1、第二节 喷嘴和动叶中的流动过程,一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,蒸汽压力从p0膨胀（降低）至p1；温度从t0降低至t1 蒸汽速度从c0加速至c1，方向角1,蒸汽在喷嘴（静叶）中的膨胀过程的特点： (1)蒸汽在喷嘴中：a。把热能转换成动能；b。获得一定的方向； (2)喷嘴固定在汽缸上，是静止的，不对外做功，W=0。 (3)与外界无热交换，q = 0。,（一）喷嘴出口汽流速度,由能量方程：,若把蒸汽作为理想气体，则,（1）喷嘴理想出口速度：,式中： 喷嘴压比,（2）喷嘴实际出口速度：,在喷嘴中实际流动工质是蒸汽，有黏性，有阻力，要考虑由于黏性存在所造成的速度下降。引入喷嘴速度系数 ：,式中： 喷嘴实际
2、出口速度； 喷嘴理想出口速度。,实际喷嘴出口速度：,喷嘴损失：,喷嘴效率,喷嘴高度ln，叶型，汽道形状，叶型表面粗糙度和压差等。,从上试验图得出： 喷嘴速度系数在0.920.98之间，设计时，取 ，另考虑叶高损失。 ln15mm； ln 100 mm时， 值基本上不随ln变化。 在强度允许条件下，尽量采用较窄的喷嘴 。,（3）影响速度系数因素分析：,（二）喷嘴流动中汽流的临界状态,从流体力学得知，亚音速汽流在缩放喷嘴中膨胀流动时，汽流速度c上升，p下降，在某一截面上汽流速度 c=a ，Ma=1，此状态叫临界状态，此截面叫喉部。临界压力p1c，临界速度c1c。,临界压力p1c与滞止压力p00之比
3、，叫临界压比nc 。,临界压比nc 只与蒸汽绝热指数k有关。 对于过热蒸汽：k=1.3， nc = 0.546干饱和蒸汽：k=1.135， nc = 0.577空气：k=1.4， nc = 0.528,当Ma1，为超音速流动， ，要使超音速汽流在汽道中膨胀、加速、压力下降，汽道的截面积应逐渐增大，渐扩型喷嘴 综合以上的两种情况：如果要使汽流不断膨胀加速，在亚音速流动时，喷嘴截面必须逐渐收缩，而汽流速度达音速时，喷嘴截面必须逐渐增大， 缩放型喷嘴,（三）喷嘴截面积的变化规律,根据空气动力学公式：,如果想从亚音速汽流膨胀获得超音速汽流，必须满足：热力学条件： (过热蒸汽nc 0.546，饱和蒸汽n
4、c 0.577)几何条件：缩放喷嘴,出口面积 ，理想速度 ，比容 ，则通过喷嘴的理想流量：,（四）喷嘴的通流能力,当蒸汽性质、喷嘴参数一定时，流量是压比的函数。流过喷嘴的最大流量的条件满足极值，令 ，得：,可见，当 等于临界压比 时，喷嘴流量最大，此时流量称为 临界流量 。,1.喷嘴的理想流量. (先讨论渐缩喷嘴),公式1,过热蒸汽， ， ， ；,缩放喷嘴临界流量计算公式与上式一样，只是 为喉部面积，而非出口面积。,干饱和蒸汽， ， =0.6356， ；,临界流量：,式中： ， 仅与蒸汽性质有关。,当 ，喷嘴前后压力相等， ；,当 时，流量始终保持临界流量不变。实际曲线是ABC，而不是OBC。
5、,当 继续减小， 逐渐减小；,当 ， 。,但实验证明：对于渐缩喷嘴，只要喷嘴前后存在压力差，喷嘴流量是不会等于零的。,压比 减小， 增加；,当 ， 最大，为 ；,流量曲线,根据公式1，,式中： 为喷嘴流量系数， ，,2、流过喷嘴的实际流量：,过热蒸汽：取：饱和湿蒸汽： 取：（实际流量大于理想流量）,影响流量系数的因素很多，如叶片的几何形状、蒸汽的状态点等。,湿蒸汽 的原因分析用过冷现象（过饱和现象）解释：在湿蒸汽膨胀过程中，其温度不断下降，蒸汽不断凝结。在通过饱和线以后，湿蒸汽区域内随蒸汽的膨胀，蒸汽中应该不断地分离出水滴。但由于蒸汽流动速度大，蒸汽在静叶片流道内停留时间极短，来不及析出水滴，
6、所以蒸汽的实际湿度要比相同压力下蒸汽湿度小，应该凝结的水滴未能凝结，这部分水滴的汽化潜热未能释放出来加热汽流，因而汽流的实际温度较低。这种现象叫过冷现象。由于温度低，因而蒸汽的实际密度 ，反而大于理想密度 。当由于蒸汽密度增大而引起的流量增大值，大于因蒸汽黏性的影响而引起的流量减小值时，出现通过静叶片流道的实际流量大于理想流量， 。,考虑流量系数后，实际临界流量,喷嘴流量计算时，先判断,3、彭台门系数（流量比）,原点(nc ,0)，长轴1，短轴1-nc 椭圆方程：,临界时， =1,斜切部分不膨胀，只起导流作用，流速小于或等于音速。,1) ，喷嘴喉部截面AB上 ， ，,二、蒸汽在喷嘴斜切部分内的
7、膨胀 1、流动分析,2) 时， ， 在斜切部分，汽流从 膨胀到背压 ， A点成为扰动源，发出一组特性线形成膨胀波区。汽流通过特性线后，速度增加，压力下降，直到压力为背压 ，此时汽流偏转1。,已知喷嘴压比 ，绝热指数 ，喷嘴出汽角 偏转角,通过AB截面流量：通过AC截面流量：由于：,2、偏转角的近似计算（贝尔公式）,3、膨胀极限及极限压力,喷嘴前压力 不变，汽流偏转角 随背压 下降而增大，是否会无限制的增大呢？不会！极限情况，最后一条特性线与AC重合，喷嘴斜切部分膨胀能力就用完了。若喷嘴后压力继续降低，汽流将在斜切部分之外膨胀，是一种紊乱的膨胀，将导致流动损失。,渐缩喷嘴实用压比一般0.45以上
8、，斜切部分的膨胀远小于极限膨胀，相应的偏转角只有 。常用这种渐缩喷嘴代替缩放喷嘴。,三、蒸汽在动叶通道中的流动,在动叶内，把蒸汽具有的动能和热能机械功 作用力：由静叶出口的高速蒸汽冲击动叶产生冲动力Fi动叶内蒸汽继续膨胀，产生一个反动力Fr,动坐标上的能量方程：h1+w12/2= h2+w22/2静止坐标上的能量方程：h1+c12/2= h2+c22/2+WW =（ h1 -h2）+（c12/2- c22/2）,蒸汽在动叶叶栅中的能量方程,s,h,0*,0,2,1,P0*,P0,P1,P2,hnt*,ht*,hb,hbt,喷嘴,动叶,出口理想速度：,出口理想速度：,速度系数：,速度系数：,出口
9、实际速度：,出口实际速度：,能量损失：,能量损失：,动叶平均直径处的圆周速度 C1 喷嘴出口速度（动叶进口绝对速度 ）动叶进口的相对速度动叶出口的相对速度动叶出口绝对速度,动叶栅速度系数 与喷嘴速度系数 一样与许多因素有关。如： 叶型、叶高 lb 、反动度 、表面光洁度，汽流相对速度 等。如叶高lb对损失的影响，用叶高损失单独计算。,速度系数 与反动度 和汽流相对速度 关系曲线,引入动叶流量系数：,动叶出口面积：,动叶的通流能力,若动叶根部不吸汽、不漏汽，且忽略动叶顶部漏汽，则动叶的通流能力与喷嘴的通流能力相等。,速度三角形分析比较,反动级： ，静叶和动叶的叶型式一样的。 ，出口速度三角形和进口速度三角形z轴对称， ， ， 。,纯冲动级： =0， ， ，,
