变工质透平机的设计与实现

姜成果， 王宝玉， 姜立月， 胡堂林(通化师范学院 物理学院， 吉林 通化 134002)



变工质透平机的设计与实现

姜成果， 王宝玉， 姜立月， 胡堂林
(通化师范学院 物理学院， 吉林 通化 134002)

常温纯净水通过吸收废气和冷却水套中强制冷却的热量，使水的温度升高到汽液界面温度。经过雾化器把汽液界面温度的水喷到相变室，发生相变成为蒸汽，和燃气混合换热变成过热蒸气，燃气、蒸气一起作为工质吹向透平做功。经过反复实验和计算，寻找到燃气和蒸气混合工质的最大焓值，从而冷却了燃烧室和透平叶片，减少了热伤害。采用红外线网燃烧技术破坏了有害的氮氧化合物和碳氧化合物的生成条件，保护了自然环境。采用水冷却代替气膜冷却，极大地降低了压气机的自耗功，提高了热效率和输出功率。

变工质； 透平； 燃烧室； 相变室

0 引 言

纵观能量利用情况，热能是由一次能源转换成的最主要形式，而后再由热能转换其他形式的能量而被利用。据统计，经热能这个环节而被利用的能量在世界上占85%以上，我国则占90%以上[1]。然而，热能的利用率较低，早期的蒸汽机的热效率只有1%～2%，当代各种动力装置及热电厂的热效率也只有40%左右[2]。有60%左右的能量白白地浪费掉了，所以必须提高热力机械的效率[3-4]。随着节能与环保压力日益增加，热能与其他形式能的高效转换成为当前研究的热点[5]。

本文从能量梯阶利用原理出发，通过回收废气和冷却水套中强制冷却的热量，使常温纯净水的温度升高到汽液界面温度，经过雾化器把汽液界面温度的水喷到相变室，发生相变成为蒸汽，和燃气混合换热变成过热蒸气，燃气、蒸气一起作为工质吹向透平做功[6-8]。从而减少了热伤害，保护了自然环境。

1 变工质透平机的结构和工作过程

1.1 结 构

变工质透平机结构如图1所示。

1-涡轮及轴，2-压气机叶轮，3-压气机叶片，4-压气机壳体，5-润滑油入口，6-燃油入口，7-红外线网，8-油、水嘴中体，9-环形喷油嘴，10-排气口，11-环形喷水嘴，12-水嘴压盖，13-环形燃烧室，14-纵向波纹隔离板，15-燃烧室内壁，16-旋流导板，17-涡轮叶片，18-定片导板，19-隐形换热器，20-温水入口，21-排气管，22-缓衰补芯，23-燃油备用入口，24-第二工质入口，25-相变室外壁，26-冷水入口

图1 变工质透平机结构

1.2 工作过程

用压缩空气启动，当转速10 000 r/min时，迅速打开液化气阀门的40%，液化气从燃油入口6进入环形喷嘴；由压气机供给压缩空气，在环形喷嘴处混合，(电火花点燃)直接进入环形燃烧室13燃烧，燃气将燃烧室相变室隔离板14烧热；经30～40 s的运转预热，启动第二工质补给系，微量打开阀门，让少量水进入相变室，冷却燃烧室隔离板同时发生相变；湿蒸汽与燃气在燃烧室相变室隔离板14的出口处进入双气通道混合换热：加注在蓄水箱(换热器)中的冷水经冷水入口26进入隐形换热器19，吸收尾气热量，进一步升温，由温水入口20进入燃烧室冷却水套，吸收燃烧室内壁的热量，达到汽液界面温度，通过第二工质入口24进入环形喷水嘴11，发生相变的水蒸汽从排气口10经汽水分离器进入双气通道；水蒸汽和燃气再通过旋流导板16的紊流混合换热，吹向涡轮叶片17；定片18阻止双气的旋流起到一个导向作用，并回推给叶轮片17一个反作用力；透平功通过涡轮及轴1带动压气机叶轮2为压气机提供压缩功，同时带动负载作轴功。

2 燃气轮机与变工质透平机的热效率比较

2.1 燃气轮机1 kg汽油燃烧和叶片冷却所需空气量

燃气轮机是以空气和燃气为工质的热动力设备。它由压气机、燃烧室和透平机构成。简化流程见图2。空气首先进入压气机中，压缩到一定压力后送入燃烧室。同时由电动机带动燃油泵将燃油经由射油器喷入燃烧室中与压缩空气混合燃烧，产生的燃气温度通常可达到1 800～2 300 K，这时二次冷却空气(约占总空气量的60%～80%)经通道壁面渗入与高温燃气混合，使混合气体温度降低到适当的温度进入透平机，才能保证透平机的叶片不受热伤害。混合气形成高速气流推动叶片，使转子转动而输出机械功。燃气轮机做出的功一部分带动压气机，剩余部分(净功量)对外输出。从燃气轮机排出的废气进入大气环境，放热后完成循环[9]。

图2 燃气轮机流程图

2.1.1 1 kg汽油完全燃烧所需空气量

汽油燃烧化学反应方程式：

C8H18+12.5O2=8CO2+9H2O

气燃比理论值：1740/114=15.26∶1.00。汽油的燃烧需要适量的空气供氧，混合气体过稀或过浓都会导致不良燃烧。实践验证，汽油机的过量空气系数为1.1 ～1.3。若过量空气系数取1.3，则实际气燃比为19.84∶1.00，所以1 kg汽油完全燃烧所需空气量为19.84 kg[9]。

2.1.2 1 kg汽油完全燃烧时燃烧室和叶片所需的冷却空气量

设冷却空气量占总空气量的70%，则1 kg汽油完全燃烧时叶片所需的冷却空气量为46.29 kg[10]。

1 kg汽油完全燃烧和冷却叶片所需的空气量为66.13 kg。这些空气消耗了燃气轮机大部分机械功，使燃气轮机输出功率降低。

2.2 燃气轮机的热效率

图1所示为一台燃气轮机装置，其空气消耗量qm,a=100 kg/s。压气机入口空气的焓h1=290 J/g，出口压缩空气的焓h2=580 J/g；在燃气室中压缩空气和燃料燃烧，燃烧生成的高温燃气的焓h3=1 250 J/g；高温燃气送入透平机中膨胀做功，做功后排出废气的焓h4=780 J/g[11]。

2.2.1 压气机消耗的功率

2.2.2 燃烧的发热量Qf=43.960 MJ/kg时的燃料消耗量

若忽略燃料的质量，而按燃气和空气的流量相同计算，则加热1 kg空气所需的加热量为q1=h3-h2=670 J/g，于是按燃料的发热量Qf可求得燃料的消耗量为qm,f=q1qm,a/Qf=1.5 kg。

2.2.3 透平机输出的功率

在透平机中，1 kg燃气所做的功为Ws,T=h3-h4=470 J/g，透平机的功率为Ps,T=Ws,Tqm,a=47.0 MW。

2.2.4 燃气轮机装置的总功率

燃气轮机装置的总功率等于透平机发出的功率及压气机消耗功率之差，即Ps=Ps,T-Ps,c=18.0 MW。

一些旅游开发者对旅游地设施没有投入足够的资金，没有建立旅游地应该配置的设施[2]，如垃圾池、排水设施、旅游步道等，旅游地呈现出杂乱无章的景象。这些情况制约了旅游业健康发展。

2.2.5 燃气轮机的热效率

2.3 变工质透平机热效率和输出功率

2.3.1 1 kg水当温度达到气液界面温度时所吸收的热量

1 kg水在1.2 MPa，温度从20 ℃升高到187.96 ℃需要的热量为q3，查饱和水蒸汽热力性质表(按压力排列)h′=798.43 J/g，h°=2 782.7 J/g，γ=h°-h′=1 984.3 J/g[11]。

2.3.2 1 kg水作为冷却物质参与做功还需从燃气中吸收的热量

查未饱和水与过热蒸汽热力学性质表得：1 kg水1.2 MPa时，t6=600 ℃，h6=3 694.12 J/g[11]。那么，1 kg水作为冷却物质和参与做功还需从燃气吸收热量，q4=h6-q3=2 981.80 kJ。

2.3.3 1 s燃烧1.5 kg燃料能加热水的质量qm,1

若忽略燃料的质量，而按燃气和蒸气的流量相同计算，1.5 kg燃料发热量为q5，q5=65.940 MJ。查空气的热力性质表得：p1=1.2 MPa，T1=290 K，h1=290 J/g。T3=873 K，h7=902.76 J/g，1 kg空气(燃气)达到600 ℃时所需吸收的热量q6=h7-h2=322.76 J/g。30 kg空气达到600℃时所需吸收热量q7=9 682.8 kJ。则，qm,1=(q5-q7)/q4=18.87 kg。

2.3.4 变工质透平机的效率

1.5 kg的燃料可加热18.87 kg水蒸汽，水蒸汽的焓占总工质焓的72%，整个工质热力学性质趋于水蒸汽热力学性质。水蒸气的热力学性质是最高温度很难超过650 ℃，但放热温度却很理想，接近大气温度[9]。

蒸气经过一膨胀做功过程放热温度

T4=T3(p1/p2)=469 K

查未饱和水及过热蒸汽表知此时焓值h8=2 866.9 J/g。所以1 kg蒸气做功ωs,T,1=h6-h8=827.22 kJ。

燃气经过一膨胀做功过程放热温度

变工质透平机的循环热效率[12]

η变

给水泵所消耗的轴功很小，一般只占汽轮机输出轴功的2%左右，ωs,p=400 kJ。则变工质透平机总的热效率为：

η变总=

3 变工质透平机的优缺点

3.1 优 点

(1) 变工质透平机不存在炽热点。热机的燃烧温度很高，炽热点在2 000 ℃以上，这样的高温，二氧化碳有可能被第二次热解，氮气可以被氧化。变工质透平机采用红外线网低温燃烧技术，不存在炽热点[13]。

(2) 二氧化碳排放量小。在变工质透平机中大量的水蒸汽取代了燃料燃烧的燃气，耗油量的降低，燃烧产生的二氧化碳的排放量也同比例的降低，二氧化碳排放量相对减小[14]。

(3) 减少了对透平的热伤害。燃气轮机的工作温度约910 ℃，变工质透平机工作温度约600 ℃，所以它减小了热伤害。

(4) 压气机的自耗功小。燃气轮机供氧和冷却约需2/3透平功，变工质透平机不需冷却空气，压气机只提供燃料燃烧所需的氧气，自耗功非常小。

(5) 选材容易。燃气轮机必须有耐高温材质，变工质透平机有耐酸材料就可以。

(6) 寿命长。变工质透平机没有往复运动部件，不仅运转平稳，对材质也不会造成太大的冲击，所以寿命长。

(7) 热效率和输出功率高。变工质透平机减少压气机的自耗功，回收一部分散失热量，总热效率比燃气轮机高出4.02%，所以热效率和输出功率很高[15]。

(8) 用途广泛。变工质透平机热效率高、功率覆盖面大、自耗功小、自重比小、排放标准高，适合水、陆路、航空、火力发电、备用电站、工程机械等装用[16]。

3.2 缺 点

在变工质透平机中燃气和蒸汽混合膨胀做功后，不稳定的碳酸气会增加，碳酸气腐蚀性很强，尤其是对铁的腐蚀更加严重，今后我们在研究和实践中会逐步解决这个的问题。

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Design and Accomplishment of Working Medium Turbine

JIANGCheng-guo,WANGBao-yu,JIANGLi-yue,HUTang-lin
(School of Physics, Tonghua Normal University, Tonghua 134002, China)

It is known that it is quite difficult for heat engine efficiency to increase by 1%. The efficiency of the gasoline engine is approximately 20%, diesel engine efficiency is about 30%, gas turbine efficiency is 25% and even the thermal efficiency of thermal power plant is only 40%. Where is 60% of the energy? The problem of recycling the wasted energy has to be put into consideration. Water temperature rises to vapor-liquid interfacial temperature through the normal temperature water absorbing the heat from the exhaust gas and cooling water jacket. The water at this temperature, through atomizer, is sprayed into the phase change room causing phase change into vapor and mixes with gas interchanging into hot vapor, so gas and vapor together as working medium are blown to the turbine to work. After repeated experiments and calculation, the biggest enthalpy of mixing working medium of gas and vapor is found and thus cooling the combustion chamber and turbine blades and reducing the heat damage. The natural environment is protected by using infrared nets combustion technology to destroy harmful nitrogen oxides and carbon oxides generating conditions. It greatly reduces the consumption power of the compressor and improves the thermal efficiency and power output to use water cooling instead of film cooling.

working medium; turbine; combustor; phase transition

2014-03-03

吉林省产业技术研究与开发专项([2009]633号)

姜成果(1965-)，男，吉林农安人，教授，主要从事热力机械研究。Tel.：13943404397；E-mail：jcg0316@163.com

TK 12

A

1006-7167(2015)02-0067-04