透平机械概述.PDF

热能与动力机械基础 透平机械基础 目录 第一节 透平机械概述 2 第二节 汽轮机工作原理及应用 5 第三节 汽轮机的能量转换过程 15 第四节 燃气轮机及其装置 30 热能与动力机械基础—— 透平机械基础 第一节 透平机械概述 具有叶片的动力式流体机械。透平机械的共同特点是装有叶片的转子作高速旋转运动， 流体(气体或液体)流经叶片之间通道时，叶片与流体之间产生力的相互作用，借以实现能量 转化。按能量转化方向的不同，透平机械分为原动机和工作机。原动机将流体的能量（热能、 势能或动能）转化为机械能，通过主轴带动发电机或其他从动机。原动机有汽轮机、燃气轮 机、透平膨胀机、水轮机和风力机等。工作机由电动机或其他原动机拖动，将机械能转换为 流体的能量，即提高流体的压力。工作机有通风机、透平压缩机、离心泵和轴流泵等。工作 机和原动机在原理和结构上基本相同，只是工作过程相反。透平机械的工质可以是气体，如 蒸汽、燃气、空气和其他气体或混合气体，也可以是液体，如水、油或其他液体。各类透平 机械的工质和工作过程见表。 透平机械主要分为轴流式和径流式（离心式或向心式）两种。在轴流式机械中，流体 沿轴向流动；径流式机械中，流体主要沿着径向流动。还有一种斜流式机械，流体的流动方 向介于上述两者之间。 二、热力透平机械 根据热能循环的原理，我们来了解一些热力透平机械的常识。我们知道人们日常所需要 的动力能源大多来自于各种热力透平机械，根据其工作方式的不同可以分为很多类型：根据 燃料的燃烧方式可分为内燃机和外燃机；根据动力的产生方式可分为活塞往复式机械和涡轮 机等。下边就逐一介绍一些我们经常接触的热力透平机械： 1、汽油机(Petrol Engine) 汽油机属于一种活塞往复式内燃机械，其原理为奥托（Otto ）循环，即理想的定容加热 循环。具体过程为气缸吸入燃料和空气的混合物，然后对其进行绝热压缩后，靠电火花点燃， 在极短时间内急剧升温升压燃烧完毕，此时活塞来不及移动而可以视为一种定容加热燃烧过 程，最后工质对外绝热膨胀作功输出动力。 2 、柴油机(Diesel Engine) 柴油机也是一种活塞往复式内燃机械，但是其原理是狄塞尔（Diesel ）循环，即理想的 定压加热循环。具体过程为通过其自身附带的压气机提供高压空气把柴油喷入气缸形成油雾， 利用柴油机活塞移动较慢而不必为柴油的滞燃期而提前喷油，而是当活塞运行到上死点后才 开始喷油来实现定压燃烧加热，最后对外输出动力。 这里可能有个疑问，那么汽油机和柴油机到底有什么根本区别呢？其实两者最根本的 区别就在于汽油机属于点燃式内燃机，而柴油机属于压燃式内燃机。因为汽油机吸入气缸的 是空气—燃料混合物，要受混合气体的自燃温度的限制，不能采用较大的压缩比，否则混合 气体就会发生“爆燃”，会将发动机损坏。因而汽油机的压缩比一般小于柴油机，因此循环热 效率小于柴油机。但是柴油机的高压比会造成设备庞大而笨重，引起机械效率的下降，所以 通常经过热效率和机械效率的综合考虑，一般小轿车、摩托车、割草机等小型机械使用汽油 机，而重型推土机、卡车、船舶等重型装备则使用柴油机作为动力。图1 为某船用柴油机的 结构图。 图1 船用柴油机结构图 3、汽轮机（Steam Turbine） 汽轮机是目前我国电力工业应用最广泛的动力设备，它属于一种外燃式涡轮机。其基本 原理为利用锅炉对蒸汽定压加热后输入汽轮机，利用蒸汽在蒸汽轮机内的叶片内绝热膨胀， 然后通过动叶片推动转子转动从而对外输出动力，对于汽轮机结构原理将在后边的章节详细 介绍。 4 、燃气轮机(Gas Turbine) 燃气轮机属于一种内燃式涡轮机，它的工作原理是先通过压气机将空气压缩，然后在 燃烧室内定压燃烧加热，最后通过透平部分的动叶推动转子转动向外输出功率。由于空气的 压缩耗功量大，因而一般压气机的压缩功大约占透平输出功的2/3 ，这也是燃气轮机的一大 特点。相对柴油机等内燃机，由于燃气轮机的单位功率/质量比值较大，相同输出功率条件 下机器质量、体积远小于柴油机等机器，且其转速-扭矩特性相对柴油机平缓得多等优点， 因此燃气轮机被大量应用在航空动力，大型军舰的加速动力等设备上。图2 就是我