《蒸汽动力装置》-第二章

蒸汽在喷嘴出口处的速度由喷嘴进口和出口的蒸 汽参数决定，并和喷嘴进口的蒸汽速度有关。
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2，喷嘴出口的汽流实际速度 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 3，喷嘴损失 蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称为喷嘴损 失，用 hn 表示 ： 1 2 1 2 1 2 * hn C1t C1 C1t (1 2 ) (1 2 )hn 2 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： hn n * (1 2 )
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汽轮机低压转子（含动叶栅）
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蒸汽在级中做功的热力过程线
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3、冲动作用原理(impulse):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。 4、反动作用原理(reaction): 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。
其中，称为彭台门系数。
* p0 * v0
对于亚临界流动，<1, 对于临界和超临界流动，=1。
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G Gcr
n An
2 1 2 * * p0 0 n n 1
n An 1
2
1 1
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（三）调节级和非调节级
按通流面积是否随负荷大小改变，可将汽轮机 的级分为调节级(governing stage)和非调节级。 1、调节级：通流面积能随负荷改变而改变。如喷管 调节汽轮机的第一级。运行时，可通过改变通流面 积来控制进气量，达到调节汽轮机负荷的目的。一 般中小汽轮机用复速级作为调节级，大型汽轮机常 用单列冲动级作为调节级。 2、非调节级：通流面积不随负荷改变而改变的级。 二者另一个不同点：调节级总是做成部分进汽，而 非调节级可以是全周进汽，也可以是部分进汽。
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第二节 蒸汽在级内的流动过程
一、基本假设和基本方程式 二、蒸汽在喷嘴中的流动过程 三、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程
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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 稳定三元流的实际流体。为了研究方便，特作假设： 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 通道中流速很快，流动时与外界没有热交换。
第二章 汽轮机级内能量转换过程
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第一节 汽轮机级的基本概念
一、汽轮机的级、级内能量转换过程 1、汽轮机的级：是由一组安装在喷嘴汽室或隔 板上的静叶栅和一组安装在叶轮上的动叶栅 所组成，它是汽轮机作功的最小单元。 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。通过冲动和反动两种作用实现。
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冲动式汽轮机的结构特点：因为汽流在动叶 栅内膨胀量较少，所以动叶栅的截面形状是 近似对称的。因为动叶栅前后压力相差较小 ，没有太大的轴向力作用在转子上，所以冲 动式汽轮机可以采用质量轻，结构紧凑的轮 盘式转子。同样可以采用较大的径向间隙， 从而提高汽轮机运行的灵活性。但是喷嘴叶 栅前后存在较大的压力差，为了减少喷嘴叶 栅与轴之间间隙的漏汽量，要尽量减小间隙 的直径，所以设计为隔板结构，把喷嘴装在 隔板的外环上，在隔板的内孔装有汽封片。
称为喷嘴流量系数。对于过热蒸汽，取 μn= 0.97； 对于饱和蒸汽，取μn= 1.02。
考虑了流量系数之后，通过喷嘴的实际流量为：
v1t v1
对于过热蒸汽：
对于饱和蒸汽：
G 0.648 An
* p0 * v0
G 0.647 An
* p0 * v0
另外还可以用单一的计算公式表百度文库：
G 0.648 An
式中，只与κ值有关。对于过热蒸汽（κ=1.3),=0.667；饱和蒸
汽（κ=1.135) , =0.635。
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3，通过喷嘴的实际流量的计算 通过喷嘴的实际流量为：
c1t v1t v1t c1 G An An Gt nGt v1 v1 v1t v1
式中， n
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2、反动级：Ωm≈0.5。 蒸汽在喷管和动叶通道 中的膨胀程度相等。做 功的力基本上冲动力和 反动力各占一半。结构 特点：动叶叶型与喷管 叶型相同。效率比纯冲 动级高，但做功能力较 小。
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反动级汽轮机特点：喷嘴叶栅和动叶栅可以采 用相同的叶型，构成相似的喷嘴叶栅和动叶栅 通道，因而可以降低汽轮机的制造成本。因为 在动叶片前后存在较大的压力差，为了减小汽 流对转子作用的轴向力，反动式汽轮机采用转 鼓式结构，没有叶轮。喷嘴叶片直接安装在汽 缸内壁，使级的轴向尺寸减小。但粗大的转鼓 式转子质量大，启动时热惯性大，增加了暖机 时间而影响到汽轮机运行的机动性。为了减少 蒸汽漏泄量应尽量减小径向间隙。为了平衡轴 向推力，还设臵了平衡活塞。反动级因动叶片 前后存在压力差，为了避免过大的级内损失， 一般不采用部分进汽，而采用全周进汽。
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二、蒸汽在喷嘴中的流动过程
（一）汽流参数与喷嘴形状的关系
根据连续方程式、动量方程式、等熵过程方程，综合可得：
M是马赫数(M= c/a )。可以看到，喷嘴截面积的变化规律， 不仅和汽流速度有关，同时还和马赫数M有关。 （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，即渐缩喷嘴。 （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，即渐扩喷嘴。 （3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1， dA/dx =0。表明横截面A不变化，达到最小值。
c1t
2 2(h0 h1t ) c0 2 2hn c0 * 2hn
或者为
1 * 2 p0 p1 2 2 p0 1 c1t 1 c 1 n * p0 0 1 0 1 0
某些流动状态下，
对汽流速度的大 小和方向都将产 生一定的影响。
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①渐缩斜切喷管中的膨胀特点
1、当喷嘴出口压力（背压）大于或等于临界压力时， AB截面上的流速小于或等于音速，喉部压力等于背压 （ p1 p1b ），汽流通过喷嘴，只在渐缩部分膨胀加速， 而在斜切部分ABC处不膨胀加速。斜切部分只起导向 作用。从喷嘴流出的汽流与动叶运动方向成一角度(称 为喷嘴出汽角 1 ）。 2、当喷嘴出口压力（背压）小于临界压力时，汽流在 AB截面上达临界状态，汽流在斜切部分要继续膨胀加 速，蒸汽压力由临界压力 pcr下降为 p1 ，汽流速度由 临界速度膨胀到大于音速，并且汽流方向 要发生扰动和偏转。
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（二）压力级和速度级
按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程不同，还 把汽轮机和级分为压力级和速度级。 1、压力级：蒸汽的动能转换为转子机械能的过程在 级内只进行一次的级。叶轮上只装一列动叶栅，故又 称单列级。可以是冲动级，也可以是反动级。 2、速度级：转换过程进行一次以上的级。可以是双 列或多列的。只有一列喷管，后面有两列或更多列动 叶片。采用最多的是双列速度级，又称复速级。速度 级是冲动式的，可以看作是单列冲动级的延伸。做功 能力很大，但效率低。常用于单级汽轮机和中、小型 多级汽轮机的第一级。
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临界速度只取决于蒸汽的初始参数，与过程无关。
2，临界压力 * 2 * v0 ) p0 临界压力表达式为： pcr (
1
vcr
对于等熵膨胀过程来说，有
* 0
1 * v0 pcr ( * ) ，则上式为 vcr p0

2 1 pcr p ( ) 1
上式表明，临界压力只与等熵指数κ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：
hn
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c1 c1t
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(三) 喷嘴流量计算
1，喷嘴的理想流量Gt 计算 喷嘴的理想流量Gt 可用下式计算:
A 式中， n ---- 喷嘴出口处截面积;
c1t Gt An An c1t 1t v1t
c1t ---- 喷嘴出口处理想汽流速度; v1t ---- 喷嘴出口处比容。
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（二）喷嘴中气流的临界状态
1、临界速度 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 速度的表达式为：
ccr
2 * a0 k 1
2k * * p0 v0 kpcr vcr k 1
还可以写成
Gt An
2 1 * 2 p0 ( n n ) * 1 v0
当喷嘴前参数和出口面积一定时，理想流量只与压比，或者喷嘴
背压有关。
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2，喷嘴流量曲线 临界流量为：
Gt cr
2 An ( ) 1
1 1
* * p0 p0 An * * v0 v0

2 1 2 n n 1
* * p0 0

2 1
1 1
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（四）蒸汽在喷嘴斜切部分的流动
为了使喷嘴中流出的汽流顺利进入动叶通道，在喷嘴出口处 必须有一段斜切部分,如下图所示。这样，实际喷嘴由两部分所组 成：一部分是渐缩部分ABEF，AB为最小截面处。另一部分为斜 切部分ABC。这种喷管叫斜切喷管。 斜切部分在
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汽轮机的第一级就是调节级，机组靠改变 调速汽门的开度，控制汽室的投入和喷嘴的 工作，改变部分进汽度，改变进汽量，以调 整负荷。用调节阀调节负荷的机组是节流调 节机组，其第一级喷嘴是全部投入的，不起 调节作用，当然也不是调节级。当然，也有 符合调节的。 调节级是汽缸中温度最高、压力最高、 做功量最大的级，又是部分进汽，所以，对 其温度、压力要严格监控，防止超标造成危 害。另外，监视调节级压力，也可以了解后 面各级蒸汽通道的工作情况。
蒸汽对于动叶栅的作用力 6
为了描述蒸汽通过汽轮机某一级时在动叶通道中的膨胀程度 大小，通常用反动度Ω来描述。反动度等于蒸汽在动叶通道中膨 胀时的焓降和在整个级的理想焓降之比，即
m
二、反动度(degree of reaction)
蒸汽参数随叶高变化，即比焓降也沿 叶高变化，因此级的反动度也随叶高变 化。一般取叶片根部截面、叶片平均截 面、叶片顶部截面为特征截面，相应的 反动度为Ωr、Ωm和Ωt。实际上，级 的反动度沿叶高是增大的。对于短叶片， 一般给出的反动度为级的平均反动度。
pcr 2 1 cr * ( ) p0 1
对于过热蒸汽（κ=1.3)则 cr =0.546;对于饱和蒸汽（κ =1.135 )则 cr =0.577；湿蒸汽κ=1.035+0.1x，所以 cr 随干度x变化 . 22
（二）喷嘴出口汽流速度计算
1，喷嘴出口的汽流理想速度 在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数是已 知条件。按等熵过程膨胀，其过程曲线如右图所 示。喷嘴出口汽流理想速度表达式为
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三、汽轮机级的类型及特点
（一）冲动级和反动级 按蒸汽在动叶通道内膨胀程 度不同，即反动度的大小不同， 轴流式级可分为冲动级和反动级。 1、冲动级。 Ωm=0的级叫纯冲动 级，蒸汽只在喷管叶栅中膨胀， 在动叶栅中不膨胀而只改变其流 动方向。纯冲动级做功能力大， 但效率比较低，现代一般采用带 少量反动度（Ωm=0 .05~0.2）的 冲动级。做功能力比反动级大， 效率比纯冲动级高。