2.3-级-轮周效率与速比---复件(1)解析.ppt

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1、三、级的轮周功率和轮周效率三、级的轮周功率和轮周效率本本 节节 要要 点点 轮周功率轮周功率 轮周效率轮周效率 轮周效率与速比的关系轮周效率与速比的关系必须清楚的小知识必须清楚的小知识动叶栅发出的轮周功体现了全级的能量转换过程，动叶栅发出的轮周功体现了全级的能量转换过程，衡量这个能量转换过程完善程度的指标是轮周效率。衡量这个能量转换过程完善程度的指标是轮周效率。减小轮周损失，提高轮周效率，是提高级乃至汽轮减小轮周损失，提高轮周效率，是提高级乃至汽轮机整体效益的基础。机整体效益的基础。F Fu uF Fz zF Fb b一、蒸汽作用在动叶栅的力和轮周功率1.1.蒸汽作用在动叶栅的力：蒸汽作用在动

2、叶栅的力：设设 时间内流过动叶的蒸汽量时间内流过动叶的蒸汽量为为 ，动量变化为：，动量变化为：绝对坐标系：切向绝对坐标系：切向 轴向轴向相对坐标系：切向相对坐标系：切向 轴向轴向作用在动叶上的汽流力作用在动叶上的汽流力产生旋转机械功的切向力产生旋转机械功的切向力不产生机械功的轴向力不产生机械功的轴向力汽流对动叶的作用力汽流对动叶的作用力FuFu（轮周力、周向力）（轮周力、周向力）由动量定理求得由动量定理求得用速度三角形关系进行计算用速度三角形关系进行计算圆周方向气流对圆周方向气流对动叶的作用力动叶的作用力F Fu u轴向轴向作用在动叶上的轴向力应是汽流轴向力和压差力的总和作用在动叶上的轴向力应

3、是汽流轴向力和压差力的总和设动叶压差作用有效面积为设动叶压差作用有效面积为AzAz，则总的轴向力，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。力平衡装置。说明：圆周向力说明：圆周向力Fu与汽轮机旋转方向一致，推动叶片作功，与汽轮机旋转方向一致，推动叶片作功，轴向力轴向力Fz不作功，产生轴向推力。不作功，产生轴向推力。2.2.轮周功率轮周功率P Pu u：kWkWkJ/kgkJ/kg单位

4、时间内蒸汽推动叶轮旋转所作出的机械功称为轮周功率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.1kg1kg蒸汽产生的轮周功蒸汽产生的轮周功WuWu等于级的轮周有效比焓降等于级的轮周有效比焓降hu.hu.利用速度三角形的关系利用速度三角形的关系 ，得，得轮周功的意义轮周功的意义：由喷嘴带进动叶的蒸汽动由喷嘴带进动叶的蒸汽动能能 与动叶内热能转换的动能与动叶内热能转换的动能 之和，减去蒸汽离开动叶所带走的动能之和，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，所以对于冲动级，由于动叶转折较大，所以1 1和和2 2较小，做功能力较大；而对较小，做功能力较大；而对于反动级，由于

5、动叶转折较冲动级小，所以于反动级，由于动叶转折较冲动级小，所以1 1和和2 2较大，做功能力较小较大，做功能力较小二、轮周效率u定定义义：1kg蒸汽所作出的蒸汽所作出的轮轮周功周功Wu与蒸汽在与蒸汽在该级该级所消耗的理想所消耗的理想能量能量E0之比称之比称为级为级的的轮轮周效率。周效率。E0的的计计算算式中：式中：余速利用系数余速利用系数 0 表示本级利用上一级余速动能的份额表示本级利用上一级余速动能的份额 1 表示本级余速动能被下一级利用的份额表示本级余速动能被下一级利用的份额本级喷嘴进口的初动能本级喷嘴进口的初动能hc0=0(hc2)abv,(hc2)abv上一级的余速动能上一级的余速动能

6、;同理本级余速损失中同理本级余速损失中1 1hchc2 2部部分是下一级喷嘴的进口初速动能，这部分能量将算分是下一级喷嘴的进口初速动能，这部分能量将算到下一级，因此，如果不扣去到下一级，因此，如果不扣去1 1hchc2 2，那么，那么1 1hchc2 2将既算在本级理想能量将既算在本级理想能量E E0 0内，又算在下级内，又算在下级的的E E0 0内，这就重复了。内，这就重复了。一般地，调节级和排汽级的一般地，调节级和排汽级的为为0,0,抽汽级为抽汽级为0.00.00.50.5，中间级为中间级为1.01.0余速利用系数余速利用系数的大小将影响到下一级的滞止状态点。的大小将影响到下一级的滞止状态

7、点。轮周效率轮周效率u u计算公式的不同形式计算公式的不同形式 定义式定义式 速度式：速度式：式中：式中：c ca a为级的假想理想速度，即假定级的滞止理想焓降全部为级的假想理想速度，即假定级的滞止理想焓降全部在喷嘴中等比熵膨胀所获得的理想速度。在喷嘴中等比熵膨胀所获得的理想速度。能量平衡方式能量平衡方式 能损分析式：用来分析各种轮周损失所占比例较为方便能损分析式：用来分析各种轮周损失所占比例较为方便式中：式中：n n 喷嘴损失系数，喷嘴损失系数，n n=h=hn n/E/E0 0 b b 动叶损失系数，动叶损失系数，b b=h=hb b/E/E0 0 c2c2余速损失系数，余速损失系数，c2

8、c2=h=hc2c2/E/E0 0结结 论论以速度形式表示的以速度形式表示的u u计算公式，一般用来分析级的轮周效率与计算公式，一般用来分析级的轮周效率与速比之间的关系；而以损失系数表示的速比之间的关系；而以损失系数表示的u u计算公式，用来分析各计算公式，用来分析各种轮周损失所占比例时较为方便；在进行级的热力计算时，可用种轮周损失所占比例时较为方便；在进行级的热力计算时，可用来互相校核。来互相校核。轮周效率取决于三项损失系数轮周效率取决于三项损失系数n、b和和c2，在喷嘴和动叶叶型选在喷嘴和动叶叶型选定后，定后，和和就基本上确定了，影响轮周效率就基本上确定了，影响轮周效率u的主要因素是余速的

9、主要因素是余速损失系数损失系数c2，因此，应减少动叶出口的绝对速度，因此，应减少动叶出口的绝对速度c2，同时提高余速，同时提高余速利用系数。利用系数。三、轮周效率与速比的关系级的速比级的速比假想速比假想速比-即轮周速度与级假想速度之比即轮周速度与级假想速度之比,级假想速度级假想速度-假想假想 在喷嘴中等熵膨胀时得到的出口速度在喷嘴中等熵膨胀时得到的出口速度最佳速比最佳速比-对应最高轮周效率的速比对应最高轮周效率的速比.即即以假想动能的形式表示整级滞以假想动能的形式表示整级滞止理想比焓降止理想比焓降最佳假想速比最佳假想速比-对应最高轮周效率的假想速比对应最高轮周效率的假想速比.速速比比是是汽汽轮

10、轮机机的的重重要要指指标标，直直接接影影响响汽汽轮轮机机组组的的轮轮周周效效率和作功能力。率和作功能力。1.1.纯冲动级最佳速比纯冲动级最佳速比在纯冲动级中，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，假设不利用上一级余速，本级余速也不被下一级利用，于是于是由速度三角形知由速度三角形知影响影响u u的因素有的因素有x x1 1,1 1,1 1,2 2,但在一般情况下，但在一般情况下，,1 1,1 1,2 2的值只在很小范围内变化，所以对的值只在很小范围内变化，所以对u u影响最大的因素是影响最大的因素是x x1 1。将以上关系代入，得：将以上关系代入，得：越大，轮周效率越高，

11、因此应尽量改善叶栅的气动越大，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特性以提高速度系数适当减小适当减小 和和 也可以提高轮周效率，但过分减小也可以提高轮周效率，但过分减小 和和 ，由于，由于汽道的弯曲程度增大，流动恶化，使轮周效率降低。汽道的弯曲程度增大，流动恶化，使轮周效率降低。叶型一经选定叶型一经选定便基本确定便基本确定轮周效率只随速比的变化而变化轮周效率只随速比的变化而变化当当x x1 1=0=0，u=0u=0，说明叶轮不动，没有做功，故，说明叶轮不动，没有做功，故u u=0=0。当当x x1 1=cos=cos1 1时，时，u=cu=c1 1coscos1 1，此时，

12、此时1 1=90=90=2 2 ，说明，说明w w1 1和和w w2 2在轮周方向的分速度为在轮周方向的分速度为0 0，即作用在动叶栅的轮周力，即作用在动叶栅的轮周力为为0 0，故此时也未做功，故此时也未做功，u u=0=0。1.1.纯冲动级最佳速比纯冲动级最佳速比当当0 0 x x1 1coscos1 1时，函数是连续的，且时，函数是连续的，且u u0 0；则在此区间必存；则在此区间必存在一个速比在一个速比x x1 1使轮周效率达最大，该速比即为最佳速比。使轮周效率达最大，该速比即为最佳速比。最佳速比可通过函数式求极值的方法得到最佳速比可通过函数式求极值的方法得到于是最佳速比于是最佳速比为了

13、实用上的方便，常用为了实用上的方便，常用代替代替对纯冲动级对纯冲动级通用式：通用式：1.1.纯冲动级最佳速比纯冲动级最佳速比几何法分析最佳速比几何法分析最佳速比(x(x1 1)opop的物理意义的物理意义2 2=90=90即轴向排汽时即轴向排汽时，余速损失最小，轮周效率最大。，余速损失最小，轮周效率最大。一般情况下一般情况下1 1=10-16=10-16，最末几级可增大到，最末几级可增大到2020，故，故 (x (x1 1)op=0.47-0.49)op=0.47-0.49c c2 2c c1 1w w1 1=w=w2 2u uu u1 12 2u u2 2w w1 1=w=w2 2c c2

14、21 1c c1 1u u1 1c c2 2c c1 1w w1 1=w=w2 2u uu u2 2若若1 1=10-16=10-16，=0.97=0.97，则，则(x(xa a)op=0.456-0.476)op=0.456-0.476轴向排汽，效率最高轴向排汽，效率最高纯冲动级轮周效率曲线纯冲动级轮周效率曲线 余速利用对最佳速比的影响余速利用对最佳速比的影响余速利用时，纯冲动级的轮周效率表示为：余速利用时，纯冲动级的轮周效率表示为：利用速度三角形经代换得：利用速度三角形经代换得：令：令：例：当例：当=0.96=0.96、=0.90=0.90及及1 1=14=14时，对时，对 的纯冲动级，的

15、纯冲动级，,时，时，c)c)使速比使速比 向增大方向移动。向增大方向移动。a)a)增大了轮周效率；增大了轮周效率；b)b)最佳速比附近轮周效率敏感度最佳速比附近轮周效率敏感度下降，提高了适应工况变化的下降，提高了适应工况变化的能力；设计时略微降低点效率能力；设计时略微降低点效率可换取更大的作功能力可换取更大的作功能力(焓降焓降)d)d)使轮周效率失去了相对于最高点的基本对称性使轮周效率失去了相对于最高点的基本对称性。反动级叶栅汽道与速度三角形反动级叶栅汽道与速度三角形 2.2.反动级最佳速比反动级最佳速比 反动级的特征反动级的特征对于典型反动级，喷嘴与动叶中的比焓降对于典型反动级，喷嘴与动叶中

16、的比焓降相等，即反动度约为相等，即反动度约为0.50.5。为了制造方便，喷嘴与动叶采用同一叶为了制造方便，喷嘴与动叶采用同一叶型即型即1 1=2 2，=。反动级余速一般全部利用，即反动级余速一般全部利用，即0=1 1=1=1，在这些条件下，在这些条件下,则有则有1 1=2 2 ，=,c,c1 1=w=w2 2 ，c c0 0=w=w1 1=c=c2 2 ，1 =2。反动级进出口速度三角形为反动级进出口速度三角形为全等三角形全等三角形用解析法可求反动级的轮周效率与速比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速比为

17、:反动级的最佳假想速比：反动级的最佳假想速比：反动级中，反动级中，喷嘴动叶焓降相等，喷嘴动叶焓降相等，典型反动级最佳速比典型反动级最佳速比 喷嘴动叶几何相似，喷嘴动叶几何相似，速度三角形相似，当速度三角形相似，当 时时 最小，余速损失最小最小，余速损失最小轴向排汽，效率最高轴向排汽，效率最高反动级轮周效率与速比反动级轮周效率与速比x x1 1和和x xa a的关系的关系 1）反动级的轮周效率在）反动级的轮周效率在最大值附近变化平稳，速最大值附近变化平稳，速比变化不易引起效率明显比变化不易引起效率明显下降。下降。2）反动级最佳速比大于）反动级最佳速比大于纯冲动级，在纯冲动级，在u相同时相同时,比

18、比纯冲动级作功能力小，故纯冲动级作功能力小，故级数要多。级数要多。3.3.冲动级的最佳速比冲动级的最佳速比冲动级的反动度一般在冲动级的反动度一般在0.05-0.300.05-0.30之间之间,对于余速可被利用的的冲对于余速可被利用的的冲动级动级,根据速度三角形和这种级的特点根据速度三角形和这种级的特点,可推导出它轮周效率的可推导出它轮周效率的表达式表达式:由图可见由图可见,冲动级的最佳速比和反动度同冲动级的最佳速比和反动度同向变化向变化,且与余速的利用程度有关且与余速的利用程度有关,余余速利用系数越小速利用系数越小,最佳速比随反动度而最佳速比随反动度而变化的程度越剧烈。变化的程度越剧烈。最佳速

19、比与反动度和余速利用系数之间的最佳速比与反动度和余速利用系数之间的关系关系4.4.复速复速级的最佳速比级的最佳速比右图为复度级的速度三角形，右图为复度级的速度三角形，其上部为第一列动叶的进口、其上部为第一列动叶的进口、出口速度三角形，下部则为第出口速度三角形，下部则为第二列动叶的进口、出口速度三二列动叶的进口、出口速度三角形。角形。复速级的轮周功等于两列动叶复速级的轮周功等于两列动叶栅轮周功之和栅轮周功之和:为了分析复速级的最佳速比为了分析复速级的最佳速比,特特做如下简化做如下简化:因为复速级常单独做成因为复速级常单独做成单级汽轮机或多级汽轮机的调节级单级汽轮机或多级汽轮机的调节级,故余速故余

20、速利用系数利用系数1 1=0=0复速级的速度三角形复速级的速度三角形复速级的轮周效率则为复速级的轮周效率则为 为便于分析，假定复速级各列动叶和导向叶片进出汽角相等，为便于分析，假定复速级各列动叶和导向叶片进出汽角相等，速度系数速度系数典型复速级最佳速比典型复速级最佳速比轴向排汽，效率最高轴向排汽，效率最高具有反动度的复速级的热力过程线具有反动度的复速级的热力过程线为提高流动效率，复为提高流动效率，复速级动叶和导叶都速级动叶和导叶都采用少量反动度，采用少量反动度，但复速级一般作调但复速级一般作调节级是部分进汽，节级是部分进汽，反动度过大会增大反动度过大会增大漏汽损失，反动度漏汽损失，反动度应适当

21、。应适当。最佳速比与级的焓降（作功能力）最佳速比与级的焓降（作功能力）由速比定义由速比定义 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：此表明：在大致相等轮周速度下，反动级的焓降小于冲动级。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。这样，反动式机组的整机级数明显多于冲动式机组。在相同的圆周速度在相同的圆周速度u u，喷嘴速度系数和喷嘴出口汽流角的条，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：件下，各自的最佳速比下：最佳速比的基本特征最佳速比的基本特征1.1.轮周功率、轮周效率的表达式及意义？余速轮周功率、轮周效率的表达式及意义？余速利用系数、理想能量及轮周效率之间的关系？利用系数、理想能量及轮周效率之间的关系？2.2.速比、最佳速比、假想速比的定义？在何种速比、最佳速比、假想速比的定义？在何种情况下纯冲动级、反动级、复速级轮周效率最情况下纯冲动级、反动级、复速级轮周效率最高？高？3.3.喷嘴流量与压比的关系？喷嘴流量与压比的关系？4.4.分析极限膨胀压力与喷嘴入口压力、临界分析极限膨胀压力与喷嘴入口压力、临界压力、喷嘴出口压力之间的关系。压力、喷嘴出口压力之间的关系。思考题思考题