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1、第一章 汽轮机基本原理及结构第一节 工程热力学常识工程热力学是热力学中的一个分支，它主要是研究热和功之间相互转换的规律，其主要目的是建立热机理论。热能与其它能量之间的转换，总是通过物质的状态变化来实现的，如燃气轮机中的燃气。蒸汽轮机中的水蒸气等，工程热力学把这种物质称为工质，最常用的工质是一些可压缩的流体。1. 状态参数基本概念工质的状态变化，我们可以通过几个状态参数加以描述。（1） 压力气体与其它物质一样都是由分子组成。容器中的大量气体分子总是充满了整个容器，且一直处于不停的运动之中。气体的压力即气体分子运动时撞击容器表面而在单位面积上所呈现的平均作用力，用P表示。在工程热力学中测量气体压力
2、的单位是公斤力/或公斤力/厘米，或常用“工程气压”作单位。即：1工程气压=1公斤力/厘米=10000公斤力/米。通常物理学中所用的物理大气压是指由于空气的重力所产生的压力，它是以纬度45出的海平面上的常年平均气压定作“标准大气压”，即物理大气压，它与工程气压的换算关系为：1物理大气压=1.033工程气压。在工程测量中也常用水柱或汞柱来表示压力：1工程气压=10米水柱=736毫米汞柱1物理大气压=10.33米水柱=760毫米汞柱在工程上常用弹簧管式压力计或U型管式压力计测量工质的压力。这些表计本身常处于大气压的作用下，从它们的工作原理可以看出，表计上所显示的数值是工质的压力与当地大气压的差值而不
3、是工质的真实压力。我们把工质的真实压力称为“绝对压力”，把表计所指示的压力称为“表压力”。它们的关系是：当工质的绝对压力高于当地大气压时：工质绝对压力=当地大气压+表压力当工质绝对压力低于当地大气压时，即出现真空时：工质绝对压力=当地大气压力-表压力。此时测量真空的仪器就叫真空计，而此时的“表压力”就称为真空度。（2） 温度温度表示了物体的冷热程度。从分子运动学角度讲，温度是物体分子运动平均动能的度量，物体的温度越高表示其分子运动的速度越大，则动能也越大、即物体所具有的能量也越大。在工程测量中，温度测量最常用有两种温度标尺摄氏温标（）和华氏温标（F）。摄氏温标是以1标准大气压下水的冰点作为0，
4、汽点（或称沸点）作为100来标定的。华氏温标是用于英制系统。它是以1标准大气压下水的冰点作为32F，汽点作为212F来标定的。华氏温度与摄氏温度之间的关系是：tF=9/5tC+32 或 t=5/9(tF-32)在热力学中，采用了绝对温标（K），它的分度值与摄氏温标分度值相等，但其绝对零度在零下273。绝对温度与摄氏温度之间的关系是：TK=t+273从分子运动学角度看，绝对零度（0K）即意味着物体内分子的运动趋于停止。（3） 比容和比重单位质量的物质所占有的容积称为比容。其单位为m/kg。从普通物理学可以知道，如果我们忽略了重力加速度的变化因素，我们就可以把比容直接看着是重量的物理所占有的比容。
5、比容常用v表示。单位容积内所含物质的重量称作比重。其单位为公斤重/米。对于同一气体来说，比重或比容都是描绘气体分子疏密程度的物理量。任何一种气体，它们的状态参数P，U，T之间是有着一定的内在联系。对于理想气体（如果我们假设某气体内的分子本身的体积和分子间的相互吸引力略去不计，这种气体就称为理想气体，在工程上，空气或燃气可近似视作理想气体），它们的关系是：P*v=R*TR为气体常数，不同的气体有不同的气体常数。上述关系就称为理想气体的状态方程式。当气体温度不变时，压力与温度成正比。2. 热力学第一定律运动是物质存在的形式，是物质的固有属性。所谓能量即是物质运动的度量。能量的转换与守恒定律告诉我们
6、：“自然界一切物质都具有能量。能量不可能被创造，也不可能被消灭，而只能在一定条件下从一种形态转变为另一种形态。在转换中，能量的总量恒定不变。”热力学第一定律则是能量转换与守恒定律在热力学中的应用。它说：“在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定。”例如，我们可以通俗地这么说，在热能转换成机械能的过程中，当一定量的热能消失，则必然有相当量的机械能产生。反之，消耗一定量的机械能就必然有相当量的热能产生，我们可以把这一关系表示为：Q=A*W Q转换的热量 W转换的机械能 A热功当量由于多次实验得出：1大卡热量可以转换成427公斤.米的机械能。因此A=1/427大卡/公斤.米。单位时
7、间内所作的功称“功率”，其单位是公斤.米/秒。功率还有一些常用单位： 1马力=75公斤.米/秒 1千瓦=102公斤.米/秒=1.35马力3. 火力发电厂热力循环能量既然是可以相互转换的，那么在火力发电厂里，能量转换是如何实现的呢？在火力发电厂中，水（或蒸汽）作为工质是被循环使用的。图1-1所示为一汽轮发电机组的简单循环示意图。水在锅炉里被加热变成具有一定温度、压力的蒸汽，即燃料的化学能在锅炉里转化为热能并传给水和水蒸汽，使水蒸汽本身所具有的能量升高，其特征表现为温度、压力的升高，这个能量我们称之为水蒸汽的内能，水蒸汽的内能一般以热量的形式来度量，所以习惯上也称水蒸汽的热能。也就是说水蒸汽在锅炉
8、里获得了一定数量的热能后进入汽轮机，水蒸汽在汽轮机里膨胀的过程中，将一部分热能转变为机械能并带动发电机，发电机则把机械能转变为电能。蒸汽排出汽轮机后进入冷凝器继续冷却并凝结成水，重又通过给水泵送回锅炉，完成一个循环。在循环中，锅炉源源不断向蒸汽提供热量，称其为热源。汽轮机则把水蒸汽的热量转化为机械能，称其为热机。水蒸汽在冷凝器中不断把热量放给冷却水并又凝结成水，故称冷凝器为冷源。下面我们将谈到，水蒸汽在冷凝器中放出的是汽化潜热，它占了蒸汽从锅炉里吸取热量的大部分，而这些放给冷却水的热量都无代价的排给了大自然了。在火力发电厂中实际采用都为回热循环，如图1-2所示为带一级回热加热的循环。当蒸汽在汽
9、轮机里膨胀做功，温度、压力降到某一程度时，把蒸汽抽一部分出来用以加热锅炉给水，实际上也就是把一小部分蒸汽的汽化潜热利用来加热给水，这样减少了这部分蒸汽在冷源里的放热量，同时也减少了水在锅炉里的吸热量，因而可使整个循环的热利用力得以提高。4. 热力学第二定律从上述循环中，我们可以看到，如光有热源（锅炉）和热机（汽轮机），则工质（水蒸汽）根本无法实现循环，汽轮机也不能把热能转换成机械能，大量的事实和经验都证明：“在热机作功的过程中，除了有一个热源，还必须有一个冷源存在，由热源得到的热量不可能全部转化为机械能，其中有一部分必须传给低温的冷源。”这就是热力学第二定律。热力学第一定律说明了热能与机械能相
10、互转换的数量关系，而热力学第二定律则进一步提出了热能转换成机械能的必要条件。5. 水和水蒸汽的热力学性质（1） 饱和蒸汽和过热蒸汽如对容器的水加热，水的温度升高。当加热至一定的温度时，水开始沸腾，我们把水开始沸腾时具有的温度称为饱和温度，即沸点。沸点状态下的水称为“饱和水”。饱和温度是和压力相对应的，容器内压力增高，饱和温度也增高，如压力为1绝对大气压，其饱和温度为99.09，当压力升高至1.2绝对大气压时，饱和温度也相应为104.25。当水达到沸点后，继续加热，则饱和水开始汽化，而水温并不高，始终等于饱和温度，这些继续加热的热量使一些水分子获得更高的能量而冲破水的表面而变成蒸汽。继续加热的结
11、果，就使水不断地汽化直至完全变为蒸汽，我们把这种状态下的蒸汽称为干饱和蒸汽，既有水又有蒸汽的状态，称为湿蒸汽或称饱和蒸汽。为了表示饱和蒸汽所占的份额，我们采用了干度X这一参数。干度X是指1公斤湿蒸汽中干饱和蒸汽所占重量的百分比。把1公斤已经加热到饱和温度的水在定压下加热，使它转变成干饱和蒸汽，所需加入的热量叫做汽化潜热用字母“”表示。值随压力变化而变化，压力升高，值减。当压力为1绝对大气压时，饱和水的汽化潜热=539.5大卡/公斤。当干饱和蒸汽继续在等压下加热时，蒸汽的温度就要上升而超过饱和温度，其超过的温度值称为过热度，具有过热度的蒸汽叫做过热蒸汽。（2） 焓的焓是水蒸汽的一个很重要的状态参
12、数，是水或水蒸汽所具有的能量的度量。某一状态下的水或水蒸汽的焓值可以看成是把一公斤的水从焓零点加热到该状态下的水或蒸汽所吸收的总热量，用字母“i”表示，单位为大卡/公斤。热力学中规定：取温度为0并处在其本身饱和蒸汽压力下的水（准确讲应为P=0.006228绝对大气压。t=0.0075）所具有的焓值为零，并以此作为焓值的起算点。焓值实际上表示了蒸汽作功潜在能力的大小。蒸汽流过汽轮机时，它的压力与温度降低，同时蒸汽的焓值也相应减少，这个焓值的减少称焓降（或热降）。汽轮机正是利用这个焓降转变为机械能而作功的。例如24绝对大气压390的新蒸汽，它具有的焓值为i0=769大卡/公斤。也就是说，从焓零点开
13、始，每产生1公斤24ata.390的蒸汽，共需吸收769大卡的热量，使蒸汽具有一定的作功的本领。然而，它实际作出多少功与在热机中的焓降有关。（3） 熵熵同样是水蒸汽的一个很重要的状态参数，熵值的变化可以表征蒸汽在热力过程中热量变化的情况。熵这个参数比较抽象，不能用简单的物理概念来描述。但大体上可以这么说：如蒸汽在工作过程中伴随有吸热，则其熵值将增大；反之，蒸汽在工作过程中伴随有对外放热，则其熵值将减少。当蒸汽在工作过程中既不吸热，又不放热，则其熵不变，这个过程称等熵过程。熵的单位是大卡/公斤.度。常用S表示。（4）水和水蒸汽的热力学特性是很复杂的，很难用简单的数学公式来表达清楚。为了工程上应用
14、方便，将试验得出的各种参数下水及水蒸汽的热力学特性，如压力、温度、比容、比重、焓值、熵值等按一定规律排列成表。水及水蒸汽的热力学性质表有专书出版，这里不详细介绍。 第二节 汽轮机基本原理汽轮机是一种以水蒸汽作为工质的旋转式原动机。其工作原理人们在古时候就已懂得。如在农村中经常能见到的风车就是一例，它是以空气为工质的最简单的汽轮机。风具有一定速度的空气，吹向风叶，使风车转动。这里，风叶把空气的动能转变成风车转动的机械能。而在我们蒸汽轮机里，蒸汽通过喷嘴产生高速流动，即把蒸汽的热能转变为动能，这高速蒸汽流随即冲向叶轮上的工作叶片，工作叶片又把蒸汽的动能转变成汽轮机旋转的机械能。下面就蒸汽在汽轮机中
15、的流动过程来说明汽轮机的工作原理。1. 蒸汽在喷嘴中的流动（1） 要使蒸汽在管道中流动，其必要条件是必须有压力差存在。有了压力差，蒸汽才能在压差的作用下克服管道的阻力产生流动。由于蒸汽在流道中的流动是连续的，因此在任一时刻，蒸汽流经流道中任何一个断面的流量是必然相等的。（2） 水蒸汽在等截面管道中的流动：由于管道流动阻力的存在，因而蒸汽压力是随着蒸汽的流动逐渐降低的，即P1C1。所以，水蒸汽在等截面管道中流动时，其压力将越来越低，而其速度却是越来越高。（3） 咀来产生高速蒸汽流的。水蒸汽在渐缩截面流道中的流动：蒸汽在蒸汽渐缩截面流动中时，C2C1，即，蒸汽流经渐缩截面流道时可以产生高速气流。在汽轮机中，我们也都采用渐缩喷2. 蒸汽在汽轮机级里的流动最简单的汽轮机级是由一排固定不动的喷嘴和一排随着轮子转动的工作叶片所组成。我们可以用速度三角形的方法来帮助我们了解蒸汽在汽轮机级里的流动情况。（1） 进口速度三角形：在汽轮机里，喷嘴是固定不动的，而工作叶片（也称动叶片）是装在轮子上
