式。音速实际上就是压力波的传播速度。根据小压力扰动理论，音
速a可以表示为： a dp
d
将等熵过程微分方程式 dp k d 0 代入上式得
p
a
kp
kpv
kRT
音速标志了工质可压缩性的大小， 是流体的一个状态参数
对理想气体，k =cp/cv只是温度的函数，故音速也只是温度的函数 流体的速度c与当地音速a的比值叫作马赫数M。即 M c a
Ap ( p dp )dA ( p dp)( A dA) dR dm dc
2 Adp dR dm dc
dt
dt
dm Adx / v R dR dm ⇒ vdp Rdx cdc
对等熵流动，R =0，则 vdp cdc
式中负号说明在无损失的流动过程中，压力和速度的变化方向相反
界凝汽式机组。目前我国已具备生产百万级机组的能力。
➢上汽厂、哈汽厂和东方厂——北重、青汽和武——杭汽、南汽等
➢美国的通用电气公司(GE)，西屋电气公司(WH)。瑞士ABB、法
国的阿尔斯通——大西洋公司(AA)。俄罗斯的列宁格勒金属工厂
(ЛМ3)。日本的三大企业：日立、东芝及三菱等。 3
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即质量平衡方程: qm
或
A1
连续性方程的微分形式:
dA dc dv 0
Ac v
表明了稳定流动中通流截面与汽流速度及蒸汽比容之间的变化关系
3. 运动方程式 ——蒸汽流动变化与作用于流体上的力
的关系式
微元段上的力:压力p及阻力dR，重力垂
直流动方向，在运动方向上的分量为零
2. 几何条件(截面变化与流速之间的关系)
将运动方程式 vdp cdc 代入等熵过程分方程式 dp k dv 0有
dv v
1 k
dp p
cdc kpv
c2 a2
dc c
M
2
dc c
代入连续性方程有
p
v
dA dc M 2 dc 0 dA (M 2 1) dc
Ac
c
A
c
可见，c↑时A应扩大还是缩小取决于M ⋛ 1?
①当M<1(亚音速),即c<a时，dA与 dc符号相反。膨胀(c↑):面积应渐缩. 扩压(p↑c↓):面积应渐扩。
②当M>1(超音速),即c>a时，dA与 dc符号相同。膨胀(c↑):面积应渐扩. 扩压(p↑c↓):面积应渐缩。
可见，若要使汽流从亚音速变为超 音速(膨胀加速)，管道(喷管)的形状 应先渐缩—再渐扩[称为缩放喷嘴或 拉伐尔(De laval)喷嘴]。
1.1 预备知识
1.1.1 热力学及流体力学的一些基本公式
1. 状态及过程方程式
理想气体的状态方程
pv RT
理想气体的定压比热
k cp k 1 R
式中 k—等熵指数。对于过热蒸汽k=1.3；对干饱和蒸汽k=1.135;
对湿蒸汽k=1.035+0.1x，x表示膨胀过程初态蒸汽干度
R—气体常数。R=R/=8410/[J/(kg∙K)]
➢1903年至1907年间，出现了热能电能联合生产的汽轮机，即背压
式及调节抽汽式汽轮机；1920年左右，出现了给水回热式汽轮机；
1925年，生产出第一台中间再热式汽轮机
➢20世纪70年代，美国生产了最大单机功率为1300MW的双轴汽轮
机，1980年前苏联制造的1200MW五缸六排汽一次中间再热超临界
③当M=1，即c=a时，称为临界。 dA=0，最小截面。
因此，速度的变化需两个条件：①压差—力7学条件；②通道形状变化—2几020何/8/条2 件
M=1时的气流状态称为临界状态，此时气流速度c称为临界速度
ccr，参数都称为临界参数，如pcr，vcr等。
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1.1.2 促使流动变化的条件
1. 力学条件(速度变化与压力变化之关系)
由运动方程式 vdp cdc 知：在气体流动中，如果流速是增加的，则压力必
然降低，如果压力升高，则流速必然降低。
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汽轮机发展史
➢第一台轴流式汽轮机由瑞典工程师拉伐尔(De Laval)1883年创造
冲动式，容量3.7kW，转速26000r/min，轮周速度475m/s。拉伐尔解决了等强
度轮盘，挠性轴和缩放喷嘴等较复杂的技术问题。
➢第 一 台 多 级 反 动 式 汽 轮 机 由 英 国 工 程 师 查 尔 斯 ·帕 森 斯 (Charles Parsons) 1884年设计
汽轮机原理
任课教师：张丁旺 联系电话：021-54748084
13501860320 E-mail：zdw@
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第一章 汽轮机工作原理
概述
汽轮机——一种将蒸汽的热能转变为机械功的旋转式原动机
•优点——单机功率大，热经济性高，运行平稳可靠，使 用寿命长，单位功率造价低，能使用各种廉价燃料等。 •缺点——体积庞大、变负荷能力差，必须配套有锅炉、 凝汽器、水泵、给水处理等大型设备以及给水回热等复杂 的热力系统。因而机动性差，不便用于移动式装备中。 •用途： ➢现代火力发电厂和核电厂的主要原动机 ➢可作为大型船舶及军舰的推进动力 ➢冶金、化工等部门用以驱动各种大型工作机 ➢供热式汽轮机还可满足生产和生活用汽、用热的需要， 实现高效益的热电联合生产。
单轴汽轮机投入运行
➢1955年，上汽厂制造了中国第一台功率为6MW的汽轮机，此后我
国 分 别 设 计 制 造 出 了 50MW 、 100MW 、 125MW 、 200MW 和
300MW等容量的凝汽式汽轮机及不同容量和型式的供热式汽轮机。
80年代，我国引进消化技术，自行制造出了300MW及600MW亚临
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4. 能量方程式
对于稳定流动，进入系统的能量必然等于离开系统的能量。若忽
略汽流进出系统的势能变化，则系统的能量方程可写为：
h0
c02 2
gz0
q
h1
c12 2
gz1
wi
h0
c02 2
h1
c12 2
wi
5. 音速与马赫数M
研究气体的流动经常用到临界概念，因此必须首先给出音速表达
R为通用气体常数=8410J/(kmol∙K)，为气体分子量。
对水蒸汽=18.016，R=461.26[J/(kg∙K)]。
理想气体的焓
h
cpT
k RT k 1
k k 1
pv
等熵膨胀过程方程
pvk p / k 常数
dp k dv 0 pv
dp k d 0 p
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2.
连续性方程