热能与动力机械基础第2版 -王中铮 主编 第三章 涡轮机及喷气发动机

第三章 涡轮机及喷气发动机,第一节 概述,第二节 热力涡轮机级的基本理论,第三节 涡轮机级的损失与效率,第四节 多级涡轮机,第五节 汽轮机的变工况,第六节 供热汽轮机,第七节 火箭及喷气发动机,第八节 水轮机概述,第一节 概述,一、涡轮机及喷气发动机的应用与发展 涡轮机包括蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机等旋转式叶轮机械，而喷气发动机则是燃气轮机作为飞机动力的一种类型。 蒸汽轮机和燃气轮机式一种将工质（蒸汽或燃气）的热能转换为机械功的旋转式动力机械。 蒸汽轮机从1884年第一台实用性机组问世至今，已有100多年历史。,燃气轮机从1906年第一台问世至今，现在世界上已有多个国家100多家企业生产近千种型号的燃气轮机。二、涡轮机及喷气发动机的构造与分类 （一）蒸汽轮机 蒸汽轮机是以水蒸气为工质的旋转式叶轮机械，简称汽轮机。其基本原理可用图3-1来表示。 只有一个级的汽轮机，称为单级汽轮机；有若干级的，称为多级汽轮机。,图3-1 透平工作原理图,汽轮机主体主要由静子和转子两大部分组成。静子包括汽缸、隔板和静叶栅、进排汽部分、端汽封以及轴承、轴承座等。转子包括主轴、叶轮和动叶片、联轴器等。 插图3-1为600MW汽轮机部分转子。 插图3-2为汽轮机转子在准备安装。 插图3-3为汽轮机的叶轮。 插图3-4（a）及（b）为不同形状的叶片，（c）为汽轮机复速级上的导向叶片。 插图3-5为在电站汽轮机房的汽轮发电机组。,插图3-1 600MW汽轮机部分转子,插图3-2 安装汽轮机转子,插图3-3 汽轮机叶轮,插图3-4（a）,插图3-4（b）,插图3-4（c）,插图3-5 汽轮发电机组,图3-2为我国哈尔滨汽轮机厂自行设计生产的200MW汽轮机的纵剖面图。 它是一次中间再热、凝汽式、单轴、三缸、三排汽口的汽轮机。进入该机组高压缸的新蒸汽参数为12.75MPa、535，经再热后进入中压缸的再热蒸汽温度为535。 汽轮机的分类可按工作原理和热力特性等分类，详见表3-1。,图3-2 200MW汽轮机的纵剖面图,表3-1 汽轮机的分类,汽轮机的型号，由三组符号和数字按以下格式组成： XX XX X 变型设计次序 蒸汽参数 额定功率（MW） 汽轮机类型 国产汽轮机类型的代号见表3-2。,表3-2 国产汽轮机类型代号 国产汽轮机型号中的蒸汽参数表示方法及型号示例见表33，示例中无变型设计次序项表明该设计为原型设计。,表3-3 蒸汽参数表示方法及型号示例,（二）燃气轮机 燃气轮机是一种以空气和燃气为工质将热能转变为机械能的热机。其基本原理类同于汽轮机。图3-3所示为燃气轮机简图。 航空燃气轮机最基本的形式是航空涡轮发动机，如图3-3a所示。 对于地面燃气轮机、船用燃气轮机或某些航空燃气轮机，要求提供轴功率，因此在燃气发生器后面再设置动力透平，如图3-3b所示。,图3-3 燃气轮机简图,可以把燃气透平分为轴流式与径流式两大类型。图3-4和图3-5中分别给出了这两种透平的结构示例。 图3-6为东方汽轮机厂1978年试制成功的6MW发电用燃气轮机。 燃气轮机按用途可以分为两大类：一类作为地面机械（如发电机、船舶、机车、各种泵）的动力；另一类作为飞机的动力，称为航空燃气轮机。,图3-4 轴流式燃气透平的结构示意图,图3-5 径流式燃气透平的结构示意图,图3-6 R80060燃气轮机,航空燃气轮机有：用于飞机涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机及涡轮螺旋桨发动机；用于直升机涡轮轴发动机。 插图3-6为燃气轮机模型，可看到其内部结构。 插图3-7为 燃气轮机实物照片。,插图3-6 燃气轮机模型,插图3-7 燃气轮机,第二节 热力涡轮机级的基本理论,一、透平级的概念 由静、动叶组成一个涡轮机的级。 依靠冲动力推动的级称为冲动级；依靠反动力推动的级称为反动级。 级的反动度可用 表示为 （3-1）,1. 冲动级 1）纯冲动级，反动度 。纯冲动级的作功能力较大，效率较低。 2）带反动度的冲动级，它具有冲动级作功能力大和反动级效率高的特点，所以得到广泛应用。 3）复速级。复速级的作功能力比单列冲动级要大。为了改善复速级的效率，也采用一定的反动度。 图3-7表示蒸汽流经各种冲动级的通流部分时，其压力和速度的变化情况。,图3-7 冲动级中蒸汽压力和速度变化示意图,2.反动级 反动度 的级叫做反动级。反动级的效率比冲动级的高，但作功能力较小。图3-8表示反动级中蒸汽压力和速度变化的情况。二、级内工作过程（一）基本方程 1.状态方程 对理想气体而言，有状态方程（3-2） 及比焓的关系式,图3-8 反动级中蒸汽压力和速度变化示意图,对于过热蒸汽来说，其状态可以更准确地用下式表达（3-3） 当蒸汽由过热区向湿蒸汽区膨胀过渡时，最好使用水蒸气表和焓熵图。 对于等熵过程，参数的变化可用等熵方程来表示，即（3-4）,2.连续方程（3-5） 连续方程式的微分形式表示为（3-6） 3.能量方程（3-7） 静叶栅中既绝热，也没有机械功交换，则有（3-8）,4.运动方程 对于一元定常等熵流动的运动方程式为（3-9） 将式（3-4）代入式（3-9）并积分得（3-10）（二）工质在喷嘴中的膨胀过程 1.喷嘴中的汽流速度计算,（1）喷嘴出口的汽流理想速度 （3-11） 称为喷嘴的理想焓降。 令初速为零的滞止点为 ，则（3-12） 将 之值代入式（3-11）后，得喷嘴出口汽流理想速度为（3-13）,（2）喷嘴出口的汽流实际速度 喷嘴出口的汽流实际速度c1比理想速度c1t小。（3-14） 喷嘴的速度系数与喷嘴的损失关系，可从流动过程中的动能损失hn表示出来，即（3-15） 喷嘴出口汽流的实际比焓值h1大于理想比焓值h1t，使熵增加，如图3-9所示。图3-10是根据实验结果绘制的渐缩喷嘴速度系数 随喷嘴高度 的变化曲线。一般取 。,图3-9 蒸汽在喷嘴中的热力过程,图310 渐缩喷嘴速度系数随喷嘴高度ln的变化曲线,2.蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀 汽流从喷嘴流出时，因结构上的限制而形成汽流的喷嘴斜切部分（图3-11中ABC段流动）。 当喷嘴出口断面上的压力比大于或等于临界压力比时，喷嘴喉部断面AB上的流速小于或等于声速。喷嘴的出汽角 为（3-16）,图3-11 蒸汽在斜切部分的膨胀,当喷嘴出口断面上的压力比小于临界压力比时，汽流在喷嘴斜切部分的偏转角1为（3-17）（三）工质在动叶栅中的流动和速度三角形 蒸汽进入动叶的绝对速度c1、相对速度w1和动叶栅的圆周速度u之间的矢量关系，用3-12a所示速度三角形来表示，其值分别为,（3-18）（3-19） 动叶栅的几何进口角与进汽角应该相适应。 其出口绝对速度c2及出汽角 ，其值为（3-20）（3-21）,图3-12 动叶栅进出口速度三角形,为了方便，将动叶栅进出口速度三角形绘在一起，如图3-12b所示。图中， 及 若不计动叶损失，则动叶栅出口汽流理想速度w2t为（3-22） 为动叶栅滞止理想比焓降（J/kg），见图 3-13。,图3-13 蒸汽在动叶栅中的热力过程,动叶栅出口实际相对速度w2可表示为（3-23） 动叶栅的能量损失hb也可用动能损失表示，即（3-24） 通常在汽轮机的动叶栅中，0.850.95。,例3-1 已知喷嘴前蒸汽压力为p02.8MPa，温度t0 400，喷嘴后蒸汽压力p11.95MPa，温度 t1350，喷嘴出汽角 140，动叶后的蒸汽压力p21.85MPa，温度t2345。级的平均直径 dm1.3m，汽轮机转速n3000r/min，蒸汽初速可以忽略不计。试求该级的喷嘴和动叶的速度系数 和。,解：根据已知条件可在hs图上查得： 初比焓h03235.8 kJ/kg，喷嘴后蒸汽实际比焓h13139.7 kJ/kg。过初始点作等熵线交p1线可得喷嘴后蒸汽理想比焓h1t3132.0 kJ/kg。 喷嘴理想比焓降 喷嘴损失 喷嘴速度系数,该动叶圆周速度 喷嘴出口汽流速度 动叶进口相对速度,由p2、t2及过喷嘴出口状态点作等熵线交p2，可查得： 动叶后蒸汽实际比焓h23130.65 kJ/kg，理想比焓h2t3135.16 kJ/kg。 动叶进口滞止比焓 滞止动叶理想比焓降,动叶损失 动叶速度系数,第三节 涡轮机级的损失与效率,一、蒸汽作用在动叶片上的力和轮周功 如图3-14所示，蒸汽对动叶片的总作用力为Fb，则有（3-25） 把单位时间内汽流对动叶片所作的功称为轮周功率（3-26） 或 （3-27）,图3-14 蒸汽流过动叶栅的汽流图,当qm1 kg/s时，上式表示1kg蒸汽所产生的有效功，或称级的作功能力，用Pu1表示，则 （3-28） 或 （3-29） 冲动级动叶片的进、出汽角 和 值均较小，所以作功能力较大；而反动级动叶片的 和 角均较冲动级大，所以它的作功能力较小。 利用速度三角形的三角函数关系式，可得轮周功率的另一种表示形式为,（3-30） 余速损失hc2为（3-31） 在多级汽轮机中，余速利用系数01。 被下一级利用的余速动能h1为 （3-32）,由图3-15所示，级的轮周有效比焓降hu为（3-33）二、级的轮周效率与最佳速度比 透平级的轮周效率为 （3-34） 轮周效率也可以从能量损失的角度来表示，即,图3-15 hs图中汽轮机级的热力过程,（3-35） 由式（3-35）可知，透平级的轮周效率的高低与三项损失的大小有关。 在一定的c1下，改变u，可以得到三种不同的情况，如图3-16所示。 图3-16b中，因出口速度c2在轴方向，故c2为最小。即余速损失最小，这个速度比叫最佳速度比。,图3-16 不同速度比下纯冲动级的速度三角形 a) b) c),现根据不同类型的汽轮机级的不同特点，来分析速度比与轮周效率的关系。 1.纯冲动级的轮周效率和最佳速度比 （1）不考虑余速利用 级的轮周效率为（3-36） 图317中， x1u曲线为一近似的抛物线，称为轮周效率曲线。最佳速度比（x1）op值可得（3-37）,图3-17 纯冲动级x1u关系曲线图,由于c1之值不易测得，所以往往用xa代替x1。其关系如下 对于纯冲动级，m0，所以最佳速度比为（xa）op（3-38） 若 ， ，则,（2）考虑余速利用 计算表明，当 、 及 时，对于 的冲动级， ；对于 的冲动级， 。可见，当冲动级的余速动能全部被下一级利用时，可以大大提高最佳速度比。 2. 带反动度的冲动级的轮周功率和最佳速度比 由计算可知，对m0.050.20的冲动级，其最佳速度比（xa）op宜在0.4852之间选取。,3. 复速级 复速级的速度三角形如图3-18所示。 复速级的轮周效率为（3-39） 最佳速度比为 （3-40） 或 （3-41）,图3-18 汽轮机复速级速度三角形,速度比在x10.20.28范围内，复速级的 达到最大值。 4.反动级 反动级中的反动度m0.5。据轮周效率的表达式可求得最佳速度比（3-42）或 （3-43）,当 和 时，可得 及 。 反动级 的轮周功率的变化在速度比最大值附近是平坦的，因此反动级适宜于工况变化比较频繁的机组中。三、级内损失和级的效率 1.汽轮机的级内损失 计算级的损失需要根据其实际情况而定。,（1）叶高损失 叶高损失 用半经验公式计算（3-44）（2）扇形损失 扇形损失的计算公式如下（3-45）（3）叶轮摩擦损失 摩擦耗功的经验公式如下,若级的进汽量为Dl，则叶轮摩擦损失为（3-46）（4）部分进汽损失 1）鼓风机损失 2）斥汽损失（弧端损失） 喷嘴中流出的高速汽流要排斥并加速停滞在汽道内的蒸汽； 在喷嘴组出口段与叶轮的间隙A中发生漏汽，如图3-19所示；,在喷嘴组进入端的间隙B中，则将一部分停滞蒸汽吸入汽道。 部分进汽损失的推荐计算公式如下（3-47）（5）漏汽损失 隔板漏汽损失用下式确定（3-48） 动叶顶部的漏汽损失为,图3-19 部分进汽时蒸汽流动示意图,（3-49） 式中，qmt为叶顶漏汽量，另有公式计算。（6）湿汽损失 湿汽损失hx和湿汽损失系数 通常用经验公式计算（3-50）（3-51）,2.汽轮机级效率 考虑了级内各项损失后，级的实际热力过程曲线如图3-20所示。 级的内功率Pi为（3-52） 级的相对内效率当考虑余速被下一级部分利用时，可表示为,图3-20 级的实际热力过程曲线,（3-53） 当余速未被利用时，即 ， （3-54） 级的相对内效率是衡量汽轮机的一个重要经济指标，它的大小与所选用的叶型、反动度、速度比和叶高有密切的关系，也与蒸汽的性质和级的结构有关。,第四节 多级涡轮机,一、多级涡轮机的热力过程 对大多数的级来说，汽流的马赫数均保证在Mapcr,即1cr时，随着背压p1的减小，流量G沿AB线逐渐增加，其值可按下式计算：（3-70）,当p1pcr,即1cr时，流量达到临界值并保持不变，如图中BC线表示，即（3-71） 在小于临界流量的范围内，式（3-70）可用椭圆方程表示为：或 （3-72）,图3-28 渐缩喷嘴流量与压力关系曲线,当初压不变时，对应任一背压，通过渐缩喷嘴的流量均可用下式计算：（3-73） 当喷嘴前、后蒸汽参数同时改变时，若视蒸汽为理想气体，则通过渐缩喷嘴的流量为（3-74） 可近似认为变动工况下喷嘴前蒸汽温度不变，于是式（3-74）可简化为（3-74a）,如果设计工况和变动工况均为临界工况，则 ，有（3-75） 略去初温的变化，则（3-75a） 为了查用方便，常把图中的压力与流量用相对坐标表示。,令相对初压 ，相对背压 。喷嘴的任意流量G与最大临界流量G0m之比可表示为（3-76） 在临界状态下，1，m0。 在亚临界状态下，将式（3-72）中括号里的分子和分母同时除以 得,即 （3-77）或 （3-78）,由此可得到渐缩喷嘴流量网图，见图3-29。利用图中三个参数 中的任意两个可确定第三个。 2.缩放喷嘴的变动工况 在工况变动的一定范围内，缩放喷嘴中可能出现冲波，这正是它与渐缩喷嘴工作状态的本质差别。 图3-30显示了在变动工况下，缩放喷嘴内压力和速度的变化状况。,图3-29 渐缩喷嘴流量网图（适用于过热蒸汽）,图3-30 变工况下缩放喷嘴汽流参数及流量变化曲线,二、汽轮机级的变动工况 1级前后压力与流量的关系 1）设计工况和变动工况下级均为临界状态 级在临界工况下工作时，其喷嘴或动叶必定处于临界状态。 当喷嘴在临界工况下工作时，根据式（3-75）有：（3-79）,当动叶在临界工况下工作时，经推导可得（3-80） 在作级的变工况估算时，通常忽略动叶顶部间隙的漏汽。则有（3-81） 2）设计工况和变动工况下级均为亚临界状态 经推导可得 （3-82）,3）一种工况下，级达临界状态，而在另一种工况下，级未达临界状态 此时，级的变工况计算比较复杂，无法给出一个流量与蒸汽参数之间的具体关系式。 2.级内反动度的变化 因焓降（或速度比）的变化所引起的反动度的变化用 表示，可用下面讨论的方法进行计算：（3-83a）,对冲动式汽轮机，可近似地认为 ,于是得到：（3-83b） 在运行中，如果级内速度比及面积比都发生变 化，则级内反动度的变化为 （3-83c）三、汽轮机级组的变动工况 1.级组前、后压力与流量的关系,级组是若干个流量相等的相邻级的组合，如图3-31。 若该机组中各级在变动工况下始终处于亚临界状态，则有：（3-84）或 （3-84a）,图3-31 汽轮机级组示意图,若机组中某一级始终处于临界状态，此时，对于最后一级，由式（3-81）有：或 （3-85） 可以证明 （3-86） 由此可知，此时通过机组的流量与该机组中所有各级级前压力成正比。,2级组压力与流量关系式的应用条件 （1）在同一工况下，通过同一级组各级的流量应相等； （2）在不同工况下，级组中各级的通流面积应保持不变； （3）流过级组各级的汽流应是一股均质流； （4）严格地说，级组压力与流量关系式（3-84）适用于具有无穷多级数的级组。,第六节 供热汽轮机,一、供热汽轮机的热经济性 对于凝汽式汽轮机，汽轮机装置的相对热效率为：（3-87） 式中 进入汽轮机的蒸汽焓值（kJ/kg）； 离开最后一级高压加热器进入锅炉的给水焓值（kJ/kg）。,凝汽式汽轮发电机组的绝对热效率为： 供热式汽轮发电机组的绝对热效率应为 （3-88） 由式（3-87）和式（3-88）可得 （3-89）,可见，供热式汽轮机的热效率大于凝汽式汽轮机的热效率，且二者差值与其热电比有关。二、背压式汽轮机 1背压式汽轮机的特点 背压式汽轮机的主要任务是在一定的排汽参数下供应用户规定的蒸汽量，并能同时发出一定的电能。 背压式汽轮机一般采用喷嘴调节。 背压式汽轮机与凝汽式汽轮机相比，叶片长度与部分进气度均较大，效率较高。,背压式汽轮机是以热定电的。 中压电厂加以改造时，可以设置背压式汽轮机，称为前置式汽轮机。 2背压式汽轮机热、电负荷间的关系 若热负荷为 、排汽焓为 ，则排汽量 即为进汽量（3-90）,图3-32 背压式汽轮机和凝汽式汽轮机并列运行,图3-33 前置式背压式汽轮机的热力系统图,在没有电网供电的地区，背压式汽轮机不能单独运行，而必须与凝汽式汽轮机并列运行，如图3-32所示。 上述的运行方式，效率不高，故有图3-33所示的运行方式，即按前置式汽轮机方式布置。三、一次调节抽汽式汽轮机 1一次调节抽汽式汽轮机的特点 将并列运行的背压式汽轮机与凝汽式汽轮机合并就成了一次调节抽汽式汽轮机，如图3-34所示。,图3-34 一次调节抽汽式汽轮机的系统示意图,2一次调节抽汽式汽轮机功率与流量的关系 如不考虑回热抽汽量，则有：（3-91）（3-92） 用图3-34符号，则汽轮机的内功率 和 为（3-93）（3-94）,于是 （3-95） 一次调节抽汽式汽轮机的工况图，见图（3-35）。,图335 一次调节抽汽式汽轮机的工况图,第七节 火箭及喷气发动机,一、火箭推进概述 1.火箭的运动与推力 火箭的运动是由直接反作用引起的，如图3-36a所示。 火箭发动机是直接反作用式发动机，发动机和推进器合为一体，射流产生的反作用力直接施加在发动机上。,间接反作用式装置，例如空气螺旋桨飞机（图3-36b），作为能源的部件（发动机）和利用发动机的能量来产生运动的部件（推进器）两者是分开的；推动飞行器前进的反作用力施加在推进器上，而不是施加在发动机上。 空气喷气发动机需利用周围的空气来产生喷气射流，火箭发动机则不需利用周围空气而只用自身携带的物质来产生喷气射流。 空气喷气发动机至少应当由下列五个部件组成：进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管，如图3-37所示。插图3- 8为涡轮喷气发动机实物照片。,图3-36 直接与间接反作用的比较,图3-37 涡轮喷气发动机原理简图,插图3- 8 涡轮喷气发动机,因此，装有空气喷气发动机的飞行器只能在大气层中推进，在真空中只能靠惯性飞行；而装有火箭发动机的飞行器，则无论在大气层内或在大气层外都能推进。 今以化学能火箭为例，见图3-38。 火箭在推进过程中是变质量系统，但如把喷出的质量也包括进来，就仍然是定质量系统。 设 为每秒喷出的燃烧产物的质量，即 （3-96）,图3-38 火箭作直线运动,于是，根据动量定理有（3-97） 将式（3-97）展开并略去二阶微量，得火箭运动的方程式：（3-98）,在外力中的气动阻力和重力不应该包括在发动机的推动力之中。因此，发动机推力的基本公式为（3-99） 可见，发动机的推力由动量推力（动推力）（动推力）和压力推力（静推力）两部分组成。 动推力是推力的主要部分。如果把静推力也换算称动推力，则式（3-99）为 （3-100） 式中，vef为等效排气速度。（3-101）,在整个工作时间tn内，推力产生的总冲量（简称总冲）记作I，则（3-102） 平均比冲量（简称平均比冲），记做Is，则（3-103）,任意瞬间的比冲（比推力） 定义为 （3-104） 因此，瞬时比冲实际上就是等效排气速度。 比冲是衡量发动机性能的重要指标。比冲大，说明可以用较少的推进剂获得需要的总冲。它既是能量指标，又是经济性指标。 火箭的理想飞行速度公式为（3-105）,火箭的理想飞行速度大于实际飞行速度，它也是一个重要的指标，以衡量火箭与发动机的性能。 2.化学能火箭发动机的构造和能量转化过程 化学能火箭发动机是以推进剂的化学能作为能源，推进剂的燃烧产物作为工质的。 推进剂的物理形态对火箭发动机的结构影响很大，如图3-39图3-41所示。 推力对火箭作推进功，一部分推进功又转变成火箭本身飞行的动能。这一过程可用图3-42示出。 插图3-9为固体火箭发动机作为导弹的助推器。,图3-39 固体火箭发动机示意图,图3-40 液体火箭发动机（挤压式）示意图,图3-41 固液混合型火箭发动机示意图,图3-42 化学能火箭发动机的能