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1、汽轮机级的工作原理,教学目标：,能叙述汽轮机的基本工作原理,能描述蒸汽在喷嘴中的流动特点,会画速度三角形,能说出级内损失的内容,会计算轮周功率和级效率,会比较纯冲动级与反动级的作功能力与效率,第一章 汽轮机级的工作原理,重点：,汽轮机的基本工作原理,蒸汽在喷嘴中的流动特点,动叶片速度三角形,级内损失、级内热力过程,轮周功率和级效率,纯冲动级与反动级的作功能力与效率的比较,第一章 汽轮机级的工作原理,本节内容：第一节 概述第二节 汽轮机级的工作过程第三节 级的轮周功率与轮周效率第四节 汽轮机的级内损失和级效率,1.1概述,一、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理,级是汽轮机中最基本的工作单位,级的组
2、成：在结构上它是由喷管和其后的动叶栅所组成,汽轮机从结构上分类,单级汽轮机多级汽轮机,1.1概述,基本概念：,按一定的距离和一定的角度安装在叶轮上形成动叶栅，并构成许多相同的蒸汽通道,动叶：,喷管：静叶片构成的蒸汽通道,静叶按一定的距离和一定的角度排列形成静叶栅（静叶栅固定不动）,静叶栅（喷嘴叶栅）：,转子：动叶栅装在叶轮上，与叶轮以及转轴组成,汽轮机的转动部分,1.1概述,当一运动的物体碰到另一个静止的或速度不同的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小和方向，同时给阻碍它运动的物体一个作用力,结论：质量越大，冲动力越大；速度越大，冲动力越大,冲动力：,1.1概述,反动力：由于膨胀加速产生的作
3、用力,蒸汽在动叶通道中流动 给动叶栅一个冲动力在动叶栅中膨胀给动叶栅一个反动力两个力的合力F作用在动叶栅上使动叶栅旋转而产生机械功,反动做功原理：,二、反动度和级的类型,1.1概述,（一）反动度：用来衡量蒸汽在动叶栅中的膨胀程度,蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降,蒸汽在整个级中膨胀时的滞止理想焓降,1.1概述,（二）汽轮机级的类型及特点,1、冲动级和反动级,（1）冲动级:,反动度等于零的级,蒸汽只在喷管叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向，当不考虑损失时，动叶通道进出口压力相等，相对速度也相等,工作特点：,动叶叶型几乎为对称弯曲，即动叶通道内各通流截面近似相同,结构特点：,1.1概述,
4、（2）反动级,反动级：反动度约等于0.5的级,结构特点：动叶叶型与喷管叶型相同,蒸汽在喷管和动叶通道中的膨胀程度相等,工作特点：,1.1概述,2、压力级和速度级,（1）压力级:,蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程在级内只进行一次的级,特点：压力级可以是冲动级，也可以是反动级,（2）速度级:,蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程在级内进行一次以上的级,特点：速度级可以是双列的和多列的,了解汽轮机级的类型和特点 熟悉汽轮机级的结构名词 掌握汽轮机的基本工作原理,小结：,1.1概述,1.2 汽轮机的工作过程,一、可压缩流体一元流动的基本方程,基本方程式：,（1）状态方程 pv=RT,（3）运动方程cd
5、c=-vdp,（2）连续性方程,（4）能量守恒方程,1.2 汽轮机的工作过程,二、蒸汽在喷管中的膨胀过程,图为蒸汽在喷管中的热力过程线，O点是喷管前蒸汽的状态点，0*是喷管前的滞止状态点。具有初速c0、初压p0、初焓h0的蒸汽在喷管中膨胀到背压p1，在无损失的情况下，沿着等熵线O1t膨胀到1t点，喷管的焓降为，在有损失的情况下，膨胀的热力过程沿O1线进行，喷管出口实际状态点为1。,1.2 汽轮机的工作过程,（一）喷管中的气流速度,1、喷管出口气流的理想速度,蒸汽在喷管中的能量转换规律为,喷嘴出口的理想速度c1t为：,2、临界速度和临界压力,临界压力为：,即为临界压力比，它是气流达到音速时的压力
6、与滞止压力之比,1.2 汽轮机的工作过程,3、喷管出口气流的实际速度,喷嘴实际出口速度为：,喷嘴速度系数,动能损失为：,1.2 汽轮机的工作过程,（二）喷嘴截面积的变化规律,1.2 汽轮机的工作过程,（三）喷管中流量计算,1、喷管的理想流量,对于等熵流动，通过喷管的理想流量Gt 为,2、喷管的实际流量,1.2 汽轮机的工作过程,3、彭台门系数,在实际计算中，为方便起见，引入一个流量比的概念，它是通过喷管的任一流量与同一初始状态下的临界流量之比，即=G/Gcr,称之为彭台门系数，其值为,在临界和超临界条件下，=1，与,无关,1.2 汽轮机的工作过程,（四）蒸汽在喷管斜切部分的流动,汽流在斜切部分
7、膨胀时将使汽流出口速度大于音速，同时汽流的方向也将发生偏转。p1d为极限压力：特征线与AC重合时的出口压力。,如图所示，AB为渐缩喷嘴的出口截面，即喉口截面，ABC 即为斜切部分。当喷嘴出口压力p1大于临界压力p1c时，蒸汽在斜切部分不发生膨胀。但当p1dp1p1c时汽流将在斜切部分发生膨胀。,1.2 汽轮机的工作过程,扰动的等压线，即汽流膨胀的特征线，也称马赫锥母线。为马赫角：特征线与汽流流动方向的夹角。,1.2 汽轮机的工作过程,三、蒸汽在动叶中的流动,1、动叶进口速度三角形,用图解法求出通道进口相对速度的大小和方向角,1.2 汽轮机的工作过程,2、动叶栅出口的气流相对速度,若蒸汽在动叶栅
8、中的流动为等熵过程，则此时的能量方程式为,所以，动叶栅出口的气流相对速度为,1.2 汽轮机的工作过程,3、动叶出口速度三角形,动叶的圆周速度,c1、w1、u构成动叶栅的进口速度三角形，c2、w2、u构成动叶栅的出口速度三角形。则各个速度矢量之间的关系式为：,了解一元流动的基本方程熟悉蒸汽在喷嘴中的流动特点 掌握速度三角形的画法,小结：,1.2 汽轮机的工作过程,1.3级的轮周功率与轮周效率,1.蒸汽作用在动叶片上的力 蒸汽在弯曲的动叶通道内转向加速，是受 到动叶给汽流的反作用力和动叶通道两侧 压差作用的结果,一、蒸汽作用在动叶片上的力和轮周效率,蒸汽对动叶片所作用的力:,1.3级的轮周功率与轮
9、周效率,蒸汽流过动叶通道的情况如图所示。,假设在 时间内有质量 为的蒸汽以速度 流入动叶通道，当流动为稳定流动时，则同样的蒸汽质量 以速度 流出动叶通道,1.3级的轮周功率与轮周效率,2、轮周功率,单位时间内圆周力在动叶片上所做的功称为轮周功率，它等于圆周力与圆周速度的乘积，即：,1kg蒸汽产生的有效功，称为级的做功能力，为：,由上式可以看出：单位蒸汽流量在一级内所做轮周功等于冲动力作功和反动力作功之和。,冲动力作功,反动力作功,1.3级的轮周功率与轮周效率,汽轮机的轮周率是指蒸汽在级内所作的轮周功Pul与蒸汽在该级中所具有的理想能量E0之比：,二、级的轮周效率,、级的轮周效率定义,公式：,1
10、.3级的轮周功率与轮周效率,、用能量平衡的方式表示的轮周效率为,喷管损失系数,动叶损失系数,余速损失系数,1.3级的轮周功率与轮周效率,三、速度比及其与轮周效率的关系,1、速度比的定义,通常把轮周速度与喷管出口汽流速度之比称为速度比，简称速比，用x1表示，即：,1.3级的轮周功率与轮周效率,（一）纯冲动级的最佳速比,1、余速不被利用,由上式可看出，喷管速度系数 和动叶速度系数 越大，轮周效率就越高，因此应尽量改善叶栅的气动特性以提高速度系数。适当减小也可以提高轮周效率。,最佳速比可以通过对式求极值的方法得到，即：,1.3级的轮周功率与轮周效率,2、考虑余速利用,（1）余速利用提高了轮周效率（2
11、）中间级效率曲线在最大值附近变化平稳（3）余速利用使最佳速比值增大,1.3级的轮周功率与轮周效率,（二）反动级的最佳速比,反动级中，表明在喷管叶栅和动叶栅中汽流的流动情况基本上是一样的。因此在实用喷管和动叶采用相同的叶型。反动级的轮周效率为：,公式：,最佳速比：,1.3级的轮周功率与轮周效率,反动级的速度三角形也可看出反动级最佳速比的物理意义：,只有当,时，才等于，c2才达到最小值，此时：,1.3级的轮周功率与轮周效率,（三）复速级的最佳速比,1、复速级的热力过程,复速级有纯冲动式带部分反动度的冲动式两种。为了改善叶片通道内的流动状况，复速级是在动叶和导叶内采用适当的反动度。但因复速级一般都是
12、部分进汽的，所以采用的反动度不宜过大，采用了适当反动度之后，除了能提高轮周效率之外，还会使最佳速比值增大,1.3级的轮周功率与轮周效率,2、复速级的速度三角形,由于复速级有两列动叶栅，所以有两对进出口速度三角形，如图所示 为了避免在导向叶栅的进口处发生碰撞，导向叶栅的进口角 必须等于第一列动叶的出汽角同样，第二列动叶的进口角必须等于其进汽角。,1.3级的轮周功率与轮周效率,3、复速级的轮周功,复速级的轮周功是指单位质量蒸汽通过复速级时，在两列动叶上所产生的有效机械功之和。,公式：,4、复速级的轮周效率和最佳速比,根据轮周效率的定义，得：,1.3级的轮周功率与轮周效率,根据速度三角形也可求出各列
13、叶栅的能量损失，并用能量方程求出复速级的轮周功和轮周效率。,喷管损失系数,第一列动叶损失系数,导叶损失系数,第二列动叶损失系数,余速损失系数,绝对内效率,1.3级的轮周功率与轮周效率,（四）速度级与单列级的比较,1、不同级的作功能力比较,反动级的焓降比纯冲动级小一倍，若全机的理想焓降相同，则反动式汽轮机的级数要比冲动式汽轮机多一倍。在各自的最佳速比下，复速级和单列纯冲动级做功能力的比较为，复速级的焓降是单列纯冲动级焓降的四倍 复速级的焓降最大，相当于单列纯冲动级的四倍，反动级的八倍，也就是说，复速级的做功能力近似相当与单列纯冲动级的四倍，反动级的八倍。,1.3级的轮周功率与轮周效率,2、轮周效
14、率的比较,（1）喷管的能量损失系数为一常数,（2）在单列冲动级中,在0.45至0.5处余速损失达 到最小值，此时轮周效率最高。,（3）在复速级中，由于第一列动叶出口速度在第二列动叶中再次得到利用，余速损失减小,在0.2至0.28内复速级的轮周效率达到最大。因此只有在小于0.28时复速级才有被采用的价值,经济上才有利。,（4）复速级的轮周效率最高值低于单列级的最高值。,（5）只有在一级中要求利用很大焓降时，才采用复速级。,1.3级的轮周功率与轮周效率,了解蒸汽作用在轮周上的力熟悉纯冲动级与反动级的作功能力与效率的比较掌握轮周功率和级效率的计算,小结：,1.4汽轮机的级内损失和级效率,一、级内损失
15、,定义：在汽轮机通流部分中与流动、能量转换有直接联系的损失称为汽轮机的级内损失级内损失主要有叶栅损失、余速损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏汽损失、湿汽损失,（一）叶栅的几何参数及叶栅损失,定义：由相同叶片构成的汽流通道的组合称叶栅,种类：,叶栅,动叶栅 静叶栅,1.4汽轮机的级内损失和级效率,叶栅,冲动式叶栅 反动式叶栅,冲动式动叶栅导向叶栅,喷管叶栅反动度较大的叶栅,1.4汽轮机的级内损失和级效率,3、叶型、型线,叶型：叶片的横截面形状为叶型,叶型分为等截面叶片和变截面叶片,型线：叶片的周线称为型线,4、叶型损失,叶型损失：蒸汽流过叶型表面时所产生的能量损失，由附面层中的摩擦损
16、失、附面层分离时的涡流损失及尾迹损失组成,1.4汽轮机的机级内损失和级效率,（1）附面层中的摩擦损失,在附面层中汽流存在着速度差，产生内摩擦力，形成损失,（2）附面层分离时的涡流损失,汽流质点离开叶栅背弧，造成附面层的分离，产生了涡流损失,（3）尾迹损失,尾迹中汽流的相互作用而产生的能量损失称为尾迹损失,出口边厚度越小，这种损失越小。叶栅通道喉部宽度增加，尾迹区减少。,1.4汽轮机的级内损失和级效率,1.4汽轮机的级内损失和级效率,5、叶端损失,叶端损失是指蒸汽流过叶栅时，在其通道的顶部和根部也要形成附面层产生摩擦损失,叶端损失由二次流损失和端部附面层的摩擦损失两部分组成,（二）余速损失,余速
17、不能被利用的级：末级；调节级（汽轮机第一级）；后面有抽汽口的级；通流面积剧烈变化的级。,1.4汽轮机的级内损失和级效率,（三）扇形损失,1、扇形损失：如果在设计时不考虑气流参数和叶栅的几何参数沿叶高的变化而引起的附加损失。,、计算公式,扇形损失的大小与直径高比的平方成反比，其越小，扇形损失越大。,当其大于12时，可采用等截面直叶片，设计和加工都比较方便，但存在着扇形损失；,当其小于8时应采用扭叶片，这时加工较困难，但可避免扇形损失。,1.4汽轮机的级内损失和级效率,（四）叶轮摩擦损失,1、产生原因(1)隔板与水蒸汽的速度差产生摩擦。(2)由于离心力产生涡流.,2、减少叶轮摩擦损失的措施：(1)
18、减小叶轮与隔板的轴向距离。(2)尽可能提高叶轮的表面光洁度。,3、斯托陀拉的经验公式计算：,摩擦损失所消耗的功率 k 经验系数 u 圆周速度 d 级的平均直径 v 汽室中蒸汽机的平均比体积,1.4汽轮机的级内损失和级效率,(五)部分进汽损失,、全周进汽和部分进汽,全周进汽：如果将喷管均匀布置在隔板（或蒸汽室）的整个圆周上，使蒸汽沿整个圆周进汽，这种进汽方式称为全周进汽。,部分进汽：为了增高喷管的高度，则将喷管布置在部分圆周上，使蒸汽沿部分圆弧进汽，这种进汽方式称为部分进汽。,2、部分进汽度公式：,1.4汽轮机的级内损失和级效率,、鼓风损失,（）原因：在部分进汽的级中，只有在装有喷管的工作弧段内
19、有工质通过动叶通道，在不装喷管的非工作弧段内无蒸汽通过，但在这段的轴向间隙中充满了停滞的蒸汽。当动叶转到这段非工作弧段时，动叶两侧面就与这段弧内的停滞蒸汽发生摩擦，产生摩擦损失。同时像鼓风机那样，将停滞的蒸汽从一侧鼓到另一测，消耗了一部分有用功，产生鼓风损失。,（）鼓风损失发生在不装喷管的弧段内。,1.4汽轮机的级内损失和级效率,（）计算公式：,部分进气度,弧长之比,与级型有关的系数,（）措施,除选择合理的部分进汽度外，常采用一种护罩装置，如图所示，把处在不装喷管弧段部分的动叶两侧用护罩将叶片罩住。,1.4汽轮机的级内损失和级效率,4、斥汽损失,（1）原因：当带有停滞蒸汽的动叶汽道转到进汽弧段
20、时，从喷管出来的汽流为了吹走和加速这部分停滞蒸汽，必然要消耗一部分动能。由于叶轮高速旋转和压力差作用，在喷管组出口端点后的轴向间隙处将产生很大的漏汽在喷管组的进入端处将出现抽吸现象，将一部分停滞蒸汽吸入动叶通道，扰乱了主流形成了损失。上述三方面损失统称为斥汽损失,（2）斥汽损失发生在装有喷管的喷管弧段内,1.4汽轮机的级内损失和级效率,3、计算公式,喷管的组数,喷管叶栅的平均直径,经验系数,（3）措施：,部分进气度不宜太小，但从减小叶高损失来说又不宜太大，故在选用时应综合考虑，原则是使这两项损失之和最小。,设法减少喷管组数，以减少两组喷管之间的间隙，使其不大于喷管叶栅的节距。,喷管组在圆周上安
21、排时，应设法避免因隔板中分面结构影响，而使喷组数增加。,1.4汽轮机的级内损失和级效率,（六）漏汽损失,原因：在汽轮机通流部分中，隔板和转轴之间、动叶顶部与汽缸之间，在转鼓结构的反动级中静叶与转鼓之间都存在着间隙，并且各间隙前后的蒸汽都存在着压差，因此将会发生不同程度的漏汽，造成损失，称为漏汽损失。,1.4汽轮机的级内损失和级效率,隔板漏汽损失,措施：（）在隔板与转轴处采用梳齿型汽封。（）在动叶根部设置轴向汽封，减少漏汽 进入动叶。（）在叶轮上开平衡孔。,叶顶漏汽损失,措施：（）可在围带上安装径向汽封和轴向汽封。（）对无围带的动叶片，可将动叶顶部削薄以达到汽封的作用。（）尽量设法减少扭叶片顶部
22、的反动度。,1.4汽轮机的级内损失和级效率,（七）湿气损失,1、湿气损失产生的原因（1）一部分蒸汽凝结成水滴，使作功的蒸汽量减少。（2）水滴本身不膨胀加速，主汽流要消耗一部分动能。（3）形成过冷蒸汽，使蒸汽的理想焓降减小形成过冷损失。,（4）水滴冲击动叶进口边背弧，阻止叶轮旋转，造成损失。水珠撞击在喷管静叶片的背弧上，扰乱了主流造成损失。,1.4汽轮机的级内损失和级效率,2、湿气损失通常用下列经验公式计算,未计湿气损失的级有效焓降,、采取的措施,（1）采用去湿装 置减少湿蒸汽中 水分。（2）提高动叶的抗侵蚀能力。,级的平均蒸汽干度,4、提高动叶抗冲蚀能力的方法,在叶片进汽边背弧上镶焊硬质合金、
23、镀铬、局部淬硬、电火花硬化、氮化等,为了安全起见，一般规定汽轮机末级叶片后排汽的最大可见湿度不超过1215。,1.4汽轮机的级内损失和级效率,二.汽轮机的相对内效率和内功率,1、一般级的热力过程线如图所示,0*点代表级前滞止状态点1*代表动叶进口的滞止状态点 4*点为下级进口的滞止状态点,1.4汽轮机的级内损失和级效率,2、有效焓降,（1）h 称为级的有效焓降，它表示1千克蒸汽所具有的理想能量中最后在转轴上转变为有效功的那部分能量。,（2）,3、相对内效率,4、级的内功率,1.4汽轮机的级内损失和级效率,三、级内损失对最佳速比的影响,轮周效率并没有全面地反映出级内能量转换的效果，而级的相对内效率才是全面反映级内能量转换效果的最终指标。因此只有保证获得最大相对内效率的速比，才是级的最佳速比,1.4汽轮机的级内损失和级效率,小结：,了解级内损失的计算 熟悉级内损失的解决办法掌握级内损失的内容,
