热力涡轮机械原理考试要点

1.动力机械是指：

自然界能源直接转化为机械能并能拖动其他机械进行工作的机械

2.动力机械形式及分类：

按做工的物质分：蒸汽动力机（蒸汽机，汽轮机等)、燃气动力机(汽油机，柴油机燃气轮机等）、水动力机（水轮机）

按加热方式分：内燃机动力机（汽油机，柴油机，燃气轮机等）、外燃动力机（蒸汽机，汽轮机等)、水动力机（无加热，如水轮机）

3.涡轮机械包括：燃气轮机，蒸汽轮机，水轮机等旋转式叶轮机械

4.热力涡轮机械(燃气轮机和蒸汽轮机）定义：是一种将工质的热能转换为机械工的旋转式动力机械

5.热力学第一定律（能量守恒定律）：

闭口 dq=du+pdv （基本状态参数：绝对压力P,绝对温度T，比容V）

开口系统热量守恒方程式 dq=dh+d(c2/2)+dw(内能u，流动功pv，动能c2/2) 6.燃气轮机基本工作原理（组成及特点）

原理：燃气轮机是一种以空气和燃气为工质讲热能转变为机械工的热机

组成：叶轮式空气压缩机（压气机）、燃烧室、燃气涡轮（涡轮）

特点：1）优点：功率大，相对来说外廓尺寸小和结构重量轻。

原因：由于空气进口到排气出口的所有通道都是互相贯通的，中间并没有气门之类的阻隔器件。所有这些都使燃气轮机具有气体流通率高的特点。因而，燃气轮机能在单位时间内燃烧更多的燃料并发出更高的功率。

2）缺点：（与活塞式内燃机相比）它的热效率低。

原因：①与活塞式内燃机中靠活塞进行压缩过程相比，叶轮式压气机的效率低。

②在燃气轮机先通过膨胀讲燃气具有的热能转换成动能，然后再转换成机械功，这一过程与燃气直接推动活塞膨胀做功相比会形成较大的损失。③燃气涡轮的许用最高燃气温度远低于活塞式内燃机所能达到的数值。

目前应用的最为广泛的一种复合式内燃机是废气涡轮增压柴油机

7.燃气发生器组成：压气机燃烧室燃气涡轮

8.叶轮压气机（离心式，轴流式两种基本形式）

1）轴流式：广泛用于航空用燃气轮机及燃气消耗极低的大型燃气轮机中;

2）单级离心式压气机有结构简单外形较小，重量较轻以及较宽的流动范围内能保持较好的效率等特点，主要用于小型涡轮喷气机（活塞式内燃机增压用的涡轮增压器目前为止，还只是采用离心式压气机）

9.离心式压气机

离心式压气机组成组分、空气状态的变化

1）组成：

进气道：将外界空气导向压气机叶轮保证工作轮进气均匀和轴对称，气流能良好的充满叶轮的叶片通道

压气机叶轮：压气机中唯一对空气做工的部件，将涡轮提供的机械能转为空气压力能和动能，其分为导风轮和工作叶轮，中小型涡轮增压器两者做成一体，大型则两者装配在一起扩压器：将压气机叶轮出口高速空气动能转为压力能

压气机蜗壳：收集从扩压器出来的空气，将其引导到发动机的进气管

2）空气状态的变化：

①在进气道入口，空气从环境状态进入，压力、速度、温度分别为Pa、Ca、Ta.由于进气道是渐缩形的通道，少部分压力能转化为动能。因此，在进气道中，空气的压力略有降低，速度略有升高。由于压力降低，温度随之降低。在进气道出口，亦即叶轮入口，空气的压力、速度、温度分别为P1、C1、T1。

②在压气机叶轮中，叶轮对空气做了功，使空气的压力、温度和速度都升高。在叶轮出口，亦即扩压器入口，空气的压力、速度、温度分别为P2、C2、T2。

③在扩压器中，由于扩压器流通面积渐扩，使气体的部分动能转化为压力能。因此，空气的速度降低，压力升高，温度亦随压力而升高。在扩压器出口，亦即蜗壳的入口，空气的压力、速度、温度分别为P3、C3、T3。

④在压气机蜗壳中，仍有部分动能进一步转化为压力能，使空气的速度进一步降低，压缩温度升高，在蜗壳出口，亦即整个压气机出口，空气的压力、速度、温度分别为Pb、Cb、Tb.

压气机：轴流式离心式区别：轴效率87%或更高、离只有84%~85% 轴迎风面积小

基元级速度三角形：将工作轮进口速度三角形与出口速度三角形及整流器出口速度画在一起

涡轮定义：涡轮与压气机相反，是使具有一定势能的工质通过在其中膨胀做工将热能转为机械功的一种叶轮式机械

涡轮组成：定子+转子

涡轮分类：

分类：蒸汽- 燃气- 废气-

按工质分：轴流式（质流动方向与轴大致平行）

径流式（工质流动方向与轴大致垂直）作为膨胀机大量用于制冷装置和某些化工机械

优点：1体积小重量轻结构紧凑 2小功率范围内效率较高 3对通流部分几何形状的偏差不太敏感，对叶片的几何精度和表面粗糙度要求比轴流式低 4叶片少结构简单，一级中实现较大焓降 5工作轮冷却较简单

缺点：涡轮壳体直径较大，难以建造多级结构，难以建造大功率径流涡轮燃烧室三种基本形式

①分管型燃烧室②环形燃烧室③环管型燃烧室（布置方式分：还有管头环形，双环腔型，圆筒型。气体流向：直流，回流，角流式及旋风式）

燃烧室要求：点火可靠燃烧稳定燃烧完善效率高重量轻尺寸小寿命长

结构：外壳火焰管旋流器燃料系统点火系统

工作条件：气流速度快，空气燃料比大，温度高

燃烧过程组织难点：

①空燃比大，一次空气参加燃烧，二次空气在周围冷却火焰管，并掺冷燃气；

②流速高，火焰易被吹熄，扩压，降速，组织速度场（旋流器）

P3燃气轮机循环理论

燃气轮机循环：性能指标：比功热效率

比功：流过燃气轮机的单位质量工质所输出的机械功

热效率：通过汽轮机的一定量工质输出的有用功与输入该工质的燃料所含热值之比

循环的两个假设：1工质是空气，可视为理想气体 2整个工作过程中没有流动

损失，绝热为等熵燃烧前后压力不变，没有热损失和机械损失

循环过程：1-2绝热压缩 2-3等压加热 3-4绝热膨胀 4-1等压放热（简单燃气轮机布置图+P-v图和T-s图）

增压比：π=p2/p1 加热比：出口温度与进口温度之比△=T3/T1

等压放热过程：是向大气放热过程，工质与外界没有机械功传递，工质流速变化忽略不计，工质所做机械功为0 即W41=0

理想简单燃气轮的热效率之与增压比π有关，与燃烧过程加热量q1无关理想简单燃气轮循环的加热量q1和比功Wi，不仅与增压比π有关，还与加热比△有关。

最佳增压比：使比功达到极大值的增压比加热比是影响最佳/大增压比的唯一因素

3.2.2压缩过程一次中间冷却的理想燃气轮机循环：

1）等温压缩理想燃气轮机循环（图1）

2）圧缩过程一次中间冷却的理想燃气轮机循环（下图）

3.2.3膨胀过程一次中间加热后，使比功增大而热效率降低（图3）

理想燃气轮机循环分析中：压缩和膨胀过程是等熵的，没有考虑流动损失，并认为整个循环工作过程中比热不变。实际相反。

3.3.2实际回热循环与理想回热循环不同：1压缩过程多变指数n增大.而膨胀过程多变指数n' 减小，比功将有所下降，降低的程度与回热器的结构有关。(2) 理想回热循环中，认为回热度α=1,而在实际回热循环中，实际热交换最低于理想热交换量，实际问热度α<1; (3) 理想回热循环中，各过程定压比热cp不变，而在实际回热循环中，各过程定乐比热不相等。