汽轮机级的工作原理.ppt

汽轮机原理汽轮机原理Principle of Steam Turbine Principle of Steam Turbine 重庆大学本科课程2011.9授课教师：陈艳容 1.级级由由一一列列喷喷嘴嘴叶叶栅栅（静静叶叶栅栅）和和其其后后的的一一列列动动叶叶栅栅构构成成的的汽汽轮轮机机基基本做功单元。本做功单元。2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级1.什么是级什么是级?级的结构简图2.3.级级=喷嘴叶栅喷嘴叶栅+动叶栅动叶栅2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级2.级的结构级的结构编号和下标：编号和下标：0,1,2；n-nozzle喷嘴，喷嘴，b-blade动叶。动叶。截面：0-0特征截面或计算截面：特征截面或计算截面：喷嘴前：喷嘴前：0-00-0；喷嘴后（动叶前）：喷嘴后（动叶前）：1-11-1；动叶后：动叶后：2-22-2。4.通流部分：汽轮机本体中作功汽流的通道称为汽轮机的通流部分，包括主汽门、调节汽门、进汽导管、进汽室、各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。1轴轴 2叶轮叶轮 3动叶片动叶片 4喷嘴喷嘴几个基本概念几个基本概念喷嘴：由固定不动的静叶栅构成的蒸汽通道。转子：汽轮机的转动部分。动叶装在转轴上，与叶轮及转轴等构成汽轮机的转动部分。5.2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级3.级内工作过程级内工作过程（1）功能：推动叶轮和轴转动，以带动发电机发电。）功能：推动叶轮和轴转动，以带动发电机发电。（2）蒸汽的流动路线：进入喷嘴）蒸汽的流动路线：进入喷嘴离开喷嘴离开喷嘴进入动进入动叶叶离开动叶。离开动叶。6.2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级3.级内工作过程级内工作过程（3 3）能量转换：在喷嘴中将热能转换为动能，）能量转换：在喷嘴中将热能转换为动能，在动叶中将动能转换为机械能。在动叶中将动能转换为机械能。两次能量转换：两次能量转换：喷嘴：喷嘴：蒸汽在喷嘴通道内膨胀，蒸汽在喷嘴通道内膨胀，把蒸汽部分热能转换为出口蒸汽动把蒸汽部分热能转换为出口蒸汽动能能动叶：动叶：冲动力和反动力联合做功，冲动力和反动力联合做功，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。7.2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级3.级内工作过程级内工作过程（4）工质性质的变化：）工质性质的变化：蒸汽通过喷嘴和动叶后，其压力、蒸汽通过喷嘴和动叶后，其压力、速度的变化趋势如图右图所示。（冲动式汽轮机）速度的变化趋势如图右图所示。（冲动式汽轮机）w2w1特征截面或计算截面：特征截面或计算截面：喷嘴前：喷嘴前：0-00-0；喷嘴后（动叶前）：喷嘴后（动叶前）：1-11-1；动叶后：动叶后：2-22-2。10022118.2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级4.热力过程线热力过程线反应级的做功过程和工质的变化特性的反应级的做功过程和工质的变化特性的h-s曲线。曲线。（1）四个状态：）四个状态：1）滞止状态（）滞止状态（0*状态）。状态）。2）喷嘴进口状态（）喷嘴进口状态（0状态）。状态）。3）喷嘴出口状态（动叶进口状态，）喷嘴出口状态（动叶进口状态，1状态）。状态）。4）动叶出口状态（）动叶出口状态（2状态）。状态）。9.滞止状态：滞止状态：假设喷嘴进口初速滞止为零的状态假设喷嘴进口初速滞止为零的状态；滞止参数：滞止参数：滞止状态下的汽流热力参数，用上标滞止状态下的汽流热力参数，用上标“0”0”或或“*”“*”来表示；来表示；理想过程：理想过程：无不可逆损失的等熵过程；无不可逆损失的等熵过程；实际过程：实际过程：存在着不可逆摩擦损失，动能损失转变为热能。存在着不可逆摩擦损失，动能损失转变为热能。举例：举例：滞止焓值：喷嘴前汽流速度c0所具有的动能：2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级4.热力过程线热力过程线10.2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级4.热力过程线热力过程线理想过程：理想过程：无不可逆损失的等熵过程；无不可逆损失的等熵过程；实际过程：实际过程：存在着不可逆摩擦损失，动存在着不可逆摩擦损失，动能损失转变为热能。能损失转变为热能。11.（2）三类参数：）三类参数：1）焓降）焓降物理意义：做功能力物理意义：做功能力 级的滞止理想比焓降级的滞止理想比焓降 级的理想比焓降级的理想比焓降 喷嘴的滞止理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降 喷嘴的理想比焓降喷嘴的理想比焓降 动叶的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级4.热力过程线热力过程线2）熵增过程）熵增过程物理意义：不可逆过程物理意义：不可逆过程3）损失）损失 a.喷嘴损失喷嘴损失 b.动叶损失动叶损失 在实际研究中常认为在实际研究中常认为=12.（2）三类参数：）三类参数：1）焓降）焓降物理意义：做功能力物理意义：做功能力 级的滞止理想比焓降级的滞止理想比焓降 级的理想比焓降级的理想比焓降 喷嘴的滞止理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降 喷嘴的理想比焓降喷嘴的理想比焓降 动叶的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级4.热力过程线热力过程线2）熵增过程）熵增过程物理意义：不可逆过程物理意义：不可逆过程3）损失）损失 a.喷嘴损失喷嘴损失 b.动叶损失动叶损失 在实际研究中常认为在实际研究中常认为=13.（2）三类参数：）三类参数：1）焓降）焓降物理意义：做功能力物理意义：做功能力 级的滞止理想比焓降级的滞止理想比焓降 级的理想比焓降级的理想比焓降 喷嘴的滞止理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降 喷嘴的理想比焓降喷嘴的理想比焓降 动叶的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级4.热力过程线热力过程线2）熵增过程）熵增过程物理意义：不可逆过程物理意义：不可逆过程3）损失）损失 a.喷嘴损失喷嘴损失 b.动叶损失动叶损失 在实际研究中常认为在实际研究中常认为=14.（2）三类参数：）三类参数：1）焓降）焓降物理意义：做功能力物理意义：做功能力 级的滞止理想比焓降级的滞止理想比焓降 级的理想比焓降级的理想比焓降 喷嘴的滞止理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降 喷嘴的理想比焓降喷嘴的理想比焓降 动叶的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级4.热力过程线热力过程线2）熵增过程）熵增过程物理意义：不可逆过程物理意义：不可逆过程3）损失）损失 a.喷嘴损失喷嘴损失 b.动叶损失动叶损失 在实际研究中常认为在实际研究中常认为=15.（2）三类参数：）三类参数：1）焓降）焓降物理意义：做功能力物理意义：做功能力 级的滞止理想比焓降级的滞止理想比焓降 级的理想比焓降级的理想比焓降 喷嘴的滞止理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降 喷嘴的理想比焓降喷嘴的理想比焓降 动叶的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级4.热力过程线热力过程线2）熵增过程）熵增过程物理意义：不可逆过程物理意义：不可逆过程3）损失）损失 a.喷嘴损失喷嘴损失 b.动叶损失动叶损失 在实际研究中常认为在实际研究中常认为=16.2.1 概概 述述一、汽轮机的级一、汽轮机的级4.热力过程线热力过程线2）熵增过程）熵增过程物理意义：不可逆过程物理意义：不可逆过程3）损失）损失 a.喷嘴损失喷嘴损失 b.动叶损失动叶损失 在实际研究中常认为在实际研究中常认为=17.余速损失2.1 概述概述一、级的工作过程一、级的工作过程4.热力过程线热力过程线 2）熵增过程）熵增过程物理意义：不可逆过程物理意义：不可逆过程3）损失）损失 a.喷嘴损失喷嘴损失 b.动叶损失动叶损失 c.余速损失余速损失喷嘴中的能量损失动叶中的能量损失18.动叶理想比焓降：动叶理想比焓降：滞止比焓差滞止比焓差：喷嘴理想比焓降：喷嘴理想比焓降：喷嘴损失：喷嘴损失：喷嘴实际比焓降：喷嘴实际比焓降：喷嘴及动叶的热力过程线 动叶损失：动叶损失：动叶实际比焓降：动叶实际比焓降：余速损失：余速损失：2.1 概述概述19.级的理想比焓降：级的理想比焓降：级滞止理想比焓降：级滞止理想比焓降：汽轮机的级的热力过程线喷嘴滞止理想比焓降：喷嘴滞止理想比焓降：轮周损失：轮周损失：轮周有效比焓降：轮周有效比焓降：2.1 概述概述20.012hsh-s图中汽轮机级的热力过程2.1 概述概述21.冲动力（冲动力（Fi）：从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，给动叶施加的从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，给动叶施加的力。力。反动力（反动力（Fr）：）：蒸汽在动叶通道内膨胀加速，离开动叶通道时，给动叶一个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。与汽流运动方向相反的作用力。级的受力：级的受力：冲动力和反动力的合力冲动力和反动力的合力F作用在动叶栅上，其在轮周方向上的分力作用在动叶栅上，其在轮周方向上的分力Fu使动叶栅旋转而产生机械功。使动叶栅旋转而产生机械功。ABCDEFiFrw1w2u蒸汽在动叶流道内膨胀时对动叶的作用力12P0,h0c01uc1c22.1 概概 述述二、级的反动度二、级的反动度1.汽轮机级的受力分析汽轮机级的受力分析22.2.1 概述概述（1）反动度的定义）反动度的定义二、级的反动度二、级的反动度2.反动度反动度反动度：反动度：动叶的理想比焓降占总体动叶的理想比焓降占总体 理想比焓降的份额。理想比焓降的份额。定义式：定义式：（2）特征截面）特征截面 1）由于环行叶栅的使用，沿着叶高的方向流动特性不同。）由于环行叶栅的使用，沿着叶高的方向流动特性不同。2）叶根截面（）叶根截面（root），），平均截面（平均截面（middle），），顶部截面（顶部截面（top），），3）23.2.1 概述概述1.冲动力和反动力冲动力和反动力二、级的反动度二、级的反动度（1）冲动力）冲动力 经过喷嘴膨胀加速后的蒸汽经过喷嘴膨胀加速后的蒸汽作用于动叶的力作用于动叶的力（2）反动力）反动力 在动叶中加速的汽流施加在动叶中加速的汽流施加在动叶上的与流动方向相反在动叶上的与流动方向相反的反作用力的反作用力 Fi。END 224.冲动力（冲动力（Fi）：从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，给动从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，给动叶施加的力。叶施加的力。反动力（反动力（Fr）：）：蒸汽在动叶通道内膨胀加速，离开动叶通道时，给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。动叶一个与汽流运动方向相反的作用力。级的受力：级的受力：冲动力和反动力的合力冲动力和反动力的合力F作用在动叶栅上，其在轮周方向作用在动叶栅上，其在轮周方向上的分力上的分力Fu使动叶栅旋转而产生机械功。使动叶栅旋转而产生机械功。3 汽轮机级的受力分析ABCDEFiFrw1w2u蒸汽在动叶流道内膨胀时对动叶的作用力喷嘴喷嘴动叶动叶P0,h0c01uc1c2汽轮机的级汽轮机的级动叶通道动叶通道FFu25.2.1 概述概述（1）反动度的定义）反动度的定义二、级的反动度二、级的反动度2.反动度反动度 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，即喷嘴的滞止理想焓降喷嘴的滞止理想焓降26.2.1 概述概述（1）反动度的定义）反动度的定义二、级的反动度二、级的反动度2.反动度反动度 定义式：定义式：（2）特征截面）特征截面 1）由于环行叶栅的使用，沿着叶高的方向流动特性不同。）由于环行叶栅的使用，沿着叶高的方向流动特性不同。2）叶根截面（）叶根截面（root），），平均截面（平均截面（middle），），顶部截面（顶部截面（top），），3）27.2.1 概述概述三、级的分类三、级的分类1.分类依据：反动度分类依据：反动度直接影响叶片形状的设计、运行的安全性直接影响叶片形状的设计、运行的安全性和经济性。和经济性。冲动级冲动级靠冲动力做功的级，反动度小的级。靠冲动力做功的级，反动度小的级。级的分类级的分类 反动级反动级靠反动力做功的级，反动度大的级。靠反动力做功的级，反动度大的级。28.2.1 概述概述三、级的分类三、级的分类2.冲动级冲动级（1）纯冲动级）纯冲动级 1）=0，蒸汽只在喷嘴中膨胀，而在动叶中不膨，蒸汽只在喷嘴中膨胀，而在动叶中不膨胀，只改变流动方向。胀，只改变流动方向。2）结构特点：）结构特点：动叶为等截面通道动叶为等截面通道 3）流动特点：）流动特点：p1=p2，hb=0,ht*=hn*，w1=w2 4）效率较低，很少使用。）效率较低，很少使用。29.2.1 概述概述三、级的分类三、级的分类2.冲动级冲动级（2）带反动度的冲动级）带反动度的冲动级 1）(0,0.5)，一般而言，一般而言 0.05,0.20 2）结构特点：）结构特点：a.动叶栅截面形状近似对称；动叶栅截面形状近似对称；b.喷嘴前后压差大，为了减少泄漏常用隔板喷嘴前后压差大，为了减少泄漏常用隔板结构和隔板汽封；结构和隔板汽封；c.动叶栅前后压差小，轴向受力不大，采用动叶栅前后压差小，轴向受力不大，采用叶轮式。叶轮式。30.2.1 概述概述三、级的分类三、级的分类3.反动级反动级 1）=0.5 2）p1p2，hb=0.5ht*=hn*。3）效率比冲动级高，但是工作能力较小。）效率比冲动级高，但是工作能力较小。4）结构特点：）结构特点：a.喷嘴叶栅和动叶叶栅可采用相同的叶型；喷嘴叶栅和动叶叶栅可采用相同的叶型；b.动叶前后压差大，常用转鼓式结构，不用叶轮式；动叶前后压差大，常用转鼓式结构，不用叶轮式；c.热惯性大，还需设置平衡活塞以平衡轴向推力；热惯性大，还需设置平衡活塞以平衡轴向推力；d.采用全周进汽。采用全周进汽。31.2.1 概述概述4、压力及流速变化曲线、压力及流速变化曲线三、级的分类三、级的分类32.2.1 概述概述三、级的分类三、级的分类4、热力过程线、热力过程线33.1、调节级和非调节级：按级的通流面积是否随负荷大小而变来划分。调节级：通流面积随负荷变化而改变的级（如喷嘴调节的第一级）。可通过改变其通流面积来控制进汽量可通过改变其通流面积来控制进汽量中小汽轮机用复速级作调节级；大型汽轮机常用单列冲动级作调节级；总是做成部分进汽。非调节级：通流面积不随负荷变化而改变的级。不通过改变进汽面积控制其进汽量不通过改变进汽面积控制其进汽量可以是全周进汽，也可以是部分进汽2.1 概述概述四、级的其他分类方法四、级的其他分类方法34.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 压力级：压力级：蒸汽动能转换为机械能只在一列动叶栅中完成蒸汽动能转换为机械能只在一列动叶栅中完成特点：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。速度级速度级(复速级复速级)：动能转换为机械能在一级多列动叶栅中完成动能转换为机械能在一级多列动叶栅中完成 特点：特点：有两列动叶栅的速度级称为双列级或复速级有两列动叶栅的速度级称为双列级或复速级复速级由一列喷嘴、一列导向叶栅核两列动叶栅组成复速级由一列喷嘴、一列导向叶栅核两列动叶栅组成复速级都是冲动式的，带有一定的反动度（提高效率）做功能力大（较单列级而言），通常在一级内要求承担很大焓降时采用；2.1 概述概述四、级的其他分类方法四、级的其他分类方法35.2.1 概述概述四、级的其他分类方法四、级的其他分类方法 2单列级和速度级单列级和速度级 36.3、级的类型和特点小结反动度反动度结构特点结构特点做功能力做功能力（焓降）（焓降）效率效率纯冲动级纯冲动级m=0隔板叶轮型隔板叶轮型较高较高较低较低反动级反动级m=0.5转鼓型转鼓型最低最低最高最高冲动级冲动级m=0.050.3隔板叶轮型隔板叶轮型较低较低较高较高复速级复速级m=0.050.1隔板叶轮型隔板叶轮型最高最高最低最低2.1 概述概述37.2.2 汽轮机级内能量转换过程汽轮机级内能量转换过程一、级内模型的简化和基本方程式一、级内模型的简化和基本方程式 1模型常用简化假设模型常用简化假设实际过程实际过程简化过程简化过程粘性流体粘性流体理想流体理想流体三元流动三元流动一元流动一元流动可压缩性可压缩性有时假设为不可压缩流体有时假设为不可压缩流体不绝热不绝热绝热绝热不稳定过程不稳定过程稳定过程稳定过程1.1.流动是稳定的流动是稳定的流动是稳定的流动是稳定的2.2.流动是绝热的流动是绝热的流动是绝热的流动是绝热的3.3.流动是一元的流动是一元的流动是一元的流动是一元的4.4.工质是理想气体工质是理想气体工质是理想气体工质是理想气体一元稳定等比熵流动的模型一元稳定等比熵流动的模型一元稳定等比熵流动的模型一元稳定等比熵流动的模型38.1）连连 续续 方方 程程 式式 2）能）能 量量 方方 程程 式式 3）状）状 态态 及及 过过 程程 方方 程程 式式 4）动）动 量量 方方 程程 式式 5）气）气 动动 方方 程程 式式 2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程一、级内模型的简化和基本方程式一、级内模型的简化和基本方程式 2.基本方程基本方程39.二、蒸汽在喷嘴中的流动过程二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程1汽流参数与喷嘴形状的关系汽流参数与喷嘴形状的关系以下导数项为对流动方向求导即以下导数项为对流动方向求导即 ，略去，略去dx.（1）基本方程）基本方程连续性方程：连续性方程：则有：则有：由动量方程由动量方程40.d.Ma=1时（时（喷嘴内汽流速度等于当地音速喷嘴内汽流速度等于当地音速）：）：喷嘴截面积达最小值，喷嘴截面积达最小值，称为临界截面或喉部称为临界截面或喉部c.Ma1时（超音速流动）：时（超音速流动）：汽道的截面积随着汽流加速而逐渐增大，汽道的截面积随着汽流加速而逐渐增大，即需要采用渐扩喷嘴。即需要采用渐扩喷嘴。（2）流动过程分析）流动过程分析 1）依据式）依据式 b.Ma1时（亚音速流动）：时（亚音速流动）：汽道的截面积随着汽流加速而逐渐减小，汽道的截面积随着汽流加速而逐渐减小，即即需要采用渐缩喷嘴。需要采用渐缩喷嘴。二、蒸汽在喷嘴中的流动过程二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程1汽流参数与喷嘴形状的关系汽流参数与喷嘴形状的关系END 3a.截面变化截面变化=f(速度的变化，马赫数速度的变化，马赫数)。在喷嘴中要进行膨胀加速，所以在喷嘴中要进行膨胀加速，所以41.二、蒸汽在喷嘴中的流动过程二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程(3)蒸汽在喷嘴中流动时各项参数沿汽道的变化规律蒸汽在喷嘴中流动时各项参数沿汽道的变化规律汽流速度、压力、焓降、截面积、音速沿流动反向的变化规律汽流速度、压力、焓降、截面积、音速沿流动反向的变化规律42.（4）喷嘴中汽流的临界状态喷嘴中汽流的临界状态2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程n临界参数临界参数:1.临界速度临界速度2.临界压力临界压力n临界状态：汽流速度等于当地音速的状态，此时的汽流参数称为临界参数临界状态：汽流速度等于当地音速的状态，此时的汽流参数称为临界参数(cr)二、蒸汽在喷嘴中的流动过程二、蒸汽在喷嘴中的流动过程3.临界压比：临界压比：临界压力与滞止初压之比临界压力与滞止初压之比对过热蒸汽对过热蒸汽 k=1.3，对干饱和蒸汽对干饱和蒸汽 k=1.135，对湿蒸汽对湿蒸汽 k=1.035+0.1x，K一定，临界速度只与蒸汽的初参数有关43.二、蒸汽在喷嘴中的流动过程二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程1汽流参数与喷嘴形状的关系汽流参数与喷嘴形状的关系（5）超音速的形成超音速的形成a.缩放喷嘴缩放喷嘴b.在现代大型汽轮机中，绝大部分喷嘴为渐缩喷嘴，对于在出口带斜在现代大型汽轮机中，绝大部分喷嘴为渐缩喷嘴，对于在出口带斜切部分的渐缩喷嘴，汽流在斜切部分可达到超声速。切部分的渐缩喷嘴，汽流在斜切部分可达到超声速。44.2.喷嘴出口的汽流速度喷嘴出口的汽流速度（1）喷嘴出口的汽流理想速度）喷嘴出口的汽流理想速度（按等熵过程膨胀）二、蒸汽在喷嘴中的流动过程二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程蒸汽流出喷嘴出口的理想速度（m/s)；蒸汽按等熵过程膨胀的终态焓（J/kg)。则喷嘴出口汽流理想速度为：在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数已知，则45.2.喷嘴出口的汽流速度喷嘴出口的汽流速度（1）喷嘴出口的汽流理想速度）喷嘴出口的汽流理想速度（按等熵过程膨胀）二、蒸汽在喷嘴中的流动过程二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程喷嘴出口汽流理想速度为：喷嘴出口汽流理想速度为：理想气体在等熵膨胀过程中的比焓差为理想气体在等熵膨胀过程中的比焓差为 所以喷嘴的压力比当蒸汽初态确定，46.（2 2）喷嘴出口的汽流实际速度喷嘴出口的汽流实际速度喷嘴出口的汽流实际速度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。实际流动是有损失的，汽流实际速度小于汽流理想速度。喷嘴出口的汽流实际速度为：喷嘴出口的汽流实际速度为：2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程 喷嘴速度系数喷嘴速度系数(通常取通常取 =0.97)n影响速度系数的因素：喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度、前后压力等。n速度系数与喷嘴高度的关系曲线如下图：（上限Bn=55mm,下限Bn=80mm)47.（3 3）喷嘴损失）喷嘴损失）喷嘴损失）喷嘴损失 蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称为称为喷嘴损失，用用喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数，用用（2 2）喷嘴出口的汽流实际速度喷嘴出口的汽流实际速度喷嘴出口的汽流实际速度喷嘴出口的汽流实际速度 喷嘴出口的汽流实际速度为：喷嘴出口的汽流实际速度为：2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程表示：表示：表表 示示：48.3.通过喷嘴的流量通过喷嘴的流量2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程1）喷嘴的理想流量）喷嘴的理想流量计算计算喷嘴出口处截面积，(m)；为喷嘴出口处理想汽流速度，(m/s);式中：为喷嘴出口处密度，（kg/m3)和多变过程的方程式由：式中：喷嘴前后压力比49.和喷嘴出口截面积和喷嘴出口截面积3.喷嘴流量计算喷嘴流量计算1）喷嘴理想流量）喷嘴理想流量2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程当喷嘴前的参数当喷嘴前的参数通过喷嘴的流量通过喷嘴的流量 只取决于喷嘴前后压力比只取决于喷嘴前后压力比一定时，一定时，令可求得最大流量时的压力比临界压力比 喷嘴的临界流量=喷嘴所能通过的最大流量。上式中：仅与蒸汽性质有关的系数，对过热蒸汽=0.667，对饱和蒸汽=0.635。50.3.喷嘴流量计算喷嘴流量计算 2）喷嘴流量曲线喷嘴流量曲线 2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程CBOBABBC51.n 为喷嘴的流量系数，其大小与喷嘴的几何参数、汽体参数及汽体物理性质等因素有关，另外还与喷嘴出口的实际密度与等熵密度之比有关。令，则有3)通过喷嘴的实际流量3.喷嘴流量计算喷嘴流量计算2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程52.3.喷嘴流量计算喷嘴流量计算 （3）通过喷嘴的实际流量的计算通过喷嘴的实际流量的计算 2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程考虑了流量系数后，实际临界流量公式为：实验得到的流量系数曲线53.3.喷嘴流量计算喷嘴流量计算 （4）彭台门系数彭台门系数 2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程对于亚临界流动亚临界流动，1,对于临界流动临界流动，=1。用单一的计算公式用单一的计算公式计算喷嘴流量计算喷嘴流量K值确定后54.2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程n与n的关系绘成如图 所示的曲线。计算时，先在图上查 取 值，然后利用下式计算：渐缩喷嘴的彭台门系数 （4）彭台门系数彭台门系数 55.（四）蒸汽在喷嘴斜切部分中的流动（四）蒸汽在喷嘴斜切部分中的流动1.蒸汽在斜切部分中的膨胀 在汽轮机级中，为了保证喷嘴出口对汽流的良好导向作用，必须在出口截面之外有一段斜切部分，这种喷嘴称为斜切喷嘴，如图所示。2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程56.n斜切部分对汽流的影响如下：a)当ncr 时AB截面上的流速小于或等于音速，压力与喷嘴背压相等，斜切部分不膨胀,只起导向作用。此时b）当n cr 时喉部截面上的流速等于临界速度，压力为临界压力，蒸汽在斜切部分继续膨胀，从而获得超音速汽流。且汽流方向发生偏转,喷嘴汽流偏转角喷嘴汽流偏转角1。2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程c）当n=1d 时极限情况57.2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程当ncr 时，AB截面上的流速小于或等于音速，压力与喷嘴背压相等，斜切部分不膨胀,只起导向作用当n cr 时，喉部截面上的流速等于临界速度，压力为临界压力，蒸汽在斜切部分继续膨胀，从而获得超音速汽流。且汽流方向发生偏转,喷嘴汽流喷嘴汽流偏转角偏转角1。A.喷嘴斜切部分膨胀的极限工况：最后一条特性线与AC重合时的工况。B.汽流在斜切部分偏转的原因：图1-17（b）。58.2.斜切部分汽流偏转角的近似计算斜切部分汽流偏转角的近似计算可利用连续性方程求解，即通过最小截面的流量应与出口截面的流量相等。最小截面：出口截面:在实际结构中，lnln，所以：2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程贝尔公式59.对等熵流动，有以下等式成立：所以：2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程计算偏转角60.3.极限压力计算或斜切部分的膨胀达极限时，马赫角与汽流角和偏转角之和相等，于是有：而2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程61.所以：2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程极限膨胀压比极限膨胀压力62.三、蒸汽在动叶栅中的流动n动叶通道的形状与喷嘴相似，基本流动规律也类似动叶通道的形状与喷嘴相似，基本流动规律也类似n重点：蒸汽动能到叶轮机械能的转换。n目标：确定蒸汽在动叶通道进口和出口的速度变化与所做功的定量关系。n一、动叶栅的进出口速度三角形n绝对速度c：蒸汽相对于喷嘴的速度；n相对速度w：蒸汽相对于动叶的速度；n圆周速度u：叶轮旋转的圆周速度。2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程63.三三.蒸汽在动叶栅中的流动过程蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程 1.动叶进口速度三角形动叶进口速度三角形 1）进口速度三角形构成）进口速度三角形构成 构成进口速度三角形构成进口速度三角形2）根据喷嘴参数计算绝对速度）根据喷嘴参数计算绝对速度 和动叶进口气流方向角3）根据进口速度三角形计算相对速度）根据进口速度三角形计算相对速度 根据经验参数等取初值64.三三.蒸汽在动叶栅中的流动过程蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程2.动叶出口速度三角形动叶出口速度三角形 1）出口速度三角形构成）出口速度三角形构成 构成进口速度三角形构成进口速度三角形2）根据动叶参数计算相对速度）根据动叶参数计算相对速度 和出口方向角3）根据出口口速度三角形计算绝对速度）根据出口口速度三角形计算绝对速度 65.动叶与喷嘴的不同之处是动叶本身以圆周速度动叶与喷嘴的不同之处是动叶本身以圆周速度u运动运动把坐标建立在动叶上，把蒸汽参数以对动叶的相对参数表示把坐标建立在动叶上，把蒸汽参数以对动叶的相对参数表示理想相对速度理想相对速度实际相对速度实际相对速度动叶速度系数动叶速度系数汽流速度的计算汽流速度的计算设蒸汽在动叶通道内为等比熵流动设蒸汽在动叶通道内为等比熵流动三、蒸汽在动叶栅中的流动2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程在计算时，通常取=0.850.95。66.67.三三.蒸汽在动叶栅中的流动过程蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程 3.动叶进出口速度三角形动叶进出口速度三角形 为了分析和应用方便，在汽轮机级的计算时，常将动叶进、出口速为了分析和应用方便，在汽轮机级的计算时，常将动叶进、出口速度三角形的顶点移动到同一点上。度三角形的顶点移动到同一点上。68.4.4.动叶损失动叶损失动叶损失动叶损失 动叶损失就是蒸汽通过动叶栅的能量损失，由于动叶损失的存在，使动叶出口的焓值由 ，则动叶损失为：动叶损失 之比成为动叶栅的能量损失系数，即 在计算时，通常取=0.850.95。三三.蒸汽在动叶栅中的流动过程蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程动叶速度系数动叶速度系数69.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，=01之间。通常：调节级和排汽级 =0 抽汽级 =00.5 中间级 =1三三.蒸汽在动叶栅中的流动过程蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程5.余速损失余速损失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：的大小将影响到下一级的滞止状态点70.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图上的过程曲线如图所示。级的轮周有效焓降：三三.蒸汽在动叶栅中的流动过程蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程hs0123.余速损失余速损失喷嘴损失动叶损失级的轮周有效焓降余速损失71.1.蒸汽作用在动叶片上的力：可由牛顿第三定律和动量方程求得。如图所示。将汽流力分解为周向分力Fu 和轴向分力Fz。2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程四四.轮周功率轮周功率72.1.蒸汽作用在动叶片上的力：可由牛顿第三定律和动量方程求得。将汽流力分解为周向分力Fu 和轴向分力Fz。则，或或 蒸汽对动叶片的总作用力Fb为：2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程四四.轮周功率轮周功率73.2.轮周功率单位时间内圆周力Fu在动叶片上所做的功，它等于圆周力Fu与动叶圆周速度u的乘积，称为轮周功率，其表达式为：或1Kg蒸汽所作的轮周功率，称为级的作功能力，其大小为：或2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程四四.轮周功率轮周功率74.2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程四四.轮周功率轮周功率分析：分析：2.轮周功率冲动级：由于动叶转折较大，所以冲动级：由于动叶转折较大，所以1 和和2较小，作功能力较大较小，作功能力较大反动级：由于动叶转折较冲动级小，所以反动级：由于动叶转折较冲动级小，所以1 和和2较大，作功能力较小较大，作功能力较小75.在叶片的进出口速度三角形中应用余弦定理，即可得到轮周功率的另一种表达形式：2.2 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程四四.轮周功率轮周功率76.蒸汽在级内所具有的理想能量不能百分之百地转变为轮周功，存在着损失。为了描述蒸汽在汽轮机级内能量转换的完善程度，通常用各种不同的效率来加以说明。一一.轮周效率与速度比轮周效率与速度比 1.轮周效率轮周效率：蒸汽在汽轮机级内所作出轮周功 与它在级内所具有的理想能量 之比称为级的轮周效率,即2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比2.级的理想能量级的理想能量：一般来说，级的理想能量是级的理想焓降、进入本级的动能和本级余速动能被下一级所利用部分的代数和，即：级的滞止理想焓降减去被下一级利用的余速动能77.3.3.级的理想速度级的理想速度：为了研究方便，引入一个级的理想速度Ca2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比2.级的理想能量级的理想能量:一一.轮周效率与速度比轮周效率与速度比 余速利用系数 0本级利用上级余速动能的份额 1本级余速动能被下一级利用的份额4.级的轮周效率的不同计算表达式级的轮周效率的不同计算表达式78.3.3.级的理想速度级的理想速度：2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比4.级的轮周效率的不同计算公式：级的轮周效率的不同计算公式：一一.轮周效率与速度比轮周效率与速度比 1）定义式）定义式2）汽流速度式汽流速度式3）能量平衡方式）能量平衡方式4）能损分析式能损分析式END 379.3.3.级的理想速度级的理想速度：2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比4.级的轮周效率的不同计算公式：级的轮周效率的不同计算公式：一一.轮周效率与速度比轮周效率与速度比 2）汽流速度式汽流速度式END 380.2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比式中，分别为喷嘴损失、动叶损失和余速损失与级的理想能量之比，称为喷嘴、动叶和余速能量损失系数。4.级的轮周效率的不同计算公式：级的轮周效率的不同计算公式：一一.轮周效率与速度比轮周效率与速度比 4）能损分析式能损分析式81.2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比4.级的轮周效率级的轮周效率u的不同计算公式的不同计算公式一一.轮周效率与速度比轮周效率与速度比 结论：结论：1 1）以速度形式表示的以速度形式表示的uu计算公式，一般用来分析级的轮周效率与速比计算公式，一般用来分析级的轮周效率与速比之间的关系；之间的关系；以损失系数表示的以损失系数表示的u计算公式，用来分析各种轮周损失所占的比例时计算公式，用来分析各种轮周损失所占的比例时较为方便；较为方便；在进行热力计算时可以用来互相校核。在进行热力计算时可以用来互相校核。2 2）轮周效率取决于三项损失系数）轮周效率取决于三项损失系数在喷嘴和动叶叶型选定后，在喷嘴和动叶叶型选定后，就基本上确定了就基本上确定了影响轮周效率影响轮周效率uu的主要因素是余速损失系数的主要因素是余速损失系数因此应减少动叶出口的绝对速度因此应减少动叶出口的绝对速度C C2 2，同时提高余速利用系数同时提高余速利用系数82.2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比5.5.速度比：速度比：83.6.最佳速度比：最佳速度比：2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比84.三、速度比及其与轮周效率的关系n速度比：x1=u/c1 。n研究速度比与轮周效率关系的目的在于根据不同级的特点，分析速度比对轮周效率的影响，并确定最佳速度比。n（一）纯冲动级的最佳速度比n1.余速不利用：对纯冲动级，余速不利用，则，则有2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比85.轮周效率的表达式为：应用速度三角形，上式变为：分析：1）对 u 的影响最大，提高 和 可提高 u 2）降低1 和 2 可提高 u 3）一旦喷嘴及动叶型线确定后，这些参数也就随之而定，轮周效率只随x1的变化而变化。2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比n（一）纯冲动级的最佳速度比86.2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比n（一）纯冲动级的最佳速度比87.轮周效率的表达式为：分析：（1）当x1=0时，u 0。（2）当 x1=cos 1 时，u 0。（3）所以，当x1从零变化到 cos 1 的过程中，必存在一个使 u 达最大值的速度比。即最佳速度比。2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比n（一）纯冲动级的最佳速度比一旦喷嘴及动叶型线确定后，、1 和 2参数也就随之而定，唯有x1的变化而变化88.n最佳速度比：轮周效率最高时的速度比。用(x1)op表示。n求解方法：函数求极值法和速度三角形法。a)函数求极值法：将u 的表达式对x1求导，并令其为零即可得最佳速度比的值。即可求得最佳速度比：2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比n（一）纯冲动级的最佳速度比89.b)速度三