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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•涡涡轮轮机机：：蒸蒸汽汽轮轮机机、、燃燃气气轮轮机机、、水水轮轮机机等等旋旋转转式叶片机械；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；•  工工质质的的热热能能首首先先转转换换为为其其动动能能，，然然后后在在转转换换为机械能为机械能•  内燃机：直接内燃机：直接Q→W；；   所所以以，，1））功功率率大大：：连连续续回回转转，，大大大大提提高高进进入入的的工工质量；质量；           2））高高速速性性：：叶叶片片的的旋旋转转速速度度与与单单位位时时间间进进入入的的工工质质量量有有关关，，所所以以，，叶叶片片速速度度与与工工质质的的流流动动速度呈正比；速度呈正比；          3））经经济济性性高高：：热热力力循循环环的的热热效效率率与与循循环环初初始参数有关，始参数有关，•一一 般般 蒸蒸 汽汽 机机 初初 压压 为为 ：： 160~245bar；； 初初 温温 ：：560~570℃。

• 故用途广故用途广 2．用途．用途  1））蒸蒸汽汽轮轮机机：：工工质质为为蒸蒸汽汽，，将将蒸蒸汽汽的的热热能能转转换换为为机械能；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、压缩机提供驱动动力（（3））化化工工、、冶冶金金、、轻轻工工等等生生产产领领域域，，作作为为动动力力源源而而广泛应用；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））燃燃气气轮轮机机：：工工质质为为燃燃气气，，将将燃燃气气的的热热能能转转换换为为机械能用途：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））涡涡轮轮喷喷气气式式发发动动机机——用用于于高高速速飞飞机机因因其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；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．发展规模美美国国：：1950年年，，每每台台蒸蒸汽汽机机平平均均容容量为量为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年年代代末末，，已已生生产产1.2万万千千瓦瓦、、2.5万万千千瓦、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））       减减小小电电站站单单位位容容量量的的造造价价；；相相对对20MW机机组组电电站站单单位位造造价价，，50MW机机组组电电站站的的单单位位造造价价可可降降低低15%；；100MW的的电电站站单单位位造造价价可可降降低低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•汽汽轮轮机机的的级级：：一一列列静静叶叶栅栅和和一一列列动动叶叶栅栅构构成成汽汽轮轮机机的级•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•送送往往喷喷管管，，喷喷管管截截面面变变化化，，蒸蒸汽汽的的热热能能转转变变为为动动能能高高速速喷喷出出；；射射入入动动叶叶栅栅叶叶片片的的通通道道，，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→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生航空燃气轮机分类：根据用燃气发生器的可用功产生推力的方法不同分为：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；工作可航空燃气轮机的共同要求：重量轻；用油少；工作可靠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Ω：：Ø    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；；Ø    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Ω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）对喷嘴进出口）4．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的特点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）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Ø     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Ø    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       特点：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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，采用水蒸气当蒸汽从过热区膨胀过渡到湿蒸汽区时，采用水蒸气表或表或h~s图；图；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：2．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。

律能量方程能量方程  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4．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•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     喷喷嘴嘴入入口口处处蒸蒸汽汽的的状状态态：：          ；；喷喷嘴嘴内内等等熵熵膨膨胀胀，，则则喷喷嘴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：2）） 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jj表示，即：表示，即：•   速度系数速度系数jj与动能损失与动能损失             之间的关系：之间的关系：                      •流流动动过过程程绝绝热热，，故故损损失失的的动动能能热热能能加加热热蒸蒸汽汽本本身身，，使使蒸蒸汽汽出口实际比焓大于理想比焓出口实际比焓大于理想比焓 3) 影响影响jj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 喷嘴高度影响最大，喷嘴高度影响最大，•一般取一般取 l0>75mm 时，时，                   2．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 α1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<临界压比临界压比时：时：     喷嘴喉部断面上流速喷嘴喉部断面上流速=临界速度；临界速度；                              压力压力=临界压力临界压力pcr ；； 此时汽流在斜切部继续膨胀，此时汽流在斜切部继续膨胀，pcr 膨胀到出口处压力膨胀到出口处压力p1; A点处压力从点处压力从pcr突然降低到突然降低到 p1，而产生汽流扰动；，而产生汽流扰动；•斜切部形成以斜切部形成以A点为中心的膨胀波区，通过点为中心的膨胀波区，通过A点射点射出等压线；出等压线；•使斜切部压力降低，汽流速度增加，达到超音速；使斜切部压力降低，汽流速度增加，达到超音速；•当被压当被压p1继续降低时，斜切部分最后一根等压线与继续降低时，斜切部分最后一根等压线与出口底面重合出口底面重合。

•这样，这样，BC段汽流压力从段汽流压力从pcr逐渐降低到逐渐降低到p1；而假想；而假想的的AD汽流段压力为均匀分布（汽流段压力为均匀分布（p1）；所以）；所以BC面合面合力力>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δ •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α1，则由，则由 •计算求得偏转角计算求得偏转角δ1（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:cuw2．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：3．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 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        Ψ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Ψ =0.85~0.95。