华北电力大学汽轮机课件1

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：基本工作单元： 汽轮机的级汽轮机的级一、概述一、概述第一节第一节 概概 述述将蒸汽的热能将蒸汽的热能转化成机械功转化成机械功1.1.汽轮机作用：汽轮机作用：通流部分通流部分-汽轮机本体汽轮机本体做功汽流通道做功汽流通道称为汽轮机的通流部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，各级喷嘴和分，它包括主汽门，导管，调节汽门，进汽室，

2、各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。动叶及汽轮机的排汽管。-由由一列喷嘴叶栅一列喷嘴叶栅和其后紧邻的和其后紧邻的一列动叶栅一列动叶栅构成的工构成的工作单元。工作过程作单元。工作过程第一节第一节 概概 述述2222( (), )c wp t蒸汽热能蒸汽热能喷嘴喷嘴(nozzle)(nozzle)降压增速降压增速汽流的动能汽流的动能动叶动叶(blade)(blade)转子的旋转机械能转子的旋转机械能2. 2.级的工作过程级的工作过程000(, )cp t 喷嘴1111( (), )c wp t 动叶汽流改变速度和方向汽流改变速度和方向 ( (冲动原理冲动原理) )汽流降压增速汽流降压增速( (反动原理

3、反动原理) )特征截面或计算截面：喷嘴前：特征截面或计算截面：喷嘴前：0-00-0；喷嘴；喷嘴后（动叶前）后（动叶前） ：1-11-1；动叶后：；动叶后：2-22-2。 注意：参数下角标与截面号相同。注意：参数下角标与截面号相同。001122第一节第一节 概概 述述3.3.动叶受力分析动叶受力分析 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施加了一个冲动力冲动力Fi 。 蒸汽在动叶通道内膨胀加速，离开动叶通道时，给动叶一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，称为个与汽流运动方向相反

4、的作用力，称为反动力反动力Fr 。 一般情况下，蒸汽在动叶通道一般情况下，蒸汽在动叶通道内流动时，一方面给动叶栅一内流动时，一方面给动叶栅一个个冲动力冲动力F Fi i的作用，另一方面，的作用，另一方面，在动叶通道内继续膨胀，给动在动叶通道内继续膨胀，给动叶栅一个叶栅一个反动力反动力F Fr r的作用，这的作用，这两个力的方向都不与轮周方向两个力的方向都不与轮周方向一致，两个力的合力一致，两个力的合力F F作用在作用在动叶栅上，其在轮周方向上的动叶栅上，其在轮周方向上的分力分力F Fu u使动叶栅旋转而产生。使动叶栅旋转而产生。 FzFz为轴向力为轴向力Fz第一节第一节 概概 述述蒸汽膨胀增速

5、的条件蒸汽膨胀增速的条件 有合理的汽流通道结构有合理的汽流通道结构且有一定压差存在且有一定压差存在动、静叶栅几何参数动、静叶栅几何参数叶栅节距叶栅节距t t叶栅通道进口宽度叶栅通道进口宽度a a叶型弦长叶型弦长b b出口宽度出口宽度a a1 1和和a a2 2叶栅宽度叶栅宽度B B出口边厚度出口边厚度前缘点前缘点前额线前额线后缘点后缘点后额线后额线中弧线中弧线几何进口角几何进口角汽流进口角汽流进口角几何出口角几何出口角汽流出口角汽流出口角叶片安装角叶片安装角静叶静叶动叶动叶平均直径平均直径d dm m，叶片高度叶片高度l l叶片高度叶片高度l ldmt动叶进出口汽流速度三角动叶进出口汽流速度三

6、角形形(a)(a)动静叶栅汽道示意图动静叶栅汽道示意图 (b)(b)顶点靠拢的速度三角形顶点靠拢的速度三角形汽流的绝对速度汽流的绝对速度60bd nu圆周速度圆周速度 动叶进口速度三角形动叶进口速度三角形 汽流相对速度汽流相对速度 动叶出口速度三角形动叶出口速度三角形1 1表示动叶进口表示动叶进口2 2表示动叶出口表示动叶出口22cwu 11wcu cuw 速度三角形速度三角形w 旋转平面与旋转平面与 的夹角的夹角 旋转平面与旋转平面与 的夹角的夹角c1c11,p h22,p hu1w11u2c2w22(a)(a)速度三角形的参数关系速度三角形的参数关系22111111111111222222

7、222222222cossinsinarcsinarccos2cossinsinarcsinarccoswcucucctgwcucwuw uwwtgcwu01h0p0t1.1.热力过程线热力过程线-蒸汽在动、静叶栅蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在中膨胀过程在h-sh-s图上的表示。图上的表示。第一节第一节 概概 述述h hs s滞止参数滞止参数-相对于叶栅通道速度相对于叶栅通道速度为零的气流热力参数为零的气流热力参数( (假想汽流绝热假想汽流绝热等比熵滞止到速度为等比熵滞止到速度为0 0的状态）。用的状态）。用后上标为后上标为”0”0”来表示。来表示。动叶进口动叶进口喷嘴进口喷嘴进口0 00h20

8、12C+ += =00h00p000ch1pnh1nh20012cCh入口初速动能入口初速动能nh喷嘴损失喷嘴损失1 12p21h2112w2112w0101pbh1th1h2thbh2 22h动叶损失动叶损失bh2ch2222cch余速动能余速动能uh0thth二、热力过程分析二、热力过程分析第一节第一节 概概 述述2222cch11nthhh22bthhh001001nthhhhnh理想过程理想过程-可逆的等熵过程。可逆的等熵过程。实际过程实际过程-不可逆绝热膨胀过程不可逆绝热膨胀过程-耗散效应，转换效率低耗散效应，转换效率低于理想过程。于理想过程。部分动能转变为热能（能量贬值）部分动能转

9、变为热能（能量贬值） -热能被蒸汽重新吸收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，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。能量转换效率低于理想过程。喷嘴理想比焓降喷嘴理想比焓降-动叶理想比焓降动叶理想比焓降- - bh喷嘴喷嘴( (或动叶或动叶) )效率效率-实际焓降与理想焓降之比实际焓降与理想焓降之比喷嘴损失喷嘴损失-动叶损失动叶损失-余速损失余速损失-第一节第一节 概概 述述20utnbchhhhh 00tncbhhhh 喷嘴损失、动叶损失、余速损失统称为级的轮周损失。喷嘴损失、动叶损失、余速损失统称为级的轮周损失。级的

10、滞止理想比焓降级的滞止理想比焓降1kg1kg蒸汽实际转换为动叶栅上机械功的有效焓降称为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轮周有效比焓降表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度。定义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为动叶中的理想比焓降与级的滞止理想比焓降之比焓降之比, ,级的平均直径处的反动度用级的平均直径处的反动度用mm来表示。即来表示。即00bbmtnbhhhhh 第一节第一节 概概 述述2.2.级的反动度级的反动度讨论说明讨论说明 由于由于h-sh-s图上等压线沿比熵增方向发散图上等压线沿比熵增方向发散, ,故严格说故严格说, , 但由于

11、喷嘴损失很小，因此一般常认为但由于喷嘴损失很小，因此一般常认为00nbthhh 00nbthhh 反动度反动度 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mm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。截面时，必须用相应截面的反动度。3.3.级的类型和特点级的类型和特点0bhmm, ,汽流在动叶通道中不膨胀。汽流在动叶通道中不膨胀。（1 1）纯冲动级）纯冲动级结构特点结构特点: :热力特点热力特点: :动叶叶型为对称弯曲，

12、即动叶内各流通截面相同；动叶叶型为对称弯曲，即动叶内各流通截面相同；动叶进出口处压力动叶进出口处压力P P1 1=P=P2 2和汽流的相对速度和汽流的相对速度w w1 1=w=w2 2相等相等流动特点流动特点: :性能特点：性能特点：做功能力大，但效率较低，损失大。故现已不在做功能力大，但效率较低，损失大。故现已不在采用。采用。第一节第一节 概概 述述0.5tnbhhh （2 2）反动级）反动级热力特点热力特点: :动静叶中蒸汽膨胀程度动静叶中蒸汽膨胀程度( (焓降焓降) )相等相等. .结构特点结构特点: :动、静叶通道的截面基本相同；动静叶型相同。动、静叶通道的截面基本相同；动静叶型相同。

13、流动特点流动特点: :压降基本相同，压降基本相同，c c1 1=w=w2 2. .性能特点：性能特点：做功能力最小，流动效率最高。做功能力最小，流动效率最高。第一节第一节 概概 述述第一节第一节 概概 述述（3 3）冲动级）冲动级热力特点热力特点: :nbhh 膨胀主要发生于喷嘴中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，为提高流动效率动叶中也有少量膨胀，一般一般0.050.050.300.30结构特点结构特点: :动叶通道的弯曲程度小于静叶；动叶通道的弯曲程度小于静叶；流动特点流动特点: :动叶中增速小于静叶动叶中增速小于静叶. .性能特点：性能特点：相同几何尺寸下，做功能

14、力比反动级大，流动效率较纯冲动相同几何尺寸下，做功能力比反动级大，流动效率较纯冲动级高。级高。第一节第一节 概概 述述（4 4）复速级）复速级压力级和速度级：压力级和速度级： 按蒸汽动能转变为转子机械按蒸汽动能转变为转子机械能的过程来划分能的过程来划分 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。级内只进行一次的级。特点：特点： 这种级在叶轮上只装一列动叶栅，故又这种级在叶轮上只装一列动叶栅，故又称为单列级。称为单列级。压力级可以是冲动级，也可以是反动级。压力级可以是冲动级，也可以是反动级。速度级速度级( (复速级复速级) )：蒸汽动能转

15、变为转子机械能的过程在级内进行：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。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。一叶轮上的两列动叶栅所组成的级。第一节第一节 概概 述述汽流在导叶和动叶通道中膨胀较小。汽流在导叶和动叶通道中膨胀较小。热力特点热力特点: :结构特点结构特点: :导叶和动叶为等截面通道；导叶和动叶为等截面通道；流动特点流动特点: : 导叶中汽流只转向不加速导叶中

16、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）。或作为中、小型多级冲动式汽轮机第一级（调节级）。性能特点：性能特点：做功能力最大，流动效率最低。做功能力最大，流动效率最低。级的类型和特点级的类型和特点反动度反动度叶片类型叶片类型做功能力做功能力（焓降）（焓降）效率效率纯冲动级纯冲动级 m m=0=0隔板叶轮型隔板叶轮型较高较高较低较低反动级反动级 转鼓型转鼓型最低最低最高最高冲动级冲动级 m m=0.05=0.050.30.3隔板叶轮型隔板叶轮型较低较低较高较高复速

17、级复速级隔板叶轮型隔板叶轮型最高最高最低最低第一节第一节 概概 述述0.5nbhh 三、级的简化一元流模型和基本方程式三、级的简化一元流模型和基本方程式第一节第一节 概概 述述A. A. 蒸汽在级内流动分析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、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。流量与叶栅前后蒸汽参数及通道截面的关系。B.B.简化的一元流模型简化的一元流模型基本假设：基本假设：流动是稳定的流动是稳定的 流动是绝热的流动是绝热的流动是一元的流动是一元的 工质是理想气体工质是理想气体C.C.基本方程式基

18、本方程式连续性方程连续性方程 G=Ac/v=AG=Ac/v=A1 1c c1 1/v/v1 1微分形式微分形式 0dAdcdvAcv第一节第一节 概概 述述 状态方程或过程方程状态方程或过程方程2200111122qhchcW能量方程能量方程式中：式中：qq每每kgkg蒸汽流过叶栅时从外界吸收的热量，蒸汽流过叶栅时从外界吸收的热量，J/kgJ/kg。 W W每每kgkg蒸汽流过叶栅时对外界做出的机械功，蒸汽流过叶栅时对外界做出的机械功，J/kgJ/kg。能量方程的微分形式：运动（动量）方程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。式中

19、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：确定，对于理想气体：pv=pv=R RT T，R R 通用气体常数，通用气体常数， R =461.5J/kgKR =461.5J/kgK第一节第一节 概概 述述过程方程过程方程等比熵过程方程：等比熵过程方程：kpvconstnpvconst式中：式中：k k 为定熵指数；为定熵指数； 过热蒸汽：过热蒸汽：k=1.3k=1.3； 饱和蒸汽：饱和蒸汽：k=1.135k=1.135； 湿蒸汽：湿蒸汽： k=1.035+0.1x

20、k=1.035+0.1x（x x为过程初态干度）为过程初态干度）多变过程方程：多变过程方程：式中：式中：n n 多变过程指数；多变过程指数；第一节第一节 概概 述述气体介质中的音速气体介质中的音速 akpvkRT 马赫数马赫数MaMacMaa1 1 1 超临界状态超临界状态气体的焓气体的焓11kkhpvRTkk1. 1.汽轮机级的概念、各种类型及的结构及蒸汽在级内能量汽轮机级的概念、各种类型及的结构及蒸汽在级内能量的转换特点。的转换特点。2. 2.蒸汽在动、静叶栅中热力过程在蒸汽在动、静叶栅中热力过程在h-sh-s图上的表示。图上的表示。3. 3.级的反动度含义及表达式。级的反动度含义及表达式

21、。4. 4. 分析级工作过程（蒸汽在级内流动过程）的假设与基本分析级工作过程（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）方程：连续、能量、过程（状态）思考题思考题第一节第一节 概概 述述0h100110000211kktpkcp vkp一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程能量转换：能量转换：热力势能热力势能汽流动能汽流动能计算分析方法：计算分析方法：先算理想过程，然后用系数修正到实际过程先算理想过程，然后用系数修正到实际过程 喷嘴能量方程：喷嘴能量方程：210102()ttchhc0000,pv010/npp将流速表示成与初参数将流速表示成与初参数 和前后压

22、比和前后压比 的形式。的形式。则有则有000101()1ttkhhR TTk00001 1()1tkp vp vk2112tc2012c00h1th02nh0012()thh202nhc理想过程理想过程第二节第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程npvconst0112tncch22222011111222ttnnccchh第二节第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程11tcc实际过程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，蒸汽为粘性流体，流过叶栅通道时产生摩擦，造成动能损失，使蒸汽出口速度由使蒸汽出口速

23、度由c c1t 1t减小为减小为c c1 1, ,即即喷嘴速度系数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，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。其比值称为速度系数。喷嘴速度系数喷嘴速度系数22tww动叶速度系数动叶速度系数蒸汽在叶栅通道中为绝热多变过程蒸汽在叶栅通道中为绝热多变过程 21nk,1nPP1 1P P1d1d讨论：讨论：(2)(2)在喷嘴后背压低于临界压力不小于极限膨胀压力时，斜切部在喷嘴后背压低于临界压力不小

24、于极限膨胀压力时，斜切部分喷嘴壁面对汽流的膨胀起到约束作用，膨胀产生的压降能够分喷嘴壁面对汽流的膨胀起到约束作用，膨胀产生的压降能够有效地转化为汽流的动能，达到超音速流动。有效地转化为汽流的动能，达到超音速流动。(1)(1)喷嘴后背压喷嘴后背压临界压力时，汽流膨胀到喉部就能达到临界压力时，汽流膨胀到喉部就能达到完全膨胀，喉部后的斜切部分只起导向作用完全膨胀，喉部后的斜切部分只起导向作用第二节第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程(3(3) )汽流在斜切部分膨胀时，汽流的方向向没有壁面阻挡的另汽流在斜切部分膨胀时，汽流的方向向没有壁面阻挡的另一侧偏转一个角度一侧

25、偏转一个角度 ，叫偏转角。，叫偏转角。喉部：喉部：11111sin()nn nnA cl t cG斜切膨胀出口：斜切膨胀出口：11111sinnccn ncncccA cl t cG,nnnncll GG偏转角计算关系：偏转角计算关系：1 11111sin()sincccc假设流动过程为等熵流动假设流动过程为等熵流动111111121()11sin()sin1kkkknnkkk(4)(4)汽流方向偏转原因：超音速汽流膨胀，比容增大比流汽流方向偏转原因：超音速汽流膨胀，比容增大比流速增大要快，需要渐扩通道速增大要快，需要渐扩通道。201110sinkkdncpp第二节第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道

26、中的流动过程蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程(5)(5)蒸汽在斜切部分的膨胀程度取决于背压。背压越低参加膨胀蒸汽在斜切部分的膨胀程度取决于背压。背压越低参加膨胀的斜切部分就越大，当特性线的前锋与的斜切部分就越大，当特性线的前锋与ACAC重合，斜切部分的重合，斜切部分的膨胀能力全部用完，即斜切部分达到极限膨胀，此时的喷嘴膨胀能力全部用完，即斜切部分达到极限膨胀，此时的喷嘴后压力称为后压力称为极限膨胀压力极限膨胀压力。其后背压如果继续降低，就会出。其后背压如果继续降低，就会出现在斜切部分外发生膨胀的膨胀不足现象。现在斜切部分外发生膨胀的膨胀不足现象。 111极限膨胀压力与喷嘴出口几何角极限膨胀压力

27、与喷嘴出口几何角 有关，有关， 越小，斜切部分的膨越小，斜切部分的膨胀能力越强，则极限膨胀压力就越低。理论计算表明：极限膨胀胀能力越强，则极限膨胀压力就越低。理论计算表明：极限膨胀压力与压力与 的关系为的关系为喷嘴极限压比喷嘴极限压比1d1d：喷嘴膨胀极限工况对应的喷嘴压比。：喷嘴膨胀极限工况对应的喷嘴压比。极限偏转角极限偏转角1d1d：与极限压力：与极限压力p p1d1d对应的偏转角。对应的偏转角。马赫角马赫角d d： d d=1 1+ + 1d1d结结 论论 渐缩喷嘴斜切部分的膨胀程度远小于极限膨胀，相应的偏转角渐缩喷嘴斜切部分的膨胀程度远小于极限膨胀，相应的偏转角也只有也只有1 1-2-

28、2；多数情况下，微小的汽流偏转角对级的整个工作影响不大，然而多数情况下，微小的汽流偏转角对级的整个工作影响不大，然而采用渐缩喷嘴代替缩放喷嘴，却提高了流动效率，并带来了采用渐缩喷嘴代替缩放喷嘴，却提高了流动效率，并带来了设计和制造方面的便利，降低了成本；设计和制造方面的便利，降低了成本；蒸汽在喷嘴斜切部分内膨胀时的偏转和极限压力等概念和公式，蒸汽在喷嘴斜切部分内膨胀时的偏转和极限压力等概念和公式，对动叶栅来说同样是适用的。对动叶栅来说同样是适用的。渐缩喷嘴的实用压比一般在渐缩喷嘴的实用压比一般在n n = 0.45 = 0.45以上；以上；第二节第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽在喷

29、嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽通过喷嘴时流动分析小结蒸汽通过喷嘴时流动分析小结第二节第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程当初参数一定时，逐渐降当初参数一定时，逐渐降低背压，出口汽流速度和低背压，出口汽流速度和流量增大。在背压降至临流量增大。在背压降至临界压力时，其后流量不再界压力时，其后流量不再增大，但出口汽流角偏转增大，但出口汽流角偏转而增大；在背压降至极限而增大；在背压降至极限膨胀压力时，出口汽流速膨胀压力时，出口汽流速度和出口汽流角不再增大。度和出口汽流角不再增大。第二节第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程在流量和出口

30、汽流角计算在流量和出口汽流角计算时，特别要注意判别是否时，特别要注意判别是否达到临界。达到临界。三、蒸汽在动叶通道中的通流能力三、蒸汽在动叶通道中的通流能力202111221122tthwhhw100211012020211211222kktbmtbpkp vkpwhwhwh0222tbwwh22222022211222ttbbwwwhh第二节第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程22tb102/210212()()1kkbtkbtbbbtA wpkGAvkvbbbtGG以相对速度来考察动叶，可以把动叶当作喷嘴以相对速度来考察动叶，可以把动叶当作喷嘴能量方程能

31、量方程动叶出口汽流的理想相对速度动叶出口汽流的理想相对速度实际相对速度实际相对速度动叶损失为动叶损失为动叶理想流量动叶理想流量动叶流量系数动叶流量系数实际流量实际流量第二节第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程动叶流量与喷嘴流量的关系：动叶流量与喷嘴流量的关系：动叶动叶根部不吸不漏，且忽略动叶顶部漏汽根部不吸不漏，且忽略动叶顶部漏汽，动叶流量等于动叶流量等于喷嘴流量喷嘴流量2211btbtntntcGAwAGv冲动级：冲动级：2112,ttwcvv2112,ttwcvv反动级：反动级：bAnA略大于略大于盖度盖度第二节第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程（

32、思考）蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程（思考） 如何计算喷嘴与动叶出口的汽流速度，喷嘴损失与动叶损如何计算喷嘴与动叶出口的汽流速度，喷嘴损失与动叶损失的大小如何确定，为什么速度系数的平方即为喷嘴效率失的大小如何确定，为什么速度系数的平方即为喷嘴效率或动叶效率？速度系数的大小与哪些因素有关？为什么一或动叶效率？速度系数的大小与哪些因素有关？为什么一些小功率汽轮机的前几级要采用部分进汽，除了部分进汽些小功率汽轮机的前几级要采用部分进汽，除了部分进汽还可以采取什么措施增大叶高？还可以采取什么措施增大叶高？ 何为喷嘴的临界状态？临界速度与流动损失的大小有关吗？何为喷嘴的临界状态？临界速度与流动损失的大

33、小有关吗？喷嘴的压比与喷嘴的流量有何关系？何为临界压比其与喷喷嘴的压比与喷嘴的流量有何关系？何为临界压比其与喷嘴流量有何关系？何为彭台门系数，如何计算喷嘴的实际嘴流量有何关系？何为彭台门系数，如何计算喷嘴的实际流量？流量系数在过热区和饱和区一样吗？流量？流量系数在过热区和饱和区一样吗？ 斜切部分的膨胀是什么斜切部分的膨胀是什么? ? 为什么蒸汽在斜切部分膨胀时会为什么蒸汽在斜切部分膨胀时会发生偏转？何为极限膨胀压力，何为极限压比？发生偏转？何为极限膨胀压力，何为极限压比？一、蒸汽作用在动叶栅上的力和轮周功率一、蒸汽作用在动叶栅上的力和轮周功率第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮

34、周效率 设设 时间内流过动叶的蒸汽时间内流过动叶的蒸汽量为量为 ，切向和轴向的动量，切向和轴向的动量变化为：变化为：绝对坐标系：切向绝对坐标系：切向 轴向轴向相对坐标系：切向相对坐标系：切向 轴向轴向作用在动叶上汽流作用在动叶上汽流力，切向力力，切向力F Fu u2211(coscos)m cc2211(sinsin)m cc2211(coscos)m ww2211(sinsin)m wwmt作用在动叶上的汽流力作用在动叶上的汽流力产生旋转机械功的切向力产生旋转机械功的切向力( (又称轮周力又称轮周力) )不产生机械功的轴向力不产生机械功的轴向力汽流对动叶的作用力汽流对动叶的作用力FuFu（轮

35、周力）（轮周力）由动量定理求得由动量定理求得用速度三角形关系进行计算用速度三角形关系进行计算11221122(coscos)( coscos)ummFwwcctt12()szzzFFA pp1122112220(coscos)(coscos)/uuutnbcPWu wwu ccGhhhhhkJ kg 11221122(coscos)(coscos)uPGu wwGu cc第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率KWKWkJ/kgkJ/kg轴向轴向12211221(sinsin)( sinsin)szmmFwwcctt作用在动叶上的轴向力应是汽流轴向力和压差力的总和作用在动叶上

36、的轴向力应是汽流轴向力和压差力的总和设动叶压差作用有效面积为设动叶压差作用有效面积为AzAz，则总的轴向力，则总的轴向力轴向力使汽轮机转子轴向产生移动，故采用轴向推力轴承对转子作轴向力使汽轮机转子轴向产生移动，故采用轴向推力轴承对转子作轴向定位。为减少推力轴承载荷，采用合理的汽缸布置或设置轴向轴向定位。为减少推力轴承载荷，采用合理的汽缸布置或设置轴向力平衡装置。力平衡装置。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. .轮周功率轮周功率PuPu 1kg1kg蒸汽产生的轮周功蒸汽产生的轮周功WuWu等于级的轮周有效比焓降等于级的轮周有

37、效比焓降hu.hu.11221122(coscos)(coscos)uFG wwG cc12211221(sinsin)( sinsin)szFG wwG cc实质是实质是1kg1kg蒸汽的轮蒸汽的轮周功率周功率第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率 2222122112uWccww2112c2122c221212()wwuuWh 利用速度三角形的关系，利用速度三角形的关系，得得轮周功的意义轮周功的意义：由喷嘴带进动叶的蒸汽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。蒸汽离开动叶所带走的动能。 对于冲动级

38、，由于动叶转折较大，所对于冲动级，由于动叶转折较大，所以以1 1和和2 2较小，做功能力较大；而对于较小，做功能力较大；而对于反动级，由于动叶转折较冲动级小，反动级，由于动叶转折较冲动级小，所以所以1 1和和2 2较大，做功能力较小较大，做功能力较小第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率二、轮周效率二、轮周效率1kg1kg蒸汽所作出的轮周功蒸汽所作出的轮周功WuWu与蒸汽在该级所消与蒸汽在该级所消耗的理想能量耗的理想能量E0E0之比称为级的轮周效率之比称为级的轮周效率. .余速利用系数余速利用系数 -本级余速被下级所利用的份额。本级余速被下级所利用的份额。E E0 0的计算

39、式中：的计算式中：022020112cttccEhhhh 轮周效率轮周效率u u 余速利用系数余速利用系数0 0 表示本级利用上一级余速动能的份额表示本级利用上一级余速动能的份额1 1 表示本级余速动能被下一级利用的份额表示本级余速动能被下一级利用的份额多级汽轮机中，本级多级汽轮机中，本级余速动能可被下一余速动能可被下一级部分或全部利级部分或全部利用用,表示其利用表示其利用程度程度本级喷嘴进口的初动能本级喷嘴进口的初动能hc0= 0(hc2)abv, (hc2)abv上一级的余速动上一级的余速动能能; 第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率同理本级的余速损失中同理本级的余速

40、损失中1 1hchc2 2部分是下一级喷嘴的进口部分是下一级喷嘴的进口初速动能，这部分能量将算到下一级，因此，如果不扣去初速动能，这部分能量将算到下一级，因此，如果不扣去1 1hchc2 2，那么，那么1 1hchc2 2将既算在本级理想能量将既算在本级理想能量E E0 0内，又算内，又算在下级的在下级的E E0 0内，这就重复了。内，这就重复了。 一般地，调节级和排汽级的一般地，调节级和排汽级的为零为零, , 抽汽级为抽汽级为0.00.00.50.5，中间级为中间级为1.01.0余速利用系数余速利用系数的大小将影响到下一级的滞止状态的大小将影响到下一级的滞止状态点。点。轮周效率轮周效率u u

41、计算公式的不同形式计算公式的不同形式 定义式定义式0uuwE第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率 速度式：速度式：1122221 22 (coscos)uau cccc02atch式中：式中：c ca a为级的假想理想速度，即假定级的滞止理想为级的假想理想速度，即假定级的滞止理想焓降全部在喷嘴中等比熵膨胀所获得的理想速度。焓降全部在喷嘴中等比熵膨胀所获得的理想速度。 能量平衡方式能量平衡方式 能损分析式：用来分析各种轮周损失所占比例较能损分析式：用来分析各种轮周损失所占比例较为方便为方便200tnbcuhhhhE22201101(1)cnbcunbcEhhhhE 第三节第

42、三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率式中：式中：n n喷嘴损失系数，喷嘴损失系数， n n=h=hn n/E/E0 0 b b动叶损失系数，动叶损失系数， b b=h=hb b/E/E0 0 c2c2余速损失系数，余速损失系数， c2c2=h=hc2c2/E/E0 0结结 论论以速度形式表示的以速度形式表示的u u计算公式，一般用来分析级的轮周计算公式，一般用来分析级的轮周效率与速比之间的关系；而以损失系数表示的效率与速比之间的关系；而以损失系数表示的u u计算公计算公式，用来分析各种轮周损失所占比例时较为方便；在进式，用来分析各种轮周损失所占比例时较为方便；在进行级的热力计算时

43、，可用来互相校核。行级的热力计算时，可用来互相校核。轮周效率取决于三项损失系数轮周效率取决于三项损失系数n、b和和c2， 在喷嘴和动叶在喷嘴和动叶叶型选定后，叶型选定后，和和就基本上确定了，影响轮周效率就基本上确定了，影响轮周效率u的主要因素是余速损失系数的主要因素是余速损失系数c2，因此，应减少动叶出口，因此，应减少动叶出口的绝对速度的绝对速度c2，同时提高余速利用系数。，同时提高余速利用系数。第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率三、轮周效率与记级的比的关系三、轮周效率与记级的比的关系级的速比级的速比假想速比假想速比-即轮周速度与级假想速度之比即轮周速度与级假想速度之比

44、, ,级假想速度级假想速度-假想假想 在喷嘴中等熵膨胀时得到的出口在喷嘴中等熵膨胀时得到的出口速度速度最佳速比最佳速比-对应最高轮周效率的速比对应最高轮周效率的速比. .11uxcaauxc0th202atch 02atch即即以假想动能的形式表示整以假想动能的形式表示整级滞止理想比焓降级滞止理想比焓降最佳假想速比最佳假想速比-对应最高轮周效率的假想速比对应最高轮周效率的假想速比. .1opx0apx第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率1.1.纯冲动级最佳速比纯冲动级最佳速比在纯冲动级中，在纯冲动级中，2122110,mttatwwwww cc 所以即21假设不利用上一级

45、余速，本级余速也不被下一级利用，假设不利用上一级余速，本级余速也不被下一级利用，于是于是0100,tnEhh 从而有0101122112222112112112 (coscos)2 (coscos)cos2cos(1)cosutttu ccu wwccuwc 由速度三角形知由速度三角形知11111111coscos;,tuwcuccxc另外第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率221111cos2(cos)(1)cosuxax分析：分析：影响影响u u的因素有的因素有x x1 1,1 1,1 1,2 2, ,但在一般情况下，但在一般情况下，,1 1,1 1,2 2的值只在很

46、小范围内变化，所以对的值只在很小范围内变化，所以对u u影响最大的因素是影响最大的因素是x x1 1。将以上关系代入，得：将以上关系代入，得：和越大，轮周效率越高，因此应尽量改善叶栅的气动越大，轮周效率越高，因此应尽量改善叶栅的气动特性以提高速度系数特性以提高速度系数适当减小适当减小 和和 也可以提高轮周效率，但过分减小也可以提高轮周效率，但过分减小 和和 ，由于汽道的弯曲程度增大，流动恶化，使轮周效率降低。由于汽道的弯曲程度增大，流动恶化，使轮周效率降低。第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率1a21a212 和 、 和叶型一经选定叶型一经选定便基本确定便基本确定轮周效率

47、只随速比的变化而变化轮周效率只随速比的变化而变化当当x x1 1=0=0，u=0u=0，说明叶轮不动，没有做功，故，说明叶轮不动，没有做功，故u u =0 =0。当当x x1 1=cos=cos1 1时，时，u=cu=c1 1coscos1 1，此时，此时1 1=90=90=2 2 ，说明，说明w w1 1和和w w2 2在轮周方向的分速度为在轮周方向的分速度为0 0，即作用在动叶栅的轮周力，即作用在动叶栅的轮周力为为0 0，故此时也未做功，故此时也未做功，u u =0 =0。当当0 0 x x1 1coscos1 1时，函数是连续的，且时，函数是连续的，且u u0 0；则在此区；则在此区间必

48、存在一个速比间必存在一个速比x x1 1使轮周效率达最大，该速比即为最佳使轮周效率达最大，该速比即为最佳速比。速比。221111cos2(cos)(1)cosuxax221111cos2(1)(cos2 )0cosuxx第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率最佳速比可通过函数式求极值的方法得到最佳速比可通过函数式求极值的方法得到于是最佳速比于是最佳速比11cos()2opx02atch1()()1aopopmxx 为了实用上的方便，常用为了实用上的方便，常用aauxc代替代替1x11cos()()2aopopxx对纯冲动对纯冲动级级通用式：通用式：第三节第三节 级的轮周功率

49、和轮周效率级的轮周功率和轮周效率几何法分析最佳速比几何法分析最佳速比(x(x1 1) )opop的物理意义的物理意义2 2=90=90即轴向排汽时即轴向排汽时，余速损失，余速损失最小，轮周效率最大。最小，轮周效率最大。一般情况下一般情况下1 1 =10-16 =10-16，最末几级可增大到最末几级可增大到2020，故故(x(x1 1)op =0.47-0.49)op =0.47-0.4921221210,mttwwwww ww 所以即21c c2 2c c1 1w w1 1 =w=w2 2u uu u1 12 2u u2 2w w1 1 =w=w2 2c c2 21 1c c1 1u u1 1

50、c c2 2c c1 1w w1 1 =w=w2 2u uu u2 2若若1 1 =10-16=10-16，=0.97=0.97，则，则(x(xa a)op=0.456-0.476)op=0.456-0.476纯冲动级轮周效率曲线纯冲动级轮周效率曲线 第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率221212nch222212bwh2222cch第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率余速利用对最佳速比的影响余速利用对最佳速比的影响余速利用时，纯冲动级的轮周效率表示为：余速利用时，纯冲动级的轮周效率表示为：1122221 22 (coscos)uau cccc利用

51、速度三角形经代换得：利用速度三角形经代换得：12222112cos11121cosaauaaxxxx 1()cosaopxKK K22121111cosK 0uax令：令：10()aopx第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率a)a)增大了轮周效率；增大了轮周效率；22001tnbcutchhhhhh b)b)最佳速比附近轮周效率敏感最佳速比附近轮周效率敏感度下降，提高了适应工况变度下降，提高了适应工况变化的能力；设计时略微降低化的能力；设计时略微降低点效率可换取更大的作功能点效率可换取更大的作功能力力( (焓降焓降) )c)c)使速比使速比 向增大方向移动。向增大方向移动

52、。d)d)使轮周效率失去了相对于最高点的基本对称性使轮周效率失去了相对于最高点的基本对称性。例：当例：当=0.96=0.96、=0.90=0.90及及1 1=14=14时，对时，对 的纯冲动的纯冲动级，级， , , 时，时，11()0.585aopx()0.466aopx反动级叶栅汽道与速度三角形反动级叶栅汽道与速度三角形 第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率2.2.反动级最佳速比反动级最佳速比 反动级的特征反动级的特征对于典型反动级，喷嘴与动叶中的对于典型反动级，喷嘴与动叶中的比焓降相等，即反动度约为比焓降相等，即反动度约为0.50.5。为了制造方便，喷嘴与动叶采用同为

53、了制造方便，喷嘴与动叶采用同一叶型即一叶型即1 1= =2 2，=。反动级余速一般全部利用，即反动级余速一般全部利用，即0=1 1=1=1，在这些条件下，在这些条件下, ,则有则有1 1= =2 2 ，= =, c, c1 1=w=w2 2 ，c c0 0=w=w1 1=c=c2 2 ， 1 = 2 。反动级进出口速度三角反动级进出口速度三角形为全等三角形形为全等三角形22211112222012211121112cos11112cos11(2cos)uutWcwcuEcccc uuxx11()cosopx1212cos()2cos1a opx第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和

54、轮周效率用解析法可求反动级的轮周效率与速比的关系用解析法可求反动级的轮周效率与速比的关系:从而求得余速全部利用时从而求得余速全部利用时,反动级的最佳速比为反动级的最佳速比为:反动级的最佳假想速比：反动级的最佳假想速比：反动级的轮周效率在最大值反动级的轮周效率在最大值附近变化平稳，速比变化不附近变化平稳，速比变化不易引起效率明显下降（实用易引起效率明显下降（实用速比比理想速比要小为速比比理想速比要小为0.7，以增大级的焓降，减少级数以增大级的焓降，减少级数）；反动级最佳速比大于纯）；反动级最佳速比大于纯冲动级，在冲动级，在u相同时相同时,比纯冲比纯冲动级作功能力小，故级数要动级作功能力小，故级数

55、要多。多。反动级轮周效率与速比反动级轮周效率与速比x x1 1和和x xa a的关系的关系 第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率3.3.冲动级冲动级冲动级的反动度一般在冲动级的反动度一般在0.05-0.300.05-0.30之间之间, ,对于余速可被利对于余速可被利用的的冲动级用的的冲动级, ,根据速度三角形和这种级的特点根据速度三角形和这种级的特点, ,可推可推导出它轮周效率的表达式导出它轮周效率的表达式: :12222122(1coscos)1(2cos)amauaaxaxxx 由图可见由图可见, ,冲动级的最佳速比和反冲动级的最佳速比和反动度同向变化动度同向变化,

56、,且与余速的利用且与余速的利用程度有关程度有关, ,余速利用系数越小余速利用系数越小, ,最最佳速比随反动度而变化的程度越佳速比随反动度而变化的程度越剧烈。剧烈。最佳速比与反动度和余速利用系数最佳速比与反动度和余速利用系数之间的关系之间的关系第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率4.4.复速级复速级右图为复度级的速度三角形，右图为复度级的速度三角形，其上部为第一列动叶的进口、其上部为第一列动叶的进口、出口速度三角形，下部则为第出口速度三角形，下部则为第二列动叶的进口、出口速度三二列动叶的进口、出口速度三角形。角形。复速级的轮周功等于两列动叶复速级的轮周功等于两列动叶栅轮周功

57、之和栅轮周功之和: :为了分析复速级的最佳速比为了分析复速级的最佳速比, ,特特做如下简化做如下简化: : 1221120,mgb 因为复速级常单独做成因为复速级常单独做成单级汽轮机或多级汽轮机的调节级单级汽轮机或多级汽轮机的调节级, ,故余速利用系数故余速利用系数1 1=0=0uuuw =w +w 第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率复速级的速度三角形复速级的速度三角形复速级的轮周效率则为复速级的轮周效率则为 2111112018 (cos2 )8(cos2)uutWu cuxxEc18( cos2)uaaxx即111()cos414opxaop1于是同理(x ) =c

58、os第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率具有反动度的复速级的热力过程线具有反动度的复速级的热力过程线第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率为提高流动效率，为提高流动效率，复速级动叶和复速级动叶和导叶都采用少导叶都采用少量反动度，但量反动度，但复速级一般作复速级一般作调节级是部分调节级是部分进汽，反动度进汽，反动度过大会增大漏过大会增大漏汽损失，反动汽损失，反动度应适当。度应适当。 最佳速比与级的焓降（作功能力）最佳速比与级的焓降（作功能力） 由速比定义由速比定义 可知，在轮周速度一定时，速比越大，级的焓降就可知，在轮周速度一定时，速比越大，级的焓降就越

59、小。由此表明：越小。由此表明：在大致相等轮周速度下，反动级在大致相等轮周速度下，反动级的焓降小于冲动级。这样，反动式机组的整机级数的焓降小于冲动级。这样，反动式机组的整机级数明显多于冲动式机组。明显多于冲动式机组。 在相同的圆周速度在相同的圆周速度u u，喷嘴速度系数和喷嘴出口汽，喷嘴速度系数和喷嘴出口汽流角的条件下，各自的最佳速比下：流角的条件下，各自的最佳速比下：000():():()2:1:8ttthhh反动纯冲动复速1111amuxxc 220222atacuhx第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率 最佳速比 0 1 焓降 opx1ux 工 况 适应性 纯冲动 1

60、21cos 1cos61. 0 中 较小 较好 反动级 121cos 1cos 小 小 好 复速级 141cos 大 大 较差 最佳速比的基本特征最佳速比的基本特征第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率第三节第三节 级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率( (复习复习) )1.1.推导轮周效率的各种表达式，证明推导轮周效率的各种表达式，证明解释级的轮周效率，何为余速利用系数，分析余速利解释级的轮周效率，何为余速利用系数，分析余速利用系数对下级入口状态的影响。用系数对下级入口状态的影响。2.2.速比、最佳速比及假想速比的定义速比、最佳速比及假想速比的定义3.3.纯冲动级