华电保定汽轮机原理1电子教案.ppt

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1、Steam Turbine授课(shuk)教师：李慧君能源与动力工程学院第一页，共107页。绪论(xln)（preface)一、电力在国民经济(gumnjngj)中的地位（The Role of Electric Power in National Economy）二、汽轮机装置在电厂中的地位（The Status of Steam Turbine in Power Plant)三、汽轮机发展概述(Summary of Steam Turbine Development)四、汽轮机的分类和型号（Category and Type of Steam Turbine)五、本课程的主要内容（Cont

2、ent of The Subject)绪绪 论论第二页，共107页。二、汽轮机装置(zhungzh)在电厂中的地位（The Status of Steam Turbine in Power Plant)锅锅 炉炉汽轮机汽轮机发发 电电 机机 蒸蒸 汽汽化学能化学能(燃料燃料)热能热能机械能机械能电能电能Power Plant绪绪 论论第三页，共107页。三、汽轮机发展三、汽轮机发展(fzhn)(fzhn)概述概述(Summary of Steam Turbine)(Summary of Steam Turbine)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

3、万级3、汽轮机主要制造业：GE Co.（General Electric Corporation)美国通用电气公司 （冲动式）WH Co.(Westing House Electric Corporation)西屋 （反动式）BBC(Brown Boveri Co.)瑞士 （反动式）AA(Alsthon-Atlantague Co.)法国(f u)（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：南京绪绪 论论第四页，共107页。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

4、(fn li)和型号（Category and Type）绪绪 论论第五页，共107页。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(fn li)和型号（Category and Type of Steam Turbine)绪绪 论论第六页，共107页。绪绪 论论汽轮机的型号表示(biosh)如下：汽轮机类型(lixng)额定功率(dn n l)（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第七页，共107页。本书的内容(nirng)：内容(nirng)原理(yunl)（一、二、三章）结构强度（第五章）辅机凝汽设备（第四章

5、）调节保护（第六章）绪绪 论论第八页，共107页。第一章第一章 汽轮机级的工作汽轮机级的工作(gngzu)原理原理第九页，共107页。第一章 汽轮机级的工作(gngzu)原理第一节 概述第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动(lidng)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 扭叶片级第十页，共107页。第一节 概 述一、概述(i sh)蒸汽(zhn q)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(q mn)，导管，调节汽门

6、(q mn)，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。汽轮机的级第一节第一节 概概 述述第十一页，共107页。汽流冲动汽流冲动(chngdng).avi演示演示蒸汽蒸汽(zhn q)动叶和喷嘴中的流程动叶和喷嘴中的流程.rmvb流程流程第一节 概 述蒸汽(zhn q)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)第十二页，共107页。蒸汽膨胀增速的条件蒸汽膨胀增速的条件-一是有合理的汽流通道一是有合理的汽流通道结构，另一是蒸汽需具有一定

7、的可用热能且有压结构，另一是蒸汽需具有一定的可用热能且有压差存在。差存在。动、静叶栅几何参数动、静叶栅几何参数(cnsh)-(cnsh)-平均直径平均直径dmdm，叶片高度叶片高度l l，叶栅节距，叶栅节距t t，叶栅宽度，叶栅宽度B B，叶栅通道，叶栅通道进口宽度进口宽度a,a,出口宽度出口宽度a1a1和和a2a2，叶型弦长，叶型弦长b b和出口边和出口边厚度，出口汽流角厚度，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(jn ku)角几何出口角汽流出口角叶片安装角前缘点几何进口角第十三页，共107页。旋转旋转(xunzhun)平面与平面与 的夹角的夹角动叶进出口汽流

8、速度(sd)三角形(a)(a)动静动静(dng jing)(dng jing)叶栅汽道示意图叶栅汽道示意图(b)顶点靠拢的速度三角形顶点靠拢的速度三角形汽流的汽流的绝对速度绝对速度圆周速圆周速度度 动叶进口速度三角形动叶进口速度三角形 相对速度相对速度 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速度三角形速度三角形旋转平面与旋转平面与 的夹角的夹角 第一节 概 述第十四页，共107页。滞止参数滞止参数-相对于叶栅通相对于叶栅通道道(tngdo)(tngdo)速度为零的气流速度为零的气流热力参数。用后上标为热力参数。用后上标为”0”0”来表示

9、。来表示。喷嘴进口喷嘴进口 动叶进口动叶进口二、热力过程分析二、热力过程分析(fnx)A.A.热力过程热力过程(guchng)(guchng)线线-蒸蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程汽在动、静叶栅中膨胀过程(guchng)(guchng)在在h-sh-s图上的表示。图上的表示。第一节 概 述第十五页，共107页。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-存在着不可逆过程存在着不可逆过程-耗散效耗散效 应，部分动能转变应，部分动能转变(zhunbin)(zhunbin)为热能。为热能。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

10、失-喷嘴前能量喷嘴前能量-动叶损失动叶损失-余速损失余速损失 -第一节 概 述第十六页，共107页。B.反动度-或反动率,表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度(chngd),定义为动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比,用m来表示。即纯冲动级纯冲动级-m-m,汽流在动叶通道中不膨胀。汽流在动叶通道中不膨胀。结构特点结构特点:动叶为等截面动叶为等截面(jimin)(jimin)通道；通道；流动特点流动特点: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发生在静叶栅通道中,故又称为压力级。故又称为压力级。第一节 概 述第十七页，共10

11、7页。反动级反动级-hn=hb=ht-hn=hb=ht，动，动静叶中焓降相等静叶中焓降相等.结构特点结构特点:动、静叶通道的截面动、静叶通道的截面基本相同；基本相同；流动特点流动特点:动、静叶中增速相等动、静叶中增速相等.冲动冲动(chngdng)(chngdng)级级-膨胀主膨胀主要发生于喷嘴中要发生于喷嘴中,一般一般0.050.050.300.30复速级复速级-由固定的喷嘴叶栅、由固定的喷嘴叶栅、导向叶栅和安导向叶栅和安 装在同一叶轮上的两列动叶栅装在同一叶轮上的两列动叶栅所组成的级称为复所组成的级称为复 速级，又称双列速度级。速级，又称双列速度级。第一节 概 述第十八页，共107页。级的

12、类型级的类型(lixng)和特和特点点反动度叶片类型做功能力（焓降）效率纯冲动级m=0隔板叶轮型较高较低反动级m=0.5转鼓型最低最高冲动级m=0.050.3隔板叶轮型较低较高复速级m=0.050.3隔板叶轮型最高最低第一节 概 述第十九页，共107页。三、级的简化一元流模型三、级的简化一元流模型(mxng)(mxng)和基本和基本方程式方程式A.A.流动过程分析流动过程分析 研研究究蒸蒸汽汽膨膨胀胀的的流流动动过过程程，核核心心(hxn)(hxn)问问题题是是确确定定喷喷嘴嘴出出口口的的汽汽流流速速度度或或流流量量与与喷喷嘴嘴前前后后蒸蒸汽汽参参数数及及通通道道截截面面的的关关系系。因因此此

13、，流流速速或或流流量量、蒸蒸汽汽参参数数和和通通流流截截面面为为流流动动分分析析的的三三个个要要素素。方方法法与与流流体体力力学学及及工工程程热热力力学学中中喷喷管管流流动动的的分分析析方方法法相相同同，叶叶栅栅通通道道的的进进口口参参数通常用相对于叶栅速度为零的滞止参数。数通常用相对于叶栅速度为零的滞止参数。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.基本方程式基本方程式基本方程：连续性方程基本方程：连续性方程 Gv=Ac Gv=Ac 能量方程能量方程 状态或过程方程

14、状态或过程方程 pv=RT pv=RT第一节 概 述第二十页，共107页。1.1.解释汽轮机的级的概念及蒸汽在级内能量的转换解释汽轮机的级的概念及蒸汽在级内能量的转换特点。特点。2.2.蒸汽在动、静叶栅中膨胀蒸汽在动、静叶栅中膨胀(png zhng)(png zhng)过程在过程在h-sh-s图上的表。图上的表。3.3.反动度的定义及表达式。反动度的定义及表达式。4.4.级的类型和特点。级的类型和特点。*（2 2）第一节 概 述(作业(zuy)与思考)第二十一页，共107页。喷嘴出口汽流速度在喷嘴的实际流动过程(guchng)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

15、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(lidng)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(tngdo)中的流动过程第二十二页，共107页。速度系数的影响因素速度系数的影响因素 速度系数与叶栅通道表面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

16、高加工精度，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。胀程度越大，有利于减薄附面层，提高速度系数。在汽轮机中，喷嘴的速度系数在在汽轮机中，喷嘴的速度系数在0.950.950.980.98之之间，一般间，一般(ybn)(ybn)取取0.970.97；动叶的速度系数在；动叶的速度系数在0.850.850.950.95之间，反动度大时可取上限。之间，反动度大时可取上限。速度系数与喷嘴或动叶效率速度系数与喷嘴或动叶效率 由速度系数和喷嘴或由速度系数和喷嘴或动叶效率定义可

17、知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由热力学推导得知，多变指数与速度系数的关系为第二节第二节 蒸汽在喷嘴蒸汽在喷嘴(pnzu)(pnzu)和动叶通道中的流动过程和动叶通道中的流动过程第二十三页，共107页。渐缩喷嘴速度系数渐缩喷嘴速度系数 随叶片高度随叶片高度lnln的变化的变化(binhu)(binhu)曲曲线线第二节第二节 蒸汽在喷嘴蒸汽在喷嘴(pnzu)(pnzu)和动叶通道中的流动过程和动叶通道中的流动过程第二十四页，共107页。喷嘴中蒸汽参数、流速喷嘴中蒸汽参数、流速(li s)(li s)与等比熵比焓降的关与等比熵比焓降的关系系第二节第二节 蒸汽蒸汽(zh

18、n q)(zhn q)在喷嘴和动叶通道中的流动过程在喷嘴和动叶通道中的流动过程第二十五页，共107页。喷嘴(pnzu)中的气流的临界状态n音 速 n n临界(ln ji)速度n临界(ln ji)压力n临界(ln ji)压比第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动(lidng)过程第二十六页，共107页。喷嘴喷嘴(pnzu)的通流的通流能力能力第二节 蒸汽在喷嘴(pnzu)和动叶通道中的流动过程喷嘴喷嘴(pnzu)的等临界速度线的等临界速度线渐缩喷嘴的流量与压比的关系曲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第二十七页，共107页。流量系数流量系数由实际流量计算式可知由实际流量计算式可知即

19、得流量系数与速度系数的关系即得流量系数与速度系数的关系由摩擦使蒸汽温度升高，故总有由摩擦使蒸汽温度升高，故总有 ，理，理论上论上 实际中，速度系数与流量系数是分别由两种实际中，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。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，喷嘴损失引起事实上，在过热蒸

20、汽区，喷嘴损失引起(ynq)(ynq)的比容变化比较小，故流量系数近似等于的比容变化比较小，故流量系数近似等于速度系数，速度系数，；在湿蒸汽区，在降压膨胀过程中应有部分蒸在湿蒸汽区，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度系数的局面。在湿蒸汽区，流量系数通常用下式计算计算 或取或取因此最大流量为：因此最

21、大流量为：第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道(tngdo)中的流动过程第二十八页，共107页。喷嘴和动叶的流量(liling)系数 第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动(lidng)过程喷嘴与动叶的流量喷嘴与动叶的流量(liling)系数系数 第二十九页，共107页。彭台门系数（喷嘴(pnzu)的实际流量与喷嘴(pnzu)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(ln ji)。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

22、来表示，这个参数称之为彭台门系数(亦称流量比系数)。*(3)第二节 蒸汽(zhn q)在喷嘴和动叶通道中的流动过程渐缩喷嘴的渐缩喷嘴的曲线曲线(k k=1.3)=1.3)第三十页，共107页。二、蒸汽二、蒸汽(zhn q)在喷嘴斜切部分在喷嘴斜切部分内的膨胀内的膨胀带有斜切部分带有斜切部分(b fen)(b fen)的的渐缩喷嘴渐缩喷嘴 蒸汽在斜切部分的实际蒸汽在斜切部分的实际(shj)膨胀与偏膨胀与偏转转第二节 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。第三十一页，共107页。第二节 蒸汽在

23、喷嘴和动叶通道(tngdo)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(d do)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)第三十二页，共107页。蒸汽在斜切部分的膨胀程度取决于

24、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(chn wi)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12）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(tngdo)中的流动过程第三十三页，共107页。第二节

25、蒸汽(zhn q)在喷嘴和动叶通道中的流动过程蒸汽蒸汽(zhn q)通过喷嘴时流通过喷嘴时流动分析小结动分析小结第三十四页，共107页。三、蒸汽三、蒸汽(zhn q)在动叶通道中的通在动叶通道中的通流能力流能力n动叶出口汽流的理想相对速度n实际(shj)相对速度n动叶能量损失为n动叶流量系数 动叶速度(sd)系数与m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第三十五页，共107页。第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程(guchng)（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

26、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(shj)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？第三十六页，共107页。第三节第三节 级的轮周功率级的轮周功率(gngl)和轮周和轮周效率效率一、蒸汽一、蒸汽(zhn q)作用在动叶栅上的力作用在动叶栅上的力轮周功率轮周功率l汽流对动叶的作用

27、力Fu（轮周力）l 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l 轴向力。由动量定律求得。l利用(lyng)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第三十七页，共107页。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(yuxio)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P

28、u 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(yuxio)比焓降hu.第三节 级的轮周功率(gngl)和轮周效率第三十八页，共107页。第三节 级的轮周功率(gngl)和轮周效率 利用(lyng)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。对于对于(duy)(duy)冲动级，由于动冲动级，由于动叶转折较大，所以叶转折较大，所以11和和22较小较小，做功能力较大；而对于，做功能力较大；而对于(duy)(duy)反动级，由于动叶转折反动级，由于动叶转折较冲动级小，所以较冲动

29、级小，所以11和和22较大较大，做功能力较小，做功能力较小第三十九页，共107页。l轮周效率u1kg蒸汽所作出的轮周功Wu与蒸汽在该级所消耗(xioho)的理想能量E0之比称为级的轮周效率.l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表示，0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hc0=0(hc2)abv，(hc2)abv是上一级的余速动能;1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ht0减去被下一级利用的余速动能1hc2，因为1hc2成了下一级喷嘴的喷嘴的进口初速动能，并

30、没有在本级消耗(xioho)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。l E0=hc0+ht0-1hc2=ht0-1hc2二、轮周效率二、轮周效率(xio l)第三节 级的轮周功率(gngl)和轮周效率第四十页，共107页。n以能量平衡(pnghng)方式表示的轮周效率n喷嘴损失系数：n动叶损失系数：n余速损失系数：n轮周效率的各损失系数的表示：n三、轮周效率与速比的关系n速 比-n假想速比-即轮周速度与级假想速度之比.n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(gngl)和轮周效率*(4)*(4)第四十一页，共107页。在汽轮机设计中

31、，当整机的初、终参数和流量确定后，可根据经验在汽轮机设计中，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(xio l)最高。由轮周效率最高。由轮周效率(xio l)定义可知：当喷嘴出口汽流速度一定定义可知：当喷嘴出口汽流速度一定时，影响轮周效率时，影响轮周效率(xio l)的主要因素是动叶损失和余速损失。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

32、速度改变时，喷嘴特别是余速损失。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，从而使轮周效率对速度先变小后变大，从而使轮周效率(xio l)发生变化。由此可发生变化。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以看出，轮周速度与喷嘴出口汽流速度间的比对轮周效率(xio l)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，能使轮周效率值，选择怎样的焓降分配，能使

33、轮周效率(xio l)达到最大。这就达到最大。这就是最佳速比分析的背景。是最佳速比分析的背景。第三节 级的轮周功率(gngl)和轮周效率第四十二页，共107页。在纯冲动(chngdng)级中，假设(jish)不利用上一级余速，本级余速也不被下一级利用，于是(ysh)由速度三角形知1.1.纯冲动级最佳速比纯冲动级最佳速比第三节 级的轮周功率和轮周效率第四十三页，共107页。将以上(yshng)关系代入，得：由上式可知(k zh)，速度系数越大，轮周效率(xio l)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1和2也可以提高轮周效率，但过分减小1和2，由于汽道的弯曲程度增大，流动恶

34、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第四十四页，共107页。于是(ysh)最佳速比纯冲动级轮周效率(xio l)曲线 第三节 级的轮周功率(gngl)和轮周效率为了实用上的方便，常用代替x1，对纯冲动级对纯冲动级第四十五页，共107页。u余速利用对最佳速比的影响余速利用对最佳速比的影响u纯冲动、余速不被利用纯冲动、余速不被利用 喷嘴及动叶的摩擦损失相对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。如于级的理想能量是个定值，比例关系决

35、定于速度系数。如果动叶的相对进口角能适应果动叶的相对进口角能适应(shyng)(shyng)各种工况，那么喷嘴各种工况，那么喷嘴出口速度一定时，增大轮周速度出口速度一定时，增大轮周速度u u将使动叶的排汽速度下降，将使动叶的排汽速度下降，当轮周速度为当轮周速度为 时，动叶出口的绝对汽流角为时，动叶出口的绝对汽流角为9090，排汽绝对速度达到最小，即轮周效率最大。，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(gngl)和轮周效率第四十六页，共107页。v纯冲动、利用余速 v最佳速比v 式中 v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

36、后，v a)增大了轮周效率；v b)使在最佳速比附近(fjn)对轮周效率的灵敏性下降，提高了适应工况变化的能力；v c)使速比(xa)op相对于不利用时向增大方向移动。v 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(gngl)和轮周效率第四十七页，共107页。2.2.反动级反动级对于对于(duy)(duy)典型反动级，喷嘴与动典型反动级，喷嘴与动叶中的叶中的比焓降相等，即反动度为比焓降相等，即反动度为0.50.5。为了制造方便，喷嘴与动叶采用同为了制造方便，喷嘴与动叶采用同一叶型即一叶型即1=21=2，w2=c1w2=c1。此时喷嘴与动叶的速度系数大致相此时喷嘴与动叶的

37、速度系数大致相等，即等，即=。假设余速动能全部为下一级所利用，假设余速动能全部为下一级所利用，即即1=11=1。在这些条件下在这些条件下,则有则有1=2 1=2，w2=c1,w2=c1,=，w1=c2 w1=c2，1=1.1=1.反动(fndng)级的叶栅汽道与速度三角形 第三节 级的轮周功率(gngl)和轮周效率第四十八页，共107页。反动(fndng)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(lyng)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

38、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(gngl)和轮周效率第四十九页，共107页。3.3.冲动冲动(chngdng)(chngdng)级级冲动级的反动度一般(ybn)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(zu ji)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(zu ji)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第五十页，共107页。4.4.复速级复速级右图为复度级的速度三角

39、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(dngy)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(yn wi)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1=0.第三节 级的轮周功率(gngl)和轮周效率复度级的速度三角形第五十一页，共107页。复速级的轮周效率(xio l)则为 第三节 级的轮周功率(gngl)和轮周效率第五十二页，共107页。具有(jyu)反动度的复速级的热力过程线第三节 级的轮周功率(gngl)和轮周效率第五十三页，共107页。n最佳速比与级的焓降（作功能力）n由速比

40、定义 n可知(k zh)，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。n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(gngl)和轮周效率第五十四页，共107页。最佳最佳(zu ji)(zu ji)速比速比的基本特征的基本特征第三节 级的轮周功率(gngl)和轮周效率第五十五页，共107页。第三节 级的轮周功率和轮周效率(xio l)(作业)*(5)*(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

41、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(chngdng)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。第五十六页，共107页。第四节第四节 叶栅的气动叶栅的气动(q dn)特性特性 在蒸汽热能(rnng)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p(气流绕流平面叶栅时产生的能量损失)和端部损失e(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

42、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(q dn)特性第五十七页，共107页。第四节 叶栅的气动(q dn)特性一、叶栅的几何一、叶栅的几何(j h)(j h)参数和汽流参数参数和汽流参数汽流冲角：叶型几何进口(jn ku)角与汽流进口(jn ku)角之差，即二、叶型损失p 指平面气流绕流叶栅时的能量损失。第五十八页，共107页。第四节 叶栅的气动(q dn)特性第五十九页，共107页。第四节 叶栅的气动(q dn)特性第六十页，共107页。(a)(a)无涡流无涡流(wli)(wl

43、i)（b b）有涡流）有涡流(wli)(wli)反动反动(fndng)式叶栅中叶型表面附面层分布示意图式叶栅中叶型表面附面层分布示意图第四节 叶栅的气动特性第六十一页，共107页。叶栅中的二次流示意图叶栅中的二次流示意图(a)双涡流(wli)示意图(b)附面层和压力(yl)分布图1-腹面；2-背面(bimin)；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、端部损失三、端部损失e 气流流过叶顶及叶根边界区域时产生的能量损失。气流流过叶顶及叶根边界区域时产生的能量损失。第六十二页，共107页。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

44、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(zhyo)影响因素第六十三页，共107页。第四节 叶栅的气动(q dn)特性四、叶栅的汽流出口角四、叶栅的汽流出口角 直接

45、影响着叶栅的通流能力和做功能力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五、马赫数对叶栅特性的影响 当叶栅在马赫数当叶栅在马赫数Ma0.30.4Ma0.30.4的条件下工作时，压力分的条件下工作时，压力分布曲线、损失系数和汽流出口角都将随布曲线、损失系数和汽流出口角都将随MaMa的改变的改变(gibin)(gibin)而变化。这就是汽体的可压缩性对叶栅特性的而变化。这就是汽体的可压缩性对叶栅特性的影响。影响。作业作业1.1.叶栅能量损失的组成。叶栅能量损失的组成。2.2.叶型及叶端损失产生的机理。叶型及叶端损失产生的机理。第六十四页，共107页。第五节第五节 级内损失级内损失

46、(snsh)和级的相和级的相对内效率对内效率一、级内损失一、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量等于蒸汽(zhn q)(zhn q)在级内的理想比焓降。实际上由于级在级内的理想比焓降。实际上由于级内存在内存在着各种各样的损失，蒸汽着各种各样的损失，蒸汽(zhn q)(zhn q)的理想比焓降不可能全的理想比焓降不可能全部转变为部转变为机械功。凡是级内与流动时能量转换有直接联系的损失，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称之为汽轮机级的内部损失。否则，则称

47、为汽轮机的外部损失。损失。第五节 级内损失和级的相对(xingdu)内效率第六十五页，共107页。级内损失通常指实际环形叶栅偏离平面(pngmin)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

48、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(pngmin)叶栅的轮周损失和工作状态偏离平面(pngmin)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

49、失，扭叶片级不存在扇形损失。第五节 级内损失和级的相对(xingdu)内效率第六十六页，共107页。1.叶高损失(snsh)hl 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(zgu)长，而达到无限高的程度时，端部损失为零。第五节 级内损失(snsh)和级的相对内效率第六十七页，共107页。实际情况是叶片并不无限(wxin)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(xing

50、du)内效率 上式中a-试验系数(xsh)，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；hu-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。第六十八页，共107页。2.扇形损失h 汽轮机中实际应用的是环列叶栅(如图)，与平面(pngmin)直叶栅相比，有两个特点: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。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