1.5 汽轮机级内损失和级效率

§1.5级内损失和级的相对内效率前面提到的喷嘴损失、动叶损失、余速损失，都是级内损失。除此之外，级内损失还包括：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。当然，不是各级都同时具有这所有损失，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。lhhfhehhxhbh2chnh一、级内损失多数采用在静态和动态试验的基础上建立的经验公式计算。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12--15)时，叶高损失明显增加。这时，必须采用部分进汽。叶高损失常用下面半经验公式计算：ulhlahl式中：a——经验系数，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）；——不包括叶高损失的轮周有效比焓降，——叶栅高度(mm)。uh)(20cbntuhhhhhl常用的半经验公式还有：——试验系数。单列级=9.9，为双列级为27.6.——喷嘴高度。021Ehxlallanl即nl1a2、扇形损失由于汽轮机的叶栅是安装在叶轮上的，呈环形。汽流参数和叶片几何参数（节距、进汽角）沿叶高是变化的。环形叶栅，图1.5.1，与直叶栅相比的特点：(a)叶栅的相对节距不是常数，从内径向外径成比例的增加，平均直径处为最佳，其它都偏离最佳值，叶型损失系数都大于最小值，带入额外的流动损失。(b)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，这两项构成了扇形损失。半经验计算公式：0Eh2)(7.0bbdl式中，称为径高比。可以看到，扇形损失的大小与径高比的平方成反比，其值越小（叶片越长），扇形损失越大。当8～12时，级应该采用等截面直叶片。等截面直叶片的设计和加工都比较容易，但存在着扇形损失；当8～12的级，为适应汽流参数沿叶高的变化则应采用扭叶片，避免扇形损失。bbld/3、叶轮摩擦损失（1）叶轮两侧及围带表面的粗糙度引起的摩擦损失叶轮在汽室中作高速旋转时，由于蒸汽粘性，由叶轮表面至汽缸壁的间距上蒸汽微团的圆周速度是不同的，即存在速度梯度，因此产生叶轮轮面与蒸汽及蒸汽之间的摩擦。3、叶轮摩擦损失（2）子午面内的涡流运动引起的损失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，沿径向向外流动。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，叶轮摩擦损失可用以下经验公式计算：(kW)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；——级的平均直径——汽室中蒸汽平均比容。vduKPmf1)100(231mdv用比焓差来表示：用损失系数表示：GPhfftfffPPEh0mnnamtffelxdKpp1sin13高压部分小，则较大；低压部分大，则较小。减小叶轮摩擦损失的措施：减小叶轮与隔板之间腔室的容积，即减少叶轮与隔板间的轴向距离；或提高叶轮表面光洁度。反动式汽轮机无叶轮，=0Gvhf1GvGvfhfh3afxfh4、部分进汽损失如果将喷嘴布置在隔板（或蒸汽室）的整个圆周上，使蒸汽沿整个圆周进汽，这种进汽方式称为全周进汽。为了增高喷嘴的高度，则将喷嘴布置在部分圆周上，使蒸汽沿部分圆弧进汽，这种进汽方式称为部分进汽。小汽轮机的高压级、调节级常采用部分进汽。mnndtZe部分进汽损失：“鼓风”损失、“斥汽”损失。（1）“鼓风”损失发生在没有喷嘴叶片的弧段内。动叶片像鼓风机一样把滞留在“死区”弧段内的蒸汽鼓到出汽边而消耗轮周功。动叶两侧与轴向间隙中的不工作蒸汽产生摩擦损失。此值更大。部分进汽度小，鼓风损失大。措施：合理选择部分进汽度、采用护罩，将“死区”内的动叶罩住。经验公式：——装有护罩的弧段长度与整个圆周长度之比。3211acewxeeeBce（2）“斥汽损失”发生在安装有喷嘴叶片的弧段内。1.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，并使之加速，要消耗轮周功。（2）“斥汽损失”2.另外，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，引起损失；3.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。又称弧端损失。经验公式：——喷嘴组数；——喷嘴的平均直径m；——与级的类型有关的系数。annesxdseC1nsndeC部分进汽总损失系数由以上两部分所组成，即若用热量单位来表示：喷嘴组数越多，斥汽损失越大。尽量减少喷嘴组数目。swe0Ehee5、漏汽损失h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。冲动级1.隔板漏汽损失隔板前后的压差，致使蒸汽从隔板和转轴之间的间隙漏入隔板与叶轮之间的汽室，不做功，造成隔板漏汽损失；漏入的蒸汽有可能通过喷嘴与动叶根部之间的间隙流入动叶，不作功，且扰乱主汽流，造成损失，ph防治措施：在叶轮上开设平衡孔，在动叶根部设置汽封片加以阻挡，设计合理的反动度，使动叶根部不出现吸汽和漏汽现象。叶顶漏汽损失产生原因：动叶顶部与隔板和持环之间存在轴向间隙和径向间隙。由于叶顶存在较大的反动度，前后有压差，所以部分蒸汽从叶顶间隙漏入级后。因素：减小间隙面积、降低两侧压差。防治措施：采用高低齿封图1.5.5(b)th高低齿封参照喷嘴流量公式计算。漏汽量和漏汽损失计算方法如下：（1）隔板漏汽量的计算（2）隔板漏汽损失计算ptnpptppppZhACAG10112ipnppipphZAAhhGGh或（3）动叶顶部的漏汽损失——动叶顶部间隙的流量系数——动叶顶部的反动度——动叶顶部的当量间隙nnntbbttmtttttbbttttttGldldhldCAG121202sin16.02)(thttt（4）叶顶漏汽损失计算'iltthGGh经验公式计算：'121sinitzthh级的总漏汽损失为：tphhh反动级漏汽损失比冲动级大。图1.5.10。因为：内径汽封的漏汽量比冲动级的隔板漏汽量大。内径汽封直径大、汽封齿数少。动叶前后的压差较大，叶顶漏汽量大。经验公式：04.172.1Elhbrt减少漏汽的措施：减小径向间隙和轴向间隙，采用径向和轴向汽封，对较长的扭叶片级，无围带时将叶顶削薄，缩短间隙；减小叶顶反动度，降低压差。6.湿汽损失蒸汽在汽轮机最后几级时便进入湿蒸汽区，产生湿汽损失的原因在于：湿蒸汽的过饱和现象使级的理想比焓降减少，产生过饱和损失；湿蒸汽中挟带的水珠，在汽水两相流中，速度低，由蒸汽带动，消耗汽流动能，挟带损失；在排除捕水装置中的液相时，一部分蒸汽被抽出，造成工质损失。挟带的水珠，出喷嘴的速度明显小于蒸汽速度，水珠进动叶的方向角变大，撞击动叶进口处的背弧，产生阻止叶轮旋转的制动作用，产生制动损失；动叶出口水珠的相对速度比蒸汽速度低得多，使绝对速度远大于蒸汽的速度。进入下一级喷嘴时，水珠撞击在喷嘴进口处的壁面上，扰乱主汽流，称为扰流损失。湿汽损失通常用下面经验公式计算：')1(imxhxh式中，X---级的平均蒸汽干度；——未计湿汽损失时级的有效比焓降。湿汽损失与级的平均干度成正比，湿度越大，损失越大，级的效率也就越低。)(20'hhhhhhhlcbnti2021xxx'ih湿蒸汽会引起湿汽损失和冲蚀叶片，为了提高汽机的效率和防止动叶被冲蚀损坏，就必须采取一些去湿措施。即：采用有效的去湿方法提高叶片本身的抗冲蚀能力常用的去湿方法：(a)级内捕水装置由捕水口、捕水室、疏水通道组成。至低压加热器或凝汽器。喷有嘴后和动叶后两种形式。捕水效率可达湿蒸汽中水分含量的20%～30%(b)具有吸水缝的空心喷嘴将空心喷嘴经环形通道与低压加热器或凝汽器形成负压，吸走表面的凝结水膜。靠近进汽侧、靠近出汽侧(内弧或背弧)、出汽边上。效果最好处：喷嘴的顶部附近缺点：同时抽走蒸汽、减少作功工质；环形通道截面很大，制造困难。(c)出汽边喷射蒸汽的空心喷嘴从压力较高一级来的蒸汽引入空心喷嘴，从出口边的缝隙喷出，优点：消除尾迹区，阻止该处形成大的水珠；使尾迹区速度均衡，提高级效率和改善动叶的应力状况。由压力较高点来的蒸汽，参与作功，能量不损失。提高叶片的抗冲蚀能力措施：采用耐侵蚀性能强的叶片材料；在叶片进汽边背弧少年宫镶焊硬质合金；在叶片表明镀铬、局部高频淬硬、电火花强化、氮化等。二、级的相对内效率和内功率1、级的实际热力过程曲线上级余速被本级利用。本级余速分为三种情况：本级余速不被下级利用；全部被利用；部分利用。由图可以看出，本级余速是否被下级利用，对本级的有效焓降的值没有影响。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的能量。越大，机的内效率就越高。ihihih1、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终指标。2121000200)1(1cxeflbnictcxeflbntiihhEEhhhhhhhhhhEh或2、级的内功率（有效功率）3600iihDNiihGN或者D、G：级的进汽量，D的单位为t/h，G的单位为kg/s。三、级内损失对最佳速比的影响能保证获得级的最高相对内效率的速比才是设计应该考虑的速比，用表示。级的相对内效率是在轮周效率的基础上扣去级内各项损失之后得到的。对于工作于过热蒸汽区的部分进汽的扭叶片调节级的相对内效率为：opax大大增加则增加增加增加则增加,,,aflaswfluixx级内损失使级的相对内效率降低，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。结构对相对内效率也有影响，动静间隙、盖度、叶轮宽度、拉金、平衡孔等。按设计可使汽轮机的级数减少、重量减轻、节省金属材料，从而降低制造成本。opax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=1.44m，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。0pmd010xm0cth作业与思考题：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？