汽轮机的工作原理(2)

教学目标:了解蒸汽在喷嘴和动叶中的流动和能量转换过程；了解级的结构及作用和分类，掌握纯冲动度、冲动级、反动级的概念，动叶进出口速度三角形的绘制与计算，级的轮周功率和轮周效率，汽轮机级内各项损失和级效率、级的内功率计算。知识点：反动度，冲动级，反动级蒸汽在喷嘴中的流动特性；蒸汽在动叶中的流动特性；动叶进出口速度三角形；蒸汽作用在动叶上的力，轮周功率和轮周效率；汽轮机级内各项损失和级效率，级的内功率，级内损失。重点：级的概念与分类，动叶进、出口速度三角形；级的轮周功率、轮周效率及级内各项损失。难点：动叶进、出口速度三角形；级的轮周功率、轮周效率及级内各项损失的分析。汽轮机的工作原理汽轮机外形单缸、单排汽口汽轮机多缸、多排汽口汽轮机汽轮机的工作原理第一节概述一、汽轮机的级、级内能量转换过程1、汽轮机的级：静叶栅动叶栅是汽轮机作功的最小单元。汽轮机的基本作功单元－“级”•能量转换的主要部件是一组喷管和一圈动叶，由它们组合而成的工作单元，称为汽轮机的一个“级”。2、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。3、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。4、反动级：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。通常称这种级为反动级。二、级的反动度蒸汽在动叶通道内膨胀时的理想焓降hb，和在整个级的滞止理想焓降ht*之比，即*tbmhhbnbbnbmhhhhhh***tmbhh**1tmnhhbh(一)冲动级与反动级三、汽轮机级的类型冲动级复速级反动级冲动级1、纯冲动级（Ωm=0）•特点：蒸汽在喷咀叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀，只改变方•向。•P1=P2Δhb=0Δh*n=Δh*t•作功能力大，效率较低，C2较大。2、带反动度的冲动级(0Ωm0.5)•特点：蒸汽大部分在喷咀叶栅中膨胀，小部分在动叶栅中继续•膨胀。•P1P2Δhb0•具有冲动级作功能力大和反动级效率高的特点。3、复速级（双列冲动级）•特点：蒸汽在喷咀中膨胀，在第一列动叶栅中作一部分功，在固定的•导向叶栅中改变蒸汽流动方向，在第二列动叶栅内继续作功，•它的作功能力比单列冲动级要大，但效率低，一般用于中、小•型机组上。冲动级复速级反动级（Ωm=0.5）•特点：蒸汽一半在喷咀叶栅中膨胀，另一半在动叶栅中膨胀。•P1P2•Δhb=Δh*n=0.5Δh*t•反动级效率比冲动级高，但作功能力较小。反动级(二)压力级与速度级三、汽轮机级的类型压力级—以利用级组中合理分配的压力降或焓降为主的级。（效率高，单列级）速度级—以利用蒸汽流速为主的级。（做功能力大）双列速度级多列速度级(三)调节级与非调节级三、汽轮机级的类型调节级—通流面积可以随负荷变化的级。（第一级）非调节级—通流面积不随负荷变化的级（第一级以后的各级）复速级单列级四、研究级内工作过程的基本方法1.基本假设流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性、非连续性和不稳定的三元流动的实际流体。为了研究方便，特作如下假设：（1）蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的：即在流动过程中，通道中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变。（2）蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时，其参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上不变化。（3）蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时与外界没有热交换。2、基本方程（1）连续性方程微分形式（2）运动方程（3）能量方程（4）状态方程AcG0dcdcAdAcdcRdxdpwchqch22211200RTpv.constpvk第二节蒸汽在汽轮机级中的流动一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程喷嘴的作用是让蒸汽在其通道中流动时得到膨胀加速，将热能转变为动能。喷嘴是固定不动的，蒸汽流过时，不对外作功，W=0；同时与外界无热交换，q=0。则根据能量方程式，有对于过热蒸汽，可近似看做理想气体，则上式可写成：2112002121ChCh)(1)(211100102021vpvpkkhhCC（一）喷嘴中的汽流速度1.喷嘴出口汽流的理想速度：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，根据能量方程，喷嘴出口汽流理想速度20t10t1chh2c或者2011002121)(121CvpvpkkCtt当用下角0与1分别表示喷嘴进出口处的状态时，上式表明，蒸汽在喷嘴出口处的动能是由喷嘴进口和出口的蒸汽参数决定的，并和喷嘴进口蒸汽的动能有关。当喷嘴进口蒸汽动能很小，并可忽略不计时，喷嘴出口的蒸汽流速仅是热力学参数的函数。若喷嘴进口蒸汽的动能不能忽略不计，那么我们可以假定这一动能是由于蒸汽从某一假想状态0*等比熵膨胀到喷嘴进口状态0时所产生的，在这一假想状态下，蒸汽的初速为零。换言之，参数p0*、v0*是以初速c0从p0、v0等比熵滞止到速度为零时的状态，我们称p0*、v0*、h0*等为滞止参数。滞止参数在h-s图上的表示如图所示。上两式可写为：*20122nnthchc和])(1[121*01*0*01kktppvpkkc2.喷嘴出口汽流实际速度：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2*1nnnhh11tcc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：*22212121)1()1(21(21nttnhccch）ζζnh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n•影响速度系数的因素有：喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度、前后压力等。•速度系数与叶高的关系曲线如下图：(一)动叶进出口汽流速度三角形1、喷嘴、动叶及汽流流动特性•动叶以圆周速度u旋转；•从喷嘴中以绝对速度c1流出的汽流相对于动叶有一个相对运动和相应的相对速度w1；流入本级动叶；•汽流以相对速度w2离开动叶，由于动叶以圆周速度u旋转，故其出口绝对速度为c2；流入下级静叶（喷嘴）；•由c、w、u构成速度三角形，如下图。2、速度三角形的构成•动叶入口速度三角形：c1、w1、u•动叶出口速度三角形：c2、w2、u60bdnu二、蒸汽在动叶中的流动和能量转换过程符号说明:C1：喷嘴出口汽流的绝对速度w1：喷嘴出口汽流的相对速度C2：动叶出口汽流的绝对速度w2：动叶出口汽流的相对速度u：圆周速度。12121117(2~4)20~30冲动级：一般情况下：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*tbmhhhsh2p22h2t∆hb1p1P1*1*h1h1*2’∆h*bw12/2h0*021P0*P0P1P2Δhn*Δht*Δhb’∆hbs蒸汽在动叶中的热力过程蒸汽在级中的热力过程3、速度三角形的计算22111111111111222222222222222cossinsinarcsinarccos2cossinsinarcsinarccoswcucucctgwcucwuwuwwtgcwu2221111222()22ttmtbtwhhwhwhww—动叶速度系数。动叶损失：22222112btbhwwh1、蒸汽对动叶的作用力uzFzFuFbα2α1P2P1c2c1abcdu蒸汽流过动叶栅的汽流图(二)蒸汽对动叶的轮周功率作用在动叶上的汽流力可归结为产生旋转机械功的切向力(又称轮周力)和不产生机械功的轴向力。由动量定律求得。利用速度三角形关系进行计算。动叶栅进出口速度三角形轮周力Fu：是对动叶做功的力11221122(coscos)(coscos)uFGwwGcc设δt时间内流过动叶的蒸汽量为δm，切向和轴向的动量变化为：绝对坐标系：相对坐标系：切向切向轴向轴向2211(coscos)mcc2211(sinsin)mcc2211(coscos)mww2211(sinsin)mww令G=δm/δt为单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量，由速度三角形可得到：轴向作用力Fz：产生轴向推力不做功式中：全周进汽：Az=πdmlb部分进汽：Az=πdmlbe蒸汽对动叶总作用力Fb112212112212(sinsin)()(sinsin)()zzzFGwwAppGccApp22buzFFF⒉轮周功率•概念：单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所作出的机械功称为轮周功率。注意点：1kg蒸汽产生的轮周功Wu等于级的轮周有效比焓降Δhu。•计算式11221122200(coscos)(coscos)//uuunbcPWuwwucckJkgGhhhhhkJkg11221122(coscos)(coscos)uuPFuGuwwGucckW分析•轮周功的意义：由喷嘴带进动叶的蒸汽动能与动叶获得的蒸汽动能之和，减去蒸汽离开动叶所带走的动能。2122cuuWh2112c2122c221212()wwuuWh利用速度三角形得2222122112uWccww结论•级的做功能力，即轮周功的大小与动叶进出口汽流角β1和β2有关，一般而言有–冲动级：由于动叶转折较大，所以β1和β2较小，做功能力较大；–反动级：由于动叶转折较冲动级小，所以β1和β2较大，做功能力较小；第三节级的轮周效率与最佳速度比一、级的轮周效率•定义：蒸汽在轮周上所做之功与整个级所消耗的蒸汽理想能量（级的理想能量）之比，即01EPuu222221*2212000chchcEttE0——级的理想能量，它包括热能和动能两部分，其表达式为*2200**220012122nnntmnatthhchhhcchh蒸汽在级内的焓降计算公式212222*221**chhhwhhhhcbbbbtmb二、速度比及其与轮周效率的关系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