變工質(zhì)透平機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

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變工質(zhì)透平機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

常溫純凈水通過(guò)吸收廢氣和冷卻水套中強(qiáng)制冷卻的熱量，使水的溫度升高到汽液界面溫度。經(jīng)過(guò)霧化器把汽液界面溫度的水噴到相變室，發(fā)生相變成為蒸汽，和燃?xì)饣旌蠐Q熱變成過(guò)熱蒸氣，燃?xì)?、蒸氣一起作為工質(zhì)吹向透平做功。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，尋找到燃?xì)夂驼魵饣旌瞎べ|(zhì)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(wǎng)燃燒技術(shù)破壞了有害的氮氧化合物和碳氧化合物的生成條件，保護(hù)了自然環(huán)境。采用水冷卻代替氣膜冷卻，極大地降低了壓氣機(jī)的自耗功，提高了熱效率和輸出功率。

變工質(zhì)； 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(zhuǎn)換成的最主要形式，而后再由熱能轉(zhuǎn)換其他形式的能量而被利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)熱能這個(gè)環(huán)節(jié)而被利用的能量在世界上占85%以上，我國(guó)則占90%以上[1]。然而，熱能的利用率較低，早期的蒸汽機(jī)的熱效率只有1%～2%，當(dāng)代各種動(dòng)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(fèi)掉了，所以必須提高熱力機(jī)械的效率[3-4]。隨著節(jié)能與環(huán)保壓力日益增加，熱能與其他形式能的高效轉(zhuǎn)換成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[5]。

本文從能量梯階利用原理出發(fā)，通過(guò)回收廢氣和冷卻水套中強(qiáng)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(jīng)過(guò)霧化器把汽液界面溫度的水噴到相變室，發(fā)生相變成為蒸汽，和燃?xì)饣旌蠐Q熱變成過(guò)熱蒸氣，燃?xì)?、蒸氣一起作為工質(zhì)吹向透平做功[6-8]。從而減少了熱傷害，保護(hù)了自然環(huán)境。

1 變工質(zhì)透平機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

1.1 結(jié) 構(gòu)

變工質(zhì)透平機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-渦輪及軸，2-壓氣機(jī)葉輪，3-壓氣機(jī)葉片，4-壓氣機(jī)殼體，5-潤(rùn)滑油入口，6-燃油入口，7-紅外線網(wǎng)，8-油、水嘴中體，9-環(huán)形噴油嘴，10-排氣口，11-環(huán)形噴水嘴，12-水嘴壓蓋，13-環(huán)形燃燒室，14-縱向波紋隔離板，15-燃燒室內(nèi)壁，16-旋流導(dǎo)板，17-渦輪葉片，18-定片導(dǎo)板，19-隱形換熱器，20-溫水入口，21-排氣管，22-緩衰補(bǔ)芯，23-燃油備用入口，24-第二工質(zhì)入口，25-相變室外壁，26-冷水入口

圖1 變工質(zhì)透平機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 工作過(guò)程

用壓縮空氣啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速10 000 r/min時(shí)，迅速打開(kāi)液化氣閥門(mén)的40%，液化氣從燃油入口6進(jìn)入環(huán)形噴嘴；由壓氣機(jī)供給壓縮空氣，在環(huán)形噴嘴處混合，(電火花點(diǎn)燃)直接進(jìn)入環(huán)形燃燒室13燃燒，燃?xì)鈱⑷紵蚁嘧兪腋綦x板14燒熱；經(jīng)30～40 s的運(yùn)轉(zhuǎn)預(yù)熱，啟動(dòng)第二工質(zhì)補(bǔ)給系，微量打開(kāi)閥門(mén)，讓少量水進(jìn)入相變室，冷卻燃燒室隔離板同時(shí)發(fā)生相變；濕蒸汽與燃?xì)庠谌紵蚁嘧兪腋綦x板14的出口處進(jìn)入雙氣通道混合換熱：加注在蓄水箱(換熱器)中的冷水經(jīng)冷水入口26進(jìn)入隱形換熱器19，吸收尾氣熱量，進(jìn)一步升溫，由溫水入口20進(jìn)入燃燒室冷卻水套，吸收燃燒室內(nèi)壁的熱量，達(dá)到汽液界面溫度，通過(guò)第二工質(zhì)入口24進(jìn)入環(huán)形噴水嘴11，發(fā)生相變的水蒸汽從排氣口10經(jīng)汽水分離器進(jìn)入雙氣通道；水蒸汽和燃?xì)庠偻ㄟ^(guò)旋流導(dǎo)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(gè)導(dǎo)向作用，并回推給葉輪片17一個(gè)反作用力；透平功通過(guò)渦輪及軸1帶動(dòng)壓氣機(jī)葉輪2為壓氣機(jī)提供壓縮功，同時(shí)帶動(dòng)負(fù)載作軸功。

2 燃?xì)廨啓C(jī)與變工質(zhì)透平機(jī)的熱效率比較

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)1 kg汽油燃燒和葉片冷卻所需空氣量

燃?xì)廨啓C(jī)是以空氣和燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的熱動(dòng)力設(shè)備。它由壓氣機(jī)、燃燒室和透平機(jī)構(gòu)成。簡(jiǎn)化流程見(jiàn)圖2?？諝馐紫冗M(jìn)入壓氣機(jī)中，壓縮到一定壓力后送入燃燒室。同時(shí)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)燃油泵將燃油經(jīng)由射油器噴入燃燒室中與壓縮空氣混合燃燒，產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟韧ǔ？蛇_(dá)到1 800～2 300 K，這時(shí)二次冷卻空氣(約占總空氣量的60%～80%)經(jīng)通道壁面滲入與高溫燃?xì)饣旌?，使混合氣體溫度降低到適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)入透平機(jī)，才能保證透平機(jī)的葉片不受熱傷害。混合氣形成高速氣流推動(dòng)葉片，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而輸出機(jī)械功。燃?xì)廨啓C(jī)做出的功一部分帶動(dòng)壓氣機(jī)，剩余部分(凈功量)對(duì)外輸出。從燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣進(jìn)入大氣環(huán)境，放熱后完成循環(huán)[9]。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)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(xué)反應(yīng)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(guò)稀或過(guò)濃都會(huì)導(dǎo)致不良燃燒。實(shí)踐驗(yàn)證，汽油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)為1.1 ～1.3。若過(guò)量空氣系數(shù)取1.3，則實(shí)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(shí)燃燒室和葉片所需的冷卻空氣量

設(shè)冷卻空氣量占總空氣量的70%，則1 kg汽油完全燃燒時(shí)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?xì)廨啓C(jī)大部分機(jī)械功，使燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率降低。

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率

圖1所示為一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)裝置，其空氣消耗量qm,a=100 kg/s。壓氣機(jī)入口空氣的焓h1=290 J/g，出口壓縮空氣的焓h2=580 J/g；在燃?xì)馐抑袎嚎s空氣和燃料燃燒，燃燒生成的高溫燃?xì)獾撵蔴3=1 250 J/g；高溫燃?xì)馑腿胪钙綑C(jī)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(jī)消耗的功率

2.2.2 燃燒的發(fā)熱量Qf=43.960 MJ/kg時(shí)的燃料消耗量

若忽略燃料的質(zhì)量，而按燃?xì)夂涂諝獾牧髁肯嗤?jì)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(fā)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(jī)輸出的功率

在透平機(jī)中，1 kg燃?xì)馑龅墓閃s,T=h3-h4=470 J/g，透平機(jī)的功率為Ps,T=Ws,Tqm,a=47.0 MW。

2.2.4 燃?xì)廨啓C(jī)裝置的總功率

燃?xì)廨啓C(jī)裝置的總功率等于透平機(jī)發(fā)出的功率及壓氣機(jī)消耗功率之差，即Ps=Ps,T-Ps,c=18.0 MW。

一些旅游開(kāi)發(fā)者對(duì)旅游地設(shè)施沒(méi)有投入足夠的資金，沒(méi)有建立旅游地應(yīng)該配置的設(shè)施[2]，如垃圾池、排水設(shè)施、旅游步道等，旅游地呈現(xiàn)出雜亂無(wú)章的景象。這些情況制約了旅游業(yè)健康發(fā)展。

2.2.5 燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率

2.3 變工質(zhì)透平機(jī)熱效率和輸出功率

2.3.1 1 kg水當(dāng)溫度達(dá)到氣液界面溫度時(shí)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(zhì)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(zhì)參與做功還需從燃?xì)庵形盏臒崃?/p>

查未飽和水與過(guò)熱蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表得：1 kg水1.2 MPa時(shí)，t6=600 ℃，h6=3 694.12 J/g[11]。那么，1 kg水作為冷卻物質(zhì)和參與做功還需從燃?xì)馕諢崃?，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(zhì)量qm,1

若忽略燃料的質(zhì)量，而按燃?xì)夂驼魵獾牧髁肯嗤?jì)算，1.5 kg燃料發(fā)熱量為q5，q5=65.940 MJ。查空氣的熱力性質(zhì)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?xì)?達(dá)到600 ℃時(shí)所需吸收的熱量q6=h7-h2=322.76 J/g。30 kg空氣達(dá)到600℃時(shí)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(zhì)透平機(jī)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(zhì)焓的72%，整個(gè)工質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)趨于水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)。水蒸氣的熱力學(xué)性質(zhì)是最高溫度很難超過(guò)650 ℃，但放熱溫度卻很理想，接近大氣溫度[9]。

蒸氣經(jīng)過(guò)一膨脹做功過(guò)程放熱溫度

T4=T3(p1/p2)=469 K

查未飽和水及過(guò)熱蒸汽表知此時(shí)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?xì)饨?jīng)過(guò)一膨脹做功過(guò)程放熱溫度

變工質(zhì)透平機(jī)的循環(huán)熱效率[12]

η變

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

η變總=

3 變工質(zhì)透平機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu) 點(diǎn)

(1) 變工質(zhì)透平機(jī)不存在熾熱點(diǎn)。熱機(jī)的燃燒溫度很高，熾熱點(diǎn)在2 000 ℃以上，這樣的高溫，二氧化碳有可能被第二次熱解，氮?dú)饪梢员谎趸?。變工質(zhì)透平機(jī)采用紅外線網(wǎng)低溫燃燒技術(shù)，不存在熾熱點(diǎn)[13]。

(2) 二氧化碳排放量小。在變工質(zhì)透平機(jī)中大量的水蒸汽取代了燃料燃燒的燃?xì)猓挠土康慕档?，燃燒產(chǎn)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(duì)減小[14]。

(3) 減少了對(duì)透平的熱傷害。燃?xì)廨啓C(jī)的工作溫度約910 ℃，變工質(zhì)透平機(jī)工作溫度約600 ℃，所以它減小了熱傷害。

(4) 壓氣機(jī)的自耗功小。燃?xì)廨啓C(jī)供氧和冷卻約需2/3透平功，變工質(zhì)透平機(jī)不需冷卻空氣，壓氣機(jī)只提供燃料燃燒所需的氧氣，自耗功非常小。

(5) 選材容易。燃?xì)廨啓C(jī)必須有耐高溫材質(zhì)，變工質(zhì)透平機(jī)有耐酸材料就可以。

(6) 壽命長(zhǎng)。變工質(zhì)透平機(jī)沒(méi)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件，不僅運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，對(duì)材質(zhì)也不會(huì)造成太大的沖擊，所以壽命長(zhǎng)。

(7) 熱效率和輸出功率高。變工質(zhì)透平機(jī)減少壓氣機(jī)的自耗功，回收一部分散失熱量，總熱效率比燃?xì)廨啓C(jī)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(zhì)透平機(jī)熱效率高、功率覆蓋面大、自耗功小、自重比小、排放標(biāo)準(zhǔn)高，適合水、陸路、航空、火力發(fā)電、備用電站、工程機(jī)械等裝用[16]。

3.2 缺 點(diǎn)

在變工質(zhì)透平機(jī)中燃?xì)夂驼羝旌吓蛎涀龉螅环€(wěn)定的碳酸氣會(huì)增加，碳酸氣腐蝕性很強(qiáng)，尤其是對(duì)鐵的腐蝕更加嚴(yán)重，今后我們?cè)谘芯亢蛯?shí)踐中會(huì)逐步解決這個(gè)的問(wèn)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(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)專項(xiàng)([2009]633號(hào))

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

TK 12

A

1006-7167(2015)02-0067-04