第三章-涡轮机及喷气发动机1课件.ppt

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：叶片的旋转速度与单位时间进

2、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、压缩机提供驱动动力（3）化工

3、、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；效率低；缺点：单

4、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年代末，已生产年代末，已生产1.2

5、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蒸汽轮机蒸汽轮机 简称汽轮机，工质为水蒸气，旋转式

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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，

13、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

14、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。（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

15、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。0m0bh*tnhh21pp bhnh20.005.0mc）复速级：由一列）复速级：由一列静

16、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：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

17、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；RTpTchpconstpkkh1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

18、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

19、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(21cddhdqdpdhdqcdcdpconstkpkkpppkkctc101100122021 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

20、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：0,0,0ctp202201021cnhcthhtcthhnh10*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

21、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(221221nhctcnh 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

22、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 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

23、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

24、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(2arcsin2csianw22sin2arcsin*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