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1、汽 轮 机 原 理,东南大学能源与环境学院,杨建明,汽轮机原理教学内容与安排,以电站汽轮机为教学对象，计算汽轮机内蒸汽热能与转子旋转机械能的转换及结构参数，研究实现高效转换的影响因素与途径；分析汽轮机非设计工况下的运行特性、讨论影响凝汽器传热性能的因素和主要部件的强度；介绍汽轮机的控制原理和控制系统组成及特性。,已知级初、终参数计算级产生的功率及所需的流量与叶片高度,分配级的初、终参数，级以外的损失及轴向力平衡与汽封系统,偏离设计工况时基于压力的流量、功率估算及安全经济性分析,汽轮机乏汽的凝结与低背压的产生及其影响因素,电站汽轮机的控制原理及控制系统,汽轮机零部件的强度安全分析,汽轮机原理教学
2、内容与安排,难学吗？ 知识面广而分散。 定性、定量分析相结合，且定性分析为主。 学时短，内容多。 能学好吗？ 世上无难事，只要肯努力。米卢名言：态度决定一切。 抓几个？ 由同学自己定！为消除不及格而团结奋斗!,汽轮机原理教学内容与安排,参考书 沈士一、庄贺庆、康松、庞立云合编 汽轮机原理，水利电力出版社，1992 康松主编汽轮机原理习题集，水利电力出版社，1988 考核 作业 8% 报告 3% 课堂测验 4% 期中 20% (2008年11月10 16日) 期末 65% 创新奖励,第一章汽轮机级的工作原理,研究内容已知级初、终参数时的能量转换和影响因素，以及实现转换所需的结构参数与最佳参数匹配
3、。 研究方法先研究理想级的能量转换，然后考虑实际因素对理想级作修正，得到实际级的能量转换。 教学内容第一讲 级内能量转换与轮周功输出；第二讲 轮周效率与最佳速比； 第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计；第四讲 级内损失与级相对内效率及其影响因素；第五讲 长扭叶片原理与现代设计。,1.1 级工作的热力、流动分析与计算,1.1.1 工作过程分析 汽轮机的级由一列喷嘴叶栅和与之配合工作的动叶栅所组成。动叶栅可为单列，也可为多列。,第一讲 级内能量转换与轮周功输出,工作过程蒸汽在喷嘴(nozzle)中降压增速，热能转变为汽流动能；动叶(blade)中继续降压增速，由动量改变转换成转子的旋转机械能。,轮周
4、功 单位质量蒸汽在单位时间内所做的功,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,1.1.2 级的热力过程线 蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-S图上的表示,滞止参数汽流相对于叶栅通道速度为零的热力参数。,余速损失动叶排汽余速动能,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,1.1.3 蒸汽膨胀与出口汽流速度 计算方法热力学第一定律，先计算理想过程，后作实际修正。 分析模型 一元流动平面叶栅模型 基本假设： 定物性、稳定、绝热、理想气体、一元流动。 基本方程： 理想气体状态方程 绝热等熵过程 气体的焓 音速,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,喷嘴中的膨胀与出口流速 理想过程等熵过程。能量平衡 喷嘴出口理想流速
5、 由 查水蒸汽特性参数，由此求得出口理想速度。 由代入焓的表达式，得以初参数及压比 为函数的出口理想流速,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,实际过程 有损失的熵增。工程中速度系数修正实际流速与等熵理想流速的偏差。定义： 喷嘴速度系数 由此得喷嘴损失 速度三角形与动叶进口流速动叶随转子高速旋转，故汽流在动叶中是具有牵连运动的相对流动。 轮周速度动叶平均直径 处的圆周速度,11,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,动叶中膨胀与出口流速 理想过程等熵过程。能量平衡 (采用相对运动速度使动叶片静止,相当于在喷管中流动)动叶出口理想流速 动叶进口滞止焓相对于动叶通道速度为零的热力参数 实际过程有损失的
6、熵增。 定义动叶速度系数 动叶出口速度三角形与绝对速度,12,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,级速度三角形动叶进、出口速度三角形 轮周功 1.1.4 蒸汽动叶中的膨胀与级的分类 蒸汽在动叶中是否膨胀，决定于动叶通道的型线，也也就决定着汽流对动叶片是否产生反动功。 反动度描述蒸汽在动叶中膨胀的相对大小。,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,定义：动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比，即 在计算中，反动度建立起喷嘴与动叶理想焓降间的关系。 级的分类 纯冲动动叶中不膨胀 反动级喷嘴、动叶中焓降相等 冲动级 动叶中膨胀小于喷嘴 阻塞流变工况时出现,14,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出, 动、
7、静叶型线差异大 汽流进、出转角大,纯冲动级, ,15,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出, 动、静叶型线相似 汽流进、出转角小,纯反动级,16,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,1.1.5 速度系数的影响因素 影响因素 表面粗糙度表面越光洁，摩擦损失就越小 型线决定着流通内压力场、速度场分布 冲动级动叶中汽流转角大、膨胀小，附面层易增厚和脱离 反动级动叶中汽流转角小、膨胀大，附面层不易增厚 常用数值 喷嘴一般为0.920.98，常取0.97 动叶一般为0.850.95 ，正比于反动度，常取0.95,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,例：一电站汽轮机中某级，反动度为零，平均直径为1500mm
8、，喷嘴进口蒸汽 ，喷嘴后 ，速度系数 。求 （1）该级的速度三角形； （2）喷嘴损失、动叶损失、余速损失和轮周功。 解：1.求滞止参数 由初压、初温，在h-s图确定喷嘴进口状态点“0”，得初焓 喷嘴进口动能 喷嘴进口处滞止焓,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,在h-s图上，由“0”垂直向上求得 2.求喷嘴出口汽流速度 在h-s图上“0”等熵向下至 得喷嘴后理想焓值 则喷嘴中理想焓降 喷嘴出口理想速度 喷嘴出口实际速度 喷嘴损失 3. 求动叶进口相对速度 轮周速度 动叶进口相对速度 4. 求动叶出口速度,19,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,因级反动度为零，动叶出口相对速度 动叶损失 动叶
9、出口绝对速度 4.级速度三角形 5.轮周功,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,1.1.6 本讲小结 本讲所涉教材内容：PP6 9、PP13 19 基本概念 轮周功、滞止参数、反动度、纯冲动级、冲动级、反动级、速度系数、喷嘴损失、动叶损失、余速损失、轮周速度 基本方法 级热力过程线、喷嘴(动叶)的能量平衡、速度三角形 强化掌握 级热力过程线、速度三角形、出口汽流速度的计算 PBL(基于问题的学习PROBLEM BASED LEARN) 1. 已知级初参数 、终参数 、反动度和 、 、转速、平均直径计算余速损失、轮周功。 2. 冲动级与反动级在热力过程线、叶栅通道形状、速度三角形、动静叶的速度系
10、数等有何差异。,1.2.1 动量转换与动叶上的汽流力 原理汽流在动叶中动量改变，等于作用在动叶上的冲量，产生机械功输出。 汽流力 动叶上的汽流力分为产生旋转机械功的切向力(又称轮周力)和不产生机械功的轴向力。 设 内流过动叶的蒸汽量为 ，由速度三角形得切向和轴向的动量变化： 绝对坐标系：切向 轴向 相对坐标系：切向 轴向,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,第二讲 动量转换与最佳速比,第一讲 级内的能量转换与轮周功输出,第二讲 动量转换与最佳速比,切向力 轴向力 动叶上总轴向力汽流轴向力与压差力的总和。 动叶有效作用面积 轮周功率 蒸汽单位时间推动叶轮旋转所作的机械功 即轮周力与速度的乘积 轮
11、周功率与轮周功关系 决定于膨胀，决定于流量,第二讲 动量转换与最佳速比,1.2.2 轮周效率 能量转换目标 本级可用能量最大地转变为轮周功输出。因本级排汽的余速动能有可能部分或全部被下级利用，本级可用能量应是级理想滞止焓降中扣除余速动能被下级所利用的部分 余速利用系数 本级余速动能被下级所利用的份额 调节级和排汽级为0.0 抽汽级为0.00.5 中间级为1.0。 级理想能量 级理想滞止焓降减去被下级所利用的余速动能，即,24,第二讲 动量转换与最佳速比,轮周效率 轮周功与该级理想能量的比 喷嘴损失系数： 动叶损失系数： 余速损失系数： 轮周效率的影响因素 喷嘴、动叶损失速度系数、反动 度、轮周
12、速度 余速损失反动度、轮周速度,第二讲 动量转换与最佳速比,反动度一定时，动叶出口相对和绝对速度很大程度上决定于轮周速度，并由此决定于轮周效率 最佳速比 速比 轮周速度与喷嘴出口汽流速度之比，即 最佳速比使轮周效率达到最大时所对应的速比 假想速度假想级理想焓降全部在喷嘴中膨胀的喷嘴出口速度，即 假想速比轮周速度与级假想速度之比，即,第二讲 动量转换与最佳速比,最佳速比求取 通过求取上式在反动度等一定时关于 的最大值，即求。 最佳速比的数值求解 速比与轮周效率.xls,27,第二讲 动量转换与最佳速比,余速不用时反动度与最佳速比及汽流角关系,第二讲 动量转换与最佳速比,最佳速比随反动度增大而增大
13、，冲动级的最佳速比小于反动级 最佳速比时，动叶中汽流转角随反动度增大而减小 最佳速比时，动叶绝对出口角在90度附近随反动度增大而减小 在相同轮周速度下，纯冲动级的理想焓降约为反动级的1.68倍.(0.494 ,0.64)则相同焓降的级组,冲动式的级数小于反动式 随反动度的增加,轮周效率降低 即冲动级的效率大于反动级,29,第二讲 动量转换与最佳速比,余速利用时反动度与最佳速比及汽流角关系,30,第二讲 动量转换与最佳速比,余速利用，提高了轮周效率，且曲线平坦 最佳速比增大，增幅随反动度增大而减小 低反动度时，最佳速比对应的动叶排汽角过大，余速不利于被后级使用 1.2.3 最佳速比与汽轮机的级的
14、焓降分配 最佳速比与级焓降,第二讲 轮周效率与最佳速比,最佳速比随反动度增大，在大致相等轮周速度下，反动级的焓降小于冲动级，同初、终参数的机组，反动式级数多于冲动式。 大容量机组的平均直径大于小机组，同初、终参数的大机组级数少于小机组。 高压级的平均直径小于低压级，即低压级v变化大,故低压级的焓降大于高压级。高压缸的级数多于低压缸,第二讲 轮周效率与最佳速比,1.2.4 本讲小结 本讲所涉教材内容 PP19 27 基本概念 轮周效率、理想能量、喷嘴损失系数、动叶损失系数、余速损失系数、速比、假想速比、最佳速比 基本公式 理想能量、轮周效率 强化掌握 最佳速比的影响因素、反动与冲动级的最佳速比、
15、最佳速比与汽轮机设计 PBL基于问题的学习 1. 基于速度三角形和喷嘴、动叶及余速损失的关系，分析速比是影响轮周效率的重要因素和存在着使轮周效率达到最大的速比。 2. 对比分析冲动级和反动级在轮周效率与速比变化关系和最佳速比的特征。,第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计,1.3.1 叶栅通道的流量计算 原理 焓降决定流速和轮周功，流量决定级的功率，喷嘴、动叶出口面积是实现膨胀和通过流量的基本条件。 流量计算方法理想流量加实际修正 对出口面积为 的喷嘴，其理想质量流量为 对出口面积为 的动叶,第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计,流量系数与实际流量 流量系数 流量系数与速度系数理论上，因 故 。实际
16、中，分别由动能损失与流动试验求取，前者是流场速度分布的均方平均，后者是流场速度分布的算术平均，通常实测流量系数大于速度系数。为简化计算，速度系数和流量系数可取同值。,35,第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计,湿蒸汽的流量系数大于1 湿蒸汽在降压膨胀过程中部分蒸汽释放汽化潜热凝结为水、湿度增大，但因流速很快、传热速度相对滞后，汽化潜热来不及传给蒸汽，使蒸汽产生过冷，比容减小，从而导致实际流量大于理想流量的局面。在湿蒸汽区，流量系数通常按 计算。 1.3.2 临界与最大流量 流动临界压力波在蒸汽中以音速传播，当渐缩喷嘴出口汽流速度达到当地音速时，背压的扰动无法向前传播，故最大出口流速仅为当地音速。即,第三讲 最大流量与叶栅几何参数设
