2 汽轮机级的工作原理(20091018-1)

汽轮机原理PrincipleofSteamTurbine重庆大学本科课程授课教师：王泉海2010.1022汽轮机级的工作原理本章要求1）掌握汽轮机通流部分中蒸汽的流动规律及能量转换过程，提高综合应用基础知识分析研究具体工程技术问题和科研课题的能力。2）明确在级内能量转换过程中，各项损失的物理概念及减少损失的措施和计算方法。3）明确级的速比、反动度、比焓降及叶型参数对汽轮机热功转换能力（轮周功率）和轮周效率的重要影响，及对汽轮机整体结构的影响。4）掌握用一元流理论进行级的热力设计的方法。3级——由一列喷嘴叶栅（静叶栅）和其后的一列动叶栅构成的汽轮机作功的最小单元。2.1概述一、汽轮机的级1.什么是级?多级则能产生较大的功率，大型汽轮机均由多级串联组成。4级=喷嘴叶栅+动叶栅2.1概述一、汽轮机的级2.级的结构编号和下标：0,1,2；n-nozzle喷嘴，b-blade动叶。52.1概述一、汽轮机的级3.级内工作过程（1）功能：推动叶轮和轴转动，以带动发电机发电。（2）蒸汽的流动路线：进入喷嘴→离开喷嘴→进入动叶→离开动叶。（3）工质性质的变化：喷嘴中得到加速（p↓，c↑），在动叶中加速继续（p↓，c↑）。（4）能量转换：在喷嘴中将热能转换为动能，在动叶中将动能转换为机械能。p0c0p1c1c2p2压力及速度曲线62.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线反应级的做功过程和工质的变化特性的h-s曲线。（1）四个状态：1）滞止状态（0*状态）。2）喷嘴进口状态（0状态）。3）喷嘴出口状态（动叶进口状态，1状态）。4）动叶出口状态（2状态）。7（2）三类参数：1）焓降——物理意义：做功能力级的滞止理想比焓降，级的理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降，喷嘴的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线*thth*nhnhbh2）熵增过程——物理意义：不可逆过程3）损失a.喷嘴损失b.动叶损失在实际研究中常认为bh'bh=82.1概述一、级的工作过程4.热力过程线余速损失喷嘴中的能量损失动叶中的能量损失92.1概述1.冲动力和反动力二、级的反动度（1）冲动力经过喷嘴膨胀加速后的蒸汽作用于动叶的力rF（2）反动力在动叶中加速的汽流施加在动叶上的与流动方向相反的反作用力Fi。END2102.1概述（1）反动度的定义二、级的反动度2.反动度反动度：动叶的理想比焓降占总体理想比焓降的份额。bnbtbhhhhh**rmttmr定义式：（2）特征截面1）由于环行叶栅的使用，沿着叶高的方向流动特性不同。2）叶根截面（root），平均截面（middle），顶部截面（top），3）112.1概述三、级的分类1.分类依据：反动度——直接影响叶片形状的设计、运行的安全性和经济性。冲动级——靠冲动力做功的级，反动度小的级。级的分类反动级——靠反动力做功的级，反动度大的级。122.1概述三、级的分类2.冲动级（1）纯冲动级1）Ω=0，蒸汽只在喷嘴中膨胀，而在动叶中不膨胀，只改变流动方向。2）p1=p2，△hb=0,△ht*=△hn*。3）效率较低，很少使用。（2）带反动度的冲动级1）Ω∈(0,0.5)，一般而言Ω∈[0.05,0.20]2）结构特点：a.动叶栅截面形状近似对称；b.喷嘴前后压差大，为了减少泄漏常用隔板结构和隔板汽封；c.动叶栅前后压差小，轴向受力不大，采用叶轮式。132.1概述三、级的分类3.反动级1）Ω=0.52）p1p2，△hb=0.5△ht*=△hn*。3）效率比冲动级高，但是工作能力较小。4）结构特点：a.喷嘴叶栅和动叶叶栅可采用相同的叶型；b.动叶前后压差大，常用转鼓式结构，不用叶轮式；c.热惯性大，还需设置平衡活塞以平衡轴向推力；d.采用全周进汽。142.1概述压力及流速变化曲线三、级的分类152.1概述四、级的其他分类方法1．调节级和非调节级1）调节级——可以通过改变进汽面积控制其进汽量的级；2）非调节级——不通过改变进汽面积控制其进汽量的级。2．单列级和速度级1）单列级——动能转换为机械能只在一列动叶栅中完成的级既可是冲动级也可是反动级。2）速度级——动能转换为机械能在一级多列动叶栅中完成的级a.有两列动叶栅的速度级成为双列级或复速级，都是冲动级。b.复速级由一列喷嘴、一列导向叶栅核两列动叶栅组成；c.做功能力比单列级大。162.1概述四、级的其他分类方法2．单列级和速度级172.2汽轮机级内能量转换过程一、级内模型的简化和基本方程式1．模型常用简化假设实际过程简化过程粘性流体理想流体三元流动一元流动可压缩性有时假设为不可压缩流体不绝热绝热不稳定过程稳定过程181）连续方程式2）能量方程式3）状态及过程方程式4）动量方程式5）气动方程式.constvcAAcG22211200chchRTpv.constpvk0cdcdpacMakvppka2.2蒸汽在级内的流动过程一、级内模型的简化和基本方程式2.基本方程19二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程dxdcAG0dcdcAdA)cdcd(cdccdcdAdA10cdcdpdpcdc1)1()1(2cdpdcdcdcccdcdpdcdcAdAddpaacMa)1(2MacdcAdA1．汽流参数与喷嘴形状的关系以下导数项为对流动方向求导即，略去dx.（1）基本方程连续性方程：则有：由动量方程20二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程1．汽流参数与喷嘴形状的关系0cdc0AdA0AdA0AdA（2）流动过程分析1）依据式a.截面变化=f(速度的变化，马赫数)。在喷嘴中要进行膨胀加速，所以b.Ma1时：由于要进行膨胀加速，所以即需要采用渐缩喷嘴。c.Ma1时：由于要进行膨胀加速，所以即需要采用渐扩喷嘴。d.Ma=1时：由于要进行膨胀加速，所以即喷嘴截面积达最小值。)Ma(cdcAdA12END321二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程1．汽流参数与喷嘴形状的关系**crcrcrpkkpkc0012（2）流动过程分析2）超音速的形成a.缩放喷嘴b.在现代大型汽轮机中，绝大部分喷嘴为渐缩喷嘴，对于在出口带斜切部分的渐缩喷嘴，汽流在斜切部分可达到超声速。c.临界速度1*012kcrcrkkpp5460.cr577.0cr)(xfcr对过热蒸汽k=1.3，对干饱和蒸汽k=1.135，对湿蒸汽k=1.035+0.1x，222.喷嘴出口的汽流速度（1）喷嘴出口的汽流理想速度在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数是已知的条件。按等熵过程膨胀，其过程曲线如图所示。则喷嘴出口汽流理想速度为：或者为：——蒸汽流出喷嘴出口的理想速度（m/s)；——蒸汽按等熵过程膨胀的终态焓（J/kg)。201012c)hh(ctt20101001112cppvpkkckkttc1th1二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程23])pp([vpkkckk***t101001112二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程2.喷嘴出口的汽流速度（1）喷嘴出口的汽流理想速度24（2）喷嘴出口的汽流实际速度实际流动是有损失的，汽流实际速度小于汽流理想速度。通常用喷嘴速度系数来考查两者之间的差别(通常取=0.97)。这样，喷嘴出口的汽流实际速度为：（3）喷嘴损失蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称为喷嘴损失，用表示：喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数，用表示：tcc11*22212121)1()1(2121(21nttnhCCChnh)1(2*nnnhhn2.2蒸汽在级内的流动过程25crcrcrvkpvpkkc*0*0123.喷嘴中汽流的临界状态1*0)12(kkcrkppcrcrcrcvp、、2.2蒸汽在级内的流动过程临界参数:1.临界速度2.临界压力1*0)12(kkcrcrkpp对过热蒸汽k=1.3，对干饱和蒸汽k=1.135，对湿蒸汽k=1.035+0.1x26压力、焓降、截面积、汽流速度、音速、比容沿流动的变化规律2.2蒸汽在级内的流动过程3.喷嘴中汽流的临界状态274.喷嘴流量计算（1）喷嘴的理想流量计算喷嘴的理想流量可用下式计算:式中，为喷嘴出口处截面积，(m);为喷嘴出口处理想汽流速度，(m/s);为喷嘴出口处比容（m/kg)。又有,则上式为：称为喷嘴前后压力比。ttntvcAG11nAtv1tc1k**t)pp(vv1010111)(1212*0*0kknknntvpkkAG*01ppntGtG2.2蒸汽在级内的流动过程与初速无关28（2）喷嘴流量曲线当喷嘴前的参数和喷嘴出口截面积一定时，通过喷嘴的流量只取决于喷嘴前后压力比。*0*0vp、tGnA**n**kkntcrvpAvp)k(kAG000011124.喷嘴流量计算2.2蒸汽在级内的流动过程只与k值有关29（3）通过喷嘴的实际流量的计算通过喷嘴的实际流量为：式中，称为喷嘴流量系数。对于过热蒸汽，取=0.97；对于饱和蒸汽，取=1.02。考虑了流量系数之后，通过喷嘴的实际流量为：对于过热蒸汽：对于饱和蒸汽：另外还可以用单一的计算公式表示：称为彭台门系数。对于亚临界流动，1,对于临界流动，=1。tntttttnnGGvvvvvcAvcAG1111111111vvtnnn*0*0647.0vpAGncr*0*0648.0vpAGncr*0*0648.0vpAGncr4.喷嘴流量计算2.2蒸汽在级内的流动过程30（3）通过喷嘴的实际流量的计算4.喷嘴流量计算2.2蒸汽在级内的流动过程315.蒸汽在喷嘴斜切部分的流动为了使喷嘴中流出的汽流顺利进入动叶通道，在喷嘴出口处必须有一段斜切部分,如图所示。这样，实际喷嘴由两部分所组成：一部分是渐缩部分ABDE，AB为最小截面处。另一部分为斜切部分ABC。由于斜切部分的存在，它将给汽流产生影响。2.2蒸汽在级内的流动过程321.当喷嘴出口压力（背压）大于或等于临界压力时，AB截面上的流速小于或等于音速，喉部压力等于背压（），汽流通过喷嘴，只在渐缩部分膨胀加速，而在斜切部分ABC处不膨胀加速。斜切部分只起导向作用。从喷嘴流出的汽流与动叶运动方向成一角度(称为喷嘴出汽角）。2.当喷嘴出口压力（背压）小于临界压力时，汽流在AB截面上达临界状态，汽流在斜切部分要继续膨胀加速，蒸汽压力由临界压力下降为，汽流速度由临界速度到大于音速，并且汽流方向要发生扰动和偏转。bpp1111pcrp5.蒸汽在喷嘴斜切部分的流动2.2蒸汽在级内的流动过程END433三.蒸汽在动叶栅中的流动过程动叶通道的形状与喷嘴相似，基本流动规律也类似。对动叶的研究主要着重于蒸汽动能到叶轮机械能的转换问题。2.2蒸汽在级内的流动过程1.动叶进出口速度三角形34三.蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程1.动叶进出口速度三角形35三.蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程1.动叶进出口速度三角形36三.蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程1.动叶进出口速度三角形372.动叶损失动叶损失就是蒸汽通过动叶栅的能量损失，由于动叶损失的存在，使动叶出口的焓值由，则动叶损失为：动叶损失之比成为动叶栅的能量损失系数，即在计算时，通常取=0.85~0.95。22hht升到*22222)1()(21btbhWWh*bbhh与2*1bbbhh三.蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程383.余速损失由速度三角形可知，蒸汽在动叶栅中作功之后，最后以绝对速度离开动叶，其具有的动能称为余速损失：