第六节效率.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,透平机械原理与装置,Principles and Equipment of Turbomachine,答疑：动力馆,101,室,Tel.[phone],第六节 汽轮机级内损失和级效率,了解除喷嘴、动叶和余速损失外级内其它六种损失产生的原因及减小方法。级的损失在汽轮机高、中、低压部分数量方面概念。水滴对动叶片的腐蚀与冲刷作用及减少方法。掌握级的相对内效率与内功率的计算。考虑余速利用后级在焓熵图上实际热力过程线。,一、汽轮机的级内损失,（一）叶高损失,h,l,叶栅损失：,叶型损失（包括喷嘴损失、动叶损失，由附面层中摩擦损失、附面层脱离引起的涡流损失、尾迹损失、冲波损失组成）,叶端损失（由端面附面层中的摩擦损失、补偿流动损失和对涡损失组成）,冲波损失,叶高损失又称为端部损失。其产生的物理原因及影响因素已经分析过。它实质上是属于喷嘴和动叶的流动损失。,a=1.2 (,单列级，不含扇 形损失）；,a=1.6,（单列级，含扇形损失,),；,a=2(,双 列级）；,（二）扇形损失,h,汽轮机级环形叶栅，与平面直叶栅相比有两个特点：,一是叶栅的相对节距不是常数而是从内径向外径成正比例增加的。这样除了平均直径截面处的相对节距为最佳值外，其它各圆周截面的相对节距必然偏离最佳值。因此这些截面的叶型损失系数都大于最小值，这就带来了一项额外的流动损失；,二是空气动力学上的特点，叶栅出口汽流在轴向间隙中存在着压力梯度，即由内径向外径静压力逐渐增加，所以会产生径向流动损失。所有这些就构成了扇形损失。径高比：,=d,b,/l,b,12,时，采用直叶片；,8,时，采用扭叶片（变截面叶片）,(,三,),叶轮摩擦损失,由于蒸汽粘性，叶轮在汽室中作高速旋转 时,存在着叶轮轮面与蒸汽及蒸汽之间的相对运动 而产生的,摩擦,。克服摩擦和带动蒸汽质点运动，就要耗功。同时，靠近叶轮轮面侧的蒸汽质点随叶轮一起转动时，受到离心力作用而产生,径向运动,。这样，靠近隔板处的蒸汽质点的旋转速度小，自然要向旋转中心处流动以保持蒸汽的连续性。于是，在叶轮两侧的汽室中就形成了,涡流运动,，如图所示。蒸汽的涡流运动要消耗一部分轮周功。,叶轮摩擦损失可用以下经验公式计算,：,式中：,k-,与蒸汽性质有关，对于过热蒸汽，,k=1,，对于饱和蒸汽，,k=1.2 1.3,；,d,、,l,、,u -,级的平均直径、叶高、圆周速度；,v -,动叶出口蒸汽比容。,叶轮摩擦损失也可用焓降来表示：,=,=,或者,(k W),反动式汽轮机？,(,四,),部分进汽损失,采用部分进汽，就产生了,部分进汽损失，,“,鼓风,”,损失,h,fw,发生,在没有喷嘴叶片的弧段内。动叶通过这一弧段时,，要,象鼓风机一样把滞留在这一弧段内的蒸汽鼓到出汽边而耗功。,“,斥汽,”,损失,h,s,发生,在安装有喷嘴叶片的弧段内。动叶片由,非工作区,进入,工作区弧段,时，动叶通道中,滞留,的蒸汽要靠工作区弧段中喷嘴喷出的主流蒸汽将其吹出，要消耗轮周功。另外，如,图由于,叶轮作高速,旋转，这样，在,喷嘴出口端的,A,点存在着,漏,汽,；,而在,B,点又存在着,抽吸,作用,，将,一部分蒸汽 吸入动叶通道,，干扰,主流,，同样,会引起损失,。这样,就形成了斥汽损失。,总的部分进汽损失,由以上,两部分,所组成，即,(kJ/kg ),而,上式中：,e,部分进汽度；,e,e =1-e ;,E,0,级的理想能量,；,X,级的速度比；,B,系数，单列级，,B=0.15,双 列 级，,B =0.55;,Z,喷嘴组数；,C,经验系数，单列级，,C=0.012,双列级,，,C=0.016,。,（五）,漏汽损失,在汽轮机中，由动静两部分所组成的级，有间隙。由于压差的作用，有间隙存在，就会漏汽如图所示。,在隔板前后存在压差，又有隔板间隙。就必然有一部分蒸汽通过隔板 间隙流到级后。,这部分蒸汽不作功,。另外，漏汽不是从喷嘴中以正确 方向流入动叶通道，它不但不做功，反而要,干扰主流,。这样，就形 成了,隔板漏汽损失,。为了解决这一问题，要在叶轮盘上开设平衡孔，以 便让隔板漏汽从平衡孔漏出，而不干扰主流。,另外，由于,反动度,的存在，动,叶前后有压力差。必然有一部分,蒸汽不通过动叶通道而从叶顶间隙,漏到级后。这部分蒸汽也,不作功,，,形成了,叶顶损失,。,漏汽损失是由于,压力差,和,间隙,的存在而引起的。减少漏汽损失、减小漏,汽量,，就应该减小间隙面积和蒸汽压力,差。通常,采用,齿形轴封,来解决这一,问题,。,漏汽量,和,漏汽损失,计算方法如下,：,（,1,）隔 板 漏 汽 量 的 计 算,（,2,）动 叶 顶 漏 汽 量 的 计 算,（,3,）隔 板 损 失 计 算,（,4,）叶 顶 漏 汽 损 失 计 算,（六）湿 汽 损 失,蒸汽在汽机,最后几级,时便进入湿蒸汽区，这里将产生湿汽损失。,产生湿汽损失的原因,在于：,（,1,）一部分蒸汽在膨胀加速过程中,凝结成水滴,，减少了作功蒸汽量；,（,3,）,由于水滴前进速度低于蒸汽速度。这样，从动叶进口速度三角形上分析，水滴从喷嘴中流出时，正好,打击动叶背弧,，阻止动叶前进，减小了,有用功,；而水滴从动叶流出之后又,打击下一级喷嘴的背弧,。水滴长期,冲蚀片,，,使叶片进口边,背弧被打击成许多麻点，严重时，会打穿叶片,。,（,2,）水滴不膨胀作功，反为高速汽流所夹带前进，要消耗,一部分轮周功,；,产生湿汽损失的原因有以下几个方面：,1),过冷损失：,2),挟带损失：,3),制动损失：,水珠出喷嘴的速度,c,1x,只有蒸汽速度,c,1,的,10,一,13,左右，而圆周速度,u,一样，使水珠进动叶的方向角,1x,远大于,1,，偏离动叶入口方向的水珠撞击在动叶进口处的背孤上，产生了阻止叶轮旋转的制动作用，克服它就要消耗一部分有用功，称之为制动损失。,4),扰流损失：,从动叶出来的水珠的相对速度,w,2x,要比蒸汽速度,w,2,低得多，而圆周速度,u,是一样的，使,c,2x,远大于,c,2,，当蒸汽按正确方向进入下一级喷嘴时水珠将撞击在喷嘴进口处的壁面上，从而扰乱了主汽流，造成损失，称之为扰流损失。,5),工质损失：,目前在湿蒸汽级中采用的各种捕水装置，当从级内排除部分液相的同时，都不可避免地伴随着一部分蒸汽同时被抽出汽轮机，造成工质损失。,湿汽损失通常用下面经验公式计算,：,式中，,X -,级 的 平 均 蒸 汽 干 度；,=,湿蒸汽会引起,湿汽损失,和,冲蚀叶片,，就必须采取一些,去湿措施,。即：采用,去湿装置,，如捕水槽、,捕水室,等，以减少蒸汽中的水 分。提高叶片本身的抗湿能力，主要是设法增强叶片进汽边背弧的 抗湿性能。如，在动叶片进汽边背弧,加焊硬质合金,、,电火花处,等。,常用的去湿方法有：,1),由捕水口、捕水空和琉水通道组成的级内捕水装置，它有喷嘴后和动叶后两种形式。,2),具有吸水缝的空心喷嘴,这种去湿装置是将空,心喷嘴经环形通道与压,力比它低的低压加热器,或凝汽器连通而形成负,压，这样，通过喷嘴上,开的吸水缝就可将喷嘴,表面上的凝结水膜吸走。,具有吸水缝的空心喷嘴,3),采用出汽边喷射蒸汽的空心喷嘴,空心喷嘴的内部空间与出汽边的缝隙相通、缝隙最好设计成喷嘴状。从压力较高一级来的蒸汽经汽缸上的环形室引入空心喷嘴后由出汽边的缝隙中喷射出去，使喷嘴的尾迹区消失，阻止该处大粒水珠的形成；同时使尾迹区汽流速度均衡，这对提高级效率和改善动叶的应力状况,都是有利的。这种方法的另,一个优点是，由压力较高点,送来的蒸汽其能量并未损,失，而是参加了本级的膨胀,作功。,采用去湿装置（去湿和回热抽汽结合），减少湿蒸汽中的水分。去湿装置可去掉蒸汽中含水分的,20%30%,；,提高动叶片的抗侵蚀能力：在叶片进汽边背弧上加焊硬质合金、镀铬、局部淬硬、电火花硬化、氮化等。目前常用的办法是将司太立合金做的薄片焊在动叶顶部进汽边的背弧上。,限制末级叶片蒸汽湿度,小于,12%15%,二、汽轮机级的相对内效率和内功率,（一）级的热力,过程线如图,二、级的相对内效率和内功率,1.,级的实际热力过程曲线,级内许多损失存在。则进入级的蒸汽所 具有的理想能量就不可能全转化为有效 功。但损失又转换为热能，加热蒸汽本身，使动叶出口排汽焓值升高。考虑了各种损失之后级的实际热力过程曲线如图所示。其中，,0,点为级前滞止状态点，,3,为有余速利用时的下一级级前进口 状态点,。,为级的,有效焓降,，它表示,1kg,蒸汽所具有的理想能量最后转化为有效功能量。越大，机的内效率就越高。,（二）级的内功率（有效功率）,（三）级的相对内效率（级效率）,定义：级的有效焓降与级的理想能量之比,余速被下一级利用时,余速未被利用时,级的相对内效率是衡量级内能量转换完善程度的最终指标，与所选用的叶型、速比、反动度、速比、叶栅的高度等有密切关系，也与蒸汽的性质、级的结构有关。,三、级内损失对最佳速比的影响,(,一,),摩擦鼓风损失与速度比的关系,摩擦损失系数,f,和鼓风损失系数,w,均与速度比,x,a,的三次方成正比，这表明速度比对叶轮摩擦鼓风损失有很大的影响，当速度比增加时，,f,和,w,都会急剧增大。,(,二,),漏汽损失与速度,比的关系,(,三,),蒸汽湿度与速度比的关系,蒸汽湿度增加使,级效率显著地下降，,同时随着速度比,x,a,的增加，蒸汽湿度,的影响也相应增大。,级内损失使级,的轮周效率降低，,使最佳速比值减,少，即相对内效,率最高时的最佳,速比小于轮周效,率最高时的最佳,速比。,四、影响级效率的结构因素,级内通流部分的某些结构因素对汽轮机运行的经济性和安全性有重要影响，结构对相对内效率也有影响，主要有：动静间隙、盖度、叶片宽度、拉金、平衡孔等。,(,一,),动、静叶之间的轴向间隙,=,1,+,2,+,z,开式轴向间隙,z,=1.52 mm,1,和,2,按表选取。,(,二,),径向间隙,1,具有两个径向密封环的冲动级；,2,没有径向密封环的冲动级,(,三,),盖度,1,有径向汽封；,2,没有径向汽封,(,四,),叶片数和叶片宽度,选择导叶和动叶的最佳叶片数与叶栅最佳节距有关，而最佳节距决定于叶型，所以叶片数目不仅取决于气动力学的要求，而且要根据导向机构或工作叶轮的强度和刚度的条件来确定。叶片宽度通常是根据级的直径和叶栅节距选定的。,(,五,),拉金（拉筋）,当动叶较长时，根据动叶振动调频的需要，常采用拉筋把动叶片成组地连接起来。,(,六,),平衡孔,在叶轮上设置平,衡孔是为了减小轴,向推力，但它对级,效率亦有影响,1,没有平衡孔；,2,有平衡孔,小结,本节主要内容有：汽轮机级内的各项损失、级内效率、影响级内效率的结构因素。,汽轮机级内的各项损失，除喷嘴损失、动叶损失、余速损失外，其余所有的级内损失之和用,h,来表示，这在绘制和记住焓熵图时较为方便。,h,内的各项损失，目前尚不能在理论上做到精确的计算，因此多采用经验或半经验公式来计算。,经验公式不必死记硬背，只要掌握级内损失产生的原因及减小的方法，会计算即可，但对影响损失大小的主要因素，应有明确的概念。水滴对动叶片的腐蚀与冲刷作用及减少方法。,掌握级的相对内效率与内功率的计算。考虑余速利用后级在焓熵图上实际热力过程线。,作业,1.,某反动级理想焓降,h,t,=62.1kJ/kg,，初始动能,h,c0,=1.8 kJ/kg,蒸汽流量,G=4.8kg/s,，若喷嘴损失,h,n,=5.6kJ/kg,动叶损失,h,b,=3.4kJ/kg,，余速损失,h,c2,=3.5kJ/kg,，余速利用系数,1,=0.5,，计算该级的轮周功率和轮周效率。,2.,某冲动级级前压力,p,0,=0.35MPa,，级前温度,t,0,=169,C,喷嘴后压力,p,1,=0.25MPa,级后压力,p,2,=0.56MPa,喷嘴理想焓降,h,n,=47.4kJ/kg,喷嘴损失,h,n,t,=3.21kJ/kg,动叶理想焓降,h,b,=13.4kJ/kg,动叶损失,h,bt,=1.34kJ/kg,级的理想焓降,h,t,=60.8kJ/kg,，初始动能,h,c,0,=0,，余速动能,h,c2,=2.09kJ/kg,其他各种损失,h,=2.05 kJ/kg,。计算：,1,）,计算级的反动度,m,2,）若本级余速动能被下一级利用的系数,m,1,=0.97,，计算级的相对内效率,ri,。,习题,试进行高压冲动式汽轮机中间级的全部计算，求喷嘴、动叶的高度，级内的各项损失，内效率和内功率。,已知：蒸汽流量,G=3I.2kg/s,，转速,n=3000 r/min,，级前蒸汽压力,p,0,=1.84MPa,，温度,t,0,=303,，进入该级的蒸汽动能,h,c0,=1.67kJ/kg,，级的理想焓降,h,t,=48.14kJ/kg,，反动度,m,=0.05,，喷嘴和动叶的角度,1,=13,，,1,=25,，,2,=24,。级的平均直径,d,m,=0.916m,，喷嘴和动叶速度系数,分别为：,=0.95,，,=0.88,。喷嘴和动叶的流量系数相等，均为,n,=,b,=0.97,，部分进汽度,e=1,，隔板汽封间隙面积,A,p,=8.0cm,2,，汽封片数,z=5,，汽封流量系数,p,=0.71,。假设从该级出来的排汽动能中有,c,2,2z,/2,被下级所利用，其中,c,2z,为排汽速度的轴向分速。,（,h,0,=3035kJ/kg,，,p,1,=1.53MPa,，,1t,=0.16m3/kg,，,p,2,=1.51MPa,，,v,2t,=0.163m3/kg,，）,