哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
近些年来，世界环境恶化不断加剧，能源短缺也逐渐成为各国亟待解决的问
题。为了适应更加灵活的供能需求，人们逐渐将目光集中在了分布式供能系统，
微型燃气轮机作为分布式供能系统的重要装置其应用前景十分广阔。微型燃气轮
机较其他发电装置有许多优点，它结构紧凑，振动小，排放低，维修成本低且发
电效率很高，而微型燃气轮机的燃料普遍为天然气。在我国双碳背景和目标下，
为了构建新的能源结构体系，大力发展新型能源、清洁能源来代替天然气等传统
化石能源是必然趋势。在这一情况下，随着全球科技的进步，氨燃料作为完全燃
烧时不产生CO2的清洁能源重新走入大众视野。在全球，利用氨作为燃料发电技
术处于大力研究阶段，有着很大发展空间，中国每年会生产大量的氨，同时我国
国内拥有十分发达可靠的氨储存和运输设施，将氨替换天然气作为燃料用于微型
燃气轮机发电技术将能更好的促进我国实现双碳目标，达到节能减排的目的。
本文首先以天然气为燃料，以T100微型燃气轮机作为参考，对微燃机的主要
部件压气机、燃烧室、涡轮和回热器进行建模，并基于T100微型燃气轮机参数对
所建模型进行合理性验证。在将燃料更换为氨后发现，为保证氨的稳定燃烧且不
产生较多的氮氧化物，需要维持其当量比在0.6以上，这会造成燃烧室温度的显
著升高，为解决这一问题对燃气轮机系统重新设计，增加了氨燃料预热器以及抽
气环节。
随后探究抽气量、环境温度以及燃料初温变化对氨燃料微型燃气轮机系统性
能的影响，确定了抽气份额为0.6时较为合适。天然气与氨燃料微型燃气轮机性
能分析主要围绕三个角度—相同输出功率、压比变化以及负荷变化，分析发现在
维持相同输出功率的情况下，由于氨燃料的热值较低，导致机组效率有了一定的
降低，但CO2排放量由燃烧天然气时的698.014g/kWh大大降低至了98.901g/kWh。
在得到氨燃料微型燃气轮机涡轮前参数后对向心涡轮进行气动设计，设计前
分析了氨燃料燃气与空气工质的不同以及可能会对向心涡轮设计产生的影响，然
后选择ConceptRital和AxCent作为设计软件，并运用NUMECA软件进行三维数
值计算，设计所得向心涡轮总输出功率达到277.53kW，效率为91.35%，达到了
设计要求。设计得到向心涡轮后，对向心涡轮内部流场进行了气动性能分析，分
析发现低能流体在静叶吸力面靠近前缘处聚集产生较大损失；动叶流域吸力面一
侧存在较为明显的流动分离现象，这是产生动叶内部损失的重要原因之一。最后
将设计得来的向心涡轮特性参数应用到氨燃料微型燃气轮机系统中，对比分析涡
轮设计前后参数变化，分析发现设计得来的向心涡轮能够更好的适应氨燃料微型
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燃气轮机，向心涡轮能够在更小膨胀比的情况下输出更多的功，整机效率也从
18.18%升高至19.13%。
关键词：氨燃料；微型燃气轮机；向心涡轮；性能分析；气动设计
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Abstract
Inrecentyears,thedeterioratingglobalenvironmentandenergyshortagehavebecome
increasinglypressingissuesforcountriesworldwide.Inordertoadapttomoreflexible
energydemand,peoplehavegraduallyfocusedondistributedenergysystems,andmicro
gasturbines,asimportantdevicesindistributedenergysystems,haveabroadapplication
prospect.Microgasturbinesha