叶轮式原动机扩展内容课件

3.4 3.4 叶轮式原动机叶轮式原动机 扩展内容扩展内容 3.4.1 3.4.1 叶轮式原动机种类叶轮式原动机种类叶轮式原动机：以介质能量推动叶轮旋转，从而转换为机械能。以介质能量推动叶轮旋转，从而转换为机械能。原动机种类原动机种类：水轮机；汽轮机；燃气轮机；废气轮机；风力机；液压马达等水轮机；汽轮机；燃气轮机；废气轮机；风力机；液压马达等共同点：共同点：叶轮式机械，作功元件是叶轮。叶轮式机械，作功元件是叶轮。利用介质的能量，来转换为机械能。利用介质的能量，来转换为机械能。运动形式为旋转机械。运动形式为旋转机械。都可用相似理论。都可用相似理论。水轮机与汽轮机叶轮水轮机与汽轮机叶轮 电力工业电力工业 用来发电的能源用来发电的能源：水利；核能；热力（火力）；风力；海潮；太阳能；地水利；核能；热力（火力）；风力；海潮；太阳能；地热热 等等。中国目前发电形式中国目前发电形式：火力发电：锅炉火力发电：锅炉汽轮机汽轮机发电机发电机 水力发电：水库水力发电：水库水轮机水轮机发电机发电机 核能发电：核反应堆核能发电：核反应堆汽轮机汽轮机发电机发电机 风力发电：风风力发电：风风机风机发电机发电机 潮汐发电：海浪潮汐发电：海浪贯流水轮机贯流水轮机发电机发电机 太阳能：太阳能电池太阳能：太阳能电池 地热发电：西藏地热电站地热发电：西藏地热电站石油、石油、煤炭煤炭、水利、水利、核能、核能、风能、风能、太阳能、地热能太阳能、地热能世界能源利用平均比：利用平均比：世界能源石油天然气煤核能水力及其它需求比例%40.0423.2326.897.082.76中国能源石油天然气煤核能水力及其它需求比例%27.2.11.345.01.628.4中国能源利用平均比：中国能源利用平均比：中国电力情况：火力发电占国内总发电量：火力发电占国内总发电量：47%。水利发电占国内总发电量：水利发电占国内总发电量：16%；中国水利资源占世界中国水利资源占世界10%，开发利用，开发利用1/6。风力发电：风力发电：605万千瓦。万千瓦。太阳能发电：太阳能发电：10万千瓦。万千瓦。核能发电：核能发电：4.4万兆瓦，占总发电量万兆瓦，占总发电量1.8%。到2020年，核电达到4%，需增建44座风力发电风力发电潮汐发电潮汐发电太阳能发电3.4.2 火力电站核能发电核能发电火力发电火力发电:叶轮式原动机主要用叶轮式原动机主要用汽轮机汽轮机(蒸汽轮机蒸汽轮机).锅炉锅炉(核反应堆核反应堆)蒸汽蒸汽 蒸汽轮机蒸汽轮机 发电机发电机汽轮机：汽轮机：中型汽轮机：单轴：100；125；200 300；600 MW大型汽轮机：双轴：1300 MW单轴：1200 MW汽轮机工作原理汽轮机工作原理：高压饱合蒸汽经喷嘴进入汽轮机，冲击叶轮高速旋转，成为旋高压饱合蒸汽经喷嘴进入汽轮机，冲击叶轮高速旋转，成为旋转机械能，主轴带动发电机发电。转机械能，主轴带动发电机发电。蒸汽能量：蒸汽能量：膨胀功：蒸汽内能，进行绝热膨胀。膨胀功：蒸汽内能，进行绝热膨胀。冲击功：气流速度动能，为冲击功：气流速度动能，为:（1 1）火力发电）火力发电 核能发电、地热发电与之相同。核能发电、地热发电与之相同。发电设备发电设备：汽轮机（蒸汽轮机）：汽轮机（蒸汽轮机）+发电机发电机 工艺流程工艺流程：锅炉锅炉 饱和蒸汽饱和蒸汽 汽轮机汽轮机 发电机发电机 蒸汽能量（内能和动能）蒸汽能量（内能和动能）机械能机械能 电能电能蒸汽流程蒸汽流程：饱合蒸汽饱合蒸汽 汽轮机内膨胀作功汽轮机内膨胀作功 凝汽器凝汽器 水水 水泵水泵 锅炉锅炉 冷却水冷却水 冷水塔冷水塔饱合蒸汽饱合蒸汽(干蒸汽干蒸汽)指温度在指温度在500，压力在，压力在 9 MPa 的蒸汽。的蒸汽。膨胀功膨胀功：由热力学第一定律：由热力学第一定律：汽轮机为绝热膨胀，所有内能都作功，即汽轮机为绝热膨胀，所有内能都作功，即 膨胀功：膨胀功：若想使蒸汽多作功：若想使蒸汽多作功：提高进口参数：提高进口参数：降低出口参数：降低出口参数：进口蒸汽：进口蒸汽：饱合蒸汽（干蒸汽）饱合蒸汽（干蒸汽）出口蒸汽：出口蒸汽：蒸汽内能蒸汽内能u 将发出将发出 337 大卡大卡/公斤公斤 的能量。的能量。若出口压力为若出口压力为 1 MPa，则，则 u=94 大卡大卡/公斤公斤。所以，汽轮机出口的压力、温度越低，蒸汽膨胀作功越大。所以，汽轮机出口的压力、温度越低，蒸汽膨胀作功越大。临界蒸汽锅炉临界蒸汽锅炉:方法：方法：在汽轮机出口安装凝汽器（冷凝器）在汽轮机出口安装凝汽器（冷凝器）。原理原理：高温蒸汽进入冷凝器后，温度迅速下降，蒸汽冷凝成水，体：高温蒸汽进入冷凝器后，温度迅速下降，蒸汽冷凝成水，体积缩小约三万倍，汽轮机出口压力成为真空度，进出口压差增大，积缩小约三万倍，汽轮机出口压力成为真空度，进出口压差增大，气流速度加快，冲击动能增加；同时蒸汽膨胀功也增大。气流速度加快，冲击动能增加；同时蒸汽膨胀功也增大。凝汽器凝汽器：一个大型换热器，靠冷却水循环来降低蒸汽温度。：一个大型换热器，靠冷却水循环来降低蒸汽温度。冷却水是由冷水塔提供，冷水塔是一个双曲线型水泥塔。冷却水是由冷水塔提供，冷水塔是一个双曲线型水泥塔。汽轮机叶轮作功：一级中：叶轮速度三角形：沿轴向分速度 汽流功：汽流功：推动力矩：推动力矩：设计流量下：设计流量下：式中：一级中能量计算一级中能量计算：级中损失：级中损失有：静叶损失，动叶损失，进口冲角损失，静叶损失，动叶损失，进口冲角损失，余速损失，叶高损失，泄漏损失，叶顶损失，余速损失，叶高损失，泄漏损失，叶顶损失，扇形损失，摩擦损失，进汽损失，湿气损失；扇形损失，摩擦损失，进汽损失，湿气损失；3.4.3 水利发电（1 1）世界大型水电站）世界大型水电站 中国水利资源：十分丰富，约占世界总量的中国水利资源：十分丰富，约占世界总量的10%。中国水利资源可用来发电大约还不到中国水利资源可用来发电大约还不到16%。今后我国将优先开发水力发电。今后我国将优先开发水力发电。目前，世界最大的水电站：长江三峡水电站：1820万kW 巴西与巴拉圭合建的伊泰普水电站巴西与巴拉圭合建的伊泰普水电站，在两国的界河上。，在两国的界河上。8591年建设，年建设，装机总功率：装机总功率：1260万万 kW，即，即1260万度万度/h。18 台发电机组，每台台发电机组，每台70万千瓦。万千瓦。大坝高大坝高196米，长米，长1064米，整个枢纽总长米，整个枢纽总长7744米，混凝土量：米，混凝土量：1100万立方米，横跨两国。万立方米，横跨两国。美国美国 大古力电站大古力电站 建在哥伦比亚河的干流上，建在哥伦比亚河的干流上，19331980建设。建设。装机总功率：装机总功率：648万万kW，33台机组，台机组，6种类型。种类型。70万万kW机组机组3台台 大坝高大坝高168米，坝长米，坝长1272米，混凝土量米，混凝土量809.3万立方米。万立方米。前苏联前苏联 萨扬舒申斯克水电站萨扬舒申斯克水电站 建在西伯利亚叶尼塞河上，建在西伯利亚叶尼塞河上，19631987建设。建设。装机总功率：装机总功率：640万万kW，10台机组，每台台机组，每台64万万kW。大坝高大坝高245米（世界最高），坝长米（世界最高），坝长1066米，混凝土量米，混凝土量850万立方米万立方米。中国中国 葛洲坝水利枢纽葛洲坝水利枢纽 在长江宜昌，在长江宜昌，19701988年建设，河床式水电站。年建设，河床式水电站。装机总功率：装机总功率：271.5万万kW，6台机组，最大台机组，最大64万万kW。大坝高大坝高53.8米，坝长米，坝长2606.5米，米，最高水头最高水头27米，采用轴流式水轮机。米，采用轴流式水轮机。三滩水电站：三滩水电站：坝高坝高240米，为高弧线坝，达到世界级水平米，为高弧线坝，达到世界级水平 小浪底水电站小浪底水电站：发电、蓄水、清沙，特别是清沙功能世：发电、蓄水、清沙，特别是清沙功能世界级难题。界级难题。葛洲坝水利枢纽葛洲坝水利枢纽三峡水利枢纽湖北宜昌 长江三峡风景区，长江三峡风景区，1992年全国人大通过，同年开工。年全国人大通过，同年开工。2002年年11月截流蓄水，月截流蓄水，2003年发电，年发电，2008年竣工。年竣工。装机总功率：装机总功率：1820万万kW，26台台70万万kW机组，四台直流发电机。机组，四台直流发电机。年发电量年发电量840亿亿kWh。大坝高：大坝高：185米，坝顶长米，坝顶长1983米，混凝土总量米，混凝土总量2000多万立方：多万立方：最高水位：最高水位：175米，总库容：米，总库容：393亿立方米。亿立方米。耗资：耗资：1800 亿人民币亿人民币 （计划（计划2000多亿），多亿），120多万大移民，淹没区多万大移民，淹没区73万人口。万人口。三峡水电站全景三峡工程创造三峡工程创造100多项世界第一多项世界第一发电机房蜗壳进口直径12.4米定子外径定子外径21.75米，米，675吨。吨。转子 转子转子19m，高，高3.2m叶轮重：叶轮重：叶轮重：叶轮重：430 430 吨、高吨、高吨、高吨、高5.5M5.5M、直径、直径、直径、直径10.5M10.5M、960960万美元，加拿大制造万美元，加拿大制造万美元，加拿大制造万美元，加拿大制造 三大主要功能：防洪，发电，航运三大主要功能：防洪，发电，航运 防洪：坝区蓄水量约防洪：坝区蓄水量约400亿立方米，新增蓄水量亿立方米，新增蓄水量221.5亿立方米，亿立方米，是荆江分洪区的是荆江分洪区的4倍，可控制倍，可控制95%的上游洪水，控制时间的上游洪水，控制时间 达达23天，解决千年一遇特大洪水。天，解决千年一遇特大洪水。发电：年发电量发电：年发电量840亿亿kWh，供华中、华东、华北等地。，供华中、华东、华北等地。航运：三峡大坝以上航运：三峡大坝以上600公里成为深水航道，万吨巨轮直达重庆。公里成为深水航道，万吨巨轮直达重庆。险滩不险，高峡出平湖，扩大了三峡旅游资源。险滩不险，高峡出平湖，扩大了三峡旅游资源。第二大电站：金沙江溪洛渡电站，总装机：第二大电站：金沙江溪洛渡电站，总装机：1260万千瓦。万千瓦。2006.12.262015年建成。总投资：年建成。总投资：700亿。亿。拦河坝高：拦河坝高：610米，世界之最。米，世界之最。长江三峡工程3.4.4 水轮机工作原理 水力发电利用水的势能和动能，推动水轮机转动，水轮机直接带水力发电利用水的势能和动能，推动水轮机转动，水轮机直接带动发电机发电。动发电机发电。水力能量水力能量 推动水轮机（机械能）推动水轮机（机械能）发电机（电能）发电机（电能）水力能量：由水位差形成的位置势能，在水轮机进口处以压能和水力能量：由水位差形成的位置势能，在水轮机进口处以压能和 动能的形式冲击叶轮作功。动能的形式冲击叶轮作功。水轮机种类水轮机种类：水斗式水斗式 冲击式冲击式 双击式双击式 利用水流的动能。利用水流的动能。斜击式斜击式 径流式径流式 反击式反击式 混流式混流式 利用水流的势能和动能。利用水流的势能和动能。轴流式轴流式 贯流式贯流式 大中型水力发电站皆采用反击式水轮机。大中型水力发电站皆采用反击式水轮机。径流式径流式：用于高水头，冲击速度大，流量适中的水电站。可：用于高水头，冲击速度大，流量适中的水电站。可 使水流的动能较多的转化为机械能。使水流的动能较多的转化为机械能。混流式混流式：大中型水电站，水头高：大中型水电站，水头高30700米，水量大。米，水量大。利用水流的压能和动能推动叶轮，效率高。利用水流的压能和动能推动叶轮，效率高。中国最大的三峡水电站，单机中国最大的三峡水电站，单机70万万kW。轴流式轴流式：中小型水电站，水头高：中小型水电站，水头高380米，大流量河流。米，大流量河流。利用大流量水流的流动动能推动叶轮，平均效率高。利用大流量水流的流动动能推动叶轮，平均效率高。世界最大直径为世界最大直径为11.3米水轮机在葛洲坝水电站。米水轮机在葛洲坝水电站。贯流式贯流式：用于虹吸式或潮汐式水电站，水头高：用于虹吸式或潮汐式水电站，水头高330米，小水量。米，小水量。潮汐式具有双向发电功能，浙江温岭江夏潮汐电站潮汐式具有双向发电功能，浙江温岭江夏潮汐电站700kW。冲击式（水斗式）：冲击式（水斗式）：小型水电站，水头高小型水电站，水头高1001700米，小水量。米，小水量。利用高水位压能使喷嘴处产生大的冲击力，推动叶轮转动。利用高水位压能使喷嘴处产生大的冲击力，推动叶轮转动。中国最大的在四川磨房沟二级水电站。中国最大的在四川磨房沟二级水电站。水轮机功、功率计算水轮机功、功率计算 水流输出功率水流输出功率：即水轮机叶轮进口处功率。即水轮机叶轮进口处功率。H有效水头（水位差），有效水头（水位差），m。q通过水轮机的流量，通过水轮机的流量，水力效率，水力效率，大型机组大型机组=0.820.90。水的重度，水的重度，水轮机叶轮功率水轮机叶轮功率：M叶轮上的作用力矩，叶轮上的作用力矩，N.m。叶轮的角速度，叶轮的角速度，水流功率与叶轮功率：水流功率与叶轮功率：水冲击对叶轮产生的力与力矩：由流体动量原理（动量方程）由流体动量原理（动量方程）冲击叶轮力矩：冲击叶轮力矩：冲击力（动量）：冲击力（动量）：动量矩：动量矩：功率：功率：功：功：单位质量功：单位质量功：上式为著名的欧拉方程。上式为著名的欧拉方程。静水压头高度：静水压头高度：对叶轮的压力：对叶轮的压力：发电机功率：发电功率（电功率）发电功率（电功率）：发电机效率：发电机效率：发电功率发电功率：发电量：离心式压缩机课外分析题离心式压缩机课外分析题1.查阅叶轮式、转子式压缩机结构，分析工作原理？2.查阅叶轮式原动机结构，工作原理。3.3.分析离心压缩机，用动量矩方程推导出的欧 拉方程。4.分析水轮机水冲击叶轮时，欧拉方程的应用、由水利能怎样转换为电能。本章结束本章结束水斗式径流式水轮机混流式轴流式水轮机