汽轮机原理-第一章

能动学院热能与动力工程系张立茹TEL:[e-mail]汽轮机原理SteamTurbineTheory汽轮机原理绪论•汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式机械，主要用作发电原动机，也用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。汽轮机原理一、汽轮机的分类1、按工作原理分冲动式汽轮机反动式汽轮机2、按热力特性分凝汽式汽轮机背压式汽轮机抽汽式汽轮机抽汽背压式汽轮机多压式汽轮机汽轮机原理3、按主蒸汽压力分汽轮机类别主蒸汽压力（MPa)低压汽轮机0.12~1.5中压汽轮机2~4高压汽轮机6~10超高压汽轮机12~14亚临界压力汽轮机16~18超临界压力汽轮机22.1超超临界压力汽轮机32二、汽轮机型号的表示方法汽轮机型号的组成为：汽轮机原理ΔXX-XX-XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：C145/N200-12.7/535/535200MW凝汽式汽轮机,抽汽工况为145MW，主蒸汽压力为12.7MPa，温度为535ºC,再热蒸汽温度535ºC。汽轮机型式代号见下表：代号型式代号型式N凝汽式CB抽汽背压式B背压式CY船用C一次调整抽汽式Y移动式CC两次调整抽汽式HN核电汽轮机三、汽轮机发展的主要特点1、增大单机功率2、提高蒸汽参数3、采用一次中间再热4、采用燃气-蒸汽联合循环发电装置5、提高机组的运行水平四、汽轮机的主要制造企业：国外、国内第一章汽轮机级的工作原理•级是汽轮机中最基本的工作单位•级由静叶栅（喷嘴栅）和动叶栅组成•本章着重阐述单级汽轮机的工作原理一、蒸汽冲动原理和反动原理1、冲动原理（冲动级）：汽流只在喷嘴栅中膨胀做功，而在动叶中不膨胀，只改变其流动方向。汽流改变流动方向时对汽道会产生离心力，叫做冲动力。2、反动原理（反动级）：汽流在动叶中流动方向改变的同时仍继续膨胀做功，加速的汽流流出汽道时，对动叶栅将施加一个与汽流流出方向相反的反作用力，叫做反动力。第一节概述汽轮机原理二、级的反动度——动叶内理想比焓降Δhb与级滞止理想比焓降Δht*之比，表示蒸汽在动叶内的膨胀程度。反动度Ωm*tbmhhΩm=0时称为纯冲动级Ωm=0.5时称为典型反动级三、级的分类（一）冲动级和反动级1、纯冲动级2、带反动度的冲动级3、复速级（双列速度级）（二）压力级和速度级(动能转化为机械能的过程不同)汽轮机原理（三）调节级和非调节级速度级冲动级第二节蒸汽在级内的流动基本假设前提：蒸汽作为理想气体（1）蒸汽在级内的流动是稳定流动（2）蒸汽在级内的流动是一元流动（3）蒸汽在级内的流动是绝热流动(实际是有粘性、非连续和非定常的三元流动）汽轮机原理基本方程式（1）状态方程——pv=RT（3）动量方程——（2）连续性方程——Gv=Ac（4）能量守恒方程——22211200chch汽轮机原理cdcdp一、喷嘴中的热力过程sh1p112h1t∆hn∆hc00p0P0*0*h0h0*•P0,P1分别是喷嘴进出口压力•理想热力过程从0→1•实际热力过程是0→2•0*点是0的滞止参数点汽轮机原理22000chh1、喷嘴出口参数计算kkppppkkhhccpkkTRkkTch1010010202111211kkpppkkhhc1*01*0*01*021112汽轮机原理喷嘴出口的理想速度c1t为：kknnttpppkkhchchhc1*01*0*0*2020101112222喷嘴实际出口速度为：tcc11喷嘴速度系数动能损失为：*2212212112122nttnhccch汽轮机原理喷嘴动能损失nh滞止理想比焓降nh*喷嘴的能量损失系数：n与蒸汽之比21n汽轮机原理acMcdcMAdAdcdcAdAcdcdpdkpdpconstpaak其中，得到1022、喷嘴截面积的变化规律（几何条件）汽轮机原理代入动量方程和连续方程微分形式等熵方程Ma1,dA0,渐缩Ma=1,dA=0,喉部Ma1,dA0,渐扩*011*0*0*01212ppkpppkkpkccacpkddpankkcrcrcrcrcrcr3、喷嘴中的临界状态汽轮机原理临界压力比只取决于蒸汽本身的性质，与喷嘴的结构无关。对于过热蒸汽：对于干饱和蒸汽：cr577.0546.0crcr汽轮机原理4、喷嘴中的蒸汽流量（1）理想情况下，当喷嘴前后的压力比大于临界压力比时，由连续性方程有：ntnntcAGt11实际流量：ntnnGGkknknnkktnttnntpkkApppkkAcAG12*0*01*01*0*011112112汽轮机原理称为喷嘴流量系数，它主要与蒸汽状态及蒸汽在喷嘴中的膨胀程度有关。n（2）当喷嘴前后的压力比小于或等于临界压力比时，通过喷嘴的流量将保持不变，即为临界流量：0011)12(pkkAGkknnct实际临界流量：nctnncGG对于过热蒸汽，对于饱和蒸汽，006473.0,97.0,3.1pAGknncn006483.0,02.1,135.1pAGknncn汽轮机原理00648.0pAGnnc由以上分析可知，通过喷嘴的最大蒸汽流量（即临界流量），在喷嘴出口面积和蒸汽性质确定后，只与蒸汽的初参数有关；只要初参数已知，则通过喷嘴的临界流量即为定值。5、彭台门系数β当喷嘴进出口压力比处于某个数值时，其相应的流量Gn与同一初状态下的临界流量Gnc之比值称为流量比，也称为彭台门系数，记为β。2111211)12()(12crcrnkkkknknncnkkGGnf汽轮机原理00648.0pAGnn6、蒸汽在斜切部分的膨胀p0如图所示，AB为渐缩喷嘴的出口截面，即喉口截面，ABC即为斜切部分。当≥即喷嘴出口压力p1大于临界压力p1c时，蒸汽在斜切部分不发生膨胀。但当≤p1p1c时汽流将在斜切部分发生膨胀。汽流在斜切部分膨胀时将使汽流出口速度大于音速，同时汽流的方向也将发生偏转。汽轮机原理ncrncr1211*011111111111sin1211112sinsinkkkkddkknknkcrcrkppkkkccp1d为极限压力：特征线与AC重合时的出口压力。汽流膨胀的特征线，即扰动的等压线，也称马赫锥母线。汽轮机原理二、蒸汽在动叶中的流动蒸汽在喷嘴中从压力p0膨胀到出口压力p1，以速度c1流向动叶栅。当蒸汽通过动叶时，一般还要继续膨胀，压力由p1降到p2.如图所示级的热力过程，则此时级的滞止理想比焓降Δht*为：h0*021P0*P0P1P2Δhn*Δht*Δhb’∆hbbnthhh**近似认为与∆h‘b相等汽轮机原理1、速度三角形2*2*22cuu1c111u——动叶的圆周速度c1、w1、u构成动叶栅的进口速度三角形，c2、w2、u构成动叶栅的出口速度三角形。则各个速度矢量之间的关系式为：1111112211sinarcsincos2wcucucw汽轮机原理60ndum22222222222180sinarcsin180cos2cwuwuwc汽轮机原理2、动叶出口的相对速度计算由能量平衡方程可知：*212121222)(2bbtthwhwhhw由于存在不可逆损失，则动叶出口实际相对速度为：tww22动叶速度系数10~312冲动级，纯冲动级，1212反动级，当蒸汽以速度c2离开本级时，蒸汽所带走的动能不能被本级利用，称为该级余速损失。在多级汽轮机中，前一级的余速损失常可以部分或全部被下一级所利用。用余速利用系数μ1表示被利用的部分，则为：222212'0cc)1~0(12222chc这样蒸汽流经动叶时的能量损失：*22222)1(2btbhwwh其能量损失系数是：2*1bbhh小结：对蒸汽在喷嘴和动叶中流动的分析对整个汽轮机原理的学习来说，是最基本同时又是最重要的，必须深刻理解其热力过程，牢固掌握各个计算关系式及其物理意义。汽轮机原理公式小结2200chhtt60ndumnhc21tmnhh1112211cos2ucucwtmbhh1111sinarcsinwcnnhh21bhw22bbhh21221whhbb10~3122222chc222222cos2uwuwc2222sinarcsincwbnnGpAG00648.0例题MPap4.80，Ct4900;/500smc,8.51MPap95.0MPap8.511、已知：喷嘴前的蒸汽压力，温度初速度喷嘴后蒸汽压力喷嘴速度系数(1)喷嘴前蒸汽滞止焓、滞止压力；(2)喷嘴出口汽流速度；(3)当喷嘴后蒸汽压力由降到临界压力时的临界速度。。试求：2、带反动度的冲动级938.0,97.0,13.0,/2.297,/5.1601msmcsmu,67.11,7.6112计算并绘出动叶进出口速度三角形。MPap4.30,4350Ct38.0m,2.22MPap252cmAn作业：1、已知某级蒸汽压力，温度级的反动度；级后蒸汽压力该级采用渐缩喷嘴，其喷嘴出口面积。试计算：(1)通过喷嘴的实际流量；MPap12.121,3.0m，反动度通过喷嘴的蒸汽流量为多少？(2)若级后蒸汽压力降为,0.20MPap,3500Ct;/700smc。MPap5.12，181。20.0m2、已知：某级前的蒸汽压力温度初速度级后蒸汽压力喷嘴出汽角反动度，612，mdm08.1，min/3000rn动叶出汽角级的平均直径转速，，95.093.0喷嘴速度系数动叶速度系数试求:（1）动叶出口相对速度和绝对速度；（2）喷嘴、动叶中的能量损失，余速动能；（3）绘出动叶进出口速度三角形。汽轮机原理第三节级的轮周效率和最佳速度比根据动量守恒，叶片对蒸汽周向力为：2221212222211111221122112112coscoscoscoscoscoscoscoszubbzzzzuuuuuuuuuFFFppAccGFFuwccuwccwwGccGccGFFcctmF汽轮机原理2211coscosccG2211coscoswwG一、轮周功率和轮周功单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所做的机械功，称为轮周功率。则轮周功率为：22112211coscoscoscoswwGuccGuuFPuu1kg蒸汽产生的有效功，称为级的做功能力，为：212222212211221121coscoscoscoswwccwwuccuWu由上式可以看出：单位蒸汽流量在一级内所做轮周功等于冲动力作功和反动力作功之和。冲动力作功反动力作功汽轮机原理2222100chhhchbntu级的有效焓降等于级的做功能力。2102102212