[科普中国]-循环增压比

简介

循环增压比，亦称“压力比”，简称 “压比”。指在燃气轮机中空气进入压缩机时的绝对压力与排离压缩机时的绝对压力之比，亦即燃气轮机定压加热循环中工质的最高压力与最低压力之比。是表征燃气轮机工作特性的重要参数之一。1

常以符号 “π”表示，为一大于1的无量纲数。 其数学定义式为：π=p2/p1。式中，p1为空气在压缩机(或低压压缩 机)进口处的绝对压力(MPa);p2为 空气在压缩机(或高压压缩机)出口 处的绝对压力(MPa)。

计算分析表 明，π值愈大，燃气轮机定压加热循环的热效率就愈高。增压比的大小还对燃气轮机的有效效率和比功具有很大的影响，应根据使用时对机 组油耗率有较高要求、还是对设备重量尺寸有更严格限制等具体情况 予以确定。目前多数燃气轮机的π 值大致在5～18的范围内，唯独航空用燃气轮机往往可达25左右，甚 至更大。就轴流式压缩机本身而言， 通常都把此项增压比称为 “总增压 比”或“总压力比”，以与各级的级压力比相区别。

压缩机又称压气机。将气体压缩，使压力提高到2大气压 (表压) 以上，然后输往贮容器或其他设备中去的机械。按工作原理分为两类：

①容积式压缩机。有往复式及回转式等。往复式压缩机在运转时，活塞不断往复运动，引起气缸与活塞之间的容积发生增大和缩小的周期变化。依靠气阀的作用，容积每变化一次，即完成一次气体被吸入、压缩和排出的工作过程。回转式压缩机的转子 (如滑动式压缩机的滑片、螺杆式压缩机的螺杆或其他形状的回转挤压部件)，其作用与活塞相似，在运转中也发生容积的周期性变化，但不必依靠气阀就能完成气体输送和压缩的作用。

②叶片式压缩机。用提高气体的功能，以达到输送和压缩作用的一类压缩机。有离心式和轴流式两种。其工作原理及基本构造与同类的通风机相同。当气体的输出压力较高时，则采用多级式。容积式压缩机可以产生较高的气体压力，其中以往复式最突出。根据压力的不同，压缩机常分为低压式(2～10大气压(表压))、中压式 (10～100大气压 (表压)) 和高压式 (100～1000大气压 (表压) 或更高的压力)。

燃气轮机增压燃气轮机在空气和燃气的主要流程中，只有压气机（Compressor）、燃烧室（Combustor）和燃气透平（Turbine）这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。2

压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。从透平中排出的废气排至大气自然放热。这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的，它是透平的负载。在简单循环中，透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机，其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。在燃气轮机起动的时候，首先需要外界动力，一般是起动机带动压气机，直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界起动机脱扣，燃气轮机才能自身独立工作。

增压过程燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。3

燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环；此外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；此外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。70年代末，压缩比最高达到31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右，航空燃气轮机的超过1350℃。

布雷顿循环燃气轮机装置的理想热力循环，由绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压放热四个可逆过程组成，又称等压加热燃气轮机循环，系美国人G.B.布雷顿 (George B. Brayton)于1872年提出的。简单的燃气轮机装置由压气机、燃烧室和燃气透平三个主要部分组成，见图1(a)。一般常采用“开式循环”，上述四个热力过程的前三个分别在三个主要设备中进行，而第四个过程则在大气中完成，燃气透平的废气直接排往大气。

它表示，循环的热效率主要取决于压气机后与压气机前压力的比值——压比π，它的数值越大，循环效率也越高。然而实际的燃气轮机循环的热效率主要由以下几方面的因素决定： 首先是燃气轮机前的温度与压气机前温度的比值，这个比值越高，效率越高;其次，循环的热效率随着压气机效率、燃气透平效率的提高而提高;此外，压比不是越高越好，为了达到高的循环效率，在给定的上述温度比值以及压气机和燃气透平效率的情况下，存在着一个最佳的压比，高于或低于这个压比都会使循环效率降低。

要进一步提高布雷顿循环的热效率，最主要的措施就是采用回热循环。从燃气透平排出的废气一般具有相当高的温度，在排往大气前，可先用来加热从压气机出来的空气，经过加热的空气再送往燃烧室，这样就节约了燃料，提高了循环的效率。为了充分发挥回热的作用，我们希望废气在回热器中被冷却到尽量低的温度，压缩空气被加热到尽量高的温度。为此，在布雷顿循环中的压缩过程可采用多级压缩，燃气透平的做功过程可采用多级膨胀。把多级压缩、多级膨胀与回热结合起来，就会使布雷顿循环的效率大大提高。当然，这样也就使装置复杂化了。如图3所示，在理想情况下，使用无限多级压缩与膨胀并与完全回热结合，就会达到同温限下卡诺循环的热效率。