汽轮机级的工作原理

第一章汽轮机级的工作原理主要内容一、级的概念二、汽轮机的冲动作用原理和反动作用原理三、反动度和级的类型四、级的轮周功率和轮周效率五、汽轮机的级内损失和级效率一、级的概念汽轮机本体中做功气流的通道称为汽轮机的通流部分。级：由喷管和其后的动叶栅组成，完成蒸汽的热能转换成转子的机械能的最基本单元。汽轮机有单级和多级。1-静叶栅（喷管）；2-动叶栅；3-隔板；4-叶轮；5-主轴返回级的组成0－0截面：喷管进口截面；1－1截面：喷管与动叶之间截面(喷管出口、动叶进口)；2－2截面：动叶出口截面；喷管内完成:热能动能在动叶内完成：把蒸汽具有的动能和热能机械功二、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理1、冲动作用原理当一运动物体碰到另外一个运动速度比其低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度，同时给阻碍它的物体一个作用力，这个作用力被称为冲动力。冲动力的大小取决于运动物体的质量以及速度的变化。质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力也越大。受到冲动力作用的物体改变了速度，该物体就做了机械功。最简单的单级冲动式汽轮机结构如图1－1。蒸汽在喷管4中产生膨胀，压力降低，速度增加，蒸汽的热能转变为蒸汽的动能。高速气流流经叶片3时，由于气流方向发生了改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮2旋转做功，将蒸汽的动能转变为轴旋转的机械能。这种利用冲动力做功的原理，称为冲动作用原理。

图1-1动叶进出口速度三角形

动叶进口速度三角形：动叶出口速度三角形：－喷管出口速度（动叶进口绝对速度）－动叶平均直径处的圆周速度－动叶进口的相对速度－动叶出口的绝对速度－动叶出口相对速度2、反动作用原理反动力是由原来静止或运动速度较小的物体，在离开或通过另一物体时，骤然获得一个较大的速度增加而产生的。在反动式汽轮机中，蒸汽在动叶构成的汽道内膨胀加速时，气流必然对动叶作用一个反动力，推动叶片运动，做机械功。这就是反动做功原理。在反动式汽轮机中，蒸汽不仅仅在喷管中产生膨胀，压力降低，速度增加，高速气流对叶片产生一个冲动力，而且蒸汽流经叶片时也产生膨胀，使蒸汽在叶片中加速流出，对叶片还产生一个反作用力，即反动力，推动叶片旋转做功。这就是反动式汽轮机的反动作用原理。在动叶内，把蒸汽具有的动能和热能机械功作用力：

①由静叶出口的高速蒸汽冲击动叶产生冲动力Fi②动叶内蒸汽继续膨胀，产生一个反动力Fr三、反动度和级的类型

（一）汽轮机的反动度蒸汽在动叶通道内膨胀时的理想焓降hb，

和在整个级的滞止理想焓降ht*

之比，即（二）汽轮机级的类型和特点根据蒸汽在级通流部分的流动方向，将汽轮机分成轴流式和辐流式两种。1.按反动度的大小进行分类：冲动级和反动级2.按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程分类：压力级和速度级3.按通流面积是否随负荷而变分类：调节级和非调节级轴流式汽轮机辐流式汽轮机

1、冲动级和反动级

纯冲动级：反动度的级称纯冲动级冲动级

带反动度的冲动级（冲动级）：在冲动级中带少量反动度反动级：反动度的级称反动级纯冲动级的特点是：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中不进行膨胀而只改变流动方向，故动叶栅进出口压力相等，焓降为0。反动级的特点是蒸汽的膨胀约有一半在喷嘴叶栅中发生，另一半动叶栅中发生。特点：在这种级中，蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中发生，只有少部分膨胀在动叶栅发生。2、压力级和速度级（1）压力级：蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程在级内只进行一次的级。（2）速度级：蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程在级内进行一次以上的级。

复速级：由固定的喷管、导叶和安装在同一叶轮上的两列动叶组成的级称为复速级。3、调节级和非调节级（1）调节级：通流面积能随负荷改变的级，如喷管调节的第一级。（2）非调节级：通流面积能不随负荷改变的级，可以全周进汽，也可以部分进汽。

复速级

复速级由喷管、导叶和两列动叶组成。蒸汽在喷管膨胀后，进入第一列动叶作功，流出第一列动叶时速度还相当大。用一列导叶改变蒸汽流动方向后进入第二列动叶继续作功。特点：作功能力很大，但效率较低，常用作中小汽轮机调节级。喷管采用缩放喷管。引入一定的反动度。返回图1-7复速级中汽流压力和速度变化示意图四、级的轮周功率与轮周效率返回（一）蒸汽作用在动叶片上的力和轮周功率周向分力Fu轴向分力Fz总作用力Fb1、蒸汽作用在动叶片上的力FuFzFb2、轮周功率轮周功率Pu：单位时间内蒸汽对动叶片所作的有效功率，它等于圆周力Fu与动叶圆周速度u的乘积，其表达式为：级的作功能力Pu1：

1Kg蒸汽产生的轮周功率G——单位时间流过的蒸汽质量（二）级的轮周效率定义：蒸汽在轮周上所做的功与整个级所消耗的蒸汽理想能量（级的理想能量）之比，即E0--级的理想能量，它包括热能和动能两部分（三）速比速比：最佳速比：对应于轮周效率最高时的速比五、汽轮机的级内损失和级效率

返回（一）级内损失级内损失主要有叶栅损失、余速损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏汽损失、湿汽损失等

1、叶栅损失叶栅损失包括喷管损失和动叶损失，从产生原因看，它有叶型损失、叶端损失和冲波损失所组成。⑴

叶型损失①附面层中的摩擦损失②附面层分离时的涡流损失③尾迹损失⑵

叶端损失

①端部附面层中的摩擦损失

②二次流损失⑶冲波损失叶栅中汽流产生冲波时突然被压缩所产生的能量损失2、余速损失蒸汽在动叶栅中做功后，以绝对速度C2离开动叶栅，这部分动能C22/2在动叶栅中没有转变为机械功，成为这一级的损失，称为余速损失。3、扇形损失在设计时不考虑汽流参数和叶栅的几何参数沿叶高的变化，只能保证一个截面上的参数符合设计条件下的最佳值，而其他截面上由于偏离设计条件将引起附加损失，称为扇形损失。4、叶轮摩擦损失

叶轮在充满着蒸汽的汽室中转动，由于蒸汽具有黏性，使叶轮带动着贴在叶轮侧面及外缘表面上的蒸汽质点以相同的速度运动，而紧贴隔板壁和汽缸壁的蒸汽速度近似为零，因此，在叶轮两侧及外缘的间隙中，蒸汽沿轴向形成层与层间的速度差，从而形成了蒸汽微团之间以及蒸汽微团与叶轮之间的摩擦。为了克服这种摩擦和带动蒸汽质点运动，要消耗一部分轮周功。同时，由于紧靠叶轮两侧的蒸汽质点随着叶轮一起转动，受离心力的作用产生向外的径向流动，而靠近隔板处的蒸汽质点由于速度小，离心力也小，自然向中心移动，填补叶轮处径向流动的蒸汽，以保持汽体的连续性。于是在叶轮两侧的子午面内形成了蒸汽的涡流运动。克服摩擦阻力和涡流所消耗的功叫叶轮摩擦损失。5、部分进汽损失

如果将喷嘴布置在隔板（或蒸汽室）的整个圆周上，使蒸汽沿整个圆周进汽，这种进汽方式称为全周进汽。为了增高喷嘴的高度，则将喷嘴布置在部分圆周上，使蒸汽沿部分圆弧进汽，这种进汽方式称为部分进汽。部分进汽损失

①鼓风损失当e<1时，只有当动叶通过喷管弧段时，才有工作蒸汽通过作功。当动叶通过无喷管弧段时，不但没有工作蒸汽作功，反而象鼓风机风扇一样，与充满停滞的蒸汽摩擦，产生损失。②斥汽损失由于动叶经过不装喷管弧段时，已充满停滞的蒸汽。当进入喷管段时，高速汽流要排斥并加速停滞在汽道内的蒸汽，产生损失。6、漏汽损失在汽轮机的通流部分中，隔板和转轴之间、动叶顶部与汽缸之间，在转鼓结构的反动级中静叶与转鼓之间都存在着间隙，并且各间隙前后的蒸汽都存在着压差，因此将会发生不同程度的漏汽，造成损失，称为漏汽损失。7、湿汽损失

多级凝汽式汽轮机最后几级常在湿蒸汽区域内工作，级中存在着湿气损失，这是因为：

(1)湿蒸汽在喷嘴中膨胀加速时，一部分蒸汽凝结成水滴，使作功的蒸汽量减少。

(2)由于水滴本身不膨胀加速，所以悬浮在蒸汽中的水滴是依靠蒸汽带动的，因此主汽流要消耗一部分动能。（3）水滴进入动叶时正好冲击在动叶进口边背弧上，阻止了叶轮的旋转，从而消耗了一部分轮周功去克服这个阻力，造成损失。

(4)湿蒸汽在喷嘴中膨胀时，由于汽态变化非常快，蒸汽的一部分还来不及凝结成水，汽化潜热没有释放出来，形成了过饱和蒸汽或称过冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降减小，形成过冷损失。为了提高湿蒸汽级的效率和防止动叶被水滴侵蚀损坏，常采用下列两种方法：一是采用去湿装置，减少湿蒸汽中的水分；二是提高动叶的抗侵蚀能力。去湿装置示意图喷管静叶片的吸水缝（二）汽轮机级的相对内效率和内功率以上分析结果表明，级内存在着各种损失，因此，蒸汽在级内进行能量转换时，不能全部将其热能转换成转轴