1、第五章第五章 燃烧室燃烧室燃烧室的作用燃烧室的作用n把压气机送来的高压空气同燃料很好把压气机送来的高压空气同燃料很好地混合和燃烧，产生高温高压的燃气，地混合和燃烧，产生高温高压的燃气，并送入透平涡轮中作功。并送入透平涡轮中作功。5-1 燃烧室的工作简图及其要求燃烧室的工作简图及其要求n主要由五部分组成：主要由五部分组成：n外壳外壳1、火焰管、火焰管2、旋流器、旋流器3、喷油嘴、喷油嘴4、混合器、混合器5。简单工作原理简单工作原理n压缩空气和燃料分别输入燃烧室。压缩空气和燃料分别输入燃烧室。n高压空气高压空气经导管引入燃烧室分成两股经导管引入燃烧室分成两股：n 一股空气经旋流器一股空气经旋流器3
2、 3进入火焰管，这是燃料燃烧所进入火焰管，这是燃料燃烧所必需的助燃空气，称为必需的助燃空气，称为一次空气一次空气；n 一股空气则进入火焰管一股空气则进入火焰管2 2与燃烧室外壳与燃烧室外壳1 1间的环形空间的环形空间，这部分主要是冷却用的空气，称为间，这部分主要是冷却用的空气，称为二次空气二次空气。n燃油燃油经喷油嘴经喷油嘴4 4喷入火焰管内，形成雾状与一次空气喷入火焰管内，形成雾状与一次空气混合。外源点火后近似等压燃烧，生成高温高压的混合。外源点火后近似等压燃烧，生成高温高压的燃烧产物。燃烧产物。n最关键部分：最关键部分：长期高温下工作，长期高温下工作，必须进行冷却必须进行冷却火焰管火焰管二
3、次空气二次空气的作用的作用n大部分用来大部分用来冷却冷却火焰管外壁和燃烧室外壳，一部分火焰管外壁和燃烧室外壳，一部分冷却火焰管内壁；冷却火焰管内壁；n一部分经混合器一部分经混合器5 5进入混合区与燃气混合进入混合区与燃气混合掺冷掺冷，把温，把温度降低到给定的燃气温度；度降低到给定的燃气温度；n补燃补燃作用。作用。85%70%15%30%n结构不太复杂。结构不太复杂。n燃烧过程复杂：燃烧过程复杂：n 气体流动气体流动三元紊流三元紊流+化学反应；化学反应；n 传热、传质过程传热、传质过程导热、对流换热、辐射换热；导热、对流换热、辐射换热；n 化学反应化学反应碳氢燃料的燃烧机理。碳氢燃料的燃烧机理。
4、对燃烧室的要求对燃烧室的要求n判断燃烧室性能的好坏，主要是看它能否可靠地、经济地提供合格的高温燃气。1 1燃烧要完全燃烧要完全n要求绝大多数进入燃烧室的燃料，能够在燃烧室内燃烧掉，不发生严重的积炭和冒烟现象。燃烧效率特性n燃烧效率-衡量燃烧的完善程度nQi 燃烧室的各项热损失：n （1）化学不完全燃烧n （2）机械不完全燃烧n （3）散热损失uiBHQ1冒黑烟、积冒黑烟、积炭、结焦等炭、结焦等%9895B过量空气系数4.0CO、H2、CH4等等2 2燃烧稳定燃烧稳定 要求燃烧室在燃气轮机的一切工况下均能稳定燃烧，不发生灭火现象以及强烈的火焰脉动现象。保证（保证（1 1）火焰不被高速气流吹灭）火
5、焰不被高速气流吹灭(火焰稳定器火焰稳定器)；（2 2）不发生熄火。）不发生熄火。熄火极限指一定的油气比范围（fmin fmax）其差值越大，稳定性越好。一般 油气比 f=1/40 1/330 过量空气系数=2.7322.5富油富油熄火熄火贫油贫油熄火熄火3.3.整体尺寸要小、结构要紧凑整体尺寸要小、结构要紧凑 要求容积热强度越大越好。固定式固定式:QV=30200 W/(m.N)移动式移动式:QV=100300 W/(m.N)4.4.压力损失要小压力损失要小n要求燃烧室内的粘性摩擦、涡流阻力以及热阻力等越小越好。n一般燃烧室总压保持系数：一般燃烧室总压保持系数：B=0.92 0.983 W/m
6、BBuVVBHQN)W/(mBB*cuVVpBHQ压力损失增加压力损失增加1%1%，整机效率下降整机效率下降2%2%。5 5燃烧室出口温度场要均匀燃烧室出口温度场要均匀 要求使燃气温度大小及分布均匀，避免叶片受热不均匀而变形、甚至被烧坏。n整个燃烧室不同部位温度相差不大于50C；n存在多个燃烧室时,平均温差不超过1520C。6.6.起动、点火性能要好起动、点火性能要好7.7.排气污染少排气污染少8.8.寿命长寿命长运输式燃机：运输式燃机：300010000小时小时航空：航空：3001000小时小时船用：船用：400010000小时小时固定式燃机：大于固定式燃机：大于20000小时小时n上述各项
7、要求往往又存在矛盾，很难同时满足。上述各项要求往往又存在矛盾，很难同时满足。n一般基本要求一般基本要求：n燃烧完全、燃烧过程稳定、足够的使用寿命以及外形尺寸小等。5-2 燃烧室类型与基本结构燃烧室类型与基本结构分类：分类：圆管型、分管型、环形和环管型圆管型、分管型、环形和环管型 逆流式和顺流式逆流式和顺流式基本结构：基本结构：一次空气的配气结构、火焰管壁的冷却结构、一次空气的配气结构、火焰管壁的冷却结构、燃气混合机构、燃料供应机构、点火机构等。燃气混合机构、燃料供应机构、点火机构等。按总体结构：按总体结构：按气流流动：按气流流动：1、圆筒型、圆筒型n 具有圆筒形的外壳和火焰管；具有圆筒形的外壳
8、和火焰管；n 多采用逆流式结构（紧凑）；可按多采用逆流式结构（紧凑）；可按1-21-2个；个；n 可直立或横卧于燃机上方，或直立于燃机侧面。可直立或横卧于燃机上方，或直立于燃机侧面。n优点：优点：结构简单、便于维修、使用寿命结构简单、便于维修、使用寿命n缺点：空间利用率差、容积热强度较低；缺点：空间利用率差、容积热强度较低；n 调试时所需风源较大。调试时所需风源较大。n应用：应用：广泛应用于小功率燃机及部分中等功率燃机广泛应用于小功率燃机及部分中等功率燃机。圆筒型圆筒型2、分管型、分管型n一台燃气轮机中设置一台燃气轮机中设置若干分开的小燃烧室，若干分开的小燃烧室，通常通常8-128-12个，围
9、绕燃个，围绕燃机轴线均匀布置，各机轴线均匀布置，各燃烧室之间由燃烧室之间由联焰管联焰管联接。联接。n每个燃烧室有单独的每个燃烧室有单独的外壳、火焰管、喷油外壳、火焰管、喷油嘴，但仅有嘴，但仅有2 2个个点火器点火器，其它则靠联焰管点燃其它则靠联焰管点燃。12345分管型分管型n优点：尺寸较小，易组织燃烧；易调试、易拆卸。尺寸较小，易组织燃烧；易调试、易拆卸。n缺点：构造复杂，较笨重；需冷却的火焰管表面较多；构造复杂，较笨重；需冷却的火焰管表面较多；启动点火较慢；周向温度不均匀度大；压力损失大。启动点火较慢；周向温度不均匀度大；压力损失大。n应用：大功率工业型燃气轮机；已较少应用。大功率工业型燃
10、气轮机；已较少应用。549混合区混合区混合器混合器143、环形燃烧室、环形燃烧室n在燃烧室内壳、外壳体所形成的环形空腔内，安装一在燃烧室内壳、外壳体所形成的环形空腔内，安装一个由内、外环构成的火焰管。在环形火焰管头部沿周个由内、外环构成的火焰管。在环形火焰管头部沿周向均匀布置若干喷嘴和旋流器（向均匀布置若干喷嘴和旋流器（12201220个）。个）。n优点：优点：n 空间利用率高，尺寸小、结构紧凑；空间利用率高，尺寸小、结构紧凑；n 需冷却保护的火焰管面积较少，比容积热强度高；需冷却保护的火焰管面积较少，比容积热强度高；n 可获最佳的流路配合，压力损失小；可获最佳的流路配合，压力损失小；n 启动
11、点火性能好。启动点火性能好。环形燃烧室环形燃烧室n缺点：缺点：n 调试时耗气量大；调试时耗气量大；n 油气匹配难、组织燃烧难；油气匹配难、组织燃烧难；n 出口温度场的稳定性差；出口温度场的稳定性差；n 高温下火焰管易变形；难拆卸。高温下火焰管易变形；难拆卸。n应用：应用：n 广泛应用于航空燃机中。广泛应用于航空燃机中。4、环管型、环管型n在燃烧室内、外壳体所形成的环形腔内，沿周向均在燃烧室内、外壳体所形成的环形腔内，沿周向均匀布置若干管形火焰管（匀布置若干管形火焰管（8-128-12个），以点火传焰用个），以点火传焰用的联焰管连接。的联焰管连接。n结构特点均介于分管型与环形两燃烧室之间。结构特
12、点均介于分管型与环形两燃烧室之间。n优点：优点：尺寸较小；易组织燃烧；易调试。尺寸较小；易组织燃烧；易调试。n缺点：气体流动比较复杂，扩压器设计困难；缺点：气体流动比较复杂，扩压器设计困难；存在传焰问题，启动点火性能较差。存在传焰问题，启动点火性能较差。n应用：应用：航空型燃机航空型燃机(顺流式顺流式)；工业型燃机；工业型燃机(逆流式逆流式)。火焰稳定器火焰稳定器（旋流器）（旋流器）n改善气流的流动结构，稳定高速气流中的火焰，改善气流的流动结构，稳定高速气流中的火焰，使燃烧工况得到改善的装置。使燃烧工况得到改善的装置。n主要作用：主要作用：n在火焰管的前部造成一个在火焰管的前部造成一个特殊形态
13、的速度场特殊形态的速度场，以，以便强化燃料和空气的混合作用，并为燃烧火焰的便强化燃料和空气的混合作用，并为燃烧火焰的稳定提供条件。稳定提供条件。n工作过程：工作过程：n 具体见教材具体见教材 P P120-122120-122（自学自学）。）。高速气流中的低速区高速气流中的低速区5-3 燃烧室的工作过程燃烧室的工作过程n特点：特点：n一、进入燃烧室的空气量比理论空气量多得多。一、进入燃烧室的空气量比理论空气量多得多。n 总=3.7 12n二、气流速度高，燃料停留时间很短。二、气流速度高，燃料停留时间很短。n 一般一般2640 m/s，航空，航空70m/s以上以上n主要过程：主要过程：n（1）燃
14、料的雾化；（）燃料的雾化；（2）燃料与空气的混合；）燃料与空气的混合；n（3）着火、稳焰与燃烧；）着火、稳焰与燃烧；n（4）高温燃气与二次空气的混合掺冷）高温燃气与二次空气的混合掺冷。第六章第六章 燃气轮机的变工况燃气轮机的变工况单轴燃气轮机的变工况特性环境条件对燃气轮机性能的影响6-1 概述概述n燃气轮机的变工况燃气轮机的变工况n研究目的研究目的n基本要求及性能指标基本要求及性能指标n不同的轴系方案不同的轴系方案一、燃气轮机的变工况一、燃气轮机的变工况n整台机组偏离设计状态下工作的各种工况整台机组偏离设计状态下工作的各种工况n (1)(1)稳定的非设计工况稳定的非设计工况n如部分负荷或环境条
15、件改变时引起的变工况；如部分负荷或环境条件改变时引起的变工况；n (2)(2)不稳定的过渡工况不稳定的过渡工况n如启动、加速等引起的变工况如启动、加速等引起的变工况。n 非常复杂非常复杂（三大件（三大件+负荷）负荷）二、研究目的二、研究目的n分析燃气轮机机组各部分相互联系、相互制约的变化规律，从而掌握燃气轮机的变工况过程及其特性。（1）为设计新机组提供选择方案的依据（2）为用户提供变工况性能曲线。三、基本要求及性能指标三、基本要求及性能指标基本要求基本要求:保证在各种负荷下机组能够经济地、可靠地运行，同时有较强的适应外界负荷变化的能力。性能指标性能指标:1 1经济性经济性 机组的效率或耗油率不
16、因功率下降而极度恶化机组的效率或耗油率不因功率下降而极度恶化；机组的负荷特性曲线变化得机组的负荷特性曲线变化得平坦些平坦些。n2 2稳定性稳定性 n在在各种负荷各种负荷下，下，压气机不喘振、涡轮不超温、压气机不喘振、涡轮不超温、燃烧室不熄火；燃烧室不熄火；机组能稳定可靠地运行。机组能稳定可靠地运行。n3 3加载性加载性 n机组功率能机组功率能及时适应及时适应外界负荷变化的需要。外界负荷变化的需要。满负荷、部分负荷、满负荷、部分负荷、低速、启动等低速、启动等四、负荷特性四、负荷特性n负荷功率Ne随负荷转速n变化的关系n Ne=f(n)1 1、恒速负荷特性、恒速负荷特性n负荷功率负荷功率NeNe变
17、化与负荷转速变化与负荷转速n n无关无关n即 n=const nNe=f(n)是一条垂直线 nNe例子：例子：恒频交流电机恒频交流电机2 2、螺旋桨型负荷特性、螺旋桨型负荷特性n负荷功率负荷功率NeNe与其转速与其转速n n的三次方呈正比的三次方呈正比n即 Ne=c n3 （c为比例系数）n变速负荷 nNe例子：例子：固定螺距螺旋桨固定螺距螺旋桨(轮船轮船)叶轮机械（泵、风机等）叶轮机械（泵、风机等）Ne=c n33 3、调速负荷特性、调速负荷特性n负荷功率负荷功率NeNe与转速与转速n n在一定范围内任意配合，在一定范围内任意配合，用来带动变速负荷。用来带动变速负荷。n变频调速负荷 nNe例
18、子：例子：变螺距螺旋桨负荷或机车燃气轮机变螺距螺旋桨负荷或机车燃气轮机 4 4、机械牵引负荷特性、机械牵引负荷特性n用机械方式（如联轴器、齿轮等）传动各用机械方式（如联轴器、齿轮等）传动各种车辆。种车辆。n在启动时有最大扭矩，即在启动时有最大扭矩，即 n=0，Me=Memax n当转速升高时，扭矩减小；当转速升高时，扭矩减小；n当当n=nmax，Me=Memin。n负荷功率：负荷功率：NeMennNe随随n增加而增大。增加而增大。nNe五、燃气轮机的轴系方案五、燃气轮机的轴系方案n1单轴方案（单轴方案（C-T-L）n压气机、涡轮及负荷共用一根轴。压气机、涡轮及负荷共用一根轴。n宜用于恒速负荷。
19、宜用于恒速负荷。具体的组合方式具体的组合方式2双轴方案双轴方案n2.1 分轴方案分轴方案 n压气机与高压涡轮共轴压气机与高压涡轮共轴(C-HT)和燃烧室一起和燃烧室一起组成燃气发生器；组成燃气发生器；n低压涡轮与负荷共轴低压涡轮与负荷共轴(LT-L)。n宜用于变速负荷。宜用于变速负荷。2.2 平行双轴方案n高压压气机由高压涡轮高压压气机由高压涡轮带动（带动（HC-HT）；）；n低压压气机由低压涡轮低压压气机由低压涡轮带动（带动（LC-LT）。n负荷的带动有两种形式：负荷的带动有两种形式：HT-L或或LT-L以高压轴带动负荷以高压轴带动负荷HC-HT-L宜用于恒速负荷。宜用于恒速负荷。以低压轴带
20、动负荷以低压轴带动负荷LC-LT-L，宜用于变速负荷。3三轴方案三轴方案3.1 低压涡轮带动负荷低压涡轮带动负荷 n高压压气机由高压涡轮高压压气机由高压涡轮带动（带动（HC-HTHC-HT）；）；n低压压气机由中压涡轮低压压气机由中压涡轮带动（带动（LC-MTLC-MT）。）。n可用于变速负荷。可用于变速负荷。LT-L3.2 中压涡轮带动负荷中压涡轮带动负荷（MT-L）n高压压气机由高压涡轮高压压气机由高压涡轮带动（带动（HC-HT）；）；n低压压气机由低压涡轮低压压气机由低压涡轮带动（带动（LC-LT）。）。n宜用于常在部分负荷下宜用于常在部分负荷下工作的高效机组。工作的高效机组。MT-L6
21、-2 单轴燃气轮机变工况特性单轴燃气轮机变工况特性一、燃机平衡运行条件一、燃机平衡运行条件n机组在不同负荷下稳定运行时，各部件的参数（流量、转速、压比、功率）应满足的相互配合的条件。n分析讨论燃气轮机变工况的基础：分析讨论燃气轮机变工况的基础：n 各部件的特性和平衡运行条件各部件的特性和平衡运行条件 1、转速平衡、转速平衡n每根轴上的转子转速相同。每根轴上的转子转速相同。n 单轴机组：单轴机组：n nC C=n=nT T=n=nn 分轴机组：分轴机组：n nC C=n=nHT HT n nLTLT=n=nn 2、压比平衡、压比平衡n T*=C*压气机压比压气机压比涡轮膨胀比涡轮膨胀比总压保持系
22、数总压保持系数=CBT平行双轴机组平行双轴机组 3、功率平衡、功率平衡n机械联系的各部件的驱动力矩，应等机械联系的各部件的驱动力矩，应等于总的阻力矩（包括压气机耗功），于总的阻力矩（包括压气机耗功），即每根轴上的功率应平衡。即每根轴上的功率应平衡。n 单轴机组：单轴机组：n NT=NC+Nm+Nen或或 NT=NC/m+Ne压气机内功率压气机内功率机组附件消耗和机组附件消耗和机械损失功率机械损失功率涡轮内功率涡轮内功率分轴机组分轴机组：机械效率机械效率NLT=NLC/m1+NeNHT=NHC/m2平行双轴机组平行双轴机组NHT=NC/m1NLT=Ne/m2 4、流量平衡、流量平衡GT=GC+Gf-Gn变工况时，可近似认为：变工况时，可近似认为：G/GCconstn粗算时，可取粗算时，可取 GT GC冷却用和泄冷却用和泄露的空气量露的空气量燃气流量燃气流量 燃料消耗量进气量
