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Q→W； 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：160~245bar；初温： 560~570℃ • 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）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→叶轮的机械能锅炉一定p,T过热 蒸汽分类的方法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）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+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Ω：Ø 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；Ø 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 与汽流流出方向相反的反作用力，此力称为反动 力Ω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Ø 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，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。
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h~s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： 表示一维流动时密度、速度、截面积之间的变化规 律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 • 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 l0>75mm 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 α1为：当喷嘴出口断面上的压力比AD面合力；使汽流绕A点偏转一个角度δ • 当已知喷嘴压力比 、蒸汽等熵指数k 、 喷嘴出汽角α1，则由• 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:cuw2．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Ψ主要与叶型、反动度、表面粗糙度有关。
一般取Ψ =0.85~0.95。