华北电力大学(北京)汽轮机原理第一章

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– 又称端部损失，实质属于喷嘴和动叶的流动损失。主要决定于叶高。
• 叶轮摩擦损失
– 叶轮两侧及围带表面的粗糙度引起的摩擦损失 – 子午面内的涡流损失引起的损失
• 部分进汽损失
– 装有喷嘴的弧段长度Z*L（Z为喷嘴片数）于整个圆周长度∏*Dm的比值来表 示部分进汽的程度，称为部分进气度，用e表示。 – 由于部分进汽带来的能量损失称为部分进汽损失，由鼓风损失和斥汽损失组 成。鼓风损失发生再不装喷嘴的弧段内，斥汽损失欲鼓风损失相反。
级内损失和级的相对效率
• 常见的级内损失 – 喷嘴损失 hn ，动叶损失 hb ，余速损失hc，叶高损失hl，扇形损失h， 叶轮摩擦损失 h f ，部分进汽损失 he ，漏汽损失h ，湿气损失 h
• 叶高损失 • 扇形损失
– 汽轮机用用的环列叶栅，由两个特点，①事业善的相对节距不是常数，圆周 截面的相对节距偏离最佳支，叶型损失系数都大于最小值，这就带来了额外 的流动损失，② 是空气动力学上的特点，叶型出口汽流在轴向间隙中存在压 力梯度，即由内径向外径静压力逐渐增加，产生径向流动损失，这些构成了 流动损失。扇形损失与径高比有关，径高比越小，扇形损失越小。
• 简单流动模型易用一元稳定等比熵流动的基本方程
– 连续方程：G*v=A*c – 能量方程： h0 + c02/2 = h + c12/2 + w – 状态或过程方程：p*v=const
蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程
• 临界参数的概念
– 蒸汽流量不变时，当喷嘴中等比熵焓降达到临界值时，喷嘴通道面积为最小， 此处便是临界截面，其蒸汽流速等于当地音速。临界状态下的参数称为临界参 数。 – 临界速度，临界压力，临界压比，临界流量，实际流量
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概述
• 汽轮机本体作工气流的通道称为汽轮机的通流部分，他包括主气门，导 管，调节气门，进汽室，各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。 • 汽轮机的级是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。 • 动叶栅进出口汽流速度三角形 • 喷嘴及动叶的热力过程及热力过程线，以及蒸汽在此的流动过程 • 喷嘴损失，动叶损失和余速损失之和称为轮周损失。
叶栅的气动特性
• 叶栅的损失由叶型损失和端部损失所组成。
– 叶型损失（指平面汽流绕流叶栅产生的能量损失）
• • • • 附面层中的摩擦损失：与叶栅表面的粗糙度和压力分布有关 附面层脱离引起的涡流损失 尾迹损失 冲波损失
– 端部损失
• 端部损失就是端面附面层中的摩擦损失，补偿流动损失和对涡损失的 总和，对涡损失所占比重最大。
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漏气损失（隔板的气封装置）
– 对于冲动级，隔板前后存在较大的压差，而隔板和转轴之间又存在着间隙，因此有一部分蒸 汽从隔板前通过间隙漏到隔板与本级动叶之间的汽室内，由于这部分蒸汽不通过喷嘴，因此 不做功，形成了漏气损失。为了避免隔板汽混入动叶中干扰主汽流，一方面在叶轮上开设平 衡孔，使隔板漏气通过平衡孔流到级后，另一方面在动叶根部设置汽封片加以阻挡，并设置 合理的反动度，尽量使动叶根部不出现吸汽或漏汽现象。 – 对于反动级，其漏汽损失比冲动级大因为
扭叶片级（平面图）
• 随汽轮机单功率的增加，蒸汽容量容积必然增加，特别是凝汽式汽轮机的 末几级，需要更大的通流面积，因此径高比较小，叶片长，这种情况下， 若不考虑汽流参数沿叶高的变化，设计成这叶片必将产生多种附加损失， 使级的效率降低，主要损失有
1. 沿叶高圆周速度不同所引起的损失 2. 沿叶高节距不同所引起的损失 3. 轴向间隙中汽流径向流动所引起的损失
• 等环流流型的轮周功沿叶高是不变的，即级的出口压力沿叶高也 是不变的，等环流级的滞止理想比焓降沿叶高也不变，但喷嘴后 压力由于径向要求，是由根部向顶部逐渐增加的。这就是说，动 叶的理想比焓降是随半径的增大而增大的，因此反动度也必然随 着半径的增大而增大。
• 其它常用流型简介（具体详见课本）
– 等α 角流行 – 等密流流型
• 内径汽封的漏汽量必冲动级的漏汽量大，因为内径汽封直径比隔板汽封直径大，而汽封齿数较少。 • 动叶前后的压差较大，所以叶顶漏汽量相当可观。
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湿汽损失
– 饱和蒸汽汽轮机的各级和普通凝汽式汽轮机的最后几级都工作于湿蒸汽区，又由于水分存在， 干蒸汽的工作又受到影响，这种影响表现为一种损失，这就是湿汽损失。 – 常用的去湿方法
• 由捕水口，捕水室和疏水通道组成的级内捕水装置。 • 具有吸水缝的空心喷嘴 • 采用出汽边喷射蒸汽的空心喷嘴
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提高动叶本身抗冲蚀能力
– 采用耐侵蚀性能强的的叶片材料 – 在叶片进汽边背弧上镶焊硬质合金 – 对叶片表面镀铬，局部高频淬应，电火花强化，氮化
• 冲动级的实际热力过程线 • 级效率
（连接）
级的轮周功率和轮周效率
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轮周效率 u wu / E0 。 • 假想速度：假想级的理想比焓降都在喷嘴中等比熵膨胀的出口速度。 • 速比：圆周速度与进口汽流绝对速度之比，速比是决定出口汽流绝对速度大小和方
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向的重要参数，对轮轴效率的大小也有影响，对应于最高轮轴效率的速比称为最佳 速比 (x1 )op 。 h-s图中的汽轮机的热力过程 （ 纯冲动级） 纯冲动级最佳速比，反动级最佳速比，冲动级最佳速比，复速级最佳速比
单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所做出的机械功称为轮周功率。 1千克蒸汽所作的轮周功与蒸汽在该级所消耗的理想能量之比称为级的
• 与速利用的优点（P30） • 单列级与复速级轮轴效率-速比关系曲线（P37)
– 各自的最佳速比下，复速记的轮轴效率一定比单列级的轮轴效率小，因为它不 但增加了倒叶和第二列动叶种的能量，而且是第一列动叶中的损失增大。 – 复速级的优点，在圆周速度相同时，能承担比单列及大的多的理想比焓降，采 用复速级，使汽轮机的级数减少；当他作为多级汽轮机的调节级时，蒸汽压力， 温度在这一级下降较多，缩小了汽轮机在高温高压下工作的区域，节省高温材 料，降低制造成本，有利于改善汽轮机的变工况特性。
– 汽流离开动叶通道时具有一定的速度，这个速度对应的动能在该级内已不 能转换为机械功，称为余速损失。
• 级的反动度是表示蒸汽再动叶通道内膨胀程度大小的指标。 • 轴流式汽轮机按照级内蒸汽能量转换的特点，可分为:
– – – – 纯冲动级，反动度等于零的级称为纯冲动级。 反动级，执蒸汽在喷嘴和动叶中理想比焓降相等的级。 冲动级，介于反动级和纯冲动级之间，Ω =0.05～0.3 复速级，有固定的喷嘴叶栅，导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅 所组成的级。
– 复速级 – 冲动级 – 反动级 x=0.22～0.26 x=0.46～0.52 x= 0.65～0.70
• 反动度的合理确定，下面分析根部反动度的影响
– 根部反动度较大时，由于在动叶根部截面上有较大的压力将，所以动叶根部进口 压力明显的大于出口压力。喷嘴喷出的气流，将有一部分从动叶进口根部的轴向 间隙处向下漏，与隔板漏汽一起，通过平衡孔流到级后，减少了蒸汽做功。而且， 根部反动度大，叶顶反动度更大，顶部漏汽量随之增大，过大的根部反动度不合 适。 – 根部反动度较小甚至为负值时，隔板漏汽的部分或全部可能不再通过平衡孔流到 级后，而是通过动叶根部轴向间隙被吸入动叶通道，而且根部的负反动度较大时， 一部分级后蒸汽将通过平衡孔倒流回来，扰乱主汽流，损失增大。很小的根部反 动度不合理。 – 根部反动度适当（0.03～0.05）时，动叶根部进口压力略高于出口压力，这种情况 下，隔板汽封漏汽全部通过平衡孔流到级后，从而使动叶根部间隙处保持不吸不 漏现象，避免了吸汽和漏气的附加损失，选择这样的反动都是比较合理的。
• 衡量级内能量转换完善程度的最经济指标是级的相对内效率而不是轮周 效率。 • 级内损失对最佳速比的影响（P60图）
级的热力设计原理
• 根据叶片的形状，汽轮机的叶片刻分为两种
– 等截面叶片，型线沿叶高不变的叶片，由这种叶片构成的级称为直叶片级。 – 扭叶片，型线沿叶高变化的叶片。
• 速比的选择，在级效率下降很少的情况下，选用较小的速比较为合理
为此把长叶片设计成型线沿叶高变化的扭叶片级，以适应圆周速度和汽 流参数沿叶高的变化规律。为保证扭叶片有较高的效率，设计时必须使汽 流在级的轴向间隙保持径向平衡。 c 1 p • 简单径向平衡方程： r r
2 u
– 表明轴线间隙中汽流且向分速所产生的离心力完全背径向静压差所平衡，即 压力沿叶高的变化仅仅与汽流切向分速沿叶高的分布有关。不管切向分速沿 叶高如何分布，轴向间隙中的压力总是沿叶高增加的。
汽轮机级的工作原理
• 第 示第 原第 的第 特 第 率 第 流 嘴 第 第 八 例七 理六 相五 性 四 和 三 动 和 二 一 节 节 节 对节 节 轮 节 动 节 节 扭 级 级 内级 叶 轴 级 叶 叶 的 的 效内 栅 效 的 通 蒸 片 热 热 率损 的 率 轮 道 汽 概 级 力 力 失 汽 轴 中在 述 计 设 和 动 功 的喷 算 计 级
• 理想等环流流型
– 等环流流型的气流速度沿叶高的变化规律:C1z=const ,C1u*r=const,C1r=0 – 使轴向间隙中汽流保持径向平衡且C1r=0，喷嘴出口汽流的切向分速C1u必须 随半径的增加而减少。 – 自由涡流流型，正因为没有漩涡产生，所以能量转换较高。 下一页
– 反动度的变化规律
– 级的有效比焓降表示1㎏蒸汽所具有的理想能量中最后转变为轴上有效功的那 部分能量，级的有效比焓降与理想能量之比称为级的相对内效率。
Δ hi i E0
Δ ht0 hb hn hl h h f he h hx hc 2 Δ ht0 1hc 2
其中， 为 喷嘴速度系数。 c1实际速度，c1t 为理想速度。
c1 c1t 2 h 0 n
。 汽流速度等于当地音速时的状态称为临界状态。临界状态下的所有参数称为临界参
数。
• 彭台门系数的概念（喷嘴的实际流量与喷嘴临界流量之比） • 极限膨胀压力
– 据一元等比熵超音速汽流过直角壁的概念，汽留在喷嘴出口产生汽六扰动，并 在运动介质中以音速传播，以扰动中心为原点引射出一束射线，气流通过这些 特性线后压力降低，速度增加，方向偏转。喷嘴背压越低，参加膨胀工作的斜 切部分就越大。最后一根特性线越接近出口边，直至重合，斜切部分的膨胀能 力就被全部用完，斜切部分达到极限膨胀，这是喷嘴出口压力称为极限膨胀压 力。