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1、2020/8/6,1,第四节 叶栅的气动特性,李惊涛 ,2020/8/6,2,2020/8/6,3,喷嘴叶栅的几何特性有： 平均直径 叶高 叶栅节距 t 叶型弦长 b 叶型宽度B 相对叶高 相对节距 出口边厚度 叶栅通道出口宽度 a1,一、叶栅的几何参数和汽流参数喷嘴,喷嘴进汽角 叶型进口角 喷嘴出汽角 叶型出口角 叶栅安装角,2020/8/6,4,一、叶栅的几何参数和汽流参数动叶,动叶叶栅的几何特性有： 平均直径 叶高 叶栅节距 t 叶型弦长 b 叶型宽度B 相对叶高 相对节距 径高比 出口边厚度 叶栅通道进口宽度 a,动叶进汽角 叶型进口角 动叶出汽角 叶型出口角 叶栅安装角,2020/8
2、/6,5,二、叶型损失叶型损失的机理,1、边界层（附面层）摩擦损失 边界层摩擦损失的大小 i）叶型 ii）表面光洁度 iii）叶型表面压力分布,叶型损失是指平面气流绕流叶栅时产生的能量损失,冲动式叶栅摩擦损失大于反动式,圆管？,2020/8/6,6,二、叶型损失叶型损失的机理,2、边界层脱离引起的涡流损失,无边界层脱离,边界层脱离,边界层脱离点,2020/8/6,7,二、叶型损失叶型损失的机理,3、尾迹损失,4、冲波损失,出口边厚度 尾迹损失和 /a 成正比,某些地方超音速流动冲波扩压段叶型边界层增厚,冲波损失最终表现为叶型损失,2020/8/6,8,进汽角的影响： 定义： 冲角=叶型进口角汽
3、流进口角 喷嘴： 动叶： 为正时，正冲角 为负时，负冲角 1）冲角等于零时，叶栅损失最小； 2）正冲角的叶栅损失大于负冲角的叶栅损失。 设计工况时，汽流进口角和叶型进口角相等，叶栅损失最小,二、叶型损失主要影响因素,2020/8/6,9,相对节距影响： 小，边界层占整个汽道的比重大，叶栅损失大； 大，边界层占整个汽道的比重小，但扩压段增加，边界层易脱离，叶栅损失大。 安装角影响 安装角大小，改变汽道的形状改变叶型的压力分布，影响叶栅损失。 马赫数Ma的影响 当Ma 1时， 冲波损失,二、叶型损失主要影响因素,2020/8/6,10,三、端部损失,一般认为 15mm；否则，端部损失占整个叶型损失
4、的比重就大，速度系数 就低。,端部损失是指端面附面层中的摩擦损失、补偿流动损失和对涡损失的总和，其中对涡损失所占比重最大。,2020/8/6,11,影响端部损失的因素,叶型、相对节距、安装角、进气角等 相对高度,叶片处于相对极限高度时，上下两端旋涡刚好汇合，端部损失最大。 强度许可条件下，尽量采用窄叶片。,2020/8/6,12,第五节 级内损失和相对内效率,2020/8/6,13,一、级内损失,除喷嘴损失 ，动叶损失 ，余速损失 外， 还有：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 。,2020/8/6,14,式中： 系数，单列级 （未包括扇形损失） （包
5、括扇形损失） 复速级 l 叶高 轮周有效焓降,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 l 12 -15mm) 时，叶高损失明显增加 。这 时，必须采用部分进汽 。,1、叶高损失,2020/8/6,15,2、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。在设计时，只有在平均直径处 ，设计 条件才能得到满足。而其他截面上 ，由于偏离设计条件将会引起附加损失。 这个附加损失称为扇形损失,2020/8/6,16,实际叶栅不是平面叶栅，而是环形叶栅，其节距 t 、圆周速度 u 随叶高 lb 有所不
6、同，会偏离最佳值。 能量损失系数：,式中： lb 动叶高度 db 动叶平均直径 E0 级理想能量,焓降损失：,采用直叶片,采用扭叶片,径高比,2020/8/6,17,叶轮以3000转/分旋转时 ，与两侧的蒸汽摩擦带来的损失 表面摩擦、涡流运动,式中： 摩擦损失所消耗功率 经验系数 1.0 - 1.3 u 圆周速度 级的平均直径 v 汽室中蒸汽平均比容 焓降损失： 能量损失系数：,3、叶轮摩擦损失,2020/8/6,18,部分进汽度定义： 目的：增加高压级的叶片高度。 鼓风损失；斥汽损失,4、部分进汽损失,鼓风损失，当 时，只有当动叶通过喷嘴弧段时，才有工作蒸汽通过作功。当动叶通过无喷嘴弧段时，
7、不但没有工作蒸汽作功，反而象鼓风机风扇一样，与充满停滞的蒸汽摩擦，产生损失。,式中： 装有护罩所占相对弧长； 系数,2020/8/6,19,式中： 喷嘴组数； 平均直径； 系数,斥汽损失 由于动叶经过不装喷嘴弧段时，已充满停滞的蒸汽。当进入喷嘴段 时，高速汽流要排斥并加速停滞在汽道内的蒸汽，产生损失。,总的部分进汽损失系数： 焓降损失：,2020/8/6,20,冲动级（隔板漏汽损失 、动叶顶部的漏汽损失 ）,5、漏汽损失,2020/8/6,21,式中： 不含漏汽损失时级的有效焓降,式中： 汽封齿数； 汽封流量系数； 汽封间隙面积， v1t喷嘴出口处比容。 焓降损失：,(i)隔板漏汽损失,202
8、0/8/6,22,(ii)动叶顶部的漏汽损失,式中： 动叶顶部间隙的流量系数 动叶顶部反动度 动叶顶部的当量间隙 焓降损失： 总的漏汽损失： 损失系数：,2020/8/6,23,反动级 反动级漏汽量要比冲动级漏汽量大。 (i)内径汽封直径比隔板汽封直径大，轴封齿数相对较少，使内径处漏汽量大； (ii)动叶前后压差较大，使叶顶漏汽量大。,2020/8/6,24,损失产生原因： 过饱和损失 （过冷损失） 挟带损失 制动损失 扰流损失 工质损失,6、湿汽损失,2020/8/6,25,湿气损失焓降： 损失系数：,式中： 级内平均干度， ， x1、x2级进、出口处干度 未考虑湿汽损失时级的有效焓降 经济
9、性 湿蒸汽的影响 安全性,现代凝气式汽轮机末级湿度限制在1214,2020/8/6,26,常用去湿方法及防护措施 捕水装置 空心喷嘴 镀硬质合金,2020/8/6,27,损失分析,例 全周进气的级没有部分进气损失 采用转鼓的反动式汽轮机不考虑叶轮摩擦损失 过热蒸汽区工作地级没有湿气损失 采用扭叶片的级不存在扇形损失,并非各级都同时存在以上各项损失,2020/8/6,28,二、级的相对内效率和内功率,表示1kg蒸汽所具有的理 想能量中最后转变为轴上有效功的那部分能量,有效焓降,2020/8/6,29,式中：D、G级的进汽流量 ，,二、级的相对内效率和内功率,级的相对内效率（级效率）：,级内功率：
10、,2020/8/6,30,三、级内损失对最佳速比的影响,衡量级内能量转换完善程度 的最终经济指标是级的相对 内效率而不是轮周效率。 因此最佳速比是要保证级的 相对内效率最大。,2020/8/6,31,第六节 扭叶片简介,2020/8/6,32,叶片设计思想,前面讨论级的气动特性和几何参数时，都是以一元流动模型为理论依据，以级的平均直径截面上的参数作为代表来进行研究和计算的。按这种计算方法设计的叶片，称为等截面直叶片，即叶片的几何参数沿叶高不变。显然，这种设计方法计算方便，叶片加工简单。 但是，对于汽轮机低压部分的级来说，蒸汽比容变化快，容积流量大，级的平均直径大，叶片长，径高比很小。汽动参数沿
11、叶高变化大。在这种情况下，如果仍按等截面直叶片进行设计，则级的实际轮周效率比计算值要低得多。其原因就在于：,2020/8/6,33,在平均直径处汽流进汽角 与叶型进汽角 相等，则在顶部 ，撞击动叶背部。在根部 ，撞击凹部，都将产生附加损失。,平均直径处为最佳速比 顶部和根部都严重偏离；,例：300MW机组末叶片， ， ， 叶顶圆周速度 叶根圆周速度 两者相差一倍。,沿叶高圆周速度 u 不同所引起的损失,2020/8/6,34,速度三角形沿叶高的变化,2020/8/6,35,当蒸汽从静叶流出时，由于存在 ，使蒸汽在静、动叶出口间隙中，受到离心力场作用，会使蒸汽径向方向流动，这种径向流动不推动叶轮
12、旋转，不会变为轮周功，是一种损失。,沿叶高相对节距 不同，造成的损失 例：叶顶节距74.75mm， 叶根37.44mm 平均直径处 ，如在平均直径处取 的话，其顶部和根部大大偏离最佳值，产生叶栅损失。,当 ，必须应用扭叶片。随着对机组 性能要求的提高和扭叶片加工水平的提高，扭叶片的使用范围将有所扩大。,轴向间隙中汽流径向流动所引起的损失,2020/8/6,36,长叶片采用扭叶片,因此，对于长叶片级来说，就不能采用短叶片级的来进行设计。就必须把长叶片级设计成型线沿叶高变化的变截面叶片，即扭叶片。扭叶片加工困难，制造成本高。 长叶片级的设计普遍采用径向平衡法。这种设计方法的核心问题就是确定动、静叶栅轴向间隙汽流的平衡条件。建立径向平衡条件，建立径向平衡方程式，然后求解径向平衡方程式，由此得出汽流参数沿叶高的变化规律。径向平衡法有简单径向平衡法和完全径向平衡法。,2020/8/6,37,2020/8/6,38,
