什么是燃气轮机循环?

[拼音]：ranqilunji xunhuan

[外文]：gas turbine cycle

由绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压冷却 4个过程组成的燃气轮机热力循环。也曾有过等容加热循环的燃气轮机，但没有得到推广应用。

图1为燃气轮机的简单循环。燃气轮机自大气吸入空气，在压气机（即压缩机）中压缩。压缩后的气体进入燃气轮机燃烧室，在此加入燃料燃烧加热。加热后的高温燃气进入燃气透平（以下简称透平）膨胀作功。膨胀后的燃气排向大气。透平排气温度还相当高（约400～550℃），而压气机吸入的空气是大气温度，相当于在大气中进行了冷却。上述四个过程都是连续地进行的。透平膨胀功扣去压气机消耗的压缩功之后的净功，作为燃气轮机的输出功。

燃气轮机输出功与加热过程消耗的热量之比称为循环效率η，它是评价循环的首要指标。每千克气体工质的输出功L称为比功。L是影响燃气轮机尺寸的重要因素，也是循环的一项指标。

压缩终了压力p 2与压缩起始压力p1之比p2/p1＝πC称为压缩比。膨胀起始压力p3与膨胀终了压力p4之比p3/p4＝πT称为膨胀比。

理想情况下，p4=p1，p3=p2，所以πT＝πC。若膨胀过程的πT与压缩过程的πC相等，并且膨胀起始温度（燃气初温）T3等于压缩终了温度T2，则膨胀功等于压缩功，但这时没有输出功。因此，在理想情况下压缩过程所消耗的压缩功可以在膨胀过程中全部收回。

对于理想循环，πC不变时，膨胀功与T3成正比，加热提高T3，使T3 高于T2，于是膨胀功就大于压缩功而获得输出功。πC不变时压缩功也不变，输出功正比于加热量，因而T3的变化对η无影响。πC变化时，既影响压缩功，又影响膨胀功，因此理想循环的效率η与πC有关；η随着πC的增大而提高。若πC=1，膨胀功和压缩功都为零，不论加热量多大、T3多高，输出功和效率都是零。

实际上，压气机效率和透平效率都不是100％，这就使得压缩功比理想情况下的大，膨胀功比理想情况下的小，并且加热和冷却过程都有压力损失，即p3＜p2、p4＞p1，因而πT＜πC。这进一步导致压缩功增大，膨胀功减小。因此，输出功和循环效率都比理想循环的小。提高压气机效率和透平效率、减小压力损失，可向理想循环趋近。这是提高循环效率的一种途径。

实际循环中，压缩后的气体如不加热提高温度，仍保持T3=T2，则膨胀功必小于压缩功。因而必须加热气体，把T3 提高到足够的数值，才能使膨胀功大于压缩功而得到输出功。燃气轮机发展的初期T3 不高，而压气机效率和透平效率又很低，曾出现过输出功很小、循环效率很低，甚至输出功是负的情况。

在实际循环中，T3 越高、加热量利用率越好。所以πC不变时，T3 越高、η也越高，即理想循环中η与T3无关的结论不适用于实际循环。燃气初温与压气机进口温度之比 T3/T1＝τ，称为温比。热力学分析指出，实际循环效率η首先取决于温比τ，τ越高，η也越高；其次还与πC有关(图2)，在同一个τ值下，随着πC的增长，η先是增长，到某一极值后下降。每一个τ都有一个能使 η达到最高值的最佳πC与之对应。τ越大，对应的最佳πC也越大。

由图2可知，提高π值对增高η有重要作用。因此，设法增高T 3 （即增高τ）来提高η，始终是燃气轮机发展中最重要的研究课题之一。随着高温材料和透平叶片冷却技术的进展，70年代末燃气初温最高已达1200℃。上述循环的效率已达38％。实际循环分为开式和闭式两种。

这种循环从大气中吸入新鲜空气，同时把废气排向大气。绝大多数燃气轮机都是开式循环的。

（1）简单循环:由一个压缩过程、一个加热过程、一个膨胀过程和一个冷却过程所组成的循环。这种循环最为简单。

（2）回热循环：简单循环中，透平排气温度T4仍相当高，带走大量热量。而一般情况下压气机出口空气温度T2比T4低很多。让透平排气通过回热器(即换热器)先把压气机出口的空气加热，然后空气再进入燃烧室（图3），则在燃气初温不变的情况下可以节省燃烧室内加入的热量，从而提高循环效率 η。在理想情况下，回热器出口的空气温度T5可以达到透平排气温度T4的水平。实际上由于有传热温差，T5总是低于T4。可以用回热度


=(T5－T2)／(T4－T2)来衡量实际回热接近理想回热的程度。一般


可达0.7～0.9。但是采用回热后压力损失增大，对η有不利的一面。当温差（T4-T2）和


都较大，同时因回热而增加的压力损失较小时，采用回热能使 η提高较多。反之，则 η提高较少，甚至有下降的可能。采用回热还会使同一 τ下的最佳πC下降，以便选用 πC较低的压气机。不过，采用回热会增加机器的质（重）量和尺寸，因而应用不太普遍，但是，汽车用燃气轮机因特别重视 η的提高，都采用回热。这种循环也属于开式循环。

（3）复杂循环：在压缩过程中采用中间冷却，在膨胀过程中采用中间再热的循环(图4)。中间冷却可以减小压缩功，但压缩终了的空气温度降低了，就使加热过程的热量增加。中间再热可以增加膨胀功，但要增多加热量。这两种措施都可以显著地增加比功L，但对效率η的改善不明显。在πC较低、压力损失较大时，可能导致 η下降。可是把中间冷却、中间再热和回热结合起来的复杂循环却能大大提高 η。不过这样会大大增加机器的质(重)量和尺寸，因而在实践中很少应用。复杂循环也是一种开式循环。

工质循环使用，由透平排出的工质，不再在大气中作等效冷却，而是经冷却器冷却后重新被压气机吸入，再次参加循环过程（图5）。压缩后的气体工质在气体锅炉（或加热器）中被加热。闭式循环中，工质可用空气或其他气体。闭式循环的主要缺点是包括气体锅炉在内的换热器尺寸大、成本高和T3 温度低等，因而应用不多。若采用气冷反应堆作为加热气体工质（用He或N2等）的热源，就组成了核动力闭式循环装置，其效率可高于采用汽轮机的核动力装置。

参考书目

佐藤豪著，王仁译：《燃气轮机循环理论》，机械工业出版社，北京，1983。（佐藤豪著：《ガスタ-じンサィクル論》，山海堂，東京，1972。）