第一章汽轮机级的工作原理_电厂汽轮机

哈尔滨电力职业技术学院第一章汽轮机级的工作原理教学目标：①能叙述汽轮机的基本工作原理②能描述蒸汽在喷嘴中的流动特点③会画速度三角形④能说出级内损失的内容⑤会计算轮周功率和级效率⑥会比较纯冲动级与反动级的作功能力与效率哈尔滨电力职业技术学院第一章汽轮机级的工作原理重点：①汽轮机的基本工作原理②蒸汽在喷嘴中的流动特点③动叶片速度三角形④级内损失、级内热力过程⑤轮周功率和级效率⑥纯冲动级与反动级的作功能力与效率的比较哈尔滨电力职业技术学院第一章汽轮机级的工作原理本节内容：第一节概述第二节汽轮机级的工作过程第三节级的轮周功率与轮周效率第四节汽轮机的级内损失和级效率哈尔滨电力职业技术学院1.1概述一、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理级是汽轮机中最基本的工作单位级的组成：在结构上它是由喷管和其后的动叶栅所组成汽轮机从结构上分类单级汽轮机多级汽轮机哈尔滨电力职业技术学院1.1概述基本概念：按一定的距离和一定的角度安装在叶轮上形成动叶栅，并构成许多相同的蒸汽通道动叶：喷管：静叶片构成的蒸汽通道静叶按一定的距离和一定的角度排列形成静叶栅（静叶栅固定不动）静叶栅（喷嘴叶栅）：转子：动叶栅装在叶轮上，与叶轮以及转轴组成汽轮机的转动部分哈尔滨电力职业技术学院1.1概述当一运动的物体碰到另一个静止的或速度不同的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小和方向，同时给阻碍它运动的物体一个作用力结论：质量越大，冲动力越大；速度越大，冲动力越大冲动力：哈尔滨电力职业技术学院1.1概述反动力：由于膨胀加速产生的作用力蒸汽在动叶通道中流动→给动叶栅一个冲动力→在动叶栅中膨胀→给动叶栅一个反动力→两个力的合力F作用在动叶栅上→使动叶栅旋转而产生机械功反动做功原理：哈尔滨电力职业技术学院二、反动度和级的类型1.1概述*tbmhh—bh（一）反动度：用来衡量蒸汽在动叶栅中的膨胀程度*th—蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降蒸汽在整个级中膨胀时的滞止理想焓降哈尔滨电力职业技术学院1.1概述（二）汽轮机级的类型及特点1、冲动级和反动级（1）冲动级:反动度等于零的级蒸汽只在喷管叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向，当不考虑损失时，动叶通道进出口压力相等，相对速度也相等工作特点：动叶叶型几乎为对称弯曲，即动叶通道内各通流截面近似相同结构特点：哈尔滨电力职业技术学院1.1概述（2）反动级反动级：反动度约等于0.5的级结构特点：动叶叶型与喷管叶型相同蒸汽在喷管和动叶通道中的膨胀程度相等工作特点：哈尔滨电力职业技术学院1.1概述2、压力级和速度级（1）压力级:蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程在级内只进行一次的级特点：压力级可以是冲动级，也可以是反动级（2）速度级:蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程在级内进行一次以上的级特点：速度级可以是双列的和多列的哈尔滨电力职业技术学院了解汽轮机级的类型和特点熟悉汽轮机级的结构名词掌握汽轮机的基本工作原理小结：1.1概述哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程220101h22ccqhw一、可压缩流体一元流动的基本方程基本方程式：（1）状态方程——pv=RT（3）运动方程——cdc=-vdp（2）连续性方程——（4）能量守恒方程——112212AcG=vAcAcvv常数哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程二、蒸汽在喷管中的膨胀过程图为蒸汽在喷管中的热力过程线，O点是喷管前蒸汽的状态点，0*是喷管前的滞止状态点。具有初速c0、初压p0、初焓h0的蒸汽在喷管中膨胀到背压p1，在无损失的情况下，沿着等熵线O—1t膨胀到1t点，喷管的焓降为，在有损失的情况下，膨胀的热力过程沿O—1线进行，喷管出口实际状态点为1。nh哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程（一）喷管中的气流速度1、喷管出口气流的理想速度蒸汽在喷管中的能量转换规律为22211200ttchch喷嘴出口的理想速度c1t为：kknnttppvpkkhchchhc1*0100*20201011122222、临界速度和临界压力crcrvvpkp0012临界压力为：112kkocrcrkpp即为临界压力比，它是气流达到音速时的压力与滞止压力之比cr哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程3、喷管出口气流的实际速度喷嘴实际出口速度为：tcc11喷嘴速度系数动能损失为：*2212212112122nttnhccch哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程（二）喷嘴截面积的变化规律cdcMaAdAcAGacMacdcdpdkpdpconstpk12哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程（三）喷管中流量计算1、喷管的理想流量对于等熵流动，通过喷管的理想流量Gt为tttvcAGn112、喷管的实际流量tntttttnnGGvvvvvcAvcAG11111111哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程3、彭台门系数β在实际计算中，为方便起见，引入一个流量比的概念，它是通过喷管的任一流量与同一初始状态下的临界流量之比，即β=G/Gcr,称之为彭台门系数，其值为11121212kkkknkncrttcrkkGGGGnf在临界和超临界条件下，β=1，与nnn无关哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程（四）蒸汽在喷管斜切部分的流动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。p1d为极限压力：特征线与AC重合时的出口压力。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p1dp1p1c时汽流将在斜切部分发生膨胀。哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程1211*011111111111sin1211112sinsin1sinkkkkddkknknkcrcrkppkkkccMacM扰动的等压线，即汽流膨胀的特征线，也称马赫锥母线。为马赫角：特征线与汽流流动方向的夹角。哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程三、蒸汽在动叶中的流动1、动叶进口速度三角形用图解法求出通道进口相对速度的大小和方向角112211cos2ucucuccarctgc11111111cossinsinarcsin哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程22211222ttwwhh2、动叶栅出口的气流相对速度若蒸汽在动叶栅中的流动为等熵过程，则此时的能量方程式为所以，动叶栅出口的气流相对速度为2*2*212112()22ttmtbwhhwhwh哈尔滨电力职业技术学院1.2汽轮机的工作过程3、动叶出口速度三角形2*2*22c1c111—动叶的圆周速度uc1、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：22222222222180sinarcsin180cos2cwuwuwc2122bh哈尔滨电力职业技术学院了解一元流动的基本方程熟悉蒸汽在喷嘴中的流动特点掌握速度三角形的画法小结：1.2汽轮机的工作过程哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率1.蒸汽作用在动叶片上的力蒸汽在弯曲的动叶通道内转向加速，是受到动叶给汽流的反作用力和动叶通道两侧压差作用的结果一、蒸汽作用在动叶片上的力和轮周效率蒸汽对动叶片所作用的力:)coscos(2211'wwGFFuu哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率蒸汽流过动叶通道的情况如图所示。假设在时间内有质量为的蒸汽以速度流入动叶通道，当流动为稳定流动时，则同样的蒸汽质量以速度流出动叶通道m2t2m哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率)coscos(2211wwGuPu2、轮周功率单位时间内圆周力在动叶片上所做的功称为轮周功率，它等于圆周力与圆周速度的乘积，即：1kg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哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率汽轮机的轮周率是指蒸汽在级内所作的轮周功Pul与蒸汽在该级中所具有的理想能量E0之比：二、级的轮周效率１、级的轮周效率定义公式：0EPulu哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率２、用能量平衡的方式表示的轮周效率为2)1(11cbnu0Ehnn0Ehbb022Ehcc——喷管损失系数——动叶损失系数——余速损失系数哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率三、速度比及其与轮周效率的关系1、速度比的定义通常把轮周速度与喷管出口汽流速度之比称为速度比，简称速比，用x1表示，即：哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率))(coscoscos1(2111212xxu（一）纯冲动级的最佳速比1、余速不被利用由上式可看出，喷管速度系数和动叶速度系数越大，轮周效率就越高，因此应尽量改善叶栅的气动特性以提高速度系数。适当减小也可以提高轮周效率。12最佳速比可以通过对式求极值的方法得到，即：2cos11imopx哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率2、考虑余速利用（1）余速利用提高了轮周效率（2）中间级效率曲线在最大值附近变化平稳（3）余速利用使最佳速比值增大哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率)cos2(11111112xxu（二）反动级的最佳速比反动级中，表明在喷管叶栅和动叶栅中汽流的流动情况基本上是一样的。因此在实用喷管和动叶采用相同的叶型。反动级的轮周效率为：公式：最佳速比：12coscos)(2121reopax哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率反动级的速度三角形也可看出反动级最佳速比的物理意义：只有当11coscu时，才等于，c2才达到最小值，此时：2090111cos)()(reopreopxcu哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率（三）复速级的最佳速比1、复速级的热力过程复速级有纯冲动式带部分反动度的冲动式两种。为了改善叶片通道内的流动状况，复速级是在动叶和导叶内采用适当的反动度。但因复速级一般都是部分进汽的，所以采用的反动度不宜过大，采用了适当反动度之后，除了能提高轮周效率之外，还会使最佳速比值增大哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率2、复速级的速度三角形由于复速级有两列动叶栅，所以有两对进出口速度三角形，如图所示为了避免在导向叶栅的进口处发生碰撞，导向叶栅的进口角必须等于第一列动叶的出汽角同样，第二列动叶的进口角必须等于其进汽角。哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率)2cos(411ucuPul3、复速级的轮周功复速级的轮周功是指单位质量蒸汽通过复速级时，在两列动叶上所产生的有效机械功之和。公式：4、复速级的轮周效率和最佳速比根据轮周效率的定义，得：)2(cos82/)2cos(411122111*xxcucuhPttulu哈尔滨电力职业技术学院1.3级的轮周功率与轮周效率根据速度三角形也可求出各列叶栅的能量损失，并用能量方程求出复速级的轮周功和轮周效率。喷管损失系数第一列动叶损失系数)1(2221