玉柴柴油机备件-燃气轮机与涡轮增压器工作原理及应用技术课程教学大纲内燃机和燃气机的区别

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课程大纲 1.课程编号 2.学时与学分 32学时，2.0学分 3.先修课程 工程热力学、流体力学、动力机械基础、内燃机原理等 4.课程教学目标 本课程是热能与动力工程专业动力机械专业的专业选修课。 本课程的教学目标是使学生获得燃气轮机与涡轮增压器的工作原理、涡轮增压系统、涡轮增压系统设计与应用技术等方面的必备知识，培养学生综合所学知识进行发动机性能设计和研究的能力。授课内容： 课堂讲授：32学时 第1章 燃气轮机及其热力循环（4学时） 第2章 涡轮增压技术及涡轮增压器基本结构（3学时） 第3章 离心式压气机（3学时） 第4章 轴流式压气机（3学时） 第5章 涡轮（2学时） 第6章 废气能量的利用（2学时） 第7章 现代涡轮增压系统（4学时） 第8章 柴油机与涡轮增压器的匹配（3学时） 第9章 涡轮增压柴油机的数值模拟计算（4学时） 第10章 涡轮增压系统设计（2学时） 六、 参考教材 （1）《涡轮增压器原理与应用》朱大新主编 （2）内燃机增压，朱梅林主编，华中科技大学出版社，2002年； （3）柴油机涡轮增压技术，卢嘉祥主编，机械工业出版社，2004年； （4）燃气轮机与废气涡轮增压技术，林建生、谭旭光主编，天津大学出版社，2005年； 第1章 燃气轮机及其热力循环概述 燃气轮机是一种利用内部燃料燃烧放出的热量直接加热空气燃气轮机和内燃机，并通过产生的燃烧气体将热能转化为机械功的热力机械，它也是一种内燃机。

它主要由叶轮空压机、燃气发生器（燃烧室）和燃气轮机三个基本部分以及燃料、润滑、冷却、起动、调节、安全等辅助系统组成。燃气轮机理论循环燃气轮机：等压燃烧压缩机不断地从大气中抽取空气并进行压缩；压缩空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧变成高温燃烧气体；高温燃烧气体流入燃气轮机，膨胀做功，​​推动燃气轮机叶轮带动压缩机叶轮一同旋转，对外做功。 各种内燃机的理论工作循环 （a）活塞内燃机等容循环 （b）活塞内燃机混合循环 （c）燃气轮机循环 燃气轮机与活塞内燃机理论循环对比 燃气轮机： 等压燃烧 陆用双轴燃气轮机 1-进气道 2-离心式压气机 3-燃料喷嘴 4-燃烧室 5-第一级涡轮 6-牵引涡轮 7-排气管 8-减速器 二、结构与类型： 结构 离心式压气机、轴流式涡轮 舰载燃气轮机示意图 轴流式压气机、轴流式涡轮 航空燃气轮机 1-进气道 2-压气机 3-燃烧室 4-涡轮 5-加力燃烧室 6-排气喷嘴 10 大部分热能转化为机械能： 涡轮螺旋桨飞机：亚音速飞机，速度<900km/h的中、低速飞机巡逻机、教练机、反潜机等 涡轴发动机：速度<400km/h的直升机、军舰、汽车、发电机组等 大部分热能转化为排气动能： 涡喷发动机：现代航空发动机的主流机型。

涡扇发动机：一种推力较大的涡喷燃气轮机，适用于飞行速度400～1000公里/小时。涡扇发动机比涡喷发动机工作液流量大，喷油速度低，推进效率高，燃油消耗率低，推力也大。11 涡桨发动机：亚音速飞机、速度<900公里/小时的中低速飞机、巡逻机、教练机、反潜机等。12 涡桨发动机：亚音速飞机、速度<900公里/小时的中低速飞机、巡逻机、教练机、反潜机等。13 涡轴发动机：速度<400公里/小时的直升机、汽车、发电机组等。14 涡轴发动机：速度<400公里/小时的直升机、汽车、发电机组等。 欧洲NH-90直升机 15 涡轴发动机自升式飞机内部结构 16 发电机组用燃气轮机—涡轴发动机 17 涡喷：现代航空发动机的主流机型。 18 涡喷：现代航空发动机的主流机型。 19 涡扇：推力较大的涡喷燃气轮机，常用作大型客机的动力源。 2021 活塞内燃机与燃气轮机结构比较示意图 活塞内燃机结构比较 22 三、两种内燃机及其组合形式优缺点比较 功率大、重量轻、体积小是燃气轮机的优点 燃气轮机的气体流量大，单位时间内可以燃烧更多的燃料，发出的功率更大。 燃气轮机与活塞内燃机热效率比较 相对而言，燃气轮机的热效率要低一些。主要原因是： （1）压缩方式不同：叶轮压缩机的效率较低；压缩比低。 （2）能量转换方式不同：燃气轮机，热能、动能、机械能活塞式：热能、机械能，最大压力低，能量转换复杂23（3）最大燃气温度不同：燃烧温度低，燃气轮机燃烧区最高温度为2000℃，活塞式为2500℃。

燃气轮机为了可靠性，必须与冷空气混合船舶物资，工质平均温度比较低，1200~1350受制于叶片材料的耐热性能。 （4）定压燃烧过程中热效率低： 定压加热循环与定容加热循环对比，最高温度低。 24 多级轴流压气机特性曲线-压气机相对转速-压气机设计状态转速 燃气轮机变工况性能差 无论是压气机还是涡轮机，其叶轮结构只有在设计工况下流动损失最小，热效率最高。实际运行中，性能发生变化，而结构参数不变，增加了各种流动损失。当燃气轮机工况偏离设计工况时，燃气轮机性能明显恶化。 25 两类内燃机复合形式的典型-废气涡轮增压内燃机将活塞内燃机与燃气轮机结合起来，取长补短，组合成性能更优的热机。复合内燃机-废气涡轮增压柴油机； 相对来说，燃气轮机其实只是涡轮增压柴油机的一部分。26增压技术是一种提高发动机进气能力的方法，利用特制的压气机，对进入气缸的气体进行预压缩，提高进入气缸的气体密度，增加进气量，更好地满足燃料燃烧需要，达到提高发动机功率密度的目的。同时保留了发动机高燃烧温度、高燃烧压力带来的高热效率的优势。另外，涡轮增压所采用的工质是气缸排出的废气，使热能得到进一步利用，进一步提高了工作循环的热效率。

27 发动机的增压方式主要有三种：机械增压、废气涡轮增压和复合增压。废气涡轮增压最早应用于柴油车，1998年国产轿车在排量1.8的奥迪200上开始使用，后来又在奥迪A6的1.8T(即涡轮增压)上应用，最新的帕萨特1.8T也开始使用。涡轮增压的优势很明显，在不增加发动机排量的基础上，可以大幅度提高功率和扭矩，其最大输出功率可提高40%左右，例如1.8T的轿车的功率与2.3升的轿车差不多。另外，发动机采用增压技术后，还可以提高燃油经济性，减少废气排放。 28 四、燃气轮机的现状与趋势 1、燃气轮机的现状与水平 （1）机组功率与效率 单台机组最大功率为334MW。 简单循环机组效率最高已达42.5%，联合循环机组效率最高已达58%。 （2）环境性能 燃气轮机污染排放相对较低，燃烧天然气时SOx排放趋于零，采取措施后燃气轮机和内燃机，NOx、CO等也降至很低的水平。 （3）可靠性 29 （4）应用现状 在航空领域，主要有涡喷、涡扇、涡桨、涡轴发动机等，其中涡扇发动机推进效率高，燃油消耗率低，应用最为广泛。飞机的发展领先于地面燃气轮机，其先进技术常被移植到地面燃气轮机设计中。在一些工业发达国家，燃气轮机和联合循环发电量之和超过了蒸汽轮机，成为电力工业的中流砥柱。舰载燃气轮机得到广泛应用。 30 燃气轮机的发展趋势 （1）进一步提高性能； 提高燃气初始温度、采用涡轮叶片冷却技术、开发高温材料叶片；初始燃气温度为1700℃的涡轮机研制已在进行中，同时兼顾可靠性和使用寿命。

（2）大力发展联合循环。将燃气轮机与其他热力循环或系统组合起来，相互补充，组成新的循环和系统。燃气-蒸汽联合循环就是典型的例子。在系统中，能源利用由高品位到中低品位逐级递增，形成能源的梯级利用，大大提高了能源的利用率。31燃气-蒸汽组合有不同形式，包括余热锅炉式、废气补燃式、增压燃烧式、加热锅炉给水式、锅炉并联式等。（3）研究开发新型热力循环的目的是提高效率或实现高效率，同时降低机组成本；（4）扩大主要燃烧天然气、液化天然气的机组应用，拓展商用船舶、汽车等应用领域。 32 五、燃气轮机热力循环 理想简单循环 燃气轮机热力循环中，常用比功率与热效率来分析比较各种循环 简单开式循环TS 图 33 理想简单循环四个工作过程计算公式： 等熵压缩 1-2：等压加热 2-3：等熵膨胀 3-4：等压放热 4-1：理想简单循环比功率：P137 理想简单循环热效率：P137 34 实际简单循环 燃气轮机热力循环中，常用比功率与热效率来分析比较各种循环 简单循环比功率图， 简单循环热效率图 目前，压气机和透平的效率范围一般为： 轴流压缩机：ηc＝0.85～0.9； 透平：Ｈ =0.85～0.92； 离心压缩机：ηc＝0.75～0.85； 离心涡旋机：η＝0.75～0.88；35热回收循环燃气轮机的排气温度很高，一般为400～550摄氏度，如果能回收这部分高温气体，可以提高燃气轮机的效率。

如果利用高温废气加热压缩机出口出来的空气，并再次吸收部分废气能量，提高进入燃烧室的温度，就可以减少加入燃烧室的燃料量，从而提高热效率。 上述工作过程，可以在燃气轮机上加装蓄热器R来实现，这就是蓄热循环。其循环原理及循环TS图见P139，图6-6 36 中冷循环 在压缩过程的中间，将工质引到冷却器进行冷却，然后再回到压缩机继续压缩，完成压缩过程，这就是中冷循环，其中IC为中冷器。它的应用把压缩机分为低压压缩机LC和高压压缩机HC两部分。其循环原理及循环TS图见P140，图6-9 中冷循环的目的是提高机组的净功，但热效率会降低。 37 再热循环在膨胀过程的中间，将工质引入再热燃烧室加热，然后回到涡轮继续膨胀，完成膨胀过程，这就是再热循环。它是一个再热燃烧室，把涡轮分成两个部分：高压涡轮HT和低压涡轮LT。为了增加再热后的比功船舶配件，再热后工质的温度T*要尽可能高。其循环原理及循环TS图见P141，图6-10。再热循环的目的是增加机组的净功，但热效率会降低。 38 中冷再热循环既有中冷循环，又有再热循环，它的热力循环图比以上两个循环面积增加更多，也就是比功增加更多。其循环原理及循环TS图见P141，图6-11。 实际的中冷再热循环燃气轮机一般为双轴甚至带再热的复杂循环，既有再热又有中冷循环，或有再热循环，其热力循环图较上述循环面积进一步增大，既能提高比功，又能提高热效率。

（1）中冷再热循环：增大传热温差。 （2）再热再热循环：增大传热温差 （3）中冷再热：增加高温端，降低低温端，尽量增大温差。系统复杂，易发生故障。 40 燃气轮机燃烧组织与燃烧室结构 （1）燃烧室结构型式 41 42 （2）燃烧过程的特点与组织 燃料在流动的空气中不断与空气混合、雾化、燃烧。特点：空气速度高，过量空气系数高；温度高，燃烧热强度大，运行参数变化强烈，可燃烧多种燃料。燃烧室要求：低排放，NOx、CO等。 43 点火可靠，燃烧稳定 合理的空气流速度场组织： 扩散器：将速度由120~135m/s降低到15~25m/s； 导流：15~30%为一次风，直接燃烧； 二次风冷却火焰筒；旋流：有利于可燃混合气的形成和燃烧的稳定性。组织合理的燃料浓度场：高压喷射器旋流器44

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