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1、第四讲 级内损失与级相对内效率1.4.1 级内损失概述 理想级 无端部边界效应 没有泄漏损失 没有附加功耗 平面叶栅理想级损失 叶型损失 余速损失1第四讲 级内损失与级相对内效率实际级端部边界 环形叶栅低压蒸汽夹 水多处泄漏汽流角不一致叶轮摩擦耗 功喷嘴部分进 汽 级内损失 叶高损失 扇形损失 泄漏损失 叶轮摩擦损失 湿汽损失 部分进汽损失 撞击损失2第四讲 级内损失与级相对内效率 级内损失机理撞击损失 进口汽流角偏离几何进口角湿汽损失 湿蒸汽区水滴产生的损失漏汽损失 静叶(或隔板）、动叶端部间隙蒸汽泄漏部分进汽损失 喷嘴不均匀进汽产生损失扇形损失 叶根、叶顶不同径叶高损失 叶根、叶顶端部边界
2、叶轮摩擦损失 叶轮高速旋转摩擦耗功3第四讲 级内损失与级相对内效率1.4.2 平面叶栅损失q损失机理附面层摩擦损失 附面层脱离涡流损失 尾迹损失 冲波损失q受制因素 叶片表面粗糙度、总面积、叶型、速度 分布和动、静叶的匹配性 4第四讲 级内损失与级相对内效率1.4.3 级内损失 q叶高及二次流损失 端面摩擦损失和二次流损失 叶高损失 端部边界层摩擦损失 二次流损失 二次流旋涡损失二次流 蒸汽弯曲流动产生离心力， 形成内弧指向背弧压力场，内弧 压力高于两端部，在此压差驱动 下形成内弧中部向两端部流动。 小容量机组若采用超临界参 数蒸汽，因叶片高度过小、叶高 损失过大、汽轮机效率低，机组 效率反而
3、不及低参数机组。51.4 级内损失与级相对内效率第四讲 级内损失与级相对内效率6第四讲 级内损失与级相对内效率二次流是与叶型损失同一量级的重大损失，是进一 步提高效率的主要障碍。增大叶高、后加载、小直径、 多级数、高反动度，以及基于F3D计算流体力学的马刀形弯扭叶片成为当今汽轮机设计的主流技术。7第四讲 级内损失与级相对内效率汽轮机叶型设计的进化等截面直叶片 变截面扭叶片 变截面弯扭叶片(马刀形叶片）8第四讲 级内损失与级相对内效率9第四讲 级内损失与级相对内效率q扇形损失 沿叶高轮周速度不一致产生偏离最佳速 比 影响因素及大小 径高比，很小 q叶轮摩擦损失 叶轮高速旋转带动蒸汽流动，在其 两
4、侧腔室形成涡流产生损失 影响因素及大小 叶轮面积和转速的三次方，很小 q漏汽损失 动、静间隙的前、后压差造成蒸汽泄漏 泄漏点 隔板与转子、静叶与动叶根部、动叶顶部 损失及大小 作功介质减少和扰乱流场，约占总损 失30%10第四讲 级内损失与级相对内效率11第四讲 级内损失与级相对内效率12第四讲 级内损失与级相对内效率措施 减小间隙，研发新型汽封，如可调汽封、刷 型汽封、叶片型柔性接触式等13第四讲 级内损失与级相对内效率14第四讲 级内损失与级相对内效率15第四讲 级内损失与级相对内效率q部分进汽损失 鼓风与斥汽损失，不均匀流场损失 鼓风损失 非喷嘴弧段动叶鼓风产生的能耗 斥汽损失 进入喷嘴
5、弧段排斥动叶内滞蒸汽的能耗 不均匀流场 影响其后级的效率调节级部分进汽16第四讲 级内损失与级相对内效率q湿汽损失 湿蒸汽中 的水滴运动产生的损 失湿汽级 火电机组排 汽湿度随主蒸汽压力 升高而增大，末级或 末二级为湿汽级 ；核 电机组为湿蒸汽汽轮 机，高压和低压末数 级为湿汽级。超临界 压力机组的排汽湿度 大于亚临界机组。 17第四讲 级内损失与级相对内效率湿汽损失 剥离水膜和 加速水滴；水滴撞击叶片 产生制动；水滴破碎扰乱 流场。正比于湿度。降低湿汽损伤的措施 捕水与吸水 先进材料与处理工艺18第四讲 级内损失与级相对内效率19第四讲 级内损失与级相对内效率核电汽轮机 20第四讲 级内损失
6、与级相对内效率q撞击损失 变工况时进口汽流角偏离几何角所产生 的损失 新型设计，偏离角在 内损失很小 21第四讲 级内损失与级相对内效率q 级内损失汇总22第四讲 级内损失与级相对内效率23第四讲 级内损失与级相对内效率q损失的特征互补性 叶高损失与部分进汽损失，叶高损失与扇形 损失，通过优化选择使总损失减小局部性 部分进汽损失，湿汽损失主导损失 叶型损失、漏汽损失和二次流损失占总损 失的90%以上，开发新型叶型与汽封，是进一步提高和维持汽轮机效率的奋斗目标24第四讲 级内损失与级相对内效率GE冲动式汽轮机级损失的典型分布25第四讲 级内损失与级相对内效率1.4.4 级内功率与相对内效率q级热
7、力过程线 q级相对内效率q级内功率26第四讲 级内损失与级相对内效率1.4.5级的最佳速比 q最佳速比 级内损失中有正比于 和 的项，增大速比将使级损 失增大，故级效率为最高的速比必然较轮周效率最高的 最佳速比要小。这样使级的焓降增大，减少机组的级数 。 通常，复速级 ；冲动级 ； 反动级 。27第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理1.5.1 一元流动模型存在的不 足q 轮周速度沿叶高不一致 使 叶顶和叶根处偏离最佳速比。 在一定时，动叶进口角偏离设 计进口角，造成撞击损失；动 叶出口角沿叶高变化造成流场 扭曲，恶化下级的进汽状态。 q节距沿叶高不一致 偏离最 佳值使轮周效率下降。28第五讲 弯扭
8、叶片的现代设计与原理q汽流参数沿叶高变化 汽 流切向运动产生的离心力 ，使反动度沿高增大，且 在动、静叶间隙中形成径 向流动，干扰主汽流造成 损失。 q端部边界的附面层 不仅 产生摩擦损失，并且产生 的二次流使有限高度的叶 片通道流场严重偏离一元 模型 q端部漏汽 影响主流流场 ，29第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理30第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理31第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理1.5.2 叶栅通道的实际流动和简化流动模型 q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，
9、即。32第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理又可将子午速度 分解为轴向分速度 和径向分速度 ，从而 有q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 ， 331.5 扭长叶片的现代设计与原理341.5 扭长叶片的现代设计与原理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。不同的附加约束条件，形成不同的流型，从 而得到不同形成
10、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 351.5 扭长叶片的现代设计与原理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。 361.5 扭长叶片的现代设计与原理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
11、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，可控涡流型就是基于完全径向 平衡方程，组织叶栅通道中的流线，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；降低顶部的反动 度，减少叶顶漏汽损失；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， 由此求得沿叶高各截面的反动度和作
12、功能力。371.5 扭长叶片的现代设计与原理在可压缩三维流场计算中，亚音速区为椭圆方程，而在超音速区 为双曲方程。数值计算时，椭圆方程通常用中心差分法，而双曲方 程用后差法。在汽轮机低压缸通流部分计算中，存在着跨音区的问 题，为有效地将椭圆方程和双曲方程差分计算融合在一起，英国学 者提出了时间推进法(time matching)，引入了时间变量，将原来 定常计算问题转变为非定问题，由此将跨音区的方程统一为抛物线 方程，大大提高了计算效率。计算机技术的快速发展，使透平机械叶栅通道的三维流场设计成 为现实，极大缩短了新叶型的研制、开发周期，降低了研制成本， 提高了设计效率。例如：为减小喷嘴的二次流
13、损失，推出了后弯叶 型；再如：为进一步控制反动度沿叶高的变化，推出了叶片前倾安 装的模式。 38本章小结v原理：热力势能蒸汽动能(膨胀)转子旋转机械能(动量转换)喷嘴 动叶隔板或叶片持环 叶轮或轮毂 v基本概念与定义滞止参数 反动度 速度系数 流量系数 喷嘴损失 动叶损失临界压比 临界流量 流量比系数 斜切部分膨胀 汽流偏转角极限膨胀压力 极限膨胀压比 轮周功率 轮周理想能量 轮周 效率 余速损失 余速利用系数 假想速度 速比 假想速比最佳速比 叶高损失 二次流损失 扇形损失 叶轮摩擦损失 漏汽损失 部分进汽损失(鼓风、斥汽损失) 湿汽损失 撞击损 失 v原理与机理分析39本章小结级蒸汽膨胀热力过程线，反动度为零、大于零、小于零三种特殊 情况下喷嘴、动叶及下级进口的状态点404142
