汽轮机级的工作原理

⑴ 由于h-s图上等压线沿比熵增方向发散,故严格说, hn 0 但由于喷嘴损失很小，因此在使用中常认为 hn hb
0
hb ht0 ht0
(2)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Ω m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。
蒸汽在动叶通道内膨胀时的理想焓降hb 和在整个级的滞止理想焓降ht* 之比，即
hb m * ht hb h m * b * hn hb hn hb
0 hn hb ht0
hb m ht*
讨论:
* hn 1 m ht*
2 * c1t 2hn c0 2hn
和
2k * * c1t p0 v0 [1 ( k 1
k 1 p1 k ) ] * p0
2.喷嘴出口汽流实际速度： 实际流动是有损失的，汽流实际速度小于汽流理想速度。 通常用喷嘴速度系数来考查两者之间的差别（通常取 = 0.97 )。这样，喷嘴出口的汽流实际速度为
0
t0
h0
hc 0
1 2 w1 2
1 2 + 2 C0
1 C 02 2
0 = h0
ht
hn
1 2 w1 p 1 2 h1 1
1
1 p0
0
hu
1 h1t
'
hb
'
h22
hc 2
p2
hb
h10
h s
2 h2t
理想过程----可逆的等熵过程。 实际过程----不可逆绝热膨胀过程 ---耗散效应，转换效率低于 理想过程。 部分动能转变为热能（能量贬值）---热能被蒸汽重新吸收 ---实际过程喷嘴和动叶出口汽流的焓与熵相对理想过程增加， 能量转换效率低于理想过程。 喷嘴理想比焓降-- hn 动叶理想比焓降-- hb
流动特点: 3.冲动级
压降基本相同，动、静叶中增速相等；
性能特点： 做功能力最小，流动效率最高。 热力特点: 膨胀主要发生于喷嘴中,为提高流动效率动叶中 也有少量膨胀，一般Ω＝0.05～0.30 结构特点: 动叶通道的弯曲程度小于静叶； 流动特点: 动叶中增速小于静叶.
hn hb
性能特点：相同几何尺寸下，做功能力比反动级大，流动效率 较纯冲动级高。 4.复速级（双列冲动级）

s
m
hb h t*
近似认为与 ∆h‘b相等
0*
P0* P0 0
h1 h1
*
1* 1
P1* p1
Δhn* Δht*
w12/2
P1 1 ∆hb P2 2
∆h*b
∆hb p2 2 h2t 2’ s h2
Δhb’ h
h
蒸汽在动叶中的热力过程
蒸汽在级中的热力过程
s
w1 c12 u 2 2c1u cos 1 c1 sin 1 c1 sin 1 1 arcsin arc tg w1 c1 cos 1 u
Ωm=0.05～ 隔板叶轮型 0.3 隔板叶轮型
（二）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
（一）喷嘴中的汽流速度 1.喷嘴出口汽流的理想速度： 在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数是已知的条件。按 等熵过程膨胀，根据能量方程，喷嘴出口汽流理想速度
2 c1t 2h0 h1t c0
或者
1 2 k 1 2 C1t ( p0 v0 p1v1t ) C0 2 k 1 2
c1 c1t
蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称为 喷嘴损失，用 hnζ 表 示 ：
hnζ
1 2 1 2 2 * (c1t c1 ） c1t (1 2 ) (1 2 )hn 2 2
喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数，用 n 表示
n
hn
2、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
•
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
汽轮机外形
单缸、单排汽口汽轮机
多缸、多排汽口汽轮机
汽轮机级的工作原理
一、概述
1、级的概念 汽轮机是将 蒸汽的热能 转化成机械功的旋转式原动机 能量转换的主要部件是一组喷管和一圈动叶，由它们组 合而成的工作单元，称为汽轮机的一个“级”。 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工 作单元。注：动叶栅可为单列，也可为多列。
当用下角0与1分别表示喷嘴进出口处的状态时，上式 表明，蒸汽在喷嘴出口处的动能是由喷嘴进口和出口的 蒸汽参数决定的，并和喷嘴进口蒸汽的动能有关。当喷 嘴进口蒸汽动能很小，并可忽略不计时，喷嘴出口的蒸 汽流速仅是热力学参数的函数。若喷嘴进口蒸汽的动能 不能忽略不计，那么我们可以假定这一动能是由于蒸汽 从某一假想状态0*等比熵膨胀到喷嘴进口状态0时所产 生的，在这一假想状态下，蒸汽的初速为零。换言之， 参数p0*、 v0*是以初速c0从p0、v0等比熵滞止到速度为 零时的状态，我们称p0* 、 v0* 、 h0*等为滞止参数。 滞止参数在h-s图上的表示如图所示 。 上两式可写为：
2、基本方程
（1）连续性方程 微分形式
G c A
dA dc d 0 A c
（2）运动方程

dp

2 0
Rdx cdc
2 1
（3）能量方程
c c h0 q h1 w 2 2
（4）状态方程
pv RT
pv k const.
一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程
3、动叶受力分析
⑴ 从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，汽流给动 叶施加了一个冲动力Fi 。 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，称为反动力Fr 。 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 Fz 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轮周 功。 Fz为轴向力
特点：蒸汽在喷咀中膨胀，在第一列动叶栅中作一部分功，在固定的导向叶 栅中改变蒸汽流动方向，在第二列动叶栅内继续作功，它的作功能力比单列 冲动级要大，但效率低，一般用于中、小型机组上。
冲动级
反动级
复速级
级的类型和特点
反动度 纯冲动级 反动级 冲动级 复速级 Ωm=0
hn hb 0.5
做功能力 叶片类型 效率 （焓降） 隔板叶轮型 转鼓型 较高 最低 较低 最高 较低 最高 较高 最低
4、级内热力过程分析 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。
00
0 p0
hc 0
p0
滞止参数----相对于叶栅通道速度 为零的气流热力参数(假想汽流绝热 等比熵滞止到速度为0的状态）。用 hn 后上标为“0”来表示。 0 ht 喷嘴进口 入口初速动能 动叶进口 h1
热力特点: Ωm＝０,汽流在导叶和动叶通道 中不膨胀。 结构特点: 导叶和动叶为纯冲动叶型； 流动特点: 导叶中汽流只转向不加速，动叶 中也不增速. 性能特点： 做功能力最大，流动效率最低。 速度级通常在一级内要求承担很大焓降时采用。 如单级汽轮机或作为中、小型多级冲动式汽轮机 和多级反动式汽轮机的第一级（调节级）。 为了改善流动性能，现代速度级的各列动叶片和导向叶片也具有 少量的反动度。
—动叶速度系数。
动叶损失：
1 2 2 2 hb w2t w2 1 h b 2
4、余速损失
由速度三角形可知，蒸汽在动叶栅中作功之后，最后以绝对速度 c2 离开 动叶，其具有的动能称为余速损失： h 1 C 2 c2 2 2 在多级汽轮机中，余速损失可以被下一级所利用，其利用程度可用余速 利用系数表示，=0~1之间。 考虑了喷嘴损失、动叶损失和 余速损失之后，汽轮机的级在h -- s 图上的过程曲线如右图所示。级的 轮周有效焓降：
教学目标:了解蒸汽在喷嘴和动叶中的流动和能量转换过程；了解级的 结构及作用和分类，掌握纯冲动度、冲动级、反动级的概念，动叶进 出口速度三角形的绘制与计算，级的轮周功率和轮周效率，汽轮机级 内各项损失和级效率、级的内功率计算。 知识点：反动度，冲动级，反动级蒸汽在喷嘴中的流动特性；蒸汽在 动叶中的流动特性；动叶进出口速度三角形；蒸汽作用在动叶上的力， 轮周功率和轮周效率；汽轮机级内各项损失和级效率，级的内功率， 级内损失。 重 点：级的概念与分类，动叶进、出口速度三角形；级的轮周功率、 轮周效率及级内各项损失。 难 点：动叶进、出口速度三角形；级的轮周功率、轮周效率及级内 各项损失的分析。
(一)冲动级与反动级 冲动级
反动级
复速级
1.纯冲动级 热力特点: Ωm＝０,汽流在动叶通道中不膨胀。hb 0
结构特点: 动叶叶型几乎为对称弯曲，动叶内各流通截面近似相同； 动叶进出口处压力P1=P2和汽流的相对速度 w1≈w2； 性能特点： 做功能力大，但效率较低，损失大，故现已不再采用。 2.反动级 热力特点: hn hb 0.5ht 动静叶中蒸汽膨胀程度(焓降)相等. 结构特点: 动、静叶通道的截面基本相同；动静叶型相同。 流动特点:
喷嘴的作用是让蒸汽在其通道中流动时得到膨胀加 速，将热能转变为动能。喷嘴是固定不动的，蒸汽流 过时，不对外作功，W = 0；同时与外界无热交换，q = 0。则根据能量方程式 ，有
1 2 1 2 h0 C0 h1 C1 2 2
对于过热蒸汽，可近似看做理想气体，则上式可写成：
1 2 k 2 (C1 C0 ) h0 h1 ( p0 v0 p1v1 ) 2 k 1
0*
P0* P0 0
Δhn* ΔhFra Baidu bibliotek* ∆hb Δhb’ h 1
P1
蒸汽在喷嘴中从压力p0膨胀 到出口压力 p1，以速度c1流向 动叶栅。当蒸汽通过动叶时， 一般还要继续膨胀，压力由p1 降到p2.如图所示级的热力过程， 则此时级的滞止理想比焓降Δht* 为：
P2 2
* ht hn hb *
(三)调节级与非调节级 调节级—通流面积可以随负荷变化的级。 （第一级） 非调节级—通流面积不随负荷变化的级 （第一级以后的各级） 复速级 单列级
四、研究级内工作过程的基本方法
1.基本假设 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。
2 c2 w2 u 2 2 w2u cos 2
w2 sin 2 w2 sin 2 2 arcsin arc tg c2 w2 cos 2 u
w2t 2(h1 h1t ) w12 2 m ht w12 2hb
w2 w2t
h
* n
1
2
• 影响速度系数的因素有：喷嘴高度、叶型、汽 道形状、表面粗糙度、前后压力等。 • 速度系数与叶高的关系曲线如下图：
1、喷嘴、动叶及汽流流动特性
• 动叶以圆周速度u旋转； • 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。