《热能与动力工程概论 教学课件作者 吕太 第三章 叶片式流体机械修改》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热能与动力工程概论 教学课件作者 吕太 第三章 叶片式流体机械修改（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章 叶片式流体机械,2018/9/8,1,第一节 叶轮机的结构和应用范围第二节 叶片式机的主要性能参数第三节 燃气轮机结构与工作原理 第四节 蒸汽轮机结构与工作原理,第一节 叶轮机的结构和应用范围,2018/9/8,2,一、叶片式流体机械概述 叶片式流体机械中，能量转换是在连续绕流叶片的介质与叶轮之间进行的，叶片与流体的相互作用力是惯性力。叶片使介质的速度（大小和方向）都发生变化，产生这种变化叶片要克服流体的惯性力，从而引起对叶片的反作用力。最典型的叶片式流体机械：可逆式水泵水轮机 工作机方向泵 动力机方向水轮机,根据流体在叶轮内压力和速度的变化情况，叶片式流体机械可分为反击式和冲击式两类
2、流体机械。 反击式：叶轮内流体的压力和速度都发生变化，既交换动能又交换势能。,2018/9/8,3,2018/9/8,4,冲击式：叶轮内流体只是速度发生变化，只交换动能。,2018/9/8,5,二、叶片式流体机械的结构两类部件：除转轮外的其他过流部件： 蜗壳、固定导叶、活动导叶、尾水管（水轮机）除过流部件外的其他部件： 轴、轴承、密封、调节控制部件、壳体等。为适应不同的要求，型式多样，结构形式种类很多。,1、叶轮的配置方式：多级式流体机械： 目的：达到高水头或高能头。 要达到高水头（扬程或压力）转速要求很高，受强度限制，单级式所能产生的能量头有限。所以用多级来实现，逐级升高或降压，中间有固定导
3、流叶栅。多级式配置可分为多级式配置串联以及多级式配置并联。,2018/9/8,6,2018/9/8,7,多级配置串联：,多级配置并联：,2018/9/8,8,2、水轮机的结构（1）整体结构按轴的安装方向分为：立式和卧式。按水的流动方向分为：轴流式、贯流式、混流式、斜流式等。,1）轴流式水轮机 组成： 引水室（蜗壳）、导水机械、转轮、尾水管、轴、轴承、传动机构。 转轮区（叶片部分）水流流线轴面投影为轴向所以称为轴流式水轮机。 按叶片是否可在轮毂上转动分为：转桨、定桨两类。 水流流动过程： 蜗壳 固定导叶活动导叶转轮。,2018/9/8,9,2）贯流式水轮机（ 一般为卧式机组） 特点：转轮与轴流式
4、相同，引水室与转轮区、尾水管等轴向贯通，水流没有明显拐弯，没有蜗壳，伞式活动导叶。 由于外缘线速度大，密封面积大，称为全贯流机组。全贯流机组用得少，实践中， 一般用半贯流水轮机。,2018/9/8,10,3）混流式水轮机 除转轮外，其他部分与轴流式相同。水流在混流式转轮内运动，先径向流入，再轴向流出。 4）斜流式水轮机 斜流式水轮机结构与轴流式类似，转轮叶片轴线与机器轴线成3060的夹角，而水流在转轮内与叶片转轴成90角。 5）切击式水轮机 小型的有双击式、斜击式水轮机。水流在压力作用下由喷 嘴高速射出，形成动能水流并冲击水斗式叶片，将动能传递给叶片做功。水流切线方向进入叶片，所以称为切击式。
5、,2018/9/8,11,（2）水轮机的过流部件 引水室、导水机构、转轮、尾水管组成水轮机的过流系统。 1）引水室 作用：是按需要的速度（大小、方向）将水流引入转轮 形式：开式（或明槽式）、闭式两种。 开式结构水力损失小，但尺寸大，用于小型水电站。 闭式又称蜗壳式。2）导水机构 作用：控制和调节水轮机流量，改变水轮机的出力，导水机构、活动导叶还用来改变水流方向，适应转轮进口要求的水流条件。 动作： 电调速器导叶接力器控制环连杆转臂导叶绕自身轴旋转改变水流方向及过水断面面积。,2018/9/8,12,3）转轮：根据水流在转轮内运动的方向分为四种 混流式转轮：上冠、下环、叶片组成。 轴流式转轮：轮
6、毂、叶片、泄水锥组成。轮毂内有转桨机构。 斜流式转轮：叶轴与主轴交角，其余与轴流式相同。 切击式转轮：圆盘上安装若干水斗组成。4）尾水管 作用：将转轮出口水流引至下游，并利用转轮出口水流的部分能量。 形式：直锥形（水力性能好，开挖大）、肘形管式。5）喷嘴与喷针 喷嘴与喷针用于冲击式水轮机，喷嘴形成冲击射流，喷针用来调节流量。,2018/9/8,13,3、叶片泵、风机与压缩机的结构 （1）单级单吸悬臂式离心泵 优点：结构简单、零件通用性好 缺点：受力情况不好、占地面积大（2）单级双吸水平中开离心泵 优点：两端支撑受力情况好 安装检修方便，开盖即可取转子 缺点：零件形状复杂、重量大,2018/9/
7、8,14,（3）轴流泵 轴流泵的叶轮与轴流水轮机类似，分为转桨和定桨，一般采用单级。 （4）节段式多级泵 优点：结构紧凑 、重量轻、占地小 可改变级数适应不同的扬程 缺点：安装检修不方便,2018/9/8,15,节段式多级泵,（5）多级离心式压缩机 （6）废气增压涡轮机组 由一台燃气轮机和一台离心式压缩机组成。 （7）航空发动机用离心式压缩机 高温燃气推动涡轮旋转，涡轮同时带动螺旋桨和压缩机叶轮旋转。涡轮排出的燃气从喷口喷出，将再产生一部分推力。 （8）立式轴流泵 立式轴流泵的叶轮与轴流式水轮机相同。轴流泵分为转桨与定桨两种。 （9）多级轴流式压缩机 轴流泵通常只用单级，但轴流式压缩机通常是多
8、级的，且级数很多。,2018/9/8,16,4、叶片泵、风机与压缩机的过流部件 （1） 吸入室 作用：按要求的速度和方向将流体引入叶轮 型式：直锥管形、弯管形、半螺旋形及环形等形状 （2）叶轮 泵和压缩机的叶轮基本形态相同，都可分为离心式、混流式和轴流式。 （3）压水室与扩压元件 作用：收集介质送往下一级或管道中，同时将介质的一部分速度能转换成为压力能以进一步提高压力。,2018/9/8,17,三、叶片式流体机械的应用范围 1.电力行业 目前的电力生产主要是热力发电、水力发电和核能发电。 在核电站中，二次蒸汽回路中需用与火电站相同的泵，一次回路中主循环泵是该回路的唯一回转机械，高温高压下工作，
9、为关键设备之一。下表给出了核电站用泵参数。,2018/9/8,18,水轮机是水力发电的关键部件。 水力发电的生产过程主要有主机系统、辅机系统。 除水轮机外，水电厂油气水等辅机系统中，也要应用大量的水泵、油泵、压缩机等流体机械。2、水利工程 水利工程（灌溉、排涝、供水），都需要相应容量的泵。 大型引水提水工程中应用到大型高扬程（离心泵）、大型大流量可调泵（轴流混流泵）。 排水排涝应用低扬程大流量泵的应用。 节水灌溉技术也大量用泵或其他形式的流体机械。,2018/9/8,19,3、化学工业 化工装置大型化对泵和压缩机的性能参数的要求越来越高。 化工流程用泵和压缩机经常需要输送特殊的介质，对泵和压缩
10、机的设计制造提出了各种特殊要求。4、石油工业 泵和压缩机是石油天然气钻探、开采、传输和加工过程中的重要设备。 5、钢铁工业 钢铁的冶炼过程中需要大量的空气和氧气支持燃烧，因此需要风机。生产过程中也需要消耗大量的水，在供水和水处理方面使用泵的数量也很多。高炉鼓风机通常使用轴流压缩机。,2018/9/8,20,6、动力工程 燃气轮机压缩机 涡轮增压机 动力风源 液力传动装置 7、制冷与低温空调 压缩机制冷装置中的重要设备 膨胀机使气体（制冷剂）实现绝热等熵膨胀,2018/9/8,21,8、采矿工业 矿井的排水与通风需要配备大量的泵和风机 碴浆泵用来输送物料 9、航天技术 燃料输送泵是火箭发动机的重
11、要组成部分，常采用液压装置作为执行元件，用特殊的离心泵作为液压系统动力源。 10、其他环境工程 其他多种高技术设备，液压控制都离不开流体机械。,2018/9/8,22,第二节 叶片式流体机械的主要性能参数,2018/9/8,23,流体机械的性能参数 定义：表示流体机械性能的一些参数 包括：流量、能头、转速、功率、效率等。一、流量 定义：单位时间内通过机器的介质的（体积或质量）的量。 流量表示质量守恒定理如果机器不泄漏，通过机器各个过流断面的质量流量是相同的。,二、能量头叶轮式流体机械的重要参数 定义： 单位质量（或体积）介质通过叶轮与机器所交换的能量，即机器进出口断面单位质量（或体积）介质所具
12、有的能量差。 以液体为介质的水泵和水轮机，常用液柱高表示单位重力液体的能量，单位为m，方便直观。 对于不可压缩流体，可以不考虑内能的变化，能量差可以用机器的进出口断面的压能、动能、位能表示。 单位重量液体能量的差值H在水轮机中称为水头，在叶片泵中称为扬程,2018/9/8,24,用“1”表示进口，“2”表示出口，则：,“”号分别表示水泵的扬程和水轮机的水头。 水电站静水头上下游水位差Hst电站水头：,此式成立条件：水库面积大，下游河道流速小。,2018/9/8,25,2018/9/8,26,对于泵装置，装置扬程的定义是泵将单位重量液体从一个容器抽送到另一个容器所做的功。,装置净扬程的意义： 在
13、容器中的流速相对于泵内流速很小，则,2018/9/8,27,能量头： 机器进出口截面单位质量的液体所具有的能量差，用h表示， 这是一个与重力无关的能量指标。,风机的压升： 机器进、出口断面单位体积（1m3）气体能量的差值，也简称压力。,2018/9/8,28,2018/9/8,29,当不考虑损失时，还可写成,2018/9/8,30,来表示介质能量提高的程度。,当不考虑损失时，还可写成,2018/9/8,31,由于损失的存在，机器功率与流体功率之间有一差值P。用效率来衡量损失的大小，则有,上式给出整机总效率，总损失包括了机器各部分的各种能量损失。,2018/9/8,32,2018/9/8,33,
14、泵与通风机特性曲线,一、燃气轮机概述 全称：燃气涡轮发动机，它是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的外燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。 工作介质：从周围大气吸入的空气 与活塞式发动机相比，具有下列优势： （1）功率大，单台燃气轮机的输出功率可达数千瓦以上； （2）在功率相同的条件下，燃气轮机的重量比活塞式发动机轻得多； （3）不需要冷却水系统。,第三节 燃气轮机结构及工作原理,2018/9/8,34,二、燃气轮机的结构 燃气轮机有重型和轻型两类。 重型：零件较为厚重，大修周期长，寿命可达10万小时以上。 轻型：结构紧凑而轻，所用材料较好，其中以航机的结构
15、为最紧凑、最轻，但寿命较短。燃气轮机主机的三大部件：压气机、燃烧室、透平 其他组成系统： 控制调节系统、启动系统、润滑油系统、燃料系统等。,2018/9/8,35,1、压气机 功能：利用高速旋转的叶片对空气作功以提高空气压力 主要性能参数：转速、空气流量、增压比和效率等（1）离心式压气机 组成：导风轮、叶轮、扩压器等 优点：结构简单工作可靠，性能比较稳定 缺点：效率较低，迎风面积大。,2018/9/8,36,离心式压气机,2018/9/8,37,（2）轴流式压气机 组成：转子（工作轮）、静子（整流器） 分类 按工作原理和构造型式分为：活塞式压气机、叶轮式压气机、罗茨式压气机； 按气流的相对速度
16、：亚音速、跨亚音速和超音速。,轴流式压气机,2、燃烧室 燃烧室位于压气机与涡轮之间，由燃烧室壳体、火焰筒、点火器、喷嘴、旋流器等部件及一些小零件组成。,2018/9/8,38,图 燃烧室的结构1-外壳； 2-火焰管； 3-冷却鱼鳞孔； 4-点火器； 5-过渡锥顶； 6-配气盖板； 7-燃料喷嘴；8-燃烧区；9-混合区；10-旋流器；11-一次射流孔；12-混合射流孔；13-环腔；14-燃气导管,（1）分管型燃烧室 每个圆管火焰管有各自的外壳，组成一个单管。各个单管之间有联焰管传焰。 优点：调试用气量少；强度和刚性好；装拆维护方便。 缺点：迎风面积最大；空间利用率低；重量最大；与压气机出口环形气流配合不好；很难得到周向均匀的温度场。,2018/9/8,39,2018/9/8,40,（2）环管型燃烧室 把几个单独的火焰管放在一个环形外壳内，火焰管之间有联焰管进行传焰。 优点：迎风面积较小；用含13个火焰管的试件可试验，无需很大的气源； 缺点：气动布局差，扩压器设计困难；出口燃气周向温度场不如环形燃烧室好；重量比环形燃烧室重。,
