《汽輪機(jī)原理》第三章渦輪機(jī)及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

第三章渦輪機(jī)及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)第一節(jié)概述第二節(jié)熱力渦輪機(jī)級(jí)的基本理論第三節(jié)渦輪機(jī)級(jí)的損失與效率第四節(jié)多級(jí)渦輪機(jī)第五節(jié)汽輪機(jī)的變工況第六節(jié)供熱汽輪機(jī)第七節(jié)火箭及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)第八節(jié)水輪機(jī)概述第一節(jié)概述一、渦輪機(jī)及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展渦輪機(jī)包括蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)式葉輪機(jī)械，而噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)則是燃?xì)廨啓C(jī)作為飛機(jī)動(dòng)力的一種類型。

蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)式一種將工質(zhì)（蒸汽或燃?xì)猓┑臒崮苻D(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。蒸汽輪機(jī)從1884年第一臺(tái)實(shí)用性機(jī)組問(wèn)世至今，已有100多年歷史。燃?xì)廨啓C(jī)從1906年第一臺(tái)問(wèn)世至今，現(xiàn)在世界上已有多個(gè)國(guó)家100多家企業(yè)生產(chǎn)近千種型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)。二、渦輪機(jī)及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造與分類（一）蒸汽輪機(jī)蒸汽輪機(jī)是以水蒸氣為工質(zhì)的旋轉(zhuǎn)式葉輪機(jī)械，簡(jiǎn)稱汽輪機(jī)。其基本原理可用圖3-1來(lái)表示。只有一個(gè)級(jí)的汽輪機(jī)，稱為單級(jí)汽輪機(jī)；有若干級(jí)的，稱為多級(jí)汽輪機(jī)。圖3-1透平工作原理圖

汽輪機(jī)主體主要由靜子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。靜子包括汽缸、隔板和靜葉柵、進(jìn)排汽部分、端汽封以及軸承、軸承座等。轉(zhuǎn)子包括主軸、葉輪和動(dòng)葉片、聯(lián)軸器等。插圖3-1為600MW汽輪機(jī)部分轉(zhuǎn)子。插圖3-2為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在準(zhǔn)備安裝。插圖3-3為汽輪機(jī)的葉輪。插圖3-4（a）及（b）為不同形狀的葉片，（c）為汽輪機(jī)復(fù)速級(jí)上的導(dǎo)向葉片。插圖3-5為在電站汽輪機(jī)房的汽輪發(fā)電機(jī)組。插圖3-1600MW汽輪機(jī)部分轉(zhuǎn)子插圖3-2安裝汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子插圖3-3汽輪機(jī)葉輪插圖3-4（a）插圖3-4（b）插圖3-4（c）插圖3-5汽輪發(fā)電機(jī)組圖3-2為我國(guó)哈爾濱汽輪機(jī)廠自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的200MW汽輪機(jī)的縱剖面圖。

它是一次中間再熱、凝汽式、單軸、三缸、三排汽口的汽輪機(jī)。進(jìn)入該機(jī)組高壓缸的新蒸汽參數(shù)為12.75MPa、535℃，經(jīng)再熱后進(jìn)入中壓缸的再熱蒸汽溫度為535℃。汽輪機(jī)的分類可按工作原理和熱力特性等分類，詳見表3-1。圖3-2200MW汽輪機(jī)的縱剖面圖表3-1汽輪機(jī)的分類分類形式簡(jiǎn)要說(shuō)明按工作原理沖動(dòng)式汽輪機(jī)蒸汽主要在噴嘴（或靜葉柵）中進(jìn)行膨脹，我國(guó)電站汽輪機(jī)主要采用這種形式反動(dòng)式汽輪機(jī)蒸汽在噴嘴（或靜葉柵）和動(dòng)葉柵中都進(jìn)行膨脹按熱力特性凝汽式汽輪機(jī)排汽在低于大氣壓力的真空狀態(tài)下進(jìn)入冷凝器凝結(jié)成水，應(yīng)用最廣背壓式汽輪機(jī)排汽壓力大于大氣壓力，排汽供熱用戶使用。當(dāng)排汽作為其他中、低壓汽輪機(jī)的工作蒸汽時(shí)，稱前置式汽輪機(jī)抽汽式汽輪機(jī)利用調(diào)整抽汽供熱的汽輪機(jī)，包括一次調(diào)整抽汽式和二次調(diào)整抽汽式。生產(chǎn)用抽汽壓力一般為800-1600kPa，生活用抽汽壓力一般為70-250kPa抽汽背壓式汽輪機(jī)具有調(diào)整抽汽的背壓式汽輪機(jī)乏汽汽輪機(jī)利用其他蒸汽設(shè)備的低壓排汽或工業(yè)生產(chǎn)的工藝流程中副產(chǎn)蒸汽工作，進(jìn)汽壓力通常較低多壓式汽輪機(jī)利用其他來(lái)源的蒸汽引入汽輪機(jī)相應(yīng)的中間級(jí)，與原來(lái)的蒸汽一起工作。通常用于工業(yè)生產(chǎn)的工藝流程中，作為蒸汽熱量的綜合利用按汽流方向軸流式汽輪機(jī)在汽輪機(jī)內(nèi)，蒸汽基本上沿軸向流動(dòng)輻流式汽輪機(jī)在汽輪機(jī)內(nèi)，蒸汽基本上沿軸向（徑向）流動(dòng)周流（回流）式汽輪機(jī)蒸汽大致沿輪周方向流動(dòng)的小功率汽輪機(jī)按用途電站汽輪機(jī)在化石燃料（煤、油、天然氣）、核燃料或其他能源（地?zé)?、太?yáng)能等）的電站中帶發(fā)電機(jī)的氣輪機(jī)，絕大部分采用凝汽式汽輪機(jī)。同時(shí)供熱供電的汽輪機(jī)（抽汽式、背式），通常又稱為熱電汽輪機(jī)工業(yè)汽輪機(jī)應(yīng)用于工廠企業(yè)中的固定式汽輪機(jī)的統(tǒng)稱，包括自備動(dòng)力站的發(fā)電汽輪機(jī)（通常是等轉(zhuǎn)速的）和驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)（通常是變轉(zhuǎn)速的）船用汽輪機(jī)用于船舶推進(jìn)動(dòng)力裝置，驅(qū)動(dòng)螺旋槳汽輪機(jī)的型號(hào)，由三組符號(hào)和數(shù)字按以下格式組成：

△

XX—XX—X∣∣∣∣

變型設(shè)計(jì)次序∣∣∣蒸汽參數(shù)∣∣額定功率（MW）∣汽輪機(jī)類型國(guó)產(chǎn)汽輪機(jī)類型的代號(hào)見表3-2。表3-2國(guó)產(chǎn)汽輪機(jī)類型代號(hào)

國(guó)產(chǎn)汽輪機(jī)型號(hào)中的蒸汽參數(shù)表示方法及型號(hào)示例見表3—3，示例中無(wú)變型設(shè)計(jì)次序項(xiàng)表明該設(shè)計(jì)為原型設(shè)計(jì)。代號(hào)NBCCCCBHY類型凝汽式背壓式一次調(diào)節(jié)抽氣式二次調(diào)節(jié)抽氣式抽氣背壓式船用移動(dòng)式表3-3蒸汽參數(shù)表示方法及型號(hào)示例汽輪機(jī)類型蒸汽參數(shù)表示方法型號(hào)示例凝汽式中間再熱式一次調(diào)節(jié)抽氣式二次調(diào)節(jié)抽氣式背壓式抽氣背壓式主蒸汽壓力/主蒸汽溫度主蒸汽壓力/主蒸汽溫度/中間再熱溫度主蒸汽壓力/調(diào)節(jié)抽氣壓力主蒸汽壓力/高壓抽氣壓力/低壓抽氣壓力主蒸汽壓力/背壓主蒸汽壓力/抽氣壓力/背壓N50-8.28/535N600-16.7/537/537C50-8.82/0.118CC12-3.43/0.98/0.118B50-8.82/0.98CB25-8.82/1.47/0.49

（二）燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)是一種以空氣和燃?xì)鉃楣べ|(zhì)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的熱機(jī)。其基本原理類同于汽輪機(jī)。圖3-3所示為燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)圖。航空燃?xì)廨啓C(jī)最基本的形式是航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖3-3a所示。對(duì)于地面燃?xì)廨啓C(jī)、船用燃?xì)廨啓C(jī)或某些航空燃?xì)廨啓C(jī)，要求提供軸功率，因此在燃?xì)獍l(fā)生器后面再設(shè)置動(dòng)力透平，如圖3-3b所示。圖3-3燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)圖

可以把燃?xì)馔钙椒譃檩S流式與徑流式兩大類型。圖3-4和圖3-5中分別給出了這兩種透平的結(jié)構(gòu)示例。圖3-6為東方汽輪機(jī)廠1978年試制成功的6MW發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)按用途可以分為兩大類：一類作為地面機(jī)械（如發(fā)電機(jī)、船舶、機(jī)車、各種泵）的動(dòng)力；另一類作為飛機(jī)的動(dòng)力，稱為航空燃?xì)廨啓C(jī)。

圖3-4軸流式燃?xì)馔钙降慕Y(jié)構(gòu)示意圖

圖3-5徑流式燃?xì)馔钙降慕Y(jié)構(gòu)示意圖

圖3-6R－800－60燃?xì)廨啓C(jī)航空燃?xì)廨啓C(jī)有：用于飛機(jī)――渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)；用于直升機(jī)――渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。插圖3-6為燃?xì)廨啓C(jī)模型，可看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。插圖3-7為燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)物照片。插圖3-6燃?xì)廨啓C(jī)模型插圖3-7燃?xì)廨啓C(jī)第二節(jié)熱力渦輪機(jī)級(jí)的基本理論一、透平級(jí)的概念由靜、動(dòng)葉組成一個(gè)渦輪機(jī)的級(jí)。依靠沖動(dòng)力推動(dòng)的級(jí)稱為沖動(dòng)級(jí)；依靠反動(dòng)力推動(dòng)的級(jí)稱為反動(dòng)級(jí)。級(jí)的反動(dòng)度可用表示為

（3-1）

1.沖動(dòng)級(jí)

1）純沖動(dòng)級(jí)，反動(dòng)度。純沖動(dòng)級(jí)的作功能力較大，效率較低。

2）帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)，它具有沖動(dòng)級(jí)作功能力大和反動(dòng)級(jí)效率高的特點(diǎn)，所以得到廣泛應(yīng)用。

3）復(fù)速級(jí)。復(fù)速級(jí)的作功能力比單列沖動(dòng)級(jí)要大。為了改善復(fù)速級(jí)的效率，也采用一定的反動(dòng)度。圖3-7表示蒸汽流經(jīng)各種沖動(dòng)級(jí)的通流部分時(shí)，其壓力和速度的變化情況。

圖3-7沖動(dòng)級(jí)中蒸汽壓力和速度變化示意圖

2.反動(dòng)級(jí)反動(dòng)度的級(jí)叫做反動(dòng)級(jí)。反動(dòng)級(jí)的效率比沖動(dòng)級(jí)的高，但作功能力較小。圖3-8表示反動(dòng)級(jí)中蒸汽壓力和速度變化的情況。二、級(jí)內(nèi)工作過(guò)程（一）基本方程

1.狀態(tài)方程對(duì)理想氣體而言，有狀態(tài)方程（3-2）及比焓的關(guān)系式

圖3-8反動(dòng)級(jí)中蒸汽壓力和速度變化示意圖對(duì)于過(guò)熱蒸汽來(lái)說(shuō)，其狀態(tài)可以更準(zhǔn)確地用下式表達(dá)（3-3）當(dāng)蒸汽由過(guò)熱區(qū)向濕蒸汽區(qū)膨脹過(guò)渡時(shí)，最好使用水蒸氣表和焓熵圖。對(duì)于等熵過(guò)程，參數(shù)的變化可用等熵方程來(lái)表示，即（3-4）

2.連續(xù)方程（3-5）連續(xù)方程式的微分形式表示為（3-6）

3.能量方程（3-7）靜葉柵中既絕熱，也沒有機(jī)械功交換，則有（3-8）

4.運(yùn)動(dòng)方程對(duì)于一元定常等熵流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式為（3-9）將式（3-4）代入式（3-9）并積分得（3-10）（二）工質(zhì)在噴嘴中的膨脹過(guò)程

1.噴嘴中的汽流速度計(jì)算（1）噴嘴出口的汽流理想速度

（3-11）稱為噴嘴的理想焓降。令初速為零的滯止點(diǎn)為，則（3-12）將之值代入式（3-11）后，得噴嘴出口汽流理想速度為（3-13）

（2）噴嘴出口的汽流實(shí)際速度噴嘴出口的汽流實(shí)際速度c1比理想速度c1t小。（3-14）

噴嘴的速度系數(shù)φ與噴嘴的損失關(guān)系，可從流動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能損失△hnξ表示出來(lái)，即（3-15）噴嘴出口汽流的實(shí)際比焓值h1大于理想比焓值h1t，使熵增加，如圖3-9所示。圖3-10是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的漸縮噴嘴速度系數(shù)隨噴嘴高度的變化曲線。一般取。圖3-9蒸汽在噴嘴中的熱力過(guò)程圖3－10漸縮噴嘴速度系數(shù)φ隨噴嘴高度ln的變化曲線

2.蒸汽在噴嘴斜切部分中的膨脹汽流從噴嘴流出時(shí)，因結(jié)構(gòu)上的限制而形成汽流的噴嘴斜切部分（圖3-11中ABC段流動(dòng)）。

當(dāng)噴嘴出口斷面上的壓力比大于或等于臨界壓力比時(shí)，噴嘴喉部斷面AB上的流速小于或等于聲速。噴嘴的出汽角為（3-16）

圖3-11蒸汽在斜切部分的膨脹當(dāng)噴嘴出口斷面上的壓力比小于臨界壓力比時(shí)，汽流在噴嘴斜切部分的偏轉(zhuǎn)角δ1為（3-17）（三）工質(zhì)在動(dòng)葉柵中的流動(dòng)和速度三角形蒸汽進(jìn)入動(dòng)葉的絕對(duì)速度c1、相對(duì)速度w1和動(dòng)葉柵的圓周速度u之間的矢量關(guān)系，用3-12a所示速度三角形來(lái)表示，其值分別為（3-18）（3-19）

動(dòng)葉柵的幾何進(jìn)口角與進(jìn)汽角應(yīng)該相適應(yīng)。其出口絕對(duì)速度c2及出汽角，其值為（3-20）（3-21）

圖3-12動(dòng)葉柵進(jìn)出口速度三角形為了方便，將動(dòng)葉柵進(jìn)出口速度三角形繪在一起，如圖3-12b所示。圖中，及若不計(jì)動(dòng)葉損失，則動(dòng)葉柵出口汽流理想速度w2t為（3-22）

為動(dòng)葉柵滯止理想比焓降（J/kg），見圖3-13。圖3-13蒸汽在動(dòng)葉柵中的熱力過(guò)程動(dòng)葉柵出口實(shí)際相對(duì)速度w2可表示為（3-23）動(dòng)葉柵的能量損失Δhbξ也可用動(dòng)能損失表示，即（3-24）通常在汽輪機(jī)的動(dòng)葉柵中，Ψ＝0.85～0.95。

例3-1已知噴嘴前蒸汽壓力為p0＝2.8MPa，溫度t0＝400℃，噴嘴后蒸汽壓力p1＝1.95MPa，溫度t1＝350℃，噴嘴出汽角＝140，動(dòng)葉后的蒸汽壓力p2＝1.85MPa，溫度t2＝345℃。級(jí)的平均直徑dm＝1.3m，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速n＝3000r/min，蒸汽初速可以忽略不計(jì)。試求該級(jí)的噴嘴和動(dòng)葉的速度系數(shù)和Ψ。解：根據(jù)已知條件可在h－s圖上查得：初比焓h0＝3235.8kJ/kg，噴嘴后蒸汽實(shí)際比焓h1＝3139.7kJ/kg。過(guò)初始點(diǎn)作等熵線交p1線可得噴嘴后蒸汽理想比焓h1t＝3132.0kJ/kg。噴嘴理想比焓降噴嘴損失

噴嘴速度系數(shù)該動(dòng)葉圓周速度

噴嘴出口汽流速度動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)速度

由p2、t2及過(guò)噴嘴出口狀態(tài)點(diǎn)作等熵線交p2，可查得：動(dòng)葉后蒸汽實(shí)際比焓h2＝3130.65kJ/kg，理想比焓h2t＝3135.16kJ/kg。動(dòng)葉進(jìn)口滯止比焓滯止動(dòng)葉理想比焓降動(dòng)葉損失

動(dòng)葉速度系數(shù)

第三節(jié)渦輪機(jī)級(jí)的損失與效率

一、蒸汽作用在動(dòng)葉片上的力和輪周功如圖3-14所示，蒸汽對(duì)動(dòng)葉片的總作用力為Fb，則有（3-25）把單位時(shí)間內(nèi)汽流對(duì)動(dòng)葉片所作的功稱為輪周功率（3-26）或（3-27）

圖3-14蒸汽流過(guò)動(dòng)葉柵的汽流圖當(dāng)qm＝1kg/s時(shí)，上式表示1kg蒸汽所產(chǎn)生的有效功，或稱級(jí)的作功能力，用Pu1表示，則

（3-28）或（3-29）

沖動(dòng)級(jí)動(dòng)葉片的進(jìn)、出汽角和值均較小，所以作功能力較大；而反動(dòng)級(jí)動(dòng)葉片的和角均較沖動(dòng)級(jí)大，所以它的作功能力較小。利用速度三角形的三角函數(shù)關(guān)系式，可得輪周功率的另一種表示形式為（3-30）余速損失Δhc2為（3-31）在多級(jí)汽輪機(jī)中，余速利用系數(shù)μ＝0～1。被下一級(jí)利用的余速動(dòng)能Δhμ1為（3-32）

由圖3-15所示，級(jí)的輪周有效比焓降Δhu為（3-33）二、級(jí)的輪周效率與最佳速度比透平級(jí)的輪周效率為（3-34）輪周效率也可以從能量損失的角度來(lái)表示，即

圖3-15h－s圖中汽輪機(jī)級(jí)的熱力過(guò)程（3-35）由式（3-35）可知，透平級(jí)的輪周效率的高低與三項(xiàng)損失的大小有關(guān)。在一定的c1下，改變u，可以得到三種不同的情況，如圖3-16所示。圖3-16b中，因出口速度c2在軸方向，故c2為最小。即余速損失最小，這個(gè)速度比叫最佳速度比。

圖3-16不同速度比下純沖動(dòng)級(jí)的速度三角形

a)b)c)

現(xiàn)根據(jù)不同類型的汽輪機(jī)級(jí)的不同特點(diǎn)，來(lái)分析速度比與輪周效率的關(guān)系。

1.純沖動(dòng)級(jí)的輪周效率和最佳速度比（1）不考慮余速利用級(jí)的輪周效率為（3-36）圖3－17中，x1－ηu曲線為一近似的拋物線，稱為輪周效率曲線。最佳速度比（x1）op值可得（3-37）

圖3-17純沖動(dòng)級(jí)x1－ηu關(guān)系曲線圖由于c1之值不易測(cè)得，所以往往用xa代替x1。其關(guān)系如下對(duì)于純沖動(dòng)級(jí)，Ωm＝0，所以最佳速度比為（xa）op（3-38）若，，則（2）考慮余速利用

計(jì)算表明，當(dāng)、及時(shí)，對(duì)于的沖動(dòng)級(jí)，；對(duì)于的沖動(dòng)級(jí)，?？梢?，當(dāng)沖動(dòng)級(jí)的余速動(dòng)能全部被下一級(jí)利用時(shí)，可以大大提高最佳速度比。

2.帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)的輪周功率和最佳速度比由計(jì)算可知，對(duì)Ωm＝0.05～0.20的沖動(dòng)級(jí)，其最佳速度比（xa）op宜在0.48～52之間選取。

3.復(fù)速級(jí)復(fù)速級(jí)的速度三角形如圖3-18所示。

復(fù)速級(jí)的輪周效率為（3-39）最佳速度比為（3-40）或（3-41）圖3-18汽輪機(jī)復(fù)速級(jí)速度三角形速度比在x1＝0.2～0.28范圍內(nèi)，復(fù)速級(jí)的達(dá)到最大值。

4.反動(dòng)級(jí)反動(dòng)級(jí)中的反動(dòng)度Ωm＝0.5。據(jù)輪周效率的表達(dá)式可求得最佳速度比（3-42）或（3-43）

當(dāng)和時(shí)，可得及。反動(dòng)級(jí)的輪周功率的變化在速度比最大值附近是平坦的，因此反動(dòng)級(jí)適宜于工況變化比較頻繁的機(jī)組中。三、級(jí)內(nèi)損失和級(jí)的效率

1.汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)損失計(jì)算級(jí)的損失需要根據(jù)其實(shí)際情況而定。（1）葉高損失葉高損失用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算（3-44）（2）扇形損失扇形損失的計(jì)算公式如下（3-45）（3）葉輪摩擦損失摩擦耗功的經(jīng)驗(yàn)公式如下若級(jí)的進(jìn)汽量為Dl，則葉輪摩擦損失為（3-46）（4）部分進(jìn)汽損失

1）鼓風(fēng)機(jī)損失

2）斥汽損失（弧端損失）①噴嘴中流出的高速汽流要排斥并加速停滯在汽道內(nèi)的蒸汽；②在噴嘴組出口段與葉輪的間隙A中發(fā)生漏汽，如圖3-19所示；③在噴嘴組進(jìn)入端的間隙B中，則將一部分停滯蒸汽吸入汽道。部分進(jìn)汽損失的推薦計(jì)算公式如下（3-47）（5）漏汽損失隔板漏汽損失用下式確定（3-48）動(dòng)葉頂部的漏汽損失為圖3-19部分進(jìn)汽時(shí)蒸汽流動(dòng)示意圖（3-49）式中，Δqmt為葉頂漏汽量，另有公式計(jì)算。（6）濕汽損失濕汽損失Δhx和濕汽損失系數(shù)通常用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算（3-50）（3-51）

2.汽輪機(jī)級(jí)效率考慮了級(jí)內(nèi)各項(xiàng)損失后，級(jí)的實(shí)際熱力過(guò)程曲線如圖3-20所示。級(jí)的內(nèi)功率Pi為（3-52）級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率當(dāng)考慮余速被下一級(jí)部分利用時(shí)，可表示為圖3-20級(jí)的實(shí)際熱力過(guò)程曲線（3-53）當(dāng)余速未被利用時(shí)，即，（3-54）級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率是衡量汽輪機(jī)的一個(gè)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它的大小與所選用的葉型、反動(dòng)度、速度比和葉高有密切的關(guān)系，也與蒸汽的性質(zhì)和級(jí)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

第四節(jié)多級(jí)渦輪機(jī)

一、多級(jí)渦輪機(jī)的熱力過(guò)程對(duì)大多數(shù)的級(jí)來(lái)說(shuō)，汽流的馬赫數(shù)均保證在Ma<1，級(jí)速比則接近最佳速度比，以保證整臺(tái)汽輪機(jī)有良好的經(jīng)濟(jì)性。圖3-21中示出了一臺(tái)多級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)。蒸汽在多級(jí)汽輪機(jī)中的工作熱力過(guò)程與級(jí)中的工作過(guò)程一樣，可以用h-s圖上的熱力過(guò)程線表示，如圖3-22所示。圖3-21多級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)圖3-22多級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)的熱力過(guò)程線二、重?zé)嵯禂?shù)若汽輪機(jī)的級(jí)數(shù)為n時(shí)（3-55）式（3-55）也可寫成（3-56）式中，稱為重?zé)嵯禂?shù)

當(dāng)汽輪機(jī)的級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率為時(shí)，則。若各級(jí)相對(duì)內(nèi)效率均相等，并用表示，則整個(gè)汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率（3-57）由式（3-57）可見，整機(jī)的內(nèi)效率大于各級(jí)的平均內(nèi)效率。但越大，整機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率越低。一般多用半經(jīng)驗(yàn)公式估算重?zé)嵯禂?shù)（3-58）三、多級(jí)渦輪機(jī)的損失多級(jí)汽輪機(jī)中，除了級(jí)內(nèi)損失外，還有

1.前后端軸封漏氣損失為了防止泄漏，經(jīng)常采用各種結(jié)構(gòu)形式的軸封和密封，其中應(yīng)用最廣泛的是齒形軸封，又稱曲徑軸封，如圖3-23所示。圖3-23齒形軸封中蒸汽壓力的變化

2.汽輪機(jī)進(jìn)汽機(jī)構(gòu)中的節(jié)流損失和排汽管中的壓力損失（1）進(jìn)汽機(jī)構(gòu)中的節(jié)流損失由圖3-24可見，這種由于節(jié)流作用引起的焓降損失（），稱為進(jìn)汽機(jī)構(gòu)中的節(jié)流損失。若第一級(jí)噴嘴前的壓力為，則因節(jié)流引起的壓力損失為（3-59）圖3-24考慮了進(jìn)汽機(jī)構(gòu)中損失后的熱力過(guò)程曲線高低壓缸之間用連通管連接時(shí)，由于摩擦所引起的壓力損失為連通管壓力ps的2～3％，即（3-60）（2）排汽管中的壓力損失壓力損失常用下式確定（3-61）在上述汽流范圍內(nèi)，排汽管壓力損失Δpc＝（0.02～0.06）pc。

3.機(jī)械損失汽輪機(jī)的機(jī)械效率ηax為（3-62）式中，Pax稱為軸端功率。

4.汽輪機(jī)裝置的效率如果汽輪機(jī)裝置按朗肯循環(huán)工作，在不考慮水泵耗功時(shí)，裝置的循環(huán)熱效率ηt為（3-63）

汽輪發(fā)電機(jī)組的絕對(duì)電效率表示為（3-64）衡量汽輪發(fā)電機(jī)組的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是絕對(duì)電效率、汽耗率d和熱耗率q。汽耗率（3-65）

熱耗率

（3-66）汽耗率不宜用來(lái)比較不同類型機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，只能對(duì)同類型同參數(shù)汽輪機(jī)評(píng)價(jià)其運(yùn)行管理水平，而熱耗率則可用于評(píng)價(jià)不同參數(shù)的汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。四、汽輪機(jī)的配汽方式

1.噴嘴配汽噴嘴配汽汽輪機(jī)有多個(gè)（組）調(diào)節(jié)閥，它的第一級(jí)為部分進(jìn)汽，并配置若干個(gè)噴嘴組。噴嘴配汽汽輪機(jī)的主要特點(diǎn)：

1）由于小部分蒸汽受到節(jié)流，從而大大改善了機(jī)組低負(fù)荷的熱經(jīng)濟(jì)性。

2）由于節(jié)流，效率降低，使效率特性曲線呈波浪形。

3）噴嘴配汽汽輪機(jī)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較差。如圖3-25所示，第1組閥門全開時(shí)壓差最大。

4）在非臨界工況下，通過(guò)全開閥門的蒸汽量反而會(huì)降低。

2.節(jié)流配汽節(jié)流配汽汽輪機(jī)利用調(diào)節(jié)閥對(duì)蒸汽節(jié)流，以控制進(jìn)入汽輪機(jī)的流量。節(jié)流配汽常適用于大功率、高參數(shù)帶基本負(fù)荷的機(jī)組。此外，還有滑壓調(diào)節(jié)和旁通配汽方式。五、汽輪機(jī)的工況圖汽輪發(fā)電機(jī)組的功率與汽耗量間的關(guān)系曲線稱為汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的工況圖。

1．圖3-26所示為節(jié)流調(diào)節(jié)的凝汽式汽輪機(jī)工況圖，其汽耗特性方程為

（3-67）對(duì)節(jié)流配汽凝汽式汽輪機(jī)進(jìn)行變工況核算，可得曲線，如圖3-26所示。

圖3-25噴嘴配汽各噴嘴組前的壓力分布曲線圖3-26節(jié)流調(diào)節(jié)汽輪機(jī)D、d、ηr，el與Pel關(guān)系曲線

2．圖3-27所示為具有四個(gè)調(diào)節(jié)汽門的噴嘴調(diào)節(jié)凝汽式汽輪機(jī)的汽耗量、汽耗率、相對(duì)電效率與電功率的關(guān)系曲線。汽耗特性方程在小于經(jīng)濟(jì)功率（Pel）e時(shí)為（3-68）在大于經(jīng)濟(jì)功率時(shí)為（Pel）e時(shí)為（3-69）圖3-27噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機(jī)D、d、ηr，el與Pel關(guān)系曲線第五節(jié)汽輪機(jī)的變工況一、噴嘴在變動(dòng)工況下的工作

1.漸縮噴嘴的變動(dòng)工況及其流量網(wǎng)見圖3-28中曲線ABC。當(dāng)p1>pcr,即ε1>εcr時(shí)，隨著背壓p1的減小，流量G沿AB線逐漸增加，其值可按下式計(jì)算：（3-70）當(dāng)p1≤pcr,即ε1≤εcr時(shí)，流量達(dá)到臨界值并保持不變，如圖中BC線表示，即（3-71）在小于臨界流量的范圍內(nèi)，式（3-70）可用橢圓方程表示為：或（3-72）圖3-28漸縮噴嘴流量與壓力關(guān)系曲線當(dāng)初壓不變時(shí)，對(duì)應(yīng)任一背壓，通過(guò)漸縮噴嘴的流量均可用下式計(jì)算：（3-73）當(dāng)噴嘴前、后蒸汽參數(shù)同時(shí)改變時(shí)，若視蒸汽為理想氣體，則通過(guò)漸縮噴嘴的流量為（3-74）可近似認(rèn)為變動(dòng)工況下噴嘴前蒸汽溫度不變，于是式（3-74）可簡(jiǎn)化為（3-74a）

如果設(shè)計(jì)工況和變動(dòng)工況均為臨界工況，則，有（3-75）略去初溫的變化，則（3-75a）為了查用方便，常把圖中的壓力與流量用相對(duì)坐標(biāo)表示。

令相對(duì)初壓，相對(duì)背壓。噴嘴的任意流量G與最大臨界流量G0m之比可表示為（3-76）在臨界狀態(tài)下，β＝1，βm＝ε0。

在亞臨界狀態(tài)下，將式（3-72）中括號(hào)里的分子和分母同時(shí)除以得即（3-77）或（3-78）由此可得到漸縮噴嘴流量網(wǎng)圖，見圖3-29。利用圖中三個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)可確定第三個(gè)。

2.縮放噴嘴的變動(dòng)工況在工況變動(dòng)的一定范圍內(nèi)，縮放噴嘴中可能出現(xiàn)沖波，這正是它與漸縮噴嘴工作狀態(tài)的本質(zhì)差別。圖3-30顯示了在變動(dòng)工況下，縮放噴嘴內(nèi)壓力和速度的變化狀況。圖3-29漸縮噴嘴流量網(wǎng)圖（適用于過(guò)熱蒸汽）圖3-30變工況下縮放噴嘴汽流參數(shù)及流量變化曲線二、汽輪機(jī)級(jí)的變動(dòng)工況

1．級(jí)前后壓力與流量的關(guān)系

1）設(shè)計(jì)工況和變動(dòng)工況下級(jí)均為臨界狀態(tài)級(jí)在臨界工況下工作時(shí)，其噴嘴或動(dòng)葉必定處于臨界狀態(tài)。當(dāng)噴嘴在臨界工況下工作時(shí)，根據(jù)式（3-75）有：（3-79）當(dāng)動(dòng)葉在臨界工況下工作時(shí)，經(jīng)推導(dǎo)可得（3-80）在作級(jí)的變工況估算時(shí)，通常忽略動(dòng)葉頂部間隙的漏汽。則有（3-81）

2）設(shè)計(jì)工況和變動(dòng)工況下級(jí)均為亞臨界狀態(tài)經(jīng)推導(dǎo)可得

（3-82）

3）一種工況下，級(jí)達(dá)臨界狀態(tài)，而在另一種工況下，級(jí)未達(dá)臨界狀態(tài)此時(shí)，級(jí)的變工況計(jì)算比較復(fù)雜，無(wú)法給出一個(gè)流量與蒸汽參數(shù)之間的具體關(guān)系式。

2.級(jí)內(nèi)反動(dòng)度的變化因焓降（或速度比）的變化所引起的反動(dòng)度的變化用表示，可用下面討論的方法進(jìn)行計(jì)算：（3-83a）

對(duì)沖動(dòng)式汽輪機(jī)，可近似地認(rèn)為,于是得到：（3-83b）在運(yùn)行中，如果級(jí)內(nèi)速度比及面積比都發(fā)生變化，則級(jí)內(nèi)反動(dòng)度的變化為（3-83c）三、汽輪機(jī)級(jí)組的變動(dòng)工況

1.級(jí)組前、后壓力與流量的關(guān)系級(jí)組是若干個(gè)流量相等的相鄰級(jí)的組合，如圖3-31。若該機(jī)組中各級(jí)在變動(dòng)工況下始終處于亞臨界狀態(tài)，則有：（3-84）或（3-84a）

圖3-31汽輪機(jī)級(jí)組示意圖若機(jī)組中某一級(jí)始終處于臨界狀態(tài)，此時(shí)，對(duì)于最后一級(jí)，由式（3-81）有：或（3-85）可以證明

（3-86）由此可知，此時(shí)通過(guò)機(jī)組的流量與該機(jī)組中所有各級(jí)級(jí)前壓力成正比。

2．級(jí)組壓力與流量關(guān)系式的應(yīng)用條件（1）在同一工況下，通過(guò)同一級(jí)組各級(jí)的流量應(yīng)相等；（2）在不同工況下，級(jí)組中各級(jí)的通流面積應(yīng)保持不變；（3）流過(guò)級(jí)組各級(jí)的汽流應(yīng)是一股均質(zhì)流；（4）嚴(yán)格地說(shuō)，級(jí)組壓力與流量關(guān)系式（3-84）適用于具有無(wú)窮多級(jí)數(shù)的級(jí)組。第六節(jié)供熱汽輪機(jī)一、供熱汽輪機(jī)的熱經(jīng)濟(jì)性對(duì)于凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)裝置的相對(duì)熱效率為：（3-87）式中——進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽焓值（kJ/kg）；

——離開最后一級(jí)高壓加熱器進(jìn)入鍋爐的給水焓值（kJ/kg）。凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組的絕對(duì)熱效率為：供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組的絕對(duì)熱效率應(yīng)為

（3-88）

由式（3-87）和式（3-88）可得

（3-89）

可見，供熱式汽輪機(jī)的熱效率大于凝汽式汽輪機(jī)的熱效率，且二者差值與其熱電比有關(guān)。二、背壓式汽輪機(jī)

1．背壓式汽輪機(jī)的特點(diǎn)背壓式汽輪機(jī)的主要任務(wù)是在一定的排汽參數(shù)下供應(yīng)用戶規(guī)定的蒸汽量，并能同時(shí)發(fā)出一定的電能。背壓式汽輪機(jī)一般采用噴嘴調(diào)節(jié)。背壓式汽輪機(jī)與凝汽式汽輪機(jī)相比，葉片長(zhǎng)度與部分進(jìn)氣度均較大，效率較高。背壓式汽輪機(jī)是以熱定電的。中壓電廠加以改造時(shí)，可以設(shè)置背壓式汽輪機(jī)，稱為前置式汽輪機(jī)。

2．背壓式汽輪機(jī)熱、電負(fù)荷間的關(guān)系若熱負(fù)荷為、排汽焓為，則排汽量即為進(jìn)汽量（3-90）

圖3-32背壓式汽輪機(jī)和凝汽式汽輪機(jī)并列運(yùn)行圖3-33前置式背壓式汽輪機(jī)的熱力系統(tǒng)圖在沒有電網(wǎng)供電的地區(qū)，背壓式汽輪機(jī)不能單獨(dú)運(yùn)行，而必須與凝汽式汽輪機(jī)并列運(yùn)行，如圖3-32所示。上述的運(yùn)行方式，效率不高，故有圖3-33所示的運(yùn)行方式，即按前置式汽輪機(jī)方式布置。三、一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)

1．一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)的特點(diǎn)將并列運(yùn)行的背壓式汽輪機(jī)與凝汽式汽輪機(jī)合并就成了一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)，如圖3-34所示。圖3-34一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)的系統(tǒng)示意圖

2．一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)功率與流量的關(guān)系如不考慮回?zé)岢槠?，則有：（3-91）（3-92）用圖3-34符號(hào)，則汽輪機(jī)的內(nèi)功率和為（3-93）（3-94）

于是

（3-95）一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)的工況圖，見圖（3-35）。

圖3－35一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)的工況圖第七節(jié)火箭及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)一、火箭推進(jìn)概述

1.火箭的運(yùn)動(dòng)與推力火箭的運(yùn)動(dòng)是由直接反作用引起的，如圖3-36a所示。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是直接反作用式發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)器合為一體，射流產(chǎn)生的反作用力直接施加在發(fā)動(dòng)機(jī)上。間接反作用式裝置，例如空氣螺旋槳飛機(jī)（圖3-36b），作為能源的部件（發(fā)動(dòng)機(jī)）和利用發(fā)動(dòng)機(jī)的能量來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的部件（推進(jìn)器）兩者是分開的；推動(dòng)飛行器前進(jìn)的反作用力施加在推進(jìn)器上，而不是施加在發(fā)動(dòng)機(jī)上?？諝鈬姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)需利用周圍的空氣來(lái)產(chǎn)生噴氣射流，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)則不需利用周圍空氣而只用自身攜帶的物質(zhì)來(lái)產(chǎn)生噴氣射流?？諝鈬姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)至少應(yīng)當(dāng)由下列五個(gè)部件組成：進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和噴管，如圖3-37所示。插圖3-8為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物照片。圖3-36直接與間接反作用的比較圖3-37渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理簡(jiǎn)圖插圖3-8渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)因此，裝有空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器只能在大氣層中推進(jìn)，在真空中只能靠慣性飛行；而裝有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器，則無(wú)論在大氣層內(nèi)或在大氣層外都能推進(jìn)。今以化學(xué)能火箭為例，見圖3-38?；鸺谕七M(jìn)過(guò)程中是變質(zhì)量系統(tǒng)，但如把噴出的質(zhì)量也包括進(jìn)來(lái)，就仍然是定質(zhì)量系統(tǒng)。設(shè)為每秒噴出的燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量，即

（3-96）圖3-38火箭作直線運(yùn)動(dòng)于是，根據(jù)動(dòng)量定理有（3-97）將式（3-97）展開并略去二階微量，得火箭運(yùn)動(dòng)的方程式：（3-98）

在外力中的氣動(dòng)阻力和重力不應(yīng)該包括在發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)力之中。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)推力的基本公式為（3-99）可見，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力由動(dòng)量推力（動(dòng)推力）（動(dòng)推力）和壓力推力（靜推力）兩部分組成。動(dòng)推力是推力的主要部分。如果把靜推力也換算稱動(dòng)推力，則式（3-99）為

（3-100）式中，vef為等效排氣速度。（3-101）

在整個(gè)工作時(shí)間tn內(nèi)，推力產(chǎn)生的總沖量（簡(jiǎn)稱總沖）記作I，則（3-102）平均比沖量（簡(jiǎn)稱平均比沖），記做Is，則（3-103）任意瞬間的比沖（比推力）定義為

（3-104）因此，瞬時(shí)比沖實(shí)際上就是等效排氣速度。比沖是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。比沖大，說(shuō)明可以用較少的推進(jìn)劑獲得需要的總沖。它既是能量指標(biāo)，又是經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)?；鸺睦硐腼w行速度公式為（3-105）

火箭的理想飛行速度大于實(shí)際飛行速度，它也是一