涡轮机及喷气发动机.ppt

第四节 多级涡轮机,一、多级涡轮机的热力过程1）必要性汽轮机工作条件：初压：23.5Mpa左右；背压：真空度0.0034Mpa下工作；理想比焓降：达10001600kJ/kg；从经济性角度：叶片平均直径处圆周速度：1000m/s 汽流的马赫数：Ma=33.5。要保证在最佳速度比工作时，避免单级的圆周速度超过材料的极限强度；采用多级汽轮机。,2）多级汽轮机 蒸汽在依次连接的多级中相继作功；十多级每一级只利用整个汽轮机比焓降中的一小部分；高压、中压部分的级、叶片的圆周速度：120250m/s；低压缸末几级圆周速度：350450m/s；对多数的级汽流的马赫数：Ma1；级速比接近最佳速度比；汽轮机的输出功率=各级功率之和。,3）多级汽轮机热力过程：进汽节流过程：各级实际膨胀过程：排汽节流过程调节阀前状态：A0（po，to）；第一级喷嘴前的状态：（）调节阀的节流损失后排气背压冷凝器压力；点末级动叶排汽时排汽管压力损失，所以，；点 汽轮机总理想焓降：级内理想焓降：有效焓降,4）多级的特点：a）单级焓降小，提高单机功率，保证在最佳速比附近工作，提高机组效率；b）喷嘴出口速度小，可减小级的平均直径提高叶片高度，减小叶顶端损失，或增大部分进汽度，减小部分进汽损失；c）级的焓降较小，可用渐缩喷嘴，提高喷嘴效率；d）蒸汽在汽轮机中的工作过程为绝热过程，上一级损失转为热能，使进入本级时温度升高，故增大级的理想焓降,二、重热系数,表示多级汽轮机能量损失中，回收热能的程度。Q：级的能量损失中回收的热能;级内的能量损失转变成热能，加热工质，提高级后蒸汽的焓值。对n级汽轮机：各级理想比焓降之和=各级等熵理想比焓降之和+各级回收热能之和,即,设 各级的相对内效率相等，为，则 各级实际比焓降为：总的级的实际比焓降:整个汽轮机的相对内效率：,整机内效率大于各级的平均内效率；但 越大，越小。因为，重热只能回收总损失的一部分，不能补偿损失的全部。重热系数的半经验公式：在过热区：K=0.2；饱和区：K=0.12；部分在过热区，部分在饱和区工作时K=0.140.18。Z：级数,三、多级涡轮机的损失多级涡轮机除级内损失以外，还有1）前后端轴封漏汽损失漏汽原因：旋转件和固定件之间留有间隙，间隙两端存在压差而漏汽。漏汽不流经主流道，不参加作功漏汽损失 防止措施：齿形轴封。密封原理降低压差（压降）结构：高低齿与轴上凸肩相错对应，而者之间留有径向环形齿隙；每两个齿间形成环形汽室。汽室内的蒸汽流动：蒸汽通过环形齿隙时，通道面积减小，速度增大，压力降低；,流入齿后，汽室体积突然扩大，汽流产生涡流和碰撞，其动能全部转换为热能；使蒸汽焓值得到回复。每个齿隙只承担轴封总压降的一部分。,2）进气节流损失 进气节流损失指蒸汽从初状态引入第一级喷嘴之前，流经主汽阀、调节阀、管道以及蒸汽室时因压力损失造成的焓降损失。设第一级喷嘴前压力为，则节流引起的压力损失为：高低压缸之间用连通管连接时，因摩擦而造成的压力损失为：连通管压力,3）排汽管压力损失设冷凝器的静压为，汽轮末级出口后的静压为，排汽管压力损失主要包括流动摩擦损失和涡流而产生的压降；即：排汽管阻力系数（0.050.1），:排汽管中的汽流速度（80100m/s）,4）机械损失 汽轮机运行时克服径向轴承、推力轴承的摩擦阻力；带动调速器、主油泵等所消耗的功率 机械损失；汽轮机内功率为，则，轴端功率为：汽轮机的机械效率：,5）汽轮机装置的效率郎肯循环：水等压加热变为水蒸气的过程d-a；（第五章）水蒸气在汽轮机内绝热膨胀过程a-b；排出的水蒸气在冷凝器内定压凝结为饱和水的过程b-c；水在水泵内绝热压缩过程c-d等构成循环效率：水蒸气初比焓，：凝结水比焓。a）汽轮发电机组的绝对电效率：相对电效率：,汽轮机内效率：汽轮发电机组的绝对电效率：相对电效率：汽轮机机械效率：,其中，：发电机效率；：发电机线端功率；：流量（kg/h）：末级高压加热器出口的给水比焓（采用回热系统时）。b）汽耗率d：每发1kwh电所消耗的蒸汽量；只用于同类型机组的经济性比较。c）热耗率：每发1kwh 电所消耗的热量。可用于评价不同参数的汽轮机组的经济性。,四、汽轮机的配汽方式,配汽方式=汽轮机负荷调节方式，由外界负荷变化调节输出功。两种基本配汽方式：喷嘴配汽和节流配汽1 喷嘴配汽方式配汽方法：设多个调节阀；第一级为部分进汽，并配置若干个喷嘴组；调节阀数目=喷嘴组数目；每个调节阀只控制一个喷嘴组的进汽；通过不同调节阀的开关控制，改变工作喷嘴数目，控制进入汽轮机的流量，实现负荷调节。因这种汽轮机的第一级能改变流通面积，所以称为调节级。,配汽方式的特点：1)各阀依次开启（关闭），任意工况下，仅一个阀为部分开启，其余各阀均全开（全关）只有流过部分开启阀的小部分蒸汽受到节流，改善机组低负荷的热经济性。2）全开阀门无节流，部分开阀门受到节流，所以调节级内有两股初参数不同的工作蒸汽，而级后压力相同。相当于节流部分，效率降低。3）汽轮机负荷变化时，调节级前后的压力和焓降随之变化。第1组阀门全开时压差最大，焓降也最大，而部分进汽最小调节级叶片应力状态最差；调节级后温度变化幅度较大，且沿圆周分布不均匀，热负荷大，所以，喷嘴配汽对负荷变化的适应性较差4）随功率所需蒸汽量时，随着后一个阀门开启，级后压力增大，在非临界状态，通过全阀门的蒸汽量反而会降低。,2节流配汽根据汽轮机负荷大小，利用调节阀直接对进入蒸汽节流，以控制进入汽轮机的蒸汽量。特点：结构简单，成本低。无调节级，除小功率外，汽轮机第一级均设计为全周进汽，改善第一级动叶强度和第一级后温度分布不均匀性。缺点：除最大负荷工况外，调节阀均在部分开启状态，所以蒸汽节流，理想焓降减少，低负荷时热经济性较差。常用于大功率高参数机组。最大负荷时经济性与喷嘴配汽式相近。,五、汽轮机的工况图,汽轮机工况图：指汽轮机组的功率与汽耗量间的关系曲线。节流调节的凝汽式汽轮机的工况：汽耗特性方程：发电机组空载汽耗，dl：汽耗率，即增加单位功率所需增加的汽耗量d,4个调节汽门系统:a点三个汽门全开，截流损失最小，效率最高d点四个汽门全开全负荷,第五节 火箭及喷气发动机,一、火箭推进概述1火箭的运动与推进原理直接反作用装置：如火箭等喷气式发动机，特点：发动机和推进器合为一体，将各种形式的能量转换成射流的动能；射流产生的反作用力直接作用在发动机上。间接反作用式装置：如螺旋桨飞机，特点：发动机和推进器分开;发动机作为动力源，工质为燃料燃烧的产物，推进器作为产生运动部件，工质为空气；推动飞机前进的反作用力作用在推进器上。,直接反作用喷气式发动机：有空气喷气发动机和火箭发动机1）空气喷气发动机：由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管等组成；特点：利用周围的空气通过燃烧产生喷气射流。图3-27 其理想循环：进汽道和压气机中的定熵压缩过程；燃烧室中的等压加热过程；涡轮和喷管中的定熵膨胀过程；对外等压放热过程。只能在大气层中推进，在真空层中只能靠惯性飞行。,2）火箭发动机：发动机和推进器合为一体 特点：不用周围空气，只用自身携带的物质，产生射流；所以，在大气层或在大气层外都能推进。3）火箭反作用运动和推力的产生原理火箭燃烧产物是从火箭本身喷出，故在推进过程中火箭是变质量系统；设，系统包括喷出的质量定质量系统，由动量定律：系统动量变化=冲量变化,t 时刻：系统质量为M，速度u；t+dt 时刻：系统质量分为火箭质量：，速度：排出的质量：速度：其中，：每秒喷出的燃烧产物质量，：燃烧产物相对火箭的后喷速度,数学模型：,由动量定律：火箭所受外力的矢量和，包括表面静压力、气动阻力、重力等 将上式展开，略去二阶微量，整理后得，a）火箭运动方程：说明：相对定质量物体运动方程相比，多了 项，数值上等于从火箭喷出的燃烧产物的动量变化率。因 为负值，其力方向与喷流方向相反，指向火箭运动方向；若把 加入到 中变质量系统具有定质量系统方程式,b）发动机推力方程：在外力中气动阻力和重力并不推动发动机，所以发动机推力方程为：推力由两部分组成F：发动机推力，方向指向火箭方向；Ae：喷管出口面积；pe：作用在Ae截面上燃烧产物的压力；pa：火箭外壳表面上的当地高度上的大气压力。,动量推力：单位时间喷出的燃烧产物的动量变化,压力推力：出口截面上燃烧产物压力和火箭表面大气压差造成的静推力,在上式中，：是燃烧产物对发动机的反作用力，称为内推力；是燃烧产物作用于火箭内表面上压力的轴向合力；：外部介质作用于火箭外表面上压力的轴向合力，称为外推力。所以推力的定义：火箭内表面上的作用力和外表面上的作用力之轴向合力。设将静推力换算成动推力时，等效排气速度为：则,c）平均比冲量Is 在tn时间内，发动机推力产生的总冲量I为：平均比冲量：单位质量推进剂产生的冲量。即 Mp：推进剂烧掉的总质量,任意瞬间的比冲：等于等效排气速度。即是衡量火箭发动机性能的重要参数。大，表明用少量推进剂获得大的总冲，对一定飞行距离，直接影响火箭的外形尺寸，或对一定火箭影响可飞行距离。,d）火箭飞行速度 火箭的理想飞行速度：与比冲量成正比。,火箭初始质量此时=0,喷出燃烧产物后质量减少到M时，火箭理想飞行速度升高到。,理想条件下，火箭的飞行速度与不断喷出燃烧产物过程中自身质量变化量有关。,2.化学能火箭发动机的构造和能量转化过程a）化学能火箭发动机的特点：能源：推进剂的化学能，推进剂的燃烧产物为工质；推进剂：包括燃烧剂和氧化剂。b）分类：根据推进剂的物理形态分为 固体推进剂火箭发动机：燃烧剂和氧化剂结合在一起制成装药，直接置于燃烧室内；液体推进剂火箭发动机：全部液态推进剂，需专门的推进剂贮箱和输送系统;固-液混合型火箭发动机：部分使用液态推进剂，需专门的推进剂贮箱和输送系统。,固体火箭发动机,液体火箭发动机,固-液体混合型火箭发动机,高压气瓶,液体推进剂贮箱,固体装药,燃烧室,喷注器,减压阀,c）工作原理：推进剂蕴藏大量化学能点火燃烧，部分转变为热能，燃烧室内燃烧产物的最高温度达20003000K，压力达几20MPa；燃烧产物流经特定形状喷管，膨胀加速，降温降压，更多的热能转化为动能；喷口截面处出口速度可达20002500m/s，动能最大；发动机喷出大量燃烧产物，自身按直接反作用原理向前推进。推力对火箭发动机作推进功，其一部分又转变成火箭本身的动能。,二、火箭发动机的性能,1最佳推力：因 当喷管总压 及喉部面积At一定，则秒流量 一定。此时，喷管出口面积Ae的变化，改变喷管膨胀Ae/At比，直接影响排气速度ue和压力pe影响推力的变化。所以，存在最佳推力。令，取F极值，得,在出口截面上，dt时间，动量的变化，；此时，Ae不变，pe变化为；冲量为：时，所以，；，代入上式，得 F取极值的条件：又，求二阶倒数：,由，,，再对Ae求导，得代入上式，得 在扩张管中，dpe和dAe符号相反，所以，即，在 pe=pa 处，F取极大值，为最佳推力,即。是在设计高度（pe=pa），获得，低于或高于设计高度，推力均小于最佳推力。,2总冲总冲同时考虑推力的大小和推力对火箭作用时间；火箭载荷一定时，总冲越大，射程越远。由：为装药质量。在发动机工作时间，uef近似常数，I取决于uef和Mp，但I不能反映推进剂能量的高低，和内部工作过程完善程度。,3比冲 比冲的瞬时值：反映推进剂能量的高低，同时反映燃烧和膨胀过程的质量。所以是全面衡量发动机性能的重要参数。影响因数：推进剂性能、喷管膨胀比及外界压力。,第六节 水轮机概述,一、水轮机的工作原理和类型1 水轮机的作用：将水流的机械能转换成转轮的机械能，转轮带动主轴克服各种阻力而连续运转2 工作原理：水流经引水道切向进入水轮机，将其动能传给水轮机，使水轮机旋转而作功。带动发电机组对外输出电能。3 分类：根据转轮前后水流单位压力势能情况分为反击型和冲击型。反击型：的水轮机，转轮前后压力；水的密度。冲击型：的水轮机。,二、水轮机的工作参数 主要参数：工作水头、流量、水轮机的功率及效率。1水量：kg；：水的体积流量（m3/s），A：横断面积;t：测量流量的时间（s）。2水流的机械能 单位质量水流的机械能：J/kg a：动能不均匀系数。,所以，水流的机械能：水流传给水轮机的机械能=水轮机进口断面与出口断面出的机械能之差。即3水轮机的工作水头H：又，：水电站的静压水头，：引水管沿程损失和局部损失之和。水流单位时间对水轮机付出的机械能为：,4水力效率：通过水轮机转轮作功的实际流量为：其中，：相对容积损失；：容积效率；：水流运行时水流量 中的损失。所以，水流对转轮作的功率为：。其中，部分功率用来克服水力阻力而损失掉，设水轮机中的水力损失为：,则，相对水力损失：水力效率：水轮机的总效率：水轮机内部机械效率；：水轮机外部机械效率。,5水轮机轴端功率：对外输出的有效功率。设工作机械的阻力矩为M，稳定转速为n，则 w：角速度。,三、水轮机比转速与气蚀,1比转速：用来评价同一系列水轮机的共同特性的重要指标。同一系列：几何形状相同，但大小尺寸不同；以适应各种水头和流量。比转速定义：2气蚀因水轮机某处压力下降到当时当地水温下的汽化压力时，产生气泡，泡中有蒸汽、有气体；当泡随水流流到压力高于汽化压力处时，气泡向内凝缩，只留稀薄空气泡，空气泡的压力低于周围水流压力；,所以，周围的水以极高的速度冲击气泡，产生高达几个几千个大气压力。在这种快速重复的高压作用下邻近泡的部件金属表面出现蜂窝状斑点气蚀现象。危害：穿孔毁坏，产生振动和噪声，局部高温，降低材料的耐疲劳强度，能量损失增加，水轮机效率急剧下降。,