能源與動力裝置基礎__第4章-渦輪機(3)

1、第四章第四章 渦輪機渦輪機 渦渦 輪輪 機機 透透 平平 機機 汽輪機汽輪機 透平膨脹機透平膨脹機 燃氣輪機燃氣輪機 水輪機水輪機 火電廠的原動機火電廠的原動機 驅(qū)動工作機驅(qū)動工作機 火電廠的原動機火電廠的原動機 船舶、飛機發(fā)動機船舶、飛機發(fā)動機 能量回收能量回收 制冷低溫領(lǐng)域制冷低溫領(lǐng)域 水電廠的原動機水電廠的原動機 渦輪機構(gòu)成圖示渦輪機構(gòu)成圖示 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 火電廠（汽輪機）火電廠（汽輪機） 1 1、能量轉(zhuǎn)換過程、能量轉(zhuǎn)換過程 燃料化學能 蒸汽熱能 機械能 電能 2 2、三大主機、三大主機 鍋輪爐：將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝臒崮?汽輪機：將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機械能 發(fā)電機：

2、將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)化為電能 3 3、汽輪機的分類、汽輪機的分類 v按汽輪機功能（熱力特性）分類（即汽輪機型式）按汽輪機功能（熱力特性）分類（即汽輪機型式） 凝汽式、供熱式 v按蒸汽參數(shù)分類按蒸汽參數(shù)分類 中壓汽輪機：1.96 3.92 Mpa； 高壓汽輪機：5.88 9.81 Mpa； 超高壓汽輪機：為11.77 13.93 Mpa； 臨界壓力汽輪機：15.69 17.65 Mpa； 超臨界壓力汽輪機：大于22.15 Mpa； 超超臨界壓力汽輪機：大于32 Mpa 一、汽輪機級的工作原理一、汽輪機級的工作原理 1 1、級的組成、級的組成 靜葉柵 動葉柵 2 2、級的工作原理、級的工作原理 3、級的

3、通流部分熱力過程曲線、級的通流部分熱力過程曲線 0* 0 1 s h 2 p2 p1 p0* p0 ht* hn* hb hb 4 4、級的反動度、級的反動度 b * b * b m hh h h h nt 5、蒸汽對動葉片產(chǎn)生的作用力、蒸汽對動葉片產(chǎn)生的作用力 沖動力、反動力 沖動級、反動級 6、沖動級和反動級、沖動級和反動級 純沖動級純沖動級 m m=0 =0 沖動級沖動級 帶反動度的沖動級帶反動度的沖動級 m m =0.050.20 =0.050.20 復速級復速級 反動級反動級 m=0.5 第二節(jié)第二節(jié) 級內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過程及效率級內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過程及效率 v假設假設 蒸汽在葉柵通道的流動是穩(wěn)

4、定的 蒸汽在葉柵通道的流動是一元流動 蒸汽在葉柵通道的流動是絕熱流動 v主要內(nèi)容主要內(nèi)容 蒸汽在靜葉柵通道中的膨脹過程 蒸汽在動葉柵中的流動與能量轉(zhuǎn)換過程 級的輪周效率和速度比 級內(nèi)其他損失和級效率 一、蒸汽在靜葉柵通道中的膨脹過程一、蒸汽在靜葉柵通道中的膨脹過程 v過程特點過程特點 噴嘴固定不動噴嘴固定不動 蒸汽不對外作功蒸汽不對外作功 與外界無熱交換與外界無熱交換 v能量方程式能量方程式 h1 0* 0 2 s h p1 p0* p0 hn* hn hC0 h0* h1t 1 h0 )( 1 )( 2 1 110010 2 2 2 1 vpvp k k hhcc )( 1 )( 2 1 1

5、10010 2 2 2 1 vpvp k k hhcc 1 1、噴嘴出口汽流速度計算、噴嘴出口汽流速度計算 噴嘴出口的汽流理想速度 噴嘴出口的汽流實際速度 2 0101 )(2chhc tt 0* 0 2 p1 p0* p0 h1 hn* hn hC0 h0* h1t 1 h0 t cc 11 * 1 2 nt hc 噴嘴損失 *222 1 2 1 2 1 )1 ()1 ( 2 1 )( 2 1 nttn hccch 2、噴嘴中汽流的臨界狀態(tài)、噴嘴中汽流的臨界狀態(tài) 臨界狀態(tài)：汽流速度等于當?shù)匾羲贂r的流動狀態(tài)臨界狀態(tài)：汽流速度等于當?shù)匾羲贂r的流動狀態(tài) v p ka 能量方程式 理想氣體 音速公式

6、 )( 1 )( 2 1 110010 2 2 2 1 vpvp k k hhcc 常數(shù) k p 121 2* 0 22 k ac k a 臨界速度臨界速度 臨界壓力臨界壓力 臨界壓力比臨界壓力比: :臨界壓力與初壓之比臨界壓力與初壓之比 crcrcr vkpvp k k a k c * 0 * 0 * 0 1 2 1 2 cr cr v v p k p * 0 * 0 1 2 1 * 0 1 2 k k cr k pp 1 * 0 1 2 k k cr cr kp p 3、噴嘴截面積的變化規(guī)律、噴嘴截面積的變化規(guī)律 噴嘴截面積與汽流速度c和馬赫數(shù)Ma 有關(guān)： dx dc c Ma dx dA

7、 A 1 ) 1( 1 2 汽流能夠在噴嘴中加速的條件： （1）Ma 1：漸擴噴嘴 （3）Ma =1：縮放噴嘴 4、噴嘴流量計算、噴嘴流量計算 噴嘴理想流量 t t nmth v c Aq 1 1 kg/s 噴嘴流量曲線噴嘴流量曲線 )( 1 2 12 * 0 * 0 k k n k nnmth v p k k Aq * 01 / pp n 噴嘴前后壓力比 噴嘴實際流量噴嘴實際流量 mnm t t tt nnm qq v v v v v c A v c Aq 1 1 1 1 1 1 1 1 噴嘴流量系數(shù)噴嘴流量系數(shù): 1 1 v v t n qmth qmcr n= cr n=1 n A C

8、B * 0 * 0 * 0 * 0 1 1 1 2 v p A v p k kAq n k k nmcr 臨界流量 5、蒸汽在噴嘴斜切部分的流動、蒸汽在噴嘴斜切部分的流動 A B D E C F A B C DE 1 1 p0 p1 (1)p1=p1b, p1pcr 斜切部分：導向斜切部分：導向 (2)p1pcr 斜切部分：膨脹加速，汽流發(fā)生偏轉(zhuǎn)斜切部分：膨脹加速，汽流發(fā)生偏轉(zhuǎn) 二、蒸汽在動葉柵中的流動與能量轉(zhuǎn)換過程二、蒸汽在動葉柵中的流動與能量轉(zhuǎn)換過程 1 、動葉進出口速度三角形、動葉進出口速度三角形 11 22 11 cos2ucucw進口進口 uc c w c 11 11 1 11 1

9、cos sin arctan sin arcsin 進汽角進汽角 1 *2 *2 1 c2 u u c1 w1 w2 2 2 60 2 rn u 22 22 22 cos2uwuwc 出口絕對速度：出口絕對速度： uw w * 22 * 22* 2 cos sin arctan 出口方向角：出口方向角： 1 *2 *2 1 c2 u u c1 w1 w2 2 2 2、動葉柵出口汽流相對理想速度、動葉柵出口汽流相對理想速度 v 2 1212 )( 2whhw tt p2 1* 1 2 s h p1* p1 hb* hb h1* h2t 2 h1 2 2 1 w *2 1 * 2 22 btmt

10、hwhw 3 3、動葉出口相對實際速度、動葉出口相對實際速度 * 22 2 bt hww 動葉速度系數(shù)動葉速度系數(shù)： 經(jīng)驗系數(shù)，經(jīng)驗系數(shù)，0.75-0.9 4 4、動葉損失、動葉損失 *22 2 2 2 )1 ()( 2 1 btb hwwh 動葉柵的能量損失系數(shù)動葉柵的能量損失系數(shù) 2 * 1 b b h h b 余速利用系數(shù)余速利用系數(shù) ( ( = 01) 5 5、余速損失、余速損失 2 22 2 1 ch c 6 6、輪周功和輪周功率、輪周功和輪周功率 輪周功輪周功: 蒸汽通過級在動葉片上所作的有效機械蒸汽通過級在動葉片上所作的有效機械 功功, ,w wu u 輪周功率輪周功率:單位時間

11、內(nèi)作出的輪周功,Pu 1kg蒸汽的輪周功：蒸汽的輪周功： )coscos( 2211 ccuw u )coscos( 2211 wwuw u 7 7、級的熱力過程曲線、級的熱力過程曲線 級的輪周有效焓降級的輪周有效焓降 0* 0 1 s h 2 p2 p1 p0* p0 ht hb hb hc2 hn hu 三、級的輪周效率和速度比三、級的輪周效率和速度比 1、級的輪周效率、級的輪周效率 )5 . 0()5 . 0( 2 11 2 00 0 chcE t 21 * ct hh 級的理想能量E0 級的理想速度ca bnta hhhc *2 2 1 00 E h E W uu u 理想能量 輪周功

12、 定義 輪周功Wu )coscos( 2211 ccuWu 2 * cbntu hhhhW 或 提高u的關(guān)鍵: 減少余速損失，即減小c2 1 c2 u c1 w1=w2 2 u c2 1 u c1 w1=w2 2 u c2 1 u c1 w1=w2 2 u 2、級的、級的速度比速度比 定義定義 11 / cux a cux/ 1 或 不同級的最佳速度比不同級的最佳速度比: : 純沖動級純沖動級 復速級復速級 反動級反動級 11 cos)( op x 11 cos25. 0)( op x 11 cos5 . 0)( op x 最佳速度比最佳速度比: 使使c2達到軸向排汽的速度比達到軸向排汽的速度

13、比, op x )( 1 四、級內(nèi)其它損失和效率四、級內(nèi)其它損失和效率 1、級內(nèi)損失級內(nèi)損失 （1）葉高損失（端部損失）葉高損失（端部損失） 定義定義 噴嘴和動葉中噴嘴和動葉中與葉高有關(guān)與葉高有關(guān)的損失的損失 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 由汽道上下端面附面層內(nèi)的摩擦損由汽道上下端面附面層內(nèi)的摩擦損 失和端部的二次流渦流所引起。失和端部的二次流渦流所引起。 （2）扇形損失）扇形損失 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因： 設計時以平均直徑處參數(shù)為依據(jù)，而設計時以平均直徑處參數(shù)為依據(jù)，而 各種參各種參 數(shù)沿葉高是變化的。數(shù)沿葉高是變化的。 （3）葉輪摩擦損失）葉輪摩擦損失 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因： 摩擦；摩擦； 葉輪兩側(cè)汽室中的

14、渦流運動。葉輪兩側(cè)汽室中的渦流運動。 （4）部分進汽損失）部分進汽損失 鼓風鼓風損失：無噴嘴弧段（摩擦引起）損失：無噴嘴弧段（摩擦引起） 斥汽斥汽損失：有噴嘴弧段（高速汽流排斥并加損失：有噴嘴弧段（高速汽流排斥并加 速停滯蒸汽引起）速停滯蒸汽引起） 減少部分進汽度 （5）漏汽損失）漏汽損失 隔板漏汽損失：隔板漏汽損失： 隔板間隙隔板間隙 葉頂漏汽損失：葉頂漏汽損失： 葉頂間隙葉頂間隙 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因： 壓力差和間隙存在。壓力差和間隙存在。 （6）濕汽損失）濕汽損失 部分蒸汽凝結(jié)成水滴，減少作功蒸汽量部分蒸汽凝結(jié)成水滴，減少作功蒸汽量 水滴不作功，被高速汽流夾帶前進，消耗輪周功水滴不作功，被

15、高速汽流夾帶前進，消耗輪周功 水滴前進速度低于蒸汽速度，擊打動葉及噴嘴背弧水滴前進速度低于蒸汽速度，擊打動葉及噴嘴背弧 去濕措施 齒形軸封 2、級的相對內(nèi)效率和內(nèi)功率、級的相對內(nèi)效率和內(nèi)功率 1 * 00 hh EE h t i i 實際熱力過程曲線實際熱力過程曲線 相對內(nèi)效率相對內(nèi)效率 內(nèi)功率內(nèi)功率 im im i hq hD P 3600 0* 0 1 s h 2 p2 p1 p0* p0 ht* hn hb hb hb h hc2 hn hi 級的有效焓降 1、根據(jù)級的熱力過程曲線圖（下圖），回答以下問題： (1)圖中的0，1，2點分別對應汽輪機中的哪個部位？ (2)與理想流動過程相比，

16、實際流動過程0-3存在哪些損失？ 為什么3點焓值比2點的高？ (3)若0點的焓值h0=3132kJ/kg，蒸汽初速度c0=70m/s，蒸汽 等熵過程膨脹時噴嘴出口焓值h1t=3071.7 kJ/kg，噴嘴速度系 數(shù)=0.95，動葉出口汽流絕對速度c2=124m/s，求滯止點的 焓值，噴嘴出口的汽流實際速度，噴嘴損失和余速損失。 0* 0 1 s h 2 p2 p1 p0* p0 ht* hn h1t hb hb h hc2 hn hi 級的有效焓降 3 h0 1、0點為汽輪機中的噴嘴入口；1點為噴嘴 出口（動葉進口）；2點為動葉出口。 存在噴嘴損失，動葉損失，余速損失，葉 高損失，扇形損失，葉

17、輪摩擦損失，部分 進汽損失，漏汽損失和濕氣損失。由于級 內(nèi)存在各種損失，損失又轉(zhuǎn)化為熱能，反 過來加熱蒸汽本身，從而使動葉出口焓值 升高。 滯止點焓值：kgkJchh/45.3134 1000 705 . 0 31325 . 0 2 2 000 噴嘴出口氣流的實際速度： 12550095. 0 701000)7 .30713132(295. 0 )(2 2 2 01011 chhcc tt =336.5 m/s 2/5 .125)95. 01 ( 2 )1 ()1 ( 2 2 1 22 t nn c hh 噴嘴損失： =6.12 kJ/kg 10002 124 2 22 2 2 c h c =

18、7.69 kJ/kg 余速損失： 五、長葉片級五、長葉片級 等截面直葉片：等截面直葉片： 一元流動模型 長葉片（型線沿葉高變化的變截面葉片）長葉片（型線沿葉高變化的變截面葉片） 徑向平衡法徑向平衡法 全三維設計全三維設計彎扭葉片彎扭葉片 長葉片不能按等截面直葉片進行設計長葉片不能按等截面直葉片進行設計 v圓周速度相差很大造成的損失圓周速度相差很大造成的損失 v節(jié)距沿葉高變化很大造成的損失節(jié)距沿葉高變化很大造成的損失 v徑向流動造成損失徑向流動造成損失 長葉片1（末級葉片實例） 第三節(jié)第三節(jié) 多級汽輪機多級汽輪機 一、多級汽輪機的特點一、多級汽輪機的特點 內(nèi)效率高內(nèi)效率高 每一級都能在最佳速度比

19、附近工作每一級都能在最佳速度比附近工作 單機功率大單機功率大 可做成多排汽口，實現(xiàn)提高新蒸汽的參數(shù)，增加機組可做成多排汽口，實現(xiàn)提高新蒸汽的參數(shù)，增加機組 總進汽量?？傔M汽量。 現(xiàn)代多級汽輪機 二、多級汽輪機的工作過程二、多級汽輪機的工作過程 三、多級汽輪機的損失三、多級汽輪機的損失 1、前后端軸封的漏汽損失、前后端軸封的漏汽損失 v前后端軸封的采用： 減少漏汽損失 齒形軸封結(jié)構(gòu) 齒形軸封工作原理齒形軸封工作原理 減少漏汽量的措施： 減少齒隙面積A 減少汽流速度C 增大比容 2 2、汽輪機進、排汽機構(gòu)的壓力損失、汽輪機進、排汽機構(gòu)的壓力損失 進汽機構(gòu)中的節(jié)流損失 進汽機構(gòu)中節(jié)流所引起的壓損 0

20、 000 )05. 003. 0(pppp 排汽機構(gòu)中的壓力損失排汽機構(gòu)中的壓力損失 c ex ccc p C ppp) 100 ( 3 3、機械損失、機械損失 v定義： 克服支持軸承、推力軸承的摩擦，帶動主油泵 和調(diào)速系統(tǒng)工作，消耗的功率 v機械效率： v i m i mi i eff m P P P PP P P 1 機械損失 m P 四、汽輪機裝置的效率和功率四、汽輪機裝置的效率和功率 1、汽輪機的內(nèi)效率、汽輪機的內(nèi)效率 tiir hh/ 2、汽輪機內(nèi)功率、汽輪機內(nèi)功率 irtmim i i hqhq hD P .00 0 3600 無回熱：無回熱： j n j jm n j jj i

21、hq hD P 11 3600 有回熱：有回熱： 3、汽輪機的軸端功率、汽輪機的軸端功率 mitmmieff hqPP 第五節(jié)第五節(jié) 燃氣輪機燃氣輪機 一、燃氣輪機簡述一、燃氣輪機簡述 構(gòu)成：構(gòu)成： 、 輔助系統(tǒng) 1 1、航空燃氣輪機、航空燃氣輪機 動力輸出方式：尾噴管輸出方式動力輸出方式：尾噴管輸出方式 v（1）渦輪噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機 v（2）渦輪風扇發(fā)動機）渦輪風扇發(fā)動機 v（3）渦輪螺旋槳發(fā)動機）渦輪螺旋槳發(fā)動機 渦輪沖壓發(fā)動機 2 2、地面燃氣輪機、地面燃氣輪機 v動力輸出方式：動力輸出方式： 渦輪軸功率輸出方式 v分類：分類： 單軸、雙軸 v用途：用途： v 發(fā)電、船舶、機車、

22、汽車、坦克; v 石油、天然氣加壓站的動力機械 v 直升飛機 3 3、燃氣輪機的特點、燃氣輪機的特點 與內(nèi)燃機相比：與內(nèi)燃機相比： 優(yōu)點： 單機功率較大 重量輕、體積小； 啟動快； 排氣污染??； 缺點： 油耗高 制造成本高 與汽輪機相比：與汽輪機相比： 優(yōu)點：優(yōu)點： 裝置簡單、緊楱、重裝置簡單、緊楱、重 量輕、體積?。涣枯p、體積?。?啟動快，帶負荷快；啟動快，帶負荷快； 不需大量冷卻水不需大量冷卻水 缺點：缺點： 單機功率較小單機功率較小 效率較低效率較低 運行壽命短。運行壽命短。 二、簡單燃氣輪機裝置和熱力循環(huán)二、簡單燃氣輪機裝置和熱力循環(huán) v等壓循環(huán)等壓循環(huán) v布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán) 1 2

23、 3 4 2 3 4 理想：1-2-3-4-1 實際：1-2-3-4-1 v整個理想循環(huán)單位質(zhì)量工質(zhì)所作的功整個理想循環(huán)單位質(zhì)量工質(zhì)所作的功 等熵膨脹功與等熵壓縮功之等熵膨脹功與等熵壓縮功之差 v簡單燃氣機循環(huán)熱效率簡單燃氣機循環(huán)熱效率 ) 1 1 ( 1 3 2 k k s s q w =p2 /p1 增壓比 K等熵指數(shù) 1 1） s s隨著隨著。 2 2）效率與）效率與 = =T T3 3/T/T2 2。 三、提高燃氣輪機的效率和比功三、提高燃氣輪機的效率和比功 v 提高渦輪進口的溫度； v 增加增壓比； v 設計高效率的通流部件 ； v 航空噴氣發(fā)動機：減小噴氣速度與飛行速度之差； v采用余熱利用； v空氣冷卻減少壓縮功的方法來提高熱效率。 復雜循環(huán)裝置的燃氣輪機：復雜循環(huán)裝置的燃氣輪機： 回熱循環(huán)燃氣輪機回熱循環(huán)燃氣輪機 、中冷循環(huán)燃氣輪機、中冷循環(huán)燃氣輪機 再熱循環(huán)燃氣輪機、燃氣再熱循環(huán)燃氣輪機、燃氣蒸氣聯(lián)合循環(huán)蒸氣聯(lián)合循環(huán)