第二章 汽轮机级内能量转换过程第一节

PrinciplesofTurbomachine赵志军[e-mail]第二章汽轮机级内能量转换过程第一节汽轮机级的基本概念3一、汽轮机的级由静叶栅和动叶栅组成是汽轮机作功的最小单元。汽轮机的结构简介级：由一列静叶栅和一列动叶栅组成，完成蒸汽的热能转换成转子的机械能的最基本单元。汽轮机：单级：喷嘴（静叶、静叶片、静叶栅、喷管）动叶（动叶片、动叶栅、工作叶片）多级：静子，由汽缸、隔板、静叶、轴承等组成。转子，由主轴、叶轮、叶片、联轴器、盘车等组成。辅机71，汽轮机的级：静叶栅动叶栅是汽轮机作功的最小单元。82，级内能量转换过程：具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在静叶栅通道中得到膨胀加速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。二、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理（一）冲动作用原理冲动力：改变其速度的大小和方向则产生一冲动力或汽流改变流动方向对汽道产生一离心力，此力为冲动力。此力的大小取决于单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量及其速度的变化。（二）反动作用原理反动力：因汽流膨胀产生一相反力（汽体压力变化），如火箭、喷气式发动机。此力的大小取决于汽体压力的变化。作用在动叶片上的力有：冲动力反动力单级冲动式汽轮机示意图1-汽缸；2-叶轮；3-轴；4-喷嘴；5-动叶片；6-排汽口三、汽轮机级的类型和特点（一）汽轮机级的反动度1.定义：蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降Δhb和整个级的理想滞止焓降Δh*t之比。Ωm增加，则Δhb增加，蒸汽对动叶的反动力也越大。平均反动度：动叶平均直径截面上的理想焓降。2.意义：衡量在动叶中膨胀的程度。mbthh*14反动度bnbtbmhhhhh****)1(tmnhh*tmbhh（二）汽轮机级的类型（轴流式和辅流式）轴流式有以下几种：1.冲动级、带反动度的冲动级和反动级①冲动级纯冲动级：Ωm=0特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向。结构：动叶叶型对称弯曲。做功能力大、效率相对较低。②带反动度的冲动级：Ωm=0.05~0.2特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行，只有一小部分在动叶栅中进行，作功能力比反动级大，效率比纯冲动级高。16冲动级：当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被称为冲动力。这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于蒸汽微团流进、流出动叶通道时其动能的变化量。而这种级称为冲动级。③反动级Ωm=0.5特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度相同。结构：喷嘴和动叶采用的叶型相同。•反动级：当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向，同时还要膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动力，后者会对叶片产生一个反作用力，即反动力。蒸汽通过这种级，两种力同时作功。通常称这种级为反动级。纯冲动级中蒸汽压力和速度变化示意图1-静叶持环；2-动叶；3-喷嘴反动级中蒸汽压力和速度变化示意图带反动度的冲动级中蒸汽压力和速度变化示意图1-喷嘴；2-动叶3-隔板；4-叶轮；5-轴；00011112222(,,)((),,)((),,)cptcwptcwpt喷嘴动叶三、冲动式多级汽轮机图1-9冲动式多级汽轮机通流部分示意图1-转子；2-隔板；3-喷嘴；4-动叶片；5-汽缸；6-蒸汽室；7-排汽管；8-轴封；9—隔板封四、反动式多级汽轮机1-鼓型转子；2-动叶片；3-静叶片4-平衡活塞；5-汽缸；6-蒸汽室；7-连接管图1-10反动式汽轮机通流部分示意图2.压力级和速度级①压力级（单列级）：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。②速度级（复速级）：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。如双列、三列速度级。3.调节级和非调节级①调节级：通流面积能随负荷改变的级，如喷嘴调节的第一级。②非调节级：通流面积能不随负荷改变的级，可以全周进汽，也可以部分进汽。双列速度级的单级汽轮机在速度级喷嘴中蒸汽的速度由C0增加至C1，蒸汽经过第一列动叶栅后，其动能未被充分利用，从第一列动叶栅流出的汽流速度C2仍相当大，有足够的动能再去推动叶片，但此时汽流速度C2的方向与叶片旋转的方向相反，因此让汽流经过一列固定不动的导向叶片，以改变汽流的方向。在导向叶片通道中，汽流速度的大小不变，汽流离开导向叶片时的方向正好对着第二列动叶片的进口。这样第一列动叶栅出口的余速动能就可以在第二列动叶栅中继续转变为机械功。这种双列速度级的功率可比单列冲动级大许多。如果蒸汽离开第二列动叶栅时的速度仍比较大，那么还可以装设第二列导向叶片和第三列动叶片，这就是三列速度级。由于蒸汽在速度级中的速度很大，并且需要经过几列动叶片和导向叶片，因此速度级的能量损失较大，列数越多，损失越大。所以为了结构简单和运行的经济性，几乎不用三列及三列以上的速度级。1一轴；2一叶轮；3一第一列动叶片；4一喷嘴；5一汽缸；6—第二列动叶片；7一导向叶片25第二节蒸汽在级内的流动过程一，基本假设和基本方程式流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性、非连续性和不稳定的三元流动的实际流体。为了研究方便，特作如下假设：1.蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的：即在流动过程中，通道中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变。2.蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时，其参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上不变化。3.蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时与外界没有热交换。26基本方程式：1.连续方程式2.能量方程式3.状态及过程方程式4.动量方程式5.气动方程式.constvcAAcGWchqch22211200RTpv.constpvk-vdpcdccdcdkRcdp1acMkvppka（二）喷嘴截面积的变化规律kpvcdcvdvpdpvdvkconstpvvdpcdc0由动量方程：M=c/a为马赫数喷嘴截面积变化规律：1.M＜1时为亚音速流动，dA＜0，渐缩2.M＞1时为超音速流动，dA＞0，渐扩3.M=1时，dA=0，喉部4.M＜1～M＞1，为缩放（拉法尔）cdcMAdAvdvcdcAdA)1(029（1）当汽流速度小于音速，即M1时，若要使汽流能继续加速，即dc/dx0，则必须dA/dx0,也就是说喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐减小，即做成渐缩喷嘴。（2）当汽流速度大于音速，即M1时，若要使汽流能继续加速，即dc/dx0，则必须dA/dx0，也就是说喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐增加，即做成渐扩喷嘴。（3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1，这时，dA/dx=0。表明横截面A不变化，即A达到最少值。因此，简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了达到超音速，除了喷嘴出口蒸汽压力必须小于临界压力外，还必须在喷嘴形状上加以保证，即作成缩放喷嘴。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴喉部达音速，然后在渐扩部分达超音速。dxdccMdxdAA1)1(1230压力、焓降、截面积、汽流速度、音速、比容沿流动的变化规律二、蒸汽在喷嘴中的流动过程•初始点：0（p0，t0）—0*（p*0，t*0）•绝热、等熵膨胀：0—1t•实际过程（有损失）：0—1（一）喷嘴中汽流速度的计算由能量方程20201012112002)(20,022ntttttchchhcqwchch*2nh1.喷嘴出口的理想速度注意：焓和速度的单位=用初始状态参数计算2010100110100110010202111211)(1211cppvpkkcppvpkkvpvpkkhhccpvkkRTkkTchconstpvkccRcckktkkttpkvpvp2.临界速度和临界压比①临界状态：某一截面上汽流速度等于当地音速。12121)(211)(211212122*0*0*02*0222*022*0*022000*02200kvkpakckackacackackavpkkcpvkkcvpkkhchchkpvkrtacaccrcrcr35喷嘴中汽流的临界状态（2）临界速度ccr：汽流的音速为，用滞止参数表示有关参数时，代入音速公式，则有上式中，为滞止状态下的音速。当知时，一定值。在膨胀过程中，到某一截面会出现汽流速度等于当地音速。当汽流速度等于当地音速时，则称此时的流动状态为临界状态。这时的参数为临界参数，用等表示。临界速度为：kRTkpva1212*022kaCka*0a*0*0vp、*0acrcrcrcvp、、crcrcrvkpvpkkakc*0*0*0121236（3）临界压比：εcr临界压力为：对于等熵膨胀过程来说，有，则上式为上式表明，临界压力只与蒸汽指数k和初压有关。临界压力与初压之比称为临界压力比，用表示：对于过热蒸汽（k=1.3)则=0.546;对于饱和蒸汽（k=1.135)则=0.577.crcrvvpkp*0*0)12(kcrcrppvv1*0*0)(1*0)12(kkcrkppcr1*0)12(kkcrnkppcrcr3.喷嘴出口的实际速度摩擦阻力使蒸汽出口焓值升高喷嘴速度系数φ：喷嘴出口实际速度与喷嘴出口的理想速度之比。喷嘴损失：喷嘴能量损失系数：)1(2222212021itnccch2*1nnnhhtcc11蒸汽为粘性流体，流过叶栅通道时产生摩擦，造成动能损失，即蒸汽在叶栅通道中为绝热多变过程多变指数随摩擦的增大而减小。工程中用对等熵绝热流动作修正的方法来处理实际流动，即用实际汽流速度与理想汽流速度的比值表示摩擦的影响，其比值称为速度系数，即对应的喷嘴、动叶损失为()1212;ttcwcw22(1)(1)nnbbhhhh；npvconst速度系数的影响因素速度系数与叶栅通道表面的光滑程度及叶型等紧密相关。表面越光洁，摩擦就越小；叶型是否合理，决定了叶栅通道的流场和压力场分布，附面层增厚、附面层脱离均会导致摩擦损失增大、速度系数减小。前者提高加工精度，后者研究空气动力特性、开发先进叶型。蒸汽的膨胀程度越大，有利于减薄附面层，提高速度系数。动叶中，速度系数将随反动度增大而增大。在汽轮机中，喷嘴的速度系数在0.92～0.98之间，一般取0.97；动叶的速度系数在0.85～0.95之间，反动度大时可取上限。速度系数与喷嘴或动叶效率由速度系数和喷嘴或动叶效率定义可知由热力学推导得知，多变指数与速度系数的关系为;nb2(1)knkkφ的大小由图查出，ln降低，φ则降低，喷嘴损失增加。为减少喷嘴损失，ln≮12mm。（三）喷嘴流量的计算ppvpkkchcvcAG1122或1.喷嘴的理想流量*0*0111*011k*0*0*0*011121212vpkkAGGkppvpkkAGvpvpkkncrttkkcrnnkkn2nntkk÷÷）（时当）（过热蒸汽：饱和蒸汽：临界流量只与初参数有关，当εn降低时Gt增加——临界流量667.0vpAG635.0vpAG46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。它们的关系如图中ABC曲线所示。当压力比从1逐渐缩小时，流量逐渐增加，当喷嘴前后压力比等于临界压力比（)，达最大值，如B所示。这时的流量称为临界流量，用表示。当喷嘴前后压力比小于临界压力比时，流量保持最大值不变，如AB所示。其临界流量为：式中，只与k