燃气轮机原理第一章 绪论.ppt

燃气轮机原理第一章绪论,1-1燃气轮机原理,燃气轮机三大基本部件压气机Compressor燃烧室BurnerCombustionChamber涡轮Turbine另外，还有控制系统和辅助设备。,涡轮喷气发动机简图,燃气的膨胀功必应大于空气在压气机中被压缩所需要的功，这样就有部分富裕的功可以被利用。,燃气轮机的膨胀功分为一部分通过传动轴传递给压气机用以压缩吸收入燃气轮机的空气；其余的膨胀功对外输出用于发电、车辆和舰船时输出功是通过涡轮来完成的；用于飞机时输出功是由尾喷管来完成的。,活塞发动机,早期飞机动力装置是活塞发动机与螺旋桨的组合,燃气轮机与活塞式发动机的不同之处活塞式发动机工作时，空气是间断地进入气缸，气体的压缩、燃烧和膨胀过程发生在同一气缸中。燃气轮机工作时，空气是连续不断地被吸入，气体的压缩、燃烧和膨胀过程分别在压气机、燃烧室和涡轮或尾喷管等不同部件中进行。,活塞式发动机发展制约,螺旋桨在飞行速度达到800千米/小时约222m/s的时候，桨尖部分实际上已接近了音速，跨音速流场使得螺旋桨的效率急剧下降，推力不增反减；螺旋桨的迎风面积大，阻力也大，极大阻碍了飞行速度的提高；随着飞行高度提高，大气稀薄，活塞式发动机的功率也会减小。,燃气轮机的优势,没有往复运动部件的旋转机器，转子易于平衡，适于高速旋转；功率与转速成正比，高转速机器本身意味着可以是功率大、尺寸小的机器；没有复杂的进、排气活门装置，气流流入叶片机时比较顺畅，有利于在单位时间内实现大量工质和叶片机之间的能量交换。上世纪50年代已基本上取代了活塞式发动机。,RobertThomasSawyerMr.GasTurbine,Ihavefrequentlybeenaskedthequestion,‘WillthegasturbinesupersedetheDieselengine’Myanswertothatisthatthewrongwordhasbeenused.ThegasturbinewillsupplementtheDieselengine.Thetwowillgohandinhand.Thegasturbineisheretostayandbecausethegasturbineishere,itmeansthattheDieselenginewillhaveagreaterfuturethaniteverhadwithoutthegasturbine.,燃气轮机工质循环方式,大多采用等压开式循环opentoair以空气作为工质，将做功完了的燃气排入大气。少数采用闭式循环工质加压后采用外燃方式空气锅炉、原子反应堆等加热，膨胀做功。然后经冷却器排热，再进入压气机。工质密闭循环使用，可选择理想工质，如氦气。,1-2燃气轮机发展简史,959年我国民间开始流行的走马灯,1550年达芬奇设置在壁炉烟道中的叶轮共同特征是把气体的动能转化为机械功的回转式原动机械。Thedevelopmentofthegasturbinewascharacterizedbyanumberofpatents.Manyoftheearlydesignswereneverbuilt,andthosethatwerebuiltusuallyproducedextremelylowpoweroutputsifanyatall.,燃气轮机发展的制约因素,空气动力学压气机和涡轮效率太低，仅为65和70，甚至涡轮功不足以满足压气机耗功需要。冶金学无法提供能在燃气温度700-800℃以上可靠工作的耐热合金。直到上世纪20年代也未能研制成一台燃气轮机。,1939年8月27日装有航空燃气轮机的飞机在德国首次获得成功。设计和建造者HansvonOhain1941年5月15日，英国的第一架装有航空燃气轮机的飞机也试飞成功。设计和建造者SirFrankWhittle特别是军用航空领域，用于歼击机的涡轮喷气发动机首先得到了迅速的发展。,SirFrankWhittleandHansvonOhain,1909年，冯如驾驶我国的第一架飞机飞上蓝天；1958年7月26日，新中国第一架自行设计的喷气式飞机“歼教1”（歼击教练机1型）起飞；在百年中国航空史上是有着划时代的意义的。起点高，直接切入了世界航空业的前沿阵地。,1961年投入生产的“初教6”（初级教练机），是投入生产的我国第一架自行设计的飞机；到20世纪末，已经连续生产了40多年，共产出约2600架，受到飞行教员和学员的交口称赞，并出口国外，受到广泛欢迎。50年代末，“强5”（对地攻击的强击机），我国第一种出口创汇的战斗机种。,1980年9月26日，“运10”（大型运输机，是144-180座的四发动机大型喷气客机）完成了首次试飞；我国的航空技术进入了大型喷气飞机领域，这是20世纪后半叶航空技术的前沿，使我国设计的飞机首次从十吨级向百吨级冲刺；它的性能和技术水平大体相当于当时美国已研制成功的波音707；1985年，“运10”因缺乏经费3000万而中断试飞。,航空燃气轮机jetengine的种类,涡轮喷气涡喷发动机turbojet,航空燃气轮机jetengine的种类,涡轮风扇涡扇发动机turbofan,航空燃气轮机jetengine的种类,涡轮螺桨涡桨发动机turboprop,航空燃气轮机jetengine的种类,涡轮轴涡轴发动机turboshaft,航空燃气轮机jetengine的种类,冲压发动机ramjet,scramjet,以推重比划分航空发动机的年代,第一代50-60推重比3-4第二代推重比5-6我国主力机群水平米格-29苏-27第三代推重比7.5-8目前欧美水平F15F16幻影2000第四代推重比102004年服役第五代推重比15-20预计2020年投入使用,航空燃气轮机的应用,上世纪70年代起，军用歼击机的发动机采用小涵道比的涡轮风扇发动机；上世纪50年代后，大型运输机和旅客机的发动机广泛采用涡轮风扇发动机；地面动力装置（舰船），采用航机它用，加装一支动力涡轮。,航机它用,去掉尾喷管（nozzle），加装一支动力涡轮,,航空燃气轮机的应用,Today,thegasturbineiswidelyused.Duringtheperiodfromthegrantingofthefirstpatentin1791tothepresent,thegasturbinehasbeendevelopedintoaveryreliable,versatileenginewithahighpower-to-weightratio.Itisusedexclusivelytopowerallnewcommercialairplanes.Mostbusinessaircraftarepowerbyoneoranotherofagasturbine.Thegasturbinehasbeenusedtopowerboatsandtrains,hasbeenwidelyacceptedforelectricpowergeneratorsandgaspipelinecompressordrives,andisbeingtestedforuseinbusesandtrucks.Ithasbeentestedextensivelyasapowerplantforanautomobile.,我国燃气轮机的发展,上世纪50年代中期开始仿制苏联的发动机仿制成功以后不断地改进和改型中国特色的wp6、wp7系列发动机，用于强五、歼6、歼7和歼8上地面燃气轮机，1500kw-2300kw石油资源有限，燃气轮机电站没有得到推广,整体煤气化联合循环机组IGCC,由气化炉装置和燃气-蒸汽联合发电机两部分组成燃气轮机以煤作为高温热源充分利用燃气轮机的排气余热蒸汽轮机输出热水和蒸汽，建成热电联供的热电站热效率最高，最洁净,燃气轮机的主要优点,重量轻、体积小、启动快少用水或不用水便于集中控制适宜燃烧多种燃料润滑油和冷却水消耗少振动和低频噪音小运行维护方便，费用低,燃气轮机的主要优点,与蒸汽轮机电站比，燃气轮机电站金属消耗量可以减少3-5倍厂房占地面积缩小2.5-4倍机组能在10-15分钟内，从冷态起动、加速直到带上全负荷,燃气轮机的主要缺点,与蒸汽轮机和活塞式发动机比，燃气轮机的主要缺点是热效率偏低，油耗率偏高部分负荷条件下，热效率显著下降,燃气轮机的发展方向,提高热效率提高燃气温度初温研制高温材料表面保护层渗铝、铬、钴、陶瓷技术研制特种陶瓷叶片耐热温度1300-1700℃改进冷却技术气膜、发散冷却技术降低叶片表面温度500-800℃以25℃/年的速度提高初温,燃气轮机的发展方向,提高热效率提高燃气轮机的增压比提高单级压比采用超跨音速级，级压比1.5-2.0时仍维持尚好的效率正在研究的级压比高达3.5提高整机压比改善级间匹配，采用可转导叶和双转子，总压比可达35以上,燃气轮机的发展方向,提高热效率余热利用回热利用排气加热进入燃烧室的空气燃气蒸汽联合循环利用余气产生蒸汽，增加做功量总能量综合利用热电联供,燃气轮机的发展方向,燃烧便宜燃料同时限制污染及腐蚀重燃料处理煤的气化和液化，重油处理如沉淀、过滤、水洗和加料等使用核燃料高温快速堆闭式氦气轮机，单机功率1000kw低污染高温燃烧室的研究改善冷却结构和燃烧过程，降低排气中NOX的含量,燃气轮机的发展方向,提高燃气轮机变工况的经济性可调静叶多轴轴系回热-采用回热器有利于提高燃气轮机变工况时的经济性闭式循环-流量调节适应工况变化,燃气轮机的发展方向,降低材料工艺成本，简省燃气轮机维护特种工艺和设备精铸、多次真空冶炼、定向洁净、粉末冶金、陶瓷冶金、纤维复合材料、高速挤锻、温加工强化、喷丸强化、激光加工、数控加工、电蚀加工、强力旋压、陶瓷或金属等离子喷镀、电子束焊、氩弧焊、激光焊和钎焊等。电子计算机自动监控在全机关键部位布置测点和光纤孔探仪的深测孔，不需开缸就能早期发现问题,美国IHPTET计划气动部件关键技术,IntegratedHighPeranceTurbineEngineTechnology,IHPTET计划已经验证了大量具有革命性的动力技术，它们可为美国军方最先进的战斗机系统提供低生产和维修成本，高耐久性的发动机，并为现役系统提供重大改进潜力。,致力于国防关键技术的目标开发军民两用技术政府/工业界/学术界共同努力,最新成就--Swept-ForwardFan,与后掠叶片比，前掠叶片气动效率更高进口畸变裕度更大风扇台架数据已应用于联合攻击战斗机（JSF）的候选发动机设计中，以提高性能，降低油耗，增加该发动机在JSF飞行包线内的工作适用性。,风扇台架试验结果,最新成就SplitterBlade,用这一先进概念使单级达到了F100-200三级风扇的压比，并有很高的效率。它是通过宽弦主叶片排与窄的分隔式叶片间隔组成的。可望大量应用于轴向长度短而压比又高的发动机,分隔式大小叶片压气机转子台架试验结果,最新成就CooledTurbineBlade,带超级冷却涡轮的发动机循环耐久性试验,试验后检查表明经过相当于2500小时的发动机地面试车，所有叶片均处于完好状态。涡轮叶片超级冷却技术不仅使IHPTET计划能达到推重比和温度的目标，同时也有助于增加寿命，因为它可以扩大现在和未来发动机的温度裕度。,最新成就CompositeMaterials,JETEC带冠前掠风扇大幅度地超过了设计效率，喘振裕度和畸变容限的目标。高度前掠的叶片在轮缘处由两圈有机基复合材料（OMC）纤维缠绕而成的环形叶冠支撑，使传统盘的重量减轻了很多。,空心风扇以及有机基与金属基复合材料转动和静止结构极大减轻了重量。,最新成就CompositeMaterials,碳化硅纤维预成型的陶瓷基复合材料的导向叶片,最新成就效果,与基准发动机比涡扇和涡喷发动机推重比提高40；耗油率下降20；涡桨和涡轴发动机功重比提高40；耗油率下降20；吸气式导弹发动机单位推力提高35；耗油率下降20；成本下降30,参考书,燃气轮机装置，沈炳正、黄希程编著，机械工业出版社，1990年航空燃气轮机原理，彭泽琰、刘刚编著，国防工业出版社，2000年,