變工質透平機的設計與實現

姜成果， 王寶玉， 姜立月， 胡堂林(通化師范學院 物理學院， 吉林 通化 134002)

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變工質透平機的設計與實現

姜成果， 王寶玉， 姜立月， 胡堂林
(通化師范學院 物理學院， 吉林 通化 134002)

常溫純凈水通過吸收廢氣和冷卻水套中強制冷卻的熱量，使水的溫度升高到汽液界面溫度。經過霧化器把汽液界面溫度的水噴到相變室，發生相變成為蒸汽，和燃氣混合換熱變成過熱蒸氣，燃氣、蒸氣一起作為工質吹向透平做功。經過反復實驗和計算，尋找到燃氣和蒸氣混合工質的最大焓值，從而冷卻了燃燒室和透平葉片，減少了熱傷害。采用紅外線網燃燒技術破壞了有害的氮氧化合物和碳氧化合物的生成條件，保護了自然環境。采用水冷卻代替氣膜冷卻，極大地降低了壓氣機的自耗功，提高了熱效率和輸出功率。

變工質； 透平； 燃燒室； 相變室

0 引 言

縱觀能量利用情況，熱能是由一次能源轉換成的最主要形式，而后再由熱能轉換其他形式的能量而被利用。據統計，經熱能這個環節而被利用的能量在世界上占85%以上，我國則占90%以上[1]。然而，熱能的利用率較低，早期的蒸汽機的熱效率只有1%～2%，當代各種動力裝置及熱電廠的熱效率也只有40%左右[2]。有60%左右的能量白白地浪費掉了，所以必須提高熱力機械的效率[3-4]。隨著節能與環保壓力日益增加，熱能與其他形式能的高效轉換成為當前研究的熱點[5]。

本文從能量梯階利用原理出發，通過回收廢氣和冷卻水套中強制冷卻的熱量，使常溫純凈水的溫度升高到汽液界面溫度，經過霧化器把汽液界面溫度的水噴到相變室，發生相變成為蒸汽，和燃氣混合換熱變成過熱蒸氣，燃氣、蒸氣一起作為工質吹向透平做功[6-8]。從而減少了熱傷害，保護了自然環境。

1 變工質透平機的結構和工作過程

1.1 結 構

變工質透平機結構如圖1所示。

1-渦輪及軸，2-壓氣機葉輪，3-壓氣機葉片，4-壓氣機殼體，5-潤滑油入口，6-燃油入口，7-紅外線網，8-油、水嘴中體，9-環形噴油嘴，10-排氣口，11-環形噴水嘴，12-水嘴壓蓋，13-環形燃燒室，14-縱向波紋隔離板，15-燃燒室內壁，16-旋流導板，17-渦輪葉片，18-定片導板，19-隱形換熱器，20-溫水入口，21-排氣管，22-緩衰補芯，23-燃油備用入口，24-第二工質入口，25-相變室外壁，26-冷水入口

圖1 變工質透平機結構

1.2 工作過程

用壓縮空氣啟動，當轉速10 000 r/min時，迅速打開液化氣閥門的40%，液化氣從燃油入口6進入環形噴嘴；由壓氣機供給壓縮空氣，在環形噴嘴處混合，(電火花點燃)直接進入環形燃燒室13燃燒，燃氣將燃燒室相變室隔離板14燒熱；經30～40 s的運轉預熱，啟動第二工質補給系，微量打開閥門，讓少量水進入相變室，冷卻燃燒室隔離板同時發生相變；濕蒸汽與燃氣在燃燒室相變室隔離板14的出口處進入雙氣通道混合換熱：加注在蓄水箱(換熱器)中的冷水經冷水入口26進入隱形換熱器19，吸收尾氣熱量，進一步升溫，由溫水入口20進入燃燒室冷卻水套，吸收燃燒室內壁的熱量，達到汽液界面溫度，通過第二工質入口24進入環形噴水嘴11，發生相變的水蒸汽從排氣口10經汽水分離器進入雙氣通道；水蒸汽和燃氣再通過旋流導板16的紊流混合換熱，吹向渦輪葉片17；定片18阻止雙氣的旋流起到一個導向作用，并回推給葉輪片17一個反作用力；透平功通過渦輪及軸1帶動壓氣機葉輪2為壓氣機提供壓縮功，同時帶動負載作軸功。

2 燃氣輪機與變工質透平機的熱效率比較

2.1 燃氣輪機1 kg汽油燃燒和葉片冷卻所需空氣量

燃氣輪機是以空氣和燃氣為工質的熱動力設備。它由壓氣機、燃燒室和透平機構成。簡化流程見圖2。空氣首先進入壓氣機中，壓縮到一定壓力后送入燃燒室。同時由電動機帶動燃油泵將燃油經由射油器噴入燃燒室中與壓縮空氣混合燃燒，產生的燃氣溫度通常可達到1 800～2 300 K，這時二次冷卻空氣(約占總空氣量的60%～80%)經通道壁面滲入與高溫燃氣混合，使混合氣體溫度降低到適當的溫度進入透平機，才能保證透平機的葉片不受熱傷害。混合氣形成高速氣流推動葉片，使轉子轉動而輸出機械功。燃氣輪機做出的功一部分帶動壓氣機，剩余部分(凈功量)對外輸出。從燃氣輪機排出的廢氣進入大氣環境，放熱后完成循環[9]。

圖2 燃氣輪機流程圖

2.1.1 1 kg汽油完全燃燒所需空氣量

汽油燃燒化學反應方程式：

C8H18+12.5O2=8CO2+9H2O

氣燃比理論值：1740/114=15.26∶1.00。汽油的燃燒需要適量的空氣供氧，混合氣體過稀或過濃都會導致不良燃燒。實踐驗證，汽油機的過量空氣系數為1.1 ～1.3。若過量空氣系數取1.3，則實際氣燃比為19.84∶1.00，所以1 kg汽油完全燃燒所需空氣量為19.84 kg[9]。

2.1.2 1 kg汽油完全燃燒時燃燒室和葉片所需的冷卻空氣量

設冷卻空氣量占總空氣量的70%，則1 kg汽油完全燃燒時葉片所需的冷卻空氣量為46.29 kg[10]。

1 kg汽油完全燃燒和冷卻葉片所需的空氣量為66.13 kg。這些空氣消耗了燃氣輪機大部分機械功，使燃氣輪機輸出功率降低。

2.2 燃氣輪機的熱效率

圖1所示為一臺燃氣輪機裝置，其空氣消耗量qm,a=100 kg/s。壓氣機入口空氣的焓h1=290 J/g，出口壓縮空氣的焓h2=580 J/g；在燃氣室中壓縮空氣和燃料燃燒，燃燒生成的高溫燃氣的焓h3=1 250 J/g；高溫燃氣送入透平機中膨脹做功，做功后排出廢氣的焓h4=780 J/g[11]。

2.2.1 壓氣機消耗的功率

2.2.2 燃燒的發熱量Qf=43.960 MJ/kg時的燃料消耗量

若忽略燃料的質量，而按燃氣和空氣的流量相同計算，則加熱1 kg空氣所需的加熱量為q1=h3-h2=670 J/g，于是按燃料的發熱量Qf可求得燃料的消耗量為qm,f=q1qm,a/Qf=1.5 kg。

2.2.3 透平機輸出的功率

在透平機中，1 kg燃氣所做的功為Ws,T=h3-h4=470 J/g，透平機的功率為Ps,T=Ws,Tqm,a=47.0 MW。

2.2.4 燃氣輪機裝置的總功率

燃氣輪機裝置的總功率等于透平機發出的功率及壓氣機消耗功率之差，即Ps=Ps,T-Ps,c=18.0 MW。

一些旅游開發者對旅游地設施沒有投入足夠的資金，沒有建立旅游地應該配置的設施[2]，如垃圾池、排水設施、旅游步道等，旅游地呈現出雜亂無章的景象。這些情況制約了旅游業健康發展。

2.2.5 燃氣輪機的熱效率

2.3 變工質透平機熱效率和輸出功率

2.3.1 1 kg水當溫度達到氣液界面溫度時所吸收的熱量

1 kg水在1.2 MPa，溫度從20 ℃升高到187.96 ℃需要的熱量為q3，查飽和水蒸汽熱力性質表(按壓力排列)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水作為冷卻物質參與做功還需從燃氣中吸收的熱量

查未飽和水與過熱蒸汽熱力學性質表得：1 kg水1.2 MPa時，t6=600 ℃，h6=3 694.12 J/g[11]。那么，1 kg水作為冷卻物質和參與做功還需從燃氣吸收熱量，q4=h6-q3=2 981.80 kJ。

2.3.3 1 s燃燒1.5 kg燃料能加熱水的質量qm,1

若忽略燃料的質量，而按燃氣和蒸氣的流量相同計算，1.5 kg燃料發熱量為q5，q5=65.940 MJ。查空氣的熱力性質表得：p1=1.2 MPa，T1=290 K，h1=290 J/g。T3=873 K，h7=902.76 J/g，1 kg空氣(燃氣)達到600 ℃時所需吸收的熱量q6=h7-h2=322.76 J/g。30 kg空氣達到600℃時所需吸收熱量q7=9 682.8 kJ。則，qm,1=(q5-q7)/q4=18.87 kg。

2.3.4 變工質透平機的效率

1.5 kg的燃料可加熱18.87 kg水蒸汽，水蒸汽的焓占總工質焓的72%，整個工質熱力學性質趨于水蒸汽熱力學性質。水蒸氣的熱力學性質是最高溫度很難超過650 ℃，但放熱溫度卻很理想，接近大氣溫度[9]。

蒸氣經過一膨脹做功過程放熱溫度

T4=T3(p1/p2)=469 K

查未飽和水及過熱蒸汽表知此時焓值h8=2 866.9 J/g。所以1 kg蒸氣做功ωs,T,1=h6-h8=827.22 kJ。

燃氣經過一膨脹做功過程放熱溫度

變工質透平機的循環熱效率[12]

η變

給水泵所消耗的軸功很小，一般只占汽輪機輸出軸功的2%左右，ωs,p=400 kJ。則變工質透平機總的熱效率為：

η變總=

3 變工質透平機的優缺點

3.1 優 點

(1) 變工質透平機不存在熾熱點。熱機的燃燒溫度很高，熾熱點在2 000 ℃以上，這樣的高溫，二氧化碳有可能被第二次熱解，氮氣可以被氧化。變工質透平機采用紅外線網低溫燃燒技術，不存在熾熱點[13]。

(2) 二氧化碳排放量小。在變工質透平機中大量的水蒸汽取代了燃料燃燒的燃氣，耗油量的降低，燃燒產生的二氧化碳的排放量也同比例的降低，二氧化碳排放量相對減小[14]。

(3) 減少了對透平的熱傷害。燃氣輪機的工作溫度約910 ℃，變工質透平機工作溫度約600 ℃，所以它減小了熱傷害。

(4) 壓氣機的自耗功小。燃氣輪機供氧和冷卻約需2/3透平功，變工質透平機不需冷卻空氣，壓氣機只提供燃料燃燒所需的氧氣，自耗功非常小。

(5) 選材容易。燃氣輪機必須有耐高溫材質，變工質透平機有耐酸材料就可以。

(6) 壽命長。變工質透平機沒有往復運動部件，不僅運轉平穩，對材質也不會造成太大的沖擊，所以壽命長。

(7) 熱效率和輸出功率高。變工質透平機減少壓氣機的自耗功，回收一部分散失熱量，總熱效率比燃氣輪機高出4.02%，所以熱效率和輸出功率很高[15]。

(8) 用途廣泛。變工質透平機熱效率高、功率覆蓋面大、自耗功小、自重比小、排放標準高，適合水、陸路、航空、火力發電、備用電站、工程機械等裝用[16]。

3.2 缺 點

在變工質透平機中燃氣和蒸汽混合膨脹做功后，不穩定的碳酸氣會增加，碳酸氣腐蝕性很強，尤其是對鐵的腐蝕更加嚴重，今后我們在研究和實踐中會逐步解決這個的問題。

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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

吉林省產業技術研究與開發專項([2009]633號)

姜成果(1965-)，男，吉林農安人，教授，主要從事熱力機械研究。Tel.：13943404397；E-mail：jcg0316@163.com

TK 12

A

1006-7167(2015)02-0067-04