《汽轮机原理》讲稿第01章

1、1汽轮机原理任课教师： 集美大学 机械工程学院热能方向 2011.22绪论绪论1 1 火电厂基本概念火电厂基本概念（一）能量转换过程（一）能量转换过程燃料化学能燃料化学能 蒸汽热能蒸汽热能 机械能机械能 电能电能（二）火电厂三大主机（二）火电厂三大主机 锅锅 炉：将燃料的化学能转变为蒸汽的热能炉：将燃料的化学能转变为蒸汽的热能 汽轮机：将锅炉生产蒸汽热能转化为转子旋转机械能汽轮机：将锅炉生产蒸汽热能转化为转子旋转机械能 发电机：将旋转机械能转化为电能发电机：将旋转机械能转化为电能 3B B：锅炉：锅炉S S：锅炉过热器：锅炉过热器T T：汽轮机：汽轮机C C：冷凝器：冷凝器P P：水泵：水泵S

2、TCPB火力发电厂示意图火力发电厂示意图TS1234 1 2 3 4 42 汽轮机的主要技术发展汽轮机的主要技术发展 采用大容量机组采用大容量机组 提高蒸汽初参数提高蒸汽初参数 普遍采用一次中间再热普遍采用一次中间再热 采用燃气采用燃气-蒸汽联合循环系统提高效率蒸汽联合循环系统提高效率 提高机组的运行水平提高机组的运行水平53 汽轮机制造工业汽轮机制造工业 美国美国 通用电气公司、西屋电气公司通用电气公司、西屋电气公司 日本日本 日立制作所、东芝电器会社、三菱重工株日立制作所、东芝电器会社、三菱重工株式会社式会社 瑞士瑞士 BBC公司公司 中国中国 哈尔滨汽轮机厂、上海汽轮机厂、东方汽哈尔滨汽

3、轮机厂、上海汽轮机厂、东方汽轮机厂、北京重型电机厂、青岛汽轮厂、武汉汽轮机厂、北京重型电机厂、青岛汽轮厂、武汉汽轮发电机厂、杭州汽轮机厂、南京汽轮发电机厂轮发电机厂、杭州汽轮机厂、南京汽轮发电机厂6动叶栅动叶栅7喷嘴叶栅喷嘴叶栅8910汽轮机冲动式汽轮机反动式汽轮机凝汽式汽轮机供热式汽轮机背压式汽轮机调节抽汽式汽轮机低压汽轮机中压汽轮机高压汽轮机超高压汽轮机亚临界压力汽轮机超临界压力汽轮机11按热力特性分类（即汽轮机型式） 凝汽式、中间再热式 背压式 调整抽汽式供热热用户热用户12按主蒸汽压力分类按主蒸汽压力分类低压汽轮机低压汽轮机 主蒸汽压力小于主蒸汽压力小于1.5MPa中压汽轮机中压汽轮机

4、 24MPa高压汽轮机高压汽轮机 610MPa超高压汽轮机超高压汽轮机 1214MPa亚临界汽轮机亚临界汽轮机 1618MPa超临界汽轮机超临界汽轮机 超过超过22.5MPa超超临界汽轮机超超临界汽轮机 超过超过32MPa 国产汽轮机型号国产汽轮机型号*汽轮机类型汽轮机类型/额定功率额定功率蒸汽参数蒸汽参数变型设计次序变型设计次序凝汽式凝汽式N,背压式背压式B,一次调节抽汽式一次调节抽汽式C,二次调节抽汽式二次调节抽汽式CC,抽汽背压式抽汽背压式CB,船用船用H,移动式移动式Y13汽轮机不同型号的参数表示汽轮机不同型号的参数表示凝汽式凝汽式 主蒸汽压力主蒸汽压力/主蒸汽温度主蒸汽温度 N50-

5、8.82/535中间再热式中间再热式 主蒸汽压力主蒸汽压力/主蒸汽温度主蒸汽温度/中间再热温度中间再热温度 N300-16.7/537/537 一次调节抽汽式一次调节抽汽式 主蒸汽压力主蒸汽压力/调节抽汽压力调节抽汽压力 二次调节抽汽式二次调节抽汽式 主蒸汽压力主蒸汽压力/ 高压抽汽压力高压抽汽压力/低压抽汽压力低压抽汽压力 背压式背压式 主蒸汽压力主蒸汽压力/背压背压 抽汽背压式抽汽背压式 主蒸汽压力主蒸汽压力/抽汽压力抽汽压力/背压背压14汽轮机还可以按汽缸数目分类汽轮机还可以按汽缸数目分类300MW 亚临界亚临界 16.18/550/550 16.18/535/535 16.67/537

6、/537 16.67/538/538600MW 超临界超临界100MW 高压高压 有单缸单排汽、六级回热和有单缸单排汽、六级回热和 双缸双排汽、七双缸双排汽、七级回热级回热200MW 超高压超高压 三缸三排汽、三缸双排汽三缸三排汽、三缸双排汽 均为八级回热均为八级回热15 一一 汽汽 轮轮 机机 的的 级级 、级内能量转换过程、级内能量转换过程 ：静叶栅静叶栅 动叶栅动叶栅是汽轮机作功的最小单元。是汽轮机作功的最小单元。16： 具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在喷嘴叶栅通道中得到膨胀加速，将蒸汽的热能转化先在喷嘴叶栅通道中得到膨胀加速，

7、将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。高速汽流的动能转变为旋转机械能。 1718当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被称为离心力作用于叶片上，被称为冲动力冲动力。这时蒸汽在汽轮。这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于蒸汽进、出动叶通道时其动能机的级

8、所作的机械功等于蒸汽进、出动叶通道时其动能的变化量。而这种级称为冲动级。的变化量。而这种级称为冲动级。19：当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向，同时还要向，同时还要膨胀加速膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动，前者会对叶片产生一个冲动力，后力，后 者会对叶片产生一个反作用力，即者会对叶片产生一个反作用力，即反动力反动力。蒸。蒸汽通过这种级，两种力同时作功。通常称这种级为反汽通过这种级，两种力同时作功。通常称这种级为反动级。动级。20二二 ， 反反 动动 度度bnbtbmhhhhh*)1 (tmnhh*tmbhh级的热力过程线级的热力过程线反动度表示级中反动

9、力所占比例，即蒸汽在动叶中膨胀程度的大小。反动度表示级中反动力所占比例，即蒸汽在动叶中膨胀程度的大小。21 三 ， 冲 动 级 和 反 动 级 冲冲 动动 级级 有有 三三 种种 不不 同同 的的 形形 式式 ： ： 通常把反动度通常把反动度 等于零的级称为纯冲动级。对等于零的级称为纯冲动级。对于纯冲动级来说，于纯冲动级来说， p1 =p2、h hb b= 0 、hn* =ht* ，蒸汽流，蒸汽流出动叶的速度出动叶的速度C ,具有一定的动能具有一定的动能 C未被利用而损失，称这种未被利用而损失，称这种损失为余速损失，用损失为余速损失，用h hc2c2 表示。表示。 为了提高级的效率，通常，冲动

10、级也带有一定的反动度为了提高级的效率，通常，冲动级也带有一定的反动度（ = 0.05 0.20 ) 、p1 p2、 hn* hb ，这种级称为，这种级称为带反动度的冲动级，它具有作功能力大、效率高的特点。带反动度的冲动级，它具有作功能力大、效率高的特点。 22 由一组静叶栅和安装在由一组静叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅同一叶轮上的两列动叶栅及一组介及一组介于第一、二列动叶栅之间、固定在汽缸上的于第一、二列动叶栅之间、固定在汽缸上的导向叶栅导向叶栅所组成的所组成的级，称为复速级。第一列动叶栅通道流出汽流，其流速还相当级，称为复速级。第一列动叶栅通道流出汽流，其流速还相当大，为了利用这一部分动

11、能，在第一列动叶栅之后装上一列导大，为了利用这一部分动能，在第一列动叶栅之后装上一列导向叶栅以改变汽流的方向，使之顺利进入第二列动叶栅通道继向叶栅以改变汽流的方向，使之顺利进入第二列动叶栅通道继续作功。复速级也采用一定的反动度。复速级具有作功能力大续作功。复速级也采用一定的反动度。复速级具有作功能力大的特点。的特点。 通常把反动度通常把反动度 = 0.5的级称为反动级。对于反动级来说，的级称为反动级。对于反动级来说， 蒸汽在静叶和动叶通道的膨胀程度相同，即是蒸汽在静叶和动叶通道的膨胀程度相同，即是p1p2， 。反动级是在冲动力和反动力同时作用下作反动级是在冲动力和反动力同时作用下作功功。反动级

12、的效率比冲动级高，但作功能力小。反动级的效率比冲动级高，但作功能力小。 *21*tnbhhh23第二节第二节 汽轮机级内能量转换过程汽轮机级内能量转换过程一一 ， 基基 本本 假假 设设 和和 基基 本本 方方 程程 式式 流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性、非连续性和不稳定的三元流动的实际流体。为了研究方便，特作如下假设假设： 1蒸汽在叶栅通道的流动是稳定流动：即在流动过程中，通道中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变。 2蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时，其参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上不变化。 3蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时

13、与外界没有热交换。 24 基本方程式. constvcAAcGWchqch22211200RTp.constpkdp-cdc x1cdcdRdpacM pka25 喷嘴的作用是让蒸汽在其通道中流动时得到膨胀加速，喷嘴的作用是让蒸汽在其通道中流动时得到膨胀加速，将热能转变为动能。喷嘴是固定不动的，蒸汽流过时，将热能转变为动能。喷嘴是固定不动的，蒸汽流过时，不对不对外作功，外作功，W = 0；同时与外界；同时与外界无热交换无热交换，q = 0。则根据能量。则根据能量方程式方程式 ，则，则 对于过热蒸汽，可近似看做理想气体，则上式可写成：对于过热蒸汽，可近似看做理想气体，则上式可写成： 211200

14、2121ttChCh）1100102021(1)(2111ppkkhhCCpRTTchttp26 1，喷嘴出口的汽流理想速度，喷嘴出口的汽流理想速度 在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数 p(初速）是已初速）是已知的条件。按等熵过程膨胀，其过程曲线如图所示，则知的条件。按等熵过程膨胀，其过程曲线如图所示，则喷嘴喷嘴出口理想速度出口理想速度为为 或者为或者为 上二式中，上二式中， c1t -蒸汽流出喷嘴出口的理想速度蒸汽流出喷嘴出口的理想速度(m / s )； h1t - 蒸汽按等熵过程膨胀的终态焓蒸汽按等熵过程膨胀的终态焓(J/kq )。 20101)(2chh

15、ctt20101001112cpppkkckkt27图中，图中， 称为喷嘴的理想焓降。为了方便，称为喷嘴的理想焓降。为了方便，引用滞止参数，如图所示，滞止焓值为：引用滞止参数，如图所示，滞止焓值为： 把相应的滞止参数把相应的滞止参数 分别代入，分别代入，则则 00200*021chhChh*12nthc)(1 121*010*01kktpppkkctnhhh10*0*0*0hp、28 实际流动是有损失的，汽流实际速度小于汽流理想速度。通常用喷嘴速实际流动是有损失的，汽流实际速度小于汽流理想速度。通常用喷嘴速度系数度系数 来考查两者之间的差别（通常取来考查两者之间的差别（通常取 = 0.97 )

16、。这样，喷嘴出口实际速。这样，喷嘴出口实际速度为度为 蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称为喷嘴损失，用的损失称为喷嘴损失，用h hn n 表表 示示 ： 喷嘴损失与喷嘴滞止理想焓降之比称为喷嘴损失与喷嘴滞止理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数喷嘴能量损失系数，用，用n 表示：表示： tcc11*22212121)1 ()1 (2121(21nttnhCCCh）)1 (2*nnnhh29 1，临界速度，临界速度 在膨胀过程中，到某一截面会出现汽流速度等于在膨胀过程中，到某一截面会出现汽流速度等于当地音速当地音速。当汽流速。当汽流速度等于当地音速时，则称此时的流动状态为度

17、等于当地音速时，则称此时的流动状态为临界状态临界状态。这时的参数为。这时的参数为临界参临界参数数，用，用 等表示。则等表示。则临界速度临界速度为：为： crcrcrcp、)(1 /121*00*0kkcrcrpppkkc结合结合)(1 /12/1*00*0kkcrcrcrcrpppkkpc30 根据根据 ,临界压力为：临界压力为： 对于等熵膨胀过程来说，有对于等熵膨胀过程来说，有 ，则上式为，则上式为 上式表明，临界压力只与上式表明，临界压力只与蒸汽指数蒸汽指数k和和初压初压有关。临界压力与初压之比称有关。临界压力与初压之比称为为临界压力比临界压力比，用用 表示：表示： 对于对于过热蒸汽过热蒸

18、汽（k=1.3)则则对于对于饱和蒸汽饱和蒸汽（k =1.135 )则则 0*0)12(crcrpkpkcrcrpp1*00)(1*0)12(kkcrkppcr1*0)12(kkcrcrkpp577. 0cr546. 0cr31 压力、焓降、截面积、汽流速度、音速、比容沿流动的变化规律压力、焓降、截面积、汽流速度、音速、比容沿流动的变化规律32(1)当汽流速度小于音速当汽流速度小于音速，即，即M0，则必须则必须dA/dx1时，若要使汽流能继续加速，即时，若要使汽流能继续加速，即dc/dx0，则必须则必须dA/dx0，也就是说喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐增加，即做成渐，也就是说喷嘴截面积必须沿流动

19、方向逐渐增加，即做成渐扩喷嘴。扩喷嘴。 (3)当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即，即M=1，这时，这时，dA/dx =0。表明横截面表明横截面A不变化，即不变化，即A达到最少值。达到最少值。根据上述分析可知，简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了达到超根据上述分析可知，简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了达到超音速，除了喷嘴出口蒸汽压力必须小于临界压力外，还必须在喷嘴形状上音速，除了喷嘴出口蒸汽压力必须小于临界压力外，还必须在喷嘴形状上加以保证，即作成加以保证，即作成缩放喷嘴缩放喷嘴。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴喉部正好。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴

20、喉部正好达到达到音速音速，然后在渐扩部分达到，然后在渐扩部分达到超音速超音速。dxdccMdxdAA1) 1(1233 1，喷嘴的理想流量，喷嘴的理想流量Gt 计算计算 喷嘴的理想流量喷嘴的理想流量Gt可用下式计算可用下式计算: 式中，式中， An - 喷嘴出口处截面积喷嘴出口处截面积(m) ; C1t- 喷嘴出口处理想汽流速度喷嘴出口处理想汽流速度(m/s) ; 1t -喷嘴出口处比容喷嘴出口处比容( m/kq) 。 若用若用(2-12a)表示，又有表示，又有 , 则上式为则上式为 称称 为喷嘴后压力与喷嘴前滞止压力比。为喷嘴后压力与喷嘴前滞止压力比。 ttntcAG11kpp1*010t

21、1)()(1212001kknknnpkkAG01ppn342，喷嘴流量曲线，喷嘴流量曲线 对于上面公式，当喷嘴前的参数对于上面公式，当喷嘴前的参数 和喷嘴出口截面积和喷嘴出口截面积 An一定时，通过喷嘴的流量一定时，通过喷嘴的流量Gt只取决于喷嘴前后压力比。它们的关系如图只取决于喷嘴前后压力比。它们的关系如图中中ABC曲线所示。当压力比从曲线所示。当压力比从1逐渐缩小时，逐渐缩小时，流量逐渐增加，当喷嘴前后压力比等于临流量逐渐增加，当喷嘴前后压力比等于临*0*0、p0*00*011t)12(pApkkAGnkkncr界压力比（界压力比（n=cr) ， Gt 达最大值，如达最大值，如B所示。这

22、时的流量称为临界流量，所示。这时的流量称为临界流量，用用Gtcr 表示。当喷嘴前后压力比小于临界压力比时，流量保持最大值表示。当喷嘴前后压力比小于临界压力比时，流量保持最大值不变，如不变，如AB所示。其临界流量为：所示。其临界流量为： 式中，式中， 只与只与k值有关。对于值有关。对于过热蒸汽过热蒸汽（k=1.3), =0.667；饱和蒸汽饱和蒸汽（k=1.135) , =0.635。353，通过喷嘴的实际流量的计算，通过喷嘴的实际流量的计算 通过喷嘴的实际流量为：通过喷嘴的实际流量为： 式中，式中， 称为称为喷嘴流量系数喷嘴流量系数。对于。对于过热蒸汽过热蒸汽，取，取0.97；对于；对于饱和蒸

23、饱和蒸汽汽，取，取1.02。 考虑了流量系数之后，通过喷嘴的实际流量为：考虑了流量系数之后，通过喷嘴的实际流量为： 对于对于过热蒸汽： 对于对于饱和蒸汽： 另外还可以用单一的计算公式表示：另外还可以用单一的计算公式表示： 其中，其中， 称为称为彭台们系数彭台们系数。对于。对于， w1 。这样，。这样，汽流从动叶通道中流出的绝对速度的大小和方向可以从图解得到。汽流从动叶通道中流出的绝对速度的大小和方向可以从图解得到。 可用下可用下式求得：式求得： 为了方便，通常将动叶进出口速度三角形绘制成一起。为了方便，通常将动叶进出口速度三角形绘制成一起。 112211cos2ucucwuccWc111111

24、11cossinarctansinarcsin222222cos2uWuWcuWW22222cossinarcsin403，动叶出口汽流相对速度，动叶出口汽流相对速度 通过动叶通道的能量方程式可得到动叶出口汽流相对理想速度为：通过动叶通道的能量方程式可得到动叶出口汽流相对理想速度为： 结合图，焓降结合图，焓降 称为称为动叶栅理想焓降动叶栅理想焓降， 这样，这样， 其中，其中， , 称为称为动叶的滞止理想焓降动叶的滞止理想焓降。 由于通过动叶的流动是有损失的，为了说明由于通过动叶的流动是有损失的，为了说明问题问题 引用动叶速度系数引用动叶速度系数 。这样，。这样，动叶出口的动叶出口的实际相对速度

25、实际相对速度为为21212)(2whhwtttbhhh21*tbhh*21*222btmthwhw121*21wbbbhhWhh*222bthww41 动叶损失就是蒸汽通过动叶的能量损失，由于动叶损失的存在，动叶损失就是蒸汽通过动叶的能量损失，由于动叶损失的存在， 使动叶出口的焓值由使动叶出口的焓值由h2t升为升为h2 ，则动叶损失为：，则动叶损失为： 动叶损失动叶损失 之比成为动叶栅的能量损失系数，即之比成为动叶栅的能量损失系数，即 在计算时，在计算时， 通常取通常取 = 0.850.95。 *22222)1 ()(21btbhWWhbbhh 与2*1bbbhh42（二）蒸汽对动叶的作用力及

26、轮周功（二）蒸汽对动叶的作用力及轮周功 为求取蒸汽在动叶作功大小，必先求取蒸汽为求取蒸汽在动叶作功大小，必先求取蒸汽对动叶栅的作用力。对动叶栅的作用力。 1，蒸汽对动叶片的作用力，蒸汽对动叶片的作用力 蒸汽在动叶通道中要改变方向、或者还要蒸汽在动叶通道中要改变方向、或者还要膨胀加速，其对动叶片的作用力可用下式进行计算：膨胀加速，其对动叶片的作用力可用下式进行计算： 圆周分力圆周分力 或者或者 轴向分力轴向分力 或者或者 合力合力 以上各式中，以上各式中， G-单位时间内流过动叶栅的流量；单位时间内流过动叶栅的流量； AZ -动叶通道轴向投影面积。动叶通道轴向投影面积。 )coscos(2211

27、WWGFu)coscos(2211CCGFu)()sinsin(212211PPAWWGFzz)()sinsin(212211PPAccGFzz220zuFFF43 2，轮周功和轮周功率，轮周功和轮周功率 蒸汽通过汽轮机的级在动叶片上所作的有效机械功称为轮周功。蒸汽通过汽轮机的级在动叶片上所作的有效机械功称为轮周功。而单位时间内作出的轮周功称为轮周功率。轮周功率为圆周分力而单位时间内作出的轮周功称为轮周功率。轮周功率为圆周分力和圆周速度的乘积：和圆周速度的乘积： 或者，或者， (J / s ) 用用G除以上二式，得到每除以上二式，得到每1kq蒸汽所作出的轮周功。比功表示作功蒸汽所作出的轮周功。

28、比功表示作功能力，用能力，用 表示：表示： 或者，或者， 结合速度三角形和余弦定理，轮周功还可以用下式表示：结合速度三角形和余弦定理，轮周功还可以用下式表示： ( J / k q ) )coscos(*2211CCuGuFNuu)coscos(2211wwGuNu)coscos(22111ccuWu1uW)coscos(22111wwuWu)()(21212222211wwccWu445、余速损失、余速损失由速度三角形可知，蒸汽在动叶栅中作功之后，最后以绝对速度由速度三角形可知，蒸汽在动叶栅中作功之后，最后以绝对速度 c2 离开动离开动叶，其具有的动能称为叶，其具有的动能称为余速损失：余速损失

29、： 在多级汽轮机中，余速损失可以被下一级所利用，其利用程度可用在多级汽轮机中，余速损失可以被下一级所利用，其利用程度可用余速利余速利用系数用系数 表示，表示， =01之间。之间。 22221Chc)(22200cbntuhhhhch考虑了喷嘴损失、动叶损失和余速考虑了喷嘴损失、动叶损失和余速损失之后，汽轮机的级在损失之后，汽轮机的级在h - s图上图上的过程曲线如图的过程曲线如图1-21所示。图中，所示。图中， 称为称为级的轮周有效焓降：级的轮周有效焓降： 45作业与思考题作业与思考题1、已知机组某级级前压力 =1.85MPa ，温度 =340 ；级后蒸汽压力为 =1.5MPa 。级的反动度

30、=0.12 。喷嘴出汽角 =11.1度 ，动叶出汽角 =18.3 度 。若级的速度比 =0.54，喷嘴速度系数 =0.97 ，进入喷嘴的初速度 =52.3m/s ，试计算动叶出口相对速度 及绝对速度 ，并绘制动叶进出口速度三角形(标出速度、角的符号和数值）。2、已知汽轮机的第三级前压力 =5.13MPa ，温度 =467.5 ；级后蒸汽压力为 =4.37MPa 。进口初速动能 = 1.214 kJ/kg，级的平均直径 =998.5 mm，级的反动度为 = 0.0794 。喷嘴出汽角 =10.78 度 ，动叶出汽角 =17.9度。喷嘴和动叶的速度系数分别为 =0.97、 =0.935 ，机组转速

31、n = 3000r/m。试绘制动叶进出口速度三角形(标出速度、角的符号和数值）。 3、分析喷嘴截面积的变化规律。4、分析蒸汽在喷嘴斜切部分的流动规律。0p0tC0m1211cux 0c2w2c2p4p0t2p0chmdm120461-3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比 蒸汽在级内所具有的理想能量不能百分之百地转变为轮蒸汽在级内所具有的理想能量不能百分之百地转变为轮周功，存在着损失。为了描述蒸汽在汽轮机级内能量转换的完周功，存在着损失。为了描述蒸汽在汽轮机级内能量转换的完善程度，通常用各种不同的效率来加以说明善程度，通常用各种不同的效率来加以说明。 一，轮周效率与速度比 1 1，轮周效率，轮周效

32、率：蒸汽在汽轮机级内所作出轮周功蒸汽在汽轮机级内所作出轮周功 与它在级内所与它在级内所具有的理想能量具有的理想能量 之比称为级的轮周效率之比称为级的轮周效率,即即 2 2，级的理想能量，级的理想能量：一般来说，级的理想能量是级的理想焓降、一般来说，级的理想能量是级的理想焓降、进入本级的动能和本级余速动能被下一级所利用部分的代数进入本级的动能和本级余速动能被下一级所利用部分的代数和，即和，即 001EhEWuuu0E1uW21*221200022ctthhchcE473 3，级的理想速度，级的理想速度：为了研究方便，这里引入一个级的理想速为了研究方便，这里引入一个级的理想速度度 ,定义：定义：4

33、 4，级的轮周效率，级的轮周效率：或者 式中，式中， 分别为喷嘴损失、动叶损失和余速损失与分别为喷嘴损失、动叶损失和余速损失与级的理想能量之比级的理想能量之比，称其为喷嘴、动叶和余速称其为喷嘴、动叶和余速能量损失系数。 bntahhhC*221aC22122211)coscos(2CCCCuau21)1 (1cbnu2cbn、485 5，速度比：，速度比：从式（从式（1-80)可以看到，为了提高可以看到，为了提高 级的轮周效率，则要求减少级的轮周效率，则要求减少喷嘴损失、动叶损失和余速损失。其中，前二项损失与相应的速度系数喷嘴损失、动叶损失和余速损失。其中，前二项损失与相应的速度系数 、 有关

34、。如果选定了动静叶栅的叶型，有关。如果选定了动静叶栅的叶型， 则系数则系数 、 就确定了。这样，为了就确定了。这样，为了提高轮周效率，就得尽量减少余速损失。而余速损失提高轮周效率，就得尽量减少余速损失。而余速损失 ，很显然，很显然c2不可能为不可能为零。这里从动叶进出口速度三角形上来分析。为了说明问题，把动叶进出零。这里从动叶进出口速度三角形上来分析。为了说明问题，把动叶进出口速度三角形画成图口速度三角形画成图1-22的形式。其中，图的形式。其中，图b,动叶出口速度动叶出口速度c2刚好为轴向刚好为轴向排汽，其余速损失最少。只要排汽，其余速损失最少。只要u/c1 选用合理，就能达到轴向排汽的目的

35、。选用合理，就能达到轴向排汽的目的。而图而图a、c中的中的u/c1都不可能使都不可能使c2 轴向排汽，也就不可能使余速损失最小。轴向排汽，也就不可能使余速损失最小。这样，使这样，使 c2 达到轴向排汽的速度比达到轴向排汽的速度比u/ c1 称为最佳速度比，用称为最佳速度比，用 表示。表示。级的速度比通常用字母级的速度比通常用字母 表示。它是汽轮机级的一个很重表示。它是汽轮机级的一个很重要的特性。速度比的取值直接影响汽轮机的效率和作功能力。对于不同型要的特性。速度比的取值直接影响汽轮机的效率和作功能力。对于不同型式的级，其最佳速度比是不相同的。式的级，其最佳速度比是不相同的。 opx )(1aa

36、cuxcux或1149 （1）对于不考虑余速利用的纯冲动级： 其最佳速度比是： 或 一般来说，对于反动度不为零的冲动级， 0.48 0.52； 当考虑余速利用的中间级， 0.585左右。 （2）对于复速级对于复速级，其最佳速度比为： 通常，复速级的最佳速度比为： =0.20.28之间。（3）对于反动级对于反动级，其最佳速度比为： 若取 则 =0 .94。 11cos21)(opx1cos2)(opax.48. 045. 0),97. 0.49. 046. 0)16121001axx则（若取，因此，（opax )(11cos41)(opxopax )(opax )(11cos)(opx,20,9

37、3. 00111cos)(opx50作业与思考题作业与思考题：1、已知汽轮机某级前压力 =5.2MPa ，温度 =470 ；级后蒸汽压力为 =4.4MPa 。进口初速动能 = 1.2 kJ/kg，级的平均直径 =0.999 m， 级的速度比 =0.517，喷嘴出汽角 =10.8 ，动叶出汽角 =17.9 。喷嘴速度系数分别为 =0.97，机组转速n = 3000r/m。若排汽动能全部利用，试求级的有效焓降和轮周效率。2、已知单级汽轮机，级的平均直径 =106.7cm，转速n=3000r/s，喷嘴出汽角 =18 ，级的速度比 =0.42，喷嘴速度系数分别为 =0.96，动叶的速度系数 =0.84

38、 。又知动叶出汽角比进汽角小3 ，级的流量G=7.26kg/s，试求蒸汽作用在动叶片上的切向力 ，轮周功率 和轮周效率 ，并画出级的速度三角形。0p0tC02p0chmd11cux 1002md1011cux 0uFuNu511-4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定汽轮机级通流部分主要尺寸的确定一一 、 叶叶 栅栅 型型 式式 的的 选选 择择 52 1 1，喷嘴叶栅型式的选择，喷嘴叶栅型式的选择 喷嘴叶栅型式的选择主要决定于需要得到多大的出口速度。喷嘴叶栅型式的选择主要决定于需要得到多大的出口速度。可根据可根据喷嘴前后压力比喷嘴前后压力比n n 来确定：来确定： 当当需要得到小于或等于音速汽流

39、需要得到小于或等于音速汽流时，即时，即n n0.546，可选，可选用渐缩喷嘴。用渐缩喷嘴。 当当需要得到超音速需要得到超音速，即，即0.3n n0.5460.546，仍然可选用渐缩仍然可选用渐缩喷嘴，这时，可利用喷嘴斜切部分继续膨胀加速，以得到超喷嘴，这时，可利用喷嘴斜切部分继续膨胀加速，以得到超音速汽流。音速汽流。 当喷嘴前后压力比小于当喷嘴前后压力比小于n n0.3时，则必须选用缩放喷嘴。时，则必须选用缩放喷嘴。532 2，动叶栅型式的选择，动叶栅型式的选择 动叶栅型式的选择的方法和静叶栅相似。但动叶栅通道中动叶栅型式的选择的方法和静叶栅相似。但动叶栅通道中的流动多为亚音速流动的流动多为亚

40、音速流动,一般选用减缩喷嘴。根据动叶栅的各一般选用减缩喷嘴。根据动叶栅的各参数，根据速度三角形，计算参数，根据速度三角形，计算w1 ，查，查p1*；再根据压力比；再根据压力比 的值和临界压力比相比，判断是否超临界。的值和临界压力比相比，判断是否超临界。 *12ppb54二，喷嘴与动叶尺寸的确定 汽轮机热力设计的任务，除了确定级的效率、功率和蒸汽对叶片的作用力之汽轮机热力设计的任务，除了确定级的效率、功率和蒸汽对叶片的作用力之外，还必须选定动静叶片的型线、有关几何尺寸大小，主要确定出口面积和叶片外，还必须选定动静叶片的型线、有关几何尺寸大小，主要确定出口面积和叶片高度。高度。 （一）渐缩喷嘴（一

41、）渐缩喷嘴（1）当喷嘴前后压力比等于或大于临界）当喷嘴前后压力比等于或大于临界压力比时压力比时，喷嘴出口汽流速度小于或等，喷嘴出口汽流速度小于或等于临界速度。与喷嘴出口汽流速度于临界速度。与喷嘴出口汽流速度c1t 相相垂直的截面垂直的截面An为最小截面，如图其面积为最小截面，如图其面积为：为： ttnncGA11n55 若整级喷嘴个数若整级喷嘴个数zn ，每个汽道喉部面积为：，每个汽道喉部面积为： 则级的喷嘴出口总面积为：则级的喷嘴出口总面积为： 上式中，上式中，t n为为喷嘴节距喷嘴节距，Z n t n 为为安装有喷嘴的弧长安装有喷嘴的弧长。当级为当级为全周进汽全周进汽时，时， （ 为级的平

42、均直径）。为级的平均直径）。当级为当级为部分进汽部分进汽( e 1 ) 时，时， ( e 为部分进汽度）。为部分进汽度）。当考虑了部分进汽之后，则喷嘴叶高为：当考虑了部分进汽之后，则喷嘴叶高为： 1sinnnnntlla1sinnnnnltzA nnndtZndnnndetz1111sinsinnttnnnncdeGdeAl56 (2)当喷嘴前后压力比为当喷嘴前后压力比为： ，这时，仍然选用，这时，仍然选用渐缩喷嘴渐缩喷嘴, 是利用其斜切部分继续膨胀而得到超音速汽是利用其斜切部分继续膨胀而得到超音速汽流。这时喷嘴出口汽流角要发生偏转。喷嘴喉部截面积流。这时喷嘴出口汽流角要发生偏转。喷嘴喉部截面

43、积和叶高分别为：和叶高分别为： （二）（二） 缩缩 放放 喷喷 嘴嘴 当喷嘴前后压力比小于当喷嘴前后压力比小于0.3时时，则要采用缩放喷嘴。，则要采用缩放喷嘴。3 . 0ncr*0*0min648. 0)(pGAcrn1minsin)(nnndeAl 57（三） 动叶栅几何参数的确定 动叶栅几何参数的计算方法和静叶栅相似。但动叶栅通道动叶栅几何参数的计算方法和静叶栅相似。但动叶栅通道中的流动多为亚音速流动。动叶栅出口截面积和叶高可按下中的流动多为亚音速流动。动叶栅出口截面积和叶高可按下式计算式计算： 222sinbbttbbldewGA2sinbbbdeAl58三，喷嘴与动叶几个主要参数 的

44、选 定 （一）喷嘴出汽角（一）喷嘴出汽角 的选择的选择 通常，喷嘴出汽角通常，喷嘴出汽角 =1114； 复速级的喷嘴出汽角比单列级大一些，一般，复速级的喷嘴出汽角比单列级大一些，一般， 。另外，在。另外，在复速级中，要使通流部分光滑变化。为此，复速级必须适当地采用反动度复速级中，要使通流部分光滑变化。为此，复速级必须适当地采用反动度以满足通流部分光滑变化。复速级各列叶栅的出汽角可以在下列范围内选以满足通流部分光滑变化。复速级各列叶栅的出汽角可以在下列范围内选择择（二）（二）部分进汽度的选择：部分进汽度的选择：1，一般采用全周进汽（，一般采用全周进汽（e=1）；小型机采用部分进汽（）；小型机采用

45、部分进汽（e1）；）；2，调节级采用部分进汽（，调节级采用部分进汽（e1），分），分47组。组。（三）盖度的选择：通常要求动叶高度略大于喷嘴高度。：通常要求动叶高度略大于喷嘴高度。11011813)87()105()53(0 12021012，59（四）（四）冲动级内反动度的合理选用冲动级内反动度的合理选用： 纯冲动级具有作功能力大的特点，但其效率较低。当适当纯冲动级具有作功能力大的特点，但其效率较低。当适当地选用反动度之后，就可以达到提高效率的目的。这是因为，地选用反动度之后，就可以达到提高效率的目的。这是因为，采用适当的反动度，可以提高动叶的速度系数采用适当的反动度，可以提高动叶的速度系数

46、 ，以减小动叶，以减小动叶损失；也可以减小动叶根部轴向间隙中由于吸汽而产生的附加损失；也可以减小动叶根部轴向间隙中由于吸汽而产生的附加损失损失 。1，当根部反动度较大当根部反动度较大时时，则平均反动度会更大，会造成叶顶，则平均反动度会更大，会造成叶顶和平衡孔漏汽，因而产生损失；和平衡孔漏汽，因而产生损失；2，当根部反动度太小或者为负当根部反动度太小或者为负时时，会造成叶片根部吸汽，或，会造成叶片根部吸汽，或者使级后蒸汽通过平衡孔回到动叶前，造成损失；者使级后蒸汽通过平衡孔回到动叶前，造成损失；3，当根部反动度当根部反动度 = 0.03= 0.030.05 0.05 时时可以达到以上目的，同时可

47、以达到以上目的，同时也可以使动叶前后压力差不至太大以至造成大的叶顶漏汽损也可以使动叶前后压力差不至太大以至造成大的叶顶漏汽损失。失。 r60 在进行汽轮机热力设计时，通常是按级的平均直径处的在进行汽轮机热力设计时，通常是按级的平均直径处的平均反动度平均反动度进行进行计算的。但计算的。但级的反动度沿叶高是变化的级的反动度沿叶高是变化的，这样，平均反动度为：，这样，平均反动度为： 叶顶反动度叶顶反动度为为： )(1(1bbbrmdld )(1(1bbbbmtldld61 确确 定定 某某 一一 级级 的的 反反 动动 度度 ， 除除 了了 合合 理理 选选 用用 动动 静静 叶叶 栅栅 之之 叶叶

48、 型型 之之 外外 ， 主主 要要 是是 靠靠 通通 过过 一一 定定 的的 动动 静静 叶叶 栅栅 出出 口口 面面 积积 比比 ( f）来来 实实 现现 的的 。 即即 一一 定定 的的 反反 动动 度度 对对 应应 一一 定定 的的 动动 静静 叶叶 栅栅 出出 口口 面面 积积 比比 。动静动静 面面 积积 比比 随随 着着 反反 动动 度度 的的 增增 加加 而而 减减 小小 。 汽汽 轮轮 机机 中中 反反 动动 度度 与与 动动 静静 叶叶 栅栅 出出 口口 面面 积积 比比 的的 对对 应应 范范 围围 为为 ： 1 . 直直 叶叶 片片 级级 f = 1.86 - 1.65

49、. 2. 扭扭 叶叶 片片 级级 = 0.2 - 0.4 , f = 1.7 -1.4 . 3. 复复 速速 级级 复复 速速 级级 的的 反反 动动 度度 在在 = 0.030.08 范范 围围 内内 ， 则则 其其 面面 积积 比比 为为 ： ,20. 005. 0mmm).2 . 34( : )35. 26 . 2( : )45. 16 . 1 ( :1:21bgbbnffff62 16 汽轮机级内损失和级效率 前前 面面 提提 到到 的的 喷喷 嘴嘴 损损 失失 、 动动 叶叶 损损 失失 、 余余 速速 损损 失失 都都 是是 级级 内内 损损 失失 。 除除 此此 之之 外外 ，

50、级级 内内 损损 失失 还还 包包 括括 ：叶叶 高高 损损 失失 、扇扇 形形 损损 失失 、 叶叶 轮轮 摩摩 擦擦 损损 失失 、 部部 分分 进进 汽汽 损损 失失 、 漏漏 汽汽 损损 失失 、 湿湿 汽汽 损损 失失 。 当当 然然 ， 不不 是是 每每 一一 级都级都 同同 时时 具具 有有 这这 所所 有有 损损 失失 ， 而而 是是 根根 据据 具具 体体 情情 况况 分分 别别 分分 析析 计计 算算 其其 不不 同同 的的 损损 失失 。 如如 只只 有有 在在 部部 分分 进进 汽汽 的的 级级 才才 有有 部部 分分 进进 汽汽 损损 失失 ， 工工 作作 在在 湿湿

51、 蒸蒸 汽汽 区区 的的 级级 才才 有有 湿湿 汽汽 损损 失失 。 lhhfhehhxhbh2chnh63一一 ， 级级 内内 损损 失失1 1 ， 叶叶 高高 损损 失失 将将 喷喷 嘴嘴 和和 动动 叶叶 中中 与与 叶叶 高高 有有 关关 的的 损损 失失 称称 为为 级级 的的 叶叶 高高 损损 失失 或或 叫叫 端端 部部 损损 失失 。 当当 叶叶 片片 较较 短短 （ 一一 般般 说说 叶叶 高高 l 10 12 时时 ， 级级 应应 该该 采采 用用 等等 截截 面面 直直 叶叶 片片 。等。等 截截 面面 直直 叶叶 片片 的的 设设 计计 和和 加加 工工 都都 比比

52、较较 容容 易易 ， 但但 存存 在在 着着 扇扇 形形 损损 失失 ； 当当 10 的的 级级 ， 则则 应应 采采 用用 扭扭 叶叶 片片 。 h0Eh2)1(7 . 0bbld /65 3 3， 叶轮摩擦损失叶轮摩擦损失 fh由由 于于 蒸蒸 汽汽 粘粘 性性 ， 叶叶 轮轮 在在 汽汽 室室 中中 作作 高高 速速 旋旋 转转 时时 ， 存存 在在 着着 叶叶 轮轮 轮轮 面面 与与 蒸蒸 汽汽 及及 蒸蒸 汽汽 之之 间间 的的 相相 对对 运运 动动 而而 产产 生生 的的 摩摩 擦擦 。 克克 服服 摩摩 擦擦 和和 带带 动动 蒸蒸 汽汽 质质 点点 运运 动动 ， 就就 要要

53、 耗耗 功功 。 同同 时时 ， 靠靠 近近 叶叶 轮轮 轮轮 面面 侧侧 的的 蒸蒸 汽汽 质质 点点 随随 叶叶 轮轮 一一 起起 转转 动动 时时 ， 受受 到到 离离 心心 力作力作 用用 而而 产产 生生 径径 向向 运运 动动 。 这这 样样 ， 靠靠 近近 隔隔 板板 处处 的的 蒸蒸 汽汽 质质 点点 的的 旋旋 转转 速速 度度 小小 ， 自自 然然 要要 向向 旋旋 转转 中中 心心 处处 流流 动动 以以 保保 持持 蒸蒸 汽汽 的的 连连 续续 性性 。 于于 是是 ， 在在 叶叶 轮轮 两两 侧侧 的的 汽汽 室室 中中 就就 形形 成成 了了 涡涡 流流 运运 动动

54、 。 蒸蒸 汽汽 的的 涡涡 流流 运运 动动 要要 消消 耗耗 一一 部部 分分 轮轮 周周 功功 。66 叶叶 轮轮 摩摩 擦擦 损损 失失 可可 用用 以以 下下 经经 验验 公公 式式 计计 算算 ：式式 中中 ， k - 与与 蒸蒸 汽汽 性性 质质 有有 关关 ， 对对 于于 过过 热热 蒸蒸 汽汽 ， k = 1， 对对 于于 饱饱 和和 蒸蒸 汽汽 ， k = 1. 2 1. 3 ； d 、l、u - 级级 的的 平平 均均 直直 径径 、 叶叶 高高 、 圆圆 周周 速速 度度 ； v - 动动 叶叶 出出 口口 蒸蒸 汽汽 比比 容容 。 叶叶 轮轮 摩摩 擦擦 损损 失失

55、 也也 可可 用用 焓焓 降降 来来 表表 示示 ： vuldkNbbf1)100()(32113600DNhff67 4 4， 部分进汽损失部分进汽损失 eh采采 用用 部部 分分 进进 汽汽 ， 就就 产产 生生 了了 部部 分分 进进 汽汽 损损 失失 ， 由由 “ 鼓鼓 风风” 损损 失失 和和 “ 斥斥 汽汽 ” 损损 失失 两两 部部 分分 所所 组组 成成 的的 。 “ 鼓鼓 风风” 损损 失失 发发 生生 在在 没没 有有 喷喷 嘴嘴 叶叶 片片 的的 弧弧 段段 内内 。 动动 叶叶 通通 过过 这这 一一 弧弧 段段 时时 ， 要要 象象 鼓鼓 风风 机机 一一 样样 把把

56、 滞滞 留留 在在 这这 一一 弧弧 段段 内内 的的 蒸蒸 汽汽 鼓鼓 到到 出出 汽汽 边边 而而 耗耗 功功 。 “ 斥斥 汽汽 损损 失失 ” 发发 生生 在在 安安 装装 有有 喷喷 嘴嘴 叶叶 片片 的的 弧弧 段段 内内 。动。动 叶叶 片片 由由 进进 入入 时时 ， 动动 叶叶 通通 道道 中中 的的 蒸蒸 汽汽 要要 靠靠 工工 作作 区区 弧弧 段段 中中 喷喷 嘴嘴 喷喷 出出 的的 主主 流流 蒸蒸 汽汽 将其将其 吹吹 出出 ， 要要 消消 耗耗 轮轮 周周 功功 。另。另 外外 ， 由由 于叶于叶 轮轮 作作 高高 速速 旋旋 转转 ， 这这 样样 ， 在在 喷喷

57、 嘴嘴 出出 口口 端端 的的 A 点点 存存 在在 着着 漏漏 汽汽 ； 而而 在在 B 点点 又又 存存 在在 着着 抽抽 吸吸 作作 用用 ， 将将 一一 部部 分分 蒸蒸 汽汽 吸吸 入入 动动 叶叶 通通 道道 ， 干干 扰扰 主主 流流 ， 同同 样样 会会 引引 起起 损损 失失 。 这这 样样 就就 形形 成成 了了 斥斥 汽汽 损损 失失 。 68 总总 的的 部部 分分 进进 汽汽 损损 失失 由由 以以 上上 两两 部部 分分 所所 组组 成成 ， 即即 而而 上上 三三 式式 中中 ， e - 部部 分分 进进 汽汽 度度 ； swehhh30)5 . 01 (1ace

58、wXEeeeBhamngssXEdZeCh01 e - e = 1 - e ; E - 级级 的的 理理 想想 能能 量量 ； X - 级级 的的 速速 度度 比比 ； B - 系系 数数 ， 单单 列列 级级 ， B =0 . 15, 双双 列列 级级 ， B = 0 . 5 5 ; Z - 喷喷 嘴嘴 组组 数数 ； C - 经经 验验 系系 数数 ， 单单 列列 级级 ， C = 0 . 0 12 , 双双 列列 级级 ， C = 0.016 。ccacccngsss69 5 5 ， 漏漏 汽汽 损损 失失 h 在在 汽汽 轮轮 机机 中中 ， 由由 动动 静静 两两 部部 分分 所所

59、组组 成成 的的 级级 ， 有有 间间 隙隙 。 由由 于于 压压 差差 的的 作作 用用 ， 有有 间间 隙隙 存存 在在 ， 就会漏汽就会漏汽 如如 图图 所所 示示 。 在在 隔隔 板板 前前 后后 存存 在在 压压 差差 ， 又又 有有 隔隔 板板 间间 隙隙 。 就就 必必 然然 有有 一一 部部 分分 蒸蒸 汽汽 通通 过过 隔隔 板板 间间 隙隙 流流 到到 级级 后后 。 这这 部部 分分 蒸蒸 汽汽 不不 作作 功功 。 另另 外外 ， 漏漏 汽汽 不不 是是 从从 喷喷 嘴嘴 中中 以以 正正 确确 方方 向向 流流 入入 动动 叶叶 通通 道道 ， 它它 不不 但但 不不

60、 做做 功功 ， 反反 而而 要要 干干 扰扰 主主 流流 。 这这 样样 ， 就就 形形 成成 了了 隔隔 板板 漏漏 汽汽 损损 失失。 为为 了了 解解 决决 这这 一一 问问 题题 ， 要要 在在 叶叶 轮轮 盘盘 上上 开开 设设 平平 衡衡 孔孔 ， 以以 便便 让让 隔隔 板板 漏漏 汽汽 从从 平平 衡衡 孔孔 漏漏 出出 ， 而而 不不 干干 扰扰 主主 流流 。 另另 外外 ， 由由 于于 反反 动动 度度 的的 存存 在在 ， 动动 叶叶 前前 后后 有有 压压 力力 差差 。 必必 然然 有有 一一 部部 分分蒸蒸 汽汽 不不 通通 过过 动动 叶叶 通通 道道 而而