q23 V2 h2 w23 V3 h3 2 2
其中：w23=0；V2=V3 工质吸收热量为
q1 q23 h3 h2 C p (T3 T2 ) C pT1 (
k 1 k

k 1 k
)
4.等压放热过程（4-1）
1 2 1 2 q41 V4 h4 w41 V1 h1 2 2
其中：w41=0；V3=V4 工质放出热量为
q2 q41 h4 h1 C p (T4 T1 ) C pT1 (

k 1 k
1)
整个循环中，单位质量工质
整个绝热压缩过程，对单位质量工质 所作的机械功为
wc,i wc1,i wc 2,i h2 h1
对单位质量工质所作的机械功为
wc ,i wc1,i wc 2,i h2 h1 C p (T2 T1 ) C pT1 (
Cp—定压比热 k----比热比 ---压比 =p2/p1
其中：q11’=0；w11’=0 进气道中，工质动能减小，静焓增加，对工 质作的压缩功为
wc1,i
1 2 1 2 V1 V1' h1' h1 2 2
航空燃气轮机：整个压缩过程分两个阶段完成
2). 在压气机中完成（1’-2） 对单位质量工质所作的机械功为
wc 2,i w1' 2 h2 h1'
从高温热源（燃烧室）中吸收能量
q1 q23 h3 h2 C p (T3 T2 ) C pT1 (

西门子 燃气轮机
，
GE 燃气轮机
，
三菱燃气轮机
，
2、燃气轮机结构组成
❖ 2.1轴流式压气机
❖ 压气机负责从周围大气中吸入空气，增压 后供给燃烧室，分轴流式压气机与离心式压 气机（应用较少），这里介绍轴流式压气机。
❖ 轴流式压气机的叶轮由叶片与叶盘组成， 工作原理如同电风扇的叶片，叶片旋转时拨 动空气，流动产生风；压气机的叶轮旋转把空 气推进气缸压缩。
❖ 理论上进入燃烧室的空气压力越高越好，实际上综合各 种因素，，压比较多为 12 至 20。燃气轮机的压气机由本身 的涡轮机带动，燃气轮机启动时，先使用外动力带动压气 机旋转，把空气压入燃烧室。燃气轮机点火后进入运转状 态，则转变至由涡轮带动压气机旋转压气。
西门子 燃气轮机
西门子 燃气轮机
西门子 燃气轮机
1、燃气轮机基本原理
❖ 电站燃气轮机循环主要性能指标：
压比：压气机出口的气体压力P2*与进口的气体压力P1* 之比值，反映工质被压缩的程度。 温比：循环最高温度t3*（燃气初温：第一级喷嘴后缘 平面处的燃气的平均滞止温度）与最低温度t1*之比值。 比功：是指相应于进入燃气轮机的每lkg空气，在燃气 轮机中完成一个循环后所能对外输出的功。 单机功，率：燃气轮发电机组的输出电功率PGTG，为主要的 性能指标。 热效率：当工质完成一循环时，把外界加给工质的热量 转化成为机械功或电功的百分数。
❖ 燃气轮机定义：燃气轮机是将燃料（石油、天然 气）的能量转化为某种形式的有用功，例如机械 功或者高速喷气式动力装置的推力。
❖ 最简单的燃气轮机包括三部分：压气机、燃烧室、 涡轮。
❖压气机——压缩空气（消耗功） ❖燃， 烧室——燃料与空气燃烧（化学能转化为热能） ❖涡 轮——燃气膨胀做功，一部分功用来带动压

opt
* * 2 ( m T f ) * m * T f 2
A i p
2
(1 A )
B
2 * ( m * T f)
功分配系数的选择
地面静止条件下， Co 0, A 0 假设 p p p * * 当功分配系数为最佳时， C j C jmT f 如果不存在机械损失和流动损失， C j C j 功分配系数的选择往往比最佳值小些，即
混合排气涡扇发动机是其外涵的空气与内涵燃气 （涡轮后）相掺合，有利于增加推力（如果混合 器内掺混过程完善的话）、降低油耗（排气效率 提高），一般用于小涵道比涡扇发动机中； 涵道比较大的涡扇发动机，采用混合排气方案不 能明显地增加发动机推力（混合器内总压损失 大），却增加了发动机的重量，一般采用分开排 气方案。 实践证明，当外涵空气总压与内涵燃气涡轮后总 压相等时，掺混过程造成的总压损失最小。
涡扇发动机的诞生
二战后快速发展的亚音速民航飞机和大型运输机， 飞行速度要求达到高亚音速，耗油量要小，因此 发动机效率要很高。如果要让涡喷发动机提高推 力，则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比， 这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产 生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此涡喷发动 机油耗大，对于商业民航机来说是个致命弱点。 涡轮喷气发动机的效率已经无法满足这种需求， 使得上述机种的航程缩短。因此一段时期内出现 了较多的使用涡轮螺旋桨发动机的大型飞机。
涡扇发动机的诞生
上世纪50年代，美国的NACA(即NASA 美国航空 航天管理局的前身)对涡扇发动机进行了非常重要 的科研工作。55到56年研究成果转由通用电气公 司 (GE) 继续深入发展。 GE 在 1957 年成功推出了 CJ805-23型涡扇发动机。但最早的实用化的涡扇 发动机则是普拉特· 惠特尼(Pratt & Whitney)公司 的 JT3D 涡扇发动机。实际上普 · 惠公司启动涡扇 研制项目要比 GE 晚，他们是在探听到 GE 在研制 CJ805 的机密后，匆忙加紧工作，抢先推出了实 用的JT3D。

5 ． 运动方程 对于一元定常流（同乘以 对于无粘流：
6．动量矩方程和轮缘功 ）：
作用在物体上的外力矩之和，等于该物体动量矩对时 间的变化率！
对于无粘理想流：
图 推导动量矩方程用图
第二讲：第二章
叶轮机械气动力学基本方程
第二讲：第二章
叶轮机械气动力学基本方程
设 M为对转子轴的外力矩之和，则 ：
考察气流流过工作轮的情况，如图所示，取一控 制体 1-1-2-2。 1-1和 2-2截面分别位于工作 轮的进、出口。经过 t 时间后，由于气流的 流 动，原控 制体内的气 流流至 1`-1`-2`2` 。又由于是定常流，所以 1`-1`-2-2内的 气流的参数不变，则原控制体内气流的动量矩 的变化可写为：
RM 8 .3 1 4 M 分子量
空气、燃气可视为理想气体 Cp= ？？
第二讲：第二章
连续方程：
叶轮机械气动力学基本方程
第二讲：第二章
1．连续方程
叶轮机械气动力学基本方程
N-S方程：
能量方程：
这些式只对一维流成立
第二讲：第二章
1．连续方程
叶轮机械气动力学基本方程
第二讲：第二章
1．连续方程
叶轮机械气动力学基本方程
其中： ：加入气体微团的微热量 ：外界加给气体微团的微热量； ： 气体微团运动时的摩擦损失，与由于摩擦阻 力 产生并加给气体微团的摩擦热（ ）相等，且 始终为正值。
第二讲：第二章
4．伯努利方程 （ 1）定坐标系
叶轮机械气动力学基本方程
第二讲：第二章
（ 1）定坐标系
叶轮机械气动力学基本方程
由定坐标系下的热焓方程式和热力学第一定律式可得：
下标 “1”、 “2”分别表示控制体的进、出口截面。