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)透平機的設(shè)計與實現(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(jīng)過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，和燃氣混合換熱變成過熱蒸氣，燃氣、蒸氣一起作為工質(zhì)吹向透平做功。經(jīng)過反復(fù)實驗和計算，尋找到燃氣和蒸氣混合工質(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，經(jīng)熱能這個環(huán)節(jié)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(dāng)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(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[5]。

本文從能量梯階利用原理出發(fā)，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(jīng)過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，和燃氣混合換熱變成過熱蒸氣，燃氣、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，保護了自然環(huán)境。

1 變工質(zhì)透平機的結(jié)構(gòu)和工作過程

1.1 結(jié) 構(gòu)

變工質(zhì)透平機結(jié)構(gòu)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(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)透平機結(jié)構(gòu)

1.2 工作過程

用壓縮空氣啟動，當(dāng)轉(zhuǎn)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(huán)形噴嘴；由壓氣機供給壓縮空氣，在環(huán)形噴嘴處混合，(電火花點燃)直接進入環(huán)形燃燒室13燃燒，燃氣將燃燒室相變室隔離板14燒熱；經(jīng)30～40 s的運轉(zhuǎn)預(yù)熱，啟動第二工質(zhì)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(fā)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(jīng)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(nèi)壁的熱量，達到汽液界面溫度，通過第二工質(zhì)入口24進入環(huán)形噴水嘴11，發(fā)生相變的水蒸汽從排氣口10經(jīng)汽水分離器進入雙氣通道；水蒸汽和燃氣再通過旋流導(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導(dǎo)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(fù)載作軸功。

2 燃氣輪機與變工質(zhì)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(zhì)的熱動力設(shè)備。它由壓氣機、燃燒室和透平機構(gòu)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(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(jīng)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(dāng)?shù)臏囟冗M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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(huán)境，放熱后完成循環(huán)[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(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，混合氣體過稀或過濃都會導(dǎo)致不良燃燒。實踐驗證，汽油機的過量空氣系數(shù)為1.1 ～1.3。若過量空氣系數(shù)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(shè)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(fā)熱量Qf=43.960 MJ/kg時的燃料消耗量

若忽略燃料的質(zhì)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(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(fā)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(fā)者對旅游地設(shè)施沒有投入足夠的資金，沒有建立旅游地應(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)出雜亂無章的景象。這些情況制約了旅游業(yè)健康發(fā)展。

2.2.5 燃氣輪機的熱效率

2.3 變工質(zhì)透平機熱效率和輸出功率

2.3.1 1 kg水當(dāng)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(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)參與做功還需從燃氣中吸收的熱量

查未飽和水與過熱蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)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(zhì)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(zhì)量qm,1

若忽略燃料的質(zhì)量，而按燃氣和蒸氣的流量相同計算，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(zhì)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(zhì)焓的72%，整個工質(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650 ℃，但放熱溫度卻很理想，接近大氣溫度[9]。

蒸氣經(jīng)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(jīng)過一膨脹做功過程放熱溫度

變工質(zhì)透平機的循環(huán)熱效率[12]

η變

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

η變總=

3 變工質(zhì)透平機的優(yōu)缺點

3.1 優(yōu) 點

(1) 變工質(zhì)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(zhì)透平機采用紅外線網(wǎng)低溫燃燒技術(shù)，不存在熾熱點[13]。

(2) 二氧化碳排放量小。在變工質(zhì)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(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(zhì)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(zhì)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(zhì)，變工質(zhì)透平機有耐酸材料就可以。

(6) 壽命長。變工質(zhì)透平機沒有往復(fù)運動部件，不僅運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，對材質(zhì)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(zhì)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(zhì)透平機熱效率高、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、工程機械等裝用[16]。

3.2 缺 點

在變工質(zhì)透平機中燃氣和蒸汽混合膨脹做功后，不穩(wěn)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(yán)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(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)專項([2009]633號)

姜成果(1965-)，男，吉林農(nóng)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