汽轮机原理(同济大学)

汽轮机原理SteamTurbineTheory机械学院热能与环境工程研究所绪论•汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式机械，主要用作发电原动机，也用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。一、汽轮机的分类1、按工作原理分冲动式汽轮机反动式汽轮机2、按热力特性分凝汽式汽轮机背压式汽轮机抽汽式汽轮机抽汽背压式汽轮机多压式汽轮机3、按主蒸汽压力分汽轮机类别主蒸汽压力（MPa)低压汽轮机0.12~1.5中压汽轮机2~4高压汽轮机6~10超高压汽轮机12~14亚临界压力汽轮机16~18超临界压力汽轮机22.1超超临界压力汽轮机32二、汽轮机型号的表示方法汽轮机型号的组成为：ΔXX-XX-XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：N300-16.7/538/538300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为538ºC,再热蒸汽温度538ºC。汽轮机型式代号见下表：代号型式代号型式N凝汽式CB抽汽背压式B背压式CY船用C一次调整抽汽式Y移动式CC两次调整抽汽式HN核电汽轮机第一章汽轮机级的工作原理•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蒸汽在级内的流动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基本方程式（1）状态方程——pv=RT（2）等熵过程方程——pvk=常数（3）连续性方程——Gv=Ac（4）能量守恒方程——22211200chch喷嘴中的热力过程•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。hsh1p112h1t∆hn∆hc00p0P0*0*h0h0*蒸汽滞止和喷嘴出口参数计算kkppppkkhhccpkkTRkkTch1010010202111211kkpppkkhhc1*01*0*01*021112喷嘴出口汽流速度的计算喷嘴出口的理想速度c1t为：kknnttpppkkhchchhc1*01*0*0*2020101112222喷嘴实际出口速度为：tcc11喷嘴速度系数动能损失为：*2212212112122nttnhccch喷嘴动能损失nh滞止理想比焓降0*h喷嘴的能量损失系数：n21n与蒸汽之比喷嘴截面积的变化规律cdcMAdAcAGacMcdcdpdkpdpconstpk12喷嘴中的临界状态*011*0*0*01212ppkpppkkpkccacpkddpankkcrcrcrcrcrcr临界压力比只取决于蒸汽本身的性质，与喷嘴的结构无关。对于过热蒸汽：对于干饱和蒸汽：cr577.0546.0crcr喷嘴中的蒸汽流量（1）理想情况下，当喷嘴前后的压力比大于临界压力比时，由连续性方程有：ntnntcAGt11实际流量：ntnnGGkknknnkktnttnntpkkApppkkAcAG12*0*01*01*0*011112112称为喷嘴流量系数，它主要与蒸汽状态及蒸汽在喷嘴中的膨胀程度有关。n（2）当喷嘴前后的压力比小于或等于临界压力比时，通过喷嘴的流量将保持不变，即为临界流量：0011)12(pkkAGkknnct实际临界流量：nctnncGG对于过热蒸汽，对于饱和蒸汽，006473.0,97.0,3.1pAGknncn006483.0,02.1,135.1pAGknncn由以上分析可知，通过喷嘴的最大蒸汽流量（即临界流量），在喷嘴出口面积和蒸汽性质确定后，只与蒸汽的初参数有关；只要初参数已知，则通过喷嘴的临界流量即为定值。5、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Gn与同一初状态下的临界流量Gnc之比值称为流量比，也称为彭台门系数，记为β。2111211)12()(12crcrnkkkknknncnkkGGnf6、蒸汽在斜切部分的膨胀p0ptαtct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。但当p1dp1p1c时汽流将在斜切部分发生膨胀。汽流在斜切部分膨胀时将使汽流出口速度大于音速，同时汽流的方向也将发生偏转。p1d为极限压力：特征线与AC重合时的出口压力。1211*011111111111sin1211112sinsin1sinkkkkddkknknkcrcrkppkkkccMacM扰动的等压线，即汽流膨胀的特征线，也称马赫锥母线。为马赫角：特征线与汽流流动方向的夹角。蒸汽在动叶中的流动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：sh0*021P0*P0P1P2Δhn*Δht*Δhb’∆hbbnthhh**近似认为与∆h‘b相等——动叶内理想比焓降Δhb与级滞止理想比焓降Δht*之比，表示蒸汽在动叶内的膨胀程度。1、反动度Ωm*tbmhhΩm=0时称为纯冲动级Ωm=0.5时称为典型反动级2、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小结：对蒸汽在喷嘴和动叶中流动的分析对整个汽轮机原理的学习来说，是最基本同时又是最重要的，必须深刻理解其热力过程，牢固掌握各个计算关系式及其物理意义。第二节级的轮周效率和最佳速度比一、速度三角形2*2*22cuu1c111u——动叶的圆周速度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：1111112211sinarcsincos2wcucucw22222222222180sinarcsin180cos2cwuwuwc当蒸汽以速度c2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二、轮周功率和轮周功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：2221212222211111221122112112coscoscoscoscoscoscoscoszubzzzzzuuuuuuuuuFFFppAccGFFuwccuwccwwGccGccGFFcctmF则轮周功率为：22112211coscoscoscoswwGuccGuuFPuu1kg蒸汽产生的有效功，称为级的做功能力，为：212222212211221121coscoscoscoswwccwwuccuWu由上式可以看出：单位蒸汽流量在一级内所做轮周功等于冲动力作功和反动力作功之和。冲动力作功反动力作功级的轮周效率和最佳速度比*2200**220012122nnntmnatthhchhhcchh蒸汽在级内的焓降计算公式212222*221**chhhwhhhhcbbbbtmb2222100chhhchbntu级的有效焓降等于级的做功能力。轮周效率和速度比的定义210210221222112212000111coscos222cbncbnuatuuuEhhhEccccuchcWEh根据能量平衡，级的有效焓降为单位蒸汽量流过某级所产生的轮周功与蒸汽在该级中理想可用能之比，称为该级的轮周效率。速度比x1=u/c1——反映了余速损失的大小假想速度比xa=u/ca,其中假想速度*2tahc轮周效率与喷嘴能量损失、动叶能量损失和余速损失有关。能量损失与速度系数有关。叶栅确定以后，速度系数也就确定。余速损失最小，轮周效率最大，如下图。1c2c90211w2w1c2c90211w2w1c2c90211w2w轮周效率与速度比之间的关系纯冲动级的最佳速度比2cos12cos0,,,,cos180cos1cos2coscos22222011111211121112221121**221*221200010opamaopuuutnttttmxxxxxconstconstconstconstconstxxwwuhchhhchchcE反动级的最佳速度比1221*21*21,,,,5.0wcwcm叶型相同所以：11122122222121222221cos21111xxwwccwwccttu则由可得：01xu11cos)(opx11cos21xxma速度级（复速级）的最佳速度比为便于分析，对速度级做如下假设：2'1'1221'',,00gbbgbb（1）蒸汽只在喷嘴中膨胀（2）在级中没有能量损失（3）各个进出口角度相等经过同样的分析可以得到：11cos41)(opx4cos)(1opax最佳假想速度比为叶栅几何特性（p49~50)一、部分进汽度的定义mnndtzenbnanlnt1c1在确定喷嘴的尺寸之前，首先应根据喷嘴前后压力比的大小确定喷嘴的型式二、流管的计算截面、叶高或宽度1、ncr1111sinsinnmnnnttnnnldeltzcGA2、crn1dcrncrnncrnmnccrnalzldeRTpGA1*0*0sin648.0)sin()sin(111111nmnnnttnnnldeltzcGA3、n1dLaatglzAacrnnnnnn22三、长叶片级的设计1、叶片径高比和相对节距的定义bttld8~10的叶片就成为长叶片，其特点为：（1）圆周速度沿叶高不同，气流冲击背弧或凹弧；（2）叶栅存在最佳相对节距，大于或小于（x1）op造成损失；（3）c1较c0、c2要大得多，受c1u离心力产生径向压力梯度的影响，p1沿叶高是增加的，径向流动产生损失；综合以上特点，可知长叶片要按二元或三元流进行设计2、二元流设计（简单径向平衡法cr=0）rcdrdpu211（1）理想等环量流型（cz=const→c1ur=const）（2）等1角流型(cos1=c1u