热力叶轮机械原理第五章 多级汽轮机4

3. 大 水 滴 不 能 顺利进入动 叶栅流道， 而是撞击在 动叶背弧进 口部分。
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湿汽损失及其产生的原因
三．制动损失
4. 产生两个问题：
I. 对动叶的转动产 生制动作用，将 消耗透平的机械 功即制动损失；
II. 水滴以很高的相对速度 撞击在动叶背弧，对动 叶材料造成磨蚀即水蚀。
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湿蒸汽在透平中的流动过程
4. c’’点→d’’点：
I. 蒸汽以湿蒸汽平衡状态等熵膨胀。
II. c d的湿度与 c d的湿度对应。
图4.10 拉伐尔喷管中的蒸汽膨胀
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湿蒸汽在透平中的流动过程
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湿蒸汽在透平中的流动过程
二．水珠的形成与水珠的运动
III. 直径较小的水珠，一部分随主汽流向叶 栅下游运动；另一部分受汽流旋涡影响 被带到边界层附近，依靠Brownian运动 而穿越边界层，撞击并沉积到叶片表面 上——扩散沉积；
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0.1m的水滴运动轨迹图
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湿蒸汽在透平中的流动过程
4. 水膜的运动、撕裂及二次水滴的形成
I. 分 离 出 来 的 水 滴 ， 撞 击并沉积在叶片表面， 形成厚度为10~300μm 的水膜；
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图4.10 拉伐尔喷管中的蒸汽膨胀
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湿蒸汽在透平中的流动过程
II. 但蒸汽分子凝结成水珠需要一定条件：
a. 蒸汽凝结需要凝结核，对于干净的水蒸 汽，蒸汽不会立即凝结产生水滴；
b. 只有当两个或更多气态分子偶然碰在一 起，才能形成热力学平衡的、具有一定 半径的凝结核；
c. 在膨胀汽流中自发成核需要一定的时间， 因此蒸汽的凝结需要一定的时间；
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防止动叶水蚀的方法
三．各种去湿装置和措施
1. 疏水孔/环 2. 外部水分离器 3. 内置式汽水分离器 4. 空心静叶开设去湿缝隙 5. 空心静叶内部加热
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6. 空心静叶缝隙加热吹扫
图4.． 加大动静叶之间的轴向间距
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在湿蒸汽区域工作的汽轮机（级）。 包括：
I. 多级汽轮机最后几级 II. 地热汽轮机 III. 核电汽轮机（压水堆：饱和蒸汽）
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问题四：湿蒸汽级的能量转换
水份对汽轮机（级）工作产生的影响
1. 湿汽损失：
水份的存在使干蒸汽的工作受到一定的 影响，这种影响是一种能量损失，使透 平（级）效率降低。
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湿蒸汽在透平中的流动过程
图4.12 汽轮机中水份的图解形式
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湿汽损失及其产生的原因
湿蒸汽的流动过程非常复杂，涉及到蒸汽 的过饱和现象、自发凝结，以及水滴运动 学、动力学等，湿蒸汽流动导致湿汽损失 非常复杂。
一．过饱和损失 二．摩擦阻力损失 三．制动损失 四．疏水损失
2. 动叶和汽缸材料的磨蚀：
水滴在高速汽流夹带下，以相当高的速 度冲击动叶和汽缸表面，造成叶片或汽 缸材料表面脱落，引起动叶和汽缸工作 的安全问题。
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本节要讨论的问题
一．湿蒸汽在透平中的流动过程 二．湿汽损失极其产生的原因 三．湿汽损失计算 四．防止动叶水蚀的方法
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湿汽损失及其产生的原因
三．制动损失
1. 直径较小（d<1μm）的水珠，是在流动 过程中产生的，其运动速度比较接近于 蒸汽速度，且惯性力也小，可以比较顺 利地随蒸汽流通过动叶栅通道；
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湿汽损失及其产生的原因
三．制动损失
2. 直径较大的粗糙水滴，是在静叶出口边 由水膜撕裂而形成的。受到汽流加速时 间短，因而水滴的运动速度大大低于蒸 汽流速度。
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轴向推力的定义
在轴流式汽轮机中，一般情况下：高压蒸汽 从汽轮机一端进入； 低压蒸汽从另一端离开。 整体上看：蒸汽对汽轮机转子施加一个由高 压端指向低压端的轴向力，使转子有向低压 端移动的趋势。这个力称为轴向推力。
图4.18 多级汽轮机剖面图
施力源： 蒸汽
受力物体： 转子 力的方向： 高压
II. 因此，只有当过饱和蒸汽继续膨胀到过饱 和极限位置点（湿度约为3.5~4%）时，才 会发生蒸汽的突然凝结有凝结水珠产生。 水珠直径约为：0.01μm
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湿蒸汽在透平中的流动过程
这个过饱和极限位置点称为Wilson点；
各条等熵膨胀线的过饱和极限位置点的连 线称为Wilson线。
图4.10 拉伐尔喷管中的蒸汽膨胀
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湿蒸汽在透平中的流动过程
g. 蒸汽仍按照过热蒸汽的膨胀规律膨胀。
图4.11 过饱和蒸汽的焓-熵图
这种现象称为过饱和现象。蒸汽状态称为 过饱和(过冷)状态，是热力学不平衡状态。
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湿蒸汽在透平中的流动过程
3. c’’点：
I. 蒸汽中的凝结核 足够多，蒸汽中 产生自发凝结， 恢复到热力学上 的平衡态；(几乎 是突然地）
25m的水滴运动轨迹图
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湿蒸汽在透平中的流动过程
3. 水珠的运动与沉积
II. 直径较大的水滴，惯性力大，保持水滴 原来运动方向的能力大，脱离汽流也早， 这种分离导致水滴撞击并沉积在叶片表 面上——惯性沉积；
25m的水滴运动轨迹图
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湿蒸汽在透平中的流动过程
3. 水珠的运动与沉积
端指向低压端
力的大小： 蒸汽 参数，几何尺寸
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轴向推力的影响
1. 单级汽轮机：
轴向推力较小，用推力轴承完全可以承受， 问题不突出；
2. 多级汽轮机：
蒸汽参数高、级数多， 轴向推力相当大 (2~3 MN)。推力轴 承无法单独承受，必 须采用其它一些平衡
措施。
图4.18 多级汽轮机剖面图
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湿汽损失及其产生的原因
一．过饱和损失
1. 蒸汽在透平级叶栅通道中膨胀进入湿蒸 汽区域时，将产生过饱和现象。
2. 由 于 过 饱 和 现 象 的存在，在给定
h*s’
的 ， 压 力 范 围 内 h*s
理想焓降有所减
小，作功能力也
相应减小。
3. hs* hs* 代表一种能量损失 ——过饱和 损失。
III. 一方面，一部分水珠很快再蒸发成蒸汽； 另一方面，蒸汽又在水珠上继续凝结形 成更大的水珠——这个过程称为水珠的 生长。
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湿蒸汽在透平中的流动过程
2. 水珠的生长
蒸汽凝结形成水珠的过程很快，可以认 为是一个瞬间的现象；而水珠的生长过 程则需要较长的时间。
生长后的水珠直径在0.01~1.0μm之间， 称为初次雾滴。
轴向(轴向推力)：
I. 汽流通过动叶栅形成：
G(c1z c2z )
d. 当自发生成的凝结核数目足够多时，其 它蒸汽分子才能很快地以此为核心大量 地凝结；
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湿蒸汽在透平中的流动过程
e. 因此当过热度不大的蒸汽在喷管中膨胀进 入湿蒸汽区域时，若蒸汽非常洁净，蒸汽 不会立即凝结产生水分；
f. 因此，膨胀喷管中b'' c 各点实际状态， 不可能与i-s 图上 b c点相对应。
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多级透平原理
概论
1. 内效率与重热系数
多级透平 特殊问题 及解决的
方法
2. 余速利用 3. 级间漏气 4. 湿蒸汽级的能量转换 5. 轴向推力及平衡
6. 热力设计原理
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本节要讨论的问题
一．轴向推力的定义 二．轴向推力的影响 三．冲动式汽轮机轴向推力组成部分
四．转子上的推力及其平衡 五．反动式汽轮机的轴向推力
3. 考虑湿汽损失后的级内效率：
x oi

(1
y)oi
其中： y ，蒸汽湿度；x ，蒸汽干度。
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湿汽损失计算
4. 蒸汽干度（湿度）的选取方法：
I. 级的进汽状态为湿蒸汽状态
以进汽状态湿度值（y0）计算，损失计 算值偏小；
以排汽状态湿度值（y2）计算，损失计 算值偏大。
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湿汽损失及其产生的原因
四．疏水损失
1. 沉积在动叶、静叶和汽缸表面上的水膜， 被疏水装置排出透平。
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2. 这使得作功工质减小，属于流量损失， 称为疏水损失。
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湿汽损失计算
湿蒸汽在透平级内的流动过程将产生湿 汽损失，产生损失的原因有四个：
1. 过饱和现象
几 何 平 均 ： 0m=m2 ， 取 ym 为湿度值；
0 m
2
算术平均：选取ym=(y0+y2)/2
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防止动叶水蚀的方法
一．采用中间再热
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防止动叶水蚀的方法
二．动叶顶部进行淬硬处理、加司太立合 金护条，选用高合金叶片钢等措施；
图4.15 加护条叶片
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→ 过饱和损失
2. 水滴和蒸汽的相对运动 → 摩擦阻力损失
3. 水滴撞击动叶背弧 → 制动损失
4. 疏水
→ 疏水损失
特点：这四项损失都不能准确、直接计算； 又不能直接测量。
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湿汽损失计算
1. 湿汽损失功率的简便计算公式：
N x yGhi
2. 考虑湿汽损失后的级内功率：
Nix Ghi yGhi (1 y)Ghi xGhi
1. 水珠的形成
I. 当过饱和蒸汽膨 胀到过饱和极限 位置Wilson点时， 蒸汽自发凝结， 才会有凝结水珠 产生；
水珠（凝结核）直径约为：0.01μm
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湿蒸汽在透平中的流动过程
2. 水珠的生长
I. 蒸汽由亚平衡过饱和状态迅速变化到热 力学平衡湿蒸汽状态，过饱和现象消失。
II. 水珠温度与蒸汽温度十分接近，水珠与 蒸汽之间不断有传热传质。
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湿蒸汽在透平中的流动过程
一．湿蒸汽的膨胀过程： 1. a’’点→b’’点：
I. 蒸汽按等熵过程规律膨胀； II. 始终处于热力学平衡状态。
图4.10 拉伐尔喷管中的蒸汽膨胀
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湿蒸汽在透平中的流动过程
2. b’’点→c’’点：
I. 随着膨胀进行，湿度理应不断增大，与 i-s 图相一致；
热力叶轮机械原理
第四章 多级透平原理
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多级透平原理
概论
1. 内效率与重热系数
多级透平 特殊问题 及解决的
方法
2. 余速利用 3. 级间漏气 4. 湿蒸汽级的能量转换 5. 轴向推力及平衡
6. 热力设计原理
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问题四：湿蒸汽级的能量转换
湿蒸汽：干蒸汽与水滴的混合物。 湿蒸汽汽轮机（级）：
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湿汽损失及其产生的原因
二．摩擦阻力损失
1. 一般来看，透平中的水滴大体分两类： I. 大部分是通过蒸汽自发凝结、生长 过程而形成的水珠。直径d<1μm ；
II. 小部分是水膜在静叶出口边撕裂而 形成的大水滴，直径d=5~500μm ；
2. 水滴运动速度都低于蒸汽速度。
3. 低速水滴对高速蒸汽产 生一种摩擦阻力，消耗 蒸汽的动能，被称为摩 擦阻力损失。
运动中的水珠可能发生碰撞。水珠表面 张力作用将合并成一个较大水珠，这样 将导致水珠数目减少。
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湿蒸汽在透平中的流动过程
3. 水珠的运动与沉积
I. 初次雾滴随汽流在叶栅通道中运动，由 于水珠的惯性作用和扩散作用，水珠程 度不同地从蒸汽中分离出来。
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0.1m的水滴运动轨迹图
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冲动式汽轮机轴向推力组成部分
图4.19 冲动级轴向推力计算示意图
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冲动式汽轮机轴向推力组成部分
一．蒸汽作用在全部动叶上的轴向力
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1. 动叶片受到汽流的作用力
周向(推动叶轮转动力)：
汽流对叶片作用力 F
Pu Pu G(c1u c2u )
II. 沉积在静叶表面上的水膜，受高速汽流 切应力作用向静叶出口边运动，并在静 叶出口边附近撕裂形成大分散度的粗糙 水滴（d>10μm），最大水滴直径可达 毫米级——粗糙水滴（二次水滴）。
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湿蒸汽在透平中的流动过程
4. 水膜的运动、撕裂及二次水滴的形成
III. 沉积在动叶上的水膜，受离心力作用被 甩向汽缸壁面而排出；
在进口y0和出口y2之间取 一个中间点m，再计算。
0 y0
x=1
几何平均：0m=m2，取ym为
m
湿度值；
2 y2
算术平均：选取ym=(y0+y2)/2
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湿汽损失计算
4. 蒸汽干度（湿度）的选取方法：
II. 级的进汽状态为过热蒸汽状态，排汽点 在湿蒸汽区
进汽状态湿度取y0 = 0计算