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汽轮机级的工作原理一、汽轮机的结构简介级：由一列静叶栅和一列动叶栅组成，完成蒸汽的热能转换成转子的机械能的最基本单元。汽轮机1)单级：喷嘴,动叶。2)多级：静子，由汽缸、隔板、静叶、轴承等组成。转子：由主轴、叶轮、叶片、联轴器、盘车等组成。二、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理（一）冲动作用原理。冲动力：改变其速度的大小和方向则产生一冲动力或汽流改变流动方向对汽道产生一离心力，此力为冲动力。此力的大小取决于单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量及其速度的变化。（二）反动作用原理。反动力：因汽流膨胀产生一相反力（汽体压力变化），如火箭。此力的大小取决于汽体压力的变化。作用在动叶片上的里有：冲动力，反动力三、汽轮机级的类型和特点（一）汽轮机级的反动度1、定义：蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降Δhb和整个级的理想滞止焓降Δh*t之比。平均反动度：动叶平均直径截面上的理想焓降。2、意义：衡量在动叶中膨胀的程度。（二）汽轮机级的类型。轴流式有以下几种：1、冲动级和发动机和反动级1）冲动级。特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向。结构：动叶叶型对称弯曲。做功能力大、效率低、不采用。带反动度的冲动级：Ω=0.05~0.2。特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行，只有一小部分在动叶栅中进行，作功能力比反动级大，效率比纯冲动级高。2）反动级Ω=0.5特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度相同。结构：喷嘴和动叶采用的叶型相同。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。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。如双列速度级。3、调节级和非调节级1）调节级：通流面积能随负荷改变的级，如喷嘴调节的第一级。2）非调节级：通流面积能不随负荷改变的级，可以全周进汽，也可以部分进汽。蒸汽在动叶中的流动(一)反动度蒸汽在静止的喷嘴中从压力p0(当喷嘴进口蒸汽速度不为0时，则应为p0*)膨胀到出口压力p1,速度c1流向旋转的动叶栅。当蒸汽通过动叶时，它一般还要继续作一定膨胀，从喷嘴后的压力p1膨胀到动叶后的压力p2在有损失的情况下，对整个级来说，其理想比焓降Δht*该是喷嘴中的理想比焓降Δhn*和动叶中的理想比焓降Δhb*之和，如图1-6所示。严格来讲，在h-s图中，比焓降Δhb并不等于Δhb'，因为由于喷嘴中的损失，蒸汽在流出喷嘴后，温度比等比熵膨胀到喷嘴后稍高，这就使得Δhb比Δhb'稍有增大。如果喷嘴中的损失不大，可认为Δhb=Δhb'，此时，级的理想比焓降可近似地由压力p0*和p2之间的等熵线来截取，即Δht*=Δhn*+Δhb(1-25)图1-6确定级的反动度所用热力过程示意图为了表明在一级中，蒸汽在动叶内膨胀程度的大小，我们引入反动度的概念。级的平均直径处的反动度Ωm是动叶内理想比焓降Δhb和级的理想比焓降Δht*之比，即(1-26)如果蒸汽的膨胀全部发生在喷嘴中，在动叶栅中不再膨胀，即Δhn*=Δht*，Δhb=0，Ωm=0，这种级称为纯冲动级。如果蒸汽的膨胀不仅发生在喷嘴中，而且在动叶中也有同等程度的膨胀，即Δhn*=Δhb=0.5Δht*，因此Ωm=0.5，这种级称为典型反动级。目前习惯上将具有不大的反动度值，即Ωm=0.05～0.3的级，仍称为冲动级(或带有反动度的冲动级)；而当反动度较大，即Ωm=0.4～0.6时，才称为反动级，更高的反动度在汽轮机中一般不予采用。(二)蒸汽在动叶中的热力过程动叶和喷嘴的断面和通道形状是十分相似的。若干个动叶或喷嘴环形排列，构成动叶栅或喷嘴栅。它们的区别主要表现在喷嘴栅是静止不动的，而动叶栅是以一定的速度在旋转。因此，喷嘴进出口的蒸汽速度是以绝对速度分别表示为c0和c1而动叶进出口的蒸汽速度是以相对速度分别表示为w1和w2。在上一小节中对喷嘴的讨论全部适用于动叶。如图1-7所示，在理想情况下，蒸汽从动叶进口状态(即喷嘴出口状态)p1、h1，等比熵膨胀至动叶出口压力p2。由于在流动过程中存在能量损失，因此，蒸汽在动叶通道中实际的膨胀过程是按熵增曲线进行的。与喷嘴相似，此时动叶栅出口汽流的理想相对速度为(1-27)式中Δhb---动叶栅理想比焓降，Δhb*=h1-h2t，J/kg；Δhb*---动叶栅滞止理想比焓降，Δhb*=Δhb+w12/2，J/kg。动叶栅出口实际相对速度(1-28)式中，ψ为动叶速度系数，它与级的反动度Ωm和动叶出口汽流的理想速度w2t有关，可由图1-8查得。蒸汽流经动叶的能量损失(1-29)蒸汽在动叶中的能量损失与蒸汽在动叶中的滞止理想比焓降之比称动叶的能量损失系数，即(1-30)(三)动叶的通流能力如果忽略喷嘴和动叶间轴向间隙中上端和下端的漏汽，那么，通过动叶的蒸汽流量Gbt应该就是通过喷嘴的蒸汽流量Gnt，所以在设计时，要求动叶栅和喷嘴栅的通流能力相等，即(1-31)和喷嘴一样，通过动叶的实际流量可用流量系数来修正，有(1-31a)式中：μb为动叶流量系数，可由图1-3查得，应注意μb≠μu。四、蒸汽在级内流动的基本公式根据反动度的定义，由式(1-26)得(1-31b)根据式(1-25)，并代人式(1-31b)，可得(1-32)图1-7蒸汽在动叶栅中的热力过程进一步则可写出(1-33)图1-8动叶速度系数ψ与Ωm和w2t的关系曲线(1-34)(1-35)(1-36)在很多情况下，用和这两个参数来表达蒸汽在级内的流动更为方便。汽轮机级的热力过程如图1-9所示。图1-9h-s图中汽轮机级的热力过程(a)带反动度的冲动级(b)纯冲动级第二节级的轮周效率和最佳速度比一、速度三角形和轮周功率1.动叶进口速度三角形蒸汽在喷嘴中膨胀后，以绝对速度c2离开喷嘴。c1与叶轮旋转平面的夹角用α1表示，为喷嘴出口汽流方向角。当蒸汽进入动叶栅时，由于动叶栅是以圆周速度u=πdmn/60(m/s)在移动(式中dm是动叶片高度一半处的直径，称为级的平均直径；n为汽轮机每分钟的转数)，当以旋转叶轮为参照物时，进入动叶栅的蒸汽速度就不是c1，而是蒸汽与动叶栅的相对速度w1，w2，与叶轮旋转平面的夹角用β1表示，β1为动叶进口汽流方向角。此时，由式(1-12)和式(1-33)可得(1-37)在求出速度c1后，可以根据喷嘴出口汽流方向角α1及圆周速度u作出动叶进口速度三角形，如图1-10(a)所示，进而可求得动叶进口相对速度w1及其方向角β1，也可根据三角形的余弦定理、正弦定理用分析法求得w1和β1分别为(1-38)(1-39)2.功叶出口速度三角形汽流在动叶通道内改变方向后，在离开动叶时，其相对速度用w2表示，它的方向与叶轮旋转平面的夹角用β2表示，为动叶汽流出口角。w2的数值可以比w1大，也可以比它小。一般在冲动级内，当汽流在动叶栅中膨胀很少，或是没有膨胀，由于汽流在流动中总有损失存在，则可能w2w1；当冲动级的反动度较大，或是在反动级中，由于蒸汽在动叶通道内继续膨胀，因而使w2w1。由式(1-28)和式(1-35)，可得(1-40)图1-10动叶栅进出口汽流速度三角形(a)动静叶栅汽道示意图；(b)预点靠拢的速度三角形在求出相对速度w2后，可根据动叶汽流出口角β2及圆周速度u作出动叶出口速度三角形，如图1-10(a)所示。β2的数值约为20°～30°。对于冲动级，β2约比β1小3°～6°，进而可求出动叶出口绝对速度c2及其方向角α2，也可用分析法求得(1-41)(1-42)在实际应用中，我们常将一级的速度三角形画成如图1-10(b)的形式，以便于计算。当蒸汽以绝对速度c2离开这一级时，蒸汽所带走的动能为c22/2。对这一级来说，这部分动能由于不能被利用，所以称为该级的余速损失，用Δhc2表示，即(1-43)在多级汽轮机中，一级的余速损失常可部份或全部被下一级所利用。若以余速利用系数μ1表示该级的余速动能被下一级所利用的部分，也就是下一级喷嘴进口蒸汽所具有的动能目，则(1-44)式中c'0-下一级喷嘴进口的蒸汽速度，m/s。对于多级汽轮机，相邻两个级之间的关系比较复杂，余速利用的情况也就不是一个简单的全部利用或是全部不利用的问题。一般可有下列情况：(1)相邻两个级的平均直径接近相等，蒸汽通过两级之间时在半径方向上运动距离不大；(2)喷嘴进口的方向与上一级蒸汽余速方向相符；(3)相邻两级都是全周进汽；(4)相邻两个级的蒸汽流量没有变化，即级间无回热抽汽。当上述情况都能满足，可取μ1=1；当第三项不满足时，μ1=0；当第四项不满足时，μ1=0.5；第一、二项的条件难以判定，一般可取μ1=0.3～0.8。(二)轮周功率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。根据力学的定义，功率应为作用力与作用力方向上的速度的乘积，轮周功率则应是轮周作用力与轮周速度的乘积，即Pu=Fuu(1-45)式中Pu--轮周功率，W；Fu--蒸汽对于动叶栅在轮周方向的作用力，N；u-动叶栅在轮周方向上的速度，m/s。根据力学原理，汽流作用于动叶的轮周力Fu应与动叶作用于汽流的力F'u大小相等向相反，即Fu=-Fu由力学第二定律得Fu=ma(令轮周方向为正)式中m--在单位时间内通过动叶栅的蒸汽质量，kg/s；a--单位时间内，蒸汽在轮周方向上速度的变化，m/s2。所以(1-46)又因为单位时间内通过动叶栅的蒸汽量G=m/Δt，代人式(1-46)，得(1-46a)则轮周功率(1-47)每单位蒸汽量所产生的轮周功为(1-48)式中：c1u=c1cosα1，c2u=c2cosα2。根据速度三角形的余弦定理可得代人式(1-48)，即可导出轮周功的另一表达形式：(1-49)式(1-49)表明，单位蒸汽流量在一级内所做的轮周功Wu为：由喷嘴带进动叶的蒸汽动能c12/2、蒸汽在动叶栅中由于热能的继续转换而增加的动能(w22-w12)/2以及蒸汽离开该级时所带走的能量{-c22/2}这三部分能量的代数和。轮周功也可以根据一个级的能量平衡条件求得。一级中的理想可用能量包括被分配在该级中的蒸汽理想比焓降Δht，和喷嘴进口处的蒸汽动能c12/2，而轮周损失则包括喷嘴损失Δhnξ动叶损失Δhbξ和余速损失Δhc2，因此每单位蒸汽流量所做的轮周功为(1-50)二、轮周效率及其与速度比的关系(一)轮周效率单位蒸汽量流过某级时所产生的轮周功Wu与蒸汽在该级中的理想可用能量E0之比，称为该级的轮周效率，用W来表示，即(1-51)在计算轮周效率时，若该级的余速损失中有部分能量可被下一级所利用，其值为μ1c22/2，并已计人在下一级的理想可用能量中，因此，应在该级的理想可用能量中扣除这一部分，所以级内的理想可用能为(1-52)将式(1-49)和式(1-52)代人式(1-51)，则轮周效率为(1-53)若轮周功以输入能量与损失表示，则轮周效率又可表示为(1-54)式中ζn--喷嘴损失系数，即喷嘴损失所占级的理想可用能的份额；ζb--动叶损失系数，即动叶损失所占级的理想可用能的份额；ζc2--余速损失系数，即余速损失所占级的理想可用能的份额。轮周效率的物理意义从上式看得十分清楚，如果汽轮机级内的喷嘴损失Δhnξ、动叶损失Δhbξ和余速损失Δhc2比较大，则该级的轮周效率就比较低，反之亦然。为了提高级的轮周效率，就必须从减小各项轮周损失人手。(二)轮周效率与速度比的关系为了对汽轮机的轮周效率有进一步的认识，必须找出影响轮周效率的主要参数及其变化的规律。根据理论分析可知，对轮周效率影响最大的是无因次参数速度比x1=u/c1。对一个级，总是努力提高喷嘴和动叶的速度系数，以使喷嘴和动叶的损失最小，而一个级在设计和运行时，只是余速损失在变化，因此从本质上讲，x1反映的是余速损失的大小。下面就分析这个主要参数是如何影响轮周效率的。1.纯冲动级的轮周效率和速度比的关系对于纯冲动级，级内反动度Ωm为零，w2t=w1。若假设进入喷嘴时汽流的动能很小，可忽略不计，即c0=0；又假设其余速全部损失掉，未被下一级所利用，即μ1=0。根据式(1-53)可得根据动叶进口速度三角形，w1cosβ1=c1c