2 汽轮机级的工作原理(201011-2)

1汽轮机原理PrincipleofSteamTurbine重庆大学本科课程2010.10授课教师：陈艳容22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。喷嘴：由固定不动的静叶栅构成的蒸汽通道。转子：汽轮机的转动部分。通流部分：汽轮机本体中作功汽流的通道称为汽轮机的通流部分，包括各级喷嘴和动叶、主汽门、调节汽门等。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。特征截面：喷嘴叶栅前截面0—0喷嘴叶栅和动叶栅之间的截面1-1动叶栅后截面2-252.1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63、级的工作过程（1）蒸汽在级内的流动过程两次能量转换Ⅰ喷嘴：蒸汽在喷嘴通道内膨胀，把蒸汽部分热能转换为出口蒸汽动能Ⅱ动叶：冲动力和反动力联合做功，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。（2）蒸汽在级内的压力、速度的变化趋势蒸汽通过喷嘴和动叶后，其压力、速度的变化趋势如图1.3。特征截面或计算截面：喷嘴前：0-0；喷嘴后（动叶前）：1-1；动叶后：2-2。图1.3蒸汽级内压力，速度变化趋势1100227连续方程:AcGv82.1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）。9（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20021chc喷嘴前汽流速度c0所具有的动能：滞止焓值：0000*021chhchh*0*0*0hvp、、举例：•滞止参数：滞止状态下的汽流热力参数，用上标“0”或“*”来表示；102）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=•理想过程：无不可逆损失的等熵过程；•实际过程：存在着不可逆摩擦损失，动能损失转变为热能。一、汽轮机的级4.热力过程线（2）三类参数：112.1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12动叶理想比焓降：0202cch01nthhh11nthhh01nnhhhh12bthhh滞止比焓差：喷嘴理想比焓降：喷嘴损失：喷嘴实际比焓降：图1.5喷嘴及动叶的热力过程线2、喷嘴及动叶的热力过程22bthhh12bbhhhh动叶损失：动叶实际比焓降：2222cch余速损失：1302ttnbhhhhh00ttchhh级的理想比焓降：级滞止理想比焓降：图1.5汽轮机的级的热力过程线2、喷嘴及动叶的热力过程喷嘴滞止理想比焓降：2unbchhhh20utnbchhhhh00nnchhh轮周损失：轮周有效比焓降：14⑴冲动力（Fi）：从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，给动叶施加的力。⑵反动力（Fr）：蒸汽在动叶通道内膨胀加速，离开动叶通道时，给动叶一个与汽流运动方向相反的作用力。⑶级的受力：冲动力和反动力的合力F作用在动叶栅上，其在轮周方向上的分力Fu使动叶栅旋转而产生机械功。1、汽轮机级的受力分析ABCDEFiFrw1w2u蒸汽在动叶流道内膨胀时对动叶的作用力12P0,h0c0α1uc1c2二、级的反动度2.1概述152.1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）通常用级的平均直径处的反动度Ωm来表示。16（3）关于级的反动度的分析与讨论1）由于h-s图上等压线沿比熵增方向发散，故严格说，但由于喷嘴损失很小，因此在使用中常认为2）Ωm越大，△hb越大，则蒸汽对动叶栅的反动力也越大；3）反动度Ω沿动叶高度是不相同的对于较短的直叶片级，用平均反动度Ωm表示，可不计反动度沿动叶高度的变化；对于长叶片级，在计算不同截面时，必须用相应截面的反动度。00nbthhh00nbthhh172.1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。182.1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。19d、P1＞P2，△hn＞△hb；蒸汽作用在动叶上的主要是冲动力，小部分是反动力；在最佳速比下，做功能力比反动级大，效率较纯冲动级高，在汽轮机中得到了广泛应用。三、级的分类2.冲动级（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。202.1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。21图1.6冲动式汽轮机示意图图1.7反动式汽轮机示意图222.1概述压力及流速变化曲线三、级的分类232.1概述四、级的其他分类方法1．调节级和非调节级按级的通流面积是否随负荷大小而变来划分。1）调节级——可以通过改变进汽面积控制其进汽量的级中小汽轮机用复速级作调节级；大型汽轮机常用单列冲动级作调节级；总是做成部分进汽。2）非调节级——不通过改变进汽面积控制其进汽量的级。可以是全周进汽，也可以是部分进汽242．单列级和速度级按蒸汽动能转变为转子机械能的过程来划分1）单列级——动能转换为机械能只在一列动叶栅中完成的级。特点：这种级在叶轮上只装一列动叶栅，故又称为单列级；压力级可以是冲动级，也可以是反动级。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。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。特点：复速级都是冲动式的；做功能力大（较单列级而言），通常在一级内要求承担很大焓降时采用；为提高复速级效率，其设计时带有一定的反动度。252.1概述四、级的其他分类方法2．单列级和速度级26五、级的类型和特点小结反动度结构特点做功能力（焓降）效率纯冲动级Ωm=0隔板叶轮型较高较低反动级Ωm=0.5转鼓型最低最高冲动级Ωm=0.05～0.3隔板叶轮型较低较高复速级Ωm=0.05～0.1隔板叶轮型最高最低272.2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281）连续方程式2）能量方程式（1）喷嘴：q=0,W=0(2)动叶：求W→(3)级：求W→(4)整台汽轮机：求W3）状态及过程方程式•等比熵过程方程：•多变程方程.constvcAAcGRTpv.constpvk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.基本方程式中：k——为定熵指数；过热蒸汽：k=1.3；饱和蒸汽：k=1.035；湿蒸汽：k=1.035+0.1x（x为过程初态干度）npvconstn—多变过程指数；实际流动过程Wchqch22211200294）动量方程式5）气动方程式0cdcdpkvppka音速的计算公式：acM马赫数M：M=1时为临界状态30二、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31二、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END332二、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，332.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34])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35（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*2221