汽轮机 级的工作原理

第一章汽轮机级的工作原理•1.概念：级是汽轮机中最基本的做功单元•2.组成：级由静叶栅（喷管）和动叶栅组成第一节概述图1-1单级汽轮机结构图（立体图，结构图）一、冲动作用原理和反动作用原理一、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理•动叶栅：动叶按一定的距离和角度安装在叶轮上形成动叶栅，并构成许多相同的蒸汽通道。•转子：动叶栅装在叶轮上，与叶轮以及转轴组成汽轮机的转动部分，称为转子•静叶栅：静叶按一定的距离和一定的角度排列形成静叶栅。•喷管：静叶栅固定不动，构成的蒸汽通道称为喷管。•动画演示：汽流冲动演示3.级内能量转换过程：具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在静叶栅通道中得到膨胀加速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。4.冲动作用原理•在汽轮机中从喷管中流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，受到动叶的阻碍，而改变了其速度的大小和方向，同时汽流给动叶施加了一个冲动力。•蒸汽质量越大，速度变化越大，则冲动力就越大。图1-2冲动力Fi反动力Fr•由于汽流膨胀加速产生的作用力称为反动力。•随着反动力的产生，蒸汽在动叶栅中完成了两次能量转换。•热能——动能——机械能5.反动作用原理5.动叶受到的合力•一般情况下，蒸汽在动叶通道中流动时，一方面给动叶栅一个冲动力Fi的作用，另一方面，在蒸汽动叶栅中继续膨胀，给动叶栅一个反动力Fr的作用，这两个力的方向都不与轮周方向一致。两个力的合力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。反动力冲动力轮周力Fz二、汽轮机级的反动度1、汽轮机级的反动度mmmΔht*—级的滞止理想焓降，Δhn*—蒸汽在喷管中的滞止理想焓降，Δhb—蒸汽在动叶中的理想焓降。ΔhC0反动度：蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降和蒸汽在整个级中的理想滞止焓降之比。ΔhbΔhb反动度m=----------------=--------Δhn*+ΔhbΔht*Δhb=mΔht*Δhn*=(1-m)Δht*•m越大，Δhb越大，蒸汽在动叶内的膨胀越大，蒸汽对动叶栅的反动力越大。•平均反动度m：动叶平均直径截面处的理想焓降所确定的反动度。三、汽轮机级的类型及特点•1.冲动级和反动级•冲动级又分为纯冲动级，带反动度的冲动级•2.压力级和速度级•3.调节级和非调节级1.冲动级和反动级•按蒸汽在动叶通道内的膨胀程度不同，即反动度大小不同分为冲动级和反动级。•（1）冲动级：•冲动级又分为纯冲动级，带反动度的冲动级。•当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被称为冲动力。这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于蒸汽微团流进、流出动叶通道时其动能的变化量。而这种级称为冲动级。•1）纯冲动级•通常把反动度m等于零的级称为纯冲动级。•纯冲动级的特点：•对于纯冲动级来说，W1=W2，P1=P2,Δht*=Δhn*、Δhb=0、m=0；•动叶叶型几乎对称弯曲；•蒸汽在动叶栅中不膨胀只改变流动方向；•动叶进出口压力p相等，相对速度w也相等；•纯冲动级做功能力大，但效率低。•2）带反动度的冲动级•为了提高级的效率，通常，冲动级也带有一定的反动度（m=0.050.20)，这种级称为带反动度的冲动级。•蒸汽的膨胀大部分在喷管中进行，只有一小部分在动叶中进行•（Δhb=5%~20%Δht*），•蒸汽作用在动叶栅上的力主要是冲动力，一小部分是反动力。•带反动度的冲动级的特点：•w1＜w2，P1＞P2,Δhn＞Δhb，Δht≠Δhn、Δhb≠0、m=0.050.20；•动叶叶型由入口到出口略有收缩；•蒸汽在动叶栅中即膨胀又改变流动方向；•它的作功能力比反动级大比纯冲动级小、效率比纯冲动级高。•作业：画出带反动度的冲动级的压力和速度变化示意图。•参考教材p7图1-5（2）反动级：通常把反动度m=0.5的级称为反动级。对于反动级来说，蒸汽在喷管和动叶通道的膨胀程度相同。当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向，同时还要膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动力，后者会对叶片产生一个反作用力，即反动力。蒸汽通过这种级，两种力同时作功。FiFrP0C0P1C1W1P2C2W2P1C1W1P2C2W2动叶动叶喷管•反动级的特点：•w1＜w2，P1＞P2,Δhn≈Δhb≈0.5Δht（因为初速度C20/2一般较小）、m=0.5；•动叶叶型和喷管叶型相同；•蒸汽在动叶中的膨胀占整个级的膨胀的一半；•作功的力中冲动力和反动力各占一半；•反动级的效率比冲动级高（最高），但作功能力最小,仅为纯冲动级的1/4。2.压力级和速度级按蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程不同，还把汽轮机的级分为压力级和速度级两种。•(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，称为压力级。这种级在叶轮上只装一列动叶栅，故又称单列级。•压力级可以是冲动级，也可以是反动级。•(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，称为速度级，速度级可以是双列的和多列的。•速度级是冲动式的，但为了提高级的效率，都带有一定的反动度。复速级：采用最多的是同一叶轮上装有两列动叶片的双列速度级，又称复速级。•由一组静叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅及一组介于第一、二列动叶栅之间、固定在汽缸上的导向叶栅所组成。•第一列动叶栅通道流出汽流，其流速还相当大，为了利用这一部分动能，在第一列动叶栅之后装上一列导向叶栅以改变汽流的方向，使之顺利进入第二列动叶栅通道继续作功。•复速级也采用一定的反动度。•复速级的特点：复速级的效率最低，但作功能力最大。•复速级的应用：•通常在一级内要求承担很大的焓降时才采用复速级。•常用于单级汽轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。喷管导叶一列动叶二列动叶定定动动•复速级、纯冲动级、带反动度的冲动级、反动级做功能力和效率比较。•做功能力：复速级纯冲动级带反动度的冲动级反动级•效率：复速级纯冲动级带反动度的冲动级反动级3.调节级和非调节级按通流积是否随负荷大小而变，又可将汽轮机的级分为调节级和非调节级。•(1)调节级：通流面积能随负荷改变而改变的级称为调节级。如喷管调节汽轮机的第一级，这种级在运行时，可通过改变其通流面积来控制其进汽量，从而达到调节汽轮机负荷的目的。•一般中小型汽轮机用复速级作为调节级，而大型汽轮机常用单列冲动级作为调节级。•(2)非调节级：通流面积不随负荷改变而改变的级称为非调节级。•调节级与非调节级的另一个不同是，调节级总是做成部分进汽，而非调节级可以是全周进汽，也可以是部分进汽。