3.4 叶轮式原动机 —— 扩展内容

3.4.1 叶轮式原动机种类 叶轮式原动机： 原动机种类： 以介质能量推动叶轮旋转，从而转换为机械能。 3.4.1 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。 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 共同点：① 叶轮式机械，作功元件是叶轮。 ② 利用介质的能量，来转换为机械能。 ③ 运动形式为旋转机械。 ④ 都可用相似理论。

水轮机与汽轮机叶轮

电力工业 用来发电的能源： 水利；核能；热力（火力）；风力；海潮；太阳能；地热 等。 中国目前发电形式： 水利；核能；热力（火力）；风力；海潮；太阳能；地热 等。 中国目前发电形式： ① 火力发电：锅炉——汽轮机——发电机 ② 水力发电：水库——水轮机——发电机 ③ 核能发电：核反应堆——汽轮机——发电机 ④ 风力发电：风——风机——发电机 ⑤ 潮汐发电：海浪——贯流水轮机——发电机 ⑥ 太阳能：太阳能电池 ⑦ 地热发电：西藏地热电站

石油、 煤炭 、水利 、核能 、风能、 太阳能、地热能 世界能源利用平均比： 世界能源 石油 天然气 煤 核能 水力及其它 需求比例 % 40.04 23.23 26.89 7.08 2.76 中国能源利用平均比： 中国能源 石油 天然气 煤 核能 水力及其它 需求比例 % 27.2. 11.3 45.0 1.6 28.4

中国电力情况： 到2020年，核电达到4%，需增建44座 火力发电占国内总发电量：47%。 水利发电占国内总发电量：16%； 中国水利资源占世界10%，开发利用1/6。 风力发电：605万千瓦。 太阳能发电：10万千瓦。 核能发电：4.4万兆瓦，占总发电量1.8%。 到2020年，核电达到4%，需增建44座

风力发电

潮汐发电

太阳能发电

3.4.2 火力电站

核能发电

火力发电: 叶轮式原动机主要用汽轮机(蒸汽轮机). 锅炉(核反应堆) 蒸汽 蒸汽轮机 发电机

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： 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。 蒸汽能量： 膨胀功：蒸汽内能，进行绝热膨胀。 冲击功：气流速度动能，为:

（1）火力发电 核能发电、地热发电与之相同。 发电设备：汽轮机（蒸汽轮机）+ 发电机 工艺流程：锅炉→ 饱和蒸汽 → 汽轮机 → 发电机 蒸汽能量（内能和动能）→ 机械能 → 电能 蒸汽流程： 饱合蒸汽→ 汽轮机内膨胀作功 → 凝汽器 → 水 → 水泵 → 锅炉 ↓ 冷却水 → 冷水塔 饱合蒸汽 (干蒸汽) —— 指温度在500℃，压力在 9 MPa 的蒸汽。

膨胀功： 由热力学第一定律： 汽轮机为绝热膨胀，所有内能都作功，即

若想使蒸汽多作功： ω↑ 降低出口参数： 出口蒸汽： 提高进口参数： 进口蒸汽： 饱合蒸汽（干蒸汽） 若想使蒸汽多作功： ω↑ 提高进口参数： 降低出口参数： 进口蒸汽： 饱合蒸汽（干蒸汽） 出口蒸汽： 蒸汽内能△u 将发出 337 大卡/公斤 的能量。 若出口压力为 1 MPa ，则 △u = 94 大卡/公斤 。 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:

方法：在汽轮机出口安装凝汽器（冷凝器）。 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。 凝汽器：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。

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： 推动力矩： 设计流量下： 式中：

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， 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；

3.4.3 水利发电

（1）世界大型水电站 目前，世界最大的水电站： ㈠ 长江三峡水电站： 1820万kW ㈡ 巴西与巴拉圭合建的伊泰普水电站，在两国的界河上。 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16%。 今后我国将优先开发水力发电。 目前，世界最大的水电站： ㈠ 长江三峡水电站： 1820万kW ㈡ 巴西与巴拉圭合建的伊泰普水电站，在两国的界河上。 85~91年建设，装机总功率：1260万 kW，即1260万度/h。 18 台发电机组，每台70万千瓦。 大坝高196米，长1064米，整个枢纽总长7744米，混凝土量：1100万立方米，横跨两国。

㈢ 美国 大古力电站 建在哥伦比亚河的干流上，1933~1980建设。 装机总功率：648万kW，33台机组，6种类型。70万kW机组3台 大坝高168米，坝长1272米，混凝土量809.3万立方米。

㈣ 前苏联 萨扬舒申斯克水电站 建在西伯利亚叶尼塞河上，1963~1987建设。 装机总功率：640万kW，10台机组，每台64万kW。 ㈣ 前苏联 萨扬舒申斯克水电站 建在西伯利亚叶尼塞河上，1963~1987建设。 装机总功率：640万kW，10台机组，每台64万kW。 大坝高245米（世界最高），坝长1066米，混凝土量850万立方米。

㈤ 中国 葛洲坝水利枢纽 装机总功率：271.5万kW，6台机组，最大64万kW。 大坝高53.8米，坝长2606.5米， ㈤ 中国 葛洲坝水利枢纽 在长江宜昌，1970~1988年建设，河床式水电站。 装机总功率：271.5万kW，6台机组，最大64万kW。 大坝高53.8米，坝长2606.5米， 最高水头27米，采用轴流式水轮机。 三滩水电站：坝高240米，为高弧线坝，达到世界级水平 小浪底水电站：发电、蓄水、清沙，特别是清沙功能世界级难题。

葛洲坝水利枢纽

三峡水利枢纽 ——湖北宜昌 长江三峡风景区，1992年全国人大通过，同年开工。 2002年11月截流蓄水，2003年发电，2008年竣工。 装机总功率：1820万kW，26台70万kW机组，四台直流发电机。 年发电量840亿kWh。 大坝高：185米，坝顶长1983米，混凝土总量2000多万立方： 最高水位：175米，总库容：393亿立方米。 耗资：1800 亿人民币 （计划2000多亿）， 120多万大移民，淹没区73万人口。

三峡水电站全景

三峡工程创造100多项世界第一

发电机房

蜗壳进口直径12.4米

定子外径21.75米，675吨。

转子— 转子￠19m，高3.2m

叶轮重：430 吨、高5.5M、直径10.5M、960万美元，加拿大制造

长江三峡工程 三大主要功能：防洪，发电，航运 防洪：坝区蓄水量约400亿立方米，新增蓄水量221.5亿立方米， 是荆江分洪区的4倍，可控制95%的上游洪水，控制时间 达23天，解决千年一遇特大洪水。 发电：年发电量840亿kWh，供华中、华东、华北等地。 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。 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：1260万千瓦。 2006.12.26～2015年建成。总投资：700亿。 拦河坝高：610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，水轮机直接带动发电机发电。 水力能量→ 推动水轮机（机械能）→ 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 动能的形式冲击叶轮作功。

水轮机种类： 水斗式 ① 冲击式 双击式 利用水流的动能。 斜击式 径流式 ② 反击式 混流式 利用水流的势能和动能。 轴流式 贯流式 ① 冲击式 双击式 利用水流的动能。 斜击式 径流式 ② 反击式 混流式 利用水流的势能和动能。 轴流式 贯流式 大中型水力发电站皆采用反击式水轮机。

① 径流式：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。 ② 混流式：大中型水电站，水头高30~700米，水量大。 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70万kW。 ③ 轴流式：中小型水电站，水头高3~80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。 世界最大直径为11.3米水轮机在葛洲坝水电站。 ④ 贯流式：用于虹吸式或潮汐式水电站，水头高3~30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700kW。 ⑤ 冲击式（水斗式）： 小型水电站，水头高100~1700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。 中国最大的在四川磨房沟二级水电站。

① 水流输出功率： 即水轮机叶轮进口处功率。 水轮机功、功率计算 ① 水流输出功率： 即水轮机叶轮进口处功率。 H——有效水头（水位差），m。 q——通过水轮机的流量， η——水力效率， 大型机组η=0.82~0.90。 γ——水的重度，

② 水轮机叶轮功率： ③ 水冲击对叶轮产生的力与力矩： M——叶轮上的作用力矩，N.m 。 ω——叶轮的角速度， 水流功率与叶轮功率： 由流体动量原理（动量方程） 冲击叶轮力矩： 冲击力（动量）：

动量矩： 功率： 功： 单位质量功： 上式为著名的欧拉方程。 静水压头高度： 对叶轮的压力：

发电机功率： 发电功率（电功率）： 发电机效率：

发电功率： 发电量：

离心式压缩机课外分析题 查阅叶轮式、转子式压缩机结构，分析工作原理？ 查阅叶轮式原动机结构，工作原理。 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

水斗式

径流式水轮机

混流式

轴流式水轮机