能源与动力装置基础__第4章-涡轮机(3)

1、第四章第四章 涡轮机涡轮机 涡涡 轮轮 机机 透透 平平 机机 汽轮机汽轮机 透平膨胀机透平膨胀机 燃气轮机燃气轮机 水轮机水轮机 火电厂的原动机火电厂的原动机 驱动工作机驱动工作机 火电厂的原动机火电厂的原动机 船舶、飞机发动机船舶、飞机发动机 能量回收能量回收 制冷低温领域制冷低温领域 水电厂的原动机水电厂的原动机 涡轮机构成图示涡轮机构成图示 第一节第一节 概述概述 火电厂（汽轮机）火电厂（汽轮机） 1 1、能量转换过程、能量转换过程 燃料化学能 蒸汽热能 机械能 电能 2 2、三大主机、三大主机 锅轮炉：将燃料的化学能转变为蒸汽的热能 汽轮机：将蒸汽热能转化为转子的旋转机械能 发电机：

2、将旋转机械能转化为电能 3 3、汽轮机的分类、汽轮机的分类 v按汽轮机功能（热力特性）分类（即汽轮机型式）按汽轮机功能（热力特性）分类（即汽轮机型式） 凝汽式、供热式 v按蒸汽参数分类按蒸汽参数分类 中压汽轮机：1.96 3.92 Mpa； 高压汽轮机：5.88 9.81 Mpa； 超高压汽轮机：为11.77 13.93 Mpa； 临界压力汽轮机：15.69 17.65 Mpa； 超临界压力汽轮机：大于22.15 Mpa； 超超临界压力汽轮机：大于32 Mpa 一、汽轮机级的工作原理一、汽轮机级的工作原理 1 1、级的组成、级的组成 静叶栅 动叶栅 2 2、级的工作原理、级的工作原理 3、级的

3、通流部分热力过程曲线、级的通流部分热力过程曲线 0* 0 1 s h 2 p2 p1 p0* p0 ht* hn* hb hb 4 4、级的反动度、级的反动度 b * b * b m hh h h h nt 5、蒸汽对动叶片产生的作用力、蒸汽对动叶片产生的作用力 冲动力、反动力 冲动级、反动级 6、冲动级和反动级、冲动级和反动级 纯冲动级纯冲动级 m m=0 =0 冲动级冲动级 带反动度的冲动级带反动度的冲动级 m m =0.050.20 =0.050.20 复速级复速级 反动级反动级 m=0.5 第二节第二节 级内能量转换过程及效率级内能量转换过程及效率 v假设假设 蒸汽在叶栅通道的流动是稳

4、定的 蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动 蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动 v主要内容主要内容 蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程 蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程 级的轮周效率和速度比 级内其他损失和级效率 一、蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程一、蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程 v过程特点过程特点 喷嘴固定不动喷嘴固定不动 蒸汽不对外作功蒸汽不对外作功 与外界无热交换与外界无热交换 v能量方程式能量方程式 h1 0* 0 2 s h p1 p0* p0 hn* hn hC0 h0* h1t 1 h0 )( 1 )( 2 1 110010 2 2 2 1 vpvp k k hhcc )( 1 )( 2 1 1

5、10010 2 2 2 1 vpvp k k hhcc 1 1、喷嘴出口汽流速度计算、喷嘴出口汽流速度计算 喷嘴出口的汽流理想速度 喷嘴出口的汽流实际速度 2 0101 )(2chhc tt 0* 0 2 p1 p0* p0 h1 hn* hn hC0 h0* h1t 1 h0 t cc 11 * 1 2 nt hc 喷嘴损失 *222 1 2 1 2 1 )1 ()1 ( 2 1 )( 2 1 nttn hccch 2、喷嘴中汽流的临界状态、喷嘴中汽流的临界状态 临界状态：汽流速度等于当地音速时的流动状态临界状态：汽流速度等于当地音速时的流动状态 v p ka 能量方程式 理想气体 音速公式

6、 )( 1 )( 2 1 110010 2 2 2 1 vpvp k k hhcc 常数 k p 121 2* 0 22 k ac k a 临界速度临界速度 临界压力临界压力 临界压力比临界压力比: :临界压力与初压之比临界压力与初压之比 crcrcr vkpvp k k a k c * 0 * 0 * 0 1 2 1 2 cr cr v v p k p * 0 * 0 1 2 1 * 0 1 2 k k cr k pp 1 * 0 1 2 k k cr cr kp p 3、喷嘴截面积的变化规律、喷嘴截面积的变化规律 喷嘴截面积与汽流速度c和马赫数Ma 有关： dx dc c Ma dx dA

7、 A 1 ) 1( 1 2 汽流能够在喷嘴中加速的条件： （1）Ma 1：渐扩喷嘴 （3）Ma =1：缩放喷嘴 4、喷嘴流量计算、喷嘴流量计算 喷嘴理想流量 t t nmth v c Aq 1 1 kg/s 喷嘴流量曲线喷嘴流量曲线 )( 1 2 12 * 0 * 0 k k n k nnmth v p k k Aq * 01 / pp n 喷嘴前后压力比 喷嘴实际流量喷嘴实际流量 mnm t t tt nnm qq v v v v v c A v c Aq 1 1 1 1 1 1 1 1 喷嘴流量系数喷嘴流量系数: 1 1 v v t n qmth qmcr n= cr n=1 n A C

8、B * 0 * 0 * 0 * 0 1 1 1 2 v p A v p k kAq n k k nmcr 临界流量 5、蒸汽在喷嘴斜切部分的流动、蒸汽在喷嘴斜切部分的流动 A B D E C F A B C DE 1 1 p0 p1 (1)p1=p1b, p1pcr 斜切部分：导向斜切部分：导向 (2)p1pcr 斜切部分：膨胀加速，汽流发生偏转斜切部分：膨胀加速，汽流发生偏转 二、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程二、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程 1 、动叶进出口速度三角形、动叶进出口速度三角形 11 22 11 cos2ucucw进口进口 uc c w c 11 11 1 11 1

9、cos sin arctan sin arcsin 进汽角进汽角 1 *2 *2 1 c2 u u c1 w1 w2 2 2 60 2 rn u 22 22 22 cos2uwuwc 出口绝对速度：出口绝对速度： uw w * 22 * 22* 2 cos sin arctan 出口方向角：出口方向角： 1 *2 *2 1 c2 u u c1 w1 w2 2 2 2、动叶栅出口汽流相对理想速度、动叶栅出口汽流相对理想速度 v 2 1212 )( 2whhw tt p2 1* 1 2 s h p1* p1 hb* hb h1* h2t 2 h1 2 2 1 w *2 1 * 2 22 btmt

10、hwhw 3 3、动叶出口相对实际速度、动叶出口相对实际速度 * 22 2 bt hww 动叶速度系数动叶速度系数： 经验系数，经验系数，0.75-0.9 4 4、动叶损失、动叶损失 *22 2 2 2 )1 ()( 2 1 btb hwwh 动叶栅的能量损失系数动叶栅的能量损失系数 2 * 1 b b h h b 余速利用系数余速利用系数 ( ( = 01) 5 5、余速损失、余速损失 2 22 2 1 ch c 6 6、轮周功和轮周功率、轮周功和轮周功率 轮周功轮周功: 蒸汽通过级在动叶片上所作的有效机械蒸汽通过级在动叶片上所作的有效机械 功功, ,w wu u 轮周功率轮周功率:单位时间

11、内作出的轮周功,Pu 1kg蒸汽的轮周功：蒸汽的轮周功： )coscos( 2211 ccuw u )coscos( 2211 wwuw u 7 7、级的热力过程曲线、级的热力过程曲线 级的轮周有效焓降级的轮周有效焓降 0* 0 1 s h 2 p2 p1 p0* p0 ht hb hb hc2 hn hu 三、级的轮周效率和速度比三、级的轮周效率和速度比 1、级的轮周效率、级的轮周效率 )5 . 0()5 . 0( 2 11 2 00 0 chcE t 21 * ct hh 级的理想能量E0 级的理想速度ca bnta hhhc *2 2 1 00 E h E W uu u 理想能量 轮周功

12、 定义 轮周功Wu )coscos( 2211 ccuWu 2 * cbntu hhhhW 或 提高u的关键: 减少余速损失，即减小c2 1 c2 u c1 w1=w2 2 u c2 1 u c1 w1=w2 2 u c2 1 u c1 w1=w2 2 u 2、级的、级的速度比速度比 定义定义 11 / cux a cux/ 1 或 不同级的最佳速度比不同级的最佳速度比: : 纯冲动级纯冲动级 复速级复速级 反动级反动级 11 cos)( op x 11 cos25. 0)( op x 11 cos5 . 0)( op x 最佳速度比最佳速度比: 使使c2达到轴向排汽的速度比达到轴向排汽的速度

13、比, op x )( 1 四、级内其它损失和效率四、级内其它损失和效率 1、级内损失级内损失 （1）叶高损失（端部损失）叶高损失（端部损失） 定义定义 喷嘴和动叶中喷嘴和动叶中与叶高有关与叶高有关的损失的损失 产生原因产生原因 由汽道上下端面附面层内的摩擦损由汽道上下端面附面层内的摩擦损 失和端部的二次流涡流所引起。失和端部的二次流涡流所引起。 （2）扇形损失）扇形损失 产生原因：产生原因： 设计时以平均直径处参数为依据，而设计时以平均直径处参数为依据，而 各种参各种参 数沿叶高是变化的。数沿叶高是变化的。 （3）叶轮摩擦损失）叶轮摩擦损失 产生原因：产生原因： 摩擦；摩擦； 叶轮两侧汽室中的

14、涡流运动。叶轮两侧汽室中的涡流运动。 （4）部分进汽损失）部分进汽损失 鼓风鼓风损失：无喷嘴弧段（摩擦引起）损失：无喷嘴弧段（摩擦引起） 斥汽斥汽损失：有喷嘴弧段（高速汽流排斥并加损失：有喷嘴弧段（高速汽流排斥并加 速停滞蒸汽引起）速停滞蒸汽引起） 减少部分进汽度 （5）漏汽损失）漏汽损失 隔板漏汽损失：隔板漏汽损失： 隔板间隙隔板间隙 叶顶漏汽损失：叶顶漏汽损失： 叶顶间隙叶顶间隙 产生原因：产生原因： 压力差和间隙存在。压力差和间隙存在。 （6）湿汽损失）湿汽损失 部分蒸汽凝结成水滴，减少作功蒸汽量部分蒸汽凝结成水滴，减少作功蒸汽量 水滴不作功，被高速汽流夹带前进，消耗轮周功水滴不作功，被

15、高速汽流夹带前进，消耗轮周功 水滴前进速度低于蒸汽速度，击打动叶及喷嘴背弧水滴前进速度低于蒸汽速度，击打动叶及喷嘴背弧 去湿措施 齿形轴封 2、级的相对内效率和内功率、级的相对内效率和内功率 1 * 00 hh EE h t i i 实际热力过程曲线实际热力过程曲线 相对内效率相对内效率 内功率内功率 im im i hq hD P 3600 0* 0 1 s h 2 p2 p1 p0* p0 ht* hn hb hb hb h hc2 hn hi 级的有效焓降 1、根据级的热力过程曲线图（下图），回答以下问题： (1)图中的0，1，2点分别对应汽轮机中的哪个部位？ (2)与理想流动过程相比，

16、实际流动过程0-3存在哪些损失？ 为什么3点焓值比2点的高？ (3)若0点的焓值h0=3132kJ/kg，蒸汽初速度c0=70m/s，蒸汽 等熵过程膨胀时喷嘴出口焓值h1t=3071.7 kJ/kg，喷嘴速度系 数=0.95，动叶出口汽流绝对速度c2=124m/s，求滞止点的 焓值，喷嘴出口的汽流实际速度，喷嘴损失和余速损失。 0* 0 1 s h 2 p2 p1 p0* p0 ht* hn h1t hb hb h hc2 hn hi 级的有效焓降 3 h0 1、0点为汽轮机中的喷嘴入口；1点为喷嘴 出口（动叶进口）；2点为动叶出口。 存在喷嘴损失，动叶损失，余速损失，叶 高损失，扇形损失，叶

17、轮摩擦损失，部分 进汽损失，漏汽损失和湿气损失。由于级 内存在各种损失，损失又转化为热能，反 过来加热蒸汽本身，从而使动叶出口焓值 升高。 滞止点焓值：kgkJchh/45.3134 1000 705 . 0 31325 . 0 2 2 000 喷嘴出口气流的实际速度： 12550095. 0 701000)7 .30713132(295. 0 )(2 2 2 01011 chhcc tt =336.5 m/s 2/5 .125)95. 01 ( 2 )1 ()1 ( 2 2 1 22 t nn c hh 喷嘴损失： =6.12 kJ/kg 10002 124 2 22 2 2 c h c =

18、7.69 kJ/kg 余速损失： 五、长叶片级五、长叶片级 等截面直叶片：等截面直叶片： 一元流动模型 长叶片（型线沿叶高变化的变截面叶片）长叶片（型线沿叶高变化的变截面叶片） 径向平衡法径向平衡法 全三维设计全三维设计弯扭叶片弯扭叶片 长叶片不能按等截面直叶片进行设计长叶片不能按等截面直叶片进行设计 v圆周速度相差很大造成的损失圆周速度相差很大造成的损失 v节距沿叶高变化很大造成的损失节距沿叶高变化很大造成的损失 v径向流动造成损失径向流动造成损失 长叶片1（末级叶片实例） 第三节第三节 多级汽轮机多级汽轮机 一、多级汽轮机的特点一、多级汽轮机的特点 内效率高内效率高 每一级都能在最佳速度比

19、附近工作每一级都能在最佳速度比附近工作 单机功率大单机功率大 可做成多排汽口，实现提高新蒸汽的参数，增加机组可做成多排汽口，实现提高新蒸汽的参数，增加机组 总进汽量。总进汽量。 现代多级汽轮机 二、多级汽轮机的工作过程二、多级汽轮机的工作过程 三、多级汽轮机的损失三、多级汽轮机的损失 1、前后端轴封的漏汽损失、前后端轴封的漏汽损失 v前后端轴封的采用： 减少漏汽损失 齿形轴封结构 齿形轴封工作原理齿形轴封工作原理 减少漏汽量的措施： 减少齿隙面积A 减少汽流速度C 增大比容 2 2、汽轮机进、排汽机构的压力损失、汽轮机进、排汽机构的压力损失 进汽机构中的节流损失 进汽机构中节流所引起的压损 0

20、 000 )05. 003. 0(pppp 排汽机构中的压力损失排汽机构中的压力损失 c ex ccc p C ppp) 100 ( 3 3、机械损失、机械损失 v定义： 克服支持轴承、推力轴承的摩擦，带动主油泵 和调速系统工作，消耗的功率 v机械效率： v i m i mi i eff m P P P PP P P 1 机械损失 m P 四、汽轮机装置的效率和功率四、汽轮机装置的效率和功率 1、汽轮机的内效率、汽轮机的内效率 tiir hh/ 2、汽轮机内功率、汽轮机内功率 irtmim i i hqhq hD P .00 0 3600 无回热：无回热： j n j jm n j jj i

21、hq hD P 11 3600 有回热：有回热： 3、汽轮机的轴端功率、汽轮机的轴端功率 mitmmieff hqPP 第五节第五节 燃气轮机燃气轮机 一、燃气轮机简述一、燃气轮机简述 构成：构成： 、 辅助系统 1 1、航空燃气轮机、航空燃气轮机 动力输出方式：尾喷管输出方式动力输出方式：尾喷管输出方式 v（1）涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 v（2）涡轮风扇发动机）涡轮风扇发动机 v（3）涡轮螺旋桨发动机）涡轮螺旋桨发动机 涡轮冲压发动机 2 2、地面燃气轮机、地面燃气轮机 v动力输出方式：动力输出方式： 涡轮轴功率输出方式 v分类：分类： 单轴、双轴 v用途：用途： v 发电、船舶、机车、

22、汽车、坦克; v 石油、天然气加压站的动力机械 v 直升飞机 3 3、燃气轮机的特点、燃气轮机的特点 与内燃机相比：与内燃机相比： 优点： 单机功率较大 重量轻、体积小； 启动快； 排气污染小； 缺点： 油耗高 制造成本高 与汽轮机相比：与汽轮机相比： 优点：优点： 装置简单、紧楱、重装置简单、紧楱、重 量轻、体积小；量轻、体积小； 启动快，带负荷快；启动快，带负荷快； 不需大量冷却水不需大量冷却水 缺点：缺点： 单机功率较小单机功率较小 效率较低效率较低 运行寿命短。运行寿命短。 二、简单燃气轮机装置和热力循环二、简单燃气轮机装置和热力循环 v等压循环等压循环 v布雷顿循环布雷顿循环 1 2

23、 3 4 2 3 4 理想：1-2-3-4-1 实际：1-2-3-4-1 v整个理想循环单位质量工质所作的功整个理想循环单位质量工质所作的功 等熵膨胀功与等熵压缩功之等熵膨胀功与等熵压缩功之差 v简单燃气机循环热效率简单燃气机循环热效率 ) 1 1 ( 1 3 2 k k s s q w =p2 /p1 增压比 K等熵指数 1 1） s s随着随着。 2 2）效率与）效率与 = =T T3 3/T/T2 2。 三、提高燃气轮机的效率和比功三、提高燃气轮机的效率和比功 v 提高涡轮进口的温度； v 增加增压比； v 设计高效率的通流部件 ； v 航空喷气发动机：减小喷气速度与飞行速度之差； v采用余热利用； v空气冷却减少压缩功的方法来提高热效率。 复杂循环装置的燃气轮机：复杂循环装置的燃气轮机： 回热循环燃气轮机回热循环燃气轮机 、中冷循环燃气轮机、中冷循环燃气轮机 再热循环燃气轮机、燃气再热循环燃气轮机、燃气蒸气联合循环蒸气联合循环