第一章汽轮机的工作原理

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1、第一章汽轮机级的工作原理第一节概述,一、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理1.冲动作用原理,当一个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，这个力称为冲动力。,利用冲动力做功的原理就是冲动作用原理。,2.反动作用原理,反动力是由原来静止或运动速度较小的物体，在离开或通过另一物体时，骤然获得一个较大的速度增加而产生的。例如火箭内燃料燃烧所产生的高压气体以很高的速度从火箭尾部喷出，这时从火箭尾部喷出的高速气流就给火箭一个与气流方向相反的作用力，在此力的推动下火箭就向上运动。这种由于膨胀加速产生的作用力称为反动力。,在汽轮机中

2、，蒸汽在动叶构成的汽道内膨胀加速时，汽流必然对动叶片作用一个反动力，推动叶片运动，做机械功。这就是反动做功原理。,1-主轴 2叶轮 3动叶 4喷嘴 5汽缸 6排汽口,级：蒸汽作功的基本单元，在结构上它是由喷嘴和其后的动叶栅所组成。汽轮机有单级和多级。,动叶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。动叶栅装在叶轮上，与叶轮以及转轴组成汽轮机的转动部分，称为转子。,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，构成的蒸汽通道称为喷嘴。,蒸汽流过无膨胀动叶通道时速度的变化(冲动做功)工质在动叶内仅作方向改变,蒸汽在动叶通道内膨胀时对动叶的作用力（反动做功

3、）工质在动叶内发生方向和速度大小的改变,蒸汽以速度w 1 进入通道，由于受到动叶的阻碍不断地改变运动方向，最后以速度w2 流出动叶，则蒸汽对动叶施加了一个轮周方向的冲动力F i （impulse），该力对动叶做功使动叶带动转子转动。,蒸汽在动叶通道中流动时，一方面给动叶栅一个冲动力 F i的作用，另一方面，在动叶栅中继续膨胀，给动叶栅一个反动力 F r （reaction）的作用，这两个力的方向都不与轮周方向一致。,二、反动度和级的类型,（一）汽轮机的反动度衡量蒸汽在动叶栅中的膨胀程度，区分级中冲动力、反动力做功的大小.蒸汽在动叶通道内膨胀时的理想焓降hb， 和在整个级的滞止理想焓降ht* 之

4、比，即,约等的原因：在h s 图上等压线向着熵增方向有扩张趋势。, r叶根部截面,m叶片平均截面, t叶片顶部截面， r m t,短叶片直接采用平均反动度,（二）汽轮机级的类型和特点1.按反动度的大小进行分类（冲动 =0，0.20、反动 =0.5）2.按通流面积是否随负荷而变分类（调节级、非调节级（压力级）3.按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程分类（压力级、速度级）,复速级：一列喷嘴叶栅、一列导向叶栅、两列动叶栅,冲动级特点：气流在动叶栅内膨胀量较小，动叶栅的截面形状基本为对称结构，动叶栅前后压差相对较小，作用在转子上的轴向力不是太大，因此冲动式汽轮机可以采用质量轻，结构紧凑的轮盘式转子。同时

5、可以采用较大的径向间隙，提高汽轮机运行的灵活性。但是喷嘴叶栅前后的压差大，喷嘴叶栅与轴之间的间隙漏气量大，因此采用隔板结构来降低漏气，把喷嘴安装在隔板的外环上，隔板的内孔装有汽封片。,反动级特点：级的比焓降在喷嘴叶栅和动叶栅中平均分配，因此喷嘴叶栅和动叶栅可以采用相同的叶形，降低制造成本。反动级自身叶形不对称，形成减缩蒸汽通道。动叶前后有较大的压差，轴向力大，为此采用转鼓式结构，没有叶轮。喷嘴叶片直接安装在汽缸内壁，级的轴向尺寸减小。但是鼓式转子质量大，启动热惯性大，机动性差。降低径向间隙减小漏气量。加装平衡活塞来平衡轴向推力。级内损失大，采用全周进汽来降低级内损失。,压力级：蒸汽的动能转换为

6、转子的机械能的过程在级内只进行一次的级称为压力级。这种级在叶轮上只装一列动叶栅，故又称单列级。压力级可以是冲动级，也可以是反动级。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称为速度级，速度级可以是双列的和多列的。只能是冲动式的。,第二节 汽轮机的工作过程,对蒸汽在汽轮机中的流动作以下假设：略去蒸汽的粘性，并假定蒸汽在叶栅通道内的流动是一元、稳定的绝热流动。 一、可压缩流体一元流动的基本方程： 连续性方程： 微分形式： 或,通道截面积的变化率与速度和比体积（密度倒数）的变化率有关。如果流动中速度变化率大于比体积变化率，则通道截面积将随速度的增大而减小。反之，则随速度的增大而

7、增大。,运动方程：,能量方程：,状态方程：,负号：在无损失流动过程中，压力和速度是相反方向变化的，即当通道内汽流压力降低时，则汽流的速度增加,输入系统的能量必须等于输出系统的能量,n与k的差异,二、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程 蒸汽在喷嘴中的膨胀过程 （一）喷嘴中的汽流速度 1.喷嘴出口汽流的理想速度： 可由能量方程求得,因蒸汽在喷嘴中的流动为等熵过程，则：,则能量方程式：,n喷嘴压力比,2. 临界速度和临界压力比 临界状态：汽流速度等于当地音速的状态,临界压力比：临界压力与滞止初压之比 即,与当地音速相等的汽流速度称为临界速度，对应压力为临界压力,对过热蒸汽，k = 1.3，则0.546对于干饱和

8、蒸汽，k = 1.135则0.577,3.喷嘴出口汽流实际速度： c1=c1t -喷嘴速度系数 喷嘴的动能损失:,喷嘴的能量损失系数:,影响速度系数的因素有：喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度、前后压力等。 速度系数与叶高的关系曲线如下图：,（二）喷嘴截面积的变化规律 当喷嘴内流动为亚音速流动时，M1，汽道的截面积随着汽流加速而逐渐增大，称为渐扩喷嘴 当喷嘴内汽流速度等于当地音速时，M=1，喷嘴截面积达最小值，称为临界截面积或候部,一、可压缩流体一元流动的基本方程二、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程（一）喷嘴中的汽流速度1.喷嘴出口汽流的理想速度2. 临界速度和临界压力比,3.喷嘴出口汽流实际速度：

9、c1=c1t -喷嘴速度系数 喷嘴的动能损失:,喷嘴的能量损失系数:,第二节 汽轮机级的工作过程,影响速度系数的因素有：喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度、前后压力等。 速度系数与叶高的关系曲线如下图：,（二）喷嘴截面积的变化规律 当喷嘴内流动为亚音速流动时，M1，汽道的截面积随着汽流加速而逐渐增大，称为渐扩喷嘴 当喷嘴内汽流速度等于当地音速时，M=1，喷嘴截面积达最小值，称为临界截面积或候部,（三）喷嘴流量计算,1.喷嘴的理想流量:,喷嘴的临界流量喷嘴所能通过的最大流量。,上式中 ： 仅与蒸汽性质有关的系数，对过热蒸汽 =0.667，对饱和蒸汽 =0.635。,式中：,n 为喷嘴的流量系数

10、，其大小与喷嘴的几何参数、汽体参数及汽体物理性质等因素有关，另外还与喷嘴出口的实际密度与等熵密度之比有关。 下图为实验得到的流量系数曲线。由图可知： 过热蒸汽区：,令,，则有,湿蒸汽区：,2.通过喷嘴的实际流量,考虑了流量系数后，实际临界流量公式为：,与n的关系绘成如图 所示的曲线。计算时，先在图上查 取 值，然后利用下式计算：,（四）蒸汽在喷嘴斜切部分中的流动,1.蒸汽在斜切部分中的膨胀 在汽轮机级中，为了保证喷嘴出口对汽流的良好导向作用，必须在出口截面之外有一段斜切部分，这种喷嘴称为斜切喷嘴，如图所示。,斜切部分对汽流的影响如下：当ncr 时，AB截面上的流速小于或等于音速，压力与喷嘴背压

11、相等，斜切部分不膨胀。此时,当n cr 时，喉部截面上的流速等于临界速度，压力为临界压力，蒸汽在斜切部分继续膨胀，从而获得超音速汽流。且汽流方向发生偏转。 缩放喷嘴：,A.喷嘴斜切部分膨胀的极限工况： 最后一条特性线与AC重合时的工况。B.汽流在斜切部分偏转的原因：由图1-17（b）解释。,2.斜切部分汽流偏转角的近似计算,可利用连续性方程求解，即通过最小截面的流量应与出口截面的流量相等。,最小截面：,出口截面:,在实际结构中，lnln，所以：,对等熵流动，有以下等式成立：,所以：,3.极限压力计算,或,斜切部分的膨胀达极限时，马赫角与汽流角和偏转角之和相等，于是有：,而,所以：,一、可压缩流

12、体一元流动的基本方程二、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程 （一）喷嘴中的汽流速度 （二）喷嘴截面积的变化规律 （三）喷嘴流量计算,（四）蒸汽在喷嘴斜切部分中的流动,1.蒸汽在喷管斜切部分中的膨胀特点 在汽轮机级中，为了保证喷嘴出口对汽流的良好导向作用，必须在出口截面之外有一段斜切部分，这种喷嘴称为斜切喷嘴，如图所示。,斜切部分对汽流的影响如下：当ncr 时，AB截面上的流速小于或等于音速，压力与喷嘴背压相等，斜切部分不膨胀。此时,当n cr 时，喉部截面上的流速等于临界速度，压力为临界压力，蒸汽在斜切部分继续膨胀，从而获得超音速汽流。且汽流方向发生偏转。 缩放喷嘴：,A.喷嘴斜切部分膨胀的极限工况： 最

13、后一条特性线与AC重合时的工况。B.汽流在斜切部分偏转的原因：由图1-17（b）解释。,2.斜切部分汽流偏转角的近似计算,可利用连续性方程求解，即通过最小截面的流量应与出口截面的流量相等。,最小截面：,出口截面:,在实际结构中，lnln，所以：,对等熵流动，有以下等式成立：,所以：,所以：,3.斜切部分的膨胀极限与极限压力,喷管斜切部分能够膨胀到的最低压力称为喷管的极限压力,三、蒸汽在动叶栅中的流动,重点：蒸汽动能到叶轮机械能的转换。目标：确定蒸汽在动叶通道进口和出口的速度变化与所做功的定量关系。一、动叶栅的进出口速度三角形绝对速度c：蒸汽相对于喷嘴的速度；相对速度w：蒸汽相对于动叶的速度；圆

14、周速度u：叶轮旋转的圆周速度。,1.动叶进口速度三角形2.动叶栅出口的汽流相对速度3.动叶出口速度三角形,一、蒸汽作用在动叶片上的力和轮周功率,第三节 级的轮周效率与轮周效率,.蒸汽作用在动叶片上的力：可由牛顿第三定律和动量方程求得。如图所示。将汽流力分解为周向分力Fu 和轴向分力Fz 。则，,或,或,蒸汽对动叶片的总作用力Fb为：,2.轮周功率 单位时间内圆周力Fu在动叶片上所做的功，它等于圆周力Fu于动叶圆周速度u的乘积，称为轮周功率，其表达式为：,或,1Kg蒸汽所作的轮周功，称为级的作功能力，其大小为：,或,在叶片的进出口速度三角形中应用余弦定理，即可得到轮周功率的另一种表达形式：,二、

15、级的轮周效率定义：蒸汽在轮周上所做之功与整个级所消耗的蒸汽理想能量（级的理想能量）之比，即,E0-级的理想能量，它包括热能和动能两部分，其表达式为,三、速度比及其与轮周效率的关系,速度比：轮周速度u与喷嘴出口汽流速度c1之比。用x1表示，即x1=u/c1 。研究速度比与轮周效率关系的目的在于根据不同级的特点，分析速度比对轮周效率的影响，并确定最佳速度比。（一）纯冲动级的速度比与轮周效率1.余速不利用：,对纯冲动级，,余速不利用，则,，则有,轮周效率的表达式为：,应用速度三角形，上式变为：,由上式可见： 对 u 的影响最大。提高 和 及降低1 和 2 均可提高 u 。一旦喷嘴及动叶型线确定后，这些参数也就随之而定，唯有x1可以选择：（1）当x1=0时， u 0。（2）当 x1=cos 1 时， u 0 。（3）所以，当x1从零变化到 cos 1 的过程中，必存在一个使 u 达最大值的速度比。即最佳速度比。,