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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。 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。 2、燃气轮机 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） 燃气轮机的发展历史曾经经过三个高潮： ①???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， ②???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； ③???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