吉林大学热能与动力工程第3章 涡轮机及喷气发动机1

1、第三章第三章 涡轮机及喷气发动机涡轮机及喷气发动机 3-1 概述概述 涡轮机：蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机等旋转涡轮机：蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机等旋转式叶片机械；式叶片机械； 喷气式发动机：燃气轮机作为飞机的动力喷气式发动机：燃气轮机作为飞机的动力1特点特点 连续工作的旋转式机械；连续工作的旋转式机械； 工质的热能首先转换为其动能，然后在转换工质的热能首先转换为其动能，然后在转换为机械能。为机械能。 内燃机：直接内燃机：直接QW； 所以，所以，1）功率大：连续回转，大大提高进入的工）功率大：连续回转，大大提高进入的工质量；质量； 2）高速性：叶片的旋转速度与单位时间进）高速性：叶片的旋转速度与

2、单位时间进入的工质量有关，所以，叶片速度与工质的流入的工质量有关，所以，叶片速度与工质的流动速度呈正比；动速度呈正比； 3）经济性高：热力循环的热效率与循环初）经济性高：热力循环的热效率与循环初始参数有关，始参数有关， 一般蒸汽机初压为：一般蒸汽机初压为：160245bar；初温：；初温：560570。 故用途广故用途广 2用途用途 1）蒸汽轮机：工质为蒸汽，将蒸汽的热能转换为）蒸汽轮机：工质为蒸汽，将蒸汽的热能转换为机械能；机械能；用途：用途：（1）中心电站、热电站、核电站的主要动力机）中心电站、热电站、核电站的主要动力机（2）给鼓风机、水泵、压缩机提供驱动动力）给鼓风机、水泵、压缩机提供驱

3、动动力（3）化工、冶金、轻工等生产领域，作为动力源而）化工、冶金、轻工等生产领域，作为动力源而广泛应用；广泛应用；（4）蒸汽轮机的排汽，用于生产或生活的供热取暖）蒸汽轮机的排汽，用于生产或生活的供热取暖 2）燃气轮机：工质为燃气，将燃气的热能转换为）燃气轮机：工质为燃气，将燃气的热能转换为机械能。机械能。用途：用途：（1）地面机械）地面机械发电、船舶、机车等的动力源发电、船舶、机车等的动力源（2）航空用飞机的动力）航空用飞机的动力（3）涡轮喷气式发动机）涡轮喷气式发动机用于高速飞机。因其用于高速飞机。因其喷射速度大。喷射速度大。 3燃气轮机与蒸汽机的比较燃气轮机与蒸汽机的比较 缺点：单机容量小

4、；效率低；缺点：单机容量小；效率低； 优点：设备简单、轻便；优点：设备简单、轻便； 用水量少；用水量少； 便于自动控制、起动快便于自动控制、起动快4发展规模发展规模美国：美国：1950年，每台蒸汽机平均容年，每台蒸汽机平均容量为量为4MW； 1962年，为年，为 13.5MW； 1972年，为年，为 52MW。 前苏联：前苏联：1960初，仅有初，仅有5台台16MW的蒸汽机；的蒸汽机； 1970年底，年底，15MW以上的蒸汽机，达以上的蒸汽机，达 235台，其中，台，其中，30MW的机组的机组69台。台。我国：我国：1955年制造第一台蒸汽机，年制造第一台蒸汽机，6000千瓦，千瓦， 到到70

5、年代末，已生产年代末，已生产1.2万千瓦、万千瓦、2.5万千万千瓦、瓦、5MW、10MW、20MW的蒸汽机。的蒸汽机。 目前运行中的最大机组容量为目前运行中的最大机组容量为1300MW。 发展机组容量的原因：发展机组容量的原因： 1） 减小电站单位容量的造价；相对减小电站单位容量的造价；相对20MW机机组电站单位造价，组电站单位造价，50MW机组电站的单位造价机组电站的单位造价可降低可降低15%；100MW的电站单位造价可降低的电站单位造价可降低25%； 2） 提高机组的效率提高机组的效率减小新建电站数目，加快电站建设速度。减小新建电站数目，加快电站建设速度。 二、构造与分类二、构造与分类1蒸

6、汽轮机蒸汽轮机 简称汽轮机，工质为水蒸气，旋转式叶片机械；简称汽轮机，工质为水蒸气，旋转式叶片机械；1） 结构特点结构特点 由静子和转子两大部分组成；由静子和转子两大部分组成； 静子：包括汽缸、隔板静子：包括汽缸、隔板3、静叶栅、静叶栅1、 进排汽部分、端汽封以及轴承、进排汽部分、端汽封以及轴承、 轴承座等；轴承座等； 转子：主轴转子：主轴5、叶轮、叶轮4、动叶片、动叶片2、 联轴器等。联轴器等。 汽轮机的级：一列静叶栅和一列动叶栅构成汽轮汽轮机的级：一列静叶栅和一列动叶栅构成汽轮机的级。机的级。 单级汽轮机：指只有一个级的汽轮机；单级汽轮机：指只有一个级的汽轮机； 多级汽轮机：有若干级的汽轮

7、机多级汽轮机：有若干级的汽轮机由由一列静叶栅和一列动叶栅一列静叶栅和一列动叶栅组组成基本的工作单元；成基本的工作单元；静叶栅：由若干喷管组成，各静叶栅：由若干喷管组成，各 喷管流通截面变化；喷管流通截面变化；动叶栅：与叶轮安装为一体的动叶栅：与叶轮安装为一体的 叶片组。叶片组。 2） 基本工作原理基本工作原理 产生产生过热过热蒸汽：锅炉蒸汽：锅炉 送往喷管，送往喷管，喷管截面变化，蒸汽的热能转变喷管截面变化，蒸汽的热能转变为动能为动能高速喷出高速喷出；射入动叶栅叶片的通道，；射入动叶栅叶片的通道，推动叶轮旋转，对外作功。推动叶轮旋转，对外作功。 能量转换：热能能量转换：热能工质的动能工质的动能

8、叶轮的机械叶轮的机械能能锅炉锅炉一定一定p,T过热过热蒸汽蒸汽分类的方法分类的方法4 4种：种：按工作原理按工作原理：冲动式：冲动式蒸汽仅在喷嘴中膨胀；蒸汽仅在喷嘴中膨胀； 反动式反动式蒸汽在喷嘴和动叶栅中膨胀蒸汽在喷嘴和动叶栅中膨胀按热力特性：按热力特性： 凝气式凝气式排汽在真空状态下进入冷凝器结成水；排汽在真空状态下进入冷凝器结成水； 背压式背压式排汽压力大于大气压，排汽供热使用排汽压力大于大气压，排汽供热使用 抽汽式抽汽式调整抽汽供热用；调整抽汽供热用； 抽汽背压式抽汽背压式具有调整抽汽的背压式；具有调整抽汽的背压式； 乏汽式乏汽式用其他设备的副产蒸汽作为工质；用其他设备的副产蒸汽作为工

9、质；3）分类分类按气流方向：轴流式按气流方向：轴流式蒸汽轴向流动；蒸汽轴向流动； 径流式径流式蒸汽径向流动；蒸汽径向流动； 周流式周流式蒸汽周向流动；蒸汽周向流动；按用途：按用途： 电站用电站用 工业用动力源工业用动力源 船用船用 2燃气轮机燃气轮机1）结构特点结构特点 主要由进气道、压气机、燃烧室以及燃气涡轮等主要由进气道、压气机、燃烧室以及燃气涡轮等组成。组成。燃气涡轮：压气机燃气涡轮：压气机+燃烧室燃烧室+燃气涡轮燃气涡轮=燃气发生器燃气发生器 2）工作原理）工作原理 工质来源：燃气内部的燃烧产物工质来源：燃气内部的燃烧产物 空气连续不断地吸入压气机，在压气机中被压缩空气连续不断地吸入压

10、气机，在压气机中被压缩增压后，进入燃烧室中与喷入的油混合燃烧成高增压后，进入燃烧室中与喷入的油混合燃烧成高温高压燃气，再进入透平中膨胀作功。温高压燃气，再进入透平中膨胀作功。 膨胀功膨胀功=压气机压缩所消耗的功压气机压缩所消耗的功+对外输出功对外输出功 （作为动力）（作为动力）3）分类分类按用途分两大类：按用途分两大类：作为地面机械用动力的作为地面机械用动力的地面燃气轮机；主要地面燃气轮机；主要产生产生轴功轴功图图3-3b)飞机用动力的飞机用动力的航空燃航空燃气轮机；主要产生气轮机；主要产生推力推力和拉力和拉力图图3-3a)。 地面燃气轮机：要求提供轴功率，所以需要动力透平地面燃气轮机：要求提

11、供轴功率，所以需要动力透平; 单轴式单轴式动力透平和燃气透平固定在同一根轴上；动力透平和燃气透平固定在同一根轴上； 分轴式分轴式动力透平具有单独的旋转轴：动力透平具有单独的旋转轴： 优点：燃气发生器转子和动力透平可有不同转速，优点：燃气发生器转子和动力透平可有不同转速，使各部分具有较高的工作效率和较宽的运行范围。使各部分具有较高的工作效率和较宽的运行范围。航空燃气轮机分类：根据用燃气发生器的可用功产航空燃气轮机分类：根据用燃气发生器的可用功产生推力的方法不同分为：生推力的方法不同分为： 涡轮喷气发动机；涡轮喷气发动机； 涡轮风扇发动机；涡轮风扇发动机； 涡轮螺旋桨发动机；涡轮螺旋桨发动机； 涡

12、轮轴发动机（直升飞机）涡轮轴发动机（直升飞机）航空燃气轮机的共同要求：重量轻；用油少；工作航空燃气轮机的共同要求：重量轻；用油少；工作可靠。可靠。第二节第二节 热力涡轮机级的基本理论热力涡轮机级的基本理论 热力涡轮机热力涡轮机=汽轮机汽轮机+燃气轮机燃气轮机一、透平级的概念一、透平级的概念1级的定义：级的定义： 一列静叶和一列动叶组成的最基本的一列静叶和一列动叶组成的最基本的工作单元，称为透平级。是透平机械能量转换的单工作单元，称为透平级。是透平机械能量转换的单元。元。2级内能量转换原理：级内能量转换原理： 喷嘴：工质在喷嘴中膨胀喷嘴：工质在喷嘴中膨胀使其温度、压力下降使其温度、压力下降速度增

13、加速度增加将热能转换为动能，获得高速汽流；将热能转换为动能，获得高速汽流；动叶：喷嘴出口以很高的汽流喷入动叶，动叶：喷嘴出口以很高的汽流喷入动叶， 经动叶汽道（叶片）改变流动方向，经动叶汽道（叶片）改变流动方向， 此时，流体转向时，对动叶产生作用力，此时，流体转向时，对动叶产生作用力， 其圆周分力推动叶轮旋转，对外输出机械功；其圆周分力推动叶轮旋转，对外输出机械功； 而动叶对汽流的反作用，使汽流转向。而动叶对汽流的反作用，使汽流转向。 由此完成动能由此完成动能机械能机械能3反动度反动度： 当汽流在动叶汽道中不膨胀加速，只改变流动当汽流在动叶汽道中不膨胀加速，只改变流动方向时，汽流对汽道产生的作

14、用力（离心力），方向时，汽流对汽道产生的作用力（离心力），称为，称为，冲动力冲动力； 当汽流在汽道内改变方向的同时，进行膨胀加当汽流在汽道内改变方向的同时，进行膨胀加速时，则加速的汽流流出流道时，对动叶栅产生速时，则加速的汽流流出流道时，对动叶栅产生与汽流流出方向相反的反作用力，此力称为与汽流流出方向相反的反作用力，此力称为反动反动力力。表示动叶汽道内的汽流膨胀程度；表示动叶汽道内的汽流膨胀程度；定义：定义： ：动叶汽道内膨胀时：动叶汽道内膨胀时 的理想焓降；的理想焓降； ：整个级的滞止理想：整个级的滞止理想 焓降；焓降； ：喷嘴中的滞止理想：喷嘴中的滞止理想 焓降。（对喷嘴进出口）。焓降。（

15、对喷嘴进出口）。bhnhbhthbhm*bh*th*nh4级的分类级的分类按蒸汽在级内膨胀程度分为冲动级和反动级。按蒸汽在级内膨胀程度分为冲动级和反动级。1 1）冲动级冲动级a a）纯冲动级：纯冲动级： 的级的级特点：汽流只在喷嘴中膨胀。动叶栅中不膨胀，只特点：汽流只在喷嘴中膨胀。动叶栅中不膨胀，只改变流动方向；改变流动方向； 动叶栅进出口压力相等动叶栅进出口压力相等,p1=p2,p1=p2， 作功能力大，效率低作功能力大，效率低b b）带反动度的冲动级：）带反动度的冲动级： ，应用广泛。，应用广泛。 特点：蒸汽大部分在喷嘴中膨胀特点：蒸汽大部分在喷嘴中膨胀 兼备冲动级作功能力大和反动级效率高

16、的特点。兼备冲动级作功能力大和反动级效率高的特点。0m0bh*tnhh21pp bhnh20. 005. 0mc）复速级：由一列）复速级：由一列静叶栅静叶栅，两列，两列动叶栅动叶栅，一列固，一列固定定导向叶栅导向叶栅组成。组成。 导向叶栅在两列动叶栅之间，将前一列动叶栅导向叶栅在两列动叶栅之间，将前一列动叶栅出口的汽流方向改变为第二列动叶栅的进汽方向，出口的汽流方向改变为第二列动叶栅的进汽方向，使工质继续作功；以充分利用工质的能量。使工质继续作功；以充分利用工质的能量。 为提高复速级的效率，可采用一定的反动度。为提高复速级的效率，可采用一定的反动度。2）反动级：）反动级： 的级。的级。 特点：

17、蒸汽的膨胀一半在喷嘴叶栅中进特点：蒸汽的膨胀一半在喷嘴叶栅中进行。另一半在动叶栅中进行；行。另一半在动叶栅中进行； ， ； 效率比冲动级高，但作功能力较小。效率比冲动级高，但作功能力较小。5 . 0m21pp *5 . 0*thnhbh二、级内的工作过程二、级内的工作过程（一）（一）基本方程基本方程汽轮机级的热力计算，可用可压缩流体一维流动方程。汽轮机级的热力计算，可用可压缩流体一维流动方程。即即1状态方程：当蒸汽处于过热状态，远离饱和线时，状态方程：当蒸汽处于过热状态，远离饱和线时， 对过热蒸汽状态：也可以表示为对过热蒸汽状态：也可以表示为 当蒸汽从过热区膨胀过渡到湿蒸汽区时，采用水蒸气当蒸

18、汽从过热区膨胀过渡到湿蒸汽区时，采用水蒸气表或表或hs图；图；RTpTpch constpkkh1对等熵过程对等熵过程： 过热蒸汽：过热蒸汽： 湿蒸汽：湿蒸汽： x x：膨胀初期蒸汽干度；：膨胀初期蒸汽干度； 空气：空气： ；燃气：；燃气：constkp3 . 1kxk1 . 0035. 14 . 1k35. 133. 1k2连续方程连续方程稳定流动连续方程：（稳定工况）流量稳定流动连续方程：（稳定工况）流量qm一定，一定，即即微分形式：微分形式： 表示一维流动时密度、速度、截面积之间的变化规表示一维流动时密度、速度、截面积之间的变化规律。律。constmqcA0dcdcAdA3。能量方程。能

19、量方程 热一定律的应用，对稳定流动，忽略势能时，热一定律的应用，对稳定流动，忽略势能时，对蒸汽进、出口状态，有能量转换关系对蒸汽进、出口状态，有能量转换关系： 对静叶栅，绝热，不作功，所以对静叶栅，绝热，不作功，所以 即沿流线总焓不变。即沿流线总焓不变。wchqch221122000*dh4运动方程运动方程 表示速度与压力变化关系。表示速度与压力变化关系。 对一维等熵流动，由能量方程和热一定律对一维等熵流动，由能量方程和热一定律 能量：能量： 热一律（可逆）：热一律（可逆）： 有有 由绝热条件：由绝热条件： ，代入后，积分得，代入后，积分得)2(21cddhdqdpdhdqcdcdpconst

20、kpkkpppkkctc101100122021 意义：已知进口截面状态参数，及出口截面背压，可求得出意义：已知进口截面状态参数，及出口截面背压，可求得出口截面汽流的理想速度。口截面汽流的理想速度。 （二）（二） 工质在喷嘴中的膨胀过程工质在喷嘴中的膨胀过程1. 喷嘴中的汽流速度喷嘴中的汽流速度 1）喷嘴出口处的汽流理想速度）喷嘴出口处的汽流理想速度 喷嘴入口处蒸汽的状态：喷嘴入口处蒸汽的状态： ；喷嘴内等熵膨胀，则喷嘴；喷嘴内等熵膨胀，则喷嘴出口处汽流理想速度为，由能量方程出口处汽流理想速度为，由能量方程 ：喷嘴的理想焓降。用滞止焓表示时：喷嘴的理想焓降。用滞止焓表示时：0,0,0ctp20

21、2201021cnhcthhtcthhnh10*21*02201021nhthhcthhtc2） 喷嘴出口的汽流实际速度喷嘴出口的汽流实际速度 一般蒸汽有粘性，所以实际速度一般蒸汽有粘性，所以实际速度 ，即流动中有损失。，即流动中有损失。 损失程度常用损失程度常用速度系数速度系数j表示，即：表示，即： 速度系数速度系数j与动能损失与动能损失 之间的关系：之间的关系： 流动过程绝热，故损失的动能流动过程绝热，故损失的动能热能加热蒸汽本身，使蒸汽热能加热蒸汽本身，使蒸汽出口实际比焓大于理想比焓。熵增加。出口实际比焓大于理想比焓。熵增加。tcc11*211nhtccnh*)21 (221221nhc

22、tcnh 3) 影响影响j的因数：的因数： 喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度、前后压力喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度、前后压力等。等。 喷嘴高度影响最大，喷嘴高度影响最大， 一般取一般取 l075mm 时，时， 98. 096.02蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀 由喷嘴结构特点和流动特点，在喷嘴出口处形成由喷嘴结构特点和流动特点，在喷嘴出口处形成汽流斜切部分，直接汽流斜切部分，直接影响出口速度及方向影响出口速度及方向；即影；即影响汽流进入动叶特性。响汽流进入动叶特性。 偏角偏角当出口截面上的当出口截面上的压力比压力比 临界压比临界压比时：时： 喷嘴喉部断面喷嘴喉

23、部断面AB上的上的流速流速声速声速； 此时出口断面无膨胀波，喷嘴出汽角此时出口断面无膨胀波，喷嘴出汽角 1为：为： 当喷嘴出口断面上的当喷嘴出口断面上的压力比压力比AD面合力；使汽流绕面合力；使汽流绕A点偏转一个角度点偏转一个角度 。 当已知喷嘴压力比当已知喷嘴压力比 、蒸汽等熵指数、蒸汽等熵指数k 、喷嘴出汽角喷嘴出汽角1，则由，则由 计算求得偏转角计算求得偏转角1nkknknkkkk1111111121sin11sin（三）工质在动叶栅中的流动和速度三角形（三）工质在动叶栅中的流动和速度三角形1速度三角形速度三角形动叶栅的圆周速度：动叶栅的圆周速度： ; dm:平均直径；平均直径；汽流对动

24、叶栅的相对速度：汽流对动叶栅的相对速度：w1 进入动叶栅的汽流绝对速度：进入动叶栅的汽流绝对速度：c1,则则 此矢量关系用图表示，此矢量关系用图表示，就是速度三角形就是速度三角形:60nmduucw11cuw2实际动叶栅相对速度实际动叶栅相对速度 动叶栅实际入口相对三个速度：动叶栅实际入口相对三个速度： 动叶栅进汽角：动叶栅进汽角： 同理，由动叶栅实际出口速度三角形：同理，由动叶栅实际出口速度三角形：出口绝对速度：出口绝对速度： 出汽角：出汽角： 叶栅出口角：叶栅出口角：1cos122211ucucw11sin1arcsin1wc)2180cos(222222uwuwc2)2180(2arcs

25、in2csianw22sin2arcsin*2wc3动叶栅出口汽流理想速度动叶栅出口汽流理想速度动叶栅出口汽流理想速度：不考虑动叶损失时，动叶栅出口汽流理想速度：不考虑动叶损失时， 由于动叶栅内部流动损失，由于动叶栅内部流动损失，一般，一般， ； 即即 *221*2212122bhwthmwthhtwtww22*222bhtww动叶栅速度损失系数动叶栅速度损失系数4动叶栅速度系数与能量损失之间的关系动叶栅速度系数与能量损失之间的关系 主要与叶型、反动度、表面粗糙度有关。主要与叶型、反动度、表面粗糙度有关。一般取一般取 =0.850.95。*)21 ()2222(21bhwtwbh第三节第三节

26、涡轮机级的损失和效率涡轮机级的损失和效率一、蒸汽作用在动叶上的力和轮轴功一、蒸汽作用在动叶上的力和轮轴功蒸汽流过动叶时，汽流作用在动叶上的力，分解为蒸汽流过动叶时，汽流作用在动叶上的力，分解为动叶片上的周向力和轴向力；即：动叶片上的周向力和轴向力；即： 轮轴功：单位时间汽流对动叶片所作的功，轮轴功：单位时间汽流对动叶片所作的功，即：即： 由冲量式：由冲量式：22zFuFbFuPuFPuu)coscos(2211ccmtFu)coscos(2211ccqFmu所以，所以， 此式表明，当此式表明，当qm=1kg/s=1kg/s时，表示时，表示1kg1kg蒸汽所产生蒸汽所产生的有效功，即级的作功能力

27、：的有效功，即级的作功能力： 因因 ； 所以，由速度三角形所以，由速度三角形（图图3-103-10）)coscos(2211ccuquFPmuu)coscos(22111ccuPu1111coscoswuc222coswuc)coscos()coscos(*221122111wwuwwuPu表明级的作功能力表明级的作功能力 ，与进，与进/出汽角出汽角 （ ）有关）有关;冲动级动叶片的冲动级动叶片的 、 值均较小，故作功能力较大值均较小，故作功能力较大;而反动级动叶片的而反动级动叶片的 和和 角均冲动级大，所以其作角均冲动级大，所以其作功能力较小。功能力较小。 由速度三角形：由速度三角形： 即蒸

28、汽在动叶栅中作功后，以绝对速度离开动叶。即蒸汽在动叶栅中作功后，以绝对速度离开动叶。1uP21,*21*21*2 21212222211wwccPu故动能故动能 未能利用而损失，称为级的余速损失未能利用而损失，称为级的余速损失即即为了节能利用余速，采用多级汽轮，一般余速利用为了节能利用余速，采用多级汽轮，一般余速利用系数系数 表示余速的利用程度。表示余速的利用程度。则，下一级利用的余速能量：则，下一级利用的余速能量： 设进入喷嘴的初速度设进入喷嘴的初速度c0 ，喷嘴的余速利用：喷嘴的余速利用：222c2ch2222chc1022211ch220000chc级的轮周有效比焓：级的轮周有效比焓：

29、进入级的可用能：进入级的可用能： 其中，喷嘴的损失：其中，喷嘴的损失： 动叶栅的损失：动叶栅的损失： 级的余速损失：级的余速损失： 22200cbntuhhhhchthc2200nhbh2ch二、级的轮周效率与最佳速度比二、级的轮周效率与最佳速度比 1） 轮周效率：级所发出的轮周功率和工质在级中所具有的理轮周效率：级所发出的轮周功率和工质在级中所具有的理想能量之比；即想能量之比；即 其中，其中， 从能量损失角度：级中的能量损失：从能量损失角度：级中的能量损失： 所以，所以， 用损失系数来表示。用损失系数来表示。01EPuu21*0cthhE2,cbnhhh0*2Ehhhhcbntu2)1 (1

30、1cbn速动能：下一级喷嘴的进口初21ch 损失系数损失系数 ：取决于速度系数：取决于速度系数 ； 而而 ：取决于叶型结构，一定叶型：取决于叶型结构，一定叶型 为常数；为常数； ：取决于：取决于c2 。 所以，所以，提高级轮周效率的途径：降低提高级轮周效率的途径：降低 c2 。 对一定的动叶入口速度对一定的动叶入口速度c1，通过轮周速度通过轮周速度u，来调整来调整c2；当出汽角当出汽角 时，时，c2最小，最小， 最小。最小。 bn,2c 9022222chcuuc1c2w1=w21290uuc1c2w1=w21290uuc1c2w1=w21290图图3-143-142）影响因数及提高效率的途径

31、：）影响因数及提高效率的途径：3) 最佳速度比最佳速度比：使：使c2最小的入口速度和圆周速度之比，最小的入口速度和圆周速度之比， 即即 直接影响汽轮机直接影响汽轮机轮周效率和作功能力轮周效率和作功能力的重要特性参数。的重要特性参数。 4）速度比与轮周效率的关系：不同情况而不同速度比与轮周效率的关系：不同情况而不同1纯冲动级的轮周效率和最佳速度比：纯冲动级的轮周效率和最佳速度比：a）不考虑余速利用时：不考虑余速利用时：图图3-15min112ccux1*21112coscos1)(cos2xxux1的变化范围：的变化范围：最佳速度比：使，最佳速度比：使， 即即 即，即， 11cos0 x01dx

32、du0)2(coscoscos12111*221xdxdu0coscos121*220)2(cos11x2cos)(11opx由于实际中，由于实际中，c1不易测得，所以常用不易测得，所以常用 代替。代替。此时，此时， *2tahc*111*222tnataahhxcccuhucuxbnbtbmhhhhh*mmbnhh)1 (*)1 ()1 (*mtbmmtnhhhh注：注：c1和和ca的区别的区别所以所以，对纯冲动级对纯冲动级 ：最佳速度比为：最佳速度比为：当当 时，时，b）考虑余速利用时：轮周效率的表达式复杂，考虑余速利用时：轮周效率的表达式复杂， 计算结果，当计算结果，当 时，时，对对 的

33、冲动级，的冲动级， 的冲动级，的冲动级，即即 提高下一级余速动能的利用程度，可提高最佳速度比。提高下一级余速动能的利用程度，可提高最佳速度比。)1 (1maaxcux0m1xxa2cos11opopaxx2011,97. 0148. 0045opax14,90. 0,96. 0111585. 0opax0147. 0opax2. 反动度对最佳速度比的影响：反动度对最佳速度比的影响：当当 的冲动级，的冲动级， =0.480.52； 3复速级复速级采用复速级的原因：采用复速级的原因： 若要减少整机的级数，必须增大一级内能利用的比焓降；若要减少整机的级数，必须增大一级内能利用的比焓降；但随级的比焓降

34、增大，在一定但随级的比焓降增大，在一定u下，下，x1减小，余速损失增减小，余速损失增大，使大，使hu降低；所以用复速级。降低；所以用复速级。20. 005. 0mopaxw2uc2w2uc2w1uc111112222c1uw1复速级的速度三角形图复速级的速度三角形图（图（图3-16）复速级的轮周效率：复速级的轮周效率： 最佳速度比：最佳速度比：4反动级：反动级： 反动级的反动级的 ，设静叶和动叶的叶型相同，设静叶和动叶的叶型相同， 则则 所以，所以， 最佳速度比：最佳速度比： 或或 )2cos(8)2(cos811112aauxxxx4cos4cos111opaopxx；或5 . 0m,*21

35、*2101221,cwcwc11cos)(opx11cos2cos)(2121opax当当 时，时， 特点：特点：反动级轮周效率在最大速度比附近变化平反动级轮周效率在最大速度比附近变化平 坦，所以，常用于变工况机组坦，所以，常用于变工况机组。16. 011,2021n,94. 01opx65. 0opax三、级内损失和级的效率三、级内损失和级的效率1汽轮机级内损失汽轮机级内损失汽轮机级内损失：包括：汽轮机级内损失：包括： 、 、 之外之外叶高损失叶高损失: 扇形损失扇形损失 : 叶轮摩擦损失叶轮摩擦损失: 部分进气损失部分进气损失: 漏汽损失漏汽损失: 湿汽损失湿汽损失: nhbh2chLhh

36、fhehhxh随叶高的流动损失；叶片级轴向间隙中产随叶高的流动损失；叶片级轴向间隙中产生的径向流动损失生的径向流动损失蒸汽微团间，蒸汽微团间，蒸汽与叶轮间的摩擦；蒸汽与叶轮间的摩擦；间隙处蒸汽旋转速度不同间隙处蒸汽旋转速度不同产生旋涡产生旋涡鼓风损失：鼓风损失：轴向间隙处不工作蒸汽从轴向间隙处不工作蒸汽从叶轮的一侧鼓到另一侧产生耗功损失叶轮的一侧鼓到另一侧产生耗功损失弧段斥汽损失：弧段斥汽损失：排斥并加速停滞汽道排斥并加速停滞汽道内蒸汽的损失内蒸汽的损失+漏损漏损+吸气损失吸气损失隔板汽封间隙处，动叶顶部、根部轴隔板汽封间隙处，动叶顶部、根部轴向间隙处发生的漏汽损失。向间隙处发生的漏汽损失。湿

37、蒸汽流动造成的能量损失湿蒸汽流动造成的能量损失:湿汽过热湿汽过热,摩擦，驱水滴等摩擦，驱水滴等喷嘴和动叶端部损失喷嘴和动叶端部损失2汽轮机级效率汽轮机级效率 当级的进汽量为当级的进汽量为D1；级的有效比焓降为级的有效比焓降为hi时，时， 级的内功率为：级的内功率为：级的相对内效率为：级的有效比焓降与级的理论比级的相对内效率为：级的有效比焓降与级的理论比焓降之比。即：当余速被下一级部分利用时：焓降之比。即：当余速被下一级部分利用时： 36001iihDP221*1*0)1 (ctcxeflbntirihhhhhhhhhhhhEh6大损失 当余速未利用时，当余速未利用时， 表明级的能量转换的完善程

38、度，是衡量汽轮机的表明级的能量转换的完善程度，是衡量汽轮机的重要经济性指标。重要经济性指标。 *01, 0thE*02tcxeflbntirihhhhhhhhhhhEh第四节第四节 多级涡轮机多级涡轮机 一、多级涡轮机的热力过程一、多级涡轮机的热力过程1）必要性）必要性汽轮机工作条件：初压：汽轮机工作条件：初压：23.5Mpa左右；左右；背压：真空度背压：真空度0.0034Mpa下工作；下工作； 理想比焓降：达理想比焓降：达10001600kJ/kg； 从经济性角度：叶片平均直径处圆周速度：从经济性角度：叶片平均直径处圆周速度：1000m/s 汽流的马赫数：汽流的马赫数：Ma=33.5。要保证

39、在最佳速度比工作时，避免单级的要保证在最佳速度比工作时，避免单级的圆周速度圆周速度超过材料的极限强度超过材料的极限强度；采用多级汽轮机。；采用多级汽轮机。2） 多级汽轮机多级汽轮机 蒸汽在依次连接的多级中相继作功；十多级每蒸汽在依次连接的多级中相继作功；十多级每一级只利用整个汽轮机比焓降中的一小部分；一级只利用整个汽轮机比焓降中的一小部分； 高压、中压部分的级、叶片的圆周速度：高压、中压部分的级、叶片的圆周速度：120250m/s； 低压缸末几级圆周速度：低压缸末几级圆周速度：350450m/s； 对多数的级汽流的马赫数：对多数的级汽流的马赫数：Ma1； 级速比接近最佳速度比；级速比接近最佳速

40、度比； 汽轮机的输出功率汽轮机的输出功率=各级功率之和。各级功率之和。 3）多级汽轮机热力过程）多级汽轮机热力过程 ：进汽节流过程：进汽节流过程 ：各级实际膨胀过程：各级实际膨胀过程 ：排汽节流过程：排汽节流过程 调节阀前状态：调节阀前状态：A0（po，to）；）； 第一级喷嘴前的状态：第一级喷嘴前的状态： （ ）调节阀的节流损失后）调节阀的节流损失后 排气背压排气背压冷凝器压力冷凝器压力 ； 点点 末级动叶排汽时排汽管压力损失，所以，末级动叶排汽时排汽管压力损失，所以， ； 点点 汽轮机总理想焓降汽轮机总理想焓降 ： 级内理想焓降级内理想焓降 ： 有效焓降有效焓降00 AA20 BA22 B

41、B0A00,tpcp2Bccpp2BtH00 BAuHtH00 BA 4）多级的特点：）多级的特点：a）单级焓降小单级焓降小，提高单机功率，保证在最佳速比附，提高单机功率，保证在最佳速比附近工作，提高机组效率；近工作，提高机组效率；b）喷嘴出口速度小喷嘴出口速度小，可减小级的平均直径，可减小级的平均直径提高提高叶片高度，减小叶顶端损失，或增大部分进汽度，叶片高度，减小叶顶端损失，或增大部分进汽度，减小部分进汽损失；减小部分进汽损失；c）级的焓降较小级的焓降较小，可用渐缩喷嘴，提高喷嘴效率；，可用渐缩喷嘴，提高喷嘴效率；d）蒸汽在汽轮机中的工作过程为）蒸汽在汽轮机中的工作过程为绝热过程绝热过程，

42、上一，上一级损失转为热能，使进入本级时温度升高，故增级损失转为热能，使进入本级时温度升高，故增大级的理想焓降大级的理想焓降 二、重热系数二、重热系数表示多级汽轮机能量损失中，回收热能的程度。表示多级汽轮机能量损失中，回收热能的程度。 Q：级的能量损失中回收的热能：级的能量损失中回收的热能; 级内的能量损失转变成热能，加级内的能量损失转变成热能，加热工质，提高级后蒸汽的焓值。热工质，提高级后蒸汽的焓值。对对n级汽轮机：级汽轮机： 各级理想比焓降之和各级理想比焓降之和=各级等熵理想比焓降之和各级等熵理想比焓降之和+各级回收热能之和各级回收热能之和, 即即 tHQnjtnjjtsnjtQHqhhjj

43、111)1 ()1 (tttHHQH 设设 各级的相对内效率相等，为各级的相对内效率相等，为 ， 则则 各级实际比焓降为：各级实际比焓降为： 总的级的实际比焓降总的级的实际比焓降: 整个汽轮机的相对内效率：整个汽轮机的相对内效率： rijjtriihhiniinjihhhhj 211trinjtritnttriHhhhhj )1 ()(121)1 (1,ritnjitiTriHhHHj 整机内效率大于各级的平均内效率；但整机内效率大于各级的平均内效率；但 越大，越大， 越小。越小。 因为，重热只能回收总损失的一部分，不能补因为，重热只能回收总损失的一部分，不能补偿损失的全部。偿损失的全部。 重

44、热系数的半经验公式：重热系数的半经验公式： 在过热区：在过热区：K=0.2；饱和区：；饱和区：K=0.12； 部 分 在 过 热 区 ， 部 分 在 饱 和 区 工 作 时部 分 在 过 热 区 ， 部 分 在 饱 和 区 工 作 时K=0.140.18。Z：级数：级数 Tri,ZZHKtri17 .418)1 (三、多级涡轮机的损失三、多级涡轮机的损失多级涡轮机除级内损失以外，还有多级涡轮机除级内损失以外，还有1） 前后端轴封前后端轴封漏汽损失漏汽损失漏汽原因：旋转件和固定件之间留有间隙，间隙两端存在压漏汽原因：旋转件和固定件之间留有间隙，间隙两端存在压差而漏汽。差而漏汽。 漏汽不流经主流道

45、，不参加作功漏汽不流经主流道，不参加作功漏汽损失漏汽损失 防止措施：齿形轴封。密封原理防止措施：齿形轴封。密封原理降低压差（压降）降低压差（压降） 结构：高低齿与轴上凸肩相错对应，而者之间留有径向结构：高低齿与轴上凸肩相错对应，而者之间留有径向环形齿隙；每两个齿间形成环形汽室。环形齿隙；每两个齿间形成环形汽室。汽室内的蒸汽流动：蒸汽通过环形齿隙时，通道面积减小，汽室内的蒸汽流动：蒸汽通过环形齿隙时，通道面积减小，速度增大，压力降低；速度增大，压力降低； 流入齿后，汽室体积流入齿后，汽室体积突然扩大，汽流产生涡突然扩大，汽流产生涡流和碰撞，其动能全部流和碰撞，其动能全部转换为热能；使蒸汽焓转换为

46、热能；使蒸汽焓值得到回复。值得到回复。 每个齿隙只承担轴每个齿隙只承担轴封总压降的一部分。封总压降的一部分。 2）进气节流损失）进气节流损失 进气节流损失指蒸汽从初状态引入第一级喷嘴之前，进气节流损失指蒸汽从初状态引入第一级喷嘴之前，流经主汽阀、调节阀、管道以及蒸汽室时因压力损失造流经主汽阀、调节阀、管道以及蒸汽室时因压力损失造成的焓降损失。成的焓降损失。 设第一级喷嘴前压力为设第一级喷嘴前压力为 ，则，则节流引起的压力损失节流引起的压力损失为：为： 高低压缸之间用连通管连接时，因高低压缸之间用连通管连接时，因摩擦而造成摩擦而造成的压力损的压力损失为失为 ：连通管压力：连通管压力 tttHHH

47、 0p0000)05. 003. 0(ppppsssspppp)03. 002. 0(sp3）排汽管压力损失）排汽管压力损失 设冷凝器的静压为设冷凝器的静压为 ， 汽轮末级出口后的静压为汽轮末级出口后的静压为 ，排汽管压力损失主要包括排汽管压力损失主要包括流动摩擦损失和涡流而产生流动摩擦损失和涡流而产生的压降；即：的压降；即： ：排汽管阻力系数（：排汽管阻力系数（0.050.1），）， :排汽管中的汽流速度（排汽管中的汽流速度（80100m/s） cpcpexccexcccpcppp21004）机械损失）机械损失 汽轮机运行时克服径向轴承、推力轴承的摩擦阻汽轮机运行时克服径向轴承、推力轴承的摩

48、擦阻力；力；带动调速器、主油泵等所消耗的功率带动调速器、主油泵等所消耗的功率 机械机械损失；损失；汽轮机内功率为汽轮机内功率为 ， 则，轴端功率为：则，轴端功率为： 汽轮机的机械效率：汽轮机的机械效率：axPiPaxiaxPPPiaxiaxaxPPPP15）汽轮机装置的效率）汽轮机装置的效率 郎肯循环郎肯循环：水等压加热变为水蒸气的过程：水等压加热变为水蒸气的过程d-a；（第五章）；（第五章） 水蒸气在汽轮机内绝热膨胀过程水蒸气在汽轮机内绝热膨胀过程a-b； 排出的水蒸气在冷凝器内定压凝结为饱和水的过程排出的水蒸气在冷凝器内定压凝结为饱和水的过程b-c； 水在水泵内绝热压缩过程水在水泵内绝热压

49、缩过程c-d等构成等构成 循环效率：循环效率： ：水蒸气初比焓，：水蒸气初比焓， ：凝结水比焓。：凝结水比焓。 a）汽轮发电机组的绝对电效率：）汽轮发电机组的绝对电效率： 相对电效率：相对电效率： ctthhH00hchgaxritfwgaxritelahhH0,gaxritelelrHDP0, f e d T s a b c 汽轮机内效率：汽轮机内效率：汽轮发电机组的绝对电效率：汽轮发电机组的绝对电效率：相对电效率：相对电效率：汽轮机机械效率：汽轮机机械效率：)1 (1,ritnjitiTriHhHHjgaxritfwgaxritelahhH0,gaxritelelrHDP0,iaxiaxa

50、xPPPP1 其中，其中， ：发电机效率；：发电机效率； ：发电机线端功率；：发电机线端功率； ：流量（：流量（kg/h） ：末级高压加热器出口的给水比焓（采用回：末级高压加热器出口的给水比焓（采用回热系统时）。热系统时）。 b）汽耗率）汽耗率d：每发：每发1kwh电所消耗的蒸汽量；电所消耗的蒸汽量； 只用于同类型机组的经济性比较。只用于同类型机组的经济性比较。 c）热耗率：每发）热耗率：每发1kwh 电所消耗的热量。电所消耗的热量。 可用于评价不同参数的汽轮机组的经济性。可用于评价不同参数的汽轮机组的经济性。 gelP0DfwhelrtelHPDd,03600elaq,3600四、汽轮机的配

51、汽方式四、汽轮机的配汽方式 配汽方式配汽方式=汽轮机负荷调节方式，由外界负荷变化调节输出功。汽轮机负荷调节方式，由外界负荷变化调节输出功。 两种基本配汽方式：喷嘴配汽和节流配汽两种基本配汽方式：喷嘴配汽和节流配汽1 喷嘴配汽方式喷嘴配汽方式配汽方法：设多个调节阀；第一级为部分进汽，并配置若干个配汽方法：设多个调节阀；第一级为部分进汽，并配置若干个喷嘴组；喷嘴组； 调节阀数目调节阀数目=喷嘴组数目；喷嘴组数目； 每个调节阀只控制一个喷嘴组的进汽；每个调节阀只控制一个喷嘴组的进汽； 通过不同调节阀的开关控制，改变工作喷嘴数目，控制进入通过不同调节阀的开关控制，改变工作喷嘴数目，控制进入汽轮机的流量

52、，实现负荷调节。汽轮机的流量，实现负荷调节。因这种汽轮机的第一级能改变流通面积，所以称为因这种汽轮机的第一级能改变流通面积，所以称为调节级调节级。 配汽方式的特点：配汽方式的特点：1)各阀依次开启（关闭），各阀依次开启（关闭），任意工况下，仅一个阀为部分开启任意工况下，仅一个阀为部分开启，其余各阀均全开（全关）其余各阀均全开（全关）只有流过部分开启阀的小部分蒸只有流过部分开启阀的小部分蒸汽受到汽受到节流节流，改善机组低负荷的热经济性。，改善机组低负荷的热经济性。2）全开阀门无节流，部分开阀门受到节流，所以）全开阀门无节流，部分开阀门受到节流，所以调节级内调节级内有有两股初参数不同的工作蒸汽，而

53、两股初参数不同的工作蒸汽，而级后压力相同级后压力相同。相当于节相当于节流部分，效率降低流部分，效率降低。3）汽轮机负荷变化时，调节级前后的压力和焓降随之变化。）汽轮机负荷变化时，调节级前后的压力和焓降随之变化。第第1组阀门全开时压差最大，焓降也最大，而部分进汽最小组阀门全开时压差最大，焓降也最大，而部分进汽最小调节级调节级叶片应力状态最差叶片应力状态最差；调节级后温度变化幅度较大，；调节级后温度变化幅度较大，且沿且沿圆周分布不均匀圆周分布不均匀，热负荷大，所以，热负荷大，所以，喷嘴配汽对负荷喷嘴配汽对负荷变化的适应性较差变化的适应性较差4）随功率所需蒸汽量）随功率所需蒸汽量 时，随着后一个阀门

54、开启，级后压力增时，随着后一个阀门开启，级后压力增大，在非临界状态，通过全阀门的蒸汽量反而会降低。大，在非临界状态，通过全阀门的蒸汽量反而会降低。2节流配汽节流配汽 根据汽轮机负荷大小，利用调节阀直接对进入蒸根据汽轮机负荷大小，利用调节阀直接对进入蒸汽节流，以控制进入汽轮机的蒸汽量。汽节流，以控制进入汽轮机的蒸汽量。 特点：结构简单，成本低。特点：结构简单，成本低。无调节级无调节级，除小功率，除小功率外，汽轮机外，汽轮机第一级均设计为全周进汽第一级均设计为全周进汽，改善第一，改善第一级动叶强度和第一级后温度分布不均匀性。级动叶强度和第一级后温度分布不均匀性。 缺点：除最大负荷工况外，调节阀均在

55、部分开启缺点：除最大负荷工况外，调节阀均在部分开启状态，所以状态，所以蒸汽节流，理想焓降减少，低负荷时蒸汽节流，理想焓降减少，低负荷时热经济性较差热经济性较差。 常用于大功率高参数机组。最大负荷时经济性与常用于大功率高参数机组。最大负荷时经济性与喷嘴配汽式相近。喷嘴配汽式相近。 五、汽轮机的工况图五、汽轮机的工况图 汽轮机工况图：指汽轮机组的功率与汽耗量间的关系曲线。汽轮机工况图：指汽轮机组的功率与汽耗量间的关系曲线。 节流调节的凝汽式汽轮机的工况：节流调节的凝汽式汽轮机的工况： 汽耗特性方程：汽耗特性方程： ：发电机组空载汽耗，：发电机组空载汽耗， dl ：汽耗率，即增加单位功率所需增加的汽

56、耗量：汽耗率，即增加单位功率所需增加的汽耗量d ellnlPdDDnlD4个调节汽门系统个调节汽门系统:a点点三个汽门全三个汽门全开，截流损失最小，开，截流损失最小，效率最高效率最高d点点四个汽门全四个汽门全开开全负荷全负荷第五节第五节 火箭及喷气发动机火箭及喷气发动机一、火箭推进概述一、火箭推进概述1火箭的运动与推进原理火箭的运动与推进原理直接反作用装置直接反作用装置：如火箭等喷气式发动机，：如火箭等喷气式发动机， 特点：发动机和推进器合为一体，特点：发动机和推进器合为一体， 将各种形式的能量转换成射流的动能；将各种形式的能量转换成射流的动能； 射流产生的反作用力直接作用在发动机上。射流产生

57、的反作用力直接作用在发动机上。 间接反作用式装置间接反作用式装置：如螺旋桨飞机，：如螺旋桨飞机， 特点：发动机和推进器分开特点：发动机和推进器分开; 发动机作为动力源，工质为燃料燃烧的产物，发动机作为动力源，工质为燃料燃烧的产物， 推进器作为产生运动部件，工质为空气；推进器作为产生运动部件，工质为空气； 推动飞机前进的反作用力作用在推进器上。推动飞机前进的反作用力作用在推进器上。直接反作用喷气式发动机：有空气喷气发动机和火箭发动机直接反作用喷气式发动机：有空气喷气发动机和火箭发动机1）空气喷气发动机：由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和）空气喷气发动机：由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管等组成；

58、喷管等组成；特点：利用周围的空气通过燃烧产生喷气射流。特点：利用周围的空气通过燃烧产生喷气射流。 图图3-27 其理想循环：进汽道和压气机中的定熵压缩过程；其理想循环：进汽道和压气机中的定熵压缩过程； 燃烧室中的等压加热过程；燃烧室中的等压加热过程； 涡轮和喷管中的定熵膨胀过程；涡轮和喷管中的定熵膨胀过程； 对外等压放热过程。对外等压放热过程。 只能在只能在大气层大气层中推进，在真空层中只能靠惯性飞行。中推进，在真空层中只能靠惯性飞行。 2）火箭发动机：发动机和推进器合为一体）火箭发动机：发动机和推进器合为一体 特点：不用周围空气，只用自身携带的物质，产生特点：不用周围空气，只用自身携带的物质

59、，产生射流；射流； 所以，在大气层或在大气层外都能推进。所以，在大气层或在大气层外都能推进。3）火箭反作用运动和推力的产生原理）火箭反作用运动和推力的产生原理火箭燃烧产物是从火箭本身喷出，故在推进过程中火箭燃烧产物是从火箭本身喷出，故在推进过程中火箭是火箭是变质量系统变质量系统；设，系统包括喷出的质量设，系统包括喷出的质量定质量系统，定质量系统， 由动量定律：系统动量变化由动量定律：系统动量变化=冲量变化冲量变化t 时刻：系统质量为时刻：系统质量为M，速度，速度u；t+dt 时刻：时刻： 系统质量分为系统质量分为火箭质量：火箭质量： ， 速度：速度： 排出的质量：排出的质量： 速度：速度：其中

60、，其中， ：每秒喷出的燃烧产物质量，：每秒喷出的燃烧产物质量， ：燃烧产物相对火箭的后喷速度：燃烧产物相对火箭的后喷速度 dtmMtdtdtddtmtedtdtddtdMmte数学模型：数学模型：由动量定律：由动量定律： ：火箭所受外力的矢量和，包括表面静压力、气动阻力、：火箭所受外力的矢量和，包括表面静压力、气动阻力、重力等重力等 将上式展开，略去二阶微量，整理后得，将上式展开，略去二阶微量，整理后得， a）火箭运动方程）火箭运动方程：说明：相对说明：相对定质量物体运动方程定质量物体运动方程相比，多了相比，多了 项项 ，数值上，数值上等于从等于从火箭喷出的燃烧产物的动量变化率火箭喷出的燃烧产