汽机级工作原理课件

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1、1,第四讲 级内损失及其影响因素,1.4.1 概述 汽轮机为环形叶栅，存在着叶顶与叶根流动边界； 在喷嘴与动叶之间存在着漏汽； 叶轮在充满粘性流体的空间旋转运动需消耗一定的能量； 部分级的喷嘴采用非全周进汽布置； 在低压湿蒸汽区域，水滴运动消耗一定能量； 汽流入口角与叶栅通道进口角不一致时产生撞击，搅乱了流场，产生动能损失。 这些附加的损耗，使级的功率输出小于轮周功率。,第四讲 级内损失及其影响因素,2,第四讲 级内损失及其影响因素,(Pg34)级内损失主要由基于平面叶栅的轮周损失和工作状态偏离平面叶栅及特殊工况产生的能量损失所组成，合计有10项损失。 其中，轮周损失为喷嘴损失、动叶损失和余速

2、损失； 工作状态偏离平面叶栅和特殊工况产生的损失有: 叶高损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、漏汽损失、部分进汽损失、湿汽损失和撞击损失。 在汽轮机中，对于某一级，这10项损失并不是每项都存在。例如，工作中过热蒸汽区的高、中压缸级，不存在湿汽损失。,3,第四讲 级内损失及其影响因素,第四讲 级内损失及其影响因素,(Pg34),4,第四讲 级内损失及其影响因素,1.4.2 叶栅损失(Profile loss) 叶栅的气动特性是由平面叶栅的空气动力学试验(即吹风试验)，测取叶栅通道中的压力分布，研究其能量损失和影响因素，以研究一元流动为主。 喷嘴及动叶栅的损失分为: 叶型损失:气流绕流平面叶栅时产生的能

3、量损失; 叶端损失:气流流过叶顶及叶根边界区域时产生的能量损失; 通道内附面层厚度与发展是造成损失的主要机理。 动、静叶栅的叶型损失和叶端损失是级损失损失的主要部分，提高汽轮机效率的一项重要工作是减小叶栅损失。,第四讲 级内损失及其影响因素,5,第四讲 级内损失及其影响因素,6,第四讲 级内损失及其影响因素,第四讲 级内损失及其影响因素,7,第四讲 级内损失及其影响因素,8,1.4 级内损失与级相对内效率,第四讲 级内损失及其影响因素,9,第四讲 级内损失及其影响因素,10,第四讲 级内损失及其影响因素,1.4.3 级内损失(Pg35) 级内损失通常指实际环形叶栅偏离平面叶栅模型所存在的损失。

4、 1.叶高损失hL: 原因：一元流动模型中，叶片无限高，hL=0； 存在着叶顶与叶根流动边界； 公式： 其中： a试验系数 单列：1.2(不含h)1.6 (含h) 双列：2 措施：叶高1215mm,第四讲 级内损失及其影响因素,11,第四讲 级内损失及其影响因素,2. 撞击损失： 原因：c11c1波 改变附而层的厚度 公式：,12,第四讲 级内损失及其影响因素,措施： (1)合理地选择叶型，使设计工况下汽流的进汽角氏与最佳进汽角(1)op基本相符； (2)背弧做成曲线形,减小叶型对进汽角尾的敏感性，也就是扩大最佳进汽角的范围，使之不是一个数值，而是一个区域。,13,第四讲 级内损失及其影响因素

5、,3.扇形损失 原因：当径高比口810时，相对栅距不是常数; 只有平均直径处的节距是最佳值，使叶型损失增大； 存在径向压力梯度，使靠近内径处的附面层增厚损失增大。 公式：,14,第四讲 级内损失及其影响因素,15,第四讲 级内损失及其影响因素,第四讲 级内损失及其影响因素,16,第四讲 级内损失及其影响因素,4.叶轮摩擦损失 原因： （1）贴叶轮的蒸汽速度接近圆周速度，靠隔板或汽缸的蒸汽速度趋于零。蒸汽分子之间就产生了摩擦，消耗了一部分有用功率； （2）叶轮两侧出现沿半径方向的蒸汽涡流，消耗部分功率。 公式：,17,第四讲 级内损失及其影响因素,对于反动式级，由于没有叶轮，动叶是直接安装在转鼓

6、上的，因此没有这一项损失，,18,第四讲 级内损失及其影响因素,5.部分进汽损失 鼓风损失：叶片的进出口角度不相等时，就会像鼓风机一样， 将蒸汽从叶轮的一侧鼓到另一侧。,鼓风,斥汽,19,第四讲 级内损失及其影响因素,斥汽损失： 进口端，喷嘴射出的蒸汽动叶汽道中被央带着一道旋转的呆滞汽体推出动叶栅，并使之加速，消耗了工作汽流的动能； 在喷呢弧段的出口端，汽道中还有小部分蒸汽被带入汽室内而产生涡流，这种蒸汽流动的不稳定也引起部分能量损失。,20,第四讲 级内损失及其影响因素,6.湿汽损失 原因: (1)湿蒸汽的过饱和现象对喷咀通流能力的影响,过热蒸汽k=1.3 湿蒸汽k=1.135,21,第四讲

7、 级内损失及其影响因素,（2）挟带损失： 温蒸汽在膨胀过程中析出的水殊，聚集在喷嘴出汽边，水膜经汽流粉碎后所形成的较大颗粒的水珠，其速度总比蒸汽的速度低得多。这样，在汽水两相流动中，低速的水被珠高速蒸汽挟带着流动，消耗汽流的动能。 （3）制动损失： 在汽流的挟带下水珠的速度虽有提高、但仍小于汽相的速度。水珠出喷咀的速度c1x只有蒸汽速度cl的10一13左右，而圆周速度一样，使水珠进动叶的方向角，偏离动叶入口方向的水珠撞击在动叶进口处的背孤上，产生了阻止叶轮旋转的制动作用，克服它就要消耗一部分有用功。,22,第四讲 级内损失及其影响因素,（4）扰流损失：动叶水珠的w2x要比蒸汽速度w2低得多，而

8、圆周速度u是一样的，水珠撞击在下一级喷嘴进口处的壁面上，从而扰乱了主汽流，并对叶片造成冲蚀。,23,第四讲 级内损失及其影响因素,（5）工质损失： 目前在湿蒸汽级中采用的各种捕水装置，当从级内排除部分液相的同时，都不可避免地伴随着一部分蒸汽同时按抽出汽轮机。 计算公式： 其中： hi - 级有效焓降（未计入hx ） xm- 级的平均比焓降,24,第四讲 级内损失及其影响因素,防止措施：主要是去湿装置，,25,第四讲 级内损失及其影响因素,26,第四讲 级内损失及其影响因素,27,第四讲 级内损失及其影响因素,7.漏汽损失 公式：见P45(式1-89式1-93) 原因：动、静之间存在间隙，因此造

9、成漏汽损失。 主要有以下几种,28,第四讲 级内损失及其影响因素,对于带反动度的冲动级，动叶顶部漏汽损失是不可避免的，并且是随着顶部径向间隙的增大而增大。计算动叶顶部漏汽损失，应先求出叶顶漏汽量为,不包括漏汽损失时的级的有效比焓降，kJ/kg； G通过该级的蒸汽流量，kg/s；,29,第四讲 级内损失及其影响因素,30,第四讲 级内损失及其影响因素,反动级的叶顶漏汽损失大于冲动级。,第四讲 级内损失及其影响因素,31,第四讲 级内损失及其影响因素,冲动式采用轮式转子减小隔板漏汽损失。,第四讲 级内损失及其影响因素,32,第四讲 级内损失及其影响因素,33,第四讲 级内损失及其影响因素,ABB反

10、动式汽轮机级损失的典型分布,叶栅损失,其它损失,漏汽损失,34,第四讲 级内损失及其影响因素,GE冲动式汽轮机级损失的典型分布,动叶损失,叶轮摩擦损失,35,第四讲 级内损失及其影响因素,在这些损失中，不少具有互补性。例如：叶高损失与部分进汽损失。为减少叶高损失，采用部分进汽来增大叶片高度，减小了叶高损失却增加了部分进汽损失，应通过优化计算，求得叶片高度和部分进汽度的最佳匹配；再如：扇形损失与叶高损失，增大级平均直径来减小叶片高度，进而降低叶栅的扇度，但此时叶高损失增大，因此，平均直径与叶片高度间存在优化设计问题。漏汽损失在级总损失中所占比例较大，降低漏汽损失的途径是减小间隙和汽封的平均直径。

11、 部分进汽时，动叶前后压差产生较大的漏汽，故部分进汽级从总为冲动式。 在湿区工作的级存在着湿汽损失，降低此项损失的途径是降低水分。核电机组蒸汽在高压缸膨胀做功后，需降湿过热，减小湿汽损失。超临界和超超临界机组中，末数级在湿区工作，为降低湿汽损失，一般再热蒸汽温度高于主蒸汽温度，使膨胀线在h-s图上右移。,36,第四讲 级内损失及其影响因素,1.4.4 级内功率与相对内效率 级有效焓降 ： 级理想等熵滞止焓降 减去级内十项损失。 级的内功率 ：级蒸汽的质量流量与级有效焓降的乘积， 即： 级的相对内效率 ：级的有效焓降与级理想能量的比值， 即：,37,第四讲 级内损失及其影响因素,1.4.4 级特

12、性参数的确定 假想速比： 由上可知：级内损失中有正比于 和 的项； 表明增大速比将使级损失增大； 对应于级效率最高的速比必然较轮周最佳速比要小。 这样使级的焓降增大，可以减少机组的级数。 通常，反动级 复速级 冲动级,38,第四讲 级内损失及其影响因素,1.4.5 本讲小结 本讲所述内容 PP34 47 基本概念 级相对内效率、级的内功率 级的热力过程线 基本公式 级相对内效率 基本原理 级内损失的机理与影响因素、级内损失对最佳速比影响 强化掌握 级内损失的名称、各项损失的机理,39,第五讲 长扭叶片原理与现代设计,1.5.1 一元流动模型存在的不足 轮周速度沿叶高不一致 使叶顶 和叶根处偏离

13、最佳速比。 一 定时，动叶进口角偏离设计值， 造成撞击损失；动叶出口角沿叶高 变化扭曲流场，恶化下级进汽。 节距沿叶高不一致 偏离最佳值 使轮周效率下降。 汽流参数沿叶高变化 汽流切向运 动产生的离心力，在动、静叶间隙 中形成径向流动，干扰主流，并使 反动度沿叶高增大。 叶栅中的弯曲流动，形成二次流，使效率下降。,40,第五讲 长扭叶片原理与现代设计,1.5.2 叶栅通道的实际流动和简化流动模型 实际流动 在子午面和绕转子轴线Z回转面内的合成运动。 子午面： 通过转子轴线Z的平面； 回转面： 通过轴线Z的旋转面。 实际汽流速度 是子午速度 与回转速度 的矢量和， 即： 又可将子午速度 分解为轴

14、向分速度 和径向分速度 ， 从而有：,41,第五讲 长扭叶片原理与现代设计,子午速度,与回转速度,42,第五讲 长扭叶片原理与现代设计,径向平衡简化模型 动、静叶轴向间隙中汽流微元体上的径向力 静压力 绕Z轴切向运动产生的离心力，方向向外， 即： 。 子午速度离心力的径向分量，方向向内， 即： 子午速度惯性力的径向分量，方向向内， 即：,43,第五讲 长扭叶片原理与现代设计,44,第五讲 长扭叶片原理与现代设计,轴向间隙汽流运动的完全径向平衡方程 上述方程描述了轴向间隙中流体压力、切向分速度及流线形状沿叶高的分布规律。只要给出一定的附加约束条件，即可求得轴向间隙内压力、速度分布。不同的附加约束

15、条件，形成不同的流型，从而得到不同型式的扭叶片。 最简单的计算模型为简单径向平衡模型，认为动、静叶轴向间隙中为柱形流动模式，即认为子午速度中的径向分量为零。简单径向平衡方程 在无旋流、轴向分速度沿叶高不变定解条件下，求解得,45,第五讲 长扭叶片原理与现代设计,在理想等环流简单径向平衡模型下，喷嘴的焓降随叶高下降；喷嘴出口角、动叶相对进口角和动叶绝对出口角随叶高增大，其中动叶相对进口角增加最快；动叶相对出口角随叶高减小；反动度随叶高增大。,46,第五讲 长扭叶片原理与现代设计,1.5.3 叶片的现代设计 完全径向平衡与可控涡设计思想： 简单径向平衡各流型得到的反动度沿叶高变化过大的主要原因，在

16、于汽流切向速度所产生的离心力完全靠径向静压差来平衡。 事实上，子午速度产生的离心力和惯性力在径向方向上，具有平衡切向速度产生离心力的能力，可以减小径向静压梯度，从而减缓反动度沿叶高的快速变化。 这就是完全径向平衡流型设计所要解决的问题。,47,第五讲 长扭叶片原理与现代设计,可控涡流型就是基于完全径向平衡方程: 通过组织叶片的前、后弯曲和叶栅通道中的流线实现: 1.控制静压和反动度沿叶高的变化，提高根部的反动度，改进叶根处的气动特性； 2.降低顶部的反动度，减少叶顶漏汽损失； 3.降低平均反动度，增大级的作功能力。 粘性、可压缩流体的三维流场计算，是基于Navier-Stokes方程，在叶栅通道和轴向间隙中，建立圆柱坐标系下的三维积分方程，采用有限差分法，求出叶栅通道空间各点的起始压力场和速度场，由此求得沿叶高