第一章 汽轮机级的工作原理-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

除前面讨论的级内轮周损失即喷嘴损失n h δ、动叶损失b h δ和余速损失2c h δ之外，级内还有叶高损失l h δ、扇形损失h θδ、叶轮摩擦损失f h δ、部分进汽损失

e h δ、漏汽损失h δδ和湿汽损失x h δ。

必须指出，并非各级都同时存在以上各项损失，如全周进汽的级中就没有部分进汽损失；采用转鼓的反动式汽轮机就不考虑叶轮摩擦损失；在过热蒸汽区域工作的级就没有湿汽损失；采用扭叶片的级就不存在扇形损失。

本节所讨论的各项级内损失，目前尚难以完全用分析法计算，多数是采用在静态和动态试验的基础上建立的经验公式计算。随试验条件的不同，计算损失的公式也不同。下面主要介绍国内计算级内损失的常用公式。 1．叶高损失l h δ

叶高损失又称为端部损失，其产生的物理原因及影响因素在上节已经分析过。它实质上是属于喷嘴和动叶的流动损失。工程上为了方便．把它单独分出来计算。

叶高损失l h δ主要决定于叶高l 。当叶片高度很高时，l h δ可以忽略不计。叶高必须大于相对极限高度，否则l h δ将急剧增加。叶高损失常用下列半经验公式计算：

l h δ=u a

h l ∆ （1.5.1）

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a =2；

u h ∆——不包括叶高损失的轮周有效比焓降，即u h ∆=0

t

h ∆—n h δ—b h δ—

2c h δ，/kJ kg ；

l ——叶栅高度，单列级为喷嘴高度，双列级为各列叶栅的平均高度，

mm 。

叶高损失也可以用以下半经验公式计算： l ξ=

2

1a

n

a x l （1.5.2）

即 l h δ= l ξ0E （1.5.3） 式中 1a ——试验系数，单列级1a =9.9，双列级1a =27.6； n l ——喷嘴高度，mm 。 2．扇形损失h θδ

汽轮机级中实际应用的是环列叶栅，如图1．5．1(a)所示。它与图1．5．1(b)的平面直叶栅相比，有两个特点： 一是叶栅的相对节距t =/t b 不是常数而是从内径向外径成正比例增加的．这样除了平均直径截面处的相对节距为最佳值外，其它各圆周截面的相对节距必然偏离最佳值。因此这些截面的叶型损失系数p ξ都大于最小值，这就带来了一项额外的流动损失；二是空气动力学上的特点，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。所有这些就构成了扇形损失。

计算扇形损失的半经验公式为

θξ= 2

b b l 0.7d ⎛⎫ ⎪

⎝⎭

(1．5．4)

即 h θδ=θξ0E (1．5．

5)

从式(1．5．4)可见，扇形损失与径高比θ＝/b b d l 有关。θ短小，θξ越大，如θ＝l0时，θξ=0．007，θ＝3时，θξ＝0．078，两者相差约11倍。一般当θ＞8~12时，采用等截面直叶片，虽然存在着扇形损失，但加工方便；当θ＜8~12时，为适应汽流参数沿叶高的变化，采用扭叶片，虽然加工复杂，但避免了扇形损失；当θ很大时，由式(1．5．4)可见，θξ很小，故可忽确不计。 3．叶轮摩擦损失f h δ

叶轮摩擦损失，简称摩擦损失，是由两部分组成的：

(1)叶轮两侧及围带表而的粗糙度引起的摩擦损失 当叶轮在充满蒸汽的汽室内转动时由于蒸汽的粘性和旋转表面的粗糙度，粘附在叶轮两侧及外缘表面的蒸汽微团被叶轮带着转动，其圆周速度与叶轮表而相应点的圆周速度大致相等，紧贴在汽缸壁或隔板表面的蒸汽微团的圆周速度为零(见图1．5．2)。由叶轮表面至汽缸壁的间距上蒸汽微团的圆周速度是不同的，即存在着速度梯度、因此造成了蒸汽微团之间和蒸汽与壁面之间的摩擦。为了克服摩擦和带动蒸汽质点运动．必然要消耗一部分轮周功。

(2)子午面内的涡流运动引起的损失 紧靠叶轮表面的蒸汽微团随叶轮一起转动，受到离心力的作用，产生向外的径向流动。而靠近汽缸壁或隔板表面的蒸汽微团由于速度小，受到的离心力也小，自然地向中心移动以填补叶轮处径向外流的蒸汽，于是叶轮两侧的子午面内便形成了蒸汽的涡流运动(图1．5．2)。涡流本身要消耗一部分轮周功，而且还使摩擦阻力增加。

叶轮摩擦损失通常由实验确定，一般也可采用斯托多拉经验公式计算：

f p ∆=3

211100m u K d v ⎛⎫ ⎪⎝⎭

（1.5.6）

式中 f p ∆——叶轮摩擦损失所消耗的功率，

kw ；

1K ——经验系数，一般取1K ＝1．0~1．3； m d ——级的平均直径， m;

v ——汽室中蒸汽的平均比容，3/m kg 。

如果用比焓差表示叶轮摩擦损失，则 f h δ=

f p G

∆ （1.5.7）

叶轮摩擦损失也可以用损失系数来表示，即 f ξ=

f

f t

h p E P δ∆= （1.5.8）

式中 t P 为级的理想功率，它可以近似地表示为

t P

=0011sin t n m n t t G h e d l c h v μπα∆= （1.5.9） 则 f ξ

=

3

f p K

p

∆≈（1.5.10）

式中，e 为部分进汽度、κ为试验系数，在光叶轮外缘雷诺数R e ＞710时，取K =310-。

从式(1．5．6)和式(1．5．7)容易看出，叶轮摩擦损失f h δ与级的容积流量

G v

成反比。汽轮机的高压段G v 较小，f h δf 较大。大型机组低压级的G v 很大，

f h δ很小，甚至可以忽略不计。另外从式(1．5．10)可知，f ξ与速比a x 的三次方

成正比，表明当a x 增加时，f ξ急剧增大。 4．部分进汽损失e h δ

小汽轮机高压级容积流量G v 较小，为了保证喷嘴高度不小于极限相对高度(如窄叶片高度为12一15m m)，喷嘴叶栅就不能像动叶栅那样整圈布置，而只是占据部分圆周，这种布置称为部分进汽。此外，调节级由于配汽方式的需要通常采用部分进汽。常用装有喷嘴的弧段长度n n z t （n z 为喷嘴片数）与整个圆周长