第二章 汽轮机级内能量转换过程第一节

冲动级：当汽流通过动叶通道时，由于受到 动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向， 因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被 称为冲动力。这时蒸汽在汽轮机的级所作的 机械功等于蒸汽微团流进、流出动叶通道时 其动能的变化量。而这种级称为冲动级。
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③ 反动级 Ωm=0.5 特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度相同。 结构：喷嘴和动叶采用的叶型相同。 •反动级：当汽流通过动叶通道时，一方面要 改变方向，同时还要膨胀加速，前者会对叶片 产生一个冲动力，后 者 会对叶片产生一个反作 用力，即反动力。 蒸汽通过这种级，两种 力同时作功。通常称这 种级为反动级。
( )
，即
c1 ; c1t
w2 w2t
对应的喷嘴、动叶损失为
hn (1 2 )hn ； hb (1 2 )hb
hb m * ht
反动度
hb hb m * * ht hn hb
* hn * (1 m )ht
* hb m ht
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（二） 汽轮机级的类型（轴流式和辅流式） 轴流式有以下几种： 1. 冲动级、带反动度的冲动级和反动级 ① 冲动级 纯冲动级：Ωm=0 特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中 不膨胀而只改变其流动方向。 结构：动叶叶型对称弯曲。 做功能力大、效率相对较低。 ② 带反动度的冲动级：Ωm=0.05~0.2 特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行， 只有一小部分在动叶栅中进行，作功能力比 反动级大，效率比纯冲动级高。
cdc -vdp
5. 气动方程式 p a k kvp

c M a
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（二）喷嘴截面积的变化规律 cdc vdp
pv const dv dp k 0 v p dv cdc v kpv
由动量方程：
dA dc dv 0 A c v dA dc ( M 1) A c
代入音速公式，则有
a C k 1 2 k 1
* * 上式中， 0 为滞止状态下的音速。当 p0、v0 知时， 0 一定值。 a a
2 2 *2 a0
*
*
在膨胀过程中，到某一截面会出现汽流速度等于当地音速。当
汽流速度等于当地音速时，则称此时的流动状态为临界状态。这 时的参数为临界参数，用 pcr、vcr、ccr 等表示。临界速度为：
1，汽轮机的级：静叶栅 动叶栅
是汽轮机作功的最小单元。
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2，级内能量转换过程： 具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级 时，首先在静叶栅通道中得到膨胀加速，将 蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进 入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方 向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速 汽流的动能转变为旋转机械能。
M=c/a为马赫数 喷嘴截面积变化规律： 1. M＜1时为亚音速流动，dA＜0，渐缩 2. M＞1时为超音速流动，dA＞0，渐扩 3. M=1时，dA=0，喉部 4. M＜1～M＞1，为缩放（拉法尔）
1 dA 1 dc 2 (M 1) A dx c dx
（1）当汽流速度小于音速，即M<1时，若要使汽流能继续加速， 即dc/dx>0，则必须dA/dx< 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M>1时，若要使汽流能继续加速， 即dc/dx>0，则必须dA/dx>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M=1，这时， dA/dx =0。表明横截面A不变化，即A达到最少值。 因此，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。 29
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二、蒸汽的冲动作用原理和反动作 用原理
（一） 冲动作用原理 冲动力：改变其速度的大小和方向则产生一冲动 力或汽流改变流动方向对汽道产生一离心力， 此力为冲动力。 此力的大小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。 （二） 反动作用原理 反动力：因汽流膨胀产生一相反力（汽体压力变 化），如火箭、喷气式发动机。 此力的大小取决于汽体压力的变化。 作用在动叶片上的力有：冲动力 反动力
双列速度级的单级汽轮机
在速度级喷嘴中蒸汽的速度由C0增加至C1，蒸 汽经过第一列动叶栅后，其动能未被充分利用， 从第一列动叶栅流出的汽流速度C2仍相当大，有 足够的动能再去推动叶片，但此时汽流速度C2的 方向与叶片旋转的方向相反，因此让汽流经过一 列固定不动的导向叶片，以改变汽流的方向。在 导向叶片通道中，汽流速度的大小不变，汽流离 开导向叶片时的方向正好对着第二列动叶片的进 口。这样第一列动叶栅出口的余速动能就可以在 第二列动叶栅中继续转变为机械功。这种双列速 度级的功率可比单列冲动级大许多。如果蒸汽离 开第二列动叶栅时的速度仍比较大，那么还可以 装设第二列导向叶片和第三列动叶片，这就是三 列速度级。由于蒸汽在速度级中的速度很大，并 且需要经过几列动叶片和导向叶片，因此速度级 的能量损失较大，列数越多，损失越大。所以为 了结构简单和运行的经济性，几乎不用三列及三 1一轴；2一叶轮；3一第一列动 列以上的速度级。 叶片；4一喷嘴；5一汽缸；6—
2. 压力级和速度级
① 压力级（单列级）：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。 ② 速度级（复速级）：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。 如双列、三列速度级。
3. 调节级和非调节级 ① 调节级：通流面积能随负荷改变的级， 如喷嘴调节的第一级。 ② 非调节级：通流面积能不随负荷改变 的级，可以全周进汽，也可以部分进 汽。
2 2hnt c0
2 0 2 1t
2 2( h0 h1t ) c0 c1t
2 h
* n
1. 喷嘴出口的理想速度
cp cv pv
c p cv R k
k
const
注意： 焓和速度的单位
=
k k h c pT RT pv k 1 k 1 c12t c 02 k h0 h1t ( p 0v 0 p 1v 1 ) 2 k 1 k 1 p1 k k p 0v 0 1 p0 k 1 c1t
第二列动叶片；7一导向叶片
第二节
蒸汽在级内的流动过程
一 ，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流
Principles of Turbomachine
赵志军 iptfm@usst.edu.cn
第二章 汽轮机级内能量转换过程
第一节 汽轮机级的基本概念
一 、汽 轮 机 的 级
由静叶栅和动叶栅组成 是汽轮机作功的最小单元。
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汽轮机的结构简介
级：由一列静叶栅和一列动叶栅组成，完成蒸汽的 热能转换成转子的机械能的最基本单元。 汽轮机： 单级：喷嘴（静叶、静叶片、静叶栅、喷管） 动叶（动叶片、动叶栅、工作叶片） 多级：静子，由汽缸、隔板、静叶、轴承等组 成。 转子，由主轴、叶轮、叶片、联轴器、 盘车等组成。 辅机
单级冲动式汽轮机示意图 1-汽缸；2-叶轮；3-轴；4-喷嘴；5-动叶片；6-排汽口
三、汽轮机级的类型和特点
（一） 汽轮机级的反动度 1. 定义：蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降 Δhb和整个级的理想滞止焓降Δh*t之比。
Ωm增加，则Δhb增加，蒸汽对动叶的反动力 也越大。 平均反动度：动叶平均直径截面上的理想焓降。 2. 意义：衡量在动叶中膨胀的程度。
1-静叶持环；2-动叶；3-喷嘴 带反动度的冲动级中 反动级中蒸汽压 蒸汽压力和速度变化示意图 纯冲动级中蒸汽压力和 力和速度变化示意图 1-喷嘴；2-动叶3-隔板；4-叶轮；5-轴； 速度变化示意图
喷嘴 动叶 (c0 , p0 , t0 ) (c1(w1), p1, t1) (c2 (w2 ), p2 , t2 )
* a2 c 2 (a 0 ) 2 k 1 2 k 1
2.临界速度和 a krt kpv 临界压比 2 2
c cr
2 * a0 k 1
* * 2 kp 0v 0 k 1
喷嘴中汽流的临界状态
（2）临界速度ccr：
汽流的音速为 a kpv kRT ， 用滞止参数表示有关参数时，
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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基本方程式：
1. 连续方程式
cA G c A const . v 2 c0 c12 h0 q h1 W 2 2
2.能量方程式 3. 状态及过程方程式 pvk const. pv RT 4. 动量方程式 cdp R1dk cdc
，则上式为
上式表明，临界压力只与蒸汽指数k和初压有关。临界压力与初压 之比称为临界压力比，用 cr 表示：
pcr 2 n * ( k 1 p0
k ) k 1
对于过热蒸汽（k=1.3)则 cr =0.546;对于饱和蒸汽（k =1.135 )则 cr =0.577 . 36
3. 喷嘴出口的实际速度 摩擦阻力使蒸汽出口焓值升高 喷嘴速度系数φ：喷嘴出口实际速度与喷嘴出口 c1 的理想速度之比。 c 1t 喷嘴损失：
k 1 k p 2k p 0v 0 1 1 c 02 p0 k 1
用初始状态参数计算
c a c cr c0 c h0 h h0* 2 2 ①临界状态： c 02 k k c2 k * * p 0v 0 pv p 0v 0 k 1 2 k 1 2 k 1 某一截面上 a 2 c 2 (a0* ) 2 汽流速度等于 k 1 2 k 1 c a c cr 当地音速。
c c 2 h n (1 ) 2 2 2
h n n 12 h n*
c
2 1t
2 0
2 1i
喷嘴能量损失系Hale Waihona Puke Baidu：
蒸汽为粘性流体，流过叶栅通道时产生摩擦，造成 pvn const 动能损失，即蒸汽在叶栅通道中为绝热多变过程
多变指数随摩擦的增大而减小。工程中用对等熵绝热流 动作修正的方法来处理实际流动，即用实际汽流速度与理 想汽流速度的比值表示摩擦的影响，其比值称为速度系数
ccr 2 * a0 k 1 2k * * p0 v0 kpcr vcr k 1
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（3） 临界压比：εcr 临界压力为：
* v0 2 * pcr ( ) p0 k 1 vcr
对于等熵膨胀过程来说，有
* v0
pcr
* p0 (
2 k 1
k ) k 1
vcr
(
1 pcr k ) * p0
三、冲动式多级汽轮机
图1-9 冲动式多级汽轮机通流部分示意图 1-转子；2-隔板；3-喷嘴；4-动叶片；5-汽缸；6-蒸汽室；7-排汽管；8轴封；9—隔板封
四、反动式多级汽轮机
1-鼓型转子；2-动叶片；3-静叶片4-平衡活塞；5-汽缸；6-蒸汽室；7-连接管 图1-10 反动式汽轮机通流部分示意图
压力、焓降、截面积、汽流速度、音 速、比容沿流动的变化规律
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二、蒸汽在喷嘴中的流动过程
• 初始点：0（p0，t0）— 0*（p*0，t*0） • 绝热、等熵膨胀：0—1t • 实际过程（有损失）：0—1
（一）喷嘴中汽流速度的计算
由能量方程
c c h1t h0 2 2 w 0, q 0