《第一章 汽轮机级的工作原理-第八节扭叶片级.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章 汽轮机级的工作原理-第八节扭叶片级.doc（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八节 扭 叶 片 级 一、概述 在研究等截面直叶片级时，认为汽流参数沿叶高和周向都不变，采用一元流动的方法进行分析，从而建立了级内蒸汽热能转换为机械功的基本理论。几十年来，级的设计计算是以这种一元流动模型为理论依据的，对于径高比812的短叶片级，这种一元流理论可以获得满意的工程效果，面且计算简便，叶片易于加工，制造成本低。因此，迄今为止，短叶片级的设计仍然采用一元流计算方法。 随着汽轮机单级功率的增大，蒸汽容积流量必然增大，特别是凝汽式汽轮机的末几级，需要更大的通流面积，因此，径高比较小，叶片很长。这种情况下若仍以一元流理论为基础，以平均直径处的参数来计算，不考虑汽流参数沿叶高的变化，设计成
2、直叶片，就必将产生多种附加损失，使级的效率明显下降。主要损失有： 1沿叶高圆周速度不同所引起的损失 当径高比较小(812)、叶片较长时，从叶根到叶顶，半径的显著变化使圆周速度相差很大。例如，东方汽轮机厂生产的N300167537537型汽轮机，其末级平均直径=2520m m，叶片高度=851mm，=296，叶顶圆周速度5295ms，叶根圆周速度=263m5，两速度相差一倍。 为了说明圆周速度沿叶高变化对级工作特性的影响，假定汽流的和沿叶高不变。由图181可知， 由于圆周速度沿叶高逐渐增加，汽流进入动叶的进汽角沿叶高逐渐增大，这时，如果动叶仍按平均直径处的速度三角形进行设计，并采用等截面直叶片，
3、则其它各直径处的汽流在进入动叶时，都将产生不同程度的撞击现象。在处，撞击在背弧上；在处，擅击在内弧上，从而造成能量损失。同时，动叶汽流出口绝对速度及其方向角沿叶高也将发生很大的变化，造成级后汽流扭曲，使下一级汽流进口条件恶化，产生附加能量损失。 2沿叶高节距不同所引起的损失 汽轮机叶栅是具有一定半径的环形叶栅。关于环形叶栅的特点及产生附加能量损失的原因在前面讨论扇形损失时已经分析过。在较小时，从叶根到叶顶，叶栅节距相差较大。例如，N2001275535535型汽轮机的末级动叶栅，叶根节距=3744m m，平均节距=561m m，叶顶节距7475mm，叶顶节距为叶根的两倍。如果仍采用直叶片，在平
4、均直径处取最佳节距，那么在其他直径处因偏离最佳节距所造成的损失将随的减小面迅速地增加。 3轴向间隙中汽流径向流动所引起的损失当蒸汽从静叶和动叶流出时，由于有圆周方向的分速和，蒸汽在静动叶栅出口的轴向间隙中受到离心力作用。这一离心力如不采取措施加以平衡，就会使汽流在轴向间隙中产生径向流动，而这种流动形成的动能不能转变为轮周功，纯粹是一种损失，这在长叶片级中尤为显著。 上述分析说明，在径高比比较小的直叶片级中，沿叶高不同直径上的汽流状态与平均直径处相差较大，且随着径高比的减小，这种差别更加显著。这时，若不考虑上述各种因素的影响，仍采用直叶片，就必然引起较大的能量损失，使级效率显著降低。为了获得较高
5、的级效率，必须把长叶片设计成型线沿叶高变化的扭叶片(见图182)，以适应圆周速度和汽流参数沿叶高的变化规律，使各截面都能保持良好的气动性能。实践证明，合适的扭叶片级与直叶片级相比，当=8时，级效率提高约115；当6时，效率提高约34；当=4时，效率提高可达78。可见，越小，效率的提高越显著。采用扭叶片级虽可提高教率，但扭叶片的加工比较困难，成本较高。究竟在什么条件下采用扭叶片，还要根据提高效率的收益和制造成本的增加等有关方面的因素通过技术经济比较来确定，上面提到的按812来划分直叶片和扭叶片的范围仅仅是相对的。随着扭叶片加工工艺水平的提高和制造成本的下降，它的使用范围也越来越广。最初扭叶片只用
6、在5的末几级，目前在大功率汽轮机的高中压部分也采用扭叶片，如哈尔滨汽轮机厂生产的300 Mw和600Mw反动式汽轮机的全部静叶和功叶均采用了扭叶片，东方汽轮机厂生产的300 Mw冲动式汽轮机高中压缸压力级动叶也全部采用扭叶片。 下面介绍扭叶片级的研究方法。为了便于分析扭叶片级的问题，引进基元级的概念。在级的某一直径上截取一个微元叶高dr的级，称为基元级，如图183所示。在平均直径处的基元级称为中径基元级，在根径处的称为根径基元级。实际上，前面几节所讨论的内容就是中径基元级的工作原理和计算方法。根据直叶片的理论，只要合理地选择、速比、喷嘴和动叶的出口角和，并选好具有较高速度系数、的叶型，那么在已
7、知级前后参数、的情况下，就可计算出中径基元级的速度三角形等。如何根据中径基元级的参数来确定沿叶高其它基元级的各项参数，以及不同直径上各基元级之间的关系，这将是所要研究的扭叶片级的主要问题。 为了确定这种关系，目前在扭叶片级的设计中普遍果用径向平衡法，这个方法的关键问题是确定轴向间隙中汽流的径向平衡条件。 为了保证扭叶片级具有较高的效率，设计时必须使汽流在级的轴向间隙中保持径向平衡，使叶片沿叶高的扭曲规律与汽流沿叶高的变化规律相适应。 二、简化的空间流动模型和完全径向平衡方程 (一)简化的空间流动模型对扭叶片级的气动计算，不考虑静动叶栅的汽道内部，只研究三个特征截面的气动计算，就可在现有叶型资料
8、的基础上进行扭叶片的成型。这三个截面中，重点研究截面1-1，因为另外两个截面没有本质的不同。 以前曾指出，蒸汽在汽轮机内的流动，实际上是一种粘性的可压缩的不稳定的极其复杂的三元流动。为了找出其中的流动规律，以便于在工程实践中应用，应抓住主要矛盾，而忽略其中的次要因素，故作如下几点假设。 1)不考虑粘性对流体的影响，即把蒸汽作为理想气体处理。实际上，钻性对流动的影响主要反映在附面层内，而附面层外的主流基本上服从理想流体的运动规律，所以这种简化是允许的。 2)流动是稳定的，汽流参数不随时间变化。这与实际情况有些差异，因为喷嘴和动叶的进出口处，沿圆周方向节距上各点的汽流速度是不相同的。这样，当叶轮旋
9、转时，进入动叶和流出动叶的汽流速度就表现出脉动现象，即随时间周期性地变化。若把圆周方向节距上各点的汽流速度按时间加以平均，并认为进入动叶和流出动叶的汽流速度就是它的平均速度，那么，这种周期性的脉动流动就可视为稳定流动。 3)认为轴向间隙中的圆周流面是一个轴对称的任意回转面(图184)，即所有流面都是围绕着一根共同轴线的任意回转面，汽流参数沿圆周方向不变，也就是说忽略叶片对汽流的圆周方向的作用力，称之为轴对称流动。通流部分的内表面构成最内层回转面，其外表面构成最外层回转面，在这种轴对称流动中，把圆周向的扭曲面简化成不扭曲的回转面。 (二)完全径向平衡方程 根据上面简化的空间流动模型可知，由于所讨
10、论的对象是轴对称流动，因此只要弄清了子午面上汽流参数的分布情况，对于整个流场的参数分布也就容易理解了。所谓子午面就是通过汽轮机轴心的rz平面。轴对称汽流的所有流面都是流线绕z轴旋转而成的任意旋转面(见图185)。流面上任意一点的空间汽流速度c可以分解为子午分速度和切向分速度，因为 (181)所以 (182) 可见空间流动的速度三角形是的立体三角形。为了把流动放在子午面内来研究，可将回转面上的流线投影到子午面上，如图186所示。由图可知，速度、和的关系可表示为 = (183) = (184) = (18，5)式中 时间； 流面上某点的曲率半径； 子午向分速对z袖的倾角。为了避免繁琐的数学推导，这
11、里不采用三元流的欧拉方程，而直接从微元体的径向力平衡条件求出完全径向平衡方程式。为此，从轴向间隙中取出质量为的微元体，如图187所示。此微元体上所受的径向力为。 1径向静压差由图可见，微元体上的径向静压差为。负号表示当为正时，此项径向压差为负。2产生的离心力 由于微元体有圆周方向的切向分速，当微元体沿任意回转面运动时，必然引起向心加速度所产生的离心惯性力，其方向沿半径向外。 3产生的离心力的径向分量 一般情况下子午流线不是平直的，微元体沿弯曲子午流线的运动会引起指向曲率中心的向心加速度，并由此产生离心惯性力，方向沿曲率半径向外。若子午流线如图187所示，则离心力的径向分量为。4子午向加速度产生
12、的惯性力的径向分量微元体沿弯曲的子午流线运动时，由于子午流线方向的分速的变化，子午向加速度产生的惯性力为，为时间。该力方向与子午向加速度方向相反。若子午线如图18，7所示，则惯性力的径向分量为。 若微元体在径向保持平衡，则所有施加于微元体的力在径向的投影之和应为零，即 （1.8.6）其中 由于这里所讨论的是轴对称流动，汽流参数仅沿子午流线变化，或者说仅沿径向和轴向变化，而与周向角无关，故用表示。若用三元流动欧拉方程来推导完全径向平衡方程，则用表示。微元体质量=，其中为汽流密度。若以单位质量计算，则用用通除式(186)，经整理后得单位质量流体径向静压差为 （1.8.7）式中 单位质量流体子午流线
13、方向加速度所产生的惯性力的径向分量单位质量流体因子午流线弯曲所引起的离心力的径向参量； 单位质量流体圆周方向分速所产生的离心力。式(187)称为完全径向平衡方程式。由上述推导过程可以看出，它是流体在运动过程中径向静压差与各项离心力、惯性力的径向分量保持平衡的关系式。它表明流体压力沿叶高的变化规律与切向分速度沿叶高的分布和流线的形状(即流线的曲率和斜率)有关。扭叶片设计中普遍采用的径向平衡法有简单径向平衡法和完全径向乎衡法两种。 三、简单径向平衡法 (一)简单径向平衡方程 在简单径向平衡法中，假定汽流在轴向间隙中作轴对称的圆柱面流动，即其径向分速为零，或流线的倾角为零，曲率半径为无穷大，且设轴向
14、间隙中汽流参数沿轴向不变，压力只在径向才有变化，故偏导数应为。这样，完全径向平衡方程式(187)变为 （1.8.8）上式称为简单径向平衡方程式，它表明轴向间隙中汽流切向分速所产生的离心力完全被径向静压差所平衡，亦即压力沿叶高的变化仅仅与汽流切向分速沿叶高的分布有关。而且不论切向分速沿叶高如何分布，轴向间隙中的压力总是沿叶高增加的。对于轴向间隙11、22两个特征截面(见图183)可得 （1.8.9） （1.8.10） 简单径向平衡方程只是表达了轴向间隙中汽流作同轴圆柱面流动时，参数沿径向变化的一般规律，并没有反映出变化的具体规律。由于简单径向平衡方程式(188)中有和两个未知数(此外不是独立变数，是的单值函数)，故只有事先给出某种特定的条件才能去求解方程，得出了该方程的解后，才能确定出参数沿叶高变化的具体规律，即扭曲规律，称之为流型。显然，给出不同的平衡条件，就会有不同的解，而不同的解也就确定了不同的流型。从理论上说，方程有无限多的解，相应有无限多的扭曲规律，但实际中应用的是少数几种流型。等环流流型、等角流型和等密流流型是汽轮机中应用较多的基本流型，其中历史最长的就是等环流流
