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1、第三章 涡轮机及喷气发动机,3-1 概述涡轮机：蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机等旋转式叶片机械；喷气式发动机：燃气轮机作为飞机的动力1特点 连续工作的旋转式机械；工质的热能首先转换为其动能，然后在转换为机械能。内燃机：直接QW；,所以，1）功率大：连续回转，大大提高进入的工质量；2）高速性：叶片的旋转速度与单位时间进入的工质量有关，所以，叶片速度与工质的流动速度呈正比；3）经济性高：热力循环的热效率与循环初始参数有关，一般蒸汽机初压为：160245bar；初温：560570。故用途广,2用途 1）蒸汽轮机：工质为蒸汽，将蒸汽的热能转换为机械能；用途：（1）中心电站、热电站、核电站的主要动力机（2）
2、给鼓风机、水泵、压缩机提供驱动动力（3）化工、冶金、轻工等生产领域，作为动力源而广泛应用；（4）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机械能。用途：（1）地面机械发电、船舶、机车等的动力源（2）航空用飞机的动力（3）涡轮喷气式发动机用于高速飞机。因其喷射速度大。,3燃气轮机与蒸汽机的比较 缺点：单机容量小；效率低；优点：设备简单、轻便；用水量少；便于自动控制、起动快4发展规模美国：1950年，每台蒸汽机平均容量为4MW；1962年，为 13.5MW；1972年，为 52MW。,前苏联：1960初，仅有5台16MW的蒸汽机；1970年底，15MW以
3、上的蒸汽机，达 235台，其中，30MW的机组69台。我国：1955年制造第一台蒸汽机，6000千瓦，到70年代末，已生产1.2万千瓦、2.5万千瓦、5MW、10MW、20MW的蒸汽机。目前运行中的最大机组容量为1300MW。,发展机组容量的原因：1）减小电站单位容量的造价；相对20MW机组电站单位造价，50MW机组电站的单位造价可降低15%；100MW的电站单位造价可降低25%；2）提高机组的效率减小新建电站数目，加快电站建设速度。,二、构造与分类,1蒸汽轮机 简称汽轮机，工质为水蒸气，旋转式叶片机械；1）结构特点 由静子和转子两大部分组成；静子：包括汽缸、隔板3、静叶栅1、进排汽部分、端汽
4、封以及轴承、轴承座等；转子：主轴5、叶轮4、动叶片2、联轴器等。,汽轮机的级：一列静叶栅和一列动叶栅构成汽轮机的级。单级汽轮机：指只有一个级的汽轮机；多级汽轮机：有若干级的汽轮机,由一列静叶栅和一列动叶栅组成基本的工作单元；静叶栅：由若干喷管组成，各 喷管流通截面变化；动叶栅：与叶轮安装为一体的 叶片组。,2）基本工作原理产生过热蒸汽：锅炉送往喷管，喷管截面变化，蒸汽的热能转变为动能高速喷出；射入动叶栅叶片的通道，推动叶轮旋转，对外作功。能量转换：热能工质的动能叶轮的机械能,分类的方法4种：按工作原理：冲动式蒸汽仅在喷嘴中膨胀；反动式蒸汽在喷嘴和动叶栅中膨胀按热力特性：凝气式排汽在真空状态下进
5、入冷凝器结成水；背压式排汽压力大于大气压，排汽供热使用 抽汽式调整抽汽供热用；抽汽背压式具有调整抽汽的背压式；乏汽式用其他设备的副产蒸汽作为工质；,3）分类,按气流方向：轴流式蒸汽轴向流动；径流式蒸汽径向流动；周流式蒸汽周向流动；,按用途：电站用 工业用动力源 船用 2燃气轮机1）结构特点 主要由进气道、压气机、燃烧室以及燃气涡轮等组成。燃气涡轮：压气机+燃烧室+燃气涡轮=燃气发生器,2）工作原理,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。膨胀功=压气机压缩所消耗的功+对外输出功（作为动力）
6、,3）分类,按用途分两大类：作为地面机械用动力的地面燃气轮机；主要产生轴功图3-3b)飞机用动力的航空燃气轮机；主要产生推力和拉力图3-3a)。,地面燃气轮机：要求提供轴功率，所以需要动力透平;单轴式动力透平和燃气透平固定在同一根轴上；分轴式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，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生推力的方法不同分为：涡轮喷气发动机；涡轮风扇发动机；涡轮螺旋桨发动机；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；工作可靠。,第二节 热力涡轮机级的基本理论,热力涡轮机=汽轮机
7、+燃气轮机一、透平级的概念1级的定义：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元。2级内能量转换原理：喷嘴：工质在喷嘴中膨胀使其温度、压力下降速度增加将热能转换为动能，获得高速汽流；,动叶：喷嘴出口以很高的汽流喷入动叶，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，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。由此完成动能机械能,3反动度：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用力（离心力），称为，冲动力；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
8、栅产生与汽流流出方向相反的反作用力，此力称为反动力。,表示动叶汽道内的汽流膨胀程度；定义：动叶汽道内膨胀时 的理想焓降；：整个级的滞止理想 焓降；：喷嘴中的滞止理想 焓降。（对喷嘴进出口）。,4级的分类,按蒸汽在级内膨胀程度分为冲动级和反动级。1）冲动级a）纯冲动级：的级特点：汽流只在喷嘴中膨胀。动叶栅中不膨胀，只改变流动方向；动叶栅进出口压力相等,p1=p2，作功能力大，效率低b）带反动度的冲动级：，应用广泛。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的特点。,c）复速级：由一列静叶栅，两列动叶栅，一列固定导向叶栅组成。导向叶栅在两列动叶栅之间，将前一列动叶栅出口的汽流
9、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。为提高复速级的效率，可采用一定的反动度。,2）反动级：的级。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；，；效率比冲动级高，但作功能力较小。,二、级内的工作过程,（一）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。即1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 当蒸汽从过热区膨胀过渡到湿蒸汽区时，采用水蒸气表或hs图；,对等熵过程：过热蒸汽：湿蒸汽：x：膨胀初期蒸汽干度；空气：；燃气：,2连续方程,稳定流动连续方程：（稳定工况）流量qm一定，即微分形式：表示一维流动时
10、密度、速度、截面积之间的变化规律。,3。能量方程,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：对静叶栅，绝热，不作功，所以 即沿流线总焓不变。,4运动方程,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 能量：热一律（可逆）：有由绝热条件：，代入后，积分得,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。（二）工质在喷嘴中的膨胀过程1.喷嘴中的汽流速度 1）喷嘴出口处的汽流理想速度 喷嘴入口处蒸汽的状态：；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：喷嘴的理想焓降。用滞止焓表示时：,2）喷嘴出口的汽流实际速度
11、一般蒸汽有粘性，所以实际速度，即流动中有损失。损失程度常用速度系数j表示，即：速度系数j与动能损失 之间的关系：流动过程绝热，故损失的动能热能加热蒸汽本身，使蒸汽出口实际比焓大于理想比焓。熵增加。,3)影响j的因数：喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度、前后压力等。喷嘴高度影响最大，一般取 l075mm 时，,2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，在喷嘴出口处形成汽流斜切部分，直接影响出口速度及方向；即影响汽流进入动叶特性。,偏角,当出口截面上的压力比 临界压比时：喷嘴喉部断面AB上的流速声速；此时出口断面无膨胀波，喷嘴出汽角 1为：当喷嘴出口断面上的压力比临界压比时：喷嘴喉
12、部断面上流速=临界速度；压力=临界压力pcr；此时汽流在斜切部继续膨胀，pcr 膨胀到出口处压力p1;A点处压力从pcr突然降低到 p1，而产生汽流扰动；,斜切部形成以A点为中心的膨胀波区，通过A点射出等压线；使斜切部压力降低，汽流速度增加，达到超音速；当被压p1继续降低时，斜切部分最后一根等压线与出口底面重合。这样，BC段汽流压力从pcr逐渐降低到p1；而假想的AD汽流段压力为均匀分布（p1）；所以BC面合力AD面合力；使汽流绕A点偏转一个角度。,当已知喷嘴压力比、蒸汽等熵指数k、喷嘴出汽角1，则由 计算求得偏转角1,（三）工质在动叶栅中的流动和速度三角形,1速度三角形动叶栅的圆周速度：;dm:平均直径；汽流对动叶栅的相对速度：w1 进入动叶栅的汽流绝对速度：c1,则 此矢量关系用图表示，就是速度三角形:,2实际动叶栅相对速度 动叶栅实际入口相对三个速度：动叶栅进汽角：同理，由动叶栅实际出口速度三角形：出口绝对速度：出汽角：叶栅出口角：,3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，由于动叶栅内部流动损失，一般，；即,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 主要与叶型、反动度、表面粗糙度有关。一般取=0.850.95。,
