汽轮机级的工作原理.pptx

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1、12 汽轮机级的工作原理本章要求1）掌握汽轮机通流部分中蒸汽的流动规律及能量转换过程，提高综合应用基础知识分析研究具体工程技术问题和科研课题的能力。2）明确在级内能量转换过程中，各项损失的物理概念及减少损失的措施和计算方法。3）明确级的速比、反动度、比焓降及叶型参数对汽轮机热功转换能力（轮周功率）和轮周效率的重要影响，及对汽轮机整体结构的影响。4）掌握用一元流理论进行级的热力设计的方法。第1页/共126页2级由一列喷嘴叶栅（静叶栅）和其后的一列动叶栅构成的汽轮机作功的最小单元。2.1 概 述一、汽轮机的级1.什么是级?多级则能产生较大的功率，大型汽轮机均由多级串联组成。喷嘴：由固定不动的静叶栅

2、构成的蒸汽通道。转子：汽轮机的转动部分。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，包括各级喷嘴和动叶、主汽门、调节汽门等。第2页/共126页3级=喷嘴叶栅+动叶栅2.1 概 述一、汽轮机的级2.级的结构编号和下标：0,1,2；n-nozzle喷嘴，b-blade动叶。特征截面：喷嘴叶栅前截面 00 喷嘴叶栅和动叶栅之间的截面 1-1 动叶栅后截面 2-2第3页/共126页42.1 概 述一、汽轮机的级3.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。（2）蒸汽的流动路线：进入喷嘴离开喷嘴进入动叶离开动叶。（3）工质性质的变化：喷嘴中得到加速（p，c），在动叶中加速

3、继续（p，c）。（4）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。p0c0p1c1c2p2压力及速度曲线第4页/共126页53 3、级的工作过程、级的工作过程（1 1）蒸汽在级内的流动过程）蒸汽在级内的流动过程 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，把蒸汽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能部分热能转换为出口蒸汽动能动叶：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。（2 2）蒸汽在级内的）蒸汽在级内的压力、速度的变化趋势蒸汽通过喷嘴和动叶后，其压力、速度的变化趋势如图1.3。特征

4、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。图1.3 蒸汽级内压力，速度变化趋势110022第5页/共126页6连连 续续 方方 程程:第6页/共126页72.1 概 述一、汽轮机的级4.热力过程线反应级的做功过程和工质的变化特性的h-s曲线。（1）四个状态：1）滞止状态（0*状态）。2）喷嘴进口状态（0状态）。3）喷嘴出口状态（动叶进口状态，1状态）。4）动叶出口状态（2状态）。第7页/共126页8（2）三类参数：1）焓降物理意义：做功能力 级的滞止理想比焓降 ，级的理想比焓降 喷嘴的滞止理

5、想比焓降 ，喷嘴的理想比焓降 动叶的理想比焓降2.1 概 述一、汽轮机的级4.热力过程线喷嘴前汽流速度c0所具有的动能：滞止焓值：举例：滞止参数：滞止状态下的汽流热力参数，用上标“0”或“*”来表示；第8页/共126页92）熵增过程物理意义：不可逆过程3）损失 a.喷嘴损失 b.动叶损失 在实际研究中常认为=理想过程：无不可逆损失的等熵过程；实际过程：存在着不可逆摩擦损失，动能损失转变为热能。一、汽轮机的级4.热力过程线（2）三类参数：第9页/共126页102.1 概述一、级的工作过程4.热力过程线 余速损失喷嘴中的能量损失动叶中的能量损失第10页/共126页11动叶理想比焓降：滞止比焓差：喷

6、嘴理想比焓降：喷嘴损失：喷嘴实际比焓降：图1.5 喷嘴及动叶的热力过程线2、喷嘴及动叶的热力过程 动叶损失：动叶实际比焓降：余速损失：第11页/共126页12 级的理想比焓降：级滞止理想比焓降：图1.5 汽轮机的级的热力过程线2、喷嘴及动叶的热力过程喷嘴滞止理想比焓降：轮周损失：轮周有效比焓降：第12页/共126页13 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，给动叶一个与汽流运动方向相反的作用力。级的受力：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Fu使动叶栅旋转而产生机械功。1、汽轮机

7、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12P0,h0c01uc1c2二、级的反动度2.1 概述第13页/共126页142.1 概述（1）反动度的定义二、级的反动度2.反动度反动度：动叶的理想比焓降占总体 理想比焓降的份额。定义式：（2）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。2）叶根截面（root），平均截面（middle），顶部截面（top），3）通常用级的平均直径处的反动度通常用级的平均直径处的反动度mm来表示。来表示。第14页/共126页15（3 3）关于级的反动度的分析与讨论）关于级的反动度的分析与讨论1）由于h-s图上等压线

8、沿比熵增方向发散，故严格说，但由于喷嘴损失很小，因此在使用中常认为2）m越大，hb越大，则蒸汽对动叶栅的反动力也越大；3）反动度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。第15页/共126页162.1 概述三、级的分类1.分类依据：反动度直接影响叶片形状的设计、运行的安全性和经济性。冲动级靠冲动力做功的级，反动度小的级。级的分类 反动级靠反动力做功的级，反动度大的级。第16页/共126页172.1 概述三、级的分类2.冲动级（1）纯冲动级 1）=0，蒸汽只在喷嘴中膨胀，而在动叶中不膨胀，只

9、改变流动方向。2）p1=p2，hb=0,ht*=hn*。3）效率较低，很少使用。第17页/共126页18d、P1P2，hn hb；蒸汽作用在动叶上的主要是冲动力，小部分是反动力；在最佳速比下，做功能力比反动级大，效率较纯冲动级高，在汽轮机中得到了广泛应用。三、级的分类2.冲动级（2）带反动度的冲动级 1）(0,0.5)，一般而言 0.05,0.20 2）结构特点：a.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结构和隔板汽封；c.动叶栅前后压差小，轴向受力不大，采用叶轮式。第18页/共126页192.1 概述三、级的分类3.反动级 1）=0.5 2）p1p2，hb=0.5h

10、t*=hn*。3）效率比冲动级高，但是工作能力较小。4）结构特点：a.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；c.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。第19页/共126页20图1.6 冲动式汽轮机示意图图1.7 反动式汽轮机示意图第20页/共126页212.1 概述压力及流速变化曲线三、级的分类第21页/共126页222.1 概述四、级的其他分类方法 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。按级的通流面积是否随负荷大小而变来划分。1）调节级可以通过改变进汽面积控制其进汽量的级 中小汽轮机用复速级作调节级；大

11、型汽轮机常用单列冲动级作调节级；总是做成部分进汽。2）非调节级不通过改变进汽面积控制其进汽量的级。可以是全周进汽，也可以是部分进汽 第22页/共126页232单列级和速度级 按蒸汽动能转变为转子机械能的过程来划分按蒸汽动能转变为转子机械能的过程来划分 1）单列级动能转换为机械能只在一列动叶栅中完成的级。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。2）速度级动能转换为机械能在一级多列动叶栅中完成的级 a.有两列动叶栅的速度级成为双列级或复速级。b.复速级由一列喷嘴、一列导向叶栅核两列动叶栅组成；c.做功能力比单列级大。特点：复速级都是冲动式的；做功能力

12、大（较单列级而言），通常在一级内要求承担很大焓降时采用；为提高复速级效率，其设计时带有一定的反动度。第23页/共126页242.1 概述四、级的其他分类方法 2单列级和速度级 第24页/共126页25五、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第25页/共126页262.2 汽轮机级内能量转换过程一、级内模型的简

13、化和基本方程式 1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第26页/共126页271）连 续 方 程 式 2）能 量 方 程 式（1 1）喷喷嘴嘴：q=0,W=0 q=0,W=0 (2)(2)动动叶叶：求求W W(3)(3)级级：求求W W(4)(4)整整台台汽汽轮轮机：求机：求WW3）状 态 及 过 程 方 程 式等比熵过程方程：多变程方程2.2 蒸汽在级内的流动过程一、级内模型的简化和基本方程式 2.基本

14、方程式中：k 为定熵指数；过热蒸汽：k=1.3；饱和蒸汽：k=1.035；湿蒸汽：k=1.035+0.1x（x为过程初态干度）n 多变过程指数；实际流动过程第27页/共126页284）动 量 方 程 式 5）气 动 方 程 式 音速的计算公式：马赫数M：M=1时为临界状态第28页/共126页29二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程1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 ，略去dx.（1）基本方程连续性方程：则有：由动量方程第29页/共126页30二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程1汽流参数与喷嘴形状的关系 （2）流动过程分析 1）依据式 a

15、.截面变化=f(速度的变化，马赫数)。在喷嘴中要进行膨胀加速，所以b.Ma1时：由于要进行膨胀加速，所以 即需要采用渐扩喷嘴。d.Ma=1时：由于要进行膨胀加速，所以 即喷嘴截面积达最小值。END 3第30页/共126页31二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程1汽流参数与喷嘴形状的关系（2）流动过程分析2）超音速的形成a.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，对于在出口带斜切部分的渐缩喷嘴，汽流在斜切部分可达到超声速。c.临界速度对过热蒸汽 k=1.3，对干饱和蒸汽 k=1.135，对湿蒸汽 k=1.035+0.1x，第31页/共126页32 2.喷嘴出口的

16、汽流速度（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的条件。按等熵过程膨胀，其过程曲线如图所示。则喷嘴出口汽流理想速度为：或者为：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)。二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程第32页/共126页33二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程 2.喷嘴出口的汽流速度（1）喷嘴出口的汽流理想速度第33页/共126页34（2 2）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。通常用喷嘴速度系数 来考查两者之间的差别(通常取 =

17、0.97)。这样，喷嘴出口的汽流实际速度为：（3 3）喷嘴损失）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 表 示：喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数，用 表示：2.2 蒸汽在级内的流动过程第34页/共126页353.喷嘴中汽流的临界状态2.2 蒸汽在级内的流动过程临界参数:1.临界速度2.临界压力对过热蒸汽 k=1.3，对干饱和蒸汽 k=1.135，对湿蒸汽 k=1.035+0.1x第35页/共126页36压力、焓降、截面积、汽流速度、音速、比容沿流动的变化规律2.2 蒸汽在级内的流动过程3.喷嘴中汽流的临界状态第36页/共126页374.喷嘴流量计算（1）喷嘴

18、的理想流量 计算 喷嘴的理想流量 可用下式计算:式中，为喷嘴出口处截面积，(m);为喷嘴出口处理想汽流速度，(m/s);为喷嘴出口处比容（m/kg)。又有 ,则上式为：称 为喷嘴前后压力比。2.2 蒸汽在级内的流动过程与初速无关第37页/共126页38（2）喷嘴流量曲线 当喷嘴前的参数 和喷嘴出口截面积一定时，通过喷嘴的流量 只取决于喷嘴前后压力比。4.喷嘴流量计算2.2 蒸汽在级内的流动过程 只与k值有关第38页/共126页39 （3）通过喷嘴的实际流量的计算 通过喷嘴的实际流量为：式中，称为喷嘴流量系数。对于过热蒸汽，取 =0.97；对于饱和蒸汽，取 =1.02。考虑了流量系数之后，通过喷

19、嘴的实际流量为：对于过热蒸汽：对于饱和蒸汽：另外还可以用单一的计算公式表示：称为彭台门系数。对于亚临界流动亚临界流动，1,对于临界流动临界流动，=1。4.喷嘴流量计算2.2 蒸汽在级内的流动过程第39页/共126页40 （3）通过喷嘴的实际流量的计算 4.喷嘴流量计算2.2 蒸汽在级内的流动过程第40页/共126页415.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,如图所示。这样，实际喷嘴由两部分所组成：一部分是渐缩部分ABDE，AB为最小截面处。另一部分为斜切部分ABC。由于斜切部分的存在，它将给汽流产生影响。2.2 蒸汽在级内的流动过程

20、第41页/共126页421.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（），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 ）。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要继续膨胀加速，蒸汽压力由临界 压力下降为 ，汽流速度由临界速度到大于音速，并且汽流方向要发生扰动和偏转。5.蒸汽在喷嘴斜切部分的流动2.2 蒸汽在级内的流动过程END 4第42页/共126页43第43页/共126

21、页44（1）偏转角1贝尔公式（2）极限膨胀第44页/共126页45第45页/共126页46喷嘴及动叶汽流流动特性 喷嘴及动叶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（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。第46页/共126页47三.蒸汽在动叶栅中的流动过程 动叶通道的形状与喷嘴相似，基本流动规律也类似。对动叶的研究主要着重于蒸汽动能到叶轮机械能的转换问题。2.2 蒸汽在级内的流动过程 1.动叶进出口速度三角形 第47页/

22、共126页48三.蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程 1.动叶进出口速度三角形 第48页/共126页49三.蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程 1.动叶进出口速度三角形 第49页/共126页50三.蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程 1.动叶进出口速度三角形 第50页/共126页512.2.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.蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程第51

23、页/共126页523.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 离开动叶，其具有的动能称为余速损失：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。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.蒸汽在动叶栅中的流动过程2.2 蒸汽在级内的流动过程第52页/共126页53 （1）蒸汽对动叶片的作用力 蒸汽在动叶栅通道中要改变方向、或者还要膨胀加速，其对动叶片的作用力可用下式进行计算：圆周分力 或者 轴向分力 或者 合力 G 单位时间内流过动叶栅的流量；Az 动叶通道轴向投影面

24、积。4.蒸汽作用在动叶片上的力及轮周功2.2 蒸汽在级内的流动过程三.蒸汽在动叶栅中的流动过程第53页/共126页54（2）轮周功和轮周功率 蒸汽通过汽轮机的级在动叶片上所作的有效机械功称为轮周功。而单位时间内作出的轮周功称为轮周功率。轮周功率为圆周分力和圆周速度的乘积：或者，用G除以上二式，得到每1kg蒸汽所作出的轮周功。轮周功表示作功能力，用Wu1 表示：或者，结合速度三角形和余弦定理，轮周功还可以用下式表示：4.蒸汽作用在动叶片上的力及轮周功2.2 蒸汽在级内的流动过程三.蒸汽在动叶栅中的流动过程第54页/共126页555.动叶栅出口汽流相对速度和绝对速度 通过动叶通道的能量方程式可得到

25、动叶栅出口汽流相对理想速度为：结合图，焓降 称为动叶栅理想焓降。这样，其中，称为动叶栅的滞止焓降。由于通过动叶栅的流动是有损失的，为了说明问题 引用动叶速度系数。这样，动叶出口的实际相对速度为2.2 蒸汽在级内的流动过程第55页/共126页56作业与思考题1、已知机组某级级前压力 =1.85MPa，温度 =340 ；级后蒸汽压力为 =1.5MPa。级的反动度 =0.12 。喷嘴出汽角 =11.1 ，动叶出汽角 =18.3 。若级的速度比 =0.54，喷嘴速度系数 =0.97，进入喷嘴的初速度 =52.3m/s ，试计算动叶出口相对速度 及绝对速度 ，并绘制动叶进出口速度三角形(标出速度、角的符

26、号和数值）。2、已知汽轮机的第三级前压力 =5.13MPa，温度 =467.5 ；级后蒸汽压力为 =4.37MPa。进口初速动能 =1.214 kJ/kg，级的平均直径 =998.5 mm，级的反动度为 =0.0794。喷嘴出汽角 =10.78 ，动叶出汽角 =17.9 。喷嘴和动叶的速度系数分别为 =0.97、=0.935，机组转速n=3000r/m。试绘制动叶进出口速度三角形(标出速度、角的符号和数值）。3、分析喷嘴截面积的变化规律。4、分析蒸汽在喷嘴斜切部分的流动规律。5、画出渐缩喷嘴的流量曲线图。第56页/共126页57 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

27、。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.轮周效率与速度比 1.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.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：2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比第57页/共126页583.3.级的理想速度级的理想速度：为了研究方便，这里引入一个级的理想速度 ,定义：4.4.级的轮周效率级的轮周效率：或者 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。2.3

28、汽轮机级的轮周效率和最佳速度比第58页/共126页595.5.速度比：速度比：2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比第59页/共126页606.最佳速度比：2.3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比第60页/共126页616.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第61页/共126页626.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END 5第62页/共126页632.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定一、叶栅的几何特征1.什么是叶栅？叶栅：由相同叶片构成汽流流道的组合体。2.叶型及叶型参数（1）叶型：叶片的横断面形状，包括等截面叶型和变截面叶型

29、。（2）叶型参数 1）叶栅几何特性参数 dm平均直径。l叶片高度。t叶栅节距。B叶栅宽度。b叶栅弦长。第63页/共126页642.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定一、叶栅的几何特征2.叶型及叶型参数（1）叶型：叶片的横断面形状，包括等截面叶型和变截面叶型。（2）叶型参数 1）叶栅几何特性参数 dm平均直径。l叶片高度。t叶栅节距。B叶栅宽度。b叶栅弦长。出口边厚度。a进口边宽度。a1、a2出口边宽度。am喉部宽度。分别为相对节距、相对高度、相对长度。第64页/共126页652.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定一、叶栅的几何特征 2）汽流相关参数 0、1、1、2分别为喷嘴叶栅

30、进口汽流角、动叶叶栅进口汽流角、喷嘴叶栅出口汽流角、动叶叶栅出口汽流角。s、s叶栅的安装角。0g、1g、1g、2g分别为喷嘴叶栅叶型进口角、动叶叶栅叶型进口角、喷嘴叶栅叶型出口角、动叶叶栅叶型出口角。汽流冲角叶型进口角与汽流进口角之差。第65页/共126页662.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定二、叶栅及叶型参数的选择 1叶栅类型的选择 依据：Ma。*亚声速叶栅Ma1.4 由于超声速叶栅的工艺性能和变工况性能较差，且亚声速叶栅可利用其斜切部分的继续膨胀实现超声速，仍可采用亚声速叶栅。2.汽流出口角1、2的选择 （1）高压级：选择出口角较小的叶型，冲动级1=11-14，反动级1=14-

31、20。由于体积流量小，为了不使叶片高度太小，减少端部损失。（2）中、低压部分：选择出口角较大的叶型，1=13-17。由于体积流量大，为了不使叶片高度太大。3.叶片个数和高度的选择 气动特性相对节距计算叶片数目；强度核算高度。4.叶片宽度的选择 通过叶片制造工艺和通用性的要求进行选择。第66页/共126页672.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定二、叶栅及叶型参数的选择第67页/共126页682.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定三、反动度的选择要使动叶根部不发生吸汽和漏汽，必须抑制泵浦效应、射汽抽汽效应，并使隔板的漏汽全部通过平衡孔流入级后。第68页/共126页692.4 2.

32、4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定四、喷嘴叶栅尺寸的确定 已知参数：级前蒸汽参数p0、t0和c0，级后压力p2和反动度（p1可计算出）。任务：1）喷嘴形式的选择。2）通流面积和叶片高度的确定。在进行喷嘴尺寸计算之前，应根据喷嘴压力比n选择喷嘴型式。当ncr时，应采用渐缩斜切喷嘴；当0.3n0.3时，才采用缩放斜切喷嘴，这是因为缩放喷嘴加工较困难，且工况效率低，故在汽轮机中应尽量避免采用缩放斜切喷嘴。第69页/共126页702.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定四、喷嘴叶栅尺寸的确定 第70页/共126页712.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定四、喷嘴叶栅尺寸的确定 第71页/

33、共126页722.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定四、喷嘴叶栅尺寸的确定 第72页/共126页732.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定五、动叶栅尺寸的确定 第73页/共126页742.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定五、动叶栅尺寸的确定 第74页/共126页752.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定五、动叶栅尺寸的确定 保持一定的盖度对减少流动损失有利，但是盖度过大反而助长了汽流在径向的突然膨胀，形成旋涡。第75页/共126页762.4 2.4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定六、其他结构因素的确定 1.级的动、静叶栅面积比2.级的间隙（轴向间隙和径向间隙r

34、）第76页/共126页77 在进行汽轮机热力设计时，通常是按级的平均直径处的平均反动度进行计算的。但级的反动度沿叶高是变化的，这样，平均反动度为：(1-128)叶根反动度为：(1-129)式中，动叶栅的平均直径、叶高。图1-36第77页/共126页78 确 定 某 一 级 的 反 动 度，除 了 合 理 选 用 动 静 叶 栅 之 叶 型 之 外，主 要 是 靠 通 过 一 定 的 动 静 叶 栅 出 口 面 积 比(f）来 实 现 的。即 一 定 的 反 动 度 对 应 一 定 的 动 静 叶 栅 出 口 面 积 比（f）。面 积 比 随 着 反 动 度 的 增 加 而 减 小。汽 轮 机

35、中 反 动 度 与 动 静 叶 栅 出 口 面 积 比 的 对 应 范 围 为：1.直 叶 片 级 f=1.86-1.65 .2.扭 叶 片 级 =0.2-0.4 ,f=1.7-1.4 .3.复 速 级 复 速 级 的 反 动 度 在 =0.030.08 范 围 内，则 其 面 积 比 为：第78页/共126页79 2.5 汽轮机级内损失和级效率 喷嘴损失 动叶损失 余速损失 叶高损失 扇形损失 叶轮摩擦损失 部分进汽损失 漏汽损失 湿汽损失不是每一级都同时具有这些所有损失，而是根据具体情况分别分析计算其不同的损失。如只有在部分进汽的级才有部分进汽损失，工作在湿蒸汽区的级才有湿汽损失。汽轮机级

36、内损失第79页/共126页80一一.级内损失级内损失1.叶高损失 将喷嘴和动叶中与叶高有关的损失称为级的叶高损失或叫端部损失。当叶片较短（一般说叶高l 10 12 时时，级级 应应 该该 采采 用用 等等 截截 面面 直直 叶叶 片片。等等 截截 面面 直直 叶叶 片片 的的 设设 计计 和和 加加 工工 都都 比比 较较 容容 易易，但但 存存 在在 着着 扇扇 形形 损损 失失；当当 10的的级级，则则应采用扭应采用扭 叶片叶片。2.5 汽轮机级内损失和级效率 一一.级内损失级内损失第81页/共126页82 3.叶轮摩擦损失 1）叶轮轮面与蒸汽的摩擦2）蒸汽及蒸汽之间的摩擦3）靠近叶轮轮面

37、侧的蒸汽质点随叶轮一起转动，在叶轮两侧的汽室中就形成了涡流运动（1）原因 2.5 汽轮机级内损失和级效率 一一.级内损失级内损失第82页/共126页83 叶叶 轮轮 摩摩 擦擦 损损 失失 可可 用用 以以 下下 经经 验验 公公 式式 计计 算算：,(k W)式 中，k：过热蒸汽，k=1，对于饱和蒸汽，k=1.21.3；d、l、u:级的平均直径、叶高、圆周速度；v2t-动叶出口蒸汽比容。叶轮摩擦损失也可用焓降来表示：叶轮摩擦损失也可用焓降来表示：=或者 2.5 汽轮机级内损失和级效率 第83页/共126页84 4.部分进汽损失（1）“鼓风”损失 发生在没有喷嘴叶片的弧段内。动叶通过这一弧段时

38、，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。（2）“斥汽损失”发生在安装有喷嘴叶片的弧段内。动叶片由非工作非工作区区进入工作区弧段工作区弧段时，动叶通道中滞留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。2.5 汽轮机级内损失和级效率 一一.级内损失级内损失第84页/共126页85 总的部分进汽损失由以上两部分所组成，即 而上 三 式 中，e-部分进汽度；ec=1-e;E-级 的 理 想 能 量

39、；Xa-级 的 速 度 比；Bc-系数，单列级:Bc=0.15,双 列 级:Bc=0.55;Zng-喷嘴组数；Cs-经验系数，单列级，Cs=0.012,双列级，Cs=0.016。4.部分进汽损失 he 2.5 汽轮机级内损失和级效率 一一.级内损失级内损失第85页/共126页86 5.漏汽损失 (1)隔板漏汽损失 1）原因：a.动静两部分的间隙；b.压差的作用；c.漏汽不但不作功反而干扰主流。2）解决办法：叶轮盘上开设平衡孔，让隔板漏汽从平衡孔漏出，而不干扰主流。(2)叶顶损失原因：反动度的存在，动叶前后有压力差,有一部分蒸汽不通过动叶通道而从叶顶间隙漏到级后。2.5 汽轮机级内损失和级效率

40、一一.级内损失级内损失第86页/共126页87 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。通常采用齿齿形形轴轴封封来解决这一问 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 2.5 汽轮机级内损失和级效率 一一.级内损失级内损失 5.漏汽损失 第87页/共126页88（3）隔板损失计算 （4）叶顶漏汽损失计算 2.5 汽轮机级内损失和级效率 一一.级内损失级内损失 5.漏汽损失 第88页/共126页896.湿汽损失 蒸汽在汽轮机最后几级时便进入湿蒸汽区，这里将产生湿汽损失。产产生生湿湿汽损失的原因汽损

41、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；（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；（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。2.5 汽轮机级内损失和级效率 一一.级内损失级内损失第89页/共126页90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；见如湿蒸汽会引起湿汽损失和冲蚀叶片，就必须采取一

42、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、电火花处理等。2.5 汽轮机级内损失和级效率 6.湿汽损失 一一.级内损失级内损失第90页/共126页91二、级的相对内效率和内功率 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。hi为级的有效焓降，它表示1kg蒸汽所具有的理想能

43、量最后转化为有效功的能量hi越大，级的内效率就越高。1.级的实际热力过程曲线 2.5 汽轮机级内损失和级效率 第91页/共126页92 2.级的相对内效率（级效率）级的相对内效率（级效率）级效率是衡量级内能量转换完善成度的最后指标。3.级级 的的 内内 功功 率率 或者 2.5 汽轮机级内损失和级效率 二、级的相对内效率和内功率第92页/共126页93作业与思考题1、级的热力计算：已知汽轮机转速n=3000r/m，通过级的流量G=65t/h，级的平均直径 =1.44 m，级的理想焓降 =125.6kJ/kg，蒸汽初速 =91.5m/s，级前压力 =0.0981MPa，干度 =0.99，级的反动

44、度 =0.2，喷嘴出汽角 =19 。要求：（1）确定静、动叶栅通流面积、叶高；（2）级的速度三角形；（3）级的内功率、内效率；（4）级的热力过程曲线。2、提高叶片抗蚀的办法有哪些？3、汽轮机的级共有哪些损失？其产生原因，如何减小？第93页/共126页942.6 2.6 级的热力计算级的热力计算一、级的热力计算的主要内容:进行喷嘴的热力计算,确定喷嘴通流面积和高度;进行动叶的热力计算,确定动叶通流面积和高度;画出动叶的进出口速度三角形;计算级的内效率和内功率;画出级的热力过程线.第94页/共126页952.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第95页/共1

45、26页962.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第96页/共126页972.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第97页/共126页982.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第98页/共126页992.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第99页/共126页1002.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第100页/共126页1012.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.

46、单列级的热力计算第101页/共126页1022.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第102页/共126页1032.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第103页/共126页1042.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第104页/共126页1052.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第105页/共126页1062.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第106页/共126页1072.6 2.6

47、级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第107页/共126页1082.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第108页/共126页1092.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第109页/共126页1102.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例1.单列级的热力计算第110页/共126页1112.6 2.6 级的热力计算级的热力计算二、级的热力计算举例2.复速级的热力计算了解与单列级热力计算的区别第111页/共126页1122.7 2.7 级的二维和三维热力设计级的二维和三

48、维热力设计 前面讨论级的气动特性和几何参数时，都是以一元流动模型为理论依据，以级的平均直径截面上的参数作为代表来进行研究和计算的。按这种计算方法设计的叶片，称为等截面直叶片，即叶片的几何参数沿叶高不变。显 然，这种设计方法计算方便，叶片加工简单。但是，对于汽轮机低压部分的级来说，蒸汽比容变化快，容积流量大，级的平均直径大，叶片长径高比很小。汽动参数沿叶高变化大。在这种情况下，如果仍然按等截面直叶片进行设计，则级的实际轮周效率比计算值要低得多。其原因就在于:第112页/共126页113（1 1）沿沿叶叶高高圆圆周周速速度度不不同同所所引引起起的的损损失失：从叶根到叶顶，其相应的圆周速度相差很大。

49、（如200MW汽轮机的末级叶片，平均直径为2000 mm,叶高为665 mm,径高比=3，其叶顶的圆周速度为418.6 m/s，而叶根的的圆周速度为209.7m/s，二者相差一半）。图1-70所示。由于圆周速度沿叶高增加，使汽流进入动叶通道时的进汽角 沿叶片高逐渐增大，即 。如果仍以平均直径处 速度三角形有关参数作为依据来进行设计，并采用等截面直叶片。那么，除了平均直径附近处之外，其余直径处的汽流在进入动叶通道时，都会有不同程度的撞击现象发生。这样都会造成损失。2.7 2.7 级的二维和三维热力设计级的二维和三维热力设计第113页/共126页114（2 2）沿沿叶叶高高相相对对节节距距不不同同

50、所所引引起起的的损损失失：叶片是安装在叶轮上的，呈 环形，当径高比很小时,节距沿叶高变化很大。而每一种叶栅都有一个最佳的相 对节距，其对应叶栅的效率最高。只要偏离这一最佳值，都会引起损失，造成效率下降。（3 3）轴轴向向间间隙隙中中汽汽流流径径向向流流动动所所引引起起的的损损失失：蒸汽从动、静叶栅通道中流出时，都有一定的圆周速度，因此，在动、静轴向间隙中必然产生离心力作用，而产生径向流动。径向流动就会造成损失。而且，叶片越长，径向流动造成的损失就越大。因此，对于长叶片级来说，就不能采用短叶片级的来进行设计。就必须把长叶片级设计成型线沿叶高变化的变截面叶片，即扭叶片。扭叶片加工困难，制造成本高。