《汽轮机原理》第三章 涡轮机及喷气发动机

涡轮机原理涡轮机是一种能够将流体动能转化为机械能的装置，它在现代工业中扮演着至关重要的角色。

涡轮机的原理是基于流体动力学和热力学的基本原理，它的工作原理复杂而精密，但却能够为人类社会提供强大的动力支持。

下面，我们将深入探讨涡轮机的工作原理。

首先，我们来了解一下涡轮机的基本构造。

涡轮机通常由转子、定子和叶片组成。

其中，转子是旋转的部分，定子是固定的部分，而叶片则是连接在转子或定子上的装置，用来转化流体动能。

涡轮机可以根据其工作流体的不同分为水轮机、汽轮机、气轮机等不同类型。

涡轮机的工作原理主要是利用了流体动能和动量守恒定律。

当流体通过叶片时，叶片对流体施加了一个作用力，从而改变了流体的动量。

根据牛顿第三定律，流体也会对叶片施加一个相等大小、反向的作用力，这就产生了叶片上的动力。

而转子的旋转就是由这些叶片上的动力所驱动的。

除了动量守恒定律，涡轮机的工作原理还涉及了能量转化的过程。

根据热力学原理，流体在通过涡轮机时会释放出一部分动能，而这部分动能就被转化为了机械能，从而驱动了涡轮机的转子旋转。

这种能量转化的过程是非常高效的，使得涡轮机成为了工业生产中不可或缺的设备之一。

此外，涡轮机的工作原理还与流体动力学的一些基本原理密切相关。

例如，涡轮机中的叶片设计需要考虑流体的速度、压力分布等因素，以确保流体能够顺利通过叶片，并且叶片能够充分利用流体动能。

这就需要对流体动力学有深入的理解和精密的计算。

总的来说，涡轮机的工作原理是基于流体动力学、热力学和动量守恒定律的基本原理，它能够将流体动能转化为机械能，为现代工业生产提供了强大的动力支持。

通过深入了解涡轮机的工作原理，我们能够更好地设计和运用涡轮机，提高其效率，推动工业生产的持续发展。

涡轮机的原理虽然复杂，但却是现代工业中不可或缺的重要组成部分，对于我们的生活和工作都具有重要意义。

涡轮机原理
涡轮机，又称为涡轮发动机，是一种将流体（通常是气体）的动能转化为机械能的装置。

其原理实际上是基于牛顿第三定律——作用力与反作用力相等而方向相反。

涡轮机由一个或多个装有叶片的转子组成，流体通过转子时被加速，从而使转子受到一个向相反方向的冲击力。

涡轮机的工作原理可以分为两个关键步骤：压力能转换为动能和动能转换为机械能。

首先，流体进入涡轮机时是高压状态。

当流体通过转子时，叶片将流体加速，使其动能增加，而压力则降低。

这个过程将高压能转换为动能。

接着，动能转换为机械能的过程发生在转子接收到流体冲击力后。

由于牛顿第三定律的作用，流体击打叶片时，叶片会受到反作用力。

这个反作用力转化为转子的转动力矩，从而驱动转子旋转。

这样，涡轮机将流体的动能转换为机械能，可以驱动其他设备如发电机或飞行器的推力装置。

涡轮机可以应用于许多领域，例如航空、能源和交通等。

通过不同的设计和参数设置，涡轮机可以适应不同的介质和工作条件，提高能效并满足特定的需求。

涡轮机的原理是一种高效的能量转换方式，其关键在于利用流体动力学和动力学原理将流体的压力能转换为机械能。

它的发
展和应用对于现代工程领域具有重要意义，为各种技术和应用领域带来了巨大的进步。

燃气轮机工作原理当您来到机场看到从事商业运营的喷气飞机时，一定会注意到为飞机提供动力的巨大发动机。

大部分商用喷气飞机都采用涡轮风扇发动机，这种发动机属于一个大类，叫做燃气轮机。

您可能从未听说过燃气轮机，其实在您意想不到的各种场所都会出现它的身影。

例如，您看到的许多直升机，大量的小型发电厂，甚至M-1坦克，它们使用的都是燃气轮机。

在本文中，我们将看一看燃气轮机到底有哪些能力让它们如此受欢迎。

涡轮机的种类很多:您可能听说过蒸汽涡轮机。

大部分发电厂使用煤、天然气、石油，甚至核反应堆来产生蒸汽。

通过一台巨大、设计精密的多级涡轮机，蒸汽带动输出轴旋转，输出轴再带动发电机，从而产生电力。

水电站大坝使用水力涡轮机(水轮机)产生动力，这种涡轮机的工作原理与蒸汽涡轮机相同。

由于水的密度要远远大于空气，而且流动速度慢，因此水电站使用的涡轮机与蒸汽涡轮机完全不同，不过，二者的基本原理是一致的。

风力涡轮机，也被称为“风磨”，是一种以风为动力的涡轮机。

由于风的速度较慢，而且重量很轻，因此风力涡轮机看上去一点儿也不像蒸汽涡轮机或水力涡轮机，不过，它们的基本原理是一致的。

燃气轮机也是相同原理的延伸。

它采用压缩气体转动涡轮。

所有现代燃气轮机，都是通过燃烧丙烷、天然气、煤油或喷气燃料等，自己产生压缩气体。

燃料燃烧产生的热量使得空气膨胀，热空气高速冲出，带动涡轮旋转。

那么，为什么M-1坦克要使用1,500马力的燃气轮机，而不使用柴油发动机呢,事实上，与柴油机相比，涡轮机有两大优势:燃气轮机的功率重量比远优于往复式发动机。

也就是说，涡轮发动机的输出功率与自身重量的比率非常好。

在相同输出功率下，燃气轮机的体积要小于往复式发动机。

燃气轮机的主要劣势在于，与同体积的往复式发动机相比，它的造价昂贵。

由于涡轮机的转速快，而且工作温度高，因此从工程和材料的角度看，燃气轮机的设计和制造都是一个很棘手的问题。

此外，燃气轮机空转时消耗的燃料更多，而且要求负载恒定，不要有波动。

涡轮喷气发动机（Turbojet）（简称涡喷发动机）是一种涡轮发动机。

特点是完全依赖燃气流产生推力。

通常用作高速飞机的动力。

油耗比涡轮风扇发动机高。

涡喷发动机分为离心式与轴流式两种，离心式由英国人弗兰克惠特尔爵士于1930年取得发明专利，但是直到1941年装有这种发动机的飞机才第一次上天，没有参加第二次世界大战，轴流式诞生在德国，并且作为第一种实用的喷气式战斗机Me-262的动力参加了1944年末的战斗。

相比起离心式涡喷发动机，轴流式具有横截面小，压缩比高的优点，但是需要较高品质的材料这在1945年左右是不存在的。

当今的涡喷发动机均为轴流式。

一个典型的轴流式涡轮喷气发动机图解（浅蓝色箭头为气流流向）图片注释：1 -吸入，2 -低压压缩，3 -高压压缩，4 -燃烧，5 -排气，6 -热区域，7 -涡轮机,8 -燃烧室，9 -冷区域，10 - 进气口目录一个典型的轴流式涡轮喷气发动机图解（浅蓝色箭头为气流流向）低压压缩，3 -高压压缩，4 -燃烧,5 -排气,6 -冷区域，10 - 进气口1.1进气道1.2压气机1.3燃烧室与涡轮1.4喷管及加力燃烧室2使用情况3基本参数结构图片注释：1 -吸入,2 -热区域，7 -涡轮机，8 -燃烧室，9 - 1结构离心式涡轮喷气发动机的原理示意图图片注释：顺时针依次为：离心叶轮（压缩机），轴，涡轮机，喷嘴，燃烧室轴流式涡轮喷气发动机的原理示意图图片注释：顺时针依次为：压缩机，涡轮机，喷嘴，轴，燃烧室进气道轴流式涡喷发动机的主要结构如图，空气首先进入进气道，因为飞机飞行的状态是变化的，进气道需要保证空气最后能顺利的进入下一结构：压气机（compressor ）。

进气道的主要作用就是将空气在进入压气机之前调整到发动机能正常运转的状态。

在超音速飞行时，机头与进气道口都会产生激波（shockwave ），空气经过激波压力会升高，因此进气道能起一定的预压缩作用，但是激波位置不适当将造成局部压力的不均匀，甚至有可能损坏压气机。

汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。

在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。

如图 1 所示。

高速汽流流经动叶片 3 时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮 2 旋转做功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。

图 1 冲动式汽轮机工作原理图1-轴； 2-叶轮； 3-动叶片； 4-喷嘴汽轮机主要由转动部份(转子)和固定部份(静体或者静子)组成。

转动部份包括叶栅、叶轮或者转子、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件。

固定部件包括气缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套(或者静叶持环)、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统以及有关紧固零件等。

套装转子的结构如图 2 所示。

套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别创造的，然后将它们热套(过盈配合)在主轴上，并用键传递力矩。

图 2 套装转子结构1-油封环 2-油封套 3-轴 4-动叶槽 5-叶轮 6-平衡槽汽轮机主要用途是在热力发电厂中做带动发机电的原动机。

为了保证汽轮机正常工作，需配置必要的附属设备，如管道、阀门、凝汽器等，汽轮机及其附属设备的组合称为汽轮机设备。

图 3 为汽轮机设备组成图。

来自蒸汽发生器的高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀进入汽轮机。

由于汽轮机排汽口的压力大大低于进汽压力，蒸汽在这个压差作用下向排汽口流动，其压力和温度逐渐降低，部份热能转换为汽轮机转子旋转的机械能。

做完功的蒸汽称为乏汽，从排汽口排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水，此凝结水由凝结水泵抽出送经蒸汽发生器构成封闭的热力循环。

为了吸收乏汽在凝汽器放出的凝结热，并保护较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供应冷却水。

由于汽轮机的尾部和凝汽器不能绝对密封，其内部压力又低于外界大气压，于是会有空气漏入，最终进入凝汽器的壳侧。

若任空气在凝汽器内积累，凝汽器内压力必然会升高，导致乏汽压力升高，减少蒸汽对汽轮机做的实用功，同时积累的空气还会带来乏汽凝结放热的恶化，这两者都会导致热循环效率的下降，于是必须将凝汽器壳侧的空气抽出。

涡轮风扇喷气发动机及涡轮喷气发动机的区别以及涡喷.冲压原理涡轮风扇喷气发动机的诞生二战后，随着时间推移、技术更新，涡轮喷气发动机显得不足以满足新型飞机的动力需求。

尤其是二战后快速发展的亚音速民航飞机和大型运输机，飞行速度要求达到高亚音速即可，耗油量要小，因此发动机效率要很高。

涡轮喷气发动机的效率已经无法满足这种需求，使得上述机种的航程缩短。

因此一段时期内出现了较多的使用涡轮螺旋桨发动机的大型飞机。

实际上早在30年代起，带有外涵道的喷气发动机已经出现了一些粗糙的早期设计。

40和50年代，早期涡扇发动机开始了试验。

但由于对风扇叶片设计制造的要求非常高。

因此直到60年代，人们才得以制造出符合涡扇发动机要求的风扇叶片，从而揭开了涡扇发动机实用化的阶段。

50年代，美国的NACA(即NASA 美国航空航天管理局的前身)对涡扇发动机进行了非常重要的科研工作。

55到56年研究成果转由通用电气公司(GE)继续深入发展。

GE 在1957年成功推出了CJ805-23型涡扇发动机，立即打破了超音速喷气发动机的大量纪录。

但最早的实用化的涡扇发动机则是普拉特·惠特尼(Pratt & Whitney)公司的JT3D涡扇发动机。

实际上普·惠公司启动涡扇研制项目要比GE晚，他们是在探听到GE在研制CJ805的机密后，匆忙加紧工作，抢先推出了了实用的JT3D。

1960年，罗尔斯·罗伊斯公司的“康威”(Conway)涡扇发动机开始被波音707大型远程喷气客机采用，成为第一种被民航客机使用的涡扇发动机。

60年代洛克西德“三星”客机和波音747“珍宝”客机采用了罗·罗公司的RB211-22B大型涡扇发动机，标志着涡扇发动机的全面成熟。

此后涡轮喷气发动机迅速的被西方民用航空工业抛弃。

波音707的军用型号之一，KC-135加油机。

不加力式涡扇发动机实际上较为容易辨认，其外部有一直径很大的风扇外壳。

《喷气发动机》知识清单一、喷气发动机的定义与工作原理喷气发动机是一种通过燃烧燃料产生高温高压气体，然后将这些气体高速喷出，从而产生推力的动力装置。

其工作原理可以简单概括为：空气首先被吸入发动机，经过压缩后与燃料混合并在燃烧室中燃烧。

燃烧产生的高温高压气体迅速膨胀，通过喷管高速喷出，根据牛顿第三定律，即作用力与反作用力定律，产生向前的推力，推动飞机或其他飞行器前进。

二、喷气发动机的主要类型1、涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机是最早出现的喷气发动机类型之一。

它主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。

空气经过进气道被压气机压缩，提高压力和温度，然后进入燃烧室与燃料混合燃烧。

燃烧后的高温高压气体驱动涡轮旋转，涡轮再带动压气机工作，最后气体从尾喷管高速喷出。

2、涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机在涡轮喷气发动机的基础上增加了外涵道。

一部分空气经过内涵道，如同涡轮喷气发动机的工作流程；另一部分空气则经过外涵道，不经过燃烧直接与内涵道喷出的气体混合后排出。

外涵道的空气流量通常大于内涵道，这使得涡轮风扇发动机在亚音速飞行时具有更高的燃油效率和较低的噪音。

3、涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机的特点是将燃气产生的大部分能量通过涡轮传递给螺旋桨，螺旋桨产生主要的拉力，喷气产生的推力只占一小部分。

这种发动机通常用于低速飞机，如一些支线客机和通用飞机。

4、涡轮轴发动机涡轮轴发动机主要用于直升机，其工作原理与涡轮喷气发动机类似，但燃气的能量主要用于驱动直升机的旋翼。

5、冲压发动机冲压发动机没有压气机和涡轮等旋转部件，它依靠高速飞行时的冲压作用将空气压缩。

在较低速度时无法工作，通常在高超音速飞行中使用。

6、脉冲喷气发动机脉冲喷气发动机的工作过程是间歇的，通过燃烧室内的周期性燃烧产生推力。

这种发动机结构简单，但效率较低，常用于一些小型飞行器或特殊用途的飞机。

三、喷气发动机的关键部件1、进气道进气道的作用是引导空气以合适的速度和压力进入发动机。

简述涡轮喷气发动机的工作原理
涡轮喷气发动机是一种热动力发动机，它将某种形式的能量（通常是燃料的能量）转化为机械动力来驱动车辆或其他机械设备。

它主要由发动机本体、涡轮、喷油器、燃料系统等组成。

涡轮喷气发动机的工作原理是：首先，燃料系统将燃料以一定的压强进入喷油器，由喷油器将燃料和空气混合，并被点火，燃气的形成将压缩空气，提高温度，对压缩的空气进行内燃；然后，燃气经过排气活门和排气系统排出；然后，排出的燃气将带动涡轮转动，涡轮将转动能转换成机械动能，进而传递给输出轴；最后，输出轴驱动机械设备运行。

涡轮喷气发动机热力循环组成单转子涡轮喷气发动机是由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、喷管五大部件组成。

各组成部分的功能如下:进气道:将足够的空气量,以最小的流动损失顺利引入压气机；除此之外,当飞行速度大于压气机进口处的气流速度时,可以通过冲压压缩空气,提高空气的压力。

压气机:通过高速旋转的叶片对空气做功,压缩空气,提高空气的压力。

燃烧室:高压空气和燃油混合,燃烧,将化学能转变位热能,形成高压高温的燃气。

涡轮:高温高压的燃气在涡轮内膨胀,向外输出功，去带动压气机和其他附件。

喷管:使燃气继续膨胀,加速,提高燃气速度。

足够量的空气，通过进气道以最小的流动损失顺利地引入发动机。

压气机以高速旋转地叶片对空气做功压缩空气，提高空气地压力。

高压空气在燃烧室内和燃油混合，燃烧，将化学能转变为热能，形成高温高压地燃气。

高温高压地燃气首先在涡轮内膨胀，推动涡轮旋转，去带动压气机。

然后燃气在喷管内继续膨胀，加速燃气，提高燃气的速度。

使燃气以较高的速度喷出，产生推力。

发动机中压力最高的位置是在燃烧室进口,温度最高的位置是在涡轮的进口,发动机出口的压力可以等于,也可以大于外界的大气压。

中间的三个部分:压气机、燃烧室、涡轮称为燃气发生器。

燃气发生器是各种发动机的核心。

这是因为:燃气发生器可以完成发动机将热能转变为机械能的工作,即燃油在燃烧室燃烧,将化学能转变为热能；涡轮将部分热能转变为机械能；而热能转变为机械能需要在高压下进行,压气机就是来提高压力的。

燃气发生器所获得的机械能按其分配方式不同就形成了不同类型的燃气涡轮发动机,即涡扇发动机,涡桨发动机,涡轴发动机等；所以涡轮发动机中的风扇,涡桨发动机中的螺旋桨和直升机的旋翼所需的功率都来自燃气发生器。

故又称为这几种发动机的核心机。

单转子涡喷发动机的站位为了讨论方便，表示了单转子涡喷发动机的站位规定。

0站位:发动机的远前方,那里的气流参数为 *0*0,,,,T p V T p o ； 1站位:进气道的出口,压气机的进口,气流参数为 *1*1111,,,,T p V T p ； 2站位:压气机的出口,燃烧室的进口,气流参数为 *2*2222,,,,T p V T p ； 3站位:燃烧室的出口,涡轮的进口,气流参数为 *3*3333,,,,T p V T p ； 4站位:涡轮的出口,喷管的进口,气流参数为 *4*4444,,,,T p V T p ； 5站位:喷管的出口,气流参数为 *5*5555,,,,T p V T p ； 注意要区别于书上的循环过程的下标。

热能与动力工程基础考试试题大全热能与动力工程基础（考试大全）一、名词解释第1章导论1.热能动力装置：燃烧设备、热能动力机以及它们的辅助设备统称为热能动力装置。

2.原动机：将燃料的化学能、原子能和生物质能等所产生的热能转换为机械能的动力设备。

如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、汽油机、柴油机等。

3.工作机：通过消耗机械能使流体获得能量或使系统形成真空的动力设备。

第2章锅炉结构及原理1.锅炉：是一种将燃料化学能转化为工质（水或蒸汽）热能的设备。

2.锅炉参数：锅炉的容量、出口蒸汽压力及温度和进口给水温度。

3.锅炉的容量：指在额定出口蒸汽参数和进口给水温度以及保证效率的条件下，连续运行时所必须保证的蒸发量(kg/s或T/h) ，也可用与汽轮机发电机组配套的功率表示为kW 或MW 。

4.锅炉出口蒸汽压力和温度：指锅炉主汽阀出口处(或过热器出口集箱)的过热蒸汽压力和温度。

5.锅炉进口给水温度：指省煤器进口集箱处的给水温度。

6.煤的元素分析：C、H、O、N、S。

7.锅炉各项热损失：有排烟热损失，化学不完全燃烧损失，机械不完全燃烧损失，灰渣物理热损失，及散热损失。

8.锅炉热平衡：指输入锅炉的热量与锅炉输出热量之间的平衡。

9.锅炉的输出热量：包括用于生产蒸汽或热水的有效利用热和生产过程中的各项热损失。

10.锅炉的热效率：锅炉的总有效利用热量占锅炉输入热量的百分比。

在设计锅炉时，可以根据热平衡求出锅炉的热效率：11.锅炉燃烧方式：层燃燃烧、悬浮燃烧及流化床燃烧三种方式。

12.层燃燃烧：原煤中特别大的煤块进行破碎后，从煤斗进入炉膛，煤层铺在炉排上进行燃烧。

13.悬浮燃烧：原煤首先被磨成煤粉，然后通过燃烧器随风吹入炉膛进行悬浮燃烧。

这种燃烧方式同样用来燃烧气体和液体燃料。

14.流化：指炉床上的固体燃料颗粒在气流的作用下转变为类似流体状态的过程。

15.流化床燃烧：原煤经过专门设备破碎为0～8mm大小的煤粒，来自炉膛底部布风板的高速鼓风将煤粒托起，在炉膛中上下翻滚地燃烧。

热能与动力工程基础考试试题大全热能与动力工程基础（考试大全）一、名词解释第1章导论1.热能动力装置：燃烧设备、热能动力机以及它们的辅助设备统称为热能动力装置。

2.原动机：将燃料的化学能、原子能和生物质能等所产生的热能转换为机械能的动力设备。

如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、汽油机、柴油机等。

3.工作机：通过消耗机械能使流体获得能量或使系统形成真空的动力设备。

第2章锅炉结构及原理1.锅炉：是一种将燃料化学能转化为工质（水或蒸汽）热能的设备。

2.锅炉参数：锅炉的容量、出口蒸汽压力及温度和进口给水温度。

3.锅炉的容量：指在额定出口蒸汽参数和进口给水温度以及保证效率的条件下，连续运行时所必须保证的蒸发量(kg/s或T/h) ，也可用与汽轮机发电机组配套的功率表示为kW 或MW 。

4.锅炉出口蒸汽压力和温度：指锅炉主汽阀出口处(或过热器出口集箱)的过热蒸汽压力和温度。

5.锅炉进口给水温度：指省煤器进口集箱处的给水温度。

6.煤的元素分析：C、H、O、N、S。

7.锅炉各项热损失：有排烟热损失，化学不完全燃烧损失，机械不完全燃烧损失，灰渣物理热损失，及散热损失。

8.锅炉热平衡：指输入锅炉的热量与锅炉输出热量之间的平衡。

9.锅炉的输出热量：包括用于生产蒸汽或热水的有效利用热和生产过程中的各项热损失。

10.锅炉的热效率：锅炉的总有效利用热量占锅炉输入热量的百分比。

在设计锅炉时，可以根据热平衡求出锅炉的热效率：11.锅炉燃烧方式：层燃燃烧、悬浮燃烧及流化床燃烧三种方式。

12.层燃燃烧：原煤中特别大的煤块进行破碎后，从煤斗进入炉膛，煤层铺在炉排上进行燃烧。

13.悬浮燃烧：原煤首先被磨成煤粉，然后通过燃烧器随风吹入炉膛进行悬浮燃烧。

这种燃烧方式同样用来燃烧气体和液体燃料。

14.流化：指炉床上的固体燃料颗粒在气流的作用下转变为类似流体状态的过程。

15.流化床燃烧：原煤经过专门设备破碎为0～8mm大小的煤粒，来自炉膛底部布风板的高速鼓风将煤粒托起，在炉膛中上下翻滚地燃烧。