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1、汽轮机原理发电厂与汽轮机汽轮机，叶轮旋转机械，通过膨胀，将蒸汽的热能转变为汽流的动能；通过动量转换，将汽流的动能转变为转子的旋转机械能。汽轮机，将蒸汽的热能转变为旋转机械能输出。在蒸汽热力循环中，膨胀做功，抽汽回热，凝结蒸汽回收工质。NuclearPower.swfq研究主题流动实现能量转换，降低流动损失、减少作功介质流失，是提高效率的关键所在q膨胀l合理的流道亚音速渐缩，超音速渐扩l前、后有压差q动量转换l冲动原理只变方向，不变大小汽轮机工作原理l反动原理只变大小，不变方向汽轮机工作原理q特点 l旋转机械，连续工作 ，高温、高压、高转速l高效、大功率q结构特征叶片叶轮轴 相邻叶片的空间构成弯
2、曲型汽流通道，改变汽流的方向和膨胀度。汽轮机原理教学内容与安排 以电站汽轮机为研究对象，计算蒸汽热能向转子旋转机械能转换所需的热力与结构参数，研究影响高效转换的机理与实现的途径；分析汽轮机偏离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。6汽轮机原理教学内容与安排q级工作原理 (20%) 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，以及能量转换过程中的损失q多级汽轮机及汽轮机装置 (9%) 分配级的初、终参数和焓降，级以外的损失及轴向力平衡与轴封系统q汽轮机运行特性 (21%) 汽轮机偏离设计工况时基于压力的流量、功率
3、估算及安全、经济性分析7汽轮机原理教学内容与安排q凝汽器及其运行特性 (11%) 汽轮机乏汽的凝结和汽轮机低排汽压力形成的原理及其影响因素q汽轮机的调节与控制原理 (21%) 电站汽轮机的转速与负荷控制原理，以及数字电液控制系统q汽轮机部件的强度 (18%) 汽轮机零部件的强度校核与安全分析汽轮机原理教学内容与安排q难学吗？难! 专业课，知识应用为主，用比学难难!知识点分散，知识面广难!内容多，学时短q能学好吗？态度决定一切! 世上无难事，只要肯努力探索好的学习方法q不及格多吗？我的事情我作主！为消除不及格而团结奋斗!汽轮机原理教学内容与安排q参考书沈士一、庄贺庆、康松、庞立云合编 汽轮机原理
4、，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，1988q考核作业 8%报告 3%课堂测验 4%期中 20%期末 65% 创新奖励10教学改革q教学团队 教授为主讲教师，负责课堂教学；6个研究生组成助教团队，负责作业批改和课后答疑。q作业电子化 所有作业电子化网络提交，助教电子化批改，并且电子化网络返回。q答疑网络化 在课程“工作区”内，学生与负责助教讨论问题和交流学习。第一章汽轮机级的工作原理q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。q研究方法先研究理想级的能量转换，然后分析实际因素对理想级的修正。热力过程线。q教学内容
5、第一讲 级内膨胀与汽流速度第二讲 动量转换与最佳速比 第三讲 级内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12第一章汽轮机级的工作原理核心内容：l由初、终参数(p0、t0和p2)计算出单位质量蒸汽产生的轮周功l由要求的级功率计算出所需的级蒸汽量l由级蒸汽量计算出所需的喷嘴、动叶出口通流面积l由喷嘴与动叶的出口通流面积计算出平均直径、叶片高度、出口汽流角等结构参数l使轮周效率达到最大的汽流与结构的最佳匹配参数l级内损失机理与级效率提高l弯、扭叶片的设计原理1.1 级工作的热力、流动分析与计算1.1.1 级的工作过程级的工作过程q汽轮机的级由一
6、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 级内膨胀与汽流速度q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。轮周功 单位质量蒸汽在单位时间内所做的功第一讲 级内膨胀与汽流速度1.1.2 理想级理想级q级叶栅中的实际流动环形通道、存在介质泄漏，三维空间、非定常(随时间变化)复杂流动环形叶栅15q理想级简化 第一讲 级内膨胀与汽流速度无端壁边界效应 上、下等节距 无径向、沿节线的弯曲流动 一元流动 在空间某曲线坐标方向上流动显著，而其法线方向上可略去不计。空间曲线坐标系一维流动
7、 流体一个方向流动显著，其余二个方向可忽略不计。正规坐标系无泄漏定常流动 S16第一讲 级内膨胀与汽流速度q基本方程理想气体状态方程绝热等熵过程气体的焓音速1.1.3 级的热力过程与膨胀线级的热力过程与膨胀线蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-S图上的表示v滞止参数相对于流道速度为零的虚拟热力参数。第一讲 级内膨胀与汽流速度v余速损失动叶排汽余速动能热力过程线清晰显示了级内能量转换与平衡、损失发生的部位和滞止参数意义，揭示了提高级效率的工作方向。18第一讲 级内膨胀与汽流速度1.1.4 级的分类级的分类v反动度 描述蒸汽在动叶中膨胀的相对大小动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比v级的分类纯冲动动
8、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19第一讲 级内膨胀与汽流速度q级分类纯冲动级反动度为零，动叶流道等截面且前、后压差为零。汽流转角较大反动级反动度为0.5，动、静叶流道相近，前、后有压差。汽流转角较小带反动度的冲动级反动度不大于0.3大反动度级 反动度大于0.7以上，低压末级组1.1.5 汽流速度与速度三角形汽流速度与速度三角形q喷嘴内膨胀与出口汽流速度理想过程等熵过程。热力学第一定律(能量平衡)喷嘴出口理想流速第一讲 级内膨胀与汽流速度第一讲 级内的能量转换与轮周功输出基于理论关系的计算 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基于
9、水蒸汽热力特性的计算 由查水蒸汽特性参数，求得出口理想速度喷嘴出口汽流速度与初参数及前、后压比有关第一讲 级内膨胀与汽流速度速度系数有损失的熵增流动，实际速度小于理想速度 喷嘴速度系数 喷嘴损失第一讲 级内的能量转换与轮周功输出q动叶内膨胀与出口汽流速度蒸汽在旋转的动叶中，膨胀使汽流的相对速度增大。轮周速度动叶平均直径处的圆周速度第一讲 级内膨胀与汽流速度23第一讲 级内的能量转换与轮周功输出理想过程能量平衡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熵增。定义动叶速度系数动叶出口速度三角形与绝对速度第一讲 级内膨胀与汽流速度24第一讲 级内的能量转换与轮周功
10、输出q级速度三角形动叶进、出口速度三角形特别注意：在动叶进、出口处，汽流相对于流道的速度变化很大。喷嘴出口为超音速，在动叶内不一定超音速；动叶出口超音速，但在动叶后不一定超音速 为喷嘴和动叶的几何参数，几乎不随运行工况变化；为运行参数，随运行工况变化。2526第一讲 级内的能量转换与轮周功输出纯冲动级 动、静叶型线差异大 汽流进、出转角大 动叶速度系数小第一讲 级内膨胀与汽流速度27第一讲 级内的能量转换与轮周功输出纯反动级 动、静叶型线基本相同 汽流转角小 动叶速度系数大第一讲 级内膨胀与汽流速度28第一讲 级内的能量转换与轮周功输出1.1.6 速度系数的影响因素速度系数的影响因素q影响因素
11、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q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 级内膨胀与汽流速度第二讲 动量转换与最佳速比1.1.7 本讲小结本讲小结 本讲所涉教材内容：本讲所涉教材内容：PP6 9、PP13 19q基本概念 轮周功、滞止参数、反动度、纯冲动级、冲动级、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、轮周速反动级、速度系数、喷嘴损失、动
12、叶损失、余速损失、轮周速度度q基本方法 级热力过程线、喷嘴级热力过程线、喷嘴(动叶动叶)的能量平衡、速度三角形的能量平衡、速度三角形q强化掌握 级热力过程线、速度三角形、出口汽流速度的计算级热力过程线、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、动静叶的速度系数等有何差异。第一讲 级内膨胀与汽流速度第一讲 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，喷嘴进口蒸
13、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 级内膨胀与汽流速度第一讲 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. 求动叶出口速度第一讲 级内膨胀与汽流速度32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
14、损失动叶出口绝对速度4.级速度三角形5.轮周功第一讲 级内膨胀与汽流速度q汽流力的计算绝对坐标系 切向 轴向相对坐标系 切向 轴向1.2.1 动量转换与汽流对动叶的作用力动量转换与汽流对动叶的作用力q原理汽流在动叶中动量改变，等于作用在动叶上的冲量，进而对动叶产生作用力。由产生旋转机械功的轮周力和不做功的轴向力组成。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 q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q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q轮周功率与轮周功
15、关系 决定于膨胀，还与流量有关35第二讲 动量转换与最佳速比qEuler方程透平机械的Euler方程第二讲 动量转换与最佳速比1.2.2 轮周效率轮周效率q目标 本级可用能最大地转变为轮周功输出。可用能 进汽动能+理想焓降。因本级余速动能有可能部分或全部被下级利用，故本级可用能还应扣除被下级利用的余速动能余速利用系数 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，即余速被利用的多少决定于动叶的排汽汽流角2，与下级进汽角一致时将被全部利用，否则被部分利用。37第二讲 动量转换与最佳速比q轮周效率 轮周功
16、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：q轮周效率的影响因素喷嘴、动叶损失速度系数、反动度、轮周速度余速损失反动度、轮周速度u改变反动度改变38第二讲 动量转换与最佳速比第二讲 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q最佳速比最佳速比速比 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
17、轮周效率.xls41第二讲 动量转换与最佳速比00.4940.88814923.91107.140.10.520.88754726.72105.170.20.5480.88548730.96102.430.30.5840.88145338.81101.170.40.6130.87495295.50.50.640.86456977.7788.890.60.6860.849353123.9785.76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，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
18、随反动度增大而减小在相同轮周速度下，最佳速比时纯冲动级的理想焓降约为反动级的1.678倍43第二讲 动量转换与最佳速比00.6070.91930.51530.10.6370.920736147.50.20.6570.921243.31390.30.6660.920552.85126.620.40.6660.918566.18110.880.50.6590.91585.6393.90.60.6450.9099109.577.64余速利用时反动度与最佳速比及汽流角关系44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
19、排汽角过大，汽流不能顺利进入下级喷嘴，实际余速不能得到全部利用1.2.3 最佳速比与汽轮机的级的焓降分配最佳速比与汽轮机的级的焓降分配q最佳速比与级焓降第二讲 动量转换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，初、终参数相同的机组，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，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 动量转换与最佳速比1.2.4 本讲小结本讲小结 本讲所涉教材内容 PP19 27q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
20、、假想速比、最佳速比q基本公式 理想能量、轮周效率q强化掌握 最佳速比的影响因素、反动与冲动级的最佳速比、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叶栅通道的流量计算q原理 焓降决定流速和轮周功，流量决定级的功率，喷嘴、动叶(喉部）出口面积决定级的膨胀和通流能力q流量计算方法理想流量加实际修正 对出口面积为 的喷嘴，其理想质量流量为单位面积的流量
21、决定于级的初参数和压比出口面积为动叶，理想质量流量第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计 流量系数与实际流量 q流量系数流量系数与速度系数因故 。 实际中，两者分别由动能损失与流动试验求取，前者是速度分布的均方平均，后者是速度分布的算术平均，实测流量系数大于速度系数。简化计算时，速度系数和流量系数取同值。49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
22、量临界与最大流量q流动临界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计q临界压比将喉部截面达到音速时为临界状态。对应流道的进、出口压力比称为临界压比(Critical pressure ratio) 。绝热等熵临界压比过热蒸汽 饱和蒸汽临界速度仅与进口的初参数有关q最大流量最大流量达到临界时，喉部蒸汽参数不再改变，汽流速度也不再增加，其流量达到最大。第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计记住！最大流量仅与初参数有关。实际最大流量为理想最大流量乘流量系数，即q流量比系数与椭圆公式流量比
23、系数又称彭台门系数，同初参数时，通过流道的流量与其最大流量的比，用表示。即第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计速比与轮周效率.xls椭圆公式 彭台门系数曲线近似于椭圆曲线，简化计算，用椭圆公式近似。即流量计算方法先由初参数求得最大流量 ，然后由前后压比计算彭台门系数，最后友情提醒！因存在着临界和最大流量，计算流量时必须先计算压比，并判定是否临界第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计1.3.3 斜切部分膨胀与超音速斜切部分膨胀与超音速q斜切部分膨胀 当背压低于临界压力时，A点的压力扰动以音速向BC边传播，其前锋到达D点，形成压力为背压的等压线AD。蒸汽在AB与AD间压差作用下在ABD所构的渐扩流道中偏
24、转继续膨胀增速，使之达到超音速。第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计q极限膨胀当特性线的前锋与AC重合时，斜切部分的压力分布再也不受喷嘴后压力进一步降低的影响，即斜切部分的膨胀能力全部用完。对应压力称为极限膨胀压力极限膨胀压比斜切部分膨胀的大小决定于，故极限膨胀也决定于。q汽流偏转角斜切部分膨胀使蒸汽比容增大，汽流只有改变流动方向才可增大通流面积维持正常流动第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计1.3.4 叶栅几何参数设计叶栅几何参数设计q喷嘴尺寸设计功率决定流量，而流量决定叶栅高度 最小喷嘴高度 叶高过小，叶顶和叶根的边界层和漏汽影响很大，效率很低，通常要求喷嘴高度不小于1115mm 。增大叶高措
25、施 减小平均直径、减小喷嘴出口角、降低喷嘴出口速度和采用部分进汽。部分进汽度e 工作喷嘴所占的圆周长度与全圆周长度之比，即 第三讲最大流量与叶栅几何参数设计q动、静叶栅几何参数 平均直径 ，叶片高度l ，叶栅节距t，叶栅宽度B，叶栅通道进口宽度a,出口宽度a1和a2，叶型弦长b和出口边厚度 ，出口汽流角 一般地， 在1117； 在2030；通常设计情况下，比略大24。在非设计工况下，和将随工况而变。第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计q动叶尺寸设计保证喷嘴出口蒸汽全部进入动叶盖度 动叶与喷嘴的高度差。叶顶盖度和叶根盖度1.3.5 反动度的实现反动度的实现q原理一定流量时，蒸汽膨胀决定于流道的形状
26、，故动、静叶出口面积比 是实现反动度的主要因素。冲动级喷嘴、动叶出口参数相近，因故58第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计反动级动叶中膨胀，比容略大于喷嘴出口，故。随压力降低，比容增大较快，动、静面积比增大。面积比与反动度第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计q冲动级的反动度确定冲动级的反动度确定反动度沿叶高的变化动、静叶间隙中汽流切向运动产生的离心力，使叶顶处的静压力高于叶根处，反动度沿叶高增大。近似地动叶平均直径；h为自叶根的高度。冲动级叶根处反动度0.030.05 叶根处处于微漏汽状态，防止隔板漏汽干扰动叶进口的主流场冲动级的平均反动度随叶高增大而增大第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计1.3.
27、6 蒸汽通过喷嘴时的流动分析小结蒸汽通过喷嘴时的流动分析小结第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计当初参数一定时，逐渐降低背压，出口汽流速度和流量增大。在背压降至临界压力时，其后流量不再增大，但出口汽流角偏转而增大；在背压降至极限膨胀压力时，出口汽流速度和出口汽流角不再增大。在流量和出口汽流角计算时，特别要注意判别是否达到临界。第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计1.3.7 本讲小结本讲小结 本讲所涉教材内容 PP1013、PP27 30v基本概念 流量系数、临界压比、最大流量、流量比系数(即彭台门系数)、部分进汽度、盖度。v基本原理 最大流量、椭圆公式、斜切部分膨胀、反动度的实现v基本公式 流量公
28、式、最大流量、椭圆公式v强化掌握 流量计算、叶栅几何参数设计、不同压比下流速、流量和出口汽流角的变化规律。PBL基于问题的学习 1.已知级初参数 、终参数 如何计算通过喷嘴或动叶的蒸汽量。 2. 基于速度三角形分析动、静面积比与级反动度间的关系。第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计例：汽轮机某级、和。喷嘴为渐缩型，其出口面积 。试计算：（1）通过喷嘴的实际流量(取流量系数0.97)；（2）当 时，通过喷嘴的流量又为多少？（3）如果喷嘴入口 ，则在（2）条件下喷嘴的流量？第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计解（1）由初终参数查蒸汽特性参数得，级理想焓降：喷嘴理想焓降：喷嘴出口理想焓值：查得喷嘴出口压
29、力：喷嘴最大理想流量：喷嘴的压比：流量比系数：通过喷嘴的实际流量：（2）改变背压后，第三讲 最大流量与叶栅几何参数设计 级理想焓降：喷嘴理想焓降：喷嘴理想出口焓：喷嘴后压力：喷嘴压比：喷嘴为超临界，此时流量为最大值，即（3）喷嘴进口动能：进口滞止焓：查得理想最大流量：由于是超临界流动，计及进口流速后通过喷嘴的流量为66汽轮机原理教学内容与安排已知级初、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6768第一讲 级内的能量转换与轮周功输出
