第1章 汽轮机原理

汽轮机的级
二、 蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理
汽轮机是将蒸汽的热能转变为转子机械能的一种 动力机械，这种能量的转变通常是通过冲动作用 原理和反动作用原理两种方式来实现的。 ⒈ 冲动力与反动力 ⑴ 冲动力：当一运动物体碰撞到另一静止的或速度不同
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，这个力即为冲动力。 ⑵ 反动力：在汽轮机中，当蒸汽流经动叶通道时，如 果蒸汽还继续膨胀加速，则在蒸汽离开动叶通道时，会给 动叶一个与汽流运动方向相反的作用力，这个力即为反动 力。
第一章
汽轮机级的工作原理
华北电力大学 热能工程教研室
本 章 主 要 内 容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 概述 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动 级的轮周功率和轮周效率 叶栅的汽动特性 级内损失和级的相对内效率 级的热力设计原理 级的热力计算示例 扭叶片级
第一节
概
述
华北电力大学 热能工程教研室
2

轮周有效比焓降：
hu h hn hb hc2
0 t

喷嘴滞止理想比焓降：
0 hn hn hc0
四、 级的反动度（反动率）
⒈ 定义：表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度,定义 为蒸汽在动叶中膨胀时的理想比焓降与级的滞止 理想比焓降之比,用Ωm来表示. ⒉ 计算表达式：
cdc vdp
说明：式中负号说明流动过程中，压 力和速度是相反方向变化的。
⑤ 气动方程式
气体的另一重要特性是压力波传播速度即音速。

音速的计算公式：
a
kpv
kRT
结论：音速取决于汽流当地温度，与压力无关。 马赫数M：M=1时为临界状态
c M a
第一节
概
述(作业与思考)
1.解释汽轮机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图上的表示。 3.反动度的定义及表达式。 4.级的类型和特点。 5.动叶进出口速度三角形。

等比熵过程方程：
pv k const
式中：k —为定熵指数； 过热蒸汽：k=1.3； 饱和蒸汽：k=1.135； 湿蒸汽： k=1.035+0.1x（x为过程初态干度）

多变过程方程：
pv const
n
式中：n —多变过程指数；
④ 运动（动量）方程
反映作用于汽流上的力与汽流速度变化 之间的关系式。
b
⑵
• •
速度三角形的构成
动叶入口速度三角形： c1 、w1、 u 动叶出口速度三角形： c2、w2、 u
注意： u在进出口速度三角形相同 u
d b n
60
动叶进出口汽流速度三角形
符号说明
C1：喷嘴出口汽流的绝对速度 w1：喷嘴出口汽流的相对速度 C2：动叶出口汽流的绝对速度 w2：动叶出口汽流的相对速度 u：圆周速度。
一般情况下：
1 11 17
冲动级： 2 1 (2 ~ 4)
2 20 ~ 30
(a) 动静叶栅汽道示意图 (b)顶点靠拢的速度三角 形
⑶
速度三角形（w1、c2 ）的计算
w1 c12 u 2 2c1u cos 1 c1 sin 1 c1 sin 1 1 arcsin arc tg w1 c1 cos 1 u c2 w u 2 w2u cos 2
本节要点


级、反动度的概念及特点 速度三角形、热力过程线 三个基本方程式：
• 连续方程 • 能量方程 • 状态（过程）方程
一、
1. 组成
汽轮机本体简介
⑴ 静止部分(静子)：包括汽缸、喷嘴室、隔板、 隔板套(静叶持环)、静叶栅、汽封、轴承、轴承 座、机座、滑销系统及相关紧固件等； ⑵ 转动部分(转子)：包括主轴、叶轮(或转鼓)、 动叶栅、围带、拉筋、联轴器及相关紧固件等； ⑶ 控制部分：由调节系统、保护装臵和油系统等。
hb hb m 0 0 ht hn hb
⒊ 讨论
⑴ 由于h-s图上等压线沿比熵增方向发散,故严格说,
0 hn hb ht0
但由于喷嘴损失很小，因此在使用中常认为 ⑵ Ωm越大，△hb越大，则蒸汽对动叶栅的反动力也越 大； ⑶ 反动度Ω沿动叶高度是不相同的 对于较短的直叶片级，用平均反动度Ωm表示，可 不计反动度沿动叶高度的变化； 对于长叶片级，在计算不同截面时，必须用相应 截面的反动度。
2 2 2
w2 sin 2 w2 sin 2 2 arcsin arc tg c2 w2 cos 2 u
3 蒸汽在级内的热力过程分析：热力学观点
⑴ 几个概念 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； 滞止状态：相对于叶栅通道速度为零的状态； 滞止参数：相对于叶栅通道速度为零的汽流热力参数， 用上标“0”来表示； 理想过程：无不可逆损失的等熵过程； 实际过程：存在着不可逆摩擦损失，动能损失转变为 热能。
③ 状态或过程方程
状态方程：蒸汽在某一截面上的各种状态参数之 间的关系由状态方程式来确定，对于理想气体： pv=RT 式中：p —气体的绝对压力，Pa；
v —气体的比容，m3/kg； T —热力学温度，K； R —通用气体常数， R =461.5J/kg· K。
过程方程：蒸汽从一个状态变化到另一个状态 的过程由过程方程式来确定，对于理想气体：
0 hn hb ht0
五、 级的类型和特点：轴流式
⒈ 冲动级和反动级：按蒸汽在动叶通道中的膨胀程度（及反 动度）大小划分。 ⑴ 纯冲动级：Ωm＝0 特点：



蒸汽只在喷嘴内膨胀，在动叶中不膨胀而只改变方向； 蒸汽在动叶进、出口处压力和汽流的相对速度相等，即P1=P2， △hb=0， △hn= △ht ，w1=w2。 动叶叶型几乎为对称弯曲，即动叶内各流通截面近似相同； 动叶只受到入口汽流的冲动力和出口汽流的反动力，但无蒸汽膨 胀加速对动叶的反动力； 做功能力大，但效率较低，损失大，故现已不在采用。
⒉ 基本方程式
① 连续性方程：流体质量守恒。 Gv=Ac
Ac A1c1 G const v v1
对连续性方程取对数值并微分，可得连续性方程式的 另一形式
② 能量方程：能量守恒定律
2 c0 c12 q h0 h1 w 2 2
式中：q—每kg质量蒸汽流过系统时从外界吸收 的热量，J/kg；绝热时为零。 w—每kg质量蒸汽流过系统时对外界做出 的机械功，J/kg。
特征截面或计算截面： 喷嘴前：0-0； 喷嘴后（动叶前）：1-1； 动叶后：2-2。 注意：参数下角标与截面号相同。

蒸汽膨胀增速的条件

有压差存在 合理的汽流通道结构

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。
⑵
反动级：Ωm＝0.5
特点：
P1＞P2，△hb=△hn=0.5△ht ； 喷嘴、动叶的叶型相同； 动叶既受到入口汽流的冲动力，也受到蒸汽在 动叶通道中膨胀加速及其转向后流出时的反动 力； 做功能力较小，效率较纯冲动级高，顶部漏汽 大。

⑶ 冲动级：Ωm＝0.05-0.3
特点：ຫໍສະໝຸດ Baidu
P1＞P2，△hn ＞ △hb ； 蒸汽作用在动叶上的主要是冲动力，小 部分是反动力； 在最佳速比下，做功能力比反动级大， 效率较纯冲动级高，在汽轮机中得到了 广泛应用。


复速级都是冲动式的； 做功能力大（较单列级而言）：通常在一级内要求 承担很大焓降时采用之。 为提高复速级效率，其设计时带有一定的反动度。
⒊ 调节级和非调节级：按级的通流面积 是否随负荷大小而变来划分。
⑴ 调节级：通流面积随负荷变化而改变的级（如 喷嘴调节的第一级）。 单列级：能承担的理想焓降小，一般在80130kJ/kg之间；效率高。宜用于带基本负荷的 大机组上。 双列级：能承担较大的理想焓降，一般在195250kJ/kg之间。效率较低。宜用于带尖峰负荷 的机组上。
调节级特点

这种级在运行时，可通过改变其通流面积来控制 进汽量，从而达到调节汽轮机负荷的目的； 中小汽轮机用复速级作调节级； 大型汽轮机常用单列冲动级作调节级； 总是做成部分进汽。
⑵ 非调节级：通流面积不随负荷变化而改变的 级。 特点：可以是全周进汽，也可以是部分进汽。
级的类型和特点小结
三、 级的工作过程
火电厂的能量转换过程
⒈ 蒸汽在级内的流动过程：图1.1.1所示 ⑴ 在喷嘴(nozzle)中：降压增速，热力势能转变为汽流的 动能; ⑵ 在动叶(blade)中：动能转变为机械能（冲动级和反动 级有别）。
对于冲动式汽轮机，当蒸汽通过喷嘴 和动叶后，其压力、速度的变化趋势如 右图。
反动度 纯冲动级 反动级 冲动级 Ωm=0 Ωm=0.5 Ωm=0.05～0.3 结构特点 隔板叶轮型 转鼓型 隔板叶轮型
做功能力 （焓降）
较高 最低 较低
效率 较低 最高 较高
复速级
Ωm=0.05～0.3
隔板叶轮型
最高
最低
六、级的简化一元流模型和基本方程式 ⒈ 简化的一元流模型 基本假设：
① ② ③ ④ 流动是稳定的 流动是绝热的 流动是一元的 工质是理想气体
2

基本概念
通流部分：汽轮机本体中作功汽流的通道称为 汽轮机的通流部分，包括主汽门、调节汽门、 进汽导管、进汽室、各级喷嘴和动叶及汽轮机 的排汽管。 汽轮机的级：由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一 列动叶栅构成的基本工作单元。 转子：汽轮机的转动部分。动叶装在转轴上， 与叶轮及转轴等构成汽轮机的转动部分。 喷嘴：由固定不动的静叶栅构成的蒸汽通道。
⑵
喷嘴及动叶的热力过程
滞止比焓差：
2 c0 hc0 2 喷嘴理想比焓降：
hn h0 h1t
喷嘴损失： hn h1 h1t 喷嘴实际比焓降： hn hn h0 h1

动叶理想比焓降： hb h1 h2t
动叶损失：
动叶实际比焓降：
⒉ 汽轮机级的受力分析:
P7图1.1.1-1.1.2所示
⑴ 从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，受到动 叶的阻碍，而改变了其速度的大小和方向，同时汽流给动 叶施加了一个冲动力。 ⑵ 蒸汽在动叶通道内膨胀加速，离开动叶通道时，给动叶 一个与汽流运动方向相反的作用力，这个力即为反动力。 ⑶ 一般情况下，蒸汽在动叶通道内流动时，一方面给动叶 栅一个冲动力Fi的作用，另一方面，在动叶通道内继续膨 胀，给动叶栅一个反动力Fr的作用，这两个力的方向都不 与轮周方向一致，两个力的合力F作用在动叶栅上，其在轮 周方向上的分力Fu使动叶栅旋转而产生机械功。 注意：冲动力的大小主要取决于单位时间内通过动叶通 道的蒸汽质量及其速度的变化，蒸汽质量越大，速度变化 越大，则冲动力越大。
hb h2 h2t
hb hb h1 h2
余速损失：
2 c2 hc2 2
级的理想比焓降：
ht h0 h2t hn hb
级滞止理想比焓降：
ht0 ht hc0
轮周损失：
hu hn hb hc
⒉ 动叶进出口汽流速度三角形：流体力学观点
⑴
• • • •
喷嘴、动叶及汽流流动特性
动叶以圆周速度u旋转； d n u 从喷嘴中以绝对速度c1流出的汽流相对于动叶有一个相对 60 运动和相应的相对速度w1；流入本级动叶； 汽流以相对速度w2离开动叶，由于动叶以圆周速度u旋转， 故其出口绝对速度为c2；流入下级静叶（喷嘴）； 由c、w、u构成速度三角形，如下图。

⒉
压力级和速度级：按蒸汽动能转变为转
子机械能的过程来划分
⑴ 压力级：蒸汽动能转变为转子机械能的 过程在级内只进行一次的级。 特点：
这种级在叶轮上只装一列动叶栅，故又称
为单列级； 压力级可以是冲动级，也可以是反动级。
⑵ 速度级(复速级)：蒸汽动能转变为转子
机械能的过程在级内进行一次以上的级。 说明：目前常用的是进行两次转换的级，故又称 为双列速度级或复速级，即由固定的喷嘴叶栅、 导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅所 组成的级。 特点：