2020高中物理 4.3 蒸汽轮机 燃气轮机 教案

2020高中物理 4.3 蒸汽轮机 燃气轮机 教案

4.3 蒸汽轮机 燃气轮机 教案 ［教学目标］ 1、了解活塞机和轮机 2、熟悉蒸汽轮机的原理及应用 3、知道燃气轮机以及应用 ［教学导引］ 1.所谓轮机就是指： 参考： 热机主轴上装着一系列叶轮，叶轮在蒸汽或燃气推动下旋转，不需要连 杆、曲轴做往复运动，更不需要笨重的飞轮 2．蒸汽轮机的基本工作单元称为 ，大型蒸汽轮机由若干级 组成， 称为多级蒸汽轮机，蒸汽轮机的级由 和 组成 参考：级、串联、固定在外壳上的导流页片、固定在机轴上的叶轮 3、简述蒸汽轮机的优点和缺点？ 参考：蒸汽轮机有许多优点：转速大，转动平稳、重量轻、占地少。但是蒸汽 轮机也有缺点，它的速度不能做到较大的改变 4、燃气轮机和活塞机工作是，都有 、 、 、 四个阶段 参考：进气、加压、燃烧、排气 ［要点导学］ 一、活塞机 1、活塞式压缩机的工作是气缸、气阀和在气缸中作往复运动的活塞所构成的工 作容积不断变化来完成。如果不考虑活塞式压缩机实际工作中的容积损失和能量损 失（即理想工作过程），则活塞式压缩机曲轴每旋转一周所完成的工作，可分为吸气、 压缩和压缩过程、排气过程。 2、按所采用的工质分类，一般有氨压缩机和氟利昂压缩机两种。 按压缩级数分类，有单级压缩和两级压缩。单级压缩机是指压缩过程中制冷剂 蒸气由低压至高压只经过一次压缩。而所谓的两级压缩机，压缩过程中制冷剂蒸气 由低压至高压要连续经过两次压缩。 按作用方式分类，有单作用压缩机和双作用压缩机。其制冷剂蒸气仅在活塞的 一侧进行压缩，活塞往返一个行程，吸气排气各一次。而双作用压缩机制冷剂蒸气 轮流在活塞两侧的气缸内进行压缩，活塞往返一个行程，吸、排气各两次。所以同 样大小的气缸，双作用压缩机的吸气量较单作用的大。但是由于双作用压缩机的结 构较复杂，因而目前大都是采用单作用压缩机。 按制冷剂蒸气在气缸中的运动分类，有直流式和逆流式。所谓直流式是指制冷 剂蒸气的运动从吸气到排气都沿同一个方向进行，而逆流式，吸气与排气时制冷剂 蒸气的运动方向是相反的。从理论分析来看，直流式与逆流式相比，由于蒸气在气 缸中温度及比容的变化较少，故直流式性能较好。但是由于直流式压缩机的进汽阀 需装在活塞上，这样便相对增加了活塞的长度和重量，因而功的消耗就增加、检修 也麻烦，所以目前生产的压缩机大都采用逆流式。 按气缸中心线的位置分类，有立式压缩机、卧式压缩机、Ｖ型、Ｗ型和Ｓ型压 缩机等。立式压缩机气缸中心线呈垂直位置而卧式压缩机气缸中心线是水平的。Ｖ 型、Ｗ型和Ｓ型是高速、多缸、现代型压缩机，其速度一般为 960～1440 转／分， 气缸数目多为２、4、6、8 四种，其中，字母表示气缸的排列形式。 活塞式制冷压缩机，根据其结构特征，还可分为开启式、半封闭式和全封闭式 三种。虽然构造各异，但它们之间也有许多共同之处，只是其结构特征不同。 二、蒸汽轮机 1、全称叫蒸汽涡轮发动机（Steam turbine）是一种撷取（将水加热后形成 的）水蒸汽之动能转换为涡轮转动的动能 的机械。相较于原由詹姆斯•瓦特发明的 单级往复式蒸汽机，涡轮蒸汽机大幅改善了热 效率，更接近热力学中理想的可逆过程，并 能提供更大的功率，至今它几乎完全取代了往复式蒸汽机。涡轮蒸汽机特别适用于 火力发电和核能发电，世界上大约 80%的电是利用涡轮蒸汽机所产生。 老式船舰中也有不少使用，但是在现代化船舰中已经被燃气涡轮引擎全面取代， 只有少数特例如现代级还使用蒸汽涡轮。 2、原理 蒸汽轮机的原理是通过燃烧燃料（煤或油等），将水加热成高压水蒸气，水蒸气 从喷嘴中高速喷出，推动叶轮转动，以达到热能转换成动能。 3、蒸汽轮机： 优点：1.单台马力大,便于配套.2.燃料便宜. 缺点：1.消耗大量宝贵的淡水(这就是为什么 051 上的淡水极其紧张的原因) 2.轮机部门工作环境恶劣. 3.体积巨大,结构复杂,过于笨重. 4.蒸汽轮机很难倒车.需要设计复杂的变速机构. 5.蒸汽轮机的启动非常困难. 燃气轮机： 优点： 1.体积小,重量轻。2.启动相对容易。3.安装布置灵活,便于舰艇设计师 布置军舰的布局。4.控制系统设计相对容易。 缺点：1.发动机单台功率太小了。2.燃料昂贵。3.效率比较低下。4.研制成本 和采购成本等前期投入相当大,对技术水平要求也是极高的。 三、燃气轮机 1、定义 燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为 有用功的内燃式动力机械，是一 种 旋 转叶轮式热力发动机。 中国在公 元 十 二世纪的南宋高宗年间就已有走 马 灯 的记载，它是涡轮机(透平)的雏形。 15 世 纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇 设 计 出烟气转动装置，其原理与走马灯相同。至 17 世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较 多应用。 2、原理 燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压 缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流 入燃气透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃 气的作功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮 机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立 运行后，起动机才脱开。 ［学习反馈］ 燃气轮机与活塞内燃机比较有哪些优缺点？为什么蒸汽机和内燃机需要飞轮而 蒸汽轮机和燃气轮机不需要飞轮？ 参考:： 优点很多，就是功率大，但是效率低，加速快，但是费油，如果是驱动压缩机 就需要用燃机因为旋转机械 现在燃机带压缩机 和燃机带电机，燃机带螺旋桨的使用方法比较多，其中燃机 带压缩机普遍用于工业，是汽油机和柴油机无可替代的因为 压缩机是旋转机械，燃 机带电机一般用于对效率要求不高但是功率和气动特性要求高的场合，比如说中海 油的海上平台，燃机带螺旋桨，理论的使用价值没有柴油机高，柴油机省油，但是 功率和启动特性较差 对于汽油机，4 冲程，才做功一次的动力装置功率远远不能满足工业需要，汽油 机都用于中小型汽车发动机了。 ps:汽轮机功率也足够大，但是其体型也足够大，当空间不允许，或者水资源不 足的时候也只能用燃机和柴油机