电厂汽轮机原理及系统 ch1汽轮机级的工作过程

1Ch1汽轮机级的工原理2研究内容概述研究对象蒸汽在汽轮机级内的工作过程研究内容级内的能量转换与轮周功输出研究方法对实际系统作抽象、简化，建立理想模型，然后考虑实际因素给予工程修正。31.1汽轮机级的工作工程1.1.1级的工作过程简介1.1.2级中的热力过程线1.1.3级的流动模型和基本方程式1.1.4蒸汽在喷嘴中的流动1.1.5蒸汽在动叶中的流动41.1.1级的工作过程简介汽轮机的级由一列喷嘴叶栅和与之配合工作的动叶栅所组成的工作单元。动叶栅可为单列，也可为多列。工作过程蒸汽在喷嘴(nozzle)中降压增速，热能转变为汽流的动能；在动叶(blade)中继续降压增速，并通过动量改变转换成转子的旋转机械能。轮周功单位质量蒸汽在单位时间内所做的功。0h2102c2h2122c22002211()()22uWhchc51.1.2级的热力过程线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滞止参数汽流相对于叶栅通道速度为零的热力参数余速损失动叶排汽余速动能2102cnhnhbhbhth0th2122cuW1p2p10p02t2hs1t2122()c61.1.3级的流动模型和基本方程式分析、计算方法热力学第一定律，先计算理想过程，后作实际修正。分析模型一元流动平面叶栅模型基本假设定常、绝热、理想气体、一元流动。基本方程连续方程能量方程理想气体状态方程绝热等熵过程pvRTkpvconstGvAc0dAdcdvAcv22010122cchhW71.1.4蒸汽在喷嘴中的流动1.1.4.1喷嘴出口流速的计算理想过程中喷嘴出口流速的计算实际过程中喷嘴出口流速、速度系数1.1.4.2流动临界、临界压比1.1.4.3通过喷嘴的流量计算理想流量、实际流量、临界流量、彭台门系数1.1.4.4蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀81.1.4.1喷嘴出口流速的计算理想过程的喷嘴出口流速能量平衡喷嘴出口理想流速理想流速计算方法由查水蒸汽特性参数，由此求得出口理想速度由代入焓的表达式，得以初参数及压比为函数的出口理想流速：202000111122tthchhc2010010122tttcchhhh00001,,ptp0000,pv000011()1khpvpvk100110000211kkttpkcpvkp010/ntpp91.1.4.1喷嘴出口流速的计算实际过程的喷嘴出口流速有损失的熵增。工程中用速度系数修正实际流速与等熵理想流速的偏差。喷嘴速度系数喷嘴损失喷嘴能量损失系数速度系数的影响因素喷嘴高度随高度增加而增加，当ln100mm后基本不变表面粗糙度表面越光洁，摩擦损失就越小型线决定着流通内压力场、速度场分布常用数值一般为0.92～0.98，常取0.9711tcc22201111(1)22ntnhcch02/1nnnhh101.1.4.2流动临界和临界压比流动临界压力波在蒸汽中以音速传播，当渐缩喷嘴出口汽流速度达到当地音速时，背压的扰动无法向前传播，故最大出口流速仅为当地音速。音速计算公式临界压比将喉部截面达到音速时为临界状态。对应流道的进、出口压力比称为临界压比(Criticalpressureratio)。绝热等熵临界压比为过热蒸汽饱和蒸汽临界速度仅与进口的初参数有关akpvkRT12/(1)kkcrk0.546cr0.577cr000021crcrcrkckpvpvk111.1.4.3通过喷嘴的流量计算流量计算方法——理想流量加实际修正理想流量计算对出口面积为An的喷嘴，其理想质量流量为流量系数与实际流量流量系数公式流量系数与速度系数理论上，因，故。实际中，分别由动能损失与流动试验求取，前者是流场速度分布的均方平均，后者是流场速度分布的算术平均，通常实测流量系数大于速度系数。为简化计算，速度系数和流量系数可取同值。102/100102()()1kkntkntnnntAcpkGAvkv111111*nttnnttGcvvGcvv11*/ntvv11/1tvvnn121.1.4.3通过喷嘴的流量计算湿蒸汽的流量系数大于1湿蒸汽在降压膨胀过程中部分蒸汽释放汽化潜热凝结为水、湿度增大，但因流速很快、传热速度相对滞后，汽化潜热来不及传给蒸汽，使蒸汽产生过冷，比容减小，从而导致实际流量大于理想流量的局面。在湿蒸汽区，流量系数通常按计算，也可取值1.02进行计算。临界流量当喉部达到临界时，蒸汽参数也不再改变，汽流速度不再增加，其流量达到最大，故也称为“最大流量”。计算公式最大流量仅与初参数有关。实际最大流量为理想最大流量乘流量系数，即1x过热湿10010000max0000000.6673/2/10.6356/kknntnnApvGAkpvkApv过热饱和maxmaxnnntGGG=Ac/v131.1.4.3通过喷嘴的流量计算流量比系数又称彭台门系数，通过流道的流量与其最大流量的比，用β表示。流量计算方法先由初参数求得最大流量，然后由前后压比计算彭台门系数β，最后重要提醒：因存在着临界和最大流量，计算流量时必须先计算压比，并判定是否临界！02/(1)/02/(1)/00110max1100022()()112211kkkkkknkkkknpkAkvGkGpAkkkvmaxtGmaxtGG141.1.4.4蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀斜切部分膨胀当背压低于临界压力时，A点的压力扰动以音速向BC边传播，其前锋到达D点，形成压力为背压的等压线AD。蒸汽在AB与AD间压差作用下在ABD所构的渐扩流道中偏转继续膨胀增速，使之达到超音速。151.1.4.4蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀汽流偏转角斜切部分膨胀使蒸汽比容增大，汽流只有改变流动方向才可增大通流面积维持正常流动等熵流动条件下的计算公式（贝尔公式）：通过进一步推导可得到如下公式：11111/(1)/2111sin()1kkkknnkkk11111sin()sincrcrttcc161.1.4.4蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀极限膨胀当特性线的前锋与AC重合时，斜切部分的压力分布再也不受喷嘴后压力进一步降低的影响，即斜切部分的膨胀能力全部用完。对应压力称为极限膨胀压力，对应的压比称为极限膨胀压比。极限膨胀压比和极限膨胀压力公式斜切部分膨胀的大小决定于，故极限膨胀也决定于，马赫角为：马赫角与马赫数的关系为：利用贝尔公式，进一步推导可得：11111sinddddaMac201110(sin)kkdcrpp2111(sin)kkdcr11dd171.1.5蒸汽在动叶中的流动1.1.5.1动叶进出口速度三角形1.1.5.2蒸汽动叶中的膨胀与级的分类1.1.5.3蒸汽对动叶的轮周功率181.1.5.1动叶进出口速度三角形速度三角形与动叶进口流速动叶随转子高速旋转，故汽流在动叶中是具有牵连运动的相对流动。轮周速度动叶平均直径dm处的圆周速度动叶入口速度公式动叶出口速度公式60mdnu11cuwu1c1w112c2wu*2*222cuw191.1.5.1动叶进出口速度三角形动叶进、出口速度三角形几何解析法公式1cu1w112c2wu*2*22211112coscuuc11111111sinsinarcsinarctancoscccu22*22222coscuu***22222*222sinsinarcsinarctancoscu201.1.5.1动叶进出口速度三角形动叶中膨胀与动叶出口流速理想过程为等熵过程，相对坐标系中有能量平衡：动叶出口理想流速动叶进口滞止焓相对于动叶通道速度为零的热力参数实际过程有损失的熵增，定义动叶速度系数：动叶中的能量损失可以表示为：202111221122tthwhhw200211212222tttbwwhhhhh22tww2220221(1)2btbhwwh211.1.5.2蒸汽动叶中的膨胀与级的分类蒸汽在动叶中的膨胀蒸汽在动叶中是否膨胀，决定于动叶通道的型线，这也就决定着汽流对动叶片是否产生反动功。反动度描述蒸汽在动叶中膨胀的相对大小。在计算中，反动度建立起喷嘴与动叶理想间焓降的关系。定义：动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比，即：级的分类纯冲动动叶中不膨胀反动级喷嘴、动叶中焓降相等冲动级动叶中膨胀小于喷嘴00bbmtnbhhhhh0m0.5m0.05~0.3m222102cnhnhbhthuW12pp0p01(2)t21t2122c※动、静叶型线差异大※汽流进、出转角大1cu1w112c2w*2*2u纯冲动级※※12pp0bh232102cnhnhbhbhth0th2122cuW1p2p10p02t21t1cu1w112c2wu*2*2※动、静叶型线相似※汽流进、出转角小纯反动级241.1.5.3蒸汽对动叶的轮周功率动量转换与动叶上的汽流力原理汽流在动叶中动量改变，等于作用在动叶上的冲量，产生机械功输出。汽流力动叶上的汽流力分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。设内流过动叶的蒸汽量为，由速度三角形得切向和轴向的动量变化：绝对坐标系：切向轴向相对坐标系：切向轴向切向力轴向力tm*1122(sinsin)mcc*1122(sinsin)mww**11221122(sinsin)(sinsin)szmmFwwcctt*2211(coscos)mcc*2211(coscos)mww**22112211(coscos)(coscos)summFwwcctt251.1.5.3蒸汽对动叶的轮周功率动叶上总轴向力汽流轴向力与压差力的总和Az为动叶有效作用面积轮周功率Pu蒸汽单位时间推动叶轮旋转所作的机械功，即轮周力与速度的乘积：轮周功率与轮周功关系Pu1决定于膨胀，Pu决定于流量利用余弦定理，Pu1：余速损失：轮周的有效比焓降12()szzzFFApp1/uuPPG22221122112uPccww2222cch20022utnbcchhhhh**11221122(coscos)(coscos)uuPuFuGwwuGcc26叶栅学习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。27例：汽轮机某级。喷嘴为渐缩型，其出口面积。试计算：（1）通过喷嘴的实际流量(取流量系数0.97)；（2）当时，通过喷嘴的流量又为多少？（3）如果喷嘴入口，则在（2）条件下喷嘴的流量？03.4pMPa0435tC0.38m22.2pMPa252mAcm2111.12、0.3mpMPa0120/cms28解（1）由初终参数查蒸汽特性参数得，级理想焓降：喷嘴理想焓降：喷嘴出口理想焓值：查得喷嘴出口压力：喷嘴最大理想流量：喷嘴的压比：流量比系数：通过喷嘴的实际流量：（2）改变背压后，(1)(10.38)12879.4/