吉林大學(xué)熱能與動力工程渦輪機及噴氣發(fā)動機

第三章渦輪機及噴氣發(fā)動機§3-1概述渦輪機：蒸汽輪機、燃氣輪機、水輪機等旋轉(zhuǎn)式葉片機械；噴氣式發(fā)動機：燃氣輪機作為飛機的動力1．特點連續(xù)工作的旋轉(zhuǎn)式機械；工質(zhì)的熱能首先轉(zhuǎn)換為其動能，然后在轉(zhuǎn)換為機械能。

內(nèi)燃機：直接Q→W；

當前第1頁\共有111頁\編于星期日\20點

所以，1）功率大：連續(xù)回轉(zhuǎn)，大大提高進入的工質(zhì)量；

2）高速性：葉片的旋轉(zhuǎn)速度與單位時間進入的工質(zhì)量有關(guān)，所以，葉片速度與工質(zhì)的流動速度呈正比；

3）經(jīng)濟性高：熱力循環(huán)的熱效率與循環(huán)初始參數(shù)有關(guān)，一般蒸汽機初壓為：160~245bar；初溫：560~570℃。故用途廣當前第2頁\共有111頁\編于星期日\20點2．用途

1）蒸汽輪機：工質(zhì)為蒸汽，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機械能；用途：（1）中心電站、熱電站、核電站的主要動力機（2）給鼓風(fēng)機、水泵、壓縮機提供驅(qū)動動力（3）化工、冶金、輕工等生產(chǎn)領(lǐng)域，作為動力源而廣泛應(yīng)用；（4）蒸汽輪機的排汽，用于生產(chǎn)或生活的供熱取暖當前第3頁\共有111頁\編于星期日\20點2）燃氣輪機：工質(zhì)為燃氣，將燃氣的熱能轉(zhuǎn)換為機械能。用途：（1）地面機械——發(fā)電、船舶、機車等的動力源（2）航空用飛機的動力（3）渦輪噴氣式發(fā)動機——用于高速飛機。因其噴射速度大。當前第4頁\共有111頁\編于星期日\20點3．燃氣輪機與蒸汽機的比較缺點：單機容量小；效率低；優(yōu)點：設(shè)備簡單、輕便；用水量少；便于自動控制、起動快4．發(fā)展規(guī)模美國：1950年，每臺蒸汽機平均容量為4MW；

1962年，為13.5MW；

1972年，為

52MW。當前第5頁\共有111頁\編于星期日\20點前蘇聯(lián)：1960初，僅有5臺16MW的蒸汽機；

1970年底，15MW以上的蒸汽機，達

235臺，其中，30MW的機組69臺。我國：1955年制造第一臺蒸汽機，6000千瓦，到70年代末，已生產(chǎn)1.2萬千瓦、2.5萬千瓦、5MW、10MW、20MW的蒸汽機。目前運行中的最大機組容量為1300MW。當前第6頁\共有111頁\編于星期日\20點發(fā)展機組容量的原因：1）

減小電站單位容量的造價；相對20MW機組電站單位造價，50MW機組電站的單位造價可降低15%；100MW的電站單位造價可降低25%；2）

提高機組的效率減小新建電站數(shù)目，加快電站建設(shè)速度。當前第7頁\共有111頁\編于星期日\20點二、構(gòu)造與分類1．蒸汽輪機簡稱汽輪機，工質(zhì)為水蒸氣，旋轉(zhuǎn)式葉片機械；1）

結(jié)構(gòu)特點由靜子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成；靜子：包括汽缸、隔板3、靜葉柵1、進排汽部分、端汽封以及軸承、軸承座等；轉(zhuǎn)子：主軸5、葉輪4、動葉片2、聯(lián)軸器等。當前第8頁\共有111頁\編于星期日\20點汽輪機的級：一列靜葉柵和一列動葉柵構(gòu)成汽輪機的級。單級汽輪機：指只有一個級的汽輪機；多級汽輪機：有若干級的汽輪機由一列靜葉柵和一列動葉柵組成基本的工作單元；靜葉柵：由若干噴管組成，各噴管流通截面變化；動葉柵：與葉輪安裝為一體的葉片組。

當前第9頁\共有111頁\編于星期日\20點

當前第10頁\共有111頁\編于星期日\20點2）

基本工作原理產(chǎn)生過熱蒸汽：鍋爐送往噴管，噴管截面變化，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芨咚賴姵觯簧淙雱尤~柵葉片的通道，推動葉輪旋轉(zhuǎn)，對外作功。能量轉(zhuǎn)換：熱能→工質(zhì)的動能→葉輪的機械能鍋爐一定p,T過熱蒸汽當前第11頁\共有111頁\編于星期日\20點分類的方法4種：按工作原理：沖動式——蒸汽僅在噴嘴中膨脹；反動式——蒸汽在噴嘴和動葉柵中膨脹按熱力特性：凝氣式——排汽在真空狀態(tài)下進入冷凝器結(jié)成水；背壓式——排汽壓力大于大氣壓，排汽供熱使用抽汽式——調(diào)整抽汽供熱用；抽汽背壓式—具有調(diào)整抽汽的背壓式；乏汽式——用其他設(shè)備的副產(chǎn)蒸汽作為工質(zhì)；3） 分類當前第12頁\共有111頁\編于星期日\20點按氣流方向：軸流式——蒸汽軸向流動；徑流式——蒸汽徑向流動；周流式——蒸汽周向流動；當前第13頁\共有111頁\編于星期日\20點按用途：電站用工業(yè)用動力源船用2．燃氣輪機1） 結(jié)構(gòu)特點主要由進氣道、壓氣機、燃燒室以及燃氣渦輪等組成。燃氣渦輪：壓氣機+燃燒室+燃氣渦輪=燃氣發(fā)生器當前第14頁\共有111頁\編于星期日\20點當前第15頁\共有111頁\編于星期日\20點2）工作原理工質(zhì)來源：燃氣內(nèi)部的燃燒產(chǎn)物空氣連續(xù)不斷地吸入壓氣機，在壓氣機中被壓縮增壓后，進入燃燒室中與噴入的油混合燃燒成高溫高壓燃氣，再進入透平中膨脹作功。膨脹功=壓氣機壓縮所消耗的功+對外輸出功（作為動力）當前第16頁\共有111頁\編于星期日\20點3） 分類按用途分兩大類：作為地面機械用動力的——地面燃氣輪機；主要產(chǎn)生軸功——圖3-3b)飛機用動力的——航空燃氣輪機；主要產(chǎn)生推力和拉力——圖3-3a)。

當前第17頁\共有111頁\編于星期日\20點地面燃氣輪機：要求提供軸功率，所以需要動力透平;

單軸式—動力透平和燃氣透平固定在同一根軸上；分軸式——動力透平具有單獨的旋轉(zhuǎn)軸：優(yōu)點：燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子和動力透平可有不同轉(zhuǎn)速，使各部分具有較高的工作效率和較寬的運行范圍。當前第18頁\共有111頁\編于星期日\20點航空燃氣輪機分類：根據(jù)用燃氣發(fā)生器的可用功產(chǎn)生推力的方法不同分為：渦輪噴氣發(fā)動機；渦輪風(fēng)扇發(fā)動機；渦輪螺旋槳發(fā)動機；渦輪軸發(fā)動機（直升飛機）航空燃氣輪機的共同要求：重量輕；用油少；工作可靠。當前第19頁\共有111頁\編于星期日\20點第二節(jié)熱力渦輪機級的基本理論熱力渦輪機=汽輪機+燃氣輪機一、透平級的概念1．級的定義：一列靜葉和一列動葉組成的最基本的工作單元，稱為透平級。是透平機械能量轉(zhuǎn)換的單元。2．級內(nèi)能量轉(zhuǎn)換原理：噴嘴：工質(zhì)在噴嘴中膨脹→使其溫度、壓力下降→速度增加→將熱能轉(zhuǎn)換為動能，獲得高速汽流；當前第20頁\共有111頁\編于星期日\20點動葉：噴嘴出口以很高的汽流噴入動葉，

經(jīng)動葉汽道（葉片）改變流動方向，此時，流體轉(zhuǎn)向時，對動葉產(chǎn)生作用力，

其圓周分力推動葉輪旋轉(zhuǎn)，對外輸出機械功；而動葉對汽流的反作用，使汽流轉(zhuǎn)向。由此完成動能→機械能當前第21頁\共有111頁\編于星期日\20點3．反動度Ω：當汽流在動葉汽道中不膨脹加速，只改變流動方向時，汽流對汽道產(chǎn)生的作用力（離心力），稱為，沖動力；當汽流在汽道內(nèi)改變方向的同時，進行膨脹加速時，則加速的汽流流出流道時，對動葉柵產(chǎn)生與汽流流出方向相反的反作用力，此力稱為反動力。當前第22頁\共有111頁\編于星期日\20點當前第23頁\共有111頁\編于星期日\20點Ω表示動葉汽道內(nèi)的汽流膨脹程度；定義：

：動葉汽道內(nèi)膨脹時的理想焓降；：整個級的滯止理想焓降；：噴嘴中的滯止理想焓降。（對噴嘴進出口）。當前第24頁\共有111頁\編于星期日\20點4．級的分類按蒸汽在級內(nèi)膨脹程度分為沖動級和反動級。1） 沖動級a） 純沖動級：的級特點：汽流只在噴嘴中膨脹。動葉柵中不膨脹，只改變流動方向；動葉柵進出口壓力相等,p1=p2，作功能力大，效率低b）帶反動度的沖動級：，應(yīng)用廣泛。特點：蒸汽大部分在噴嘴中膨脹兼?zhèn)錄_動級作功能力大和反動級效率高的特點。當前第25頁\共有111頁\編于星期日\20點c）復(fù)速級：由一列靜葉柵，兩列動葉柵，一列固定導(dǎo)向葉柵組成。導(dǎo)向葉柵在兩列動葉柵之間，將前一列動葉柵出口的汽流方向改變?yōu)榈诙袆尤~柵的進汽方向，使工質(zhì)繼續(xù)作功；以充分利用工質(zhì)的能量。為提高復(fù)速級的效率，可采用一定的反動度。當前第26頁\共有111頁\編于星期日\20點2）反動級：的級。特點：蒸汽的膨脹一半在噴嘴葉柵中進行。另一半在動葉柵中進行；，；效率比沖動級高，但作功能力較小。當前第27頁\共有111頁\編于星期日\20點二、級內(nèi)的工作過程（一） 基本方程汽輪機級的熱力計算，可用可壓縮流體一維流動方程。即1．狀態(tài)方程：當蒸汽處于過熱狀態(tài)，遠離飽和線時，

對過熱蒸汽狀態(tài)：也可以表示為當蒸汽從過熱區(qū)膨脹過渡到濕蒸汽區(qū)時，采用水蒸氣表或h~s圖；當前第28頁\共有111頁\編于星期日\20點對等熵過程：過熱蒸汽：濕蒸汽：x：膨脹初期蒸汽干度；空氣：；燃氣：當前第29頁\共有111頁\編于星期日\20點2．連續(xù)方程穩(wěn)定流動連續(xù)方程：（穩(wěn)定工況）流量qm一定，即微分形式：

表示一維流動時密度、速度、截面積之間的變化規(guī)律。當前第30頁\共有111頁\編于星期日\20點3。能量方程

熱一定律的應(yīng)用，對穩(wěn)定流動，忽略勢能時，對蒸汽進、出口狀態(tài)，有能量轉(zhuǎn)換關(guān)系：

對靜葉柵，絕熱，不作功，所以即沿流線總焓不變。當前第31頁\共有111頁\編于星期日\20點4．運動方程

表示速度與壓力變化關(guān)系。對一維等熵流動，由能量方程和熱一定律能量：熱一律（可逆）：有由絕熱條件：，代入后，積分得當前第32頁\共有111頁\編于星期日\20點意義：已知進口截面狀態(tài)參數(shù)，及出口截面背壓，可求得出口截面汽流的理想速度。

（二）

工質(zhì)在噴嘴中的膨脹過程

1.噴嘴中的汽流速度

1）噴嘴出口處的汽流理想速度噴嘴入口處蒸汽的狀態(tài)：；噴嘴內(nèi)等熵膨脹，則噴嘴出口處汽流理想速度為，由能量方程

：噴嘴的理想焓降。用滯止焓表示時：當前第33頁\共有111頁\編于星期日\20點2）噴嘴出口的汽流實際速度一般蒸汽有粘性，所以實際速度，即流動中有損失。損失程度常用速度系數(shù)j表示，即：速度系數(shù)j與動能損失之間的關(guān)系：

流動過程絕熱，故損失的動能熱能加熱蒸汽本身，使蒸汽出口實際比焓大于理想比焓。熵增加。當前第34頁\共有111頁\編于星期日\20點

3)影響j的因數(shù)：噴嘴高度、葉型、汽道形狀、表面粗糙度、前后壓力等。噴嘴高度影響最大，一般取l0>75mm時，當前第35頁\共有111頁\編于星期日\20點2．蒸汽在噴嘴斜切部分中的膨脹由噴嘴結(jié)構(gòu)特點和流動特點，在噴嘴出口處形成汽流斜切部分，直接影響出口速度及方向；即影響汽流進入動葉特性。偏角當前第36頁\共有111頁\編于星期日\20點當出口截面上的壓力比≥臨界壓比時：噴嘴喉部斷面AB上的流速≤聲速；此時出口斷面無膨脹波，噴嘴出汽角α1為：

當噴嘴出口斷面上的壓力比<臨界壓比時：噴嘴喉部斷面上流速=臨界速度；壓力=臨界壓力pcr

；此時汽流在斜切部繼續(xù)膨脹，pcr

膨脹到出口處壓力p1;A點處壓力從pcr突然降低到p1，而產(chǎn)生汽流擾動；當前第37頁\共有111頁\編于星期日\20點斜切部形成以A點為中心的膨脹波區(qū)，通過A點射出等壓線；使斜切部壓力降低，汽流速度增加，達到超音速；當被壓p1繼續(xù)降低時，斜切部分最后一根等壓線與出口底面重合。這樣，BC段汽流壓力從pcr逐漸降低到p1；而假想的AD汽流段壓力為均勻分布（p1）；所以BC面合力>AD面合力；使汽流繞A點偏轉(zhuǎn)一個角度δ。當前第38頁\共有111頁\編于星期日\20點當已知噴嘴壓力比、蒸汽等熵指數(shù)k、噴嘴出汽角α1，則由

計算求得偏轉(zhuǎn)角δ1當前第39頁\共有111頁\編于星期日\20點（三）工質(zhì)在動葉柵中的流動和速度三角形1．速度三角形動葉柵的圓周速度：;dm:平均直徑；汽流對動葉柵的相對速度：w1進入動葉柵的汽流絕對速度：c1,則此矢量關(guān)系用圖表示，就是速度三角形:cuw當前第40頁\共有111頁\編于星期日\20點2．實際動葉柵相對速度動葉柵實際入口相對三個速度：

動葉柵進汽角：同理，由動葉柵實際出口速度三角形：出口絕對速度：

出汽角：葉柵出口角：當前第41頁\共有111頁\編于星期日\20點當前第42頁\共有111頁\編于星期日\20點3．動葉柵出口汽流理想速度動葉柵出口汽流理想速度：不考慮動葉損失時，

由于動葉柵內(nèi)部流動損失，一般，；即動葉柵速度損失系數(shù)當前第43頁\共有111頁\編于星期日\20點4．動葉柵速度系數(shù)與能量損失之間的關(guān)系

Ψ主要與葉型、反動度、表面粗糙度有關(guān)。一般取Ψ=0.85~0.95。當前第44頁\共有111頁\編于星期日\20點第三節(jié)渦輪機級的損失和效率一、蒸汽作用在動葉上的力和輪軸功蒸汽流過動葉時，汽流作用在動葉上的力，分解為動葉片上的周向力和軸向力；即：

輪軸功：單位時間汽流對動葉片所作的功，即：由沖量式：當前第45頁\共有111頁\編于星期日\20點所以，此式表明，當qm=1kg/s時，表示1kg蒸汽所產(chǎn)生的有效功，即級的作功能力：

因；所以，由速度三角形（圖3-10）當前第46頁\共有111頁\編于星期日\20點表明級的作功能力，與進/出汽角（）有關(guān);沖動級動葉片的、值均較小，故作功能力較大;而反動級動葉片的和角均沖動級大，所以其作功能力較小。由速度三角形：

即蒸汽在動葉柵中作功后，以絕對速度離開動葉。當前第47頁\共有111頁\編于星期日\20點故動能未能利用而損失，稱為級的余速損失即為了節(jié)能利用余速，采用多級汽輪，一般余速利用系數(shù)表示余速的利用程度。則，下一級利用的余速能量：設(shè)進入噴嘴的初速度c0

，噴嘴的余速利用：當前第48頁\共有111頁\編于星期日\20點級的輪周有效比焓：進入級的可用能：其中，噴嘴的損失：動葉柵的損失：級的余速損失：當前第49頁\共有111頁\編于星期日\20點二、級的輪周效率與最佳速度比

1）輪周效率：級所發(fā)出的輪周功率和工質(zhì)在級中所具有的理想能量之比；即其中，從能量損失角度：級中的能量損失：所以，用損失系數(shù)來表示。當前第50頁\共有111頁\編于星期日\20點損失系數(shù)：取決于速度系數(shù)；而：取決于葉型結(jié)構(gòu)，一定葉型為常數(shù)；：取決于c2

。所以，提高級輪周效率的途徑：降低c2

。對一定的動葉入口速度c1，通過輪周速度u，來調(diào)整c2；當出汽角時，c2最小，最小。uuc1c2w1=w2a1a2<90°uuc1c2w1=w2a1a2=90°uuc1c2w1=w2a1a2>90°圖3-142）影響因數(shù)及提高效率的途徑：當前第51頁\共有111頁\編于星期日\20點3)最佳速度比：使c2最小的入口速度和圓周速度之比，即直接影響汽輪機輪周效率和作功能力的重要特性參數(shù)。4）速度比與輪周效率的關(guān)系：不同情況而不同1．純沖動級的輪周效率和最佳速度比：a）不考慮余速利用時：圖3-15當前第52頁\共有111頁\編于星期日\20點x1的變化范圍：最佳速度比：使，即即，當前第53頁\共有111頁\編于星期日\20點由于實際中，c1不易測得，所以常用代替。此時，注：c1和ca的區(qū)別當前第54頁\共有111頁\編于星期日\20點所以，對純沖動級：最佳速度比為：當時，b）考慮余速利用時：輪周效率的表達式復(fù)雜，計算結(jié)果，當時，對的沖動級，的沖動級，即提高下一級余速動能的利用程度，可提高最佳速度比。當前第55頁\共有111頁\編于星期日\20點2.反動度對最佳速度比的影響：當?shù)臎_動級，=0.48~0.52；

3．復(fù)速級采用復(fù)速級的原因：若要減少整機的級數(shù)，必須增大一級內(nèi)能利用的比焓降；但隨級的比焓降增大，在一定u下，x1減小，余速損失增大，使hu降低；所以用復(fù)速級。w2uc2w`2uc`2w`1uc`1α1α`1β1β`1α`2β`2β2α2c1uw1復(fù)速級的速度三角形圖（圖3-16）當前第56頁\共有111頁\編于星期日\20點復(fù)速級的輪周效率：

最佳速度比：4．反動級：

反動級的，設(shè)靜葉和動葉的葉型相同，則所以，最佳速度比：或

當前第57頁\共有111頁\編于星期日\20點當時，

特點：反動級輪周效率在最大速度比附近變化平坦，所以，常用于變工況機組。當前第58頁\共有111頁\編于星期日\20點三、級內(nèi)損失和級的效率1．汽輪機級內(nèi)損失汽輪機級內(nèi)損失：包括：、、之外葉高損失:扇形損失:葉輪摩擦損失:部分進氣損失:漏汽損失:濕汽損失:隨葉高的流動損失；葉片級軸向間隙中產(chǎn)生的徑向流動損失蒸汽微團間，蒸汽與葉輪間的摩擦；間隙處蒸汽旋轉(zhuǎn)速度不同產(chǎn)生旋渦鼓風(fēng)損失：軸向間隙處不工作蒸汽從葉輪的一側(cè)鼓到另一側(cè)產(chǎn)生耗功損失弧段斥汽損失：排斥并加速停滯汽道內(nèi)蒸汽的損失+漏損+吸氣損失隔板汽封間隙處，動葉頂部、根部軸向間隙處發(fā)生的漏汽損失。濕蒸汽流動造成的能量損失:濕汽過熱,摩擦，驅(qū)水滴等噴嘴和動葉端部損失當前第59頁\共有111頁\編于星期日\20點當前第60頁\共有111頁\編于星期日\20點2．汽輪機級效率當級的進汽量為D1；級的有效比焓降為?hi時，級的內(nèi)功率為：級的相對內(nèi)效率為：級的有效比焓降與級的理論比焓降之比。即：當余速被下一級部分利用時：6大損失當前第61頁\共有111頁\編于星期日\20點當余速未利用時，表明級的能量轉(zhuǎn)換的完善程度，是衡量汽輪機的重要經(jīng)濟性指標。當前第62頁\共有111頁\編于星期日\20點第四節(jié)多級渦輪機

一、多級渦輪機的熱力過程1）必要性汽輪機工作條件：初壓：23.5Mpa左右；背壓：真空度0.0034Mpa下工作；理想比焓降：達1000~1600kJ/kg；從經(jīng)濟性角度：葉片平均直徑處圓周速度：>1000m/s

汽流的馬赫數(shù)：Ma=3~3.5。要保證在最佳速度比工作時，避免單級的圓周速度超過材料的極限強度；采用多級汽輪機。當前第63頁\共有111頁\編于星期日\20點當前第64頁\共有111頁\編于星期日\20點2）

多級汽輪機蒸汽在依次連接的多級中相繼作功；十多級每一級只利用整個汽輪機比焓降中的一小部分；高壓、中壓部分的級、葉片的圓周速度：120~250m/s；低壓缸末幾級圓周速度：350~450m/s；對多數(shù)的級汽流的馬赫數(shù)：Ma<1；級速比接近最佳速度比；汽輪機的輸出功率=各級功率之和。當前第65頁\共有111頁\編于星期日\20點3）多級汽輪機熱力過程

：進汽節(jié)流過程：各級實際膨脹過程：排汽節(jié)流過程調(diào)節(jié)閥前狀態(tài)：A0（po，to）；第一級噴嘴前的狀態(tài)：（）調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失后排氣背壓——冷凝器壓力；點末級動葉排汽時排汽管壓力損失，所以，；點汽輪機總理想焓降：級內(nèi)理想焓降：有效焓降當前第66頁\共有111頁\編于星期日\20點4）多級的特點：a）單級焓降小，提高單機功率，保證在最佳速比附近工作，提高機組效率；b）噴嘴出口速度小，可減小級的平均直徑—提高葉片高度，減小葉頂端損失，或增大部分進汽度，減小部分進汽損失；c）級的焓降較小，可用漸縮噴嘴，提高噴嘴效率；d）蒸汽在汽輪機中的工作過程為絕熱過程，上一級損失轉(zhuǎn)為熱能，使進入本級時溫度升高，故增大級的理想焓降當前第67頁\共有111頁\編于星期日\20點二、重?zé)嵯禂?shù)表示多級汽輪機能量損失中，回收熱能的程度。

Q：級的能量損失中回收的熱能;—級內(nèi)的能量損失轉(zhuǎn)變成熱能，加熱工質(zhì)，提高級后蒸汽的焓值。對n級汽輪機：各級理想比焓降之和=各級等熵理想比焓降之和+各級回收熱能之和,即當前第68頁\共有111頁\編于星期日\20點

設(shè)各級的相對內(nèi)效率相等，為，則各級實際比焓降為：總的級的實際比焓降:整個汽輪機的相對內(nèi)效率：

當前第69頁\共有111頁\編于星期日\20點整機內(nèi)效率大于各級的平均內(nèi)效率；但越大，越小。因為，重?zé)嶂荒芑厥湛倱p失的一部分，不能補償損失的全部。重?zé)嵯禂?shù)的半經(jīng)驗公式：在過熱區(qū)：K=0.2；飽和區(qū)：K=0.12；部分在過熱區(qū)，部分在飽和區(qū)工作時K=0.14~0.18。Z：級數(shù)

當前第70頁\共有111頁\編于星期日\20點三、多級渦輪機的損失多級渦輪機除級內(nèi)損失以外，還有1）前后端軸封漏汽損失漏汽原因：旋轉(zhuǎn)件和固定件之間留有間隙，間隙兩端存在壓差而漏汽。漏汽不流經(jīng)主流道，不參加作功——漏汽損失防止措施：齒形軸封。密封原理——降低壓差（壓降）結(jié)構(gòu)：高低齒與軸上凸肩相錯對應(yīng)，而者之間留有徑向環(huán)形齒隙；每兩個齒間形成環(huán)形汽室。汽室內(nèi)的蒸汽流動：蒸汽通過環(huán)形齒隙時，通道面積減小，速度增大，壓力降低；當前第71頁\共有111頁\編于星期日\20點

流入齒后，汽室體積突然擴大，汽流產(chǎn)生渦流和碰撞，其動能全部轉(zhuǎn)換為熱能；使蒸汽焓值得到回復(fù)。每個齒隙只承擔軸封總壓降的一部分。當前第72頁\共有111頁\編于星期日\20點2）進氣節(jié)流損失進氣節(jié)流損失指蒸汽從初狀態(tài)引入第一級噴嘴之前，流經(jīng)主汽閥、調(diào)節(jié)閥、管道以及蒸汽室時因壓力損失造成的焓降損失。

設(shè)第一級噴嘴前壓力為，則節(jié)流引起的壓力損失為：

高低壓缸之間用連通管連接時，因摩擦而造成的壓力損失為

：連通管壓力

當前第73頁\共有111頁\編于星期日\20點3）排汽管壓力損失設(shè)冷凝器的靜壓為，汽輪末級出口后的靜壓為，排汽管壓力損失主要包括流動摩擦損失和渦流而產(chǎn)生的壓降；即：

：排汽管阻力系數(shù)（0.05~0.1），

:排汽管中的汽流速度（80~100m/s）當前第74頁\共有111頁\編于星期日\20點4）機械損失汽輪機運行時克服徑向軸承、推力軸承的摩擦阻力；帶動調(diào)速器、主油泵等所消耗的功率—機械損失；汽輪機內(nèi)功率為，則，軸端功率為：汽輪機的機械效率：當前第75頁\共有111頁\編于星期日\20點5）汽輪機裝置的效率郎肯循環(huán)：水等壓加熱變?yōu)樗魵獾倪^程d-a；（第五章）水蒸氣在汽輪機內(nèi)絕熱膨脹過程a-b；排出的水蒸氣在冷凝器內(nèi)定壓凝結(jié)為飽和水的過程b-c；水在水泵內(nèi)絕熱壓縮過程c-d等構(gòu)成循環(huán)效率：：水蒸氣初比焓，：凝結(jié)水比焓。a）汽輪發(fā)電機組的絕對電效率：相對電效率：

當前第76頁\共有111頁\編于星期日\20點汽輪機內(nèi)效率：汽輪發(fā)電機組的絕對電效率：相對電效率：汽輪機機械效率：當前第77頁\共有111頁\編于星期日\20點

其中，：發(fā)電機效率；：發(fā)電機線端功率；：流量（kg/h）：末級高壓加熱器出口的給水比焓（采用回?zé)嵯到y(tǒng)時）。b）汽耗率d：每發(fā)1kw·h電所消耗的蒸汽量；

只用于同類型機組的經(jīng)濟性比較。c）熱耗率：每發(fā)1kw·h電所消耗的熱量?？捎糜谠u價不同參數(shù)的汽輪機組的經(jīng)濟性。

當前第78頁\共有111頁\編于星期日\20點四、汽輪機的配汽方式

配汽方式=汽輪機負荷調(diào)節(jié)方式，由外界負荷變化調(diào)節(jié)輸出功。兩種基本配汽方式：噴嘴配汽和節(jié)流配汽1．噴嘴配汽方式配汽方法：設(shè)多個調(diào)節(jié)閥；第一級為部分進汽，并配置若干個噴嘴組；調(diào)節(jié)閥數(shù)目=噴嘴組數(shù)目；每個調(diào)節(jié)閥只控制一個噴嘴組的進汽；通過不同調(diào)節(jié)閥的開關(guān)控制，改變工作噴嘴數(shù)目，控制進入汽輪機的流量，實現(xiàn)負荷調(diào)節(jié)。因這種汽輪機的第一級能改變流通面積，所以稱為調(diào)節(jié)級。

當前第79頁\共有111頁\編于星期日\20點配汽方式的特點：1)各閥依次開啟（關(guān)閉），任意工況下，僅一個閥為部分開啟，其余各閥均全開（全關(guān)）只有流過部分開啟閥的小部分蒸汽受到節(jié)流，改善機組低負荷的熱經(jīng)濟性。2）全開閥門無節(jié)流，部分開閥門受到節(jié)流，所以調(diào)節(jié)級內(nèi)有兩股初參數(shù)不同的工作蒸汽，而級后壓力相同。相當于節(jié)流部分，效率降低。3）汽輪機負荷變化時，調(diào)節(jié)級前后的壓力和焓降隨之變化。第1組閥門全開時壓差最大，焓降也最大，而部分進汽最小調(diào)節(jié)級葉片應(yīng)力狀態(tài)最差；調(diào)節(jié)級后溫度變化幅度較大，且沿圓周分布不均勻，熱負荷大，所以，噴嘴配汽對負荷變化的適應(yīng)性較差4）隨功率所需蒸汽量時，隨著后一個閥門開啟，級后壓力增大，在非臨界狀態(tài)，通過全閥門的蒸汽量反而會降低。當前第80頁\共有111頁\編于星期日\20點2．節(jié)流配汽根據(jù)汽輪機負荷大小，利用調(diào)節(jié)閥直接對進入蒸汽節(jié)流，以控制進入汽輪機的蒸汽量。特點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低。無調(diào)節(jié)級，除小功率外，汽輪機第一級均設(shè)計為全周進汽，改善第一級動葉強度和第一級后溫度分布不均勻性。缺點：除最大負荷工況外，調(diào)節(jié)閥均在部分開啟狀態(tài)，所以蒸汽節(jié)流，理想焓降減少，低負荷時熱經(jīng)濟性較差。常用于大功率高參數(shù)機組。最大負荷時經(jīng)濟性與噴嘴配汽式相近。當前第81頁\共有111頁\編于星期日\20點

五、汽輪機的工況圖汽輪機工況圖：指汽輪機組的功率與汽耗量間的關(guān)系曲線。節(jié)流調(diào)節(jié)的凝汽式汽輪機的工況：汽耗特性方程：：發(fā)電機組空載汽耗，dl：汽耗率，即增加單位功率所需增加的汽耗量d

4個調(diào)節(jié)汽門系統(tǒng):a點—三個汽門全開，截流損失最小，效率最高d點—四個汽門全開—全負荷當前第82頁\共有111頁\編于星期日\20點第五節(jié)

火箭及噴氣發(fā)動機一、火箭推進概述1．火箭的運動與推進原理直接反作用裝置：如火箭等噴氣式發(fā)動機，特點：發(fā)動機和推進器合為一體，將各種形式的能量轉(zhuǎn)換成射流的動能；射流產(chǎn)生的反作用力直接作用在發(fā)動機上。

間接反作用式裝置：如螺旋槳飛機，特點：發(fā)動機和推進器分開;

發(fā)動機作為動力源，工質(zhì)為燃料燃燒的產(chǎn)物，推進器作為產(chǎn)生運動部件，工質(zhì)為空氣；推動飛機前進的反作用力作用在推進器上。當前第83頁\共有111頁\編于星期日\20點當前第84頁\共有111頁\編于星期日\20點當前第85頁\共有111頁\編于星期日\20點直接反作用噴氣式發(fā)動機：有空氣噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機1）空氣噴氣發(fā)動機：由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和噴管等組成；特點：利用周圍的空氣通過燃燒產(chǎn)生噴氣射流。圖3-27

其理想循環(huán)：進汽道和壓氣機中的定熵壓縮過程；燃燒室中的等壓加熱過程；渦輪和噴管中的定熵膨脹過程；對外等壓放熱過程。只能在大氣層中推進，在真空層中只能靠慣性飛行。

當前第86頁\共有111頁\編于星期日\20點2）火箭發(fā)動機：發(fā)動機和推進器合為一體特點：不用周圍空氣，只用自身攜帶的物質(zhì)，產(chǎn)生射流；所以，在大氣層或在大氣層外都能推進。3）火箭反作用運動和推力的產(chǎn)生原理火箭燃燒產(chǎn)物是從火箭本身噴出，故在推進過程中火箭是變質(zhì)量系統(tǒng)；設(shè)，系統(tǒng)包括噴出的質(zhì)量定質(zhì)量系統(tǒng)，

由動量定律：系統(tǒng)動量變化=沖量變化當前第87頁\共有111頁\編于星期日\20點t時刻：系統(tǒng)質(zhì)量為M，速度u；t+dt

時刻：系統(tǒng)質(zhì)量分為—火箭質(zhì)量：，速度：

—排出的質(zhì)量：速度：其中，：每秒噴出的燃燒產(chǎn)物質(zhì)量，：燃燒產(chǎn)物相對火箭的后噴速度數(shù)學(xué)模型：當前第88頁\共有111頁\編于星期日\20點由動量定律：：火箭所受外力的矢量和，包括表面靜壓力、氣動阻力、重力等將上式展開，略去二階微量，整理后得，

a）火箭運動方程：說明：相對定質(zhì)量物體運動方程相比，多了項，數(shù)值上等于從火箭噴出的燃燒產(chǎn)物的動量變化率。因為負值，其力方向與噴流方向相反，指向火箭運動方向；若把加入到中變質(zhì)量系統(tǒng)具有定質(zhì)量系統(tǒng)方程式當前第89頁\共有111頁\編于星期日\20點b）發(fā)動機推力方程：在外力中氣動阻力和重力并不推動發(fā)動機，所以發(fā)動機推力方程為：推力由兩部分組成F：發(fā)動機推力，方向指向火箭方向；Ae：噴管出口面積；pe：作用在Ae截面上燃燒產(chǎn)物的壓力；pa：火箭外殼表面上的當?shù)馗叨壬系拇髿鈮毫?。動量推力：單位時間噴出的燃燒產(chǎn)物的動量變化壓力推力：出口截面上燃燒產(chǎn)物壓力和火箭表面大氣壓差造成的靜推力當前第90頁\共有111頁\編于星期日\20點

在上式中，：是燃燒產(chǎn)物對發(fā)動機的反作用力，稱為內(nèi)推力；是燃燒產(chǎn)物作用于火箭內(nèi)表面上壓力的軸向合力；：外部介質(zhì)作用于火箭外表面上壓力的軸向合力，稱為外推力。所以推力的定義：火箭內(nèi)表面上的作用力和外表面上的作用力之軸向合力。設(shè)將靜推力換算成動推力時，等效排氣速度為：則當前第91頁\共有111頁\編于星期日\20點c）平均比沖量Is

在tn時間內(nèi)，發(fā)動機推力產(chǎn)生的總沖量I為：

平均比沖量：單位質(zhì)量推進劑產(chǎn)生的沖量。即

Mp：推進劑燒掉的總質(zhì)量

當前第92頁\共有111頁\編于星期日\20點任意瞬間的比沖：等于等效排氣速度。即是衡量火箭發(fā)動機性能的重要參數(shù)。大，表明用少量推進劑獲得大的總沖，對一定飛行距離，直接影響火箭的外形尺寸，或?qū)σ欢ɑ鸺绊懣娠w行距離。

當前第93頁\共有111頁\編于星期日\20點d）火箭飛行速度火箭的理想飛行速度：與比沖量成正比。火箭初始質(zhì)量此時=0噴出燃燒產(chǎn)物后質(zhì)量減少到M時，火箭理想飛行速度升高到。理想條件下，火箭的飛行速度與不斷噴出燃燒產(chǎn)物過程中自身質(zhì)量變化量有關(guān)。當前第94頁\共有111頁\編于星期日\20點2.化學(xué)能火箭發(fā)動機的構(gòu)造和能量轉(zhuǎn)化過程a）化學(xué)能火箭發(fā)動機的特點：能源：推進劑的化學(xué)能，推進劑的燃燒產(chǎn)物為工質(zhì)；推進劑：包括燃燒劑和氧化劑。b）分類：根據(jù)推進劑的物理形態(tài)分為

固體推進劑火箭發(fā)動機：燃燒劑和氧化劑結(jié)合在一起制成裝藥，直接置于燃燒室內(nèi)；

液體推進劑火箭發(fā)動機：全部液態(tài)推進劑，需專門的推進劑貯箱和輸送系統(tǒng);

固-液混合型火箭發(fā)動機：部分使用液態(tài)推進劑，需專門的推進劑貯箱和輸送系統(tǒng)。當前第95頁\共有111頁\編于星期日\20點固體火箭發(fā)動機液體火箭發(fā)動機固-液體混合型火箭發(fā)動機高壓氣瓶液體推進劑貯箱固體裝藥燃燒室噴注器減壓閥當前第96頁\共有111頁\編于星期日\20點c）工作原理：推進劑蘊藏大量化學(xué)能點火燃燒，部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽紵覂?nèi)燃燒產(chǎn)物的最高溫度達2000~3000K，壓力達幾~20MPa；燃燒產(chǎn)物流經(jīng)特定形狀噴管，膨脹加速，降溫降壓，更多的熱能轉(zhuǎn)化為動能；噴口截面處出口速度可達2000~2500m/s，動能最大；發(fā)動機噴出大量燃燒產(chǎn)物，自身按直接反作用原理向前推進。推力對火箭發(fā)動機作推進功，其一部分又轉(zhuǎn)變成火箭本身的動能。當前第97頁\共有111頁\編于星期日\20點二、火箭發(fā)動機的性能1．最佳推力：因當噴管總壓及喉部面積At一定，則秒流量一定。此時，噴管出口面積Ae的變化，改變噴管膨脹Ae/At比，直接影響排氣速度ue和壓力pe影響推力的變化。所以，存在最佳推力。令，，取F極值，得當前第98頁\共有111頁\編于星期日\20點在出口截面上，dt時間，動量的變化，；此時，Ae不變，pe變化為；沖量為：時，所以，；，代入上式，得F取極值的條件：又，求二階倒數(shù)：當前第99頁\共有111頁\編于星期日\20點

由，,，再對Ae求導(dǎo)，得代入上式，得在擴張管中，dpe和dAe符號相反，所以，即，在

pe=pa

處，F(xiàn)取極大值，為最佳推力,即。是在設(shè)計高度（pe=pa），獲得，低于或高于設(shè)計高度，推力均小于最佳推力。當前第100頁\共有111頁\編于星期日\20點2．總沖總沖同時考慮推力的大小和推力對火箭作用時間；火箭載荷一定時，總沖越大