第8章 船舶汽轮机和燃气轮机

第8章船舶汽轮机和燃气轮机

涡轮机（也称透平）是以连续流动的蒸汽或燃气为工质，以叶片为主要工作部件，通过工质在叶片机构中膨胀将热能转换成机械功的旋转机械。汽轮机和燃气轮机都是涡轮机，前者以蒸汽为工质，后者以燃气为工质，尽管两者所用的工质不一样，但都是属于旋转式热力发动机，其基本工作原理是一样的，都是利用高速流动的工质推动叶轮转动而对外输出机械功的。涡轮机和往复式热力发动机相比，最突出的特点是运转平稳、单机功率大。

8.1 涡轮机概述

涡轮机械按其使用的功用，通常可以分成两大类：

1）用作产生动力的涡轮机，如蒸汽轮机、燃气轮机；

2）消耗机械的涡轮机械，如各种泵、压缩机、风扇等涡轮机械。

上述每一大类，又可以按照流体通过机器的流道特征，再分成三类。工作流体的流向与旋转轴基本平行的涡轮机械，称为轴流式涡轮机械；工作流体主要在与旋转轴垂直的平面上流动的涡轮机械，称为径流式涡轮机械；转子出口处径向与轴向速度分量兼有的涡轮机械，称为混流式涡轮机械，分别见图8-1 a)、b)、c)。不论是涡轮机、泵、还是压缩机，都可以设计成轴流式、径流式或混流式。

图8-1涡轮机三种型式

研究船用涡轮机的热力设计和工作特性，它的主要理论依据是热力学和气体动力学。所运用的基本定律是质量守恒定律、动力学定律、能量守恒定律等基本定律，这些定律与气体的特定性质无关，适用于任何气体，是揭示涡轮机中工质流动及其能量转换的基本方程。具体的研究包括：

1）阐述涡轮机中能量转换以及工质流动所遵循的基本规律；

2) 分析通流部分中的能量损失以及各种气动热力参数、几何参数对效率的影响；

3) 气动热力设计和试验研究的理论和方法；

4）分析非设计工况的工作特性。

但是，涡轮机通流部分中气体的运动是一种性质极为复杂的，同时又伴随能量传递和热交换的高温可压缩粘性气体的，三元不定常的流动过程。在实际工程设计计算和试验研究中，通常假定气体在涡轮机中的流动，包括在静叶片内的绝对运动和动叶片内的相对运动，都是定常流动，在附面层外的主流区可以忽略粘性力的，与外界绝热的，轴对称流动。在流道横

截面变化不大，流线曲率甚小的涡轮短叶片中，气体的运动常常采用一元流动近似。实践证明，以上的近似和简化对于涡轮机中的气体流动的计算，基本上能获得足够的精确度。

涡轮机一般由一列固定于静子上的静叶片和—列装在转子上与转子一起转动的动叶片所组成的级串联起来，加上进、排气装置组成。因此涡轮级是将高温高压的工质所具有的热能转换为机械功的基本单元。涡轮机是由若干个工作条件和结构相类似的独立的涡轮级依次排列而沟成，涡轮机的工作以级的工作为基础，进而形成整个涡轮机的工作原理。所以，人们总是在研究涡轮级的工作原理的基础上进而讨论整个涡轮机的工作原理。

8.1.1涡轮级的概念

1.涡轮级中流体参数的变化

涡轮级是由固定于静子上的静叶片和装在转子上与转子一起转动的动叶片所组成，将高温高压的工质所具有的热能转换为机械功的基本单元。涡轮级中通过旋转中心轴的剖面图称为纵剖面图，见图8-2。以半径为r的圆周将所有静、动叶片切割展开成平面，得到两排叶栅截面展开图，见图8-3。由涡轮级纵剖面图可见，0-0截面为静叶进口截面，1-1截面为静叶出口，亦即动叶进口截面，2-2截面为动叶出口截面。各特征截面的参数用相应下标0、1或2表示。气体流经涡轮时，主要气动参数的变化如图8-3所示。

图8-2涡轮级的纵剖面图图8-3涡轮级中流体参数的变化

气体通过静叶栅时，从压力P。膨胀到P1,伴随有—定的加速(C1>C0)。动叶栅以转速n运动。其进、出口圆周速度为u,分别用u1、u2表示。相对速度为W1的气流通过动叶栅时，从压力p1膨胀到p2，同时对外输出机械功。其出口相对速度为W2，绝对速度为C2。通常希望绝对

接接近90°，以减小绝对出口速度C2相应的动速度C2接近轴线方向Z，即绝对出口气流角

2

C／2。

能2

2

2.速度三角形

涡轮级中气流速度大小及其方向的变化，或者说是动量的变化，可以清楚地用图8-5所示的速度三角形来表示。除了反映涡轮级中气流的运动情况以外，速度三角形还大致给出了叶栅的形状以及叶栅和涡轮级的某些重要特征，因而也就规定了涡轮级工作过程的特点。各级以及某一级沿叶高各个截面上速度三角形的选择和确定是涡轮机气动设计的重要内容。各

图8-5 涡轮级速度三角形

级动叶栅前后的绝对速度为相对速度和牵连速度的矢量和：

i i i u W C →

→→+= （8-1）

式中： 60/n d r u i i i πω== （m/s ）

其中n 是转子转动的转速(转／分)，d i 是动叶栅前或后的某一直径(米)，u i 是与d i 相应的圆周速度(米／秒)。式(8-1)指出三个速度矢量组成封闭的三角形，称为速度三角形。气流角如图8-5所示。气体在静叶栅中膨胀，以绝对速度C 1喷离静叶栅，与叶轮旋转平面的夹角为1α，此为静叶出口气流方向角，气流角度见图8-5所示。当气体进入动叶栅时，由于动叶栅是以圆周速度为u 在转动，当以旋转叶轮为参照物时，进入动叶栅的气体速度就不是C 1,而是气体与动叶栅的相对速度1W 。1W 与叶轮旋转的夹角为1β，1β为动叶进口气流的方向角。由三角形的余弦定理、正弦定理可以得到速度与气流角之间的相互关系。动叶进口气流的相对速度及其方向角为：

112211cos u 2C -u C α+=W （8-2） )/sin (sin )/(sin 11111111W C W C m αβ--== （8-3） 同理，可得动叶出口气流的绝对速度及其方向角为：

222222cos u 2W -u W β+=C （8-4） ) /sin (sin 22212C W βα-= （8-5）

8.1.2涡轮机的基本工作原理

图8-6所示为小型单级冲动式汽轮机的简图，其主要零件包括喷嘴和装在叶轮上的动叶（图8-6a）。工质连续不断地流过喷嘴和动叶流道（图8-6b）。工质首先在喷嘴中膨胀，工质压力p降低，绝对速度c增大，将所含热能转换成动能。然后高速流动的工质再进入动叶流道，压力继续再降低，并在动叶上产生作用力，推动叶轮转动，由于叶轮是和涡轮机主轴连接成一体的，故蒸汽的动能转换成了主轴输出的机械功。

图8-6 单级冲动式汽轮机的简图

除了冲动式涡轮机外，还有一种反动式涡轮机，它是一种同时利用冲动力和反动力推动叶轮旋转输出机械功的。根据反动作用原理产生反动力推动物体运动的例子，以发射运载火箭最为典型。当火箭燃料燃烧，燃气高速喷离火箭射向大气，此时，高速的气流就给火箭体一个与气流方向相反的反作用力，推动火箭向前运动。反动式涡轮机与冲动式涡轮机的不同点在于工质在它的动叶栅通道中同时实现热能变动能与动能变机械功的两重能量变化，反动式涡轮机总是多级的，在结构上它以静叶代替喷嘴，而以鼓式转子代替轮式转子。图8-7表示一部反动式涡轮机的简图，图的上方曲线ⅠⅡ分别表示其中工质压力与速度的变化。

图8-7 反动式涡轮机

1静叶，2汽缸，3动叶，4转子