汽轮机原理第二章

1、上一内容下一内容回主目录 o返回第一节 汽轮机级的基本概念第二节 蒸汽在级内的流动过程第三节 级的轮周效率与最佳速度比第四节 叶栅几何尺寸的确定第五节 叶栅气动特性及叶栅损失第六节 级内损失和级效率第七节 级的二维和三维热力设计上一内容下一内容回主目录 o返回汽轮机的级级的反动度级的分类上一内容下一内容回主目录 o返回 级是汽轮机中最基本的做功单元 级由静叶栅（喷嘴叶栅）和与它相配合的动叶栅组成 本章着重阐述单级汽轮机的工作原理上一内容下一内容回主目录 o返回 气体在绝热流动过程中，因受到某种物体的阻碍，而流速降低为零的过程称为绝热滞止过程。任一截面上气体的焓和气体流动动能的和恒为常数。当气体

2、绝热滞止时，速度为零。滞止焓等于任一截面上气流的焓和其动能的总和。气体滞止时的温度和压力分别称为滞止温度和滞止压力。用上标“”表示。滞止等熵焓降=进口滞止焓值出口等熵焓值上一内容下一内容回主目录 o返回 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线，则此时级的滞止理想比焓降ht*为：sh0*021p0*p0p1p2hn*ht*hbhbbnthhh*近似认为与hb相等ht1t2t上一内容下一内容回主目录 o返回动叶内理想比焓降hb与级滞止理想比焓 降ht*之比，表示蒸汽在动叶内的膨胀程度。1、反

3、动度*bthh =0时称为纯冲动级=0.5时称为反动级上一内容下一内容回主目录 o返回级的分类（一）冲动级和反动级（1）纯冲动级（2）带反动度的的冲动级（3）复速级（双列速度级）（二）压力级和速度级（三）调节级和非调节级上一内容下一内容回主目录 o返回上一内容下一内容回主目录 o返回(一)基本假设(1)蒸汽在级内的流动是一元流动(2)蒸汽在级内的流动是定常流动(3)蒸汽在级内的流动是绝热流动上一内容下一内容回主目录 o返回基本方程式（4）等熵过程方程pvk=常数（1）连续性方程 gv=ac（2） 能量/动量方程cdcdp（3）能量守恒方程22211200chch上一内容下一内容回主目录 o返回

4、 p0,p1分别是喷嘴进出口压力。 理想热力过程从01t。 实际热力过程是01。 0*点是0的滞止参数点。hsh1p11t1h1thnhc00p0p0*0*h0h0*上一内容下一内容回主目录 o返回1221001010011121pkkttkkphctrtkkccppkhhkp12*10101*00121kkttcppkhhkp上一内容下一内容回主目录 o返回1*22*0110100*00222211kkttnnppkchhchchkp 喷嘴实际出口速度为：tcc11喷嘴速度系数动能损失为：22222*11111222ttnnccchh 喷嘴出口的理想速度 为：1tc上一内容下一内容回主目录

5、o返回喷嘴动能损失nh滞止理想比焓降0*h喷嘴的能量损失系数 ：n21n与蒸汽之比上一内容下一内容回主目录 o返回上一内容下一内容回主目录 o返回 kpconstddpdpkpcdccmaagca21dadcmaac上一内容下一内容回主目录 o返回dppakdcrcac*0*021crcrcrppkckk1*021kkcrcrppk1*0npp上一内容下一内容回主目录 o返回临界压力比cr 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：0.546cr0.577cr上一内容下一内容回主目录 o返回上一内容下一内容回主目录 o返回实际流量：tngg（1）理想情况下，当

6、喷嘴前后的压力比 大于临界压力比时，由连续性方程 有：ntntcagt1121*0021kkknnnkapk上一内容下一内容回主目录 o返回 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 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(pkkagkkntcr实际临界流量：tcrncrgg对于过热蒸汽，对于饱和蒸汽，006473. 0,97. 0, 3 . 1pagkntcrn006483. 0,02. 1,135. 1pagkntcrn上一内容下一内容回主目录 o返回上一内容下一内容回主目录 o返回由以上分析可知，通过喷嘴

7、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。)12()(121112kkkknkncrkkggnf 彭台门系数 当喷嘴进出口压力比处于某个数值时，其相应的流量g与同一初状态下的临界流量gcr之比值称为流量比，也称为彭台门系数，记为。上一内容下一内容回主目录 o返回定义： 为了保证由喷嘴流出的汽流以正确的方向流入动叶栅，在喷嘴出口部分设计形成的一个三角形区域，称为斜切部分。斜切部分的作用：1.保证汽流顺畅地进入动叶，即导流作用。 2.在满足一定的条件下，可以使蒸汽膨胀加速。斜切部分两侧压力的分布上一内容下一内容

8、回主目录 o返回ncrncr蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀条件：1.当 时，蒸汽只在喷嘴的收缩部分膨胀，而在斜切部分中不膨胀，斜切部分只起导向作用。2.当 时，喷嘴出口截面上的压力小于临界压力。喉口截面上的压力和流速等于临界压力和临界流速。ncr上一内容下一内容回主目录 o返回1sintcrcrcrncrcr ngacl ct1sintcrcrcrncrcr ngacl ct1/(1)111/(1)/121sin()11sin1kkkknnkkk（b）斜切部分内汽流的偏转根据等熵流动的连续性方程：111111sin()tnttntt ngacl ct11111sin()sincrcrttccnnll

9、对于实际情况：ab:ac:贝尔公式上一内容下一内容回主目录 o返回扰动的等压线，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。2*1110sinkkdcrpp极限压力：斜切部分汽流的偏转上一内容下一内容回主目录 o返回 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ht*为：sh0*021p0*p0p1p2hn*ht*hbhbbnthhh*近似认为与hb相等上一内容下一内容回主目录 o返回动叶栅的进口和出口速度三角形2211112coswcuc

10、u1111sinarcsincw11111sintan ()cosccu根据正弦或余弦定理：圆周速度：60mdnu上一内容下一内容回主目录 o返回蒸汽在动叶栅中的热力过程线将能量守恒方程应用于1和2t点：22211222ttwwhh*21/ 2bbhhw 221212*12()22ttbbwhhwhwh动叶出口的理想速度：动叶滞止理想比焓降：上一内容下一内容回主目录 o返回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：22211112coswcuc u1111sinarcsincw上一内容下一内容回主目录

11、o返回 当蒸汽以速度c2离开本级时，蒸汽所带走的动能不能被本级利用，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1表示被利用的部分，则为：222212 0cc)10(122222222cos 180cwuw u2222sin 180arcsinwc上一内容下一内容回主目录 o返回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动叶速度系数上一内容下一内容回主目录 o返回这样蒸汽流经动叶时的能量损失：222*22(1)2tbbwwh

12、h其能量损失系数是：2*1bbhh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。上一内容下一内容回主目录 o返回汽流作用在动叶栅上的力上一内容下一内容回主目录 o返回 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：21uuumfwwt 1122coscosuuffg cc 1122coscosg ww112212sinsinzzzffg ccapp 22buzfff上一内容下一内容回主目录 o返回则轮周功率为：11221122coscoscoscos

13、uupf ugu ccgu ww1kg蒸汽产生的有效功，称为级的做功能力，为： 222211122112212211coscoscoscos2upu ccu wwccww 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上一内容下一内容回主目录 o返回 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线，则此时级的滞止理想比焓降ht*为：sh0*021p0*p0p1p2hn*ht*hbhbbnthhh*近似认为与hb相等ht1t2t上一内容下一内容回

14、主目录 o返回上一内容下一内容回主目录 o返回220022attcchh 2*0012nmtnchhh 蒸汽在级内的焓降计算公式2*1nnhh*bmthh 2*12bbwhh 2*1bbhh2222cch上一内容下一内容回主目录 o返回220210122utnbccphhh级的有效焓降等于级的做功能力。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。轮周效率和速度比的定义上一内容下一内容回主目录 o返回速度比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

15、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。上一内容下一内容回主目录 o返回1c2c90211w2w1c2c90211w2w上一内容下一内容回主目录 o返回 1c2c90211w2w上一内容下一内容回主目录 o返回纯冲动级的最佳速度比（在没有余速利用的情况下）010m 2222*012200112222tttttnccccehhhhh 上一内容下一内容回主目录 o返回上一内容下一内容回主目录 o返回上一内容下一内容回主目录 o返回上一内容下一内容回主目录 o返回0.5,m 叶型相同所以：22221221222212212111

16、1111222 cosuttccwwccwwxx则由01xu11cos)(opx11cos21xxma反动级对最佳速度比的影响可得：上一内容下一内容回主目录 o返回上一内容下一内容回主目录 o返回2*(1)nnhh 一、流动损失 1.喷嘴损失和动叶损失 原因：蒸汽在汽轮机级内流动时产生的喷嘴损失和动 叶损失2*(1)bbhh上一内容下一内容回主目录 o返回 、叶高损失（叶端损失、二次流损失） 原因：叶片内弧与背弧存在压差，有压差就导致流 动损失；解决方法：增大叶高或减小叶宽。 直到现在，这个理论解法不完善，没有较好的解 决。luahhluh不包括叶高损失的轮周有效比焓降 上一内容下一内容回主目

17、录 o返回 叶高损失也可用下面的经验公式计算：其中: 是经验系数，单列级为9.9，双列级为27.6 0ehel21anexla1a上一内容下一内容回主目录 o返回3. 扇形损失原因：较长叶片沿叶高方向汽流参数会有一定变化，使得其工作状态偏离设计工况，因此而形成的损失。解决方法：对于长叶片采用扭叶片。,bbl d动叶高度和动叶平均直径。007 . 0eedlhbb上一内容下一内容回主目录 o返回2222cch4. 余速损失原因：蒸汽流出动叶栅时产生的余速损失。上一内容下一内容回主目录 o返回叶轮摩擦所消耗的轮周功率为：二、叶轮的摩擦损失原因：叶轮与两侧蒸汽发生摩擦，克服摩擦阻力所消耗的机械功。3

18、21133111100sin2.3 10sinfffnn natttafnupkdvphgd lchpg hvk dxl 上一内容下一内容回主目录 o返回 影响它的主要因素：比容、轮周速度和级平均直径； 解决方法：采用反动式汽轮机。上一内容下一内容回主目录 o返回三、部分进汽损失（部分进汽）、鼓风损失原因：叶栅推动静止汽流流动，所消耗的功（喷嘴的非工作弧段）。（鼓风）31(1)2cweaebexe 0wwhe影响它的主要因素：部分进汽度。解决方法：加护罩。上一内容下一内容回主目录 o返回、斥汽损失原因：蒸汽推动了静止汽体流动，消耗了功（喷嘴的工作弧段）。解决方法：减少喷嘴组数。ewshhh1n

19、seanzcxe d0sshe总的部分进汽损失：上一内容下一内容回主目录 o返回 四、漏汽损失上一内容下一内容回主目录 o返回 、隔板漏汽（流动情况与喷嘴相似）（流动情况与喷嘴相似） 原因：隔板与轴间存在间隙，且存在压差，所以一定会有漏汽。级的有效比焓降上一内容下一内容回主目录 o返回 解决方法： 加汽封，现在主要是梳齿汽封（蜂窩式汽封）。 开平衡孔，（主要目的，辅助作用） 在喷嘴和动叶叶根部设置轴向汽封。上一内容下一内容回主目录 o返回、动叶顶部漏汽损失原因：存在间隙，（轴向，和径向）解决方法：安装围带，减小反动度。总的漏汽损失上一内容下一内容回主目录 o返回 五、湿汽损失 原因：未级叶片工作在湿蒸汽区，结果有水珠析出。这 就形成了，汽液两相流。 这种流动方式不但有损失而且有危害。级前后的平均干度：022(1)mxmixxxhxh上一内容下一内容回主目录 o返回 影响： 、对级效率的影响； 、对最佳速比的影响，使最佳速比下降； 、对反动度的影响，使反动度上升。 、对汽轮机叶片的冲蚀。上一内容下一内容回主目录 o返回湿汽损失：这个是现在一直研究和讨论的问题，国内外都做过大量的研究和实验，但是无论是理论研究、试验研究和汽轮机效率的影响，都有许多问题没有解决。解决方法：