第一章汽轮机级的工作原理..ppt

第一章汽轮机级的工作原理,华北电力大学动力教研室,陈海平,本章主要内容,第一节概述第二节级的轮轴功率和轮轴效率第三节级内损失和级的相对内效率第四节扭叶片级,级的概念是什么？我厂N300-16.7/537/537型汽轮机有多少级？何为隔板？何为热力级？何为结构级？我厂汽轮机有多少个热力级和多少个结构级？何为调节级？何为压力级？有什么异同点？何为部分进汽度？我厂汽轮机是全周进汽还是部分进汽？可压缩流体的基本方程？冲动作用原理和反动作用原理（简单介绍）何为反动度？何为冲动级？何为反动级？为什么冲动式汽轮机叶片带有反动度？何为级效率？,本章要点,第一节概述,华北电力大学动力教研室,陈海平,1.组成静止部分(静子)：包括汽缸、喷嘴室、隔板、隔板套(静叶持环)、静叶栅、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统及相关紧固件等；转动部分(转子)：包括主轴、叶轮(或转鼓)、动叶栅、围带、拉筋、联轴器及相关紧固件等；控制部分：由调节系统、保护装置和油系统等。,一、汽轮机本体简介,2基本概念,通流部分：汽轮机本体中作功汽流的通道称为汽轮机的通流部分，包括主汽门、调节汽门、进汽导管、进汽室、各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。汽轮机的级：由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成的基本工作单元。转子：汽轮机的转动部分。动叶装在转轴上，与叶轮及转轴等构成汽轮机的转动部分。喷嘴：由固定不动的静叶栅构成的蒸汽通道。,汽轮机是将蒸汽的热能转变为转子机械能的一种动力机械，这种能量的转变通常是通过冲动作用原理和反动作用原理两种方式来实现的。冲动力与反动力冲动力：当一运动物体碰撞到另一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，这个力即为冲动力。反动力：在汽轮机中，当蒸汽流经动叶通道时，如果蒸汽还继续膨胀加速，则在蒸汽离开动叶通道时，会给动叶一个与汽流运动方向相反的作用力，这个力即为反动力。,二、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理,从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，受到动叶的阻碍，而改变了其速度的大小和方向，同时汽流给动叶施加了一个冲动力。蒸汽在动叶通道内膨胀加速，离开动叶通道时，给动叶一个与汽流运动方向相反的作用力，这个力即为反动力。一般情况下，蒸汽在动叶通道内流动时，一方面给动叶栅一个冲动力Fi的作用，另一方面，在动叶通道内继续膨胀，给动叶栅一个反动力Fr的作用，这两个力的方向都不与轮周方向一致，两个力的合力F作用在动叶栅上，其在轮周方向上的分力Fu使动叶栅旋转而产生机械功。注意：冲动力的大小主要取决于单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量及其速度的变化，蒸汽质量越大，速度变化越大，则冲动力越大。,汽轮机级的受力分析:P7图1.1.1-1.1.2所示,三、级的工作过程,火电厂的能量转换过程,蒸汽在级内的流动过程：图1.1.1所示在喷嘴(nozzle)中：降压增速，热力势能转变为汽流的动能;在动叶(blade)中：动能转变为机械能（冲动级和反动级有别）。,气流流动演示,蒸汽动叶和喷嘴中的流程,对于冲动式汽轮机，当蒸汽通过喷嘴和动叶后，其压力、速度的变化趋势如右图。,特征截面或计算截面：喷嘴前：0-0；喷嘴后（动叶前）：1-1；动叶后：2-2。注意：参数下角标与截面号相同。,蒸汽膨胀增速的条件有压差存在合理的汽流通道结构,动、静叶栅几何参数：平均直径dm，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。,动叶进出口汽流速度三角形：流体力学观点,喷嘴、动叶及汽流流动特性动叶以圆周速度u旋转；从喷嘴中以绝对速度c1流出的汽流相对于动叶有一个相对运动和相应的相对速度w1；流入本级动叶；汽流以相对速度w2离开动叶，由于动叶以圆周速度u旋转，故其出口绝对速度为c2；流入下级静叶（喷嘴）；由c、w、u构成速度三角形，如下图。速度三角形的构成动叶入口速度三角形：c1、w1、u动叶出口速度三角形：c2、w2、u注意：u在进出口速度三角形相同,动叶进出口汽流速度三角形,符号说明C1：喷嘴出口汽流的绝对速度w1：喷嘴出口汽流的相对速度C2：动叶出口汽流的绝对速度w2：动叶出口汽流的相对速度u：圆周速度。一般情况下：,速度三角形（w1、c2）的计算,3蒸汽在级内的热力过程分析：热力学观点,几个概念热力过程线：蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-s图上的表示；滞止状态：相对于叶栅通道速度为零的状态；滞止参数：相对于叶栅通道速度为零的汽流热力参数，用上标“0”来表示；理想过程：无不可逆损失的等熵过程；实际过程：存在着不可逆摩擦损失，动能损失转变为热能。,喷嘴及动叶的热力过程,动叶理想比焓降：,滞止比焓差：,喷嘴理想比焓降：,喷嘴损失：,喷嘴实际比焓降：,动叶损失：,动叶实际比焓降：,余速损失：,级的理想比焓降：,级滞止理想比焓降：,喷嘴滞止理想比焓降：,轮周损失：,轮周有效比焓降：,四、级的反动度（反动率）,定义：表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度,定义为蒸汽在动叶中膨胀时的理想比焓降与级的滞止理想比焓降之比,用m来表示.,计算表达式：,讨论,由于h-s图上等压线沿比熵增方向发散,故严格说,但由于喷嘴损失很小，因此在使用中常认为m越大，hb越大，则蒸汽对动叶栅的反动力也越大；反动度沿动叶高度是不相同的对于较短的直叶片级，用平均反动度m表示，可不计反动度沿动叶高度的变化；对于长叶片级，在计算不同截面时，必须用相应截面的反动度。,五、级的类型和特点：轴流式,冲动级和反动级：按蒸汽在动叶通道中的膨胀程度（及反动度）大小划分。纯冲动级：m0特点：蒸汽只在喷嘴内膨胀，在动叶中不膨胀而只改变方向；蒸汽在动叶进、出口处压力和汽流的相对速度相等，即P1=P2，hb=0，hn=ht，w1=w2。动叶叶型几乎为对称弯曲，即动叶内各流通截面近似相同；动叶只受到入口汽流的冲动力和出口汽流的反动力，但无蒸汽膨胀加速对动叶的反动力；做功能力大，但效率较低，损失大，故现已不在采用。,特点：P1P2，hbhn0.5ht；喷嘴、动叶的叶型相同；动叶既受到入口汽流的冲动力，也受到蒸汽在动叶通道中膨胀加速及其转向后流出时的反动力；做功能力较小，效率较纯冲动级高，顶部漏汽大。,反动级：m0.5,特点：P1P2，hnhb；蒸汽作用在动叶上的主要是冲动力，小部分是反动力；在最佳速比下，做功能力比反动级大，效率较纯冲动级高，在汽轮机中得到了广泛应用。,冲动级：m0.05-0.3（0.2翦）,压力级和速度级：按蒸汽动能转变为转子机械能的过程来划分,压力级：蒸汽动能转变为转子机械能的过程在级内只进行一次的级。特点：这种级在叶轮上只装一列动叶栅，故又称为单列级；压力级可以是冲动级，也可以是反动级。,说明：目前常用的是进行两次转换的级，故又称为双列速度级或复速级，即由固定的喷嘴叶栅、导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅所组成的级。特点：复速级都是冲动式的；做功能力大（较单列级而言）：通常在一级内要求承担很大焓降时采用之。为提高复速级效率，其设计时带有一定的反动度。,速度级(复速级)：蒸汽动能转变为转子机械能的过程在级内进行一次以上的级。,调节级和非调节级：按级的通流面积是否随负荷大小而变来划分。,调节级：通流面积随负荷变化而改变的级（如喷嘴调节的第一级）。单列级：能承担的理想焓降小，一般在80-130kJ/kg之间；效率高。宜用于带基本负荷的大机组上。双列级：能承担较大的理想焓降，一般在195-250kJ/kg之间。效率较低。宜用于带尖峰负荷的机组上。,这种级在运行时，可通过改变其通流面积来控制进汽量，从而达到调节汽轮机负荷的目的；中小汽轮机用复速级作调节级；大型汽轮机常用单列冲动级作调节级；总是做成部分进汽。非调节级：通流面积不随负荷变化而改变的级。特点：可以是全周进汽，也可以是部分进汽。,调节级特点,热力级与结构级,热力级结构级,级的类型和特点小结,六、级的简化一元流模型和基本方程式,简化的一元流模型基本假设：流动是稳定的流动是绝热的流动是一元的工质是理想气体,基本方程式,对连续性方程取对数值并微分，可得连续性方程式的另一形式,连续性方程：流体质量守恒。Gv=cA,式中：q每kg质量蒸汽流过系统时从外界吸收的热量，J/kg；绝热时为零。w每kg质量蒸汽流过系统时对外界做出的机械功，J/kg。,能量方程：能量守恒定律,状态方程：蒸汽在某一截面上的各种状态参数之间的关系由状态方程式来确定，对于理想气体：pv=RT式中：p气体的绝对压力，Pa；v气体的比容，m3/kg；T热力学温度，K；R通用气体常数，R=461.5J/kgK。,状态或过程方程,等比熵过程方程：式中：k为定熵指数；过热蒸汽：k=1.3；饱和蒸汽：k=1.135；湿蒸汽：k=1.035+0.1x（x为过程初态干度）多变过程方程：式中：n多变过程指数；,过程方程：蒸汽从一个状态变化到另一个状态的过程由过程方程式来确定，对于理想气体：,说明：式中负号说明流动过程中，压力和速度是相反方向变化的。,运动（动量）方程,反映作用于汽流上的力与汽流速度变化之间的关系式。,气体的另一重要特性是压力波传播速度即音速。音速的计算公式：结论：音速取决于汽流当地温度，与压力无关。马赫数M：M=1时为临界状态,气动方程式,第二节级的轮周功率和轮周效率,华北电力大学动力教研室,陈海平,本节要点,轮周功率轮周效率轮周效率与速比的关系必须清楚的小知识动叶栅发出的轮周功体现了全级的能量转换过程，衡量这个能量转换过程完善程度的指标是轮周效率。减小轮周损失，提高轮周效率，是提高级乃至汽轮机整体效益的基础。,一、蒸汽作用在动叶栅上的力和轮周功率,汽流作用在动叶上的力作用在动叶上的汽流力可归结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。由动量定律求得。利用速度三角形关系进行计算。,轮周力Fu：是对动叶做功的力,设t时间内流过动叶的蒸汽量为m，切向和轴向的动量变化为：绝对坐标系：相对坐标系：,切向切向轴向轴向,令G=m/t为单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量，由速度三角形可得到：,轴向作用力Fz：产生轴向推力不做功,式中：全周进汽：Az=dmlb部分进汽：Az=dmlbe蒸汽对动叶总作用力Fb,轮周功率Pu,概念：单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所作出的机械功称为轮周功率。注意点：1kg蒸汽产生的轮周功Wu等于级的轮周有效比焓降hu。计算式,分析,轮周功的意义：由喷嘴带进动叶的蒸汽动能与动叶获得的蒸汽动能之和，减去蒸汽离开动叶所带走的动能。,利用速度三角形得,结论,级的做功能力，即轮周功的大小与动叶进出口汽流角1和2有关，一般而言有冲动级：由于动叶转折较大，所以1和2较小，做功能力较大；反动级：由于动叶转折较冲动级小，所以1和2较大，做功能力较小；,二、轮周效率u,定义：1kg蒸汽所作出的轮周功Wu与蒸汽在该级所消耗的理想能量E0之比称为级的轮周效率。,E0的计算,式中：余速利用系数0表示本级利用上一级余速动能的份额1表示本级余速动能被下一级利用的份额,轮周效率u计算公式的不同形式,定义式,速度式：用来分析u与速比之间的关系,式中：ca为级的假想理想速度，即假定级的滞止理想焓降全部在喷嘴中等比熵膨胀所获得的理想速度。,能量平衡方式,能损分析式：用来分析各种轮周损失所占比例较为方便,式中：n喷嘴损失系数，n=hn/E0b动叶损失系数，b=hb/E0c2余速损失系数，c2=hc2/E0,结论,以速度形式表示的u计算公式，一般用来分析级的轮周效率与速比之间的关系；而以损失系数表示的u计算公式，用来分析各种轮周损失所占比例时较为方便；在进行级的热力计算时，几个公式都可用，也可用来互相校核。在喷嘴和动叶结构一定时，影响轮周效率u的主要因素是余速损失系数c2，因此，应一方面减少动叶出口的绝对速度c2，另一方面提高余速利用系数，从而减少c2。,第三节级内损失和级的相对内效率,华北电力大学动力教研室,陈海平,一、级内损失,定义：通常指实际环形叶栅偏离平面叶栅模型所存在的损失，以及汽流进口角偏离叶栅几何进口角和湿蒸汽工况下产生的附加损失。特点理想情况下，汽轮机级内热能转换为机械功的最大能量等于蒸汽在级内的理想比焓降。实际上由于级内存在着各种各样的损失，蒸汽的理想比焓降不可能全部转变为机械功。凡是级内与流动时能量转换有直接联系的损失，称之为汽轮机级的内部损失。否则，则称为汽轮机的外部损失。,级内损失九项,1.动叶损失hn2.动叶损失hb3.余速损失hc24.叶高损失hl5.扇形损失h6.叶轮摩擦损失hf部分进汽损失he漏汽损失h湿气损失hx,级内损失的类型,轮周损失,相对内效率,hu,轮周效率,hi,级内损失在总损失中的比例,二、级的相对内效率与内功率,级的相对内效率(级效率)：级的有效比焓降hi与理想能量E0之比。级有效焓降为级理想等熵滞止焓降减去级内九项损失。,级的内功率,图-冲动级的实际热力过程线,第四节