第一章 汽轮机级的工作原理

第一章汽轮机的工作原理•级是汽轮机中最基本的工作单位•级由静叶栅（喷嘴栅）和动叶栅组成•本章着重阐述单级汽轮机的工作原理第一节概述级是由喷管叶栅和与之相配合的动叶栅所组成的，喷管叶栅将蒸汽的热能转换变成动能，动叶栅将蒸汽的动能转变成机械能。一、蒸汽的冲动原理和反动原理汽流改变流动方向对汽道所产生的离心力叫做冲动力，依靠冲动力做功的级叫做冲动级；与汽流流出方向相反的反作用力叫做反动力，依靠反动力做功的级叫做反动级。二、级的反动度汽轮机级中反动力所占的比例，即蒸汽在动叶中膨胀程度的大小，常用级的反动度表示：m**bbmtnbhhhhh（平均直径处的参数）msh0*021P0*P0P1P2Δhn*Δht*Δhb’∆hb蒸汽在喷嘴中从压力p0膨胀到出口压力p1，以速度c1流向动叶栅。当蒸汽通过动叶时，一般还要继续膨胀，压力由p1降到p2.如图所示级的热力过程，则此时级的滞止理想比焓降Δht*为：bnthhh**近似认为与∆h‘b相等P0,P1分别是喷嘴进出口压力。理想热力过程从0→1。实际热力过程是0→2。0*点是0的滞止参数点。三、汽轮机级的类型（一）冲动级和反动级1、纯冲动级Ωm=0叶片对称，做功能力大，流动效率低；2、带反动度的冲动级Ωm=0.05~0.20具有做功能力大和效率较高的特点，得到了广泛的应用；3、复速级（双列速度级）喷嘴第一列动叶导叶第二列动叶导向叶栅的作用是改变汽流方向，做功能力比单列冲动级要大，但流动效率较低；4、反动级Ωm=0.5反动级的效率比冲动级高，但做功能力较小四、级的工作过程的研究方法（一）基本假设（1）蒸汽在级内的流动是稳定流动（2）蒸汽在级内的流动是一元流动（3）蒸汽在级内的流动是绝热流动（4）蒸汽近似的看成是理想气体（二）基本方程（1）连续方程——Gv=Ac（2）动量方程—-vdp=cdc（3）能量方程——（4）状态方程——等熵过程方程——=常数多变过程方程——=常数对于过热蒸汽，k=1.3;对于湿蒸汽，k=1.035+0.1x；饱和蒸汽k=1.135。22211200chchkpvnpv第二节汽轮机级的工作过程一、蒸汽在喷管中的流动（一）蒸汽在喷管中实现能量转换的条件hsh1p112h1t∆hn∆hc00p0P0*0*h0h0*图1-7蒸汽在喷嘴中的热力过程1、力学条件*nh当蒸汽初参数一定时，随着汽流压力P1的降低，比焓降的增大，汽流速度不断增大，热能相应减小并转变成动能。2、几何条件(1)当喷管内汽流为亚声速流动时（M1），dA0，这种喷管成为渐缩喷管；(2)当喷管内汽流为超声速流动时（M1），dA0，这种喷管成为渐扩喷管；(3)当喷管内汽流速度等于当地声速时（M=1），dA=0，喷管的截面为最小值，这个截面为临界截面（喉部截面）(4)欲使汽流在喷管中自亚声速增加至超声速，则截面应由渐缩变为渐扩，这种喷管成为缩放喷管或拉伐尔喷管。2(1)dAdcMAc（二）喷管中汽流速度的计算1、喷嘴出口的理想速度c1t为：kknnttpppkkhchchhc1*01*0*0*20201011122222、喷嘴实际出口速度为：tcc11喷嘴速度系数动能损失为：*2212212112122nttnhccch影响速度系数φ的因素很多，φ的大小与喷管高度、叶型、表面粗糙度和前后压差等因素有关，其中与喷管高度关系最为密切。图1-8渐缩喷嘴速度系数φ随叶片高度ln的变化曲线注：①喷管不小于15~20mm②在满足强度要求时，尽量采用窄喷管nlnlnl3、喷管中汽流的临界状态crcrakpv*202crcrchh在一定条件下在某一截面会出现汽流速度等于当地声速的临界状态，只与滞止初参数有关，与过程中有无损失无关，有足够的压降就会产生相应的速度。crc1*021kkcrppk临界压力与滞止压力之比称为临界压力比即crp*0pcr*0crcrpp临界压力比只与气体性质有关，对过热蒸汽k=1.3，=0.546；对饱和蒸汽，k=1.135，=0.577.crcrcr111ncrcrncrcrncrcrpppppp喷嘴中气流流动状态判断：亚临界临界超临界临界状态（三）喷管流量的计算)(12120000kknknnntvpAGkkn1、理想流量——喷管后压力与喷管前滞止压力之比，1*0npp当等于临界压力比时，流过喷管的流量达到最大值，称为临界流量ncrcrG000000011)12(ppApAvpKAGnnKKnntcK式中对于过热蒸汽：=0.667，饱和蒸汽：=0.635；在蒸汽性质和喷管出口面积确定后，临界流量只与蒸汽的滞止初参数有关。1112111111111nntttnttttcGAcAcGGc2、通过喷管的实际流量n——喷管的流量系数1111tntvv图1-11喷管和动叶的流量系数在湿蒸汽区工作时，由于蒸汽通过喷管的时间很短，有一部分应凝结成水珠的饱和蒸汽来不及凝结，未能放出汽化潜热，产生了“过冷”现象，即蒸汽没有获得这部分蒸汽凝结时所应放出的汽化潜热，而使蒸汽温度较低，蒸汽的实际密度大于理想密度，即11/1t过热蒸汽饱和蒸汽00647.0,97.0,3.1pAGkncrn00648.0,02.1,135.1pAGkncrn3、彭台门系数β当喷嘴进出口压力比处于某个数值时，其相应的流量G与同一初状态下的临界流量之比值称为流量比，也称为彭台门系数，记为β。1112)12()(12kkkknkncrnkkGGcrG可见只与和蒸汽性质k有关。k确定后，亚临界时值只与有关此时；临界状态时，=1，与无关。nnn211crcrn右图为渐缩喷嘴的β曲线(k=1.3)图1-12渐缩喷嘴的β曲线(k=1.3)**000.648crnGGAp实际积算时，根据先在图中查出β值，然后利用下式计算G：n这样，计算喷管流量时，就不必事先判断流动状态了。p0ctαtpt如图所示，AB为渐缩喷嘴的出口截面，即吼口截面，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。图1-13喷管斜切部分(四)蒸汽在喷管斜切部分中的膨胀1、蒸汽在斜切喷管中的膨胀条件(,)1dncr111dcrppp(1),当喷管出口截面上的压力比大于或等于临界压力比时，喷管喉部截面AB上的流速小于或等于声速，这时蒸汽仅在喷管的收缩部分中膨胀，而在其斜切部分中不膨胀，喷管斜切部分只起导向作用，汽流方向与轮周方向的夹角称为喷管的出汽角ncr1当p1dp1p1cr时汽流将在斜切部分发生膨胀。此时汽流出口速度大于音速，同时汽流的方向也将发生偏转。(2)，当喷管出口截面上的压力比小于临界压力比时，喷管喉部截面AB上的流速等于临界速度，汽流在斜切部分膨胀、加速并偏转，出口速度，方向角为。ncr1c112、喷管斜切部分的膨胀极限与极限压力极限压力p1d：使蒸汽正好在斜切部分全部膨胀完了，此时的喷嘴后压力称为极限压力。此时特征线与AC重合。随着喷管背压的降低，斜切部分的膨胀程度不断增大，当蒸汽的膨胀充满整个斜切部分时，即斜切部分的膨胀能力用完时，则喷管的膨胀达到了极限，此时的工况称为喷管的膨胀极限工况，此时喷管的压比称为极限压比。1d1211*011111111111sin1211112sinsin1sinkkkkddkknknkcrcrkppkkkccMacM二、蒸汽在动叶栅中的流动和能量转换过程（一）动叶栅出口速度三角形2222cuu1c111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：u——动叶的圆周速度1111112211sinarcsincos2wcucucw22222222222180sinarcsincos2cwuwuwc60mdnu图1-16动叶栅进出口速度三角形当蒸汽以速度离开本级时，蒸汽所带走的动能不能本级利用，称为该级余速损失。2222chc在多级汽轮机中，前一级的余速损失常可以部分或全部被下一级所利用。用余速利用系数μ1表示被利用的部分，则为222212'0cc)1~0(12csh0*021P0*P0P1P2Δhn*Δht*Δhb’∆hb2、动叶出口的速度计算由能量平衡方程可知：*212121222)(2bbtthwhwhhw由于存在不可逆损失，则动叶出口实际相对速度为：tww22动叶速度系数这样蒸汽流经动叶时的能量损失：*22222)1(2btbhwwh其能量损失系数是：2*1bbhh图1-17蒸汽在动叶栅中的热力过程线动叶速度系数与动叶高度、反动度、叶型、动叶片的表面粗糙度等因素有关，其中特别是与和的关系较为密切，并随着及增大而增大。图1-18是仅考虑随及的变化关系曲线。blmmbl图1-18速度系数与和的关系曲线mtw2mtw2（二）蒸汽对动叶片的轮周功率1、蒸汽对叶片的作用力单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所做的机械功，称为轮周功率。根据动量守恒，叶片对蒸汽周向力为：221122112112coscoscoscoswwGccGccGFFcctmFuuuuuuu图1-19蒸汽流过动叶栅的汽流图1-16动叶出口速度三角形图1-34动叶汽道的轴向投影面积1111122222121222coscoscoscosuuzzzzzbuzccwuccwuFFGccAppFFF轴向力为：或式中为动叶栅两侧受到的压力差作用，表示动叶汽道的轴向投影面积。bbbbmbAZtldlZF112212(sinsin)()ZbFGccApp112212(sinsin)()ZbFGwwApp12()bAppbA2、轮周功率单位时间内周向力在动叶片上所做的功称为轮周功率，22112211coscoscoscoswwGuccGuuFPuu上式表示时，蒸汽所做的有效功称为比功轮周功的另一种表达形式：uF2122222122112211121coscoscoscoswwccwwuccuPu1/Gkgs蒸汽在动叶栅中做功后，以的余速动能离开动叶栅，它是未能在动叶栅中转换为机械功的一部分动能，称它为这一级的余速损失，即222c2ch2222cch3、蒸汽在级内的焓降计算公式*2200**220012122nnntmnatthhchhhcchh212222*221**chhhwhhhhcbbbbtmb（a）带反动度的冲动级（b）纯冲动级图1-20级的热力过程线第二节汽轮机级的工作过程一、级的轮周效率汽轮机级的轮周效率是指蒸汽在级内所做的轮周功与蒸汽在该级中所具有的理想能量之比，即1/kgs0E100uuuPhEE根据能量平衡，级的有效焓降为222*0220011222ttcccEhh02210002222EhhhhchcWEhcbntutuuu，称假想速度，认为都在喷嘴中降落时所得到的出口理想速度。2*2atchac*t