吉林大學(xué)熱能與動(dòng)力工程第3章-渦輪機(jī)及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)1

1、第三章 渦輪機(jī)及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),§3-1 概述渦輪機(jī)：蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)式葉片機(jī)械；噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)：燃?xì)廨啓C(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力1．特點(diǎn) 連續(xù)工作的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械； 工質(zhì)的熱能首先轉(zhuǎn)換為其動(dòng)能，然后在轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。 內(nèi)燃機(jī)：直接Q→W；,,所以，1）功率大：連續(xù)回轉(zhuǎn)，大大提高進(jìn)入的工質(zhì)量； 2）高速性：葉片的旋轉(zhuǎn)速度與單位時(shí)間進(jìn)入的工質(zhì)量有關(guān)，所以，葉片速度與工質(zhì)的流動(dòng)速度呈正比；

2、 3）經(jīng)濟(jì)性高：熱力循環(huán)的熱效率與循環(huán)初始參數(shù)有關(guān)，一般蒸汽機(jī)初壓為：160~245bar；初溫：560~570℃。 故用途廣,2．用途 1）蒸汽輪機(jī)：工質(zhì)為蒸汽，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；用途：（1）中心電站、熱電站、核電站的主要?jiǎng)恿C(jī)（2）給鼓風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力（3）化工、冶金、輕工等生產(chǎn)領(lǐng)域，作為動(dòng)力源而廣泛應(yīng)用；（4）蒸汽輪機(jī)的排汽，用于生產(chǎn)或生活的供熱取暖,2）燃?xì)廨啓C(jī)：工質(zhì)為燃?xì)猓?/p>

3、將燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能。用途：（1）地面機(jī)械——發(fā)電、船舶、機(jī)車等的動(dòng)力源（2）航空用飛機(jī)的動(dòng)力（3）渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)——用于高速飛機(jī)。因其噴射速度大。,3．燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽機(jī)的比較 缺點(diǎn)：單機(jī)容量?。恍实?； 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、輕便； 用水量少； 便于自動(dòng)控制、起動(dòng)快4．發(fā)展規(guī)模美國：1950年，每臺(tái)蒸汽機(jī)平均容量為4MW； 19

4、62年，為 13.5MW； 1972年，為  52MW。,前蘇聯(lián)：1960初，僅有5臺(tái)16MW的蒸汽機(jī)； 1970年底，15MW以上的蒸汽機(jī)，達(dá) 235臺(tái)，其中，30MW的機(jī)組69臺(tái)。我國：1955年制造第一臺(tái)蒸汽機(jī)，6000千瓦，

5、 到70年代末，已生產(chǎn)1.2萬千瓦、2.5萬千瓦、5MW、10MW、20MW的蒸汽機(jī)。 目前運(yùn)行中的最大機(jī)組容量為1300MW。,發(fā)展機(jī)組容量的原因： 1）       減小電站單位容量的造價(jià)；相對(duì)20MW機(jī)組電站單位造價(jià)，50MW機(jī)組電站的單位造價(jià)可降低15%；100MW的電站單位造價(jià)可降低25%； 2）    &

6、#160;  提高機(jī)組的效率減小新建電站數(shù)目，加快電站建設(shè)速度。,二、構(gòu)造與分類,1．蒸汽輪機(jī) 簡稱汽輪機(jī)，工質(zhì)為水蒸氣，旋轉(zhuǎn)式葉片機(jī)械；1）    結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 由靜子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成；靜子：包括汽缸、隔板3、靜葉柵1、 進(jìn)排汽部分、端汽封以及軸承、 軸承座等；轉(zhuǎn)子：主軸5、葉輪4、動(dòng)葉片2、 聯(lián)軸器等。,汽輪機(jī)的級(jí)：一列靜葉

7、柵和一列動(dòng)葉柵構(gòu)成汽輪機(jī)的級(jí)。單級(jí)汽輪機(jī)：指只有一個(gè)級(jí)的汽輪機(jī)；多級(jí)汽輪機(jī)：有若干級(jí)的汽輪機(jī),由一列靜葉柵和一列動(dòng)葉柵組成基本的工作單元；靜葉柵：由若干噴管組成，各 噴管流通截面變化；動(dòng)葉柵：與葉輪安裝為一體的 葉片組。,,,,2）    基本工作原理產(chǎn)生過熱蒸汽：鍋爐送往噴管，噴管截面變化，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能?高速噴出；射入動(dòng)葉柵

8、葉片的通道，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，對(duì)外作功。能量轉(zhuǎn)換：熱能→工質(zhì)的動(dòng)能→葉輪的機(jī)械能,分類的方法4種：按工作原理：沖動(dòng)式——蒸汽僅在噴嘴中膨脹； 反動(dòng)式——蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉柵中膨脹按熱力特性： 凝氣式——排汽在真空狀態(tài)下進(jìn)入冷凝器結(jié)成水； 背壓式——排汽壓力大于大氣壓，排汽供熱使用 抽汽式——調(diào)整抽汽供熱用； 抽汽背壓式—具有調(diào)整抽汽的背壓式； 乏汽式——用其他設(shè)備的副產(chǎn)蒸汽作為工質(zhì)；,3）分類,按

9、氣流方向：軸流式——蒸汽軸向流動(dòng)； 徑流式——蒸汽徑向流動(dòng)； 周流式——蒸汽周向流動(dòng)；,按用途： 電站用 工業(yè)用動(dòng)力源 船用 2．燃?xì)廨啓C(jī)1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 主要由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室以及燃?xì)鉁u輪等組成。燃?xì)鉁u輪：壓氣機(jī)+燃燒室+燃?xì)鉁u輪=燃?xì)獍l(fā)生器,,2）工作原理,工質(zhì)來源：燃?xì)鈨?nèi)部的燃燒產(chǎn)物空氣連續(xù)不斷

10、地吸入壓氣機(jī)，在壓氣機(jī)中被壓縮增壓后，進(jìn)入燃燒室中與噴入的油混合燃燒成高溫高壓燃?xì)?，再進(jìn)入透平中膨脹作功。膨脹功=壓氣機(jī)壓縮所消耗的功+對(duì)外輸出功 （作為動(dòng)力）,3）分類,按用途分兩大類：作為地面機(jī)械用動(dòng)力的——地面燃?xì)廨啓C(jī)；主要產(chǎn)生軸功——圖3-3b)飛機(jī)用動(dòng)力的——航空燃?xì)廨啓C(jī)；主要產(chǎn)生推力和拉力——圖

11、3-3a)。,,,,地面燃?xì)廨啓C(jī)：要求提供軸功率，所以需要?jiǎng)恿ν钙? 單軸式—?jiǎng)恿ν钙胶腿細(xì)馔钙焦潭ㄔ谕桓S上； 分軸式——?jiǎng)恿ν钙骄哂袉为?dú)的旋轉(zhuǎn)軸： 優(yōu)點(diǎn)：燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子和動(dòng)力透平可有不同轉(zhuǎn)速，使各部分具有較高的工作效率和較寬的運(yùn)行范圍。,航空燃?xì)廨啓C(jī)分類：根據(jù)用燃?xì)獍l(fā)生器的可用功產(chǎn)生推力的方法不同分為： 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)； 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)；

12、 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)； 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)（直升飛機(jī)）航空燃?xì)廨啓C(jī)的共同要求：重量輕；用油少；工作可靠。,第二節(jié) 熱力渦輪機(jī)級(jí)的基本理論,熱力渦輪機(jī)=汽輪機(jī)+燃?xì)廨啓C(jī)一、透平級(jí)的概念1．級(jí)的定義： 一列靜葉和一列動(dòng)葉組成的最基本的工作單元，稱為透平級(jí)。是透平機(jī)械能量轉(zhuǎn)換的單元。2．級(jí)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換原理： 噴嘴：工質(zhì)在噴嘴中膨脹→使其溫度、壓力下降→速度增加→將熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，獲得高速汽

13、流；,動(dòng)葉：噴嘴出口以很高的汽流噴入動(dòng)葉， ?經(jīng)動(dòng)葉汽道（葉片）改變流動(dòng)方向， 此時(shí)，流體轉(zhuǎn)向時(shí)，對(duì)動(dòng)葉產(chǎn)生作用力， ?其圓周分力推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，對(duì)外輸出機(jī)械功； 而動(dòng)葉對(duì)汽流的反作用，使汽流轉(zhuǎn)向。 由此完成動(dòng)能→機(jī)械能,3．反動(dòng)度Ω： 當(dāng)汽流在動(dòng)葉汽道中不膨脹加速，只改變流動(dòng)方向時(shí)，汽流對(duì)汽道產(chǎn)生的作用力（離心力），稱為，沖動(dòng)力； 當(dāng)汽流在汽道內(nèi)改變方向的同時(shí)，進(jìn)行膨脹加速時(shí)，則加速的汽流流出

14、流道時(shí)，對(duì)動(dòng)葉柵產(chǎn)生與汽流流出方向相反的反作用力，此力稱為反動(dòng)力。,,,,Ω表示動(dòng)葉汽道內(nèi)的汽流膨脹程度；定義： ：動(dòng)葉汽道內(nèi)膨脹時(shí) 的理想焓降； ：整個(gè)級(jí)的滯止理想 焓降； ：噴嘴中的滯止理想 焓降。（對(duì)噴嘴進(jìn)出口）。,,,,,,4．級(jí)的分類,按蒸汽在級(jí)內(nèi)膨脹程度分為沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí)。1）

15、沖動(dòng)級(jí)a）純沖動(dòng)級(jí)： 的級(jí)特點(diǎn)：汽流只在噴嘴中膨脹。動(dòng)葉柵中不膨脹，只改變流動(dòng)方向； 動(dòng)葉柵進(jìn)出口壓力相等,p1=p2， 作功能力大，效率低b）帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)： ，應(yīng)用廣泛。 特點(diǎn)：蒸汽大部分在噴嘴中膨脹 兼?zhèn)錄_動(dòng)級(jí)作功能力大和反動(dòng)級(jí)效率高的特點(diǎn)。,,,,,c）復(fù)速級(jí)：由一列靜葉柵，兩列動(dòng)葉柵，一列固定導(dǎo)向葉柵組成。 導(dǎo)向葉柵在兩列

16、動(dòng)葉柵之間，將前一列動(dòng)葉柵出口的汽流方向改變?yōu)榈诙袆?dòng)葉柵的進(jìn)汽方向，使工質(zhì)繼續(xù)作功；以充分利用工質(zhì)的能量。 為提高復(fù)速級(jí)的效率，可采用一定的反動(dòng)度。,2）反動(dòng)級(jí)： 的級(jí)。 特點(diǎn)：蒸汽的膨脹一半在噴嘴葉柵中進(jìn)行。另一半在動(dòng)葉柵中進(jìn)行； ， ； 效率比沖動(dòng)級(jí)高，但作功能力較

17、小。,,,,二、級(jí)內(nèi)的工作過程,（一）基本方程汽輪機(jī)級(jí)的熱力計(jì)算，可用可壓縮流體一維流動(dòng)方程。即1．狀態(tài)方程：當(dāng)蒸汽處于過熱狀態(tài)，遠(yuǎn)離飽和線時(shí)， 對(duì)過熱蒸汽狀態(tài)：也可以表示為 當(dāng)蒸汽從過熱區(qū)膨脹過渡到濕蒸汽區(qū)時(shí)，采用水蒸氣表或h~s圖；,,,,對(duì)等熵過程：過熱蒸汽：濕蒸汽：x：膨脹初期蒸汽干度；空氣： ；燃?xì)猓?,,,,,2．連

18、續(xù)方程,穩(wěn)定流動(dòng)連續(xù)方程：（穩(wěn)定工況）流量qm一定，即微分形式： 表示一維流動(dòng)時(shí)密度、速度、截面積之間的變化規(guī)律。,,,3。能量方程,熱一定律的應(yīng)用，對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)，忽略勢能時(shí)，對(duì)蒸汽進(jìn)、出口狀態(tài)，有能量轉(zhuǎn)換關(guān)系： 對(duì)靜葉柵，絕熱，不作功，所以 即沿流線總焓不變。,,,4．運(yùn)動(dòng)方程,表示速度與壓力變化關(guān)系。 對(duì)一維等熵流動(dòng)，由能量方程和熱一定律

19、 能量：熱一律（可逆）： 有由絕熱條件： ，代入后，積分得,,,,,意義：已知進(jìn)口截面狀態(tài)參數(shù)，及出口截面背壓，可求得出口截面汽流的理想速度。 （二） 工質(zhì)在噴嘴中的膨脹過程1. 噴嘴中的汽流速度 1）噴嘴出口處的汽流理想速度 噴嘴入口處蒸汽的狀態(tài)： ；噴嘴內(nèi)等熵膨脹，則噴嘴出口處汽流理想速度為，由能

20、量方程 ：噴嘴的理想焓降。用滯止焓表示時(shí)：,,,,,2） 噴嘴出口的汽流實(shí)際速度 一般蒸汽有粘性，所以實(shí)際速度 ，即流動(dòng)中有損失。損失程度常用速度系數(shù)j表示，即： 速度系數(shù)j與動(dòng)能損失 之間的關(guān)系： 流動(dòng)過程絕熱，故損失的動(dòng)能?熱能加熱蒸汽本身，使蒸

21、汽出口實(shí)際比焓大于理想比焓。熵增加。,,,,3) 影響j的因數(shù)：噴嘴高度、葉型、汽道形狀、表面粗糙度、前后壓力等。 噴嘴高度影響最大，一般取 l0>75mm 時(shí)，,,,,2．蒸汽在噴嘴斜切部分中的膨脹,由噴嘴結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和流動(dòng)特點(diǎn)，在噴嘴出口處形成汽流斜切部分，直接影響出口速度及方向；即影響汽流進(jìn)入動(dòng)葉特性。,偏角,當(dāng)出口截面上的壓力比≥ 臨界壓比時(shí)： 噴嘴喉部斷面AB上的流速≤聲速； 此時(shí)出口斷面無膨脹波，

22、噴嘴出汽角 α1為： 當(dāng)噴嘴出口斷面上的壓力比<臨界壓比時(shí)： 噴嘴喉部斷面上流速=臨界速度； 壓力=臨界壓力pcr ； 此時(shí)汽流在斜切部繼續(xù)膨脹，pcr 膨脹到出口處壓力p1; A點(diǎn)處壓力從pcr突然降低到 p1，而產(chǎn)生汽流擾動(dòng)；,,斜切部形成以A點(diǎn)為中心的膨脹波區(qū)，通過A點(diǎn)射出等壓線；使斜切部壓力降低，汽流速度增加，達(dá)到超音速；當(dāng)被壓p1繼續(xù)降低時(shí)

23、，斜切部分最后一根等壓線與出口底面重合。這樣，BC段汽流壓力從pcr逐漸降低到p1；而假想的AD汽流段壓力為均勻分布（p1）；所以BC面合力>AD面合力；使汽流繞A點(diǎn)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度δ 。,當(dāng)已知噴嘴壓力比 、蒸汽等熵指數(shù)k 、噴嘴出汽角α1，則由 計(jì)算求得偏轉(zhuǎn)角δ1,,,（三）工質(zhì)在動(dòng)葉柵中的流動(dòng)和速度三角形,1．速度三角形動(dòng)葉柵的圓周速度： ; dm:平均直徑

24、；汽流對(duì)動(dòng)葉柵的相對(duì)速度：w1 進(jìn)入動(dòng)葉柵的汽流絕對(duì)速度：c1,則 此矢量關(guān)系用圖表示，就是速度三角形:,,,,,2．實(shí)際動(dòng)葉柵相對(duì)速度 動(dòng)葉柵實(shí)際入口相對(duì)三個(gè)速度： 動(dòng)葉柵進(jìn)汽角： 同理，由動(dòng)葉柵實(shí)際出口速度三角形：出口絕對(duì)速度： 出汽角： 葉柵出口角：,,,,,3．動(dòng)葉柵出口汽流理想速度,動(dòng)葉柵出口汽流理想速度：不考慮動(dòng)葉損失時(shí)，

25、 由于動(dòng)葉柵內(nèi)部流動(dòng)損失，一般， ； 即,,動(dòng)葉柵速度損失系數(shù),4．動(dòng)葉柵速度系數(shù)與能量損失之間的關(guān)系 Ψ主要與葉型、反動(dòng)度、表面粗糙度有關(guān)。一般取Ψ =0.85~0.95。,,第三節(jié) 渦輪機(jī)級(jí)的損失和效率,一、蒸汽作用在動(dòng)葉上的力和輪軸功蒸汽流過動(dòng)葉時(shí)，汽流作用在動(dòng)葉上的力，分解為動(dòng)葉片上的周向力和軸向力；即： 輪軸功：單位時(shí)間汽流對(duì)動(dòng)葉片所

26、作的功，即： 由沖量式：,,,,,,所以， 此式表明，當(dāng)qm=1kg/s時(shí)，表示1kg蒸汽所產(chǎn)生的有效功，即級(jí)的作功能力： 因 ； 所以，由速度三角形（圖3-10）,,,,,表明級(jí)的作功能力 ，與進(jìn)/出汽角 （ ）有關(guān);沖動(dòng)級(jí)動(dòng)葉片的 、 值均較小，故作功能力較大;而反動(dòng)級(jí)動(dòng)葉片的 和 角均沖動(dòng)級(jí)大，所以其作功能

27、力較小。 由速度三角形： 即蒸汽在動(dòng)葉柵中作功后，以絕對(duì)速度離開動(dòng)葉。,,,,,,,故動(dòng)能 未能利用而損失，稱為級(jí)的余速損失即為了節(jié)能利用余速，采用多級(jí)汽輪，一般余速利用系數(shù) 表示余速的利用程度。則，下一級(jí)利用的余速能量： 設(shè)進(jìn)入噴嘴的初速度c0 ，噴嘴的余速利用：,,,,,,級(jí)的輪周有效比焓： 進(jìn)入級(jí)的可用能： 其中，噴嘴的損失：

28、 動(dòng)葉柵的損失： 級(jí)的余速損失：,,,,,二、級(jí)的輪周效率與最佳速度比,1） 輪周效率：級(jí)所發(fā)出的輪周功率和工質(zhì)在級(jí)中所具有的理想能量之比；即 其中， 從能量損失角度：級(jí)中的能量損失： 所以， 用損失系數(shù)來表示。,,,,,損失系數(shù) ：取決于速度系數(shù) ； 而 ：取決于葉型結(jié)構(gòu)，一定葉型

29、 為常數(shù)； ：取決于c2 。 所以，提高級(jí)輪周效率的途徑：降低 c2 。 對(duì)一定的動(dòng)葉入口速度c1，通過輪周速度u，來調(diào)整c2；當(dāng)出汽角 時(shí)，c2最小， 最小。,,,,圖3-14,2）影響因數(shù)及提高效率的途徑：,3) 最佳速度比：使c2最小的入口速度和圓周速度之比， 即 直接影響

30、汽輪機(jī)輪周效率和作功能力的重要特性參數(shù)。 4）速度比與輪周效率的關(guān)系：不同情況而不同1．純沖動(dòng)級(jí)的輪周效率和最佳速度比：a）不考慮余速利用時(shí)：圖3-15,,,x1的變化范圍：最佳速度比：使， 即 即，,,,,,,,由于實(shí)際中，c1不易測得，所以常用 代替。此時(shí)，,,,,,,注：c1和ca的區(qū)別,所以，對(duì)純沖動(dòng)級(jí)

31、 ：最佳速度比為：當(dāng) 時(shí)，b）考慮余速利用時(shí)：輪周效率的表達(dá)式復(fù)雜， 計(jì)算結(jié)果，當(dāng) 時(shí)，對(duì) 的沖動(dòng)級(jí)， 的沖動(dòng)級(jí)，即 提高下一級(jí)余速動(dòng)能的利用程度，可提高最佳速度比。,,,,,2. 反

32、動(dòng)度對(duì)最佳速度比的影響：當(dāng) 的沖動(dòng)級(jí)， =0.48~0.52； 3．復(fù)速級(jí)采用復(fù)速級(jí)的原因： 若要減少整機(jī)的級(jí)數(shù)，必須增大一級(jí)內(nèi)能利用的比焓降；但隨級(jí)的比焓降增大，在一定u下，x1減小，余速損失增大，使hu降低；所以用復(fù)速級(jí)。,,,復(fù)速級(jí)的速度三角形圖（圖3-16）,復(fù)速級(jí)的輪周效率： 最佳速度比：4．反動(dòng)級(jí)： 反動(dòng)級(jí)

33、的 ，設(shè)靜葉和動(dòng)葉的葉型相同， 則 所以， 最佳速度比： 或,,,,,,,,當(dāng) 時(shí)， 特點(diǎn)：反動(dòng)級(jí)輪周效率在最大速度比附近變化平 坦，所以，常用于變工況機(jī)組。,,,,三、級(jí)內(nèi)損

34、失和級(jí)的效率,1．汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)損失汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)損失：包括： 、 、 之外葉高損失: 扇形損失 : 葉輪摩擦損失: 部分進(jìn)氣損失: 漏汽損失: 濕汽損失:,,,,,,,,,,隨葉高的流動(dòng)損失；葉片級(jí)軸向間隙中產(chǎn)生的徑向流動(dòng)損失,蒸汽微團(tuán)間，蒸汽與葉輪間的摩擦；間隙處蒸汽旋轉(zhuǎn)速度不同產(chǎn)

35、生旋渦,鼓風(fēng)損失：軸向間隙處不工作蒸汽從葉輪的一側(cè)鼓到另一側(cè)產(chǎn)生耗功損失弧段斥汽損失：排斥并加速停滯汽道內(nèi)蒸汽的損失+漏損+吸氣損失,隔板汽封間隙處，動(dòng)葉頂部、根部軸向間隙處發(fā)生的漏汽損失。,濕蒸汽流動(dòng)造成的能量損失:濕汽過熱,摩擦，驅(qū)水滴等,噴嘴和動(dòng)葉端部損失,,2．汽輪機(jī)級(jí)效率 當(dāng)級(jí)的進(jìn)汽量為D1；級(jí)的有效比焓降為?hi時(shí)， 級(jí)的內(nèi)功率為：級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率為：級(jí)的有效比焓降與級(jí)的理論比焓降之比。即：當(dāng)余速被下一級(jí)部分利

36、用時(shí)：,,,,6大損失,,當(dāng)余速未利用時(shí)， 表明級(jí)的能量轉(zhuǎn)換的完善程度，是衡量汽輪機(jī)的重要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。,,,第四節(jié) 多級(jí)渦輪機(jī),一、多級(jí)渦輪機(jī)的熱力過程1）必要性汽輪機(jī)工作條件：初壓：23.5Mpa左右；背壓：真空度0.0034Mpa下工作； 理想比焓降：達(dá)1000~1600kJ/kg； 從經(jīng)濟(jì)性角度：葉片平均直徑處圓周速度：>1000m/s 汽流

37、的馬赫數(shù)：Ma=3~3.5。要保證在最佳速度比工作時(shí)，避免單級(jí)的圓周速度超過材料的極限強(qiáng)度；采用多級(jí)汽輪機(jī)。,2） 多級(jí)汽輪機(jī) 蒸汽在依次連接的多級(jí)中相繼作功；十多級(jí)每一級(jí)只利用整個(gè)汽輪機(jī)比焓降中的一小部分； 高壓、中壓部分的級(jí)、葉片的圓周速度：120~250m/s； 低壓缸末幾級(jí)圓周速度：350~450m/s； 對(duì)多數(shù)的級(jí)汽流的馬赫數(shù)：Ma<1； 級(jí)速比接近最佳速度比；

38、 汽輪機(jī)的輸出功率=各級(jí)功率之和。,3）多級(jí)汽輪機(jī)熱力過程 ：進(jìn)汽節(jié)流過程 ：各級(jí)實(shí)際膨脹過程 ：排汽節(jié)流過程調(diào)節(jié)閥前狀態(tài)：A0（po，to）；第一級(jí)噴嘴前的狀態(tài)： （ ）調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失后排氣背壓——冷凝器壓力 ； 點(diǎn)末級(jí)動(dòng)葉排汽時(shí)排汽管壓力損失，所以，

39、 ； 點(diǎn) 汽輪機(jī)總理想焓降 ： 級(jí)內(nèi)理想焓降 ： 有效焓降,,,,,,,,,,,4）多級(jí)的特點(diǎn)：a）單級(jí)焓降小，提高單機(jī)功率，保證在最佳速比附近工作，提高機(jī)組效率；b）噴嘴出口速度小，可減小級(jí)的平均直徑—提高葉片高度，減小葉頂端損失，或增大部分進(jìn)汽度，減小部分進(jìn)汽損失；c）級(jí)的焓降較小，可用漸縮噴嘴，提高噴嘴效率；d）蒸汽在汽輪機(jī)中的工作過程為絕熱過程，上一級(jí)損失轉(zhuǎn)

40、為熱能，使進(jìn)入本級(jí)時(shí)溫度升高，故增大級(jí)的理想焓降,二、重?zé)嵯禂?shù),表示多級(jí)汽輪機(jī)能量損失中，回收熱能的程度。 Q：級(jí)的能量損失中回收的熱能; — 級(jí)內(nèi)的能量損失轉(zhuǎn)變成熱能，加熱工質(zhì)，提高級(jí)后蒸汽的焓值。對(duì)n級(jí)汽輪機(jī)：各級(jí)理想比焓降之和=各級(jí)等熵理想比焓降之和+各級(jí)回收熱能之和, 即,,,,,,設(shè) 各級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率相等，為

41、 ，則 各級(jí)實(shí)際比焓降為： 總的級(jí)的實(shí)際比焓降:整個(gè)汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率：,,,,,,,整機(jī)內(nèi)效率大于各級(jí)的平均內(nèi)效率；但 越大， 越小。因?yàn)?，重?zé)嶂荒芑厥湛倱p失的一部分，不能補(bǔ)償損失的全部。 重?zé)嵯禂?shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式：在過熱區(qū)：K=0.2；飽和區(qū)：K=0.12；部分在過熱區(qū)，部分在飽和區(qū)工作時(shí)K=0.14~0.18。Z：級(jí)數(shù),,,,三、多級(jí)渦輪機(jī)的損失多級(jí)渦輪機(jī)除級(jí)

42、內(nèi)損失以外，還有1） 前后端軸封漏汽損失漏汽原因：旋轉(zhuǎn)件和固定件之間留有間隙，間隙兩端存在壓差而漏汽。 漏汽不流經(jīng)主流道，不參加作功——漏汽損失 防止措施：齒形軸封。密封原理——降低壓差（壓降） 結(jié)構(gòu)：高低齒與軸上凸肩相錯(cuò)對(duì)應(yīng)，而者之間留有徑向環(huán)形齒隙；每兩個(gè)齒間形成環(huán)形汽室。汽室內(nèi)的蒸汽流動(dòng)：蒸汽通過環(huán)形齒隙時(shí)，通道面積減小，速度增大，壓力降低；,流入齒后，汽室體積突然擴(kuò)大，汽流產(chǎn)生渦流和碰撞，其動(dòng)能

43、全部轉(zhuǎn)換為熱能；使蒸汽焓值得到回復(fù)。 每個(gè)齒隙只承擔(dān)軸封總壓降的一部分。,2）進(jìn)氣節(jié)流損失 進(jìn)氣節(jié)流損失指蒸汽從初狀態(tài)引入第一級(jí)噴嘴之前，流經(jīng)主汽閥、調(diào)節(jié)閥、管道以及蒸汽室時(shí)因壓力損失造成的焓降損失。 設(shè)第一級(jí)噴嘴前壓力為 ，則節(jié)流引起的壓力損失為： 高低壓缸之間用連通管連接時(shí)，因摩擦而造成的壓力損失為 ：連通管壓力,,3）排汽管壓力損失設(shè)冷凝

44、器的靜壓為 ，汽輪末級(jí)出口后的靜壓為 ，排汽管壓力損失主要包括流動(dòng)摩擦損失和渦流而產(chǎn)生的壓降；即： ：排汽管阻力系數(shù)（0.05~0.1）， :排汽管中的汽流速度（80~100m/s）,,,,,4）機(jī)械損失 汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)克服徑向軸承、推力軸承的摩擦阻力；帶動(dòng)調(diào)速器、主油泵等所消耗的功率

45、—機(jī)械損失；汽輪機(jī)內(nèi)功率為 ， 則，軸端功率為： 汽輪機(jī)的機(jī)械效率：,,,,,5）汽輪機(jī)裝置的效率郎肯循環(huán)：水等壓加熱變?yōu)樗魵獾倪^程d-a；（第五章）水蒸氣在汽輪機(jī)內(nèi)絕熱膨脹過程a-b；排出的水蒸氣在冷凝器內(nèi)定壓凝結(jié)為飽和水的過程b-c；水在水泵內(nèi)絕熱壓縮過程c-d等構(gòu)成循環(huán)效率： ：水蒸氣初比焓， ：凝結(jié)水比焓。a）汽輪發(fā)電機(jī)組的絕對(duì)電效率：相對(duì)電效率：,,,,,,汽輪

46、機(jī)內(nèi)效率：汽輪發(fā)電機(jī)組的絕對(duì)電效率：相對(duì)電效率：汽輪機(jī)機(jī)械效率：,,其中， ：發(fā)電機(jī)效率； ：發(fā)電機(jī)線端功率； ：流量（kg/h） ：末級(jí)高壓加熱器出口的給水比焓（采用回?zé)嵯到y(tǒng)時(shí)）。b）汽耗率d：每發(fā)1kw·h電所消耗的蒸汽量； 只用于同類型機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性比較。c）熱耗率：每發(fā)1kw·h 電所消耗的熱量?？捎糜谠u(píng)價(jià)不同參數(shù)的汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)

47、性。,,,,,,,四、汽輪機(jī)的配汽方式,配汽方式=汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)方式，由外界負(fù)荷變化調(diào)節(jié)輸出功。 兩種基本配汽方式：噴嘴配汽和節(jié)流配汽1． 噴嘴配汽方式配汽方法：設(shè)多個(gè)調(diào)節(jié)閥；第一級(jí)為部分進(jìn)汽，并配置若干個(gè)噴嘴組； 調(diào)節(jié)閥數(shù)目=噴嘴組數(shù)目； 每個(gè)調(diào)節(jié)閥只控制一個(gè)噴嘴組的進(jìn)汽； 通過不同調(diào)節(jié)閥的開關(guān)控制，改變工作噴嘴數(shù)目，控制進(jìn)入汽輪機(jī)的流量，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)。因這種汽輪機(jī)的第一級(jí)能

48、改變流通面積，所以稱為調(diào)節(jié)級(jí)。,配汽方式的特點(diǎn)：1)各閥依次開啟（關(guān)閉），任意工況下，僅一個(gè)閥為部分開啟，其余各閥均全開（全關(guān)）?只有流過部分開啟閥的小部分蒸汽受到節(jié)流，改善機(jī)組低負(fù)荷的熱經(jīng)濟(jì)性。2）全開閥門無節(jié)流，部分開閥門受到節(jié)流，所以調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)有兩股初參數(shù)不同的工作蒸汽，而級(jí)后壓力相同。相當(dāng)于節(jié)流部分，效率降低。3）汽輪機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)前后的壓力和焓降隨之變化。第1組閥門全開時(shí)壓差最大，焓降也最大，而部分進(jìn)汽最小?調(diào)節(jié)級(jí)葉

49、片應(yīng)力狀態(tài)最差；調(diào)節(jié)級(jí)后溫度變化幅度較大，且沿圓周分布不均勻，熱負(fù)荷大，所以，噴嘴配汽對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較差4）隨功率所需蒸汽量?時(shí)，隨著后一個(gè)閥門開啟，級(jí)后壓力增大，在非臨界狀態(tài)，通過全閥門的蒸汽量反而會(huì)降低。,,2．節(jié)流配汽根據(jù)汽輪機(jī)負(fù)荷大小，利用調(diào)節(jié)閥直接對(duì)進(jìn)入蒸汽節(jié)流，以控制進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低。無調(diào)節(jié)級(jí)，除小功率外，汽輪機(jī)第一級(jí)均設(shè)計(jì)為全周進(jìn)汽，改善第一級(jí)動(dòng)葉強(qiáng)度和第一級(jí)后溫度分布不均勻性。缺點(diǎn)：

50、除最大負(fù)荷工況外，調(diào)節(jié)閥均在部分開啟狀態(tài)，所以蒸汽節(jié)流，理想焓降減少，低負(fù)荷時(shí)熱經(jīng)濟(jì)性較差。常用于大功率高參數(shù)機(jī)組。最大負(fù)荷時(shí)經(jīng)濟(jì)性與噴嘴配汽式相近。,五、汽輪機(jī)的工況圖,汽輪機(jī)工況圖：指汽輪機(jī)組的功率與汽耗量間的關(guān)系曲線。節(jié)流調(diào)節(jié)的凝汽式汽輪機(jī)的工況： 汽耗特性方程： ：發(fā)電機(jī)組空載汽耗，dl ：汽耗率，即增加單位功率所需增加的汽耗量d,,,,4個(gè)調(diào)節(jié)汽門系統(tǒng):a點(diǎn)—三個(gè)汽門全開，截流損失最小，效率最高d點(diǎn)

51、—四個(gè)汽門全開—全負(fù)荷,第五節(jié)  火箭及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),一、火箭推進(jìn)概述1．火箭的運(yùn)動(dòng)與推進(jìn)原理直接反作用裝置：如火箭等噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)， 特點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)器合為一體， 將各種形式的能量轉(zhuǎn)換成射流的動(dòng)能； 射流產(chǎn)生的反作用力直接作用在發(fā)動(dòng)機(jī)上。 間接反作用式裝置：如螺旋槳飛機(jī)， 特點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)器分開;

52、 發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，工質(zhì)為燃料燃燒的產(chǎn)物， 推進(jìn)器作為產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)部件，工質(zhì)為空氣； 推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)的反作用力作用在推進(jìn)器上。,,直接反作用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)：有空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)1）空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)：由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和噴管等組成；特點(diǎn)：利用周圍的空氣通過燃燒產(chǎn)生噴氣射流。 圖3-27

53、 其理想循環(huán)：進(jìn)汽道和壓氣機(jī)中的定熵壓縮過程； 燃燒室中的等壓加熱過程； 渦輪和噴管中的定熵膨脹過程； 對(duì)外等壓放熱過程。 只能在大氣層中推進(jìn)，在真空層中只能靠慣性飛行。,2）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)器合為一體 特點(diǎn)：不用周圍空氣，只

54、用自身攜帶的物質(zhì)，產(chǎn)生射流； 所以，在大氣層或在大氣層外都能推進(jìn)。3）火箭反作用運(yùn)動(dòng)和推力的產(chǎn)生原理火箭燃燒產(chǎn)物是從火箭本身噴出，故在推進(jìn)過程中火箭是變質(zhì)量系統(tǒng)；設(shè)，系統(tǒng)包括噴出的質(zhì)量?定質(zhì)量系統(tǒng)， 由動(dòng)量定律：系統(tǒng)動(dòng)量變化=沖量變化,t 時(shí)刻：系統(tǒng)質(zhì)量為M，速度u；t+dt 時(shí)刻： 系統(tǒng)質(zhì)量分為—火箭質(zhì)量： ，

55、 速度： —排出的質(zhì)量： 速度：其中， ：每秒噴出的燃燒產(chǎn)物質(zhì)量， ：燃燒產(chǎn)物相對(duì)火箭的后噴速度,,,數(shù)學(xué)模型：,由動(dòng)量定

56、律： ：火箭所受外力的矢量和，包括表面靜壓力、氣動(dòng)阻力、重力等 將上式展開，略去二階微量，整理后得， a）火箭運(yùn)動(dòng)方程：說明：相對(duì)定質(zhì)量物體運(yùn)動(dòng)方程相比，多了 項(xiàng) ，數(shù)值上等于從火箭噴出的燃燒產(chǎn)物的動(dòng)量變化率。因 為負(fù)值，其力方向與噴流方向相反，指向火箭運(yùn)動(dòng)方向；若把 加入到 中?變質(zhì)量系統(tǒng)具有定質(zhì)量系統(tǒng)方程式,,,,,,,,b）發(fā)動(dòng)機(jī)推力方程：在外力

57、中氣動(dòng)阻力和重力并不推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)推力方程為： 推力由兩部分組成F：發(fā)動(dòng)機(jī)推力，方向指向火箭方向；Ae：噴管出口面積；pe：作用在Ae截面上燃燒產(chǎn)物的壓力；pa：火箭外殼表面上的當(dāng)?shù)馗叨壬系拇髿鈮毫Α?,,,動(dòng)量推力：單位時(shí)間噴出的燃燒產(chǎn)物的動(dòng)量變化,壓力推力：出口截面上燃燒產(chǎn)物壓力和火箭表面大氣壓差造成的靜推力,在上式中， ：是燃燒產(chǎn)物對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的反作用力，稱為內(nèi)推力；是燃燒產(chǎn)物

58、作用于火箭內(nèi)表面上壓力的軸向合力； ：外部介質(zhì)作用于火箭外表面上壓力的軸向合力，稱為外推力。所以推力的定義：火箭內(nèi)表面上的作用力和外表面上的作用力之軸向合力。 設(shè)將靜推力換算成動(dòng)推力時(shí)，等效排氣速度為： 則,,,,,c）平均比沖量Is 在tn時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力產(chǎn)生的總沖量I為： 平均比沖量：單位質(zhì)量推進(jìn)劑產(chǎn)

59、生的沖量。即 Mp：推進(jìn)劑燒掉的總質(zhì)量,,,任意瞬間的比沖：等于等效排氣速度。即是衡量火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)。 大，表明用少量推進(jìn)劑獲得大的總沖，對(duì)一定飛行距離，直接影響火箭的外形尺寸，或?qū)σ欢ɑ鸺绊懣娠w行距離。,,,,d）火箭飛行速度 火箭的理想飛行速度： 與比沖量成正比。,,火箭初始質(zhì)量此時(shí)?

60、=0,噴出燃燒產(chǎn)物后質(zhì)量減少到M時(shí)，火箭理想飛行速度升高到?。,理想條件下，火箭的飛行速度與不斷噴出燃燒產(chǎn)物過程中自身質(zhì)量變化量有關(guān)。,2. 化學(xué)能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和能量轉(zhuǎn)化過程a）化學(xué)能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：能源：推進(jìn)劑的化學(xué)能，推進(jìn)劑的燃燒產(chǎn)物為工質(zhì)；推進(jìn)劑：包括燃燒劑和氧化劑。b）分類：根據(jù)推進(jìn)劑的物理形態(tài)分為 固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：燃燒劑和氧化劑結(jié)合在一起制成裝藥，直接置于燃燒室內(nèi)； 液體推進(jìn)

61、劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：全部液態(tài)推進(jìn)劑，需專門的推進(jìn)劑貯箱和輸送系統(tǒng) ; 固-液混合型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：部分使用液態(tài)推進(jìn)劑，需專門的推進(jìn)劑貯箱和輸送系統(tǒng)。,,固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),固-液體混合型火箭發(fā)動(dòng)機(jī),高壓氣瓶,液體推進(jìn)劑貯箱,固體裝藥,燃燒室,噴注器,減壓閥,c）工作原理：推進(jìn)劑蘊(yùn)藏大量化學(xué)能?點(diǎn)火燃燒，部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽紵覂?nèi)燃燒產(chǎn)物的最高溫度達(dá)2000~3000K，壓力達(dá)幾~20MPa ； 燃燒產(chǎn)

62、物流經(jīng)特定形狀噴管，膨脹加速，降溫降壓，更多的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；噴口截面處出口速度可達(dá)2000~2500m/s，動(dòng)能最大； 發(fā)動(dòng)機(jī)噴出大量燃燒產(chǎn)物，自身按直接反作用原理向前推進(jìn)。 推力對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作推進(jìn)功，其一部分又轉(zhuǎn)變成火箭本身的動(dòng)能。,二、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,1．最佳推力：因 當(dāng)噴管總壓 及喉部面積At一定，則秒流量 一定。此時(shí)，噴管出口面積Ae的變化，改變噴管膨脹Ae/At比

63、，直接影響排氣速度ue和壓力pe?影響推力的變化。 所以，存在最佳推力。 令， ，取F極值，得,,,,,在出口截面上，dt時(shí)間，動(dòng)量的變化， ；此時(shí)，Ae不變，pe變化為 ；沖量為： 時(shí)，所以， ；

64、， 代入上式，得 F取極值的條件：又，求二階倒數(shù)：,,,,,,,,,,,由， , ，再對(duì)Ae求導(dǎo)，得代入上式，得 在擴(kuò)張管中，dpe和dAe符號(hào)相反，所以，即，在 pe=pa 處，F(xiàn)取極大值 ，為最佳推力,即。 是在設(shè)計(jì)高度（ pe=pa），獲得，低于或高于設(shè)計(jì)高度，推力均小于最佳推力

65、。,,,,,,,2．總沖總沖同時(shí)考慮推力的大小和推力對(duì)火箭作用時(shí)間；火箭載荷一定時(shí)，總沖越大，射程越遠(yuǎn)。由 ：為裝藥質(zhì)量。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間，uef近似常數(shù)，I取決于uef和Mp，但I(xiàn)不能反映推進(jìn)劑能量的高低，和內(nèi)部工作過程完善程度。,,,3．比沖 比沖的瞬時(shí)值：反映推進(jìn)劑能量的高低，同時(shí)反映燃燒和膨脹過程的質(zhì)量。所以是全面衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)。影響因

66、數(shù)：推進(jìn)劑性能、噴管膨脹比及外界壓力。,,,第六節(jié)  水輪機(jī)概述,一、水輪機(jī)的工作原理和類型1． 水輪機(jī)的作用：將水流的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪的機(jī)械能，轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)主軸克服各種阻力而連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2． 工作原理：水流經(jīng)引水道切向進(jìn)入水輪機(jī)，將其動(dòng)能傳給水輪機(jī)，使水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)而作功。帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組對(duì)外輸出電能。3． 分類：根據(jù)轉(zhuǎn)輪前后水流單位壓力勢能情況分為反擊型和沖擊型。 反擊型： 的水輪機(jī)，

67、轉(zhuǎn)輪前后壓力； 水的密度。 沖擊型： 的水輪機(jī)。,,,,,,二、水輪機(jī)的工作參數(shù) 主要參數(shù)：工作水頭、流量、水輪機(jī)的功率及效率。1．水量： [kg] ； ：水的體積流量（m3/s），A：橫斷面積; t：測量流量的時(shí)間（s）。2．水流的機(jī)械能 單位質(zhì)量水

68、流的機(jī)械能： [J/kg] a：動(dòng)能不均勻系數(shù)。,,,,,,所以，水流的機(jī)械能： 水流傳給水輪機(jī)的機(jī)械能=水輪機(jī)進(jìn)口斷面與出口斷面出的機(jī)械能之差。即3．水輪機(jī)的工作水頭H： 又， ：水電站的靜壓水頭， ：引水管沿程損失和局部損

69、失之和。 水流單位時(shí)間對(duì)水輪機(jī)付出的機(jī)械能為：,,,,,,,,,4．水力效率： 通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪作功的實(shí)際流量為： 其中， ：相對(duì)容積損失； ：容積效率； ：水流運(yùn)行時(shí)水流量 中的損失。 所以，水流對(duì)轉(zhuǎn)輪作的功率為： 。其中，