汽轮机 级工作原理(1)

1、东南大学能源与环境学院杨 建 明汽轮机原理教学内容与安排 以电站汽轮机为教学对象，计算汽轮机内蒸汽热能与转子旋转机械能的转换及结构参数，研究实现高效转换的影响因素与途径；分析汽轮机非设计工况下的运行特性、讨论影响凝汽器传热性能的因素和主要部件的强度；介绍汽轮机的控制原理和控制系统组成及特性。已知级初、终参数计算级产生的功率及所需的流量与叶片高度分配级的初、终参数，级以外的损失及轴向力平衡与汽封系统偏离设计工况时基于压力的流量、功率估算及安全经济性分析汽轮机乏汽的凝结与低背压的产生及其影响因素电站汽轮机的控制原理及控制系统汽轮机零部件的强度安全分析汽轮机原理教学内容与安排q难学吗？知识面广而分散

2、。定性、定量分析相结合，且定性分析为主。学时短，内容多。q能学好吗？世上无难事，只要肯努力。米卢名言：态度决定一切。q抓几个？由同学自己定！为消除不及格而团结奋斗!汽轮机原理教学内容与安排q参考书沈士一、庄贺庆、康松、庞立云合编 汽轮机原理，水利电力出版社，1992 康松主编汽轮机原理习题集，水利电力出版社，1988q考核作业 8%报告 3%课堂测验 4%期中 20% (2008年11月10 16日)期末 65% 创新奖励第一章汽轮机级的工作原理q研究内容已知级初、终参数时的能量转换和影响因素，以及实现转换所需的结构参数与最佳参数匹配。q研究方法先研究理想级的能量转换，然后考虑实际因素对理想级

3、作修正，得到实际级的能量转换。q教学内容第一讲 级内能量转换与轮周功输出；第二讲 轮周效率与最佳速比； 第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计；第四讲 级内损失与级相对内效率及其影响因素；第五讲 长扭叶片原理与现代设计。1.1 级工作的热力、流动分析与计算1.1.1 工作过程分析工作过程分析q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。动叶栅可为单列，也可为多列。第一讲 级内能量转换与轮周功输出0h2102c2h2122c22002211() ()22uWhchcq工作过程蒸汽在喷嘴(nozzle)中降压增速，热能转变为汽流动能；动叶(blade)中继续降压增速，由动量改变转换成转子的旋

4、转机械能。0c00,p t2c1c1p2p轮周功 单位质量蒸汽在单位时间内所做的功uW第一讲 级内的能量转换与轮周功输出2102cnhnhbhbhth0th2122cuW1p2p10p02t2hs1t1.1.2 级的热力过程线级的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v滞止参数汽流相对于叶栅通道速度为零的热力参数。v余速损失动叶排汽余速动能2122()c00第一讲 级内的能量转换与轮周功输出1.1.3 蒸汽膨胀与出口汽流速度蒸汽膨胀与出口汽流速度q计算方法热力学第一定律，先计算理想过程，后作实际修正。 q分析模型 一元流动平面叶栅模型 基本假设：基本假设：定物性、稳定、绝热、理

5、想气体、一元流动。基本方程：基本方程：理想气体状态方程 绝热等熵过程 气体的焓 音速 pvRTkpvconst11kkhpvRTkkakpvkRT第一讲 级内的能量转换与轮周功输出q喷嘴中的膨胀与出口流速理想过程等熵过程。能量平衡喷嘴出口理想流速 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202000111122tthchhc0000,p v010/ntpp100110000211kkttpkcp vkp00001,p tp00001,p tp2010010122tttcchhhh第一讲 级内的能量转换与轮周功输出实际过程 有损失的熵增。

6、工程中速度系数修正实际流速与等熵理想流速的偏差。定义： 喷嘴速度系数由此得喷嘴损失q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处的圆周速度11tcc2(1)nnhh1cu1wmd60md nu11cu w 1111第一讲 级内的能量转换与轮周功输出q动叶中膨胀与出口流速理想过程等熵过程。能量平衡(采用相对运动速度使动叶片静止,相当于在喷管中流动)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出口速度三角形与绝对速度202111221122tthwhhw2011121222tt

7、twwhhhh22tww2c2wu2222cu w 12第一讲 级内的能量转换与轮周功输出q级速度三角形动叶进、出口速度三角形q轮周功1.1.4 蒸汽动叶中的膨胀与级的分类蒸汽动叶中的膨胀与级的分类蒸汽在动叶中是否膨胀，决定于动叶通道的型线，也也就决定着汽流对动叶片是否产生反动功。q反动度描述蒸汽在动叶中膨胀的相对大小。1cu1w112c2wu2202122utnbWhhhc 第一讲 级内的能量转换与轮周功输出定义：动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比，即在计算中，反动度建立起喷嘴与动叶理想焓降间的关系。q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阻塞流变

8、工况时出现00bbmtnbhhhhh 0m 0.5m 0.050.3m 0m 14第一讲 级内的能量转换与轮周功输出2102cnhnhbhthuW12pp0p01(2 ) t21t2122c 动、静叶型线差异大 汽流进、出转角大1cu1w112c2w22u纯冲动级12pp0bh15第一讲 级内的能量转换与轮周功输出2102cnhnhbhbhth0th2122cuW1p2p10p02t21t1cu1w112c2wu22 动、静叶型线相似 汽流进、出转角小纯反动级16第一讲 级内的能量转换与轮周功输出1.1.5 速度系数的影响因素速度系数的影响因素q影响因素表面粗糙度表面越光洁，摩擦损失就越小型线

9、决定着流通内压力场、速度场分布冲动级动叶中汽流转角大、膨胀小，附面层易增厚和脱离反动级动叶中汽流转角小、膨胀大，附面层不易增厚q常用数值喷嘴一般为0.920.98，常取0.97动叶一般为0.850.95 ，正比于反动度，常取0.95第一讲 级内的能量转换与轮周功输出例：一电站汽轮机中某级，反动度为零，平均直径为1500mm，喷嘴进口蒸汽 ，喷嘴后 ，速度系数 。求（1）该级的速度三角形；（2）喷嘴损失、动叶损失、余速损失和轮周功。解：1.求滞止参数 由初压、初温，在h-s图确定喷嘴进口状态点“0”，得初焓 喷嘴进口动能喷嘴进口处滞止焓0008.4,490,50/pMPa tC cm s15.8

10、,pMPa03369.3/hkJ kg022031501.25/22 10chckJ kg1212 ,200.97,0.95 00003369.3 1.253370.55/chhhkJ kg第一讲 级内的能量转换与轮周功输出在h-s图上，由“0”垂直向上求得 2.求喷嘴出口汽流速度 在h-s图上“0”等熵向下至 得喷嘴后理想焓值 则喷嘴中理想焓降 喷嘴出口理想速度 喷嘴出口实际速度喷嘴损失3. 求动叶进口相对速度轮周速度动叶进口相对速度4. 求动叶出口速度008.433.pMPa15.8,pMPa13253.05/,thkJ kg00013370.553253.05117.5/nthhhkJ

11、kg03122 10117.5484.75/ ,tnchm s110.97 484.75470.21/ .tccm s2016.944/nnhhkJ kg1.5*30006060235.62/md num s2211112cos244.49 /wcucum s19第一讲 级内的能量转换与轮周功输出因级反动度为零，动叶出口相对速度动叶损失动叶出口绝对速度4.级速度三角形5.轮周功221232.27 /twwwm s2222222cos81.32 /cwuwum s2211212.914/bthwkJ kg02122117.56.9442.9143.306104.336/utnbWhhhckJ k

12、g 第一讲 级内的能量转换与轮周功输出1.1.6 本讲小结本讲小结 本讲所涉教材内容：本讲所涉教材内容：PP6 9、PP13 19q基本概念 轮周功、滞止参数、反动度、纯冲动级、冲动级、轮周功、滞止参数、反动度、纯冲动级、冲动级、反动级、速度系数、喷嘴损失、动叶损失、余速损失、轮周速反动级、速度系数、喷嘴损失、动叶损失、余速损失、轮周速度度q基本方法 级热力过程线、喷嘴级热力过程线、喷嘴(动叶动叶)的能量平衡、速度三角形的能量平衡、速度三角形q强化掌握 级热力过程线、速度三角形、出口汽流速度的计算级热力过程线、速度三角形、出口汽流速度的计算PBL(基于问题的学习PROBLEM BASED LE

13、ARN) 1. 已知级初参数 、终参数 、反动度和 、 、转速、平均直径计算余速损失、轮周功。 2. 冲动级与反动级在热力过程线、叶栅通道形状、速度三角形、动静叶的速度系数等有何差异。000, ,p t c2p121.2.1 动量转换与动叶上的汽流力动量转换与动叶上的汽流力q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。q 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 轴向第一讲 级内的能量转换与轮周功输出第二讲 动量转换与最佳速比

14、2211(sinsin)m cc2211(coscos)m ww2211(sinsin)m ww2211(coscos)m cctm1cu1w112c2wu22uz第一讲 级内的能量转换与轮周功输出第二讲 动量转换与最佳速比切向力轴向力 q动叶上总轴向力汽流轴向力与压差力的总和。 动叶有效作用面积q轮周功率 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q轮周功率与轮周功关系 决定于膨胀，决定于流量22112211(sinsin)(sinsin)szmmFwwccttzA12()szzzFFAppuP22112211(coscos)(coscos)uuPuFuG wwuG cc22

15、112211(coscos)(coscos)ummFwwccttuPuW/uuWPG第二讲 动量转换与最佳速比1.2.2 轮周效率轮周效率q能量转换目标 本级可用能量最大地转变为轮周功输出。因本级排汽的余速动能有可能部分或全部被下级利用，本级可用能量应是级理想滞止焓降中扣除余速动能被下级所利用的部分余速利用系数 本级余速动能被下级所利用的份额调节级和排汽级为0.0抽汽级为0.00.5中间级为1.0。 级理想能量 级理想滞止焓降减去被下级所利用的余速动能，即2001tcEhh 0E124第二讲 动量转换与最佳速比q轮周效率 轮周功与该级理想能量的比喷嘴损失系数：动叶损失系数：余速损失系数：q轮周

16、效率的影响因素喷嘴、动叶损失速度系数、反动度、轮周速度余速损失反动度、轮周速度2000utnbcuWhhhhEE0nhnE0bhbE220chcEu211(1)unbcu改变反动度变大第二讲 动量转换与最佳速比反动度一定时，动叶出口相对和绝对速度很大程度上决定于轮周速度，并由此决定于轮周效率q最佳速比最佳速比速比 轮周速度与喷嘴出口汽流速度之比，即最佳速比使轮周效率达到最大时所对应的速比假想速度假想级理想焓降全部在喷嘴中膨胀的喷嘴出口速度，即假想速比轮周速度与级假想速度之比，即11uxc02atchaauxc11amcc11amxx第二讲 动量转换与最佳速比最佳速比求取通过求取上式在反动度等一

17、定时关于 的最大值，即求。最佳速比的数值求解速比与轮周效率.xls12222122(1coscos)1(2cos)amauaaxxxx ax1()()1aopopmxx 2221(1)21costmmaamawxxc 0uax27第二讲 动量转换与最佳速比00.4940.88814923.9120.88754726.72480.88548730.96102.430.30.5840.88145338.81130.87495240.86456977.7788.890.60.6860.849353123.97

18、85.76m()uop()aopx12余速不用时反动度与最佳速比及汽流角关系120.97,0.95,12 ,20 ,0.0 第二讲 动量转换与最佳速比最佳速比随反动度增大而增大，冲动级的最佳速比小于反动级最佳速比时，动叶中汽流转角随反动度增大而减小最佳速比时，动叶绝对出口角在90度附近随反动度增大而减小在相同轮周速度下，纯冲动级的理想焓降约为反动级的1.68倍.(0.494 ,0.64)则相同焓降的级组,冲动式的级数小于反动式随反动度的增加,轮周效率降低 即冲动级的效率大于反动级29第二讲 动量转换与最佳速比00.6070.91930.51530.10.6370.920736147.50.20

19、.6570.921243.31390.30.6660.920552.85126.620.40.6660.918566.18110.880.50.6590.91585.63450.9099109.577.64m()uop()aopx12余速利用时反动度与最佳速比及汽流角关系120.97,0.95,12 ,20 ,1.0 30第二讲 动量转换与最佳速比余速利用，提高了轮周效率，且曲线平坦最佳速比增大，增幅随反动度增大而减小低反动度时，最佳速比对应的动叶排汽角过大，余速不利于被后级使用1.2.3 最佳速比与汽轮机的级的焓降分配最佳速比与汽轮机的级的焓降分配q最佳速比与级焓降201

20、2taopuhx第二讲 轮周效率与最佳速比最佳速比随反动度增大，在大致相等轮周速度下，反动级的焓降小于冲动级，同初、终参数的机组，反动式级数多于冲动式。大容量机组的平均直径大于小机组，同初、终参数的大机组级数少于小机组。高压级的平均直径小于低压级，即低压级v变化大,故低压级的焓降大于高压级。高压缸的级数多于低压缸第二讲 轮周效率与最佳速比1.2.4 本讲小结本讲小结 本讲所涉教材内容 PP19 27q基本概念 轮周效率、理想能量、喷嘴损失系数、动叶损失系数、余速损失系数、速比、假想速比、最佳速比q基本公式 理想能量、轮周效率q强化掌握 最佳速比的影响因素、反动与冲动级的最佳速比、最佳速比与汽轮

21、机设计PBL基于问题的学习 1. 基于速度三角形和喷嘴、动叶及余速损失的关系，分析速比是影响轮周效率的重要因素和存在着使轮周效率达到最大的速比。 2. 对比分析冲动级和反动级在轮周效率与速比变化关系和最佳速比的特征。第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计1.3.1 叶栅通道的流量计算叶栅通道的流量计算q原理 焓降决定流速和轮周功，流量决定级的功率，喷嘴、动叶出口面积是实现膨胀和通过流量的基本条件。q流量计算方法理想流量加实际修正 对出口面积为 的喷嘴，其理想质量流量为对出口面积为 的动叶nA102/100102()()1kkntkntnnntA cpkGAvkv102/210212()()1kkb

22、tkbtbbbtA wkpGAvkvbA第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计 流量系数与实际流量 q流量系数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。nnntGGbbbtGGnnbbbtG = G G = G或11111111ntnttnntnnttA cvA cvGGGvvvv11tnvv11/1tvv nn35第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计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

23、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。1.3.2 临界与最大流量临界与最大流量q流动临界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。即1x过 热湿第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计q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(Critical pressure ratio) 。绝热等熵临界压比过热蒸汽 饱和蒸汽临界速度仅与进口的初参数有关q最大流量最大流量当喉部达到临界时，蒸

24、汽参数也不再改变，汽流速度不再增加，其流量达到最大。121kkcrk000021nckcp vk0.546cr0.577cr第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计记住！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 q流量比系数与椭圆公式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，用表示。即10010000max0000000.6673/过热2/10.6356/饱 和kknntnnApvGAkpvkApv(,1)crmaxmaxnnntGG2/(1)/max112()1/21kkkkkkG Gk第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计速比与轮周效率.xls椭圆公式 彭台门

25、系数曲线近似于椭圆曲线，简化计算，用椭圆公式近似。即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，最后友情提醒！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211ntnncnctncGGmaxtGmaxtGG第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计1.3.3 斜切部分膨胀与超音速斜切部分膨胀与超音速q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。第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计q极限膨胀当特性线的前锋与A

26、C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极限膨胀压比斜切部分膨胀的大小决定于，故极限膨胀也决定于。q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211sinkkndnc11111111sin()sinccv Cv C第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计1.3.4 叶栅几何参数设计叶栅几何参数设计q喷嘴尺寸设计功率决定流量，而流量决定叶栅高度 最小喷嘴高度 叶高过小，叶顶和叶根的边界层和漏汽影响很大，效率很低，通常要求喷嘴高度不小于1115mm 。增大叶高措施 减小喷嘴出口角、降

27、低喷嘴出口速度和采用部分进汽。部分进汽度e 工作喷嘴所占的圆周长度与全圆周长度之比，即 111111sinsinntntnntn nntnG vG vlc z tcd1sinnn n nAz t ln nnz ted111sinntnntnG vlc e d第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计q动叶尺寸设计保证喷嘴出口蒸汽全部进入动叶盖度 动叶与喷嘴的高度差。叶顶盖度和叶根盖度1.3.5 反动度的实现反动度的实现q原理膨胀的大小决定于流道的形状，面积缩小、膨胀增大。动、静叶出口面积比 是实现反动度的主要因素。冲动级喷嘴、动叶出口参数相近，因故2sinbb bAe d l222sinbtbbtbG

28、 vlw e d/bnAA21wc/1/1.4bnbnAAAA，43第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计反动级动叶中膨胀，比容略大于喷嘴出口，故。随压力降低，比容增大较快，动、静面积比增大。面积比与反动度21wc/1.0bnAA 1112221112cos111kkkmaammmmfxx 0220/,/aaxu cpp第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计q冲动级的反动度确定冲动级的反动度确定反动度沿叶高的变化动、静叶间隙中汽流切向运动产生的离心力，使叶顶处的静压力高于叶根处，反动度沿叶高增大。近似地动叶平均直径；h为自叶根的高度。冲动级叶根处反动度0.030.05 叶根处处于微漏汽状态，防止隔板漏

29、汽干扰动叶进口的主流场冲动级的平均反动度随叶高增大而增大22mbbbbdlhdlh bd45第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计部分进汽级一定是冲动级部分进时动叶前后压差造成附加漏汽第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计1.3.6 蒸汽通过喷嘴时的流动分析小结蒸汽通过喷嘴时的流动分析小结 理 想 流 动 实 际 流 动 附 注 出口流速 出口流量 湿蒸汽 过热蒸汽 临界速度 000021crkCp vk 000021crkCp vk 仅与0000(,)pv有关 临界压比 121kksnctk 121nncnck ssncnct 最大流量 的压力比 121kkfnctk 121nnfncn ffncn

30、ct 01012()ttChh11tCC1.0111/tnttGACv11tGG1.01第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计当初参数一定时，逐渐降低背压，出口汽流速度和流量增大。在背压降至临界压力时，其后流量不再增大，但出口汽流角偏转而增大；在背压降至极限膨胀压力时，出口汽流速度和出口汽流角不再增大。在流量和出口汽流角计算时，特别要注意判别是否达到临界。第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计1.3.7 本讲小结本讲小结 本讲所涉教材内容 PP1013、PP27 30v基本概念 流量系数、临界压比、最大流量、流量比系数(即彭台门系数)、部分进汽度、盖度。v基本原理 最大流量、椭圆公式、斜切部分膨胀、反动度的实现v基本公式 流量公式、最大流量、椭圆公式v强化掌握 流量计算、叶栅几何参数设计、不同压比下流速、流量和出口汽流角的变化规律。PBL基于问题的学习 1.已知级初参数 、终参数 如何计算通过喷嘴或动叶的蒸汽量。 2. 基于速度三角形分析动、静面积比与级反动度间的关系。000,