华电保定汽轮机原理课件

汽轮机原理SteamTurbine

授课教师：李慧君

能源与动力工程学院汽轮机原理SteamTurbine

授课教师：李慧君

能源绪论（preface)一、电力在国民经济中的地位（TheRoleof

ElectricPowerinNationalEconomy）二、汽轮机装置在电厂中的地位（TheStatusof

SteamTurbineinPowerPlant)三、汽轮机发展概述(SummaryofSteamTurbineDevelopment)四、汽轮机的分类和型号（CategoryandTypeofSteamTurbine)五、本课程的主要内容（ContentofTheSubject)绪论绪论（preface)一、电力在国民经济中的地位（TheR二、汽轮机装置在电厂中的地位

（TheStatusofSteamTurbineinPowerPlant)

锅炉汽轮机发电机

蒸汽化学能(燃料)热能机械能电能PowerPlant绪论二、汽轮机装置在电厂中的地位

（TheStatusof三、汽轮机发展概述

(SummaryofSteamTurbine)1、1883年，Laval（瑞典）研制出第一台轴流式汽轮机2、70年代后，进入百万级3、汽轮机主要制造业：GECo.（GeneralElectricCorporation)美国通用电气公司（冲动式）WHCo.(WestingHouseElectricCorporation)西屋（反动式）BBC(BrownBoveriCo.)瑞士（反动式）AA(Alsthon-AtlantagueCo.)法国（冲动式、反动式）其他（苏联、日本等）我国三大动力设备厂：哈汽、上汽、东汽工业汽轮机：杭州燃气轮机：南京绪论三、汽轮机发展概述

(SummaryofSteamT冲动式反动式工作原理热力特性凝汽式背压式调节抽汽式抽汽背压式中间再热式混压式汽流方向轴流式辅流式四、汽轮机的分类和型号（CategoryandType）绪论冲动式反动式工作原理热力特性凝汽式背压式调节抽汽式抽汽背压式功率用途凝汽式供暖电站工业船用超临界进汽参数低压中压高压亚临界超高压大功率小功率四、汽轮机的分类和型号

（CategoryandTypeofSteamTurbine)绪论用途凝汽式供暖电站工业船用超临界进汽参数低压中压高压亚临绪论汽轮机的型号表示如下：汽轮机类型额定功率（MW)蒸汽参数变型设计次序注意：蒸汽参数表示法和汽轮机类型有关绪论汽轮机的型号表示如下：汽轮机类型额定功率（MW本书的内容：内容原理（一、二、三章）结构强度（第五章）辅机凝汽设备（第四章）调节保护（第六章）绪论本书的内容：内容原理（一、二、三章）结构强度（第五章）辅机凝第一章汽轮机级的工作原理第一章汽轮机级的工作原理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周功率和轮周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**第八节扭叶片级第一章汽轮机级的工作原理第一节概述第一节概述一、概述蒸汽的热能机械功旋转式原动机汽轮机是将转化成的通流部分----汽轮机本体做功汽流通道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，各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。----由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成的工作单元。汽轮机的级第一节概述第一节概述一、概述蒸汽的热能机械功旋转式原动机汽流冲动.avi演示蒸汽动叶和喷嘴中的流程.rmvb流程第一节概述蒸汽热力学能喷嘴(nozzle)降压增速汽流的动能动叶(blade)转子的旋转机械能级的工作过程汽流改变方向(冲动原理)汽流降压增速(反动原理)汽流冲动.avi演示蒸汽动叶和喷嘴中的流程.rmvb流程第一蒸汽膨胀增速的条件----一是有合理的汽流通道结构，另一是蒸汽需具有一定的可用热能且有压差存在。动、静叶栅几何参数----平均直径dm，叶片高度l，叶栅节距t，叶栅宽度B，叶栅通道进口宽度a,出口宽度a1和a2，叶型弦长b和出口边厚度，出口汽流角.第一节概述前缘点后缘点后额线中弧线几何进口角汽流进口角几何出口角汽流出口角叶片安装角前缘点几何进口角蒸汽膨胀增速的条件----一是有合理的汽流通道结构，另一是蒸旋转平面与的夹角动叶进出口汽流速度三角形(a)动静叶栅汽道示意图(b)顶点靠拢的速度三角形汽流的绝对速度圆周速度动叶进口速度三角形

相对速度

动叶出口速度三角形1表示动叶进口2表示动叶出口速度三角形旋转平面与的夹角

第一节概述旋转平面与的夹角动叶进出口汽流速度三角形(a)动静滞止参数----相对于叶栅通道速度为零的气流热力参数。用后上标为”0”来表示。

喷嘴进口

动叶进口

二、热力过程分析A.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。第一节概述滞止参数----相对于叶栅通道速度为零的气流热力参数。用后上理想过程----可逆的等熵过程。实际过程----存在着不可逆过程---耗散效应，部分动能转变为热能。喷嘴(或动叶)效率----实际焓降与理想焓降之比喷嘴损失--喷嘴前能量--动叶损失--

余速损失

--第一节概述理想过程----可逆的等熵过程。第一节概述B.反动度----或反动率,表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度,定义为动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比,用Ωm来表示。即纯冲动级---Ωm＝０,汽流在动叶通道中不膨胀。结构特点:动叶为等截面通道；流动特点:动叶进出口处压力和汽流的相对速度相等。因压降主要发生在静叶栅通道中,故又称为压力级。第一节概述B.反动度----或反动率,表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度,反动级----Δhn=Δhb=Δht，动静叶中焓降相等.结构特点:动、静叶通道的截面基本相同；流动特点:动、静叶中增速相等.冲动级----膨胀主要发生于喷嘴中,一般Ω＝0.05～0.30复速级----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称为复速级，又称双列速度级。第一节概述反动级----Δhn=Δhb=Δht，动静叶中焓降相等.第一级的类型和特点反动度叶片类型做功能力（焓降）效率纯冲动级Ωm=0隔板叶轮型较高较低反动级Ωm=0.5转鼓型最低最高冲动级Ωm=0.05～0.3隔板叶轮型较低较高复速级Ωm=0.05～0.3隔板叶轮型最高最低第一节概述级的类型和特点反动度叶片类型做功能力（焓降）效率纯冲动级Ωm三、级的简化一元流模型和基本方程式A.流动过程分析

研究蒸汽膨胀的流动过程，核心问题是确定喷嘴出口的汽流速度或流量与喷嘴前后蒸汽参数及通道截面的关系。因此，流速或流量、蒸汽参数和通流截面为流动分析的三个要素。方法与流体力学及工程热力学中喷管流动的分析方法相同，叶栅通道的进口参数通常用相对于叶栅速度为零的滞止参数。B.简化的一元流模型基本假设：①流动是稳定的②流动是绝热的③流动是一元的④工质是理想气体C.基本方程式基本方程：连续性方程Gv=Ac

能量方程状态或过程方程pv=RT第一节概述三、级的简化一元流模型和基本方程式A.流动过程分析第一节1.解释汽轮机的级的概念及蒸汽在级内能量的转换特点。2.蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-s图上的表。3.反动度的定义及表达式。4.级的类型和特点。***（2）第一节概述(作业与思考)1.解释汽轮机的级的概念及蒸汽在级内能量的转换特点。第一节喷嘴出口汽流速度在喷嘴的实际流动过程中，蒸汽粘性所产生的摩擦等损失是蒸汽出口速度由c1t降为c1即称为喷嘴速度系数喷嘴损失喷嘴压比即喷嘴后压力与喷嘴前滞止压力之比。第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程

一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程喷嘴出口汽流速度第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程

一速度系数的影响因素

速度系数与叶栅通道表面的光滑程度及叶型等紧密相关。表面越光洁，摩擦就越小；叶型是否合理，决定了叶栅通道的流场和压力场分布，附面层增厚、附面层脱离均会导致摩擦损失增大、速度系数减小。前者提高加工精度，后者研究空气动力特性、开发先进叶型。蒸汽的膨胀程度越大，有利于减薄附面层，提高速度系数。在汽轮机中，喷嘴的速度系数在0.95～0.98之间，一般取0.97；动叶的速度系数在0.85～0.95之间，反动度大时可取上限。速度系数与喷嘴或动叶效率

由速度系数和喷嘴或动叶效率定义可知由热力学推导得知，多变指数与速度系数的关系为第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程速度系数的影响因素速度系数与叶栅通道表面的光滑程度及渐缩喷嘴速度系数随叶片高度ln的变化曲线第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程渐缩喷嘴速度系数随叶片高度ln的变化曲线第二节蒸汽在喷喷嘴中蒸汽参数、流速与等比熵比焓降的关系第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程喷嘴中蒸汽参数、流速与等比熵比焓降的关系第二节蒸汽在喷嘴和喷嘴中的气流的临界状态

音速

临界速度临界压力临界压比第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程喷嘴中的气流的临界状态

音速第二节蒸汽在喷喷嘴的通流能力第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程喷嘴的等临界速度线渐缩喷嘴的流量与压比的关系曲线最大流量为临界流量喷嘴的通流能力第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程喷嘴的流量系数由实际流量计算式可知即得流量系数与速度系数的关系由摩擦使蒸汽温度升高，故总有，理论上实际中，速度系数与流量系数是分别由两种不同试验得到的结果，速度系数是由动能损失试验求得，反映了流场中速度分布的均方根平均；流量系数是由流动试验直接测取统，反映了流场中速度分布的算术平均，是流动过程中损失造成的。事实上，在过热蒸汽区，喷嘴损失引起的比容变化比较小，故流量系数近似等于速度系数，；在湿蒸汽区，在降压膨胀过程中应有部分蒸汽释放汽化潜热、并凝结为水，但因流速很快、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，从而导致流量系数大于速度系数的局面。在湿蒸汽区，流量系数通常用下式计算或取因此最大流量为：第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程流量系数第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程喷嘴和动叶的流量系数第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程喷嘴与动叶的流量系数

喷嘴和动叶的流量系数第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过彭台门系数（喷嘴的实际流量与喷嘴临界流量之比)

蒸汽流动中因受音速的限制，在流量计算式中应加上一个约束条件，即过热蒸汽适用范围的压比范围(0.546,1)。因此，在做叶栅通道流量计算时，必须判定是否达到临界。这样，在流道结构和初参数确定的情况下，不同背压所对应的流道通流量可用相对于最大流量的无量纲参数来表示，这个参数称之为彭台门系数(亦称流量比系数)β。

***(3)第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程渐缩喷嘴的β曲线(k=1.3)彭台门系数（喷嘴的实际流量与喷嘴临界流量之比)蒸汽流动二、蒸汽在喷嘴斜切部分内的膨胀带有斜切部分的渐缩喷嘴

蒸汽在斜切部分的实际膨胀与偏转第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程

汽轮机弯曲型渐缩叶栅通道，在喉部后形成斜切出口通道，将此称为斜切部分。它的存在极大地改变了叶栅通道的流动特性。二、蒸汽在喷嘴斜切部分内的膨胀带有斜切部分的渐缩喷嘴蒸汽在第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程

在背压大于临界压力时，斜切部分仅起到流动的导向作用，汽流沿喉部截面的法线方向流出。但当背压低于临界压力时，A点的压力突变产生扰动，并以音速传播，形成以A为原点的一束特性线，其前锋到达D点；这样，AD线上即为背压。在AB与AD间的压差作用下蒸汽在ABD所构的渐扩形流道中继续膨胀增速，使之达到超音速状态，并且流动转向。蒸汽在斜切部分膨胀使比容增大，必然导致汽流方向发生偏转来增大通流面积，偏转角的大小由喉部截面和斜切部分膨胀截面的连续性方程求得。即喉部：

斜切膨胀出口：

偏转角计算式：(贝尔公式)第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程在背压大于临界压

蒸汽在斜切部分的膨胀程度取决于背压。当特性线的前锋与AC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，此时的喷嘴后压力称为极限膨胀压力。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。很明显，极限膨胀压力与喷嘴出口几何角有关，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：极限膨胀压力比与的关系为蒸汽在斜切部分膨胀，不采用缩放流道即可获得超音速汽流，微小的汽流偏转角(通常1～2）并不产生显著的动能损失。在汽轮机中用渐缩型斜切流道代替缩放型流道，既简化了制造，又提高了效率。第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽在斜切部分的膨胀程度取决于背压。当特性线的前锋与AC第二节蒸汽在喷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第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽通过喷嘴时流动分三、蒸汽在动叶通道中的通流能力动叶出口汽流的理想相对速度实际相对速度动叶能量损失为动叶流量系数

动叶速度系数ψ与Ωm和w2t的关系曲线

第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程三、蒸汽在动叶通道中的通流能力动叶出口汽流的理想相对速度第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程（思考）1、熟悉并掌握蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程、蒸汽在喷嘴和动叶入口、出口处各参数的计算公式。2、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，除了部分进汽还可以采取什么措施增大叶高？3、何为喷嘴的临界状态？临界速度与流动损失的大小有关吗？喷嘴的压比与喷嘴的流量有何关系？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？4、斜切部分的膨胀是什么?何为极限膨胀压力？第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程（思考）1、熟悉并掌第三节级的轮周功率和轮周效率一、蒸汽作用在动叶栅上的力轮周功率汽流对动叶的作用力Fu（轮周力）

作用在动叶上的汽流力可归结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。由动量定律求得。利用速度三角形关系进行计算。第三节级的轮周功率和轮周效率

设时间内流过动叶的蒸汽量为，切向和轴向的动量变化为：绝对坐标系：相对坐标系：切向切向轴向轴向作用在动叶上汽流力，切向Fu第三节级的轮周功率和轮周效率一、蒸汽作用在动叶栅上的力轮周

轴向蒸汽的轴向力应是汽流轴向力、压差力的总和。设动叶压差作用有效面积为Az，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。轮周功率Pu

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.

1kg蒸汽产生的轮周功Wu等于级的轮周有效比焓降Δhu.第三节级的轮周功率和轮周效率轴向第三节级的轮周功率和轮周效率第三节级的轮周功率和轮周效率

利用速度三角形的关系，得轮周功的意义：由喷嘴带进动叶的蒸汽动能与动叶获得的蒸汽动能之和，减去蒸汽离开动叶所带走的动能。

对于冲动级，由于动叶转折较大，所以β1和β2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，所以β1和β2较大，做功能力较小第三节级的轮周功率和轮周效率利用速度三角形的关系，得轮周效率ηu—1kg蒸汽所作出的轮周功Wu与蒸汽在该级所消耗的理想能量E0之比称为级的轮周效率.余速利用系数---在多级汽轮机中，本级余速动能可被下一级部分或全部利用，其利用程度用余速利用系数μ表示，μ0表示本级利用上一级的余速动能的份额，本级喷嘴进口的初动能δhc0=μ0(δhc2)abv，(δhc2)abv是上一级的余速动能;μ1表示本级余速动能被下一级所利用的份额。考虑余速利用后，本级理想能量E0应是本级滞止理想比焓降Δht0减去被下一级利用的余速动能μ1δhc2，因为μ1δhc2成了下一级喷嘴的喷嘴的进口初速动能，并没有在本级消耗掉。因此，级真正可供利用的能量应是级理想滞止焓降再扣除余速动能中被下级所利用的部分。

E0=δhc0+Δht0-μ1δhc2=Δht0-μ1δhc2二、轮周效率第三节级的轮周功率和轮周效率轮周效率ηu—1kg蒸汽所作出的轮周功Wu与蒸汽在该级所消耗以能量平衡方式表示的轮周效率喷嘴损失系数：动叶损失系数：余速损失系数：轮周效率的各损失系数的表示：三、轮周效率与速比的关系速比---假想速比---即轮周速度与级假想速度之比.最佳速比---对应与最高轮周效率的速比.

第三节级的轮周功率和轮周效率***(4)以能量平衡方式表示的轮周效率第三节级的轮周功率和轮周效率*

在汽轮机设计中，当整机的初、终参数和流量确定后，可根据经验和现有技术水平定出首级、末级的平均直径和叶高。应该采用多少级和级焓降如何分配，才能使对应级平均直径下级轮周效率最高。由轮周效率定义可知：当喷嘴出口汽流速度一定时，影响轮周效率的主要因素是动叶损失和余速损失。

特别是余速损失。由速度三角形可以看到，当轮周速度改变时，喷嘴损失不变，动叶进、出口相对速度随轮周速度减小而减小，出口绝对速度先变小后变大，从而使轮周效率发生变化。由此可以看出，轮周速度与喷嘴出口汽流速度间的比对轮周效率影响很大。对电站汽轮机，级的平均直径确定后，轮周速度便是定值，选择怎样的焓降分配，能使轮周效率达到最大。这就是最佳速比分析的背景。第三节级的轮周功率和轮周效率第三节级的轮周功率和轮周效率在纯冲动级中，假设不利用上一级余速，本级余速也不被下一级利用，于是由速度三角形知1.纯冲动级最佳速比第三节级的轮周功率和轮周效率在纯冲动级中，假设不利用上一级余速，本级余速也不被下一级利用将以上关系代入，得：由上式可知，速度系数越大，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。适当减小α1和β2也可以提高轮周效率，但过分减小α1和β2，由于汽道的弯曲程度增大，流动恶化，变下降，反而使轮周效率降低。叶型一经选定

的数值也基本选定，这样，轮周效率只随速比的变化而变化，所以最佳速比可通过函数式求极值的方法得到，即第三节级的轮周功率和轮周效率将以上关系代入，得：由上式可知，速度系数越大，轮周效率越高，于是最佳速比纯冲动级轮周效率曲线

第三节级的轮周功率和轮周效率为了实用上的方便，常用代替x1，对纯冲动级于是最佳速比纯冲动级轮周效率曲线第三节级的轮周功率和轮周余速利用对最佳速比的影响纯冲动、余速不被利用喷嘴及动叶的摩擦损失相对于级的理想能量是个定值，比例关系决定于速度系数。如果动叶的相对进口角能适应各种工况，那么喷嘴出口速度一定时，增大轮周速度u将使动叶的排汽速度下降，当轮周速度为时，动叶出口的绝对汽流角为90°，排汽绝对速度达到最小，即轮周效率最大。第三节级的轮周功率和轮周效率余速利用对最佳速比的影响第三节级的轮周功率和轮周效率纯冲动、利用余速

最佳速比式中余速利用后，使级理想能量减小，在相同汽流参数下使级的轮周效率提高。综合分析得知，余速利用后，

a)增大了轮周效率；b)使在最佳速比附近对轮周效率的灵敏性下降，提高了适应工况变化的能力；c)使速比(xa)op相对于不利用时向增大方向移动。

d)使轮周效率失去了相对于最高点的基本对称性。第三节级的轮周功率和轮周效率纯冲动、利用余速第三节级的轮周功率和轮周效率2.反动级对于典型反动级，喷嘴与动叶中的比焓降相等，即反动度为0.5。为了制造方便，喷嘴与动叶采用同一叶型．即α1=β2，w2=c1。此时喷嘴与动叶的速度系数大致相等，即φ=ψ。假设余速动能全部为下一级所利用，即μ1=1。在这些条件下,则有α1=β2，w2=c1,φ=ψ，w1=c2，

μ1=1.反动级的叶栅汽道与速度三角形

第三节级的轮周功率和轮周效率2.反动级反动级的叶栅汽道与速度三角形第三节级的轮周功率反动级轮周效率与速比x1和xa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,反动级的最佳速比为:

反动级的最佳假想速比：

反动级的轮周效率在最大值附

近变化平稳，速比变化不易引起效

率明显下降；反动级最佳速比大于

纯冲动级，在u相同时,比纯冲动级

作功能力小，故级数要多。第三节级的轮周功率和轮周效率反动级轮周效率与速比x1和xa的关系用解析法可求反动级的3.冲动级冲动级的反动度一般在0.05-0.30之间,对于余速可被利用的的冲动级,根据速度三角形和这种级的特点,可推导出它轮周效率的表达式:由图可见,冲动级的最佳速比和反动度同向变化,且与余速的利用程度有关,余速利用系数越小,最佳速比随反动度而变化的程度越剧烈。←最佳速比与反动度和余速利用系数之间的关系第三节级的轮周功率和轮周效率3.冲动级冲动级的反动度一般在0.05-0.30之间,对于余4.复速级右图为复度级的速度三角形，其上部为第一列动叶的进口、出口速度三角形，下部则为第二列动叶的进口、出口速度三角形。复速级的轮周功等于两列动叶栅轮周功之和:为了分析复速级的最佳速比,特做如下简化:因为复速级常单独做成单级汽轮机或多级气轮机的调节级,故余速利用系数μ1=0.第三节级的轮周功率和轮周效率复度级的速度三角形4.复速级右图为复度级的速度三角形，因为复速级常单独做成单级复速级的轮周效率则为第三节级的轮周功率和轮周效率复速级的轮周效率则为第三节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第三节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第三节级的轮周功率和轮周效率最佳速比与级的焓降（作功能力）由速比定义可知，在轮周速度一定时，速比越大，级的焓降就越小。由此表明：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明显多于冲动式机组。在相同的圆周速度u，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：第三节级的轮周功率和轮周效率最佳速比与级的焓降（作功能力）第三节级的轮周功率和轮周效最佳速比的基本特征第三节级的轮周功率和轮周效率最佳速比的基本特征第三节级的轮周功率和轮周效率第三节级的轮周功率和轮周效率(作业)***(5)1.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，分析余速利用系数对下级入口状态的影响。2.速比、最佳速比及假想速比的定义3.纯冲动级、反动级和复速级各自的最佳速比，余速利用对最佳速比的影响，速比与级的作功能力的关系。第三节级的轮周功率和轮周效率(作业)***(5)1.推导轮第四节叶栅的气动特性

在蒸汽热能转变为轮周功的过程中，存在着喷嘴损失,动叶损失和余速损失.本节主要讨论流动损失，即讨论喷嘴损失和动叶损失产生的物理原因及影响因素,从而指明减少损失提高流动效率的途径。大量试验表明,叶栅的能量损失是由叶型损失ξp

(气流绕流平面叶栅时产生的能量损失)和端部损失ξe(气流流过叶顶及叶根边界区域时产生的能量损失)组成的。通道内附面层厚度与发展是造成损失的主要机理。动、静叶栅的叶型损失和叶端损失是级损失的主要部分。叶栅的几何参数和气流参数对能量损失的大小起着决定性的作用。第四节叶栅的气动特性第四节叶栅的气动特性在蒸汽热能转变为轮周功的过程中，存第四节叶栅的气动特性一、叶栅的几何参数和汽流参数汽流冲角θ：叶型几何进口角与汽流进口角之差，即二、叶型损失ξp

指平面气流绕流叶栅时的能量损失。第四节叶栅的气动特性一、叶栅的几何参数和汽流参数汽流冲角θ第四节叶栅的气动特性第四节叶栅的气动特性第四节叶栅的气动特性第四节叶栅的气动特性(a)无涡流（b）有涡流反动式叶栅中叶型表面附面层分布示意图第四节叶栅的气动特性(a)无涡流（b）有涡流反动式叶栅中叶型表面附面层分布示意图叶栅中的二次流示意图(a)双涡流示意图(b)附面层和压力分布图1-腹面；2-背面；3-压力图；4-附面层增厚区；5-对涡流动第四节叶栅的气动特性三、端部损失ξe

气流流过叶顶及叶根边界区域时产生的能量损失。叶栅中的二次流示意图(a)双涡流示意图(b)附面层和压力分布叶栅损失损失名称机理影响因素叶型损失附面层摩擦损失附面层的摩擦表面粗糙度，附面层的厚度附面层脱离的涡流损失附面层增厚，脱离，形成涡流附面层的发展，与进汽角和相对节距等尾迹损失出口边缘厚度形成的流场不均，汽流补偿流动造成动能损失出口边缘厚度冲波损失局部扩压造成部分超速，然后产生冲波附面层的厚度与发展、汽流的进口角叶端损失附面层摩擦损失附面层中摩擦表面粗糙度端部附面层厚度二次流弯曲通道中汽流转向产生的离心力，在端部形成内弧指向背弧的二次流主流的补偿流在背弧的端部出口产生对涡，造成补偿流损失和对涡流损失叶片高度，叶型、相对节距、安装角、进汽角叶栅损失及其主要影响因素叶栅损失损失名称机理影响因素附面层摩擦损失附面层的摩擦表面粗第四节叶栅的气动特性四、叶栅的汽流出口角

直接影响着叶栅的通流能力和做功能力五、马赫数对叶栅特性的影响当叶栅在马赫数Ma>0.3~0.4的条件下工作时，压力分布曲线、损失系数和汽流出口角都将随Ma的改变而变化。这就是汽体的可压缩性对叶栅特性的影响。作业1.叶栅能量损失的组成。2.叶型及叶端损失产生的机理。第四节叶栅的气动特性四、叶栅的汽流出口角第五节级内损失和级的相对内效率一、级内损失

理想情况下，汽轮机级内热能转换为机械功的最大能量等于蒸汽在级内的理想比焓降。实际上由于级内存在着各种各样的损失，蒸汽的理想比焓降不可能全部转变为机械功。凡是级内与流动时能量转换有直接联系的损失，称之为汽轮机级的内部损失。否则，则称为汽轮机的外部损失。

第五节级内损失和级的相对内效率第五节级内损失和级的相对内效率一、级内损失第五节级级内损失通常指实际环形叶栅偏离平面叶栅模型所存在的损失，以及汽流进口角偏离叶栅几何进口角和湿蒸汽工况下产生的附加损失。在一元流动模型中，并没有充分考虑叶端损失，对此必须加以修正；环形叶栅呈扇形分布，即根部与顶部的节距是不等的，用平均直径处参数进行计算，在叶根和叶顶处产生显著偏差；叶轮在充满粘性介质空间内高速旋转，叶轮粘滞作用带动叶轮周边蒸汽产生旋转运动，需消耗一定能量；隔板汽封与动叶叶顶汽封间隙的存在，必须存在漏汽，这部分泄漏蒸汽并不能完全回到本级动叶通道中转变为旋转机械功；对有部分进汽度的级，在非喷嘴区，叶轮旋转带动蒸汽运动，并排到级后，即产生鼓风作用，在喷嘴区，喷嘴出口蒸汽首先排挤出滞留于动叶栅中的蒸汽，消耗排汽功；在湿蒸汽区，水滴的运动消耗一定的能量；汽流入口角与叶栅通道进口角不一致时产生撞击，搅乱了流场，产生动能损失。这些附加的能量损耗，使级的功率输出小于轮周功率。级内损失主要由基于平面叶栅的轮周损失和工作状态偏离平面叶栅及特殊工况产生的能量损失所组成，合计有9项损失。在汽轮机中，对于某一级，这9项损失并不是每项都存在。例如，工作于过热蒸汽区的高、中压缸级，不存在湿汽损失。全周进汽的级没有部分进汽损失，反动式汽轮机不考虑叶轮摩擦损失，扭叶片级不存在扇形损失。第五节级内损失和级的相对内效率级内损失通常指实际环形叶栅偏离平面叶栅模型所存1.叶高损失δhl

叶高损失也就是叶片的端部损失，本质上仍是喷嘴和动叶的流动损失。但在某些工程计算中，当计算喷嘴和动叶的损失时，不考虑其高度的影响，也就是认为叶片足够长，而达到无限高的程度时，端部损失为零。第五节级内损失和级的相对内效率1.叶高损失δhl叶高损失也就是叶片的端部损失，

实际情况是叶片并不无限高，端部损失并不为零。此，需在已计算得出的喷嘴损失和动叶损失之外，另单独计算一项叶栅的端部损失，这就是叶高损失。常用下列半经验公式计算:第五节级内损失和级的相对内效率

上式中a--试验系数，单列级a=1.2(未包括扇形损失)或a=1.6(包括扇形损失)，双列级d=2；

l--单列级为喷嘴高度，双列级为各列叶栅的平均高度，mm；

Δhu--轮周比焓降，为扣除喷嘴、动叶、余速三项损失后的理想比焓降，kJ/kg。实际情况是叶片并不无限高，端部损失并不为零。第五节2.扇形损失δhθ

汽轮机中实际应用的是环列叶栅(如图)，与平面直叶栅相比，有两个特点:①叶栅的相对节距t/b不是常数,而是从内径向外径成正比例增加的，这样除了平均直径处的相对节距为最佳外，其他各截面偏离最佳值，这就带来了流动损失。②叶栅出口汽流在轴向间隙中存在着压力梯度，即由内径向外径静压力逐渐增加，所以会产生径向流动损失。第五节级内损失和级的相对内效率2.扇形损失δhθ第五节级内损失和级的相对内效率3.叶轮摩擦损失δhf由两部分组成：（1）叶轮两侧及围带表面的粗糙度引起的摩擦损失（2）子午面内的涡流运动引起的损失4.部分进汽损失δhe喷嘴叶栅不是整圈布置，而是只占据部分圆周，这种布置叫部分进汽。如小汽机高压级和调节级需要采用部分进汽。部分进汽损失有鼓风损失和斥汽损失：（1）鼓风损失发生在不装喷嘴的弧段内（2）斥汽损失和鼓风损失相反，它发生在装有喷嘴的弧段内第五节级内损失和级的相对内效率3.叶轮摩擦损失δhf4.部分进汽损失δhe喷嘴叶栅不是整圈部分进汽时蒸汽流动示意图第五节级内损失和级的相对内效率部分进汽时蒸汽流动示意图第五节级内损失和级的相对内效率5.漏汽损失δhδ冲动级和反动级分开讨论。

对于冲动级，存在⑴隔板漏汽损失---在叶轮上开设平衡孔，在动叶根部设置汽封片，设计时选取合理的反动度，使动叶根部不出现吸汽漏汽现象。⑵叶顶漏汽损失---减小间隙面积和两侧压差，如采用高低齿封。

对于反动级，其漏汽损失比冲动级大，因为：⑴内径汽封的漏汽量比冲动级的隔板漏汽量大，这主要是因为内径汽封直径比隔板汽封直径大，而汽封齿数又比较少。⑵动叶前后的压差较大，所以叶顶漏汽量相当可观。第五节级内损失和级的相对内效率5.漏汽损失δhδ冲动级和反动级分开讨论。对于冲动级隔板的汽封装置动叶顶部汽封示意图(a)隔板漏汽和叶顶漏汽(b)高低齿汽封第五节级内损失和级的相对内效率隔板的汽封装置动叶顶部汽封示意图(a)隔板漏汽和叶顶漏汽(b第五节级内损失和级的相对内效率第五节级内损失和级的相对内效率

⑴湿蒸汽的过饱和现象对级的能量转换所产生的影响表现为理想比焓降的减少。⑵湿蒸汽在膨胀过程中析出水珠，在汽水两相流动中，低速的水珠被高速的蒸汽挟带着流动，从而消耗了气流的一部分动能，称之为挟带损失。⑶水珠的速度小于汽相的速度，偏离动叶入口方向的水珠撞在动叶进口处的背弧上，产生了阻止叶轮旋转的制动作用，克服它就要消耗一部分有用功，称之为制动损失。⑷水珠撞在喷嘴进口处的壁面上，扰乱了主汽流，造成损失，称之为扰流损失。⑸采用捕水装置，当从级内排除部分液相的同时，都不可避免的伴随着一部分蒸汽同时被抽出汽轮机，造成工质损失。第五节级内损失和级的相对内效率6.湿气损失δhx

饱和蒸汽轮机的各级和普通凝汽式汽轮机的最后几级都工作于湿蒸汽区。由于水分存在，干蒸汽的工作也将受到一定的影响，产生湿气损失的原因，有以下几个方面：⑴湿蒸汽的过饱和现象对级的能量转换所产生的影响表现

湿气损失与蒸汽的平均湿度（1-xm）成正比，湿度越大，损失也就越大，级的效率也就越低。为提高湿蒸汽级的效率和防止动叶被冲蚀损坏，一方面可采取有效的去湿方法，另一方面应提高叶片本身的抗冲蚀能力。常用的去湿的方法有：⑴由捕水口，捕水室和疏水通道组成的级内捕水装置(图)。⑵具有吸水缝的空心喷嘴(图)。⑶采用出汽边喷射蒸汽的空心喷嘴(图)。

常用的提高动叶本身抗冲蚀能力采取的措施有：采用耐冲蚀性能强的叶片材料（如钛合金）；在叶片进汽边背弧上镶焊硬质合金；对叶片表面镀铬，局部高频淬硬，电火花强化，氮化等。第五节级内损失和级的相对内效率湿气损失与蒸汽的平均湿度（1-xm）成正比，湿度越大大功率汽轮机中水珠的运动轨迹和去湿装置第五节级内损失和级的相对内效率大功率汽轮机中水珠的运动轨迹和去湿装置第五节级内损失和级第五节级内损失和级的相对内效率第五节级内损失和级的相对内效率第五节级内损失和级的相对内效率第五节级内损失和级的相对内效率二、级的相对内效率和内功率

级的有效比焓降Δhi与理想能量E0之比称为级的相对内效率，简称级效率：第五节级内损失和级的相对内效率图--冲动级的实际热力过程线二、级的相对内效率和内功率级的有效比焓降Δhi与理想三.级内损失对最佳速比的影响第五节级内损失和级的相对内效率右图→级内损失对最佳速比的影响

综上所述，衡量级内能量转换完善程度的最终经济指标是级的相对内效率而不是轮周效率，因此，能袄正获得级的最高相对内效率的速比才是设计时应考虑的速比，用(xa)’op表示。分析对应最高轮周效率的最佳速比(xa)op与对应最高相对内效率的速比(xa)’op两者之间的关系，示图上就是讨论轮周损失以外的其他级内损失对最佳速比的影响。当考虑级内其他各项损失的影响后，级的效率和速度比的关系将发生变化，其规律是效率的最大值降低，对应的最佳速度比值减小。通常，复速级；冲动级；反动级。右图为一工作于过热区的部分进汽的扭叶片调节级，除轮周损失外，该级还有叶高损失δhl、叶轮摩擦损失δhf、鼓风损失δhw、斥汽损失δhs和漏汽损失δhδ。其中δhf和δhw是假想速比的立方的函数，δhl是假想速比的平方的函数，δhs是假想速比的函数，δhδ与速比同方向变化

三.级内损失对最佳速比的影响第五节级内损失和级的相对内效第五节级内损失和级的相对内效率(作业)1.级内损失由哪几种？分别说出每种损失的产生原因。2.为什么反动级的漏气损失比冲动级大？***(6)第五节级内损失和级的相对内效率(作业)1.级内损失由哪几一.概述

研究等截面直叶片时，认为汽流参数沿叶高和周向都不变，故采用一元流动的方法进行分析。对于径高比θ>8~12的短叶片级，这种一元流理论可以获得满意的工程效果。迄今为止，短叶片级的设计仍然采用一元流的计算方法。短叶片观察视频对于径高比较小，叶片很长的级，若仍以一元流理论为基础，不考虑汽流参数沿叶高的变化，设计成直叶片，就将产生多种附加损失，使效率下降。主要损失有：

1.沿叶高圆周速度不同所引起的损失.2.沿叶高节距不同所一起的损失.3.轴向间隙中汽流径向流动引所一起的损失.第八节扭叶片级扭叶片图一.概述第八节扭叶片级扭叶片图第八节扭叶片级二.简化的空间流动模型和完全径向平衡方程（一）简化的一元流动模型

蒸汽在汽轮机内的流动，实际上是一种粘性的可压缩的不稳定的极其复杂的三元流动。故只研究三个特征截面的气动计算。为了找出其中的流动规律，便于在工程实践中应用，应抓住主要矛盾，而忽略其中的次要因素，故作如下假设：

1.不考虑粘性对流体的影响，即把蒸汽作为理想气体处理。2.流动是稳定的，汽流参数不随时间变化。3.认为轴向间隙中的圆周流面是一个轴对称的任意回转面。（二）完全径向平衡方程

子午面--通过汽轮机轴心的rz平面。第八节扭叶片级二.简化的空间流动模型和完全径向平衡方程（汽流在子午面上的分速度子午面内汽流各分速之间的关系第八节扭叶片级汽流在子午面上的分速度子午面内汽流各分速之间的关系第八节

轴对称气流的所有流面都是流线l绕z轴旋转而成的任意旋转面。流面上任意一点的空间汽流速度c可以分解子午分速度cl和切向分速度cu

可见空间流动的速度三角形是cr不等于0的立体三角形。为了把流动放在子午面内来研究，可将回转面上的流线投影到子午面上，如图所示。由图可知，速度cl、cr、cz的关系可表示为：第八节扭叶片级轴对称气流的所有流面都是流线l绕z轴旋转而成的任意旋1.径向静压差

由图可见，微元体上的径向压差为负号表示当为正时，此项径向静压差为负。第八节扭叶片级1.径向静压差由图可见，微元体上的径向压差为2.cu产生的离心力

由于微元体有圆周方向的切向分速cu，必然引起向心加速度所产生的离心惯性力其方向沿半径向外。3.cl产生的离心力的径向分量离心力的径向分量为：4.子午面加速度产生的惯性力的径向分量惯性力的径向分量为：在微元体保持平衡时，所有施加的力在径向方向上的投影为零，即：第八节扭叶片级2.cu产生的离心力由于微元体有圆周方向的切向分速c完全径向平衡方程式：

它是流体在运动过程中径向静压差与各项离心力、惯性力的径向分量保持平衡的关系式。它表明流体压力沿叶高的变化规律与切向分速度沿叶高的分布和流线的形状(即流线的曲率与斜率)有关。在设计扭叶片时，通常采用简单径向平衡法和完全径向平衡法。三.简单径向平衡法(一)简单径向平衡方程

假定汽流在轴向间隙中作轴对称的圆柱面流动，即其径向分速cr为零，或流线的倾角φl为零，曲率半径Rl为无穷大，偏导数应为。这样完全径向平衡方程式变为简单径向平衡方程式：第八节扭叶片级完全径向平衡方程式：它是流体在运动过程中径向静压差与

它表明轴向间隙中汽流切向分速cu所产生的离心力完全被径向静压差所平衡，亦即压力p沿叶高的变化仅仅与汽流切向分速cu沿叶高的分布有关。而且不论切向分速沿叶高如何分布，轴向间隙中的压力总是沿叶高增加的。***7(二)理想等环流流型理想等环流的特定条件是汽流无旋转，其流型的特性：⑴等环流流型的汽流速度沿叶高的变化规律为：

⑵为了使轴向间隙中的汽流保持径向平衡且c1z=常数，喷嘴出口汽流的切向分速c1u必须随半径的增加而减小。第八节扭叶片级它表明轴向间隙中汽流切向分速cu所产生的离心力完全被

⑶根据二元流理论，c1ur=常数的流动是一种无涡的等位流流动，因为喷嘴出口的环量沿叶高相等，各流层之间的环量差等于零，流动是无涡。因此又把这种没有涡流的流型称之为“自由涡流型”（FreeVortex）。由于这种流型没有旋涡产生，所以能量转换时效率高。1.喷嘴出口汽流角α1的变化规律:

喷嘴出口汽流角是随半径r的增加而增大的，等环流级的喷嘴叶片就是按照这个规律成型的。2.动叶进口汽流角β1的变化规律:

β1角比α1角增加的快，动叶片进口边比静叶片出口边扭曲得更强烈。3.动叶出口汽流角β2的变化:动叶出口汽流β2是随半径增大而减小的。第八节扭叶片级⑶根据二元流理论，c1ur=常数的流动是一种无涡的4.动叶出口绝对速度方向角α2的变化规律动叶出口绝对速度方向角α2是随半径增大而增大的。5.反动度Ω的变化规律