第一章汽轮机级的工作原理

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1.1概述
二、反动度和级的类型
（一）反动度：用来衡量蒸汽在动叶栅中的膨胀程度
m

hb ht*
hb — 蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降
ht* — 蒸汽在整个级中膨胀时的滞止理想焓降
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1.1概述
（二）汽轮机级的类型及特点 1、冲动级和反动级
若蒸汽在动叶栅中的流动为等熵 过程，则此时的能量方程式为
h1
w12 2

h2t

w22t 2
所以，动叶栅出口的气流相对速度为
w2t 2(h1 h2t ) w12 2mht* w12 2hb* 动叶的速度系数 w2
w2t
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1.2 汽轮机的工作过程
3、动叶出口速度三角形
1
1

* 2

* 2
u — 动叶的圆周速度
c1
1
c2
2
c1、w1、u构成动叶栅的进口速度三角形，c2、w2、u构 成动叶栅的出口速度三角形。则各个速度矢量之间的关系
式为：
c22 w22 u2 2w2u cos180 2
2

arcsin w2
sin180
c2
2
2 2hb 12
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1.2 汽轮机的工作过程
小结：
了解一元流动的基本方程 熟悉蒸汽在喷嘴中的流动 特点 掌握速度三角形的画法
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1.3级的轮周功率与轮周效率
对于过热蒸汽，取μn =0.97； 对于饱和蒸汽，取μn = 1.02。 考虑了流量系数之后，通过喷嘴的实际流量为：
对于过热蒸汽： Gcr 0.647 An p0*0* 对于饱和蒸汽： Gcr 0.648An p0*0* 另外还可以用单一的计算公式表示：
Gcr 0.648 An p0*0*
β称为彭台门系数。
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n
1.2 汽轮机的工作过程
3、彭台门系数β
在实际计算中，为方便起见，引入一个流量比的概念，它 是通过喷管的任一流量与同一初始状态下的临界流量之比， 即β=G/Gcr,称之为彭台门系数，其值为
（1）冲动级: 反动度等于零的级
工作特点： 蒸汽只在喷管叶栅中膨胀，在动 叶栅中不膨胀而只改变其流动方 向，当不考虑损失时，动叶通道 进出口压力相等，相对速度也相 等
结构特点： 动叶叶型几乎为对称弯曲，即动 叶通道内各通流截面近似相同
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1.1概述
（2）反动级 反动级：反动度约等于0.5的级 工作特点：蒸汽在喷管和动叶通道中 的膨胀程度相等
（2）连续性方程—— G= Ac A1c1 A2c2 常数
v v1
v2
（3）动量方程——cdc=-vdp *
（4）能量守恒方程——
h0

c02 2
q

h1

c12 2

w
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1.2 汽轮机的工作过程
二、蒸汽在喷管中的膨胀过程
图为蒸汽在喷管中的热力过 程线，O点是喷管前蒸汽的状态 点， 0* 是喷管前的滞止状态点。
（四）蒸汽在喷管斜切部分的流动
为了使喷嘴中流出的汽流顺利 进入动叶通道，在喷嘴出口处 必 须 有 一 段 斜 切 部 分 , 如 图 1-14所示。这样，实际喷嘴由两 部分所组成：一部分是渐缩部 分ABDE，AB为最小截面处。 另一部分为斜切部分ABC。由 于斜切部分的存在，它将给汽 流产生影响。
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p1 p0*
k 1
k

(1 11 p9)
临界压力为：
pcr


k
2
1

p0
v0 vcr
k
cr

pcr po


k
2
1
k 1
(1 22 p12)
cr 即为临界压力比，它是气流达到音速时的压力与滞止压力之比
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第一章 汽轮机级的工作原理
教学目标：
①能叙述汽轮机的基本工作原理 ②能描述蒸汽在喷嘴中的流动特点 ③会画速度三角形 ④能说出级内损失的内容 ⑤会计算轮周功率和级效率 ⑥会比较纯冲动级与反动级的作功能力与效率
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第一章 汽轮机级的工作原理
重点：①汽轮机的基本工作原理
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1.1概述
小结：
了解汽轮机级的类型和特点 熟悉汽轮机级的结构名词 掌握汽轮机的基本工作原理
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1.2 汽轮机的工作过程
基本假设和基本方程式
流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性、非连续性和不稳定的三 元流动的实际流体。为了研究方便，特作如下假设： 1 . 蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的：即在流动过程中，通道 中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变。 2. 蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动：即蒸汽在叶栅通道中
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1.1概述
一、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理 级是汽轮机中最基本的工作单位
级的组成：在结构上它是由喷 管和其后的动叶栅所组成
单级汽轮机 汽轮机从结构上分类
多级汽轮机
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1.1概述
基本概念：
动叶： 按一定的距离和一定的角度安装在叶轮上 形成动叶栅，并构成许多相同的蒸汽通道
蒸汽流过动叶通道的情况如图所示。
假速设度在2流t时入间动内叶有通质 道量，当m流为动的为蒸稳汽定以 流动时，则同样的蒸汽质量 m以速度 2 流出动叶通道
n

p1 p0*
临界流量的概念
k
n
cr


k
2 k 1 1
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1.2 汽轮机的工作过程
（三）喷管中流量计算
2、喷管的实际流量
G
An
c1 v1

An
c1t
v1
v1t v1t


v1t v1
Gt
nGt
式中， μn称为喷嘴流量系数。
流动时，其参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂 直的截面上不变化。 3. 蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动：即蒸汽在叶栅通道中 流动时与外界没有热交换。`
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1.2 汽轮机的工作过程
一 、可压缩流体一元流动的基本方程 基本方程式：
（1）状态方程—— pv=RT
具有初速c0、初压p0、初焓h0的 蒸汽在喷管中膨胀到背压p1，在
无损失的情况下，沿着等熵线 O—1t 膨 胀 到 1t 点 ， 喷 管 的 焓 降
为 hn ，在有损失的情况下，膨
胀的热力过程沿O—1线进行，喷 管出口实际状态点为1。
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1.2 汽轮机的工作过程
转子：动叶栅装在叶轮上，与叶轮以及转轴组成 汽轮机的转动部分
喷管：静叶片构成的蒸汽通道 静叶栅（喷嘴叶栅）： 静叶按一定的距离和一定的角
度排列形成静叶栅（静叶栅固 定不动）
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1.1概述
冲动力： 当一运动的物体碰到另一个静 止的或速度不同的物体时，就 会受到阻碍而改变其速度的大 小和方向，同时给阻碍它运动 的物体一个作用力

G Gc r

Gt
Gt
cr

f n
k
2 1

2
k n
k 1
n k

k 1
2 k 1


k 1
对于亚临界流动，β<1
在临界和超临界条件下，β=1，与 n 无关
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1.2 汽轮机的工作过程
结构特点：动叶叶型与喷管叶型相同
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1.1概述
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
特点：压力级可以是冲动级，也可以是反动级
（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
特点：速度级可以是双列的和多列的
（一）喷管中的气流速度
1、喷管出口气流的理想速度
蒸汽在喷管中的能量转换规律为 h0

c02 2
h1t

c12t 2
喷嘴出口的理想速度c1t为：
c1t 2 h0 h1t c02 2hn c02
2、临界速度和临界压力
2hn*
2k k 1
p0*v0*

1
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1、当喷嘴出口压力（背压）大于或等于临界压力时，AB截面 上的流速小于或等于音速，喉部压力等于背压，汽流通过喷嘴 ，只在渐缩部分膨胀加速，而在斜切部分ABC处不膨胀加速。 斜切部分只起导向作用。从喷嘴流出的汽流与动叶运动方向成 一角度(称为喷嘴出汽角α1）。
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1.2 汽轮机的工作过程
（三）喷管中流量计算 1、喷管的理想流量 对于等熵流动，通过 喷管的理想流量Gt 为
Gt

An
c1t v1t
An
2k k 1
p* * 00
2


k
n
k 1
k n

(1 25 p13)
喷管后压力与喷管前 滞止压力之比
②蒸汽在喷嘴中的流动特点 ③动叶片速度三角形 ④级内损失、级内热力过程 ⑤轮周功率和级效率 ⑥纯冲动级与反动级的作功能力与效率的比较
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第一章 汽轮机级的工作原理
本节内容： 第一节 概述 第二节 汽轮机级的工作过程 第三节 级的轮周功率与轮周效率 第四节 汽轮机的级内损失和级效率
结论：质量越大，冲动力越大；速 度越大，冲动力越大
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1.1概述
反动力：由于膨胀加速产生的作用力
反动做功原理： 蒸汽在动叶通道中流动 →给动叶栅一 个冲动力→在动叶栅中膨胀→给动叶 栅一个反动力→两个力的合力F作用 在动叶栅上→使动叶栅旋转而产生机 械功
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1、动叶进口速度三角形
用图解法求出通道进口相 对速度的大小和方向角
1 c12 u2 2uc1 cos1
1

arcsin
c1 sin1 1

arctg
c1 sin1 c1 cos1 u
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1.2 汽轮机的工作过程
2、动叶栅出口的气流相对速度
A
c
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பைடு நூலகம்
1.2 汽轮机的工作过程
（二） 喷嘴截面积的变化规律
（1）当汽流速度小于音速，即Ma<1时，若要使汽流能继续加速，即 dc>0，则必须dA< 0,也就是说喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐减小，即 做成渐缩喷嘴。 （2）当汽流速度大于音速，即Ma>1时，若要使汽流能继续加速，即 dc>0，则必须dA>0，也就是说喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐增加， 即做成渐扩喷嘴。 （3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即Ma=1，这时， dA =0。表明横截面A不变化，即A达到最少值。根据上述分析可知，简 单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了达到超音速，除了喷嘴出口 蒸汽压力必须小于临界压力外，还必须在喷嘴形状上加以保证，即作成 缩放喷嘴。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴喉部达音速，然后在渐扩部分 达超音速。
2、当喷嘴出口压力（背压）小于临界压力时，汽流在AB截面 上达临界状态，汽流在斜切部分要继续膨胀加速，蒸汽压力 由临界压力下降为背压，汽流速度由临界速度到大于音速，并 且汽流方向要发生扰动和偏转，如图1---14所示。
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1.2 汽轮机的工作过程
三、蒸汽在动叶中的流动
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1.2 汽轮机的工作过程
3、喷管出口气流的实际速度 喷嘴实际出口速度为：
c1 c1t
喷嘴速度系数
动能损失为：
hn
c12t 2
c12 2

12
c12t 2

12
hn*
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1.2 汽轮机的工作过程
（二） 喷嘴截面积的变化规律
p
d
k const dp kp
d cdc c2 dc Ma2 dc
kp / kpv c
c
dp cdc *

Ma c a
G cA
G= Ac A1c1 A2c2 常数
v v1
v2
dA Ma2 1 dc