能源與動力綜合

葉輪的配置方式、級的概念多級多流《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》徑流式：圓環(huán)面（平面）流線和流面《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》軸流式：圓柱面

展開成平面流線和流面《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》軸面過流面積的計算：

徑流和軸流式葉輪《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》速度矢量在圓柱坐標系中的分解c＝cr+cz+cu=cm+cucm=cr+cz

cm流量cu能量頭《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》絕對運動與相對運動速度三角形絕對速度c

牽連速度（圓周速度）u

相對速度w

cuwc=u+w《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》軸流式葉輪內的運動合成《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》靜止與運動部件中的運動軌跡軸面投影平面投影《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》泵、離心風機軸面速度的關系：

cm＝wm圓周速度的關系：

u＝cu－wu

相對流動角

絕對流動角

水輪機《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》軸流風機、壓縮機汽輪機、燃氣輪機軸流泵速度三角形的表達方法《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》進出口速度三角形1、工作機進口速度三角形作圖條件：假定已知機器尺寸、轉速和流量1）進口圓周速度2）進口軸面速度3）吸入室與進口導流器的影響cu1（或

1）《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》4）無沖擊進口工況的概念希望無Cu!!!《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》2、工作機出口速度三角形1）出口邊圓周速度2）出口處軸面速度3）出口相對流動角

2=

b2無窮葉片數(shù)假定《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》工作機出口三角形《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》3、反擊式原動機進口速度三角形u1、cm1、cu1（

1）無沖擊進口條件《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》4、反擊式原動機出口速度三角形u2，cm2，

2＝

b2

2＝f（u2，cm2，

2）若

2

＝90

法向出口《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》5、沖擊式水輪機的進、出口速度三角形

c1

w1

u1

w2

c2

u2

1）進口作圖條件：cu1，cm1，u1（對切擊式，cm1＝0）2）出口作圖條件：u2，

2＝

b2，w1＝w2（不滿流條件）《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》例2-1決定如下參數(shù)情況的機器形式，畫出各葉輪進出口速度三角形，分析其特點。軸向分速度為常數(shù)。進口氣流無旋繞，葉輪出口寬容積流量1.2.3.4.《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》歐拉方程式推導條件：無窮葉片數(shù)；定常流動；控制面單位時間流入的動量矩L1＝qmcu1r1流出的動量矩L2＝qmcu2r2

作用力矩：1）控制面外流體的作用的力矩為零2）葉輪的作用力對軸的力矩M根據(jù)動量矩定理有《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》因為M

＝

gqVHth，可得歐拉方程（重點內容！）理論揚程Hth

理論能量頭hth

理論全壓pth歐拉功歐拉方程的其他形式第二歐拉方程動能離心力引起流道面積變化《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》1、方程的意義與普遍性2、關于假設條件（定常流動、無窮葉片數(shù)）3、葉片形狀的影響4、工作機與原動機5、不同型式葉輪的應用徑流式軸流式方程表示單位質量流體與葉輪的功能轉換關系，表示功能轉換的總效果。只與葉輪進、出口參數(shù)有關，使用方便。理論能量頭與u、cu有關?！赌茉磁c動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》例2－2離心式通風機，已知：D2，b2，

2＝38°，D1，b1n＝960rpmqV=42000m3/hpj=1.013×105PaT=293K

=1.2kg/m3

cu1＝0求pth、P、p2?！赌茉磁c動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》（忽略空氣的可壓縮性）1、根據(jù)已知條件作進、出口速度三角形2、根據(jù)速度三角形計算有關速度的數(shù)值3、根據(jù)歐拉方程計算風機的全壓和功率4、根據(jù)伯努利方程計算壓力《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》葉片進口：m/sm/s《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》葉片出口：m/sm/s

2=38

m/s

《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》應用歐拉方程Pa應用伯努利方程Pa功率kW級中流體參數(shù)的變化（級工作原理概述）1、單級離心壓縮機、通風機(泵)=cp(T2-T1)+0.5(c22-c12)=

h2*-h1*=cp(T2*-T1*

)由能量方程式：W

=∫dp/ρ+0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+∑δW滯止壓力p*=p+ρc2/2

加速加減接近等速功速2、單級軸流水輪機（原動機）：活動導葉葉輪擴壓器固定導葉速度總水頭靜水頭δHhyh等速加速減速減速3、反動式汽輪機

(9級)工質的絕對速度c有9次增加后又降低的過程（進入導葉噴嘴速度增大，葉輪中速度下降），而靜焓、壓力隨流動方向逐步下降。動葉靜焓h壓力p速度C轉軸機殼靜葉三.級和機器的性能參數(shù)性能參數(shù)流量:質量qm(kg/s),容積qv(m3/s,m3/M,m3/h)

能量頭有關量:h(J/kg)，焓差，壓力(膨脹)比等經(jīng)濟性評價量:效率η等總能量:

功率P(J/s)有時還有噪聲、轉速等量關聯(lián)式：P=h

qm/η(工作機)P=h

qm*η

(原動機)1.能量頭有關量:能量頭h(J/kg)，功w(J/kg)，焓差Δh

(J/kg),揚程H（m）,壓力差Δp

(N/m2),

壓力(或膨脹)比，J/kg=Nm/kg=kg

(m/s2)m/kg=(m/s2)m;h=gHJ/kg=Nm/kg=

(N/m2)/(kg/m3);h=Δp/ρ

H=h/gΔp=ρh

輪盤摩擦損失輪盤摩擦損失內泄露損失δhrδhv◆內總能量頭

htot(hi)

=hth

±

非流道損失(如δhv+δhr

)=有效能變化±δhhyh

±

非流道損失(如δhv+δhr

)hs原動機he工作機流動損失δhhyh

外泄露損失δhvo

內泄露損失δhv

輪盤摩擦損失δhr

軸承摩擦損失δhm

原動機hehpolhthhtot用圖表示各種能量頭和損失的關系<

hth

<htot<he

he<hu<hi<huhi、◆與外界交換的總能量頭

he=htot

(hi)

±

外部損失能量頭：多變能量頭hpol、等熵能量頭hs

理論能量頭hth、輪周功hu

總能量頭htot(

hi)、he等注：用焓差表示能量頭：等熵焓降Δhs

=等熵能量頭hs

有效焓降Δ

hn=輪周功hu

總焓降Δ

ht等=總能量頭htot

(

hi)、he等流體有效理論實際交換能(機械功)=流體有效能變化±有關損失

=不同定義的能量頭;原動機取-，工作機取+《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》流體機械中能量損失的分類1、流動損失（水力損失）

H（或

h、

p）摩擦損失、沖擊損失、分離損失、二次流損失、葉端損失本質上是壓力損失2、容積損失

qV

本質上是流量損失3、機械損失 本質上是力矩(功率）損失損失分類損失內容有效能變化交換能效率總

損

失

δht內部損失

δhi

流道損失

水力損失δhhyh

原動機

hs工作機hpol

huhth輪周效率ηu流動效率ηhyh

內效率ηi多變效率ηpol

外部效率ηe

非流道損失級內露損失δhv

輪阻損失δhr

等hihtot外部損失δhe

外露損失

δhvohehe機械損失

軸承等摩擦損失δhm

2.

效率和損失的分類效率η=得到能量/消耗能量；原動機得到機械功，工作機消耗機械功《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》反作用度的定義動能：勢（靜壓）能：反作用度：簡化計算（cmp＝cms，cus＝0）《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》流體機械按反作用度的分類１、沖擊式（沖動式）流體機械（原動機）軸流式機器等壓作用《能源與動力裝置基礎——葉輪機械基本理論》2、反擊式流體機械(Ω>0)過壓作用葉片式工作機主要部件和作用一、葉輪功能：將機械功傳遞給流體結構：離心、軸流、斜流（混流）、橫流離心又分前彎、后彎、徑向；多葉；單吸、雙吸；閉式、半開式二、吸入室（集風器、進風口）——葉輪前部件擴壓器(導葉):減速、提高壓力無葉有葉彎道回流器(反導葉)：為下一級進口引導組織所要求的流場回流器一定有葉片？(一般都裝有導流葉片，使氣體均勻地沿軸向進入下一級工作輪。

)；速度變化不大蝸殼：收集沿葉輪或擴壓器圓周的流體并送到機器的出口非軸對稱；稍有加速三、壓水室與擴壓元件渦殼無葉擴壓器回流器回流器葉片擴壓器后導葉葉片式工作機的特性曲線（一）工況與變工況時機器的工作工況的概念：用一組工作參數(shù)（n、qV、hth、P、

等）和介質的物性參數(shù)（R、κ和機器進口處的參數(shù)p、T等）表示的一種工作狀況。設計工況與最優(yōu)工況進口流量變化時的速度三角形出口總結：

對于沒有可轉動的前置導葉的工作機，當給定了轉速和流量后，即可確定進、出口速度三角形，從而確定了能量頭（揚程、風壓），可見三個工況參數(shù)qV，hth和n不是獨立的，給定了其中兩個就可以確定第三個。實踐中，通常是給定流量和轉速。如果給定揚程（能量頭、風壓）求流量，理論上是可以的，但具體的計算復雜一些。（二）理論特性曲線設cu1＝0=a-bqv

直線Pth=ρ

qv

h

th

=aqv

–bqv2拋物線式中a>0；b<0β2>

90o=0β2=90o

>0β2<90o

（三）實際特性曲線

Hth

H；

qVth

qV扣減損失流動損失：a、磨擦損失∝qV2b、沖擊損失∝(qV－qVd)2c、泄漏損失：∝機械損失：與工況無關實際的特性曲線相似定律、比轉速一、相似理論

原型試驗模型試驗實驗結果的推廣數(shù)值試驗1、相似條件幾何相似、運動相似、動力相似（工況相似）、物性相似2、相似準則斯特勞哈爾數(shù)

雷諾數(shù)歐拉數(shù)弗勞德數(shù)馬赫數(shù)3、不完全相似

在現(xiàn)有的技術條件下，不可能也不必要保證上述相似準則都保持相等4、單位參數(shù)對不可壓縮介質，只要保證Sr和Eu相等即可Sr

流量系數(shù)

Eu

壓力系數(shù)

功率系數(shù)5、相似換算（不可壓縮介質）相似工況速度三角形等角工況

以上三個相似定理主要用于兩臺相似的機器之間的性能參數(shù)換算，也可以用于同一臺機器在轉速變化時的相似工況之間的參數(shù)換算。

當機器的轉速變化時，其性能曲線也隨之改變。在兩條曲線的對應的相似工況（如圖中A、B兩點）之間，存在如下關系

當轉速變化時，相似的工況分布在一條拋物線上，該拋物線稱為相似拋物線。

如果滿足完全相似的條件，該拋物線上所有的工況的效率應該是不變的，所以該線也稱為等效拋物線。

二、比轉速1、比轉速的定義及其物理意義引入比轉速的目的：消去直徑D，便于應用

相似判別數(shù)必要條件，非充分條件量綱問題泵風機壓縮機無量綱比轉速雙吸用一半流量、多級用單級揚程機器比轉速的規(guī)定工況泵、風機、壓縮機：最優(yōu)工況2、比轉速與過流部件幾何形狀及性能的關系反映一系列幾何相似機器的共同特性的綜合判別數(shù)比轉速與過流部件幾何形狀的關系歐拉方程：

＋速度三角形hD2

qV

b2、D1、b1

hb2

管網(wǎng)特性曲線

為了確定流體機械的實際運行工況點及其變化，必需研究管網(wǎng)的特性以及機器特性與管網(wǎng)特性的相互作用。管網(wǎng)能量頭（裝置揚程、管網(wǎng)阻力）管網(wǎng)系統(tǒng)管網(wǎng)特性曲線Hst

和

k

均可為零流體機械與管網(wǎng)系統(tǒng)的聯(lián)合工作1、實際運行工況點能量平衡和質量平衡工況的調節(jié)平衡點2、工況點的穩(wěn)定性穩(wěn)定條件的判據(jù)特性曲線的穩(wěn)定性穩(wěn)定與不穩(wěn)定工況穩(wěn)定性與葉片角的關系3、串聯(lián)與并聯(lián)運行工作機的串聯(lián)運行目的：p輸送不可壓介質時機器特性：qV＝qV1＝qV2H=H1+H2機器特性不變搭配條件：最佳工況點的流量相等或相近輸送可壓縮介質時的機器特性總特性不等于兩機器的和多級機器的特性工作機的并聯(lián)運行H＝H1＝H2qV=qV1+qV2qm=qm1+qm2并聯(lián)機器與管網(wǎng)的共同工作《能源與動力裝置基礎——渦輪機》汽輪機內的損失：噴嘴出口的汽流理想速度噴嘴出口的汽流實際速度

0*02p1p0*p0

h1

Δhn*Δhn

ΔhC0

h0*

h1t

1h0噴嘴損失

《能源與動力裝置基礎——渦輪機》動葉損失動葉柵的能量損失系數(shù)余速利用系數(shù)

(

=0~1)余速損失《能源與動力裝置基礎——渦輪機》汽輪機級內其它損失和效率1、級內損失

（1）葉高損失（端部損失）

定義

噴嘴和動葉中與葉高有關的損失產(chǎn)生原因

由汽道上下端面附面層內的摩擦損失和端部的二次流渦流所引起。（2）扇形損失

產(chǎn)生原因：設計時以平均直徑處參數(shù)為依據(jù)，而

各種參數(shù)沿葉高是變化的?！赌茉磁c動力裝置基礎——渦輪機》（3）葉輪摩擦損失

產(chǎn)生原因：

摩擦；

葉輪兩側汽室中的渦流運動。

（4）部分進汽損失

‘鼓風’損失：無噴嘴弧段（摩擦引起）‘斥汽’損失：有噴嘴弧段（高速汽流排斥并加速停滯蒸汽引起）

減少部分進汽度《能源與動力裝置基礎——渦輪機》（5）漏汽損失

隔板漏汽損失：

隔板間隙葉頂漏汽損失：

葉頂間隙

產(chǎn)生原因：

壓力差和間隙存在。（6）濕汽損失部分蒸汽凝結成水滴，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《能源與動力裝置基礎——渦輪機》2、級的相對內效率和內功率實際熱力過程曲線

相對內效率內功率《能源與動力裝置基礎——渦輪機》0*0'

1sh2p2p1p0*p0

Δht*Δhn

Δh’bΔhbδhbΣδh

Σδhc2

δhnΔhi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：圖中的0，1，2點分別對應汽輪機中的哪個部位？與理想流動過程相比，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？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=3071.7kJ/kg，噴嘴速度系數(shù)φ=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*01sh2p2p1p0*p0

Δht*Δhn

h1tΔhbδhbΣδh

Σδhc2

δhnΔhi級的有效焓降3h01、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，葉輪摩擦損失，部分進汽損失，漏汽損失和濕氣損失。由于級內存在各種損失，損失又轉化為熱能，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：噴嘴出口氣流的實際速度：=336.5m/s

噴嘴損失：=6.12kJ/kg=7.69kJ/kg余速損失：《能源與動力裝置基礎——渦輪機》航空燃氣輪機動力輸出方式：尾噴管輸出方式（1）渦輪噴氣發(fā)動機

（2）渦輪風扇發(fā)動機（3）渦輪螺旋槳發(fā)動機渦輪沖壓發(fā)動機《能源與動力裝置基礎——渦輪機》地面燃氣輪機動力輸出方式：渦輪軸功率輸出方式分類：單軸、雙軸用途：

發(fā)電、船舶、機車、汽車、坦克;

石油、天然氣加壓站的動力機械

直升飛機《能源與動力裝置基礎——渦輪機》3、燃氣輪機的特點與內燃機相比：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：優(yōu)點：裝置簡單、緊楱、重量輕、體積小；啟動快，帶負荷快；不需大量冷卻水缺點：單機功率較小效率較低運行壽命短?！赌茉磁c動力裝置基礎——渦輪機》水輪機的特點工作水頭（能量頭）低

轉速低：低速重載

單級：調節(jié)特性好

轉輪的葉片形狀：

從軸流式經(jīng)過混流式到切擊式的變化，以適應從低到高不同的水頭

存在問題：非設計工況下效率的保證；泥沙磨損

往復式機械主要零部件

1、活塞組：活塞、活塞環(huán)、活塞銷及其固定件。

1—活塞2—氣環(huán)3—油環(huán)4—活塞銷5—卡環(huán)6—連桿A—活塞頭部B—活塞頂部C—活塞環(huán)槽部D—活塞裙部E—活塞銷座

活塞:頭部：頂部和環(huán)部活塞頂部的直徑比裙部小。裙部：起導向和承受連桿傳給的側壓力的作用。

活塞環(huán)：是裝在活塞環(huán)槽的開口彈性金屬環(huán)，分為氣環(huán)和油環(huán)。氣環(huán)：主要起密封和散熱作用，防止缸內高溫高壓燃氣漏入曲軸箱，并將活塞頂吸收熱量的一部分傳給氣缸套。2－3道油環(huán)：起刮油和鋪油的作用。上行鋪油下行刮油活塞銷：活塞和連桿的連接零件。受力：氣缸壓力、活塞組和連桿慣性力。對活塞銷的要求：重量輕、剛性好，表面硬而耐磨，內韌而耐沖擊。因此，大多數(shù)活塞銷做成空心，減少慣性力?；钊N用低碳合金鋼、表面經(jīng)滲碳和精磨而成?；钊N與銷座孔為過渡配合

活塞銷與連桿小頭軸承孔為動配合

連桿作用：把活塞和曲軸連接起來，使活塞的往復運動與曲軸的旋軸運動相互轉換，并將活塞所受的氣體壓力傳給曲軸。組成：連桿小頭（包括襯套軸承）、桿身和大頭（包括大端蓋、連桿螺栓及連桿瓦）等，

連桿小頭：連桿與活塞銷相連的部分。一般為圓筒形，與桿身連成一體。為了減少磨損、維修方便，小頭都鑲有銅襯套。桿身：斷面形狀大多數(shù)是“工”字形，其翼面的長軸安排在連桿擺動平面內，且斷面尺寸由小頭向大頭逐漸增大。優(yōu)點：a.

抗彎斷面模數(shù)大，抗彎曲能力強。

b.抗彎強度大。

c.使連桿傳力及應力均勻分布。連桿大頭：連桿與曲軸相連部分，曲柄銷在連桿大頭軸承中作相對高速旋轉。整體式結構、剖分式結構

曲軸

:通過連桿將活塞的往復運動轉換為曲軸的旋轉運動.

作用：通過連桿將活塞的往復運動轉換為曲軸的旋轉運動。受力：氣體壓力、活塞連桿組的慣性力和扭力作用。結果：產(chǎn)生相應的扭矩、彎曲、壓縮和拉伸應力及變形；高速旋轉的主軸頸和連桿軸頸（曲柄銷）遭受到嚴重的摩擦和磨損。

氣缸體、氣缸套和氣缸蓋三個主要固定件

機體：由氣缸體、曲軸箱和機座或油底殼及主軸承蓋等組成。氣缸體和曲軸箱常鑄成一體，氣缸體的上半部內腔裝有活塞往復運動導向和容納工質的圓柱形空腔，稱為氣缸。氣缸體的下半部分支承曲軸的曲軸箱，其內腔為曲軸和連桿的運動空間。氣缸體的頂部與氣缸蓋連接，底部與機座或油底殼連接。氣缸體結構形式一般分為三種：平分式氣缸體，其剛度較差；龍門式氣缸體，其剛度較好；隧道式氣缸體，其剛度最好。

《能源與動力裝置基礎——往復活塞式機械的結構分析》氣缸套:

氣缸體中的氣缸套內壁是活塞的導向面。由于氣缸直接受高溫、高壓燃氣的作用，且活塞在氣缸中高速往復滑動，所以缸壁磨損較大，容易損壞，降低氣缸的壽命。常用的氣缸套有干、濕兩種。干式氣缸套的外壁不直接與冷卻水接觸，缸套的壁厚很薄，滑動配合裝入氣缸體孔座。濕式氣缸套壁較厚，外壁直接與冷卻水接觸，其上、下端的外圓表面的兩道凸出圓環(huán)裝有橡膠圈用以密封冷卻水。其冷卻效果好。氣缸蓋:氣缸蓋的底面和活塞頂與氣缸等共同組成燃燒空間；氣缸蓋上設有進排氣道，并裝有配氣機構的進氣和排氣閥組件、搖臂、搖臂座等，還裝有噴油器或火花塞。多缸發(fā)動機的氣缸蓋結構形式有單體式、分段式和整體式三種。單體式多用于大型發(fā)動機。曲柄——連桿機構的動力學往復活塞式動力機械工作時，作用在曲柄——連桿機構上的力主要有：（1）運動件的慣性力；（2）氣缸中的氣體壓力；（3）構件相對運動時接觸面產(chǎn)生的摩擦力；而（4）運動件的重力；相對較小，可忽略對于整個機器而言，還有（5）負荷的反作用扭矩及機構的支承反力

《能源與動力裝置基礎——容積式壓縮機和泵》容積式泵和壓縮機容積型壓縮機和泵（按壓縮機部件運動特點分）往復式回轉式

滾動轉動式滑片式單螺桿式雙螺桿式渦旋式（按結構特點分）

活塞式羅茨式往復泵的性能特點1.往復泵的理論流量：

往復泵的理論流量即活塞的有效工作面在單位時間內所掃過的容積：Qt=60KAeSnm3／h(1—1)式中：K—泵的作用數(shù)；

S—活塞行程，m;

n—泵的轉速，r／min；

A—活塞平均有效工作面積，m3。

2.往復泵的實際流量

往復泵的實際流量Q總小于理論流量Qt，即Q＝Qtηv

這是因為：

1)壓力降低時溶解在液體中的氣體會逸出，液體本身汽化；空氣從填料箱等處漏入。

2)活塞換向時，由于泵閥關閉遲滯造成液體流失。

3)活塞環(huán)、活塞桿填料等處的間隙以及泵閥關閉不嚴等產(chǎn)生的漏泄。

一般輸送常溫清水的往復泵，hv

＝0.80～0.98；往復泵的性能特點3.往復泵的瞬時流量

上述表達式是泵的平均流量。當工作面積為A(m2)的活塞以速度v(m／s)排送液體時，瞬時流量表達為:q=Av

曲柄連桿機構將回轉運動轉換為往復運動，故v和泵q將周期性地變化。一般曲柄連桿長度比λ=r/L≤0.25，v可用曲柄銷的線速度在活塞桿方向的分速度代替，即v=rω

sin

式中:

ω-曲柄角速度,常數(shù);

-曲柄轉角

單作用泵的流量也近似地按正弦曲線規(guī)律變化，單作用泵的流量是很不均勻的。多作用往復泵流量的均勻程度顯然要比單作用泵強。三作用泵（120度）流量的均勻程度不但優(yōu)于單、雙作用泵，而且比四作用泵（90度）也強。往復泵的性能特點4．往復泵的供液不均勻度泵供液的不均勻程度可用脈動率σQ表示：σQ=(qmax-qmin)／qm式中：qmax,qmin,qm分別為表示最大、最小和平均理論流量。各種往復泵σQ的理論值如表1—1所列，它與曲柄連桿長度比λ=r/L有關。101火電廠蒸汽動力循環(huán)：

首先從最基本的水蒸汽動力循環(huán)進行分析，然后再分析經(jīng)過改進以后的較復雜的水蒸汽動力循環(huán)。（一）火電廠蒸汽動力裝置循環(huán)—朗肯循環(huán)1，朗肯循環(huán)

根據(jù)熱力學第二定律，卡諾循環(huán)的熱效率是最高的。但實際上所采用的是最簡單的蒸汽動力裝置理想循環(huán)——朗肯循環(huán)。它由鍋爐、汽輪機、冷凝器和水泵所組成。如圖11-1所示。1022，朗肯循環(huán)的組成鍋爐，煤在爐中燃燒、放熱，水在鍋爐中定壓吸熱、汽化為飽和蒸汽。過熱器，飽和蒸汽在其中吸熱成為過熱蒸汽。汽輪機，蒸汽在汽輪機膨脹、作功、乏汽排出。凝汽器，乏汽進入凝汽器并凝結、放出潛熱。給水泵，將凝結水提高壓力并泵入鍋爐，完成一個循環(huán)。103

圖11—1b、c、d中分別給出了朗肯循環(huán)在p-v圖、T-s圖、h-s圖上的表示。4-1為定壓吸熱過程，(水在鍋爐、過熱器的吸熱、汽化和過熱過程，由飽和水變成過熱蒸汽)。

1-2為絕熱膨脹作功過程。如果忽略摩擦與散熱，可簡化為一理想可逆絕熱膨脹過程(等熵過程)。

2-3過程為乏汽在凝汽器中的定壓（也定溫）的凝結放熱過程(蒸汽凝結成為飽和水)。3-4為壓縮過程(它由給水泵把水壓入鍋爐的壓縮過程)。若忽略摩擦與散熱，可將一個實際不可逆循環(huán)簡化為一個理想可逆等熵壓縮過程。熱電廠所用的各種復雜蒸汽動力裝置循環(huán)都是在朗肯循環(huán)的基礎上進行改進后得到的。104

提高蒸汽動力裝置循環(huán)的熱效率，具有很重大的意義。為了提高熱效率，應（1）盡可能的減少散熱、排煙的外部能量損失；（2）從設計、制造和運行等諸方面著手，提高汽輪機的內效率；（3）提高蒸汽在鍋爐的平均吸熱溫度，減少蒸汽與煙氣間溫差傳熱造成的損失；（4）降低汽輪機排汽壓力（溫度），減少蒸汽與冷卻水溫差傳熱造成的損失。在以上幾個方面，提高蒸汽在鍋爐中的平均吸熱溫度最為重要。具體做法是：提高蒸汽初參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)；采用回熱系統(tǒng)等；在此基礎上，再配合中間再熱循環(huán)；采用熱電聯(lián)產(chǎn)、蒸汽—燃氣聯(lián)合循環(huán)等措施4，提高蒸汽動力裝置循環(huán)的熱效率105

提高蒸汽動力裝置循環(huán)的熱效率，具有很重大的意義。為了提高熱效率，應（1）盡可能的減少散熱、排煙的外部能量損失；（2）從設計、制造和運行等諸方面著手，提高汽輪機的內效率；（3）提高蒸汽在鍋爐的平均吸熱溫度，減少蒸汽與煙氣間溫差傳熱造成的損失；（4）降低汽輪機排汽壓力（溫度），減少蒸汽與冷卻水溫差傳熱造成的損失。在以上幾個方面，提高蒸汽在鍋爐中的平均吸熱溫度最為重要。具體做法是：提高蒸汽初參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)；采用回熱系統(tǒng)等；在此基礎上，再配合中間再熱循環(huán)；采用熱電聯(lián)產(chǎn)、蒸汽—燃氣聯(lián)合循環(huán)等措施4，提高蒸汽動力裝置循環(huán)的熱效率106（二）回熱循環(huán)1，給水回熱循環(huán)的采用

在朗肯循環(huán)中，造成熱效率低的主要原因是工質平均吸熱溫度不高。為了提高蒸汽平均吸熱溫度，除了提高蒸汽初參數(shù)之外，另一種辦法是改善吸熱過程。如圖11-3所示，4-5-1為蒸汽的吸熱過程，而4-5為其預熱階段，是整個吸熱過程中最低段。

圖11-3朗肯循環(huán)的T—s圖

如果把這一低溫吸熱段加以改進提高，則循環(huán)的平均吸熱溫度將提高。改進的最好的辦法是采用給水回熱。就是把汽輪機中作過功的蒸汽，逐級抽出來加熱給水，減少冷源損失，同時提高鍋爐給水溫度（提高蒸汽平均吸熱溫度），則提高了循環(huán)熱效率。1072,實際回熱循環(huán)

實際回熱循環(huán)如圖11-4，是從汽輪機的不同的級逐級抽出部分作過功的蒸汽，在加熱器中加熱給水，提高鍋爐進水溫度，減少蒸汽在低溫吸熱段的吸熱，這種循環(huán)稱為給水回熱加熱循環(huán)。圖11-4實際回熱循環(huán)

回熱加熱器是一種表面式熱交換器在汽輪機中有高壓加熱器和低壓加熱器兩種。位于給水泵前的為低壓加熱器，位于給水泵后的為高壓加熱器。

凝汽器是汽輪機的重要輔助設備。在汽輪機中作過功的乏汽進入凝汽器內凝結成水，放出汽化潛熱（冷源損失），凝結水經(jīng)過凝結水泵、低壓加熱器、除氧器、給水泵、高壓加熱器，最后進入鍋爐重新吸熱汽化成蒸汽。108

采用給水回熱加熱循環(huán)，可以提高循環(huán)的熱效率。同時也增加了設備（加熱器、管道、閥門、水泵等），使系統(tǒng)復雜，投資增加。但有利是主要的：

1）回熱抽汽可使汽輪機進汽量增加，而排汽量減少。對提高效率、改善末級的設計都是有好處的；

2）由于熱效率的提高，鍋爐熱負荷減少，可以減少鍋爐的受熱面，節(jié)約部分金屬材料；

3）由于凝汽量的減少，可以減少凝汽器的換熱面，節(jié)約大量的銅材。

3,給水回熱加熱循環(huán)的優(yōu)缺點109（三）中間再熱循環(huán)1，中間再熱循環(huán)的采用提高蒸汽初壓，可以提高循環(huán)熱效率。但是，蒸汽初壓的提高，將會引起：乏汽的濕度增加，對汽輪機的工作產(chǎn)生不利影響。如果同時提高蒸汽的初壓和初溫，又要受到金屬材料性能的限制。為了解決這一問題，采用蒸汽中間再過熱的辦法。采用中間再熱，就是讓新蒸汽首先進入汽輪機高壓部分膨脹作功，到某一中間壓力時，全部抽出來，送到鍋爐的再熱器中再過熱，然后再送到汽輪機的中、低壓部分繼續(xù)膨脹作功，如圖11-5所示。經(jīng)再熱后，膨脹末了的乏汽的干度明顯增大。這樣，就避免了提高初壓或者同時提高初壓、初溫而帶來的困難。圖11-5110

對圖11-5b的T-s圖作分析。圖中，1-2’-3-4-1為基本循環(huán)，B-A-2-2’-B為再熱附加循環(huán)。當再熱溫度與新蒸汽溫度相同時，當終參數(shù)一樣，只要再熱壓力不太低，則附加循環(huán)的平均吸熱溫度將高于基本循環(huán)的平均吸熱溫度。這樣，總的平均吸熱溫度就變高了，則總的熱效率得到提高。2，再熱對循環(huán)熱效率的影響圖11-5b

再熱壓力選定如果再熱壓力選得較高，能使熱效率得到提高；如果再熱壓力選得較低，則使熱效率將會降低。如果再熱壓力選得過高，附加循環(huán)的吸熱量減少，使整個循環(huán)的熱效率減弱。因此要找一個最佳的再熱壓力。根據(jù)設計和運行的經(jīng)驗取再熱壓力為新蒸汽壓力的20~30%之間。1113.生產(chǎn)流程：燃煤：皮帶運輸機原煤斗給煤機磨煤機（制粉系統(tǒng)）排粉風機燃燒器（鍋爐燃燒）。空氣：送風機空氣預熱器（加熱空氣）。一次風：排粉風機磨煤機(干燥、加熱煤粉)燃燒器(爐膛)。二次風：燃燒器（爐膛參與燃燒）。高溫煙氣：爐膛（爐頂和水平煙道）過熱器、再熱器省煤器空氣預熱器除塵設備引風機煙囪（排空）?；曳莺皖w粒：會渣斗（連同除塵器下的細灰）地溝灰漿泵灰場。112

給水（工質）給水泵（汽輪機）高壓加熱器（鍋爐）省煤器（吸收尾部煙道中煙氣熱量）汽包下降管下連箱水冷壁（吸收煤粉燃燒時的輻射熱，一部分水蒸發(fā)成蒸汽，汽水混合物)汽包（汽水混合物分離后）飽和蒸汽過熱器

過熱蒸汽。

主蒸汽管汽輪機（高壓缸作功）（高壓缸排出的蒸汽）

（鍋爐）再熱器（再過熱）再熱蒸汽汽輪機中、低壓缸（繼續(xù)膨脹作功）(帶動)發(fā)電機(發(fā)電)。(過功的)泛汽

凝汽器凝結成）水

熱井凝結水泵低壓加熱器除氧器給水泵(升壓)

鍋爐循環(huán)使用)。113（1）給水除氧過程當給水中含有過量空氣（氧氣）時，對熱力設備和管道系統(tǒng)的工作可靠性和壽命是有影響的。這是因為：造成金屬的腐蝕，影響傳熱效果，降低傳熱效率。為了保證電廠安全經(jīng)濟運行，必須不斷地從鍋爐給水中清除掉生產(chǎn)過程中溶解于水的氣體（氧），所以稱為給水除氧過程，其設備稱除氧器。（2）除氧器的任務除去鍋爐給水中溶解的氧氣和其它氣體，防止熱力設備和管道系統(tǒng)的腐蝕和傳熱效果變壞，保證熱力設備的安全經(jīng)濟運行。3，給水除氧系統(tǒng)114

電廠所采用的除氧方法是熱力除氧。熱力除氧的原理是建立在亨利定律和道爾頓定律基礎上的。亨利定律指出：當液體和氣體間處于平衡狀態(tài)時，對應一定的溫度，單位體積水中溶解的氣體量與水面上該氣體的分壓力成正比。這樣，要將某種氣體從水中清除掉，則應將該氣體在水面上的分壓降為零。道爾頓定律指出：混合氣體的全壓力等于組成它各氣體分壓力之和。根據(jù)這一原理，在除氧器中，對水進行定壓加熱，其蒸發(fā)水量就會增加，從而水面的水蒸汽的分壓就會增加，其他氣體分壓就會減少。當水加熱到除氧器壓力下的沸點時，水面的水蒸汽的分壓就接近混合氣體的全壓力，而其他氣體分壓就會減少到零。于是，溶解于水中的氣體將在不平衡壓差的作用下從水中逸出，并從除氧器排氣關中排走。（3）熱力除氧的原理115有水膜式、淋水盤式和噴霧式除氧器。按外形又分為立式和臥式兩種除氧器。根據(jù)除氧器壓力大小又分為真空式、大氣式和高壓除氧器。除氧器的工作壓力對于中、低參數(shù)的機組，一般采用大氣式除氧器，其工作壓力一般為0.12Mpa，相應的飽和溫度為104.25。對于高參數(shù)的機組，一般采用高壓除氧器，其工作壓力一般為0.35~0.6Mpa，相應的飽和溫度為158.08。除氧器由除氧頭和除氧水箱組成，其原則性熱力系統(tǒng)可參見圖11—12。（4）除氧器的結構型式1165，旁路系統(tǒng)

現(xiàn)代大型火電機組都裝有旁路系統(tǒng)。旁路系統(tǒng)是指高參數(shù)蒸汽不通過汽輪機的通流部分，而是經(jīng)過與汽輪機并聯(lián)的減溫減壓器，將降壓減溫后的蒸汽送到低一級的蒸汽管道或是凝汽器去的連結管道系統(tǒng)。（1）

旁路系統(tǒng)的主要作用1）保護再熱器

正常工作時，汽輪機高壓缸的排汽通過再熱器吸熱，使再熱器得到冷卻。但在點火、汽輪機沖轉前，或甩負荷等情況下，高壓缸沒有排汽進入再熱器，這時，由旁路系統(tǒng)送來經(jīng)減溫減壓后的蒸汽通過(冷卻)再熱器；117

單元機組啟停和甩負荷時，鍋爐蒸發(fā)量和汽輪機所需蒸汽量不一致，鍋爐最低蒸發(fā)量為額定蒸發(fā)量的30%，而大型汽輪機的空載汽耗量為額定值的7%~10%。因此，多余的蒸汽只好排入大氣，不僅損失工質和熱量，而且造成熱污染和噪音。設置旁路系統(tǒng)則可以達到回收工質和熱量、降低噪音保護環(huán)境的目的；

3）加快啟動速度、改善啟動條件大型機組都采用滑參數(shù)啟動方式，在啟動過程中，需要不斷地調整汽溫、汽壓和蒸汽量，以滿足啟動過程中不同階段（暖管、沖轉、暖機、升速、帶負荷）的需要。如果只靠調整鍋爐燃燒方式或者蒸汽壓力，是難以滿足要求的。采用旁路系統(tǒng)，就可以滿足上述要求，達到加快啟動速度、改善啟動條件的目的。2）回收工質和熱量、降低噪音118（2）常見的旁路系統(tǒng)

1）

汽輪機Ⅰ級旁路(高壓旁路)新蒸汽繞過汽輪機高壓缸，經(jīng)減溫減壓后直接進入再熱器；2）

汽輪機Ⅱ級旁路（低壓旁路）即再熱器出來的蒸汽繞過汽輪機中低壓缸，經(jīng)減溫減壓后直接進入凝汽器；3）汽輪機Ⅲ級旁路（大旁路）Ⅲ級旁路是蒸汽繞過整個汽輪機經(jīng)減溫減壓后直接進入凝汽器。圖11—14旁路系統(tǒng)119聯(lián)合動力循環(huán)一燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)

根據(jù)熱力學基本定律可知，熱力循環(huán)的理想熱效率只取決于循環(huán)的平均吸熱溫度和平均放熱溫度。提高平均吸熱溫度和降低平均放熱溫度都可以提高循環(huán)的熱效率。理想的熱機的循環(huán)熱效率可表達為：（11——26）

在實際中，一種工質能達較高的平均吸熱溫度，但不一定能達較低的平均放熱溫度，反之亦然。為了提高熱機的熱效率，可以采用多種工質組成的聯(lián)合循環(huán)裝置，從而達到較高的平均吸熱溫度和較低的平均放熱溫度。120燃氣輪機裝置的平均吸熱溫度較高（一般為1100~1200），但其排氣溫度也較高（一般為500~600）。這就有大量的熱能損失。在蒸汽動力循環(huán)中，汽輪機的進汽溫度不可能很高（一般為540~560）。循環(huán)的平均放熱溫度很低（一般為30~38）。為了提高循環(huán)熱效率，利用簡單燃氣輪機循環(huán)平均吸熱溫度高和蒸汽動力循環(huán)平均放熱溫度低的特點，各取其長，把這兩種循環(huán)聯(lián)合起來組成燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)，此循環(huán)則具有較高的平均吸熱溫度和較低的平均放熱溫度。則根據(jù)熱力學原理，可使整個循環(huán)的熱效率大大提高。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)的型式大體上有四種。121（一）余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)

余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)如圖11—15所示。在簡單的燃氣輪機循環(huán)中，由于排氣溫度高，約有60%的熱量排入大氣。為了充分利用燃氣輪機排氣的熱能，在燃氣輪機后加裝余熱鍋爐，利用余熱產(chǎn)生蒸汽以驅動汽輪機發(fā)電，汽輪機排汽再進入凝汽器凝結放熱。這樣，就增加了總的功率，又利用了燃氣輪機和汽輪機各自的優(yōu)點，使整個循環(huán)的熱效率得以提高。圖11—15

在這種聯(lián)合循環(huán)方案中，發(fā)電功率是以燃氣輪機為主，汽輪機為輔。燃氣輪機發(fā)電量占總發(fā)電量的（65~70）%，汽輪機發(fā)電量占（30~35）%。汽輪機的容量取決于燃氣輪機的容量和排氣溫度，蒸汽參數(shù)也受到限制。燃氣輪機和汽輪機不能單獨運行，汽輪機運行隨燃氣輪機參數(shù)變化而變化。余熱鍋爐結構簡單，但由于燃氣輪機排氣溫度一般為500~600，所以余熱鍋爐的換熱面積很大。122（二）正壓鍋爐聯(lián)合循環(huán)這種循環(huán)的關鍵設備是正（增）壓鍋爐，它同時產(chǎn)生高溫高壓蒸汽和燃氣，分別推動汽輪機和燃氣輪機組發(fā)電。圖11—16（正壓鍋爐型）

循環(huán)的工作過程空氣在壓縮機中被壓縮后送正壓鍋爐燃燒室。燃燒室的壓力高于大氣壓力（約0.55MPa）。正壓鍋爐的蒸汽進入汽輪機作功。燃料燃燒的煙氣在正壓鍋爐中加熱蒸汽。然后將煙氣送入燃氣輪機作功，最后進入熱交換器，加熱蒸汽動力裝置中的給水。

整個循環(huán)由蒸汽、燃氣兩個循環(huán)組成這種循環(huán)熱效率較高，正壓鍋爐燃燒迅猛，傳熱系數(shù)大，可以減少換熱面積，減少設備造價。但正壓鍋爐使用的燃料受到燃氣輪機的限制，只能是氣體和液體燃料。燃氣輪機和汽輪機也不能單獨運行。123（三）余熱鍋爐加補燃聯(lián)合循環(huán)由于余熱鍋爐蒸汽參數(shù)低、蒸發(fā)量少。因此，在燃氣輪機和余熱鍋爐之間的排氣通道中增加補燃裝置，利用燃氣輪機排氣中含有（16~18）%的氧氣助燃，提高余熱鍋爐的爐內溫度，增加鍋爐的輸入熱量?？墒拐羝麉?shù)可以適當提高，可以提高汽輪機的循環(huán)熱效率，最后使整個聯(lián)合循環(huán)的效率提高。

(圖11—17)余熱鍋爐加補燃聯(lián)合循環(huán)，補燃量的多少對聯(lián)合循環(huán)的效率是有影響的，通常補燃量占總燃料的（20~30）%。由于增加了補燃，進入汽輪機的蒸汽參數(shù)提高，使汽輪機的功率增大，其發(fā)電功率約為總功率的50%。實際上的余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)如簡圖11—18所示，由一臺或數(shù)臺燃氣輪機、余熱鍋爐和一臺汽輪機所組成。124圖11—18125

以燃氣輪機排氣作為鍋爐的助燃空氣，可以利用燃氣輪機排氣中的氧氣，也可以回收其熱量。該助燃鍋爐和普通電站鍋爐相似，爐堂溫度不受限制，可產(chǎn)生高參數(shù)蒸汽。但需添置送風機和空氣預熱器，燃氣輪機和汽輪機可以分開運行。鍋爐中的燃料不受限制。最大優(yōu)點是，對原有中小型火電機組，只需增加燃氣輪機發(fā)電部分，就可以將其改造成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。這既可以增加發(fā)電量，節(jié)約投資，又可以提高效率，延長中小型火電機組的壽命。（四）排氣助燃聯(lián)合循環(huán)(圖11—19)我國汕頭燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠由兩臺燃氣輪機（帶各自的余熱鍋爐）和一臺汽輪機組成，燃氣輪機和汽輪機的功率均為34.5MW。圖11—20（略）126二，IGCC與PFBC—CC的研究與開發(fā)

1，煤、石油和天然氣的儲量問題：前面所講的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站中，所用的燃料皆為液體和氣體燃料。而世界石油和天然氣的儲藏量是很有限的，據(jù)預計：世界石油儲量約為2800億頓，可采儲量為1400億頓；天然氣儲量約為64500億。按當前速度消耗，世界上的石油和天然氣大約40~50年就接近枯竭。世界上煤儲量，預計約為30億萬頓，還可以開采200~300年。

我國的煤炭資源分布廣，儲量非常豐富。目前探明儲量約為6000億頓，預計儲量為1萬億頓以上。估計可開采500年以上。因此，煤炭仍然是將來火力發(fā)電的主要燃料1272，高效、潔凈煤燃燒技術的研究：