1、1,Ch1 汽轮机级的工原理,2,研究内容概述,研究对象 蒸汽在汽轮机级内的工作过程 研究内容 级内的能量转换与轮周功输出 研究方法 对实际系统作抽象、简化，建立理想模型，然后考虑实际因素给予工程修正。,3,1.1 汽轮机级的工作工程,1.1.1 级的工作过程简介 1.1.2 级中的热力过程线 1.1.3 级的流动模型和基本方程式 1.1.4 蒸汽在喷嘴中的流动 1.1.5 蒸汽在动叶中的流动,4,1.1.1 级的工作过程简介,汽轮机的级 由一列喷嘴叶栅和与之配合工作的动叶栅所组成的工作单元。动叶栅可为单列，也可为多列。 工作过程 蒸汽在喷嘴(nozzle)中降压增速，热能转变为汽流的动能；在
2、动叶(blade)中继续降压增速，并通过动量改变转换成转子的旋转机械能。 轮周功 单位质量蒸汽在单位时间内所做的功。,5,1.1.2 级的热力过程线,热力过程线 蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-s图上的表示 滞止参数 汽流相对于叶栅通道 速度为零的热力参数 余速损失 动叶排汽余速动能,6,1.1.3 级的流动模型和基本方程式,分析、计算方法 热力学第一定律，先计算理想过程，后作实际修正。 分析模型 一元流动平面叶栅模型 基本假设 定常、绝热、理想气体、一元流动。 基本方程 连续方程 能量方程 理想气体状态方程 绝热等熵过程,7,1.1.4 蒸汽在喷嘴中的流动,1.1.4.1 喷嘴出口流速的计算
3、 理想过程中喷嘴出口流速的计算 实际过程中喷嘴出口流速、速度系数 1.1.4.2 流动临界、临界压比 1.1.4.3 通过喷嘴的流量计算 理想流量、实际流量、临界流量、彭台门系数 1.1.4.4 蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀,8,1.1.4.1 喷嘴出口流速的计算,理想过程的喷嘴出口流速 能量平衡 喷嘴出口理想流速 理想流速计算方法 由 查水蒸汽特性参数，由此求得出口理想速度由 代入焓的表达式，得以初参数 及压比 为函数的出口理想流速：,9,1.1.4.1 喷嘴出口流速的计算,实际过程的喷嘴出口流速 有损失的熵增。工程中用速度系数修正实际流速与等熵理想流速的偏差。 喷嘴速度系数 喷嘴损失 喷嘴能
4、量损失系数 速度系数的影响因素 喷嘴高度 随高度增加而增加，当ln100mm后基本不变 表面粗糙度 表面越光洁，摩擦损失就越小 型线 决定着流通内压力场、速度场分布 常用数值 一般为0.920.98，常取0.97,10,1.1.4.2 流动临界和临界压比,流动临界 压力波在蒸汽中以音速传播，当渐缩喷嘴出口汽流速度达到当地音速时，背压的扰动无法向前传播，故最大出口流速仅为当地音速。 音速计算公式 临界压比 将喉部截面达到音速时为临界状态。对应流道的进、出口压力比称为临界压比(Critical pressure ratio) 。绝热等熵临界压比为 过热蒸汽 饱和蒸汽 临界速度仅与进口的初参数有关,
5、11,1.1.4.3 通过喷嘴的流量计算,流量计算方法理想流量加实际修正 理想流量计算 对出口面积为An的喷嘴，其理想质量流量为流量系数与实际流量 流量系数公式 流量系数与速度系数 理论上 ，因 ，故 。实际中，分别由动能损失与流动试验求取，前者是流场速度分布的均方平均，后者是流场速度分布的算术平均，通常实测流量系数大于速度系数。为简化计算，速度系数和流量系数可取同值。,12,1.1.4.3 通过喷嘴的流量计算,湿蒸汽的流量系数大于1 湿蒸汽在降压膨胀过程中部分蒸汽释放汽化潜热凝结为水、湿度增大，但因流速很快、传热速度相对滞后，汽化潜热来不及传给蒸汽，使蒸汽产生过冷，比容减小，从而导致实际流量
6、大于理想流量的局面。在湿蒸汽区，流量系数通常按 计算，也可取值1.02进行计算。 临界流量 当喉部达到临界时，蒸汽参数也不再改变，汽流速度不再增加，其流量达到最大，故也称为“最大流量”。 计算公式 最大流量仅与初参数有关。实际最大流量为理想最大流量乘流量系数，即,G=Ac/v,13,1.1.4.3 通过喷嘴的流量计算,流量比系数 又称彭台门系数，通过流道的流量与其最大流量的比，用表示。流量计算方法 先由初参数求得最大流量 ，然后由前后压比计算彭台门系数，最后 重要提醒：因存在着临界和最大流量，计算流量时必须先计算压比，并判定是否临界！,14,1.1.4.4 蒸汽在喷嘴斜切部分中 的膨胀,斜切部
7、分膨胀 当背压低于临界压力时，A点的压力扰动以音速向BC边传播，其前锋到达D点，形成压力为背压的等压线AD。蒸汽在AB与AD间压差作用下在ABD所构的渐扩流道中偏转继续膨胀增速，使之达到超音速。,15,1.1.4.4 蒸汽在喷嘴斜切部分中 的膨胀,汽流偏转角 斜切部分膨胀使蒸汽比容增大，汽流只有改变流动方向才可增大通流面积维持正常流动 等熵流动条件下的计算公式（贝尔公式）：通过进一步推导可得到如下公式：,16,1.1.4.4 蒸汽在喷嘴斜切部分中 的膨胀,极限膨胀 当特性线的前锋与AC重合时，斜切部分的压力分布再也不受喷嘴后压力进一步降低的影响，即斜切部分的膨胀能力全部用完。对应压力称为极限膨
8、胀压力，对应的压比称为极限膨胀压比。 极限膨胀压比和极限膨胀压力公式 斜切部分膨胀的大小决定于 ，故极限膨胀也决定于 ，马赫角为： 马赫角与马赫数的关系为： 利用贝尔公式，进一步推导可得：,17,1.1.5 蒸汽在动叶中的流动,1.1.5.1 动叶进出口速度三角形1.1.5.2蒸汽动叶中的膨胀与级的分类1.1.5.3 蒸汽对动叶的轮周功率,18,1.1.5.1 动叶进出口速度三角形,速度三角形与动叶进口流速 动叶随转子高速旋转，故汽流在动叶中是具有牵连运动的相对流动。 轮周速度 动叶平均直径dm处的圆周速度 动叶入口速度公式 动叶出口速度公式,19,1.1.5.1 动叶进出口速度三角形,动叶进
9、、出口速度三角形几何解析法公式,20,1.1.5.1 动叶进出口速度三角形,动叶中膨胀与动叶出口流速 理想过程为等熵过程，相对坐标系中有能量平衡：动叶出口理想流速动叶进口滞止焓 相对于动叶通道速度为零的热力参数 实际过程 有损失的熵增，定义动叶速度系数：动叶中的能量损失可以表示为：,21,1.1.5.2蒸汽动叶中的膨胀与级的分类,蒸汽在动叶中的膨胀 蒸汽在动叶中是否膨胀，决定于动叶通道的型线，这也就决定着汽流对动叶片是否产生反动功。 反动度 描述蒸汽在动叶中膨胀的相对大小。在计算中，反动度建立起喷嘴与动叶理想间焓降的关系。 定义：动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比，即： 级的分类 纯冲动
10、动叶中不膨胀 反动级 喷嘴、动叶中焓降相等 冲动级 动叶中膨胀小于喷嘴,22, 动、静叶型线差异大 汽流进、出转角大,纯冲动级, ,23, 动、静叶型线相似 汽流进、出转角小,纯反动级,24,1.1.5.3蒸汽对动叶的轮周功率,动量转换与动叶上的汽流力 原理 汽流在动叶中动量改变，等于作用在动叶上的冲量，产生机械功输出。 汽流力 动叶上的汽流力分为产生旋转机械功的切向力(又称轮周力)和不产生机械功的轴向力。 设 内流过动叶的蒸汽量为 ，由速度三角形得切向和轴向的动量变化：绝对坐标系：切向轴向相对坐标系：切向轴向 切向力 轴向力,25,1.1.5.3蒸汽对动叶的轮周功率,动叶上总轴向力 汽流轴向
11、力与压差力的总和 Az为动叶有效作用面积 轮周功率 Pu 蒸汽单位时间推动叶轮旋转所作的机械功 ，即轮周力与速度的乘积：轮周功率与轮周功关系 Pu1决定于膨胀，Pu决定于流量 利用余弦定理，Pu1： 余速损失： 轮周的有效比焓降,26,叶栅学习小结,对蒸汽在喷嘴和动叶中流动的分析对整个汽轮机原理的学习来说，是最基本同时又是最重要的，必须深刻理解其热力过程，牢固掌握各个计算关系式及其物理意义。,27,例：汽轮机某级。 喷嘴为渐缩型，其出口面积 。试计算： （1）通过喷嘴的实际流量(取流量系数0.97)； （2）当 时，通过喷嘴的流量又为多少？ （3）如果喷嘴入口 ， 则在（2）条件下喷嘴的流量？
12、,28,解（1）由初终参数查蒸汽特性参数得，级理想焓降：喷嘴理想焓降：喷嘴出口理想焓值：查得喷嘴出口压力：喷嘴最大理想流量：喷嘴的压比：流量比系数：通过喷嘴的实际流量： （2）改变背压后，,29,级理想焓降：喷嘴理想焓降：喷嘴理想出口焓：喷嘴后压力：喷嘴压比：喷嘴为超临界，此时流量为最大值，即 （3）喷嘴进口动能：进口滞止焓：查得理想最大流量：由于是超临界流动，计及进口流速后通过喷嘴的流量为：,30,当初参数一定时，逐渐降低背压，出口汽流速度和流量增大。在背压降至临界压力时，其后流量不再增大，但出口汽流角偏转而增大；在背压降至极限膨胀压力时，出口汽流速度和出口汽流角不再增大。在流量和出口汽流角
13、计算时，特别要注意判别是否达到临界。,31,例：一电站汽轮机中某级，反动度为零，平均直径为1500mm，喷嘴进口蒸汽 ，喷嘴后 ，速度系数 。求 （1）该级的速度三角形； （2）喷嘴损失、动叶损失、余速损失和轮周功。解：1.求滞止参数由初压、初温，在h-s图确定喷嘴进口状态点“0”，得初焓 喷嘴进口动能：喷嘴进口处滞止焓：,32,在h-s图上，由“0”垂直向上求得2.求喷嘴出口汽流速度在h-s图上“0”等熵向下至 得喷嘴后理想焓值则喷嘴中理想焓降喷嘴出口理想速度喷嘴出口实际速度喷嘴损失3. 求动叶进口相对速度轮周速度动叶进口相对速度4. 求动叶出口速度,33,因级反动度为零，动叶出口相对速度动
14、叶损失动叶出口绝对速度4.级速度三角形5.轮周功,34,Ch1 汽轮机级的工原理,1.2 级的轮周效率与最佳速度比,35,1.2.1 级的轮周效率,能量转换目标 本级可用能量最大地转变为轮周功输出。因本级排汽的余速动能有可能部分或全部被下级利用，本级可用能量应是级理想滞止焓降中扣除余速动能被下级所利用的部分 余速利用系数 定义：本级余速动能被下级所利用的份额 调节级和排汽级为0.0；抽汽级为0.00.5；中间级为1.0。 级理想能量 级理想滞止焓降减去被下级所利用的余速动能，即：,36,1.2.1 级的轮周效率,轮周效率 轮周功与该级理想能量的比喷嘴损失系数： 动叶损失系数： 余速损失系数：,
15、37,轮周效率影响因素 喷嘴、动叶损失 速度系数 余速损失 余速损失 反动度、轮周速度 反动度一定时，动叶出口相对和绝对速度很大程度上决定于轮周速度，并由此决定轮周效率,1.2.1 级的轮周效率,38,如右图 所示： 余速损失最小， 轮周效率最大,1.2.1 级的轮周效率,39,1.2.2 级的轮周效率与最佳速度比,最佳速比 速比 轮周速度与喷嘴出口汽流速度之比，即 最佳速比 使轮周效率达到最大时所对应的速比 假想速度 假想级理想焓降全部在喷嘴中膨胀的喷嘴出口速度，即假想速比 轮周速度与级假想速度之比，即,40,1.2.2 级的轮周效率与最佳速度比,（1）冲动级的最佳速度比假想速比,41,1.
16、2.2 级的轮周效率与最佳速度比,（2）反动级的最佳速度比则由 可得：,42,1.2.2 级的轮周效率与最佳速度比,（3）速度级（复速级）的最佳速度比 为便于分析，对速度级做如下假设： 1）蒸汽只在喷嘴中膨胀 2）在级中没有能量损失 3）各个进出口角度相等 复速级的轮周功率：,43,1.2.2 级的轮周效率与最佳速度比,（3）速度级（复速级）的最佳速度比 经过同样的分析可以得到：最佳假想速度比为复速级的热力过程线 蒸汽流经：喷嘴、第列动叶、导叶、第列动叶 热力过程线及相关公式：pp27,44,1.2.2 级的轮周效率与最佳速度比,余速不用时反动度与最佳速比及汽流角关系,45,最佳速比随反动度增
17、大而增大，冲动级的最佳速比小于反动级 最佳速比时，动叶中汽流转角随反动度增大而减小 最佳速比时，动叶绝对出口角在90度附近随反动度增大而减小 在相同轮周速度下，纯冲动级的理想焓降约为反动级的1.68倍,1.2.2 级的轮周效率与最佳速度比,46,1.2.2 级的轮周效率与最佳速度比,余速利用时反动度与最佳速比及汽流角关系,47,1.2.2 级的轮周效率与最佳速度比,余速利用，提高了轮周效率，且曲线平坦 课本：图1-23 最佳速比增大，增幅随反动度增大而减小 低反动度时，最佳速比对应的动叶排汽角过大，余速不利于被后级使用,48,1.1-1.2 小结,基本概念 轮周效率、理想能量、喷嘴损失系数、动
18、叶损失系数、余速损失系数、速比、假想速比、最佳速比 流量系数、临界压比、最大流量、流量比系数(即彭台门系数) 基本公式 理想能量、轮周效率、流量公式、最大流量 强化掌握 流量计算、最佳速比的影响因素、反动与冲动级的最佳速比 基于问题的学习 1.已知级初参数p0、t0、c0终参数p2，如何计算通过喷嘴或动叶的蒸汽量。 2.基于速度三角形和喷嘴、动叶及余速损失的关系，分析速比是影响轮周效率的重要因素和存在着使轮周效率达到最大的速比。 3. 对比分析冲动级和反动级在轮周效率与速比变化关系和最佳速比的特征。,49,Ch1 汽轮机级的工原理,1.3叶栅几何参数设计 通流部分主要尺寸的确定,50,1.3叶
19、栅几何参数设计,几个主要参数的选择 叶栅出口汽流角 和 的选择根据叶栅型线 部分进汽度：工作喷嘴所占的圆周长度与全圆周长度之比，即 盖度：动叶与喷嘴的高度差，包括叶顶盖度和叶根盖度。,51,1.3叶栅几何参数设计,喷嘴主要尺寸的确定 n crn cr缩放喷嘴,52,1.3叶栅几何参数设计,喷嘴主要尺寸的确定 最小喷嘴高度 叶高过小，叶顶和叶根的边界层和漏汽影响很大，效率很低，通常要求喷嘴高度不小于1115mm 。 增大叶高措施 减小喷嘴出口角、降低喷嘴出口速度和采用部分进汽。 动叶尺寸设计 渐缩、多半为亚临界流动,53,1.3叶栅几何参数设计,反动度的实现 原理 膨胀的大小决定于流道的形状，面
20、积缩小、膨胀增大。动、静叶出口面积比 是实现反动度的主要因素。 冲动级 喷嘴、动叶出口参数相近，因 故面积比与反动度,54,1.3叶栅几何参数设计,冲动级的反动度确定 反动度沿叶高的变化 动、静叶间隙中汽流切向运动产生的离心力，使叶顶处的静压力高于叶根处，反动度沿叶高增大。近似地db为动叶平均直径；h为自叶根的高度。 冲动级叶根处反动度 数值：0.030.05；叶根处处于微漏汽状态，防止隔板漏汽干扰动叶进口的主流场 冲动级的平均反动度随叶高增大而增大,55,动、静叶栅几何参数,平均直径 ，叶片高度l ，叶栅节距t，叶栅宽度B，叶栅通道进口宽度a,出口宽度a1和a2，叶型弦长b和出口边厚度 ，出
21、口汽流一般地， 在1117； 在2030；通常设计情况下， 比 略大24。在非设计工况下， 和 将随工况而变。动静叶面积比 直叶片：1.851.65 扭叶片：1.71.4 复速级：1 : (1.61.45): (2.62.35) : (43.2),56,Ch1 汽轮机级的工原理,1.4汽轮机级内损失和级效率,57,1.4.1 汽轮机级内损失,级内损失概述 总损失平面叶栅损失非平面叶栅损失 平面叶栅损失 叶型损失和余速损失 非平面叶栅损失 叶高损失 叶根、叶顶端部边界 扇形损失 叶根、叶顶不同径 叶轮摩擦损失 叶轮高速旋转摩擦耗功 部分进汽损失 喷嘴不均匀进汽产生损失 漏汽损失 静叶(或隔板）、
22、动叶端部间隙蒸汽泄漏 湿汽损失 湿蒸汽区水滴产生的损失 撞击损失 进口汽流角偏离几何进口角,58,1.4.1 汽轮机级内损失,叶高损失 端面摩擦损失和二次流损失 端面损失 相关因素：端面粗糙度与叶片高度 二次流 蒸汽在叶片通道内弯曲流动产生的离心力，形成内弧指向背弧压力场，内弧压力高于两端部，在此压差驱动下形成内弧中部向两端部流动。,59,1.4.1 汽轮机级内损失,扇形损失 沿叶高轮周速度不一致产生偏离最佳速比 影响因素及大小 径高比，很小 叶轮摩擦损失 叶轮高速旋转带动蒸汽流动，在其 两侧腔室形成涡流产生损失 影响因素及大小 叶轮面积和转速的三次方，很小 部分进汽损失 鼓风与斥汽损失 鼓风
23、损失 喷嘴非工作弧段，动叶鼓风产生的能耗 斥汽损失 进入喷嘴工作弧段，排斥动叶内停滞蒸汽的能耗,60,1.4.1 汽轮机级内损失,漏汽损失 动、静间隙的前、后压差造成蒸汽泄漏 泄漏点 隔板与转子、静叶与动叶根部、动叶顶部 损失及大小 作功介质减少和扰乱流场，约占总损失的30% 措施 减小间隙，研发新型汽封，如可调汽封、刷型汽 封、叶片型柔性接触式等,61,62,1.4.1 汽轮机级内损失,湿汽损失 湿蒸汽中的水滴运动产生的损失 湿汽级 火电机组排汽湿度随主蒸汽压力升高而增大，末级或末二级为湿汽级 ；核电机组为湿蒸汽汽轮机，高压和低压末数级为湿汽级。 湿汽损失 剥离水膜和加速水滴；水滴撞击叶片产
24、生制动；水滴破碎扰乱流场。正比于湿度。,63,1.4.2 级内损失汇总,64,1.4.2 级内损失汇总,65,1.4.3 级内功率与相对内效率,级热力过程线 级相对内效率级内功率,66,1.4.4 级的最佳速比,最佳速比 级内损失中有正比于 和 的项，增大速比将使级损失增大，故级效率为最高的速比必然较轮周效率最高的最佳速比要小。这样使级的焓降增大，减少机组的级数。 通常，复速级 冲动级 反动级,67,1.5 扭长叶片,1.5.1 一元流动模型存在的不足轮周速度沿叶高不一致 使叶顶和叶根处偏离最佳速比。在c1一定时，动叶进口角偏离设计进口角，造成撞击损失；动叶出口角沿叶高变化造成流场扭曲，恶化下
25、级的进汽状态。 节距沿叶高不一致 偏离最佳值使轮周效率下降。 汽流参数沿叶高变化 汽流的切向运动产生的离心力，在动、静叶间隙中形成径向流动，干扰主汽流造成损失。离心力的产生静压力使反动度沿高增大。,68,1.5 扭长叶片,1.5.2 叶栅通道的实际流动和简化流动模型 实际流动 在子午面和绕转子轴线Z回转面内的合成运动。 子午面：通过转子轴线Z的平面； 回转面：通过轴线Z的旋转面。 目前扭长叶片设计采用：径向平衡模型法。 简单径向平衡模型：二元流； 完全径向平衡流型：三元流动。,69,本章小结,原理：热力势能蒸汽动能(膨胀)转子旋转机械能(动量转换)喷嘴 动叶隔板或叶片持环 叶轮或轮毂 基本概念与定义 滞止参数 反动度 速度系数 流量系数 喷嘴损失 动叶损失 临界压比 临界流量 流量比系数 斜切部分膨胀 汽流偏转角 极限膨胀压力 极限膨胀压比 轮周功率 轮周理想能量 轮周 效率 余速损失 余速利用系数 假想速度 速比 假想速比 最佳速比 叶高损失 二次流损失 扇形损失 叶轮摩擦损失 漏汽损失 部分进汽损失(鼓风、斥汽损失) 湿汽损失 撞击损失 原理与机理分析 级蒸汽膨胀热力过程线,
