热能动力基础删减.ppt

热能与动力机械基础 第三章涡轮机与喷气发动机主讲教师 叶增明课时 8学时 思考题 涡轮机的定义是什么 哪些动力机械属于涡轮机 涡轮机与活塞式发动机相比有哪些优点 涡轮机目前的主要技术发展趋势是什么 与蒸汽轮机相比较燃气轮机有哪些优点 蒸汽轮机与燃气轮机主要用途是什么 在使用上有何区别 轮机按热力特性分类可分为那几类 凝汽式汽轮机和背压式汽轮机的主要区别是什么 涡轮喷气发动机退役陆用为什么还要加动力透平汽轮机级的反动度的定义是什么 纯冲动级的反动度是多少 有那些特点 反动级的反动度是多少 有那些特点 速度系数与能量损失系数之间有什么关系 利用轮周功的表达式证明相对能量方程的成立轮周功的定义是什么 其表达式是什么 轮周效率的定义是什么 其表达式是什么 第一节概述 一 涡轮机的定义和范围什么是涡轮机 透平机 Turbine 定义 涡轮机是一种将流体 工质 的热能和势能转换为机械功的旋转式动力机械 包括 蒸汽轮机 燃气轮机和水轮机 喷气发动机应属于燃气轮机蒸汽轮机 SteamTurbine 主要分为 电站汽轮机和工业汽轮机两种燃气轮机 GasTurbine 主要分为 陆用燃气轮机 船用燃气轮机和航空发动机 二 涡轮机在国民经济中的地位 旋转式的蒸汽轮机 燃汽轮机与往复式的蒸汽机 内燃机一样都是一种原动机 具有同样的功能 与往复式蒸汽机相比 汽轮机中的蒸汽流动是连续的 高速的 单位面积中能通过的流量大 因而能发出较大的功率 大功率汽轮机可以采用较高的蒸汽压力和温度 故热效率较高 涡轮机与往复式机械相比具有单机功率大 效率高 运转平稳和使用寿命长等优点 具有较大的优势 目前已逐步取代往复式的蒸汽机与内燃机 涡轮机目前的使用范围1 在火力发电厂 核电站以及水力发电站中是用来驱动发电机的一个重要的动力机械 2 在研金 化工 采矿等大型工业上用来驱动各种大型的水泵 风机 高炉鼓风机和压缩机 由于可以变转速 代替大型电动机 3 在船上用来驱动螺旋桨 代替内燃机 4 在军事上用来驱动航空 航天器 以及作为军舰和大型坦克的发动机 5 近期已在列车和大型卡车上作为发动机开始启用 三 涡轮机的发展 1 蒸汽轮机公元一世纪时 亚历山大的希罗记述了利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球 又称为风神轮 这是最早的反动式汽轮机的雏形 1629年意大利的布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮 1884年英国的Charies Pansons 帕森斯 制成了第一台10马力的多级反动式汽轮机 并取得英国专利 这台汽轮机的功率和效率在当时都占领先地位 这是第一台在工业上实际使用的汽轮机 目前世界上最大的汽轮机制造厂家是美国的GE 通用电气公司 和WH 西屋公司 我国汽轮机制造是从1955年开始的 从6MW 6000千瓦 开始 然后有12MW 50MW 10MW 125MW 200MW 300MW 直至2000年生产了600MW汽轮机 目前正在设计生产1000MW的汽轮机 我国最大的汽轮机制造厂有三家 哈尔滨汽轮机厂 上海汽轮机厂和东方汽轮机厂 主要生产大型发电用汽轮机 第一台燃气轮机法国拉马尔等人设计制造的 压比为4 透平进口温度560 只有3 的效率 1920年出现了第一台在工业上正式使用的燃气轮机 输出功率370KW 效率达13 1939年BBC制造了第一台用于发电的燃气轮机 压比为4 38 透平前温为575 效率18 功率达到4000KW 同时期德国heinkel工厂第一台涡轮喷气式发动机驱动的He178飞机试飞成功 德国he系列战斗机诞生 2 燃气轮机 燃气轮机的发展历史曾经经过三个高潮 第二次世界大战期间涡轮喷气式发动机的诞生及大量使用 在第二次世界大战中 德国1940年首先投人了用燃气轮机驱动的喷气式战斗机 首批参战的喷气式飞机时速为850公里 超过当时英美飞机时速约160公里 在速度上占有很大优势 随后美 英 苏等国家也大量投人了喷气式战斗机 五十年代大量航空发动机退役 作为燃气发生器加上动力透平 改造成为陆用燃气轮机 引起了陆用燃气轮机的一个发展高潮 1965年美国东北电网大停电事故发生后 引起各国电力界对燃气轮机作为尖峰负荷用来应急发电的重视 最近人们对燃气轮机 蒸汽轮机联合循环的优越性已引起很大的重视 也许现在正是燃气轮机发展的第四个高潮 3 航空发动机涡轮喷气式 涡轮风扇式 B52和波音707 JT3D 压比16 波音767 JT9D 7R 压比21 244 水轮机新安江水电站三峡水电站 适用场合和特点 蒸汽轮机 功率大 制造成本低 运行成本低 适用于大型发电机组 发电厂普遍使用 燃气轮机 体积小 重量轻 启动快 少用水或不用水 机动性强的特点决定了它适用于作为移动性动力机组 如飞机 军舰 及移动电站 水轮机 发电成本低 节约能源 但必须要有水力资源 四 涡轮机的主要技术发展趋势 1 采用大容量机组发电机组的容量越大 则单位功率机组的造价就越低 单位功率的发电成本也越低 单位功率电厂的施工周期也越短 但汽轮机功率越大 其技术难度也越大 首先是材料问题 主要事动叶片在高温 高速下工作 其材料许用应力受到限制 其次是电厂容量问题 单机容量越大相应的电厂总装机容量要大 联网供电是一个解决问题的办法 2 提高蒸汽 燃气 初参数 这实际上就是提高单机容量的一个最好的措施 进入汽轮机的蒸汽初参数越高 则焓降越大 同样大小的机组发出的功率就越大 对于目前所使用的珠光体材料来讲 初参数已经提高到极限了 我国蒸汽轮机目前用的最高初参数是 透平进口蒸汽压力165ata 温度565 目前美国和日本的汽轮机的进汽压力已到了240个大气压 超临界 但温度还是565左右 再要提高温度就要研究新的耐高温材料 燃气轮机一般透平进口压力不高 最高到24ata 但温度却高达1500 提高功率的其他办法 a 增加透平级数和缸数 增加蒸汽流量的同时增加透平级数和缸数 低压级采用分缸可以使末级叶片的高度不增加 b 采用中间再热 目前125MW以上的都有中间再热 c 降低背压 降低背压和提高初压一样可以提高汽轮机的功率 提高焓降 目前发电用汽轮机基本上都采用凝汽式汽轮机 其背压可以达到0 05大气压 我国目前生产的蒸汽轮机机组的参数 3 采用联合循环提高运行效率蒸汽轮机 燃气轮机联合循环内燃机 燃气轮机联合循环4 提高机组运行可靠性采用微机监控和计算机故障分析 目前自动控制已到了计算机智能控制程度 但汽轮机虽然也是采用自动控制 而大部分仍停留在以前的电气与液压系统控制 调节的灵敏度较差 国外现在已有了计算机智能控制系统 而我们还没有 汽轮机叶片断裂事故发生较多 五 涡轮机的构造与分类 1 蒸汽轮机的主要部件转子 主轴 叶轮 动叶片等静子 汽缸 隔板 静叶栅等其他还有 轴承 汽封 联轴器 进 排汽管 滑销系统和调节保护系统 2 蒸汽轮机的分类 按热力性质分可以分为 凝汽式汽轮机 背压式汽轮机 抽汽式汽轮机 抽汽背压式汽轮机 乏汽式汽轮机 多压式汽轮机 凝汽式汽轮机示意图 背压式汽轮机机组示意图 凝汽式 背压式和抽汽式三种汽轮机的主要区别 凝汽式汽轮机的排气管联接到凝汽器 体积庞大的蒸汽排气在凝汽器中冷凝成饱和水 产生了很大的真空 可使汽轮机的排气压力很低 一般在0 05个大气压 常用于电厂发电用机组 背压式汽轮机的排气是为某一热蒸汽用户提供有一定的压力和温度的热蒸汽 也可能是热 电两用 也可能是工业驱动用汽轮机 工业汽轮机 一般机组较小 抽气式汽轮机包括 抽汽凝汽式汽轮机和抽汽背压式汽轮机 也是一种热 电两用汽轮机 主要是在汽轮中间某一级后抽出一股有一定压力和温度的蒸汽 供热用户使用 按流动方向分可以分为 轴流式汽轮机幅流式 径流 汽轮机周流式 回流 汽轮机按用途分可以分为 电站汽轮机工业汽轮机船用汽轮机 3 燃气轮机装置与结构 燃气轮机的构造主要由三大件组成 燃气涡轮 压气机和燃烧室 压气机将大气的空气吸入压缩 燃烧室将高压气体燃烧成高温 高压的燃气 再送入燃气涡轮作功 燃气涡轮发出的功率有一大半要被压气机所消耗 剩下的输出 4 燃气轮机的分类 按用途分类可分为 电站燃气轮机 船用燃气轮机和航空发动机 也可分为移动式燃气轮机和固定式燃气轮机两种 废气涡轮增压器属于燃气轮机的一个分支 其中航空发动机可分为 涡轮喷气式发动机 涡轮风扇式发动机 涡轮螺桨式发动机和涡轮轴式发动机 第二节热力涡轮机级的基本理论一 级的概念1 级的组成 一组喷嘴和一组动叶 基元级 叶栅 平面叶栅和环面叶栅 级的流动过程和热力过程 叶栅图和焓熵图 ht hb hn P0 T0 P0 T0 C0 P1 T1 C1 P2 T2 C2 h S 5 反动度 1 反动度定义 动叶栅内的等熵焓降与整个级的滞止等熵焓降之比蒸汽作功一部分是蒸汽速度冲击动叶的冲动力作功 另一部分是蒸汽在动叶中加速产生的反作用力既反动力作功 反动度则表示冲动力作功和反动力作功所分配的情况 既反动力作功占整个级作功的比例 2 冲动级有三种型式 纯冲动级 0特点 蒸汽只在喷嘴中膨胀加速 在动叶中不膨胀加速 即P1 P2 hb 0 ht hn 纯冲动级作功量较大 但效率较低 带反动度的冲动级 0 05 0 20特点 蒸汽的膨胀大部分在喷嘴中进行 在动叶中只要小部分膨胀 即P1 P2 hb 0 ht hn 作功能力较大 效率也不是太低 在一台汽轮机中 这种级用的最多 复速级这是个特殊的级 由一组喷嘴加一组动叶加一组导叶再加一组动叶组成 和纯冲动级一样 蒸汽膨胀加速只在喷嘴中进行 一般在两组动叶中都没有膨胀 这是有意让级前喷嘴的膨胀加速很大 通过第一组动叶作功后排气速度仍然很大 则通过一组导向叶片进入第二组动叶继续作功 这种级经常是用在汽轮机的第一级上 特点 作功能力特别大 一级的焓降可以抵上其他级的4 5级的焓降 但效率比其他级都低 而且喷嘴出口速度有可能会达到音速 目前也有的采用带一些反动度的 让动叶中稍有些膨胀 使复速级的效率能高一些 3 反动级 0 5特点 蒸汽的膨胀有一半在喷嘴中完成 还有一半在动叶中完成 也就是说喷嘴中的焓降与动叶中的焓降各占一半 这时P1 P2 hb hn 0 5 ht 一般来说级的反动度越大 则级的效率越高 但作功能力越小 但当级反动度大于0 5时 级效率反而可能会降低 因此汽轮机中一般不使用反动度大于0 5的级 反动度为0 5的级是汽轮机中用的反动度最大的一种级 级效率最高 6 各种级中压力和速度的变化情况纯冲动级带反动度的冲动级反动级复速级 二 级内的工作过程 蒸汽在叶栅中流动实际上是一种实际流体的三元流动过程 是有黏性的 非连续的 非定常的三元流动 但为了分析问题方便我们忽略了气体的黏性 作以下假定 蒸汽的流动是稳定的 即定常流动 在同一位置上的蒸汽参数不随时间变化 蒸汽在叶栅中的流动是轴对称的一元流动 即蒸汽参数只沿流动方向变化 蒸汽在叶栅中流动是绝热的流动 与外界没有热交换 级的前后也没热交换 有了这些假定后