燃气轮机

《燃气轮机》是苏联B.B.乌瓦洛夫原著的中译科普小册子，罗棣菴译，庄前鼎校阅，中华全国科学技术普及协会1956年9月在北京出版，总号277，开本31×43 1/32，印张1¾（OCR作1%，待核），字数19,600，印数15,550册，统一书号15051·3，定价1角。卷首“本书提要”说明：这本小册子讲的是一种新型热机——燃气轮机，它简明通俗地向读者介绍燃气轮机的构造、工作原理和应用，另外也指出了应用燃气轮机的美好远景。“卷首语”说明写作目的，指出本书不叙述创造燃气轮机的历史，因为那是一个大而专门性的问题；本书只叙述燃气轮机的主要问题，并尽量以通俗形式写出，详细而严格的叙述可求诸书后推荐的参考文献；本书是为非燃气轮机制造专业方面的工作人员写的，但专家们也可能在其中得到某些兴趣；作者深信燃气轮机在航空上已引起巨大革新，近年来将在国民经济各个部门中得到广泛应用。“序言”较详细地论述燃气轮机：它是一种新型热机，燃料能量首先转换成热能，热能一部分转变为机械功，余下相当大一部分散失在周围介质中；其特点是工质为燃烧产物（与活塞式内燃机相类似），燃烧产物的势能转变成气流的动能，气流能量传给燃气轮工作叶片并进而传给燃气轮机轴。序言指出，直到现在还没有找到直接将燃料化学能转变为机械能的方法，燃烧是热力学上燃料氧化的不可逆反应；理论上可逆进行燃料氧化反应的问题和“直接地从燃料中获得电能”的问题性质相同，煤的氧化反应最大功等于其发热量，且与反应温度无关；现代最好汽轮机装置技术鉴定试验中只能将煤发热量的35—38%转变为功。燃气轮机同样没有解决这个问题，但采用它可以大大提高燃料（包括煤）能的利用系数的远景。序言列举燃气轮机在航空上广泛采用的四个原因：一是燃气轮重量比率（单位功率所占重量）比活塞式内燃机小得多，地面工作活塞式内燃机每马力重0.4—0.5公斤，燃气轮机只有0.08—0.1公斤，在离地10公里高空差别更大；二是高空空气温度低，10公里高空空气温度223°K（-50℃），地面一般288°K，工作燃气在气轮喷管前温度T₃为1,100—1,150°K，比值T₃/T₀在10公里以上高空约为5，该比值是决定燃气轮装置经济性的主要指标之一，比值越高工作越经济；三是航空发动机工作时间较短（200—500小时，固定式超过10,000—20,000小时），可使航空燃气轮机维持的燃气温度T₃比固定式高，航空燃气轮发动机T₃为1,100—1,150°K，固定式为900—950°K，比值T₃/T₀固定式为3.2—3.5，航空为5—5.5，现代燃气轮发动机高空飞行时效率可达40—45%，超过所有其他型式热机；四是燃料以流体形态进入燃烧室，可简化燃烧室结构；并指出对航空采用燃气轮机光辉远景的深入而科学的分析，是结构学者A.M.留里克在1936—1937年所创造。序言继而分析固定式和运输上燃气轮机应用尚少的原因：为提高固定式发动机比值T₃/T₀到航空发动机数值，燃气温度应为1,450—1,500°K，而现在只有900—950°K左右；燃气温度提高主要受燃气轮机各工作部件（喷管、叶片、轮鼓和扩散钣等）材料品质及冷却情况限制；耐热合金获得复杂，最近10年由材料改善引起的T₃提高只有50—70℃；各部件特别是叶片冷却也不简单。提高T₃/T₀不仅影响经济性，还很大程度影响装置尺寸，如功率27,000瓩装置，T₃/T₀=3.15时空气预热器（回热器）面积10,000平方米，提高到5.2可使回热器面积减少三分之二，装置经济性提高约50%；提高到5.5—6时可能建造功率10万—20万瓩而结构比现代汽轮机大为简化的燃气轮机。第二个障碍是尚未找到在燃气轮燃烧室内燃烧固体燃料的有效方法，即从燃烧产物中清除灰尘、煤渣和其他污垢物的方法；工作气体内含固体颗粒会引起燃气轮叶片迅速磨损甚至不能使用。第三个原因是回热器面积效能很小，因而笨重且维护运行困难。序言指出，若三个停滞原因都能解决，由于气轮机流体力学和压气机方面现代成就，采用回热、空气压缩冷却和多级燃烧，有效热效率可能提高到55—60%（现在只有30—32%），甚至在极简单燃气轮机中（没有冷却器、回热器和中间燃烧室的压气机中），当T₃/T₀=5.5—6.0时效率也有40—45%；上述效率数值只有大型燃气轮机（功率高于5,000马力）才易于达到，小型燃气轮机（200—300马力）则较困难。序言还述及燃气轮机车代替蒸汽机车的经济效果：燃气轮机车经济性最佳时可达20%，运行时13—15%，而现在蒸汽机车最佳时7—8%，运行时5—6%；燃气轮机车可用任何品质固体燃料包括碎小燃料，消耗燃料比蒸汽机车小40—50%，功率可大于8,000马力，曳引性能不比蒸汽机车差。序言还以图1说明简单燃气轮装置流程：空气经过滤器进入压气机，压力提高到p₂，压缩空气进入燃烧室，燃料经燃料泵送入燃烧室，燃烧产物进入燃气轮对叶片作功，使轴回转，轴带动压气机、燃料泵和发电机；燃烧室出口燃烧产物压力p₃比压缩空气压力p₂小2—3%，但温度T₃比压缩空气温度T₂高得多；离开燃气轮的燃烧产物压力p₄只略大于大气压力（一般大0.01—0.02大气压）；虽然压力比值p₂/p₁和p₃/p₄几乎相等，但燃气轮得到的功比压气机和燃料泵消耗的功大得多，因为燃气轮前燃气温度大大高于压缩空气温度。序言还以图1б说明热力循环，以比容为横坐标、压力为纵坐标，1—2为压气机中空气压缩，2—3为燃烧室燃烧过程，温度急剧增高、比容急剧增大（压力几乎不变，图上为水平线），3—4为燃气进入燃气轮膨胀作功，4—1也几乎水平；面积1-2-3-4表示每公斤空气对发电机所作功，面积1′-2′-2-1为压气机消耗功，面积1′-2′-3-4为燃气轮所作功。序言说明整个燃气轮装置效率ηгт标志已燃燃料发热量中有多大一部分转变为机械功，取决于压气机效率ηк、燃气轮本身效率ηт以及空气温度和喷管前燃气温度比值τ=T₃/T₀；图2表示各种τ值下ηгт随压气机空气压缩比πк变化的图表；随着τ增高，ηт和ηк的影响减小；当燃气轮机和压气机效率由90—85%降到85—80%，τ=3时燃料耗率增加18%，τ=7时仅增加2%。序言还介绍带有回热器的燃气轮机（图3）：与简单装置不同处在于具有回热器P，压缩空气在其中被燃气轮排出的燃气加热；回热器通常是预热器，管内是空气，管外是从燃气轮排出的燃气；由于有回热器，使燃烧室内获得与简单燃气轮装置相同温度燃气所消耗燃料减少；回热比σ=(T₂″-T₂)/(T₄-T₂)，回热比越大装置工作越经济，但只在某一界限内正确，因为提高空气温度须增加回热器面积即管道长度，管道越长空气压力降落越大，燃气轮前燃气压力p₃将降低，燃气轮工作变坏；图4表示不同πк值和τ值下ηгт随回热比σ改变的曲线；图5表示不同τ值下Ny/T₀随πк改变的图表；回热器相对面积f′p与比功率Ny成反比；工作于πк=5和τ=3的燃气轮装置回热器面积比工作于πк=15和τ=5的燃气轮装置大2.4倍；在σ=0.8和τ=5数值下，ηгт随πк改变远比没有回热器的燃气轮装置小；当πк从2.5改变到20时，第一种情况效率范围40—48%，第二种情况17—40%；带有回热器的燃气轮当负荷改变时具有较稳定效率；确定最佳回热比是技术经济问题。序言还述及俄国学者Г.И.赵金柯夫在“内燃气轮的问题”和“等压气轮”著作中最早从理论上确定改善燃气轮装置循环的方法，并解决定压下燃烧的燃气轮机与定容燃烧气轮机相比较优越性的问题；现在全世界都应用定压燃烧循环燃气轮工作，要提高经济性就要利用赵金柯夫循环。序言还以图6介绍赵金柯夫循环装置原理：两轴装置，从低压压气机K-1出来的空气进入中间冷却器X-1，再进入中压压气机K-2，离开后又进入第二个冷却器X-2，最后进入高压压气机K-3；空气离开高压压气机后进入回热器P，被燃气轮排出燃气加热后进入高压燃烧室KC-1，燃烧产物被进入空气（比理论必需空气量多400—500%）冲淡，然后进入高压燃气轮T₁，温度和压力降低；燃烧产物离开高压燃气轮后进入低压燃烧室KC-2，同时通过喷嘴供应液体燃料，燃气温度重新升高约与高压燃烧室相等；从低压燃烧室出来的燃烧产物进入低压气轮T₂，然后进入回热器P被冷却，从回热器出来排入大气；选用两轴结构是为了在部分负荷时仍能获得高经济性，因为发电机轴保持一定转速时压气机转速可以改变；图7表示按赵金柯夫循环工作的燃气轮装置效率图表，引出相对回热器面积f′p随温度改变关系曲线，按赵金柯夫循环工作的装置效率比简单装置大得多。序言最后提及闭式燃气轮装置，由于力图得到在大的负荷变化范围内还具有稳定效率的燃气轮装置，由于利用固体燃料和避免灰磴使压气机和燃气轮工作叶片磨损，便促成闭式装置的制造。本次仅见前20页，后续内容待补。