热能工程基础5

第五章叶轮式动力机械,5-1叶轮机械能量转换原理,一、叶轮机械工作原理,具有一定压力和温度的工质（蒸汽或燃气）先在喷嘴（静叶栅）中膨胀加速，工质压力、温度降低，流速增加，完成热能到动能的转换。从喷嘴出来的高速气流，以一定的方向进入装在叶轮上的动叶栅，气流速度受叶片作用改变大小及方向后排出。气流对叶片产生一作用力，推动叶轮作功，完成动能到机械能的转换。,喷嘴（静叶栅）和与其配合的动叶栅构成了涡轮机作功的基本单元，这个作功单元称作涡轮级或透平级。由一个级构成的涡轮机称为单级涡轮机，由两个及以上的级所构成的涡轮机称为多级涡轮机。级是涡轮机械的基本作功单元。,1、轴流式原动机的工作原理,叶轮位于涡壳形的压出室中。在外力矩的作用下，叶轮旋转，叶轮中的流体获得了机械能，压力、温度、速度均提高，在惯性的作用下挤入压出室，使速度降低，压力提高，然后从扩散管排出。由于叶轮的连续旋转，流体将连续不断地由叶轮吸入和排出。这样实现了机械能向压能或动能的转换。离心式叶轮机械也有单级和多级之分。,2、离心式工作机的工作原理,二、流动模型的简化,不考虑工质粘性工质在叶栅内的流动为稳定流动工质的流动是平面二元流动流动是等熵或绝热的定性分析时将工质作为理想气体,稳定流动时气流的基本方程式稳定流动：管道内各点的状态及流速、流量等都不随时间变化。假设：状态及流速只沿流动方向变化；流动中能量转换过程是可逆的。,分析气体流动过程所依据的主要方程式：连续性方程式；能量方程式；动量方程式；状态方程式。,由能量守恒关系，有：,对其取对数再求微分，有：,上二式称为稳定流动过程的连续性方程式。,喷管利用气体压降使气流加速的管道。即dcf0。气流流经喷管的时间很短，因此，喷管中气体的流动可作为绝热流动过程处理。按能量方程式，当q=0时，有：,即，dh0。气体的焓降低而转换为气体的流动动能。,按动量方程式，得到流速变化和压力变化的关系：,即，dp0。气体压力降低时流速增加。,气流掠过物体表面时，由于摩擦、撞击等使气体相对于物体的速度降低为零的现象称为滞止现象。,滞止发生时气体的温度及压力都要升高，致使物体的温度及受力状况受到影响。,忽略滞止过程中的散热，则可认为过程为绝热滞止过程。绝热滞止状态下气体的状态参数称为绝热滞止参数或简称为滞止参数。由绝热流动的能量关系式,可得到绝热滞止焓h0的关系式为,可见，绝热滞止焓等于绝热流动中任一位置气体的焓和流动动能的总和，因此也称总焓。,三、级的作用原理与反动度,1、级的作用原理,通过冲动作用原理与反动作用原理实现。按照工质在级的动叶内不同的膨胀程度，又可分为冲动级和反动级两种。,以冲动作用原理工作的级，工质在动叶流道中不膨胀加速，而只随流道形状改变其流动方向，工质因改变流动方向对动叶栅产生的作用力，即冲动力，推动叶轮作出机械功，此作功原理称为冲动作用原理。此时工质所作的机械功等于它在动叶栅中动能的变化量，依靠冲动力推动的静、动叶栅组成的级称为冲动级。,在涡轮机中，当工质在动叶流道内膨胀加速时，工质不仅改变流动方向，并且因为膨胀使其速度也有较大的增加，加速汽流流出汽道时，对动叶栅将施加一个与工质流出方向相反的反作用力，这个作用力叫做反动力。此作功原理称为反动作用原理。依靠反动力推动的级称为反动级。,2、反动度,为说明工质在动叶气道中膨胀的程度，常用级的焓降反动度来表示，简称反动度。它等于气流在动叶气道内膨胀时的理想焓降与整个级的滞止理想焓降之比。即,表示理想焓降,表示整个级的滞止理想焓降,表示喷嘴的滞止理想焓降,表示级的平均直径（动叶顶部和根部处叶轮直径的平均值）截面上的反动度。,3、级的分类,（1）纯冲动级,在纯冲动级中，热能到动能的转换在喷嘴内进行，而在动叶中只有动能到机械功的转换。工质在动叶中只改变流向而不膨胀。动叶内流通截面沿流道不变。作功能力大，效率较低。,（2）带反动度的冲动级,工质的膨胀大部分发生在喷嘴叶栅中，只有小部分在动叶栅中发生，故动叶流道也收缩变窄。,（3）反动级,在反动级中，工质的热能转变为动能的过程一半发生在喷嘴叶栅中，一半发生在动叶栅中。喷嘴气道与动叶气道都为渐缩型，动、静叶片形状相同，反向安装。反动级作功能力较低但效率最高，因此现代大型汽轮机中更普遍地采用了反动级。,（4）复速级,是冲动级的一种，在叶轮上装有两列动叶栅，并在第一列动叶栅后装有一列固定不动的导向叶栅，工质在喷嘴中膨胀加速，压力降低而速度增加。工质经过第一列动叶栅时，只将一部分动能转变成机械能，出来的工质流速还很高，由于这时气流的方向与转动方向相反，需安装一列导向叶栅来改变气流的方向，再到第二列动叶栅作功。常用于单级汽轮机或中小型汽轮机的第一级（作为调节级）。,（d）复速级,（d）复速级,四、叶轮机械的几何特性,1、涡轮级叶栅参数,叶栅:由许多相同叶片以同样的间距和安装角度排列在某一几何面上而形成的栅型气流通道。静叶栅常称为喷嘴叶栅，动叶栅又称为工作叶栅。,叶型:叶片的横截面形状称为叶型，其周线称为型线。若叶片型线沿叶高不变，则称为等截面叶片，若叶片型线沿叶高变化，则称变截面扭叶片。,反动式叶栅:叶栅前后有静压差，截面由进口到出口显著缩小，故工质通过时除流动方向改变外还有加速；喷嘴叶栅和反动度较大的动叶栅（反动级动叶栅）为反动式叶栅。冲动式叶栅:叶栅前后静压差近似相等，工质通过时主要改变流向，基本上不加速。冲动级的动叶栅及复速级的导向叶栅为冲动式叶栅。实用中为了减少流动损失，使汽道也略有收缩，即有一定反动度。,叶栅出口气流的马赫数：Ma1.2时称为超音速叶栅，缩放型汽道。,叶片节距,叶栅宽度,叶型弦长,出口边厚,出口宽度,叶栅安装角,出口气流角,几何进口角,几何出口角,进口气流角,高度、平均直径,叶片节距,叶栅宽度,叶型弦长,出口宽度,叶栅安装角,出口气流角,几何进口角,几何出口角,进口气流角,进口宽度,高度、平均直径,叶型几何进口角与气流进口角之差称为冲角，用表示。,冲角为正，说明几何进口角大于气流进口角，气流冲击在叶片内弧上，反之为负冲角。正冲角引起的撞击损失比负冲角损失大。因此，涡轮机设计一般采用接近零或稍偏向于负值的冲角，同时将进气边做成圆弧形，以减弱叶片对进气角变化的敏感性。,2、离心机械叶轮参数,离心式叶轮的叶片弯曲形式有三种：后弯式、径向式和前弯式。,后弯式叶轮的效率最高，稳定工况范围最宽，但相同外径和转速下流量较小、扬程最低。前弯式的优缺点与后弯式相反，径向式介于两者之间。实际应用最多的是后弯式，前弯式叶轮用于一部分低压通风机中。,离心机械叶轮的叶片形状：空间扭曲型和非扭曲型。,圆弧曲率半径,圆心距,叶片厚,轮毂直径,叶轮进口直径,叶片进口直径,叶轮外径,叶轮出口宽度,叶片进口宽度,几何进口角,几何出口角,叶片节距,进气角,出气角,设计工况下冲角为零时，当流量小于设计流量时形成正冲角，,说明几何进口角大于进气角，流体冲击在叶片的工作面上，漩涡区发生在叶片背面，当流量大于设计流量时形成负冲角，流体冲击在吸力面上，将在叶片工作面进口部分形成漩涡，产生更大的能量损失。因此，为避免在流量大于设计流量下出现过大的负冲角，离心机械在设计时常取38的正冲角。同时，由于正冲角时可以增大入口流道面积，因此对改善泵的抗汽蚀性能也有利。,五、叶轮进出口速度三角形,叶轮旋转时，流体相对于叶轮流道流速为w，流体随叶轮旋转的牵连速度为u，它的绝对速度c为前两者之和。即,c=w+u,在讨论涡轮的能量转换关系时，一般并不需要知道叶片通道中速度的变化情况，而只需了解叶片通道进出口的速度变化即可。,动叶栅的圆周速度,（m/s）,离心叶轮叶片通道进出口圆周速度分别为,（m/s）,对轴向涡轮，为已知，通过喷嘴计算可求出c1，由三角形基本定理可得,对离心叶轮，为已知，通过连续性方程可求得，则,六、涡轮级损失,1、喷嘴损失,工质流经喷嘴时的动能损失用喷嘴损失表示：,理想速度,实际速度,喷嘴速度系数,2、动叶栅损失,与喷嘴相似，动叶栅中的动能损失用动叶栅损失表示：,理想相对速度,实际相对速度,动叶速度系数,3、余速损失,工质在动叶栅中作功后，以绝对速度离开动叶栅，这样就有一部分动能未能在动叶中转变成为机械能，对本级来说是一项损失，称为余速损失。即,在多级汽轮机中，中间级的余速有可能被下级部分或全部利用，它本身也可部分或全部利用上级的余速。通常以系数来表示余速动能利用的程度，称为余速动能利用系数。,4、叶高损失,喷嘴和动叶汽道上下端壁附面层内的摩擦和二次流所造成的损失，大小与叶高有密切的关系。,5、扇形损失,等截面直叶片级是以基元级参数进行计算的，而汽轮机叶栅为环型叶栅，其节距与速度沿叶高是变化的，从而产生流动损失。,6、叶轮摩擦损失,由动静间隙中圆柱面上的速度梯度引起的摩擦损失，以及子午面内的涡流运动引起的损失两部分组成。,7、部分进汽损失,由鼓风损失和斥汽损失两部分组成。鼓风损失发生在与不装喷嘴的弧段对应的动叶通道内，斥汽损失发生在装有喷嘴的弧段内。,8、漏汽损失,隔板（或静叶栅）前后存在着较大的压力差，而静叶栅和转轴之间又存在着间隙，因此必定有一部分工质从静叶栅前通过间隙漏到静叶与本级叶轮之间的汽室内。由于这部分工质不通过喷嘴，所以不参加作功，因而形成了隔板漏汽损失。还有叶顶漏汽损失。,9、湿蒸汽级的湿汽损失,湿蒸汽汽轮机的各级和普通汽轮机的最后几级都在湿蒸汽区工作，不可避免地要产生湿汽损失。在湿蒸汽内工作的级，由于一部分蒸汽随着膨胀加速而凝结成了水珠，因此使作功的蒸汽量减少；另一方面因水珠的速度要比蒸汽的速度低很多，汽、液两相流动中，高速的蒸汽挟带着低速的水珠流动，从而消耗了汽流的一部分动能。,注意：以上各部分损失并不是所有级别中都同时存在。除喷嘴损失、动叶栅损失、余速损失、叶高损失、漏汽损失在各种级内都存在外，其余四项损失只有在某些条件下有可能存在。,七、涡轮级效率,因级内存在各种损失，故不可能使级内的理想能量全部转变成功。必然有一部分能量消耗在各种损失中，这部分损失重新转变为热量，并加热工质本身，因此级内损失使动叶出口的排汽焓沿等压线升高。,1kg工质所具有的理想能量中最后转变成轮轴内功的那部分焓降称为级的内焓降（或有效焓降），以表示：,1、级的相对内效率,级的内焓降与级的理想能量之比称为级的相对内效率，简称级效率，其表达式为,2、级的内功率,（kW）,八、多级涡轮机,1、热力过程,动力过程中实际使用的大功率汽轮机和燃气轮机都是多级的。在汽轮机中，蒸汽在依次连接的许多级中相继作功，每一个级中只利用整个汽轮机理想比焓降中的一小部分。级数有时可达十几级，甚至更多，并配置在不同的汽缸内，根据流通时工作蒸汽压力的高低不同而分别被称为高压缸、中压缸、低压缸等。蒸汽顺序通过各级作功，直到最后由末级动叶排出。各级功率之和就是整个汽轮机的功率。蒸汽在多级汽轮机中的工作热力过程与级中的工作过程一样，可以用h-s图上的热力过程线进行表示。,2、重热系数,多级汽轮机的优点之一就是上一级的能量损失可以在下一级中再得到部分有效利用。级的能量损失转变成了热能，从而提高了级后蒸汽的焓值，使级后蒸汽温度升高，而使湿蒸气区的干度得到提高。,若Q为多级汽轮机中从能量损失中回收的热能，为理想焓降值。,则重热系数,若汽轮机每级的相对内效率均为，则整个汽轮机的相对内效率为,3、多级涡轮机的损失,多级涡轮机中，除了级内损失以外，还有整个汽轮机的损失，如进、排汽机构的节流损失，前、后端轴封漏气损失及机械损失等。,可见，整机的内效率大于各级的平均内效率。但却不能由此得出重热系数越大，多级汽轮机效率越高的结论。因为重热只能回收总损失的一部分，并不能补偿损失的全部，所以重热系数越大，整机的相对内效率越低。,九、汽轮机的工况及功率调节,1、设计工况与变工况,设计工况：汽轮机是按一定的热力参数、转速和功率等条件设计的，热力设计所依据及求得的参数统称为设计参数。汽轮机运行时，如各参数都等于设计值，此时称为设计工况。汽轮机在设计工况下运行具有最高的内效率，设计工况又称为经济工况。,变工况：实际运行中，由于各种原因，汽轮机不能始终在设计工况下工作。主要原因为：外界负荷、蒸汽参数、转速以及汽轮机本身结构的变化等。任何偏离设计参数的运行工况统称为变工况。,2、功率调节,汽轮机所带的负荷总在不断变化。为使汽轮机做功与外界不断变化的负荷相适应，必须随时调节汽轮机的功率。发电功率方程式,汽轮机相对内效率,机械效率,发电机效率,（1）喷嘴调节,（1）喷嘴调节采用喷嘴调节的汽轮机的第一级，其流通面积随负荷变化。汽轮机前有一主汽阀，其后与喷嘴前有若干调节阀，喷嘴分成若干组分别由喷嘴前调节阀通过控制其开度来控制流量。任何工况下，只有部分开启调节阀的蒸汽受到节流作用，因此喷嘴调节汽轮机在部分负荷时经济性较好。第一级通流面积在工况变动时变化，为部分进汽。,（2）节流调节节流调节只采用一个调节阀（大功率汽轮机采用几个同时开启的阀门），对进入汽轮机的全部蒸汽进行调节。随着负荷的增加，调节阀逐渐开启，当汽轮机发出最大功率时调节阀完全开启。又称质量调节。这种调节方式在小于最大负荷时，调节阀是部分开启的，蒸汽在调节阀中受节流作用，压力降低，使汽轮机的理想焓降减小。第一级的通流面积在工况变动时不变。缺点是部分负荷下节流损失使效率下降较多，经济性较差。应用受限。只用于辅助性小功率汽轮机以及承担基本负荷的大型凝汽式汽轮机。,（3）滑压调节在保持锅炉出口蒸汽温度为设计值而改变其压力的条件下，使蒸汽经过全开或开度不变的调节阀后进入没有调节级的汽轮机。汽轮机的负荷将随锅炉出口压力的升降而增减，以适应外界负荷变化的需要。相对于滑压调节，其余调节方式统称为定压调节。复合滑压调节（喷嘴滑压调节方式），高负荷区采用定压喷嘴调节，较低负荷区采用滑压调节。此法是目前大容量调峰机组最常用的方式。,5-2泵与风机,一、概述,1、泵与风机的分类,（1）叶片式利用旋转叶轮产生离心力或升力来输送液体并提高其压力的一种机械。按其获得能量方式，又可分为离心式、轴流式和旋涡式。（2）容积式按其结构与机理可分为活塞式和回转式。活塞式是利用活塞在缸体内做往复运动，使缸内容积变化，从而吸入或排出流体，并能提高其能量。回转式是利用一对或几个特殊形状的回转体（如齿轮、螺杆、刮板等）在壳内作旋转运动而完成流体的输送，并能提高其压力。（3）喷射式利用工作流体的能量使被输送的流体增加能量，达到输送流体的目的。,2、泵与风机的主要参数,性能用其特性参数表示，包括额定工况下的流量、扬程或风压、转速、功率和效率。,（1）流量,体积流量：泵或风机在单位时间内所输送的流体体积，m3/h或m3/s；,质量流量：泵或风机单位时间内所输送的流体质量，t/h、t/s或kg/s。,体积流量与质量流量之间的关系为,（2）扬程（风压）,流体在泵或风机内所增加的能量，即单位质量的流体经过泵所获得的能量增加值除以重力加速度（或单位体积的流体经过风机所获得的能量增加值），称为泵的扬程H（m）（或风机的风压p（Pa）。,（3）转速泵或风机的转速n（r/min）,（4）功率与效率,原动机传给泵与风机的功率称为轴功率PB（kW），单位时间内流体经过泵与风机所获得的能量称为有效功率Pe（kW），即,泵,风机,有效功率与轴功率之比称为泵与风机的效率，即,二、泵,1、离心泵的工作原理,2、离心泵的特性曲线,泵的特性曲线是指在一定转速下，泵的扬程与流量、效率与流量、功率与流量等三条关系曲线。对水泵还有一条汽蚀余量与流量曲线。,三、风机,1、离心风机,离心风机的工作原理与离心泵相似，气体在叶轮中的运动速度和能量可参考离心泵。单位体积气体通过风机后所获得的能量就是风机的出口全风压。（1）风机的能量损失风机在工作中会发生液体的摩擦、撞击和泄漏，风机本身的传动部分也有摩擦损失。风机的能量损失可分为机械损失、容积损失和流动损失三部分。（2）风机的实际性能曲线离心风机的风压、功率和效率对应于风量的变化规律，可用曲线来表示，而形成风机的性能曲线，主要有全风压与风量之间的关系曲线、轴功率与风量之间的关系曲线、总效率与风量之间的关系曲线、静压与风量之间的关系曲线、静压效率与风量之间的关系曲线。,2、轴流风机,由进口集流器、叶轮、导叶和扩压筒组成。进口集流器和扩压管组成了轴流风机的外壳。当叶轮旋转时，气流从进口集流器进入，通过叶轮使气体获得能量，然后进入导叶，导叶把气体旋转部分的动能转化为静压，气体最后通过扩压筒将一部分轴向流动动能也转化为静压，从扩压筒流入管路。轴流风机是一种大流量、低风压的风机。,性能曲线特点：1、风压性能曲线H-qv的右侧很陡，而左侧呈马鞍形，c点左侧称为不稳定工况区；2、当风量减小时，功率P反而增大；在qv=0时，功率达到最大值；3、最高效率点的位置相当接近不稳定工况区的起始点。,3、罗茨风机,罗茨风机属于容积风机，它依靠壳内两个外形为渐开线的“8”字形转子所产生的工作室容积变化来输送气体的。两个转子将机壳分为A、B、C三室，随着转子的转动，与进风管相通的A室扩大而吸入气体，同时上边的转子将B室逐渐缩小而将压缩的气体由右侧的排气口排出，同样，C室中的气体也被下边的转子所驱赶由排气口排出。可见，上下两个转子等速反向旋转一周，风机有4个吸气和排气过程。两个转子以及转子与机壳间均应保持一定间隙，以免相对运动中发生摩擦，同时，为减少泄漏量，间隙要尽量小一些。,罗茨风机的最大特点是随着管路阻力的变化，风压能升高或降低，而流量基本保持不变，因此适用于要求风量稳定的场合。,四、泵与风机的运行,1、管路特性曲线,指管路中通过的流量与所需要消耗的能头之间的关系曲线。泵与风机的管路特性曲线方程为,泵与风机在运行状态下的总能头（m）；,泵与风机运动状态下的静能头（m）；,管路中的综合阻力系数（