热能动力基础_删减版.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,热能与动力机械基础,第三章 涡轮机与喷气发动机,主讲教师：叶增明,课时：,8,学时,思考题,涡轮机的定义是什么？哪些动力机械属于涡轮机？,涡轮机与活塞式发动机相比有哪些优点？,涡轮机目前的主要技术发展趋势是什么？,与蒸汽轮机相比较燃气轮机有哪些优点？,蒸汽轮机与燃气轮机主要用途是什么？在使用上有何区别？,轮机按热力特性分类可分为那几类？,凝汽式汽轮机和背压式汽轮机的主要区别是什么？,涡轮喷气发动机退役陆用为什么还要加动力透平,汽轮机级的反动度的定义是什么？纯冲动级的反动度是多少？有那些特点？反动级的反动度是多少？有那些特点？,速度系数与能量损失系数之间有什么关系？,利用轮周功的表达式证明相对能量方程的成立,轮周功的定义是什么？其表达式是什么？轮周效率的定义是什么？其表达式是什么？,第一节 概 述,一、,涡轮机的定义和范围,什么是涡轮机？透平机（,Turbine,）,定义：涡轮机是一种将流体（工质）的热能和势能转换为机械功的旋转式动力机械。,包括：蒸汽轮机、燃气轮机和水轮机。喷气发动机应属于燃气轮机,蒸汽轮机（,Steam Turbine,）,主要分为：电站汽轮机和工业汽轮机两种,燃气轮机（,Gas Turbine,）,主要分为：陆用燃气轮机、船用燃气轮机和航空发动机。,二、涡轮机在国民经济中的地位,旋转式的蒸汽轮机、燃汽轮机与往复式的蒸汽机、内燃机一样都是一种原动机，具有同样的功能。,与往复式蒸汽机相比，汽轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，单位面积中能通过的流量大，因而能发出较大的功率。大功率汽轮机可以采用较高的蒸汽压力和温度，故热效率较高。,涡轮机与往复式机械相比具有,单机功率大、效率高、运转平稳和使用寿命长等优点，,具有较大的优势，目前已逐步取代往复式的蒸汽机与内燃机。,涡轮机目前的使用范围,1,、,在火力发电厂、核电站以 及水力发电站中是用来驱动发电机的一个重要的动力机械；,2,、在研金、化工、采矿等大型工业上用来驱动各种大型的水泵、风机、高炉鼓风机和压缩机（由于可以变转速，代替大型电动机）；,3,、在船上用来驱动螺旋桨（代替内燃机）；,4,、在军事上用来驱动航空、航天器，以及作为军舰和大型坦克的发动机；,5,、近期已在列车和大型卡车上作为发动机开始启用。,三、,涡轮机的发展,1,、蒸汽轮机,公元一世纪时，亚历山大的希罗记述了利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球，又称为风神轮，这是最早的反动式汽轮机的雏形；,1629,年意大利的布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮。,1884,年英国的,Charies,.,Pansons,(,帕,森斯,),制成了第一台,10,马力的多级反动式汽轮机，并取得英国专利，这台汽轮机的功率和效率在当时都占领先地位,这是第一台在工业上实际使用的汽轮机。,目前世界上最大的汽轮机制造厂家是美国的,GE,（,通用电气公司）和,WH,（,西屋公司）。,我国汽轮机制造是从,1955,年开始的，从,6,MW,（,6000,千瓦）开始，然后有,12,MW,、,50MW,、,10MW,、,125MW,、,200MW,、,300MW,，,直至,2000,年生产了,600,MW,汽轮机。目前正在设计生产,1000,MW,的汽轮机。,我国最大的汽轮机制造厂有三家：哈尔滨汽轮机厂、上海汽轮机厂和东方汽轮机厂，主要生产大型发电用汽轮机。,第一台燃气轮机法国拉马尔等人设计制造的，压比为,4,、透平进口温度,560,，只有,3,的效率。,1920,年出现了第一台在工业上正式使用的燃气轮机，输出功率,370KW,，效率达,13%,。,1939,年,BBC,制造了第一台用于发电的燃气轮机，压比为,4.38,，透平前温为,575,，效率,18%,，功率达到,4000KW,。,同时期德国,heinkel,工厂第一台涡轮喷气式发动机驱动的,He178,飞机试飞成功。（德国,he,系列战斗机诞生）,2,、燃气轮机,燃气轮机的发展历史曾经经过三个高潮：,第二次世界大战期间涡轮喷气式发动机的诞生及大量使用；在第二次世界大战中，德国,1940,年首先投人了用燃气轮机驱动的喷气式战斗机，,首批参战的喷气式飞机时速为,850,公里，超过当时英美飞机时速约,160,公里，在速度上占有很大优势。,随后美、英、苏等国家也大量投人了喷气式战斗机，,五十年代大量航空发动机退役，作为燃气发生器加上动力透平，改造成为陆用燃气轮机，引起了陆用燃气轮机的一个发展高潮；,1965,年美国东北电网大停电事故发生后，引起各国电力界对燃气轮机作为尖峰负荷用来应急发电的重视。,最近人们对燃气轮机蒸汽轮机联合循环的优越性已引起很大的重视，也许现在正是燃气轮机发展的第四个高潮。,3,、航空发动机 涡轮喷气式涡轮风扇式,（,B52,和波音,707,）,JT3D,，,压比,16,，,（波音,767,）,JT9D,7R,，,压比,21,24,4,、水轮机,新安江水电站,三峡水电站,适用场合和特点,蒸汽轮机：,功率大、制造成本低，运行成本低。适用于大型发电机组，发电厂普遍使用。,燃气轮机：,体积小、重量轻、启动快、少用水或不用水。机动性强的特点决定了它适用于作为移动性动力机组，如飞机、军舰、及移动电站。,水轮机：,发电成本低，节约能源，但必须要有水力资源,。,四、涡轮机的主要技术发展趋势,1,、采用大容量机组,发电机组的容量越大，则单位功率机组的造价就越低；单位功率的发电成本也越低；单位功率电厂的施工周期也越短。,但汽轮机功率越大，其技术难度也越大。,首先是材料问题，主要事动叶片在高温、高速下工作，其材料许用应力受到限制；,其次是电厂容量问题，单机容量越大相应的电厂总装机容量要大。联网供电是一个解决问题的办法。,2,、提高蒸汽（燃气）初参数,这实际上就是提高单机容量的一个最好的措施，进入汽轮机的蒸汽初参数越高，则焓降越大，同样大小的机组发出的功率就越大，对于目前所使用的珠光体材料来讲，初参数已经提高到极限了。,我国蒸汽轮机目前用的最高初参数是：透平进口蒸汽压力,165,ata,，,温度,565,。,目前美国和日本的汽轮机的进汽压力已到了,240,个大气压（超临界），但温度还是,565,左右，再要提高温度就要研究新的耐高温材料。,燃气轮机一般透平进口压力不高，最高到,24,ata,，,但温度却高达,1500,。,提高功率的其他办法,a,增加透平级数和缸数：,增加蒸汽流量的同时增加透平级数和缸数。低压级采用分缸可以使末级叶片的高度不增加。,b,、,采用中间再热：,目前,125,MW,以上的都有中间再热。,c,、,降低背压：,降低背压和提高初压一样可以提高汽轮机的功率（提高焓降），目前发电用汽轮机基本上都采用凝汽式汽轮机，其背压可以达到,0.05,大气压。,功率,蒸汽压力,蒸汽温度,蒸汽流量,高缸级数,中缸级数,低缸级数,MW,ata,T/H,50,90,535,196,1+21,200,125,535/535,125,135,550/550,380,1+8,10,26,300,165,565/565,890,1+8,11,46,600,165,565/565,1730,1+11,10,66,我国目前生产的蒸汽轮机机组的参数：,3,、采用联合循环提高运行效率,蒸汽轮机燃气轮机联合循环,内燃机燃气轮机联合循环,4,、,提高机组运行可靠性,采用微机监控和计算机故障分析。,目前自动控制已到了计算机智能控制程度，但汽轮机虽然也是采用自动控制，而大部分仍停留在以前的电气与液压系统控制，调节的灵敏度较差，国外现在已有了计算机智能控制系统，而我们还没有。,汽轮机叶片断裂事故发生较多。,五、涡轮机的构造与分类,1,、,蒸汽轮机的主要部件,转子,主轴、叶轮、动叶片等,静子,汽缸、隔板、静叶栅等,其他还有：轴承、汽封、联轴器、进、排汽管、滑销系统和调节保护系统,。,2,、,蒸汽轮机的分类,按热力性质分可以分为：,凝汽式汽轮机,背压式汽轮机,抽汽式汽轮机,抽汽背压式汽轮机,乏汽式汽轮机,多压式汽轮机,凝汽式汽轮机示意图,背压式汽轮机机组示意图,凝汽式、背压式和抽汽式三种汽轮机的主要区别,：,凝汽式汽轮机,的排气管联接到凝汽器，体积庞大的蒸汽排气在凝汽器中冷凝成饱和水，产生了很大的真空，可使汽轮机的排气压力很低，一般在,0.05,个大气压；常用于电厂发电用机组。,背压式汽轮机,的排气是为某一热蒸汽用户提供有一定的压力和温度的热蒸汽，也可能是热、电两用，也可能是工业驱动用汽轮机（工业汽轮机），一般机组较小。,抽气式汽轮机,包括（抽汽凝汽式汽轮机和抽汽背压式汽轮机），也是一种热、电两用汽轮机，主要是在汽轮中间某一级后抽出一股有一定压力和温度的蒸汽，供热用户使用。,按流动方向分可以分为,：,轴流式汽轮机,幅流式（径流）汽轮机,周流式（回流）汽轮机,按用途分可以分为,：,电站汽轮机,工业汽轮机,船用汽轮机,3,、燃气轮机装置与结构,燃气轮机的构造主要由三大件组成：,燃气涡轮、压气机和燃烧室。压气机将大气的空气吸入压缩，燃烧室将高压气体燃烧成高温、高压的燃气，再送入燃气涡轮作功。燃气涡轮发出的功率有一大半要被压气机所消耗，剩下的输出。,4,、,燃气轮机的分类,按用途分类可分为：,电站燃气轮机、船用燃气轮机和航空发动机。,也可分为移动式燃气轮机和固定式燃气轮机两种。,废气涡轮增压器属于燃气轮机的一个分支。,其中航空发动机可分为：,涡轮喷气式发动机、涡轮风扇式发动机、涡轮螺桨式发动机和涡轮轴式发动机。,第二节 热力涡轮机级的基本理论,一、,级的概念,1,级的组成（一组喷嘴和一组动叶）基元级叶栅,(,平面叶栅和环面叶栅）,级的流动过程和热力过程 （叶栅图和焓熵图）,h,t,*,h,b,h,n,*,P,0,*,、T,0,*,P,0,、T,0,、C,0,P,1,、T,1,、C,1,P,2,、T,2,、C,2,h,S,5,、反动度,1,）反动度定义,：,动叶栅内的等熵焓降与整个级的滞止等熵焓降之比,蒸汽作功一部分是蒸汽速度冲击动叶的冲动力作功，另一部分是蒸汽在动叶中加速产生的反作用力既反动力作功。,反动度则表示冲动力作功和反动力作功所分配的情况，既反动力作功占整个级作功的比例。,2,）冲动级,有三种型式,、纯冲动级,0,特点：蒸汽只在喷嘴中膨胀加速，在动叶中不膨胀加速，即,P,1,P,2,，,h,b,0,，,h,t,*,h,n,*,纯冲动级作功量较大，但效率较低,、带反动度的冲动级,0.05,0.20,特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴中进行，在动叶中只要小部分膨胀，即,P,1,P,2,，,h,b,0,，,h,t,*,h,n,*,作功能力较大，效率也不是太低，在一台汽轮机中，这种级用的最多。,、复速级,这是个特殊的级，由一组喷嘴加一组动叶加一组导叶再加一组动叶 组成，和纯冲动级一样，蒸汽膨胀加速只在喷嘴中进行，一般在两组动叶中都没有膨胀。这是有意让级前喷嘴的膨胀加速很大，通过第一组动叶作功后排气速度仍然很大，则通过一组导向叶片进入第二组动叶继续作功。这种级经常是用在汽轮机的第一级上。特点：作功能力特别大，一级的焓降可以抵上其他级的,4,5,级的焓降，但效率比其他级都低，而且喷嘴出口速度有可能会达到音速。目前也有的采用带一些反动度的，让动叶中稍有些膨胀，使复速级的效率能高一些。,3,）反动,级,0.5,特点：蒸汽的膨胀有一半在喷嘴中完成，还有一半在动叶中完成，也就是说喷嘴中的焓降与动叶中的焓降各占一半，这时,P,1,P,2,，,h,b,h,n,*,0.5,h,t,*,一般来说级的反动度越大，则级的效率越高，但作功能力越小。但当级反动度大于,0.5,时，级效率反而可能会降低，因此汽轮机中一般不使用反动度大于,0.5,的级，反动度为,0.5,的级是汽轮机中用的反动度最大的一种级，级效率最高。,6,、各种级中压力和速度的变化情况,纯冲动级 带反动度的冲动级 反动级 复速级,二、级内的工作过程,蒸汽在叶栅中流动实际上是一种实际流体的三元流动过程，是有黏性的、非连续的、非定常的三元流动，但为了分析问题方便我们忽略了气体的黏性，作以下假定：,、蒸汽的流动是稳定的，即定常流动；在同一位置上的蒸汽参数不随时间变化；,、,蒸汽在叶栅中的流动是轴对称的一元流动，即蒸汽参数只沿流动方向变化；,、蒸汽在叶栅中流动是绝热的流动，与外界没有热交换，级的前后也没热交换。,有了这些假定后，我们就可以运用一些流体力学和热力学中的一些基本方程：,（一）级的动叶进出口速度三角形,进口速度三角形 出口速度三角形,C1,动叶进口绝对速度,C2,动叶出口绝对速度,U1,动叶进口周向速度,U2,动叶出口周向速度,W1,动叶进口相对速度,W2,动叶出口相对速度,1,动叶进口绝对气流角,2,动叶出口绝对气流角,1,动叶进口相对气流角,2,动叶出口相对气流角,（二）工质在喷嘴中的膨胀过程,1.,喷嘴中的气流速度计算,（,1,）喷嘴出口的气流理想速度 （,2,）喷嘴出口的气流实际速度,（三）工质在动叶栅中的流动过程,