《汽輪機原理》第三章渦輪機及噴氣發(fā)動機

第三章渦輪機及噴氣發(fā)動機第一節(jié)概述第二節(jié)熱力渦輪機級的基本理論第三節(jié)渦輪機級的損失與效率第四節(jié)多級渦輪機第五節(jié)汽輪機的變工況第六節(jié)供熱汽輪機第七節(jié)火箭及噴氣發(fā)動機第八節(jié)水輪機概述第一節(jié)概述一、渦輪機及噴氣發(fā)動機的應(yīng)用與發(fā)展渦輪機包括蒸汽輪機、燃氣輪機、水輪機等旋轉(zhuǎn)式葉輪機械，而噴氣發(fā)動機則是燃氣輪機作為飛機動力的一種類型。

蒸汽輪機和燃氣輪機式一種將工質(zhì)（蒸汽或燃氣）的熱能轉(zhuǎn)換為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械。蒸汽輪機從1884年第一臺實用性機組問世至今，已有100多年歷史。燃氣輪機從1906年第一臺問世至今，現(xiàn)在世界上已有多個國家100多家企業(yè)生產(chǎn)近千種型號的燃氣輪機。二、渦輪機及噴氣發(fā)動機的構(gòu)造與分類（一）蒸汽輪機蒸汽輪機是以水蒸氣為工質(zhì)的旋轉(zhuǎn)式葉輪機械，簡稱汽輪機。其基本原理可用圖3-1來表示。只有一個級的汽輪機，稱為單級汽輪機；有若干級的，稱為多級汽輪機。圖3-1透平工作原理圖

汽輪機主體主要由靜子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。靜子包括汽缸、隔板和靜葉柵、進排汽部分、端汽封以及軸承、軸承座等。轉(zhuǎn)子包括主軸、葉輪和動葉片、聯(lián)軸器等。插圖3-1為600MW汽輪機部分轉(zhuǎn)子。插圖3-2為汽輪機轉(zhuǎn)子在準備安裝。插圖3-3為汽輪機的葉輪。插圖3-4（a）及（b）為不同形狀的葉片，（c）為汽輪機復(fù)速級上的導(dǎo)向葉片。插圖3-5為在電站汽輪機房的汽輪發(fā)電機組。插圖3-1600MW汽輪機部分轉(zhuǎn)子插圖3-2安裝汽輪機轉(zhuǎn)子插圖3-3汽輪機葉輪插圖3-4（a）插圖3-4（b）插圖3-4（c）插圖3-5汽輪發(fā)電機組圖3-2為我國哈爾濱汽輪機廠自行設(shè)計生產(chǎn)的200MW汽輪機的縱剖面圖。

它是一次中間再熱、凝汽式、單軸、三缸、三排汽口的汽輪機。進入該機組高壓缸的新蒸汽參數(shù)為12.75MPa、535℃，經(jīng)再熱后進入中壓缸的再熱蒸汽溫度為535℃。汽輪機的分類可按工作原理和熱力特性等分類，詳見表3-1。圖3-2200MW汽輪機的縱剖面圖表3-1汽輪機的分類分類形式簡要說明按工作原理沖動式汽輪機蒸汽主要在噴嘴（或靜葉柵）中進行膨脹，我國電站汽輪機主要采用這種形式反動式汽輪機蒸汽在噴嘴（或靜葉柵）和動葉柵中都進行膨脹按熱力特性凝汽式汽輪機排汽在低于大氣壓力的真空狀態(tài)下進入冷凝器凝結(jié)成水，應(yīng)用最廣背壓式汽輪機排汽壓力大于大氣壓力，排汽供熱用戶使用。當排汽作為其他中、低壓汽輪機的工作蒸汽時，稱前置式汽輪機抽汽式汽輪機利用調(diào)整抽汽供熱的汽輪機，包括一次調(diào)整抽汽式和二次調(diào)整抽汽式。生產(chǎn)用抽汽壓力一般為800-1600kPa，生活用抽汽壓力一般為70-250kPa抽汽背壓式汽輪機具有調(diào)整抽汽的背壓式汽輪機乏汽汽輪機利用其他蒸汽設(shè)備的低壓排汽或工業(yè)生產(chǎn)的工藝流程中副產(chǎn)蒸汽工作，進汽壓力通常較低多壓式汽輪機利用其他來源的蒸汽引入汽輪機相應(yīng)的中間級，與原來的蒸汽一起工作。通常用于工業(yè)生產(chǎn)的工藝流程中，作為蒸汽熱量的綜合利用按汽流方向軸流式汽輪機在汽輪機內(nèi)，蒸汽基本上沿軸向流動輻流式汽輪機在汽輪機內(nèi)，蒸汽基本上沿軸向（徑向）流動周流（回流）式汽輪機蒸汽大致沿輪周方向流動的小功率汽輪機按用途電站汽輪機在化石燃料（煤、油、天然氣）、核燃料或其他能源（地?zé)?、太陽能等）的電站中帶發(fā)電機的氣輪機，絕大部分采用凝汽式汽輪機。同時供熱供電的汽輪機（抽汽式、背式），通常又稱為熱電汽輪機工業(yè)汽輪機應(yīng)用于工廠企業(yè)中的固定式汽輪機的統(tǒng)稱，包括自備動力站的發(fā)電汽輪機（通常是等轉(zhuǎn)速的）和驅(qū)動用汽輪機（通常是變轉(zhuǎn)速的）船用汽輪機用于船舶推進動力裝置，驅(qū)動螺旋槳汽輪機的型號，由三組符號和數(shù)字按以下格式組成：

△

XX—XX—X∣∣∣∣

變型設(shè)計次序∣∣∣蒸汽參數(shù)∣∣額定功率（MW）∣汽輪機類型國產(chǎn)汽輪機類型的代號見表3-2。表3-2國產(chǎn)汽輪機類型代號

國產(chǎn)汽輪機型號中的蒸汽參數(shù)表示方法及型號示例見表3—3，示例中無變型設(shè)計次序項表明該設(shè)計為原型設(shè)計。代號NBCCCCBHY類型凝汽式背壓式一次調(diào)節(jié)抽氣式二次調(diào)節(jié)抽氣式抽氣背壓式船用移動式表3-3蒸汽參數(shù)表示方法及型號示例汽輪機類型蒸汽參數(shù)表示方法型號示例凝汽式中間再熱式一次調(diào)節(jié)抽氣式二次調(diào)節(jié)抽氣式背壓式抽氣背壓式主蒸汽壓力/主蒸汽溫度主蒸汽壓力/主蒸汽溫度/中間再熱溫度主蒸汽壓力/調(diào)節(jié)抽氣壓力主蒸汽壓力/高壓抽氣壓力/低壓抽氣壓力主蒸汽壓力/背壓主蒸汽壓力/抽氣壓力/背壓N50-8.28/535N600-16.7/537/537C50-8.82/0.118CC12-3.43/0.98/0.118B50-8.82/0.98CB25-8.82/1.47/0.49

（二）燃氣輪機燃氣輪機是一種以空氣和燃氣為工質(zhì)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的熱機。其基本原理類同于汽輪機。圖3-3所示為燃氣輪機簡圖。航空燃氣輪機最基本的形式是航空渦輪發(fā)動機，如圖3-3a所示。對于地面燃氣輪機、船用燃氣輪機或某些航空燃氣輪機，要求提供軸功率，因此在燃氣發(fā)生器后面再設(shè)置動力透平，如圖3-3b所示。圖3-3燃氣輪機簡圖

可以把燃氣透平分為軸流式與徑流式兩大類型。圖3-4和圖3-5中分別給出了這兩種透平的結(jié)構(gòu)示例。圖3-6為東方汽輪機廠1978年試制成功的6MW發(fā)電用燃氣輪機。燃氣輪機按用途可以分為兩大類：一類作為地面機械（如發(fā)電機、船舶、機車、各種泵）的動力；另一類作為飛機的動力，稱為航空燃氣輪機。

圖3-4軸流式燃氣透平的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3-5徑流式燃氣透平的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3-6R－800－60燃氣輪機航空燃氣輪機有：用于飛機――渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機及渦輪螺旋槳發(fā)動機；用于直升機――渦輪軸發(fā)動機。插圖3-6為燃氣輪機模型，可看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。插圖3-7為燃氣輪機實物照片。插圖3-6燃氣輪機模型插圖3-7燃氣輪機第二節(jié)熱力渦輪機級的基本理論一、透平級的概念由靜、動葉組成一個渦輪機的級。依靠沖動力推動的級稱為沖動級；依靠反動力推動的級稱為反動級。級的反動度可用表示為

（3-1）

1.沖動級

1）純沖動級，反動度。純沖動級的作功能力較大，效率較低。

2）帶反動度的沖動級，它具有沖動級作功能力大和反動級效率高的特點，所以得到廣泛應(yīng)用。

3）復(fù)速級。復(fù)速級的作功能力比單列沖動級要大。為了改善復(fù)速級的效率，也采用一定的反動度。圖3-7表示蒸汽流經(jīng)各種沖動級的通流部分時，其壓力和速度的變化情況。

圖3-7沖動級中蒸汽壓力和速度變化示意圖

2.反動級反動度的級叫做反動級。反動級的效率比沖動級的高，但作功能力較小。圖3-8表示反動級中蒸汽壓力和速度變化的情況。二、級內(nèi)工作過程（一）基本方程

1.狀態(tài)方程對理想氣體而言，有狀態(tài)方程（3-2）及比焓的關(guān)系式

圖3-8反動級中蒸汽壓力和速度變化示意圖對于過熱蒸汽來說，其狀態(tài)可以更準確地用下式表達（3-3）當蒸汽由過熱區(qū)向濕蒸汽區(qū)膨脹過渡時，最好使用水蒸氣表和焓熵圖。對于等熵過程，參數(shù)的變化可用等熵方程來表示，即（3-4）

2.連續(xù)方程（3-5）連續(xù)方程式的微分形式表示為（3-6）

3.能量方程（3-7）靜葉柵中既絕熱，也沒有機械功交換，則有（3-8）

4.運動方程對于一元定常等熵流動的運動方程式為（3-9）將式（3-4）代入式（3-9）并積分得（3-10）（二）工質(zhì)在噴嘴中的膨脹過程

1.噴嘴中的汽流速度計算（1）噴嘴出口的汽流理想速度

（3-11）稱為噴嘴的理想焓降。令初速為零的滯止點為，則（3-12）將之值代入式（3-11）后，得噴嘴出口汽流理想速度為（3-13）

（2）噴嘴出口的汽流實際速度噴嘴出口的汽流實際速度c1比理想速度c1t小。（3-14）

噴嘴的速度系數(shù)φ與噴嘴的損失關(guān)系，可從流動過程中的動能損失△hnξ表示出來，即（3-15）噴嘴出口汽流的實際比焓值h1大于理想比焓值h1t，使熵增加，如圖3-9所示。圖3-10是根據(jù)實驗結(jié)果繪制的漸縮噴嘴速度系數(shù)隨噴嘴高度的變化曲線。一般取。圖3-9蒸汽在噴嘴中的熱力過程圖3－10漸縮噴嘴速度系數(shù)φ隨噴嘴高度ln的變化曲線

2.蒸汽在噴嘴斜切部分中的膨脹汽流從噴嘴流出時，因結(jié)構(gòu)上的限制而形成汽流的噴嘴斜切部分（圖3-11中ABC段流動）。

當噴嘴出口斷面上的壓力比大于或等于臨界壓力比時，噴嘴喉部斷面AB上的流速小于或等于聲速。噴嘴的出汽角為（3-16）

圖3-11蒸汽在斜切部分的膨脹當噴嘴出口斷面上的壓力比小于臨界壓力比時，汽流在噴嘴斜切部分的偏轉(zhuǎn)角δ1為（3-17）（三）工質(zhì)在動葉柵中的流動和速度三角形蒸汽進入動葉的絕對速度c1、相對速度w1和動葉柵的圓周速度u之間的矢量關(guān)系，用3-12a所示速度三角形來表示，其值分別為（3-18）（3-19）

動葉柵的幾何進口角與進汽角應(yīng)該相適應(yīng)。其出口絕對速度c2及出汽角，其值為（3-20）（3-21）

圖3-12動葉柵進出口速度三角形為了方便，將動葉柵進出口速度三角形繪在一起，如圖3-12b所示。圖中，及若不計動葉損失，則動葉柵出口汽流理想速度w2t為（3-22）

為動葉柵滯止理想比焓降（J/kg），見圖3-13。圖3-13蒸汽在動葉柵中的熱力過程動葉柵出口實際相對速度w2可表示為（3-23）動葉柵的能量損失Δhbξ也可用動能損失表示，即（3-24）通常在汽輪機的動葉柵中，Ψ＝0.85～0.95。

例3-1已知噴嘴前蒸汽壓力為p0＝2.8MPa，溫度t0＝400℃，噴嘴后蒸汽壓力p1＝1.95MPa，溫度t1＝350℃，噴嘴出汽角＝140，動葉后的蒸汽壓力p2＝1.85MPa，溫度t2＝345℃。級的平均直徑dm＝1.3m，汽輪機轉(zhuǎn)速n＝3000r/min，蒸汽初速可以忽略不計。試求該級的噴嘴和動葉的速度系數(shù)和Ψ。解：根據(jù)已知條件可在h－s圖上查得：初比焓h0＝3235.8kJ/kg，噴嘴后蒸汽實際比焓h1＝3139.7kJ/kg。過初始點作等熵線交p1線可得噴嘴后蒸汽理想比焓h1t＝3132.0kJ/kg。噴嘴理想比焓降噴嘴損失

噴嘴速度系數(shù)該動葉圓周速度

噴嘴出口汽流速度動葉進口相對速度

由p2、t2及過噴嘴出口狀態(tài)點作等熵線交p2，可查得：動葉后蒸汽實際比焓h2＝3130.65kJ/kg，理想比焓h2t＝3135.16kJ/kg。動葉進口滯止比焓滯止動葉理想比焓降動葉損失

動葉速度系數(shù)

第三節(jié)渦輪機級的損失與效率

一、蒸汽作用在動葉片上的力和輪周功如圖3-14所示，蒸汽對動葉片的總作用力為Fb，則有（3-25）把單位時間內(nèi)汽流對動葉片所作的功稱為輪周功率（3-26）或（3-27）

圖3-14蒸汽流過動葉柵的汽流圖當qm＝1kg/s時，上式表示1kg蒸汽所產(chǎn)生的有效功，或稱級的作功能力，用Pu1表示，則

（3-28）或（3-29）

沖動級動葉片的進、出汽角和值均較小，所以作功能力較大；而反動級動葉片的和角均較沖動級大，所以它的作功能力較小。利用速度三角形的三角函數(shù)關(guān)系式，可得輪周功率的另一種表示形式為（3-30）余速損失Δhc2為（3-31）在多級汽輪機中，余速利用系數(shù)μ＝0～1。被下一級利用的余速動能Δhμ1為（3-32）

由圖3-15所示，級的輪周有效比焓降Δhu為（3-33）二、級的輪周效率與最佳速度比透平級的輪周效率為（3-34）輪周效率也可以從能量損失的角度來表示，即

圖3-15h－s圖中汽輪機級的熱力過程（3-35）由式（3-35）可知，透平級的輪周效率的高低與三項損失的大小有關(guān)。在一定的c1下，改變u，可以得到三種不同的情況，如圖3-16所示。圖3-16b中，因出口速度c2在軸方向，故c2為最小。即余速損失最小，這個速度比叫最佳速度比。

圖3-16不同速度比下純沖動級的速度三角形

a)b)c)

現(xiàn)根據(jù)不同類型的汽輪機級的不同特點，來分析速度比與輪周效率的關(guān)系。

1.純沖動級的輪周效率和最佳速度比（1）不考慮余速利用級的輪周效率為（3-36）圖3－17中，x1－ηu曲線為一近似的拋物線，稱為輪周效率曲線。最佳速度比（x1）op值可得（3-37）

圖3-17純沖動級x1－ηu關(guān)系曲線圖由于c1之值不易測得，所以往往用xa代替x1。其關(guān)系如下對于純沖動級，Ωm＝0，所以最佳速度比為（xa）op（3-38）若，，則（2）考慮余速利用

計算表明，當、及時，對于的沖動級，；對于的沖動級，。可見，當沖動級的余速動能全部被下一級利用時，可以大大提高最佳速度比。

2.帶反動度的沖動級的輪周功率和最佳速度比由計算可知，對Ωm＝0.05～0.20的沖動級，其最佳速度比（xa）op宜在0.48～52之間選取。

3.復(fù)速級復(fù)速級的速度三角形如圖3-18所示。

復(fù)速級的輪周效率為（3-39）最佳速度比為（3-40）或（3-41）圖3-18汽輪機復(fù)速級速度三角形速度比在x1＝0.2～0.28范圍內(nèi)，復(fù)速級的達到最大值。

4.反動級反動級中的反動度Ωm＝0.5。據(jù)輪周效率的表達式可求得最佳速度比（3-42）或（3-43）

當和時，可得及。反動級的輪周功率的變化在速度比最大值附近是平坦的，因此反動級適宜于工況變化比較頻繁的機組中。三、級內(nèi)損失和級的效率

1.汽輪機的級內(nèi)損失計算級的損失需要根據(jù)其實際情況而定。（1）葉高損失葉高損失用半經(jīng)驗公式計算（3-44）（2）扇形損失扇形損失的計算公式如下（3-45）（3）葉輪摩擦損失摩擦耗功的經(jīng)驗公式如下若級的進汽量為Dl，則葉輪摩擦損失為（3-46）（4）部分進汽損失

1）鼓風(fēng)機損失

2）斥汽損失（弧端損失）①噴嘴中流出的高速汽流要排斥并加速停滯在汽道內(nèi)的蒸汽；②在噴嘴組出口段與葉輪的間隙A中發(fā)生漏汽，如圖3-19所示；③在噴嘴組進入端的間隙B中，則將一部分停滯蒸汽吸入汽道。部分進汽損失的推薦計算公式如下（3-47）（5）漏汽損失隔板漏汽損失用下式確定（3-48）動葉頂部的漏汽損失為圖3-19部分進汽時蒸汽流動示意圖（3-49）式中，Δqmt為葉頂漏汽量，另有公式計算。（6）濕汽損失濕汽損失Δhx和濕汽損失系數(shù)通常用經(jīng)驗公式計算（3-50）（3-51）

2.汽輪機級效率考慮了級內(nèi)各項損失后，級的實際熱力過程曲線如圖3-20所示。級的內(nèi)功率Pi為（3-52）級的相對內(nèi)效率當考慮余速被下一級部分利用時，可表示為圖3-20級的實際熱力過程曲線（3-53）當余速未被利用時，即，（3-54）級的相對內(nèi)效率是衡量汽輪機的一個重要經(jīng)濟指標，它的大小與所選用的葉型、反動度、速度比和葉高有密切的關(guān)系，也與蒸汽的性質(zhì)和級的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

第四節(jié)多級渦輪機

一、多級渦輪機的熱力過程對大多數(shù)的級來說，汽流的馬赫數(shù)均保證在Ma<1，級速比則接近最佳速度比，以保證整臺汽輪機有良好的經(jīng)濟性。圖3-21中示出了一臺多級沖動式汽輪機。蒸汽在多級汽輪機中的工作熱力過程與級中的工作過程一樣，可以用h-s圖上的熱力過程線表示，如圖3-22所示。圖3-21多級沖動式汽輪機圖3-22多級沖動式汽輪機的熱力過程線二、重?zé)嵯禂?shù)若汽輪機的級數(shù)為n時（3-55）式（3-55）也可寫成（3-56）式中，稱為重?zé)嵯禂?shù)

當汽輪機的級的相對內(nèi)效率為時，則。若各級相對內(nèi)效率均相等，并用表示，則整個汽輪機的相對內(nèi)效率（3-57）由式（3-57）可見，整機的內(nèi)效率大于各級的平均內(nèi)效率。但越大，整機的相對內(nèi)效率越低。一般多用半經(jīng)驗公式估算重?zé)嵯禂?shù)（3-58）三、多級渦輪機的損失多級汽輪機中，除了級內(nèi)損失外，還有

1.前后端軸封漏氣損失為了防止泄漏，經(jīng)常采用各種結(jié)構(gòu)形式的軸封和密封，其中應(yīng)用最廣泛的是齒形軸封，又稱曲徑軸封，如圖3-23所示。圖3-23齒形軸封中蒸汽壓力的變化

2.汽輪機進汽機構(gòu)中的節(jié)流損失和排汽管中的壓力損失（1）進汽機構(gòu)中的節(jié)流損失由圖3-24可見，這種由于節(jié)流作用引起的焓降損失（），稱為進汽機構(gòu)中的節(jié)流損失。若第一級噴嘴前的壓力為，則因節(jié)流引起的壓力損失為（3-59）圖3-24考慮了進汽機構(gòu)中損失后的熱力過程曲線高低壓缸之間用連通管連接時，由于摩擦所引起的壓力損失為連通管壓力ps的2～3％，即（3-60）（2）排汽管中的壓力損失壓力損失常用下式確定（3-61）在上述汽流范圍內(nèi)，排汽管壓力損失Δpc＝（0.02～0.06）pc。

3.機械損失汽輪機的機械效率ηax為（3-62）式中，Pax稱為軸端功率。

4.汽輪機裝置的效率如果汽輪機裝置按朗肯循環(huán)工作，在不考慮水泵耗功時，裝置的循環(huán)熱效率ηt為（3-63）

汽輪發(fā)電機組的絕對電效率表示為（3-64）衡量汽輪發(fā)電機組的主要經(jīng)濟指標是絕對電效率、汽耗率d和熱耗率q。汽耗率（3-65）

熱耗率

（3-66）汽耗率不宜用來比較不同類型機組的經(jīng)濟性，只能對同類型同參數(shù)汽輪機評價其運行管理水平，而熱耗率則可用于評價不同參數(shù)的汽輪機組的經(jīng)濟性。四、汽輪機的配汽方式

1.噴嘴配汽噴嘴配汽汽輪機有多個（組）調(diào)節(jié)閥，它的第一級為部分進汽，并配置若干個噴嘴組。噴嘴配汽汽輪機的主要特點：

1）由于小部分蒸汽受到節(jié)流，從而大大改善了機組低負荷的熱經(jīng)濟性。

2）由于節(jié)流，效率降低，使效率特性曲線呈波浪形。

3）噴嘴配汽汽輪機對負荷變化的適應(yīng)性較差。如圖3-25所示，第1組閥門全開時壓差最大。

4）在非臨界工況下，通過全開閥門的蒸汽量反而會降低。

2.節(jié)流配汽節(jié)流配汽汽輪機利用調(diào)節(jié)閥對蒸汽節(jié)流，以控制進入汽輪機的流量。節(jié)流配汽常適用于大功率、高參數(shù)帶基本負荷的機組。此外，還有滑壓調(diào)節(jié)和旁通配汽方式。五、汽輪機的工況圖汽輪發(fā)電機組的功率與汽耗量間的關(guān)系曲線稱為汽輪機發(fā)電機組的工況圖。

1．圖3-26所示為節(jié)流調(diào)節(jié)的凝汽式汽輪機工況圖，其汽耗特性方程為

（3-67）對節(jié)流配汽凝汽式汽輪機進行變工況核算，可得曲線，如圖3-26所示。

圖3-25噴嘴配汽各噴嘴組前的壓力分布曲線圖3-26節(jié)流調(diào)節(jié)汽輪機D、d、ηr，el與Pel關(guān)系曲線

2．圖3-27所示為具有四個調(diào)節(jié)汽門的噴嘴調(diào)節(jié)凝汽式汽輪機的汽耗量、汽耗率、相對電效率與電功率的關(guān)系曲線。汽耗特性方程在小于經(jīng)濟功率（Pel）e時為（3-68）在大于經(jīng)濟功率時為（Pel）e時為（3-69）圖3-27噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機D、d、ηr，el與Pel關(guān)系曲線第五節(jié)汽輪機的變工況一、噴嘴在變動工況下的工作

1.漸縮噴嘴的變動工況及其流量網(wǎng)見圖3-28中曲線ABC。當p1>pcr,即ε1>εcr時，隨著背壓p1的減小，流量G沿AB線逐漸增加，其值可按下式計算：（3-70）當p1≤pcr,即ε1≤εcr時，流量達到臨界值并保持不變，如圖中BC線表示，即（3-71）在小于臨界流量的范圍內(nèi)，式（3-70）可用橢圓方程表示為：或（3-72）圖3-28漸縮噴嘴流量與壓力關(guān)系曲線當初壓不變時，對應(yīng)任一背壓，通過漸縮噴嘴的流量均可用下式計算：（3-73）當噴嘴前、后蒸汽參數(shù)同時改變時，若視蒸汽為理想氣體，則通過漸縮噴嘴的流量為（3-74）可近似認為變動工況下噴嘴前蒸汽溫度不變，于是式（3-74）可簡化為（3-74a）

如果設(shè)計工況和變動工況均為臨界工況，則，有（3-75）略去初溫的變化，則（3-75a）為了查用方便，常把圖中的壓力與流量用相對坐標表示。

令相對初壓，相對背壓。噴嘴的任意流量G與最大臨界流量G0m之比可表示為（3-76）在臨界狀態(tài)下，β＝1，βm＝ε0。

在亞臨界狀態(tài)下，將式（3-72）中括號里的分子和分母同時除以得即（3-77）或（3-78）由此可得到漸縮噴嘴流量網(wǎng)圖，見圖3-29。利用圖中三個參數(shù)中的任意兩個可確定第三個。

2.縮放噴嘴的變動工況在工況變動的一定范圍內(nèi)，縮放噴嘴中可能出現(xiàn)沖波，這正是它與漸縮噴嘴工作狀態(tài)的本質(zhì)差別。圖3-30顯示了在變動工況下，縮放噴嘴內(nèi)壓力和速度的變化狀況。圖3-29漸縮噴嘴流量網(wǎng)圖（適用于過熱蒸汽）圖3-30變工況下縮放噴嘴汽流參數(shù)及流量變化曲線二、汽輪機級的變動工況

1．級前后壓力與流量的關(guān)系

1）設(shè)計工況和變動工況下級均為臨界狀態(tài)級在臨界工況下工作時，其噴嘴或動葉必定處于臨界狀態(tài)。當噴嘴在臨界工況下工作時，根據(jù)式（3-75）有：（3-79）當動葉在臨界工況下工作時，經(jīng)推導(dǎo)可得（3-80）在作級的變工況估算時，通常忽略動葉頂部間隙的漏汽。則有（3-81）

2）設(shè)計工況和變動工況下級均為亞臨界狀態(tài)經(jīng)推導(dǎo)可得

（3-82）

3）一種工況下，級達臨界狀態(tài)，而在另一種工況下，級未達臨界狀態(tài)此時，級的變工況計算比較復(fù)雜，無法給出一個流量與蒸汽參數(shù)之間的具體關(guān)系式。

2.級內(nèi)反動度的變化因焓降（或速度比）的變化所引起的反動度的變化用表示，可用下面討論的方法進行計算：（3-83a）

對沖動式汽輪機，可近似地認為,于是得到：（3-83b）在運行中，如果級內(nèi)速度比及面積比都發(fā)生變化，則級內(nèi)反動度的變化為（3-83c）三、汽輪機級組的變動工況

1.級組前、后壓力與流量的關(guān)系級組是若干個流量相等的相鄰級的組合，如圖3-31。若該機組中各級在變動工況下始終處于亞臨界狀態(tài)，則有：（3-84）或（3-84a）

圖3-31汽輪機級組示意圖若機組中某一級始終處于臨界狀態(tài)，此時，對于最后一級，由式（3-81）有：或（3-85）可以證明

（3-86）由此可知，此時通過機組的流量與該機組中所有各級級前壓力成正比。

2．級組壓力與流量關(guān)系式的應(yīng)用條件（1）在同一工況下，通過同一級組各級的流量應(yīng)相等；（2）在不同工況下，級組中各級的通流面積應(yīng)保持不變；（3）流過級組各級的汽流應(yīng)是一股均質(zhì)流；（4）嚴格地說，級組壓力與流量關(guān)系式（3-84）適用于具有無窮多級數(shù)的級組。第六節(jié)供熱汽輪機一、供熱汽輪機的熱經(jīng)濟性對于凝汽式汽輪機，汽輪機裝置的相對熱效率為：（3-87）式中——進入汽輪機的蒸汽焓值（kJ/kg）；

——離開最后一級高壓加熱器進入鍋爐的給水焓值（kJ/kg）。凝汽式汽輪發(fā)電機組的絕對熱效率為：供熱式汽輪發(fā)電機組的絕對熱效率應(yīng)為

（3-88）

由式（3-87）和式（3-88）可得

（3-89）

可見，供熱式汽輪機的熱效率大于凝汽式汽輪機的熱效率，且二者差值與其熱電比有關(guān)。二、背壓式汽輪機

1．背壓式汽輪機的特點背壓式汽輪機的主要任務(wù)是在一定的排汽參數(shù)下供應(yīng)用戶規(guī)定的蒸汽量，并能同時發(fā)出一定的電能。背壓式汽輪機一般采用噴嘴調(diào)節(jié)。背壓式汽輪機與凝汽式汽輪機相比，葉片長度與部分進氣度均較大，效率較高。背壓式汽輪機是以熱定電的。中壓電廠加以改造時，可以設(shè)置背壓式汽輪機，稱為前置式汽輪機。

2．背壓式汽輪機熱、電負荷間的關(guān)系若熱負荷為、排汽焓為，則排汽量即為進汽量（3-90）

圖3-32背壓式汽輪機和凝汽式汽輪機并列運行圖3-33前置式背壓式汽輪機的熱力系統(tǒng)圖在沒有電網(wǎng)供電的地區(qū)，背壓式汽輪機不能單獨運行，而必須與凝汽式汽輪機并列運行，如圖3-32所示。上述的運行方式，效率不高，故有圖3-33所示的運行方式，即按前置式汽輪機方式布置。三、一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機

1．一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機的特點將并列運行的背壓式汽輪機與凝汽式汽輪機合并就成了一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機，如圖3-34所示。圖3-34一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機的系統(tǒng)示意圖

2．一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機功率與流量的關(guān)系如不考慮回?zé)岢槠?，則有：（3-91）（3-92）用圖3-34符號，則汽輪機的內(nèi)功率和為（3-93）（3-94）

于是

（3-95）一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機的工況圖，見圖（3-35）。

圖3－35一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機的工況圖第七節(jié)火箭及噴氣發(fā)動機一、火箭推進概述

1.火箭的運動與推力火箭的運動是由直接反作用引起的，如圖3-36a所示?；鸺l(fā)動機是直接反作用式發(fā)動機，發(fā)動機和推進器合為一體，射流產(chǎn)生的反作用力直接施加在發(fā)動機上。間接反作用式裝置，例如空氣螺旋槳飛機（圖3-36b），作為能源的部件（發(fā)動機）和利用發(fā)動機的能量來產(chǎn)生運動的部件（推進器）兩者是分開的；推動飛行器前進的反作用力施加在推進器上，而不是施加在發(fā)動機上?？諝鈬姎獍l(fā)動機需利用周圍的空氣來產(chǎn)生噴氣射流，火箭發(fā)動機則不需利用周圍空氣而只用自身攜帶的物質(zhì)來產(chǎn)生噴氣射流。空氣噴氣發(fā)動機至少應(yīng)當由下列五個部件組成：進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和噴管，如圖3-37所示。插圖3-8為渦輪噴氣發(fā)動機實物照片。圖3-36直接與間接反作用的比較圖3-37渦輪噴氣發(fā)動機原理簡圖插圖3-8渦輪噴氣發(fā)動機因此，裝有空氣噴氣發(fā)動機的飛行器只能在大氣層中推進，在真空中只能靠慣性飛行；而裝有火箭發(fā)動機的飛行器，則無論在大氣層內(nèi)或在大氣層外都能推進。今以化學(xué)能火箭為例，見圖3-38。火箭在推進過程中是變質(zhì)量系統(tǒng)，但如把噴出的質(zhì)量也包括進來，就仍然是定質(zhì)量系統(tǒng)。設(shè)為每秒噴出的燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量，即

（3-96）圖3-38火箭作直線運動于是，根據(jù)動量定理有（3-97）將式（3-97）展開并略去二階微量，得火箭運動的方程式：（3-98）

在外力中的氣動阻力和重力不應(yīng)該包括在發(fā)動機的推動力之中。因此，發(fā)動機推力的基本公式為（3-99）可見，發(fā)動機的推力由動量推力（動推力）（動推力）和壓力推力（靜推力）兩部分組成。動推力是推力的主要部分。如果把靜推力也換算稱動推力，則式（3-99）為

（3-100）式中，vef為等效排氣速度。（3-101）

在整個工作時間tn內(nèi)，推力產(chǎn)生的總沖量（簡稱總沖）記作I，則（3-102）平均比沖量（簡稱平均比沖），記做Is，則（3-103）任意瞬間的比沖（比推力）定義為

（3-104）因此，瞬時比沖實際上就是等效排氣速度。比沖是衡量發(fā)動機性能的重要指標。比沖大，說明可以用較少的推進劑獲得需要的總沖。它既是能量指標，又是經(jīng)濟性指標。火箭的理想飛行速度公式為（3-105）

火箭的理想飛行速度大于實際飛行速度，它也是一