84汽轮机原理教材

图1.1.1汽轮机的级的示意图1—喷嘴；2—叶轮；3—隔板；4—动叶片第一章汽轮机级的工作原理第一节概述汽轮机本体中作功汽流的通道称为汽轮机的通流部分。它包括主汽门、调节汽门、导管、进汽室、各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。现代电站汽轮机均为多级汽轮机，由若干级组成。由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成的工作单元称为汽轮机的级。因为汽轮机的热功转换是在各个级内进行的，所以研究级的工作原理是掌握整个汽轮机工作原理的基础。一、级的工作过程图1.1.1为某一冲动式汽轮机级的示意图。喷嘴叶片安装在隔板体上，动叶片安装在叶轮的外缘上。喷嘴前截面用0—0表示，喷嘴叶栅和动叶栅之间的截面用l—l表示，动叶后截面用2—2表示。这三个截面通常称为级的特征截面或计算截面。各截面上的汽流参数分别注以下标0，1和2，如0p、1p和2p，分别表示喷嘴前、喷嘴后和动叶后的蒸汽压力。在喷嘴通道内，蒸汽由压力0p膨胀到1p，温度图1.1.2蒸汽在动叶汽道内膨胀时对动叶的作用力由0t下降到1t，汽流速度相应地由0c升到1c。可见，蒸汽从四嘴的进口到出口实现了由热能向动能的转换。高速流动的蒸汽由喷嘴出口进入动叶时，给予动叶以冲动力iF。通常汽流在动叶槽道中继续膨胀，并转变方向，当汽流离开动叶槽道时，它给叶片以反动力rF(见图1．1．2)，这两个力的合力，推动动叶带动叶轮和轴旋转，作出机械功。动叶以转速n绕汽轮机轴旋转，用u表示动叶平均直径bd处(即1/2叶高处，见图(1.1.1)的圆周速度，其大小为（1.1.1）其方向为动叶运动的圆周方向。由于动叶以圆周速度u运动，所以，以1c表示的喷嘴出口汽流的绝对速度，是以相对速度1w进入动叶的。1c,u与1w构成动叶进口速度三角形，如图1．1．3（a）所示，即1w=1cu（1.1.2）汽流以相对速度2w离开动叶，由于动叶以圆周速度u运动，所以动叶出口汽流的绝对速度是2c。2w,u与2c构成动叶出口速度三角形，如图1．1．3(a)所示，即2c=2wu（1.1.3）图中ß表示叶轮旋转平面与相对汽流速度的夹角，ą表示叶轮旋转平面与绝对汽流速度的夹角。下标1代表动叶进口，下标2代表动叶出口。为实用方便，常将动叶栅进出口汽流速度三角形绘在一起，如图1.1.3（b）所示。1c的方向角ą1通常在11°17°范围内选取。2w的方向角为2，对于冲动级，2约比1小2°~4°，2的数值大约在20°30°之间。关于1c和2w的数值确定，将在本章第二节中讨论。当1c和2w确定后，就可通过速度三角形的关系求得1w和2c，即2211112coswcuuca(1.1.4)1=1111111sinsinarcsinarctancoscacawcau(1.1.5)222222=w2coscuuw(1.1.6)22222222sinsinarcsinarctancoswwacwu(1.1.7)1w和2c也可以通过按比例线段绘制速度三角形求得。以上分析了蒸汽在级内的流动过程。下面从热力学的观点介绍蒸汽在级内的热力膨胀过程。h-s图上级的热力过程线如图1．1．4所示。因为图中点0表示蒸汽在喷嘴前的状态、点0°表示汽流在喷嘴前的滞止状态，即假设喷嘴进口初速c。滞止为零的状态，故点0°与点0的比焓差等于喷嘴前汽流速度c。所具有的动能．用0ch，表示，则图1.1.3动叶栅进出口汽流速度三角形2chbhuh图1.1.4喷嘴及动叶的热力过程线（1.1.8）图中点0°的蒸汽压力po°表示喷嘴前的滞止压力，点0的蒸汽压力p。表示喷嘴前压力。如果蒸汽在喷嘴内由p。至1p的膨胀过程是等比熵的，则这个过程在图中用线段0lt‘表示，喷嘴的等比熵比焓降用nh表示。但实际上，具有粘性的蒸汽在喷嘴内的膨胀过程是有损失的，因此，在绝热的条件下，蒸汽在膨胀过程中比熵将增加，此时喷嘴出口的汽流状态如点l所示，实际的热力过程用线段01表示。喷嘴出口汽流的实际比焓值1h与理想比焓值1th之差即是喷嘴中的能量损失，用nh表示。0ch、nh和nh见图1．1．4。在动叶通道内，蒸汽从压力1p膨胀到2p。若是等比嫡过程，则用线段12’表示．动叶中的等比熵比焓降用bh成示。动叶内的实际过程也是有损失的，比熵是增加的，其过程如线段12所示。动叶出口实际比焓值2h与理想比焓值2th之差即为动叶内的能量损失，用bh表示。汽流离开动叶通道时具有一定的速度2c，这个速度对应的动能在该级内已不能转换为机械功，因面对该级来说是一种能量损失，称为余速损失．用2ch表示。bh,bh和2ch均见图1．1．4。余速损失可用下式表示：2ch=222c(1.1.9)若用0th表示级的滞止理想比治降，则0th＝th+0ch。lkg蒸汽在级的动叶栅上转换为机械功的有效比焓降称为轮周有效比焓降，以uh。表示，则uh=0th-bh-nh-2ch(1.1.10)式中，喷嘴损失nh,动叶损失bh和余速损失2ch之和称为轮周损失。应当指出，级中的流动过程和热力膨胀过程只是分析问题的角度不同，前者是用流体力学的观点，后者是用热力学的观点，通过分析，以便理解级的作功原理和能量损失的物理本质，并展示出能量转换的数量关系。在以后的讨论中，将进一步了解到这两种过程是有机地结合的。二级的反动度级的反动度Ω是表示蒸汽在动叶通道内膨胀程度大小的指标。级的平均直径处（即1/2叶高处)的反动度用Ωm表示，其表达式为Ωm=00bbtnbhhhhh（1.1.11）由于H-S图上等压线沿比熵增方向发散，故严格地说（0nh+Δhb）0th，但由于喷嘴损失δhn很小，在实用中常认为0nh+bh=0th。显然bh=0mth（1.1.12）0nh=0m1-)th（（1.1.13）式中0nh——喷嘴的滞止理想比焓降，0nh=nh+0ch三、级的类型和特点对轴流式汽轮机来说，所采用的轴流级按照级内蒸汽能量转换的特点，可分为纯冲动级、冲动级、反动级和复速级等几种。1．纯冲动级反动度Ωm=0的级称为纯冲动级。它的特点是蒸汽只在喷嘴中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变流动方向，故动叶栅中蒸汽进出口压力相等，即1p=2p,bh=0,0nh=0th。这种级的动叶上，既受到喷嘴出口高速汽流的冲动力，又受到汽流在动叶栅道中转向后流出时的反动力，但没有蒸汽膨胀加速对动叶的反动力。由于这种级的动叶中流动效率低，损失大，故已不再采用。2．反动级反动级是指蒸汽在喷嘴和动叶中理想比焓降相等的级，即nh=bh=0.5th。由于蒸汽在动叶栅中的膨胀程度较大，故动叶栅内的流动效率比冲动级高，但动叶顶部漏汽量也常比冲动级大。这种级的结构及其压力和速度的变化如图1．1．5所示，其动叶上既受到冲动力，又受到汽流在动叶中膨胀加速及转向后流出时的反动力。3．冲动级冲动级介于纯冲动级和反动级之间，通常取Ωm=0.05~0.30。显然，蒸汽的膨胀大部分发生在喷嘴中，只有少部分发生在动叶中．1p＞2p，nhbh。这种级的结构及其压力和速度的变化如图1．1．1所示。由于它的能量转换既有冲动级的特点，又有反动级的因素，故应称之为带反动度的冲动级．习惯上称为冲动级、其动叶上的受力类型与反动级相同，但受力大小不同。4．复这级由固定的喷嘴叶栅、导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅所组成的级称为复速级，又称双列速度级，如图1．1．6所示。复速级的喷嘴出口流速很高，高速汽流流经第一列动叶作功后余速2c很大，具有余速2c，的汽流进入导向叶栅。其方向改变成与第二列动叶进汽方向一致后，再流经第二列动叶作功，所以这种级实际上是单列冲动级的一种延伸。因为第二列动叶是利用第一列动叶排汽余速2c的动能继续作功的，因而称为速度级。四、级的简化一元流动模型和基本方程式(一)简化的一元流动模型实际上，蒸汽在级的叶栅通道中的流动是粘性可压缩流体在弯曲通道内的三元不稳定流动，流动情况是非常复杂的。为了突出主要矛盾，揭示流动的内在规律、通常作如下几点简化假设：(1)流动是稳定的即在所考虑的时间内通过叶栅任一截面的流量和蒸汽参数均不随时间变化。当汽轮机功率和蒸汽初参数基本不变时，可以近似地认为是稳定流动。(2)流动是绝热的即在叶栅中蒸汽与外界没有热交换。由于蒸汽通过叶栅的时间极短，且叶栅一般成组布置，相邻叶片的情况相同，彼此之间没有热交换，蒸汽向外界的散热量与总热能相比很小，故可以视为绝热过程。(3)流动是一元的认为叶栅中汽流参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上汽流参数不变。(4)工质是理想气体这样可以应用理想气体方程。在提出实用计算公式时，再考虑蒸汽粘性的影响。可见、简化的流动模型乃是一元稳定等比熵流动的模型。实践证明，利用这种一元流动简化模型．不但可以阐明汽轮机的通流特性、能量转换和变工况特性的本质，而且对于叶栅相对高度较小的级的设计亦可获得满意的效果。但对叶栅相对高度较大的级需应用二元或三元流动模型来分析。(二)基本方程式简化流动模型宜用一元稳定等比熵流动的基本方程。1．连续方程Gv=Ac(1.1.14)式中G——单位时间的质量流量，kg/s；A——通道内任一横截面面积，2m；图1.1.6复速级单级汽轮机示意图c——垂直于截面A的蒸汽速度,m/s;v——截面A上的蒸汽比容,3m/kg。连续方程的微分形式由于流量G不变．故可由上式得dA/A+dc/c-dv/v=0(1.1.15)2．能量方程因为蒸汽在级中流动时伴有热现象。所以引用由热力学第一定律导出的能量方程：22010122cchhW(1.1.16)式中0h,1h——分别为蒸汽进入和流出系统的比焓值，J/kg;0c,1c——分别为蒸汽进入和流出系统的速度，m/s；W——1kg工质对外界所作的机械功。J／kg。理论分析时常用到能量方程的微分形式：Cdc+vdp=0(1.1.17)上式不仅可从能量方程中得到,而且可由理想流体一元稳定流动的欧拉方程得到，称为运动方程；亦可根据牛顿第二定律速度变化和作用力的关系得到，称为动量方程。3．状态或过程方程理想气体的状态方程为Pv=RT(1.1.18)式中P——绝对压力，Pa;T——热力学温度，K;R——气体常数，对于蒸汽R=461.53J／(kg·K)。当蒸汽等比熵膨胀时，等比熵过程方程为kpv=常数(1.1.19)式中、为定熵指数。对于过热蒸汽=1.3;入对于湿蒸汽,=1.035+0.1x,其中x是膨胀过程初态的蒸汽干度。状态方程和等比熵过程方程中，只能有一个是独立方程，因为由状态方程可以导出各种过程方程。等比熵过程方程是喷嘴和动叶中常用的方程。综上所述，一元稳定等比熵流动只有三个独立的基本方尽。它们是研究喷嘴、动叶、级乃至整机的工作特性的基本方程式。第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程在第一节中介绍了级的工作过程。本节主要分析蒸汽流经喷嘴和动叶通道过程中，对级的工作特性有重要影响的通流特性、通流能力和流动效率问题。一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程(一)喷嘴出口汽流速度蒸汽在喷嘴通道中的理想膨胀过程如图1.1.4中的线段01’所示。当喷嘴前的蒸汽参数及初速0c为已知时，则02000002cchhhh(1.2.1)将式(1．2．1)代入式(1．1．16)，因为喷嘴是固定的，不对外做功，w=0,则喷嘴理想出口速度1tc为202010100102)2()22tttnnchhchhhch（(1.2.2)理想气体在等比熵膨胀过程中的比焓差可表示为000001010011()()11ttthhRTTpvpv(1.2.3)将式(1．2．3)代入式(1．2．2)得100110000211tpcpvp(1.2.4)或100100211tncpv(1.2.5)式中，010npp,称为喷嘴压比，即喷嘴后的压力与喷嘴前的滞止压力之比。式(1．2．2)用于喷嘴的计算，它表