华北电力大学汽轮机课件1

第一章汽轮机级的工作原理•第一节概述•第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动•第三节级的轮轴功率和轮轴效率•第四节叶栅的汽动特性•第五节级内损失和级的相对内效率•第六节级的热力设计原理•第七节级的热力计算示例•第八节扭叶片级基本工作单元：汽轮机的级一、概述第一节概述将蒸汽的热能转化成机械功1.汽轮机作用：通流部分----汽轮机本体做功汽流通道称为汽轮机的通流部分，它包括主汽门，导管，调节汽门，进汽室，各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。----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。工作过程第一节概述2222((),,)cwpt蒸汽热能喷嘴(nozzle)降压增速汽流的动能动叶(blade)转子的旋转机械能2.级的工作过程000(,,)cpt喷嘴1111((),,)cwpt动叶汽流改变速度和方向(冲动原理)汽流降压增速(反动原理)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。注意：参数下角标与截面号相同。001122第一节概述3.动叶受力分析⑴从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，汽流给动叶施加了一个冲动力Fi。⑵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，称为反动力Fr。⑶一般情况下，蒸汽在动叶通道内流动时，一方面给动叶栅一个冲动力Fi的作用，另一方面，在动叶通道内继续膨胀，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。Fz为轴向力Fz第一节概述蒸汽膨胀增速的条件有合理的汽流通道结构且有一定压差存在动、静叶栅几何参数叶栅节距t叶栅通道进口宽度a叶型弦长b出口宽度a1和a2叶栅宽度B出口边厚度△前缘点前额线后缘点后额线中弧线几何进口角汽流进口角几何出口角汽流出口角叶片安装角静叶动叶平均直径dm，叶片高度l叶片高度ldmt动叶进出口汽流速度三角形(a)动静叶栅汽道示意图(b)顶点靠拢的速度三角形汽流的绝对速度60bdnu圆周速度动叶进口速度三角形汽流相对速度动叶出口速度三角形1表示动叶进口2表示动叶出口22cwu11wcucuw速度三角形w旋转平面与的夹角旋转平面与的夹角c1c11,ph22,phu1w11u2c2w22(a)速度三角形的参数关系22111111111111222222222222222cossinsinarcsinarccos2cossinsinarcsinarccoswcucucctgwcucwuwuwwtgcwu01h0p0t1.热力过程线----蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-s图上的表示。第一节概述hs滞止参数----相对于叶栅通道速度为零的气流热力参数(假想汽流绝热等比熵滞止到速度为0的状态）。用后上标为”0”来表示。动叶进口喷嘴进口00h2012C+=00h00p000ch1pnh'1nh20012cCh入口初速动能nh喷嘴损失12p'21h2112w2112w0101pbh1th1h2thbh22h动叶损失bh2ch2222cch余速动能uh0thth二、热力过程分析第一节概述2222cch11nthhh22bthhh001001nthhhhnh理想过程----可逆的等熵过程。实际过程----不可逆绝热膨胀过程---耗散效应，转换效率低于理想过程。部分动能转变为热能（能量贬值）---热能被蒸汽重新吸收---实际过程喷嘴和动叶出口汽流的焓与熵相对理想过程增加，能量转换效率低于理想过程。喷嘴理想比焓降--动叶理想比焓降--bh喷嘴(或动叶)效率----实际焓降与理想焓降之比喷嘴损失--动叶损失--余速损失--第一节概述20utnbchhhhh00tncbhhhh喷嘴损失、动叶损失、余速损失统称为级的轮周损失。级的滞止理想比焓降1kg蒸汽实际转换为动叶栅上机械功的有效焓降称为轮周有效比焓降表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度。定义为动叶中的理想比焓降与级的滞止理想比焓降之比,级的平均直径处的反动度用Ωm来表示。即00bbmtnbhhhhh第一节概述2.级的反动度Ω讨论说明⑴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，因此一般常认为00nbthhh00nbthhh⑶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。3.级的类型和特点0bhΩm＝０,汽流在动叶通道中不膨胀。（1）纯冲动级结构特点:热力特点:动叶叶型为对称弯曲，即动叶内各流通截面相同；动叶进出口处压力P1=P2和汽流的相对速度w1=w2相等流动特点:性能特点：做功能力大，但效率较低，损失大。故现已不在采用。第一节概述0.5tnbhhh（2）反动级热力特点:动静叶中蒸汽膨胀程度(焓降)相等.结构特点:动、静叶通道的截面基本相同；动静叶型相同。流动特点:压降基本相同，c1=w2.性能特点：做功能力最小，流动效率最高。第一节概述第一节概述（3）冲动级热力特点:nbhh膨胀主要发生于喷嘴中,为提高流动效率动叶中也有少量膨胀，一般Ω＝0.05～0.30结构特点:动叶通道的弯曲程度小于静叶；流动特点:动叶中增速小于静叶.性能特点：相同几何尺寸下，做功能力比反动级大，流动效率较纯冲动级高。第一节概述（4）复速级压力级和速度级：按蒸汽动能转变为转子机械能的过程来划分压力级：蒸汽动能转变为转子机械能的过程在级内只进行一次的级。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。速度级(复速级)：蒸汽动能转变为转子机械能的过程在级内进行一次以上的级。说明：目前常用的是进行两次转换的级，故又称为双列速度级或复速级，即由固定的喷嘴叶栅、导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅所组成的级。第一节概述汽流在导叶和动叶通道中膨胀较小。热力特点:结构特点:导叶和动叶为等截面通道；流动特点:导叶中汽流只转向不加速.速度级通常在一级内要求承担很大焓降时采用。如单级汽轮机或作为中、小型多级冲动式汽轮机第一级（调节级）。性能特点：做功能力最大，流动效率最低。级的类型和特点反动度叶片类型做功能力（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隔板叶轮型最高最低第一节概述0.5nbhh三、级的简化一元流模型和基本方程式第一节概述A.蒸汽在级内流动分析研究蒸汽膨胀的流动过程，主要是研究叶栅出口的汽流速度、流量与叶栅前后蒸汽参数及通道截面的关系。B.简化的一元流模型基本假设：①流动是稳定的②流动是绝热的③流动是一元的④工质是理想气体C.基本方程式①连续性方程G=Ac/v=A1c1/v1微分形式0dAdcdvAcv第一节概述③状态方程或过程方程2200111122qhchcW②能量方程式中：q—每kg蒸汽流过叶栅时从外界吸收的热量，J/kg。W—每kg蒸汽流过叶栅时对外界做出的机械功，J/kg。能量方程的微分形式：运动（动量）方程cdcvdp式中负号说明流动过程中，压力和速度是相反方向变化的。蒸汽在某一截面上的各种状态参数之间的关系由状态方程式来确定，对于理想气体：pv=RT，R—通用气体常数，R=461.5J/kg·K第一节概述过程方程等比熵过程方程：kpvconstnpvconst式中：k—为定熵指数；过热蒸汽：k=1.3；饱和蒸汽：k=1.135；湿蒸汽：k=1.035+0.1x（x为过程初态干度）多变过程方程：式中：n—多变过程指数；第一节概述气体介质中的音速akpvkRT马赫数MacMaa1亚临界状态=1临界状态1超临界状态气体的焓11kkhpvRTkk1.汽轮机级的概念、各种类型及的结构及蒸汽在级内能量的转换特点。2.蒸汽在动、静叶栅中热力过程在h-s图上的表示。3.级的反动度含义及表达式。4.分析级工作过程（蒸汽在级内流动过程）的假设与基本方程：连续、能量、过程（状态）思考题第一节概述0h100110000211kktpkcpvkp一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程能量转换：热力势能汽流动能计算分析方法：先算理想过程，然后用系数修正到实际过程喷嘴能量方程：210102()ttchhc0000,pv010/npp将流速表示成与初参数和前后压比的形式。则有000101()1ttkhhRTTk000011()1tkpvpvk2112tc2012c00h1th02nh0012()thh202nhc理想过程第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程npvconst0112tncch22222011111222ttnnccchh第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程11tcc实际过程蒸汽为粘性流体，流过叶栅通道时产生摩擦，造成动能损失，使蒸汽出口速度由c1t减小为c1,即喷嘴速度系数工程中，通常采用对等熵绝热流动作修正的方法来处理实际流动，即用实际汽流速度与理想速度的比值表示摩擦损失的影响，其比值称为速度系数。喷嘴速度系数22tww动叶速度系数蒸汽在叶栅通道中为绝热多变过程21nk,多变指数n随损失的增大而减小。喷嘴效率喷嘴损失;n2(1)knkk第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程速度系数的影响因素速度系数与叶栅通道表面的光滑程度及叶型等紧密相关。表面越光洁，摩擦就越小；叶型是否合理，决定了叶栅通道的流场和压力场分布，附面层增厚、附面层脱离均会导致摩擦损失增大、速度系数减小。前者提高加工精度，后者研究空气动力特性、开发先进叶型。蒸汽的膨胀程度越大，有利于减薄附面层，提高速度系数。在汽轮机中，喷嘴的速度系数在0.92～0.98之间，一般取0.97；动叶的速度系数在0.85～0.95之间，反动度大时可取上限。速度系数与喷嘴或动叶效率由速度系数和喷嘴或动叶效率定义可知b由热力学推导得知，多变指数与速度系数的关系为第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程渐缩喷嘴速度系数随叶片高度ln的变化曲线ln＞100mm时，Φ值基本上不再随ln而变化；ln＜12-15mm时，Φ值急剧下降；ln＞15mm时，设计时选取底限；喷嘴宽度小时损失小；第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程1）△hx＜△hc：亚音速区；喷嘴通道截面减缩；c1的增大较v的增大快的多；2）△hx＞△hc：超音速区；喷嘴通道截面减扩；c1的增大较v的增大慢；3）△hx＝△hc：喷嘴通道截面在临界点上，即临界截面（喉部）dAdvdcAvc第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程akpkRT喷嘴中的气流的临界状态汽流速度等于当地音速时的状态为临界状态，临界状态下的所有参数称为临界参数。当地音速对渐缩喷嘴，在背压降低时，出口汽流速度增大，而喷嘴出口的热力学参数最低即当地音速最低，出口截面是渐缩喷嘴的最小截面（喷嘴喉部），所以渐缩喷嘴喉部汽流速度最先达到当地音速，背压的扰动无法传播到汽流的上游，故渐缩喷嘴喉部的最大流速仅为当地音速，要使汽流速度超过音速，流道的型线自该截面后必须改为渐扩状。临界速度第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程001110021ccckckppvk对渐缩喷嘴的任一截面列能量方程：h212c00h0201112kkRTRTckk002001112kkpvpvckk2002001112kapvckk1pkhcTRTkakp对临界截面：1ccac200210011112ccckpvckk0020012111ckkpv