1.2蒸汽在喷嘴和动叶通道中流动过程

1,1.2蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程,2,一蒸汽在喷嘴中的膨胀过程（一）喷嘴出口汽流速度当喷嘴前的蒸汽参数及初速C0为已知时，则将此式带入能量方程，因为喷嘴是固定的，不对外做功，所以w0。则喷嘴理想出口速度为,3,若用初始状态参数计算（无H-S图的情况下用此表达式计算）,4,理想气体在等比熵膨胀过程中的比焓差可表示为：（1.2.3）将式（1.2.3）代入（1.2.2）得或,5,式中，称为喷嘴压比，即喷嘴后的压力与喷嘴前的滞止压力之比。喷嘴出口的实际速度摩擦阻力使蒸汽出口焓值升高，出口速度比理想速度降低。喷嘴速度系数：喷嘴出口实际速度与喷嘴出口的理想速度之比。速度系数正是反映喷嘴内由于各种损失而使汽流速度减小的一个修正值。,6,影响喷嘴速度系数的因素多而复杂，如：喷嘴高度、叶型、汽道形状、压比、及表面粗糙度等，因此很难用理论计算精确求得，此值一般由试验确定，与叶片高度ln关系密切，故实验数据常绘制为与ln的变化曲线，如图1.2.1所示。,7,图1-2-1渐缩喷嘴速度系数随叶片高度ln的变化曲线,8,由它可求出实际流动过程中的喷嘴动能损失，即喷嘴损失：是喷嘴实际出口动能，因此也称为喷嘴效率。,9,在其出口，喷嘴的实际汽流速度c1比理想速度c1t要小，所损失的动能又重新转变为热能，在等压下被蒸汽吸收，比熵增加，使喷嘴出口汽流的比焓值升高。因此，蒸汽在喷嘴内的实际膨胀过程不再按等比熵线进行，而是一条熵增曲线。,图蒸汽在喷嘴中的热力过程,10,（二）喷嘴中蒸汽参数、流速与等比熵比焓降之间的关系如图1.2.3所示。当等比熵焓将降达到临界值时，喷嘴通道截面积最小，此处是临界截面，此处的蒸汽流速等于当地音速。由于喷嘴内沿汽流方向的流通各截面处蒸汽的温度逐渐降低，故音速也逐渐降低。蒸汽的压力沿喷嘴流道是逐渐降低的，汽流速度是逐渐增大的。蒸汽比容是逐渐增大的。,11,喷嘴截面积的变化规律由连续性方程得：,12,令M=c/a为马赫数喷嘴截面积变化规律：M1时为亚音速流动，dA0，渐缩M1时为超音速流动，dA0，渐扩M=1时，dA=0，喉部M1M1，为缩放（拉法尔）,13,在亚临界区域，即在喷嘴的渐缩段，速度的增大较比容快得多，在超音速区域，即渐扩段，比容较速度增大得快。图1.2.3,14,（三）喷嘴中汽流的临界状态汽流速度等于当地音速时的状态称为临界状态。临界状态下的所有参数称为临界参数。1.临界速度音速计算式为：,15,对于任意截面，能量方程可写为：对于临界截面，求得临界速度为：由此可知临界速度只与滞止初参数有关，而与过程是否有损失和损失的大小无关。,16,2、临界压力和临界压比将等比熵过程方程代入临界速度方程，求解得在等比熵过程中，只与k有关。,17,(四)喷嘴的通流能力：在理想情况下，当喷嘴前后的压力比n大于临界压力比nc时，当喷嘴出口截面积为An时，根据连续性方程式，通过喷嘴的理想流量为：或在蒸汽滞止参数、蒸汽性质、喷嘴出口面积一定得情况下，喷嘴的流通能力只取决与压比。如图1.2.5曲线0BC所示。,18,通过最大流量时的压比为：求得可见，喷嘴通过最大流量时的压比就是临界压比，因此最大流量就是临界流量。喷嘴理想临界流量：喷嘴出口的面积和蒸汽性质确定后，临界流量只与滞止参数有关。,19,喷嘴的实际流量：喷嘴的流量系数：,它是喷嘴的实际流量与理想流量之比。由于流动损失加热了蒸汽，所以，但影响此比值的因素很多，所以此比值可能小于1、等于1或大于1，通常用实验方法求得。,20,图喷嘴和动叶的流量系数,21,当蒸汽在过热区工作时，比容变化小，当蒸汽在湿蒸汽区工作时，由于蒸汽通过喷嘴的时间极短，有一部分应凝结的饱和蒸汽来不及凝结，出现了凝结滞后的现象。蒸汽未吸收凝结放出的汽化潜热，使蒸汽温度较低，由于过饱和现象使蒸汽实际比容小于理想比容，所以实际流量大于理想流量。,22,考虑了流量系数之后，计算实际临界流量的公式为，即过热蒸汽0.97饱和蒸汽1.02无论是过热蒸汽还是饱和蒸汽，都可采用下式计算流量：,23,用上式计算前，需判断喷嘴喉部的工作状态：是否在临界状态下工作。我们引入流量比，即彭台门系数：可见，只与和k有关，k确定后，亚临界时值只与有关；临界状态时1，与无关。,24,渐缩喷嘴流过过热蒸汽时，与的关系如图1.2.8所示，,25,实际计算时，根据在图中先查出值，然后利用下式计算Gn。就不用判断流动状态了。,26,二、蒸汽在喷嘴斜切部分内的膨胀为了保证喷嘴出口汽流进入动叶时有良好的方向，在喷嘴的出口处都制成一段斜切部分，如图1.2.9所示。,带有斜切部分的渐缩喷嘴,27,蒸汽在喷嘴斜切部分膨胀的条件:渐缩喷嘴：(1)p1p1cvAB=vACpAB=p1汽流在斜切部分不膨胀，只起导向作用.(2)p1dp1p1cpAB=p1c,vAB=v1c叶栅后的压力p1p1c，大于极限膨胀压力p1d.,28,故蒸汽在斜切部分ABC的前面如ABD中继续膨胀，压力降低，速度增加，超过临界速度，同时汽流的方向偏转一个角度，这时，斜切部分的后部ADC区域只起导向的作用，不发生膨胀，汽流速度和方向均不变。所以此时的渐缩喷嘴可以看作不完整的缩放喷嘴。,29,蒸汽在斜切部分的实际膨胀与偏转,喷嘴中心线与动叶运动方向成1角,30,1：喷嘴汽流偏转角；喷嘴在喉部截面和出口截面上有：,31,喉部截面高度与出口截面高度可近似认为相等的，由于上两式中，故可得贝尔公式：用来计算偏转角的数值对于缩放喷嘴，现象相似，当蒸汽的背压低于出口截面AB的设计压力时，蒸汽在斜切部分内就要发生膨胀和偏转。用上式计算偏转角时，注意数值的代入问题（设计工况和偏转后的）。,32,假设斜切部分为等比熵流动，则有：可见，若已知喷嘴压比，蒸汽定熵指数及喷嘴出口角就可算出偏转角。,33,蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀极限与极限压力膨胀极限：随着背压的降低，当最后一根特性线逐渐向出口边AC靠近，当背压降低到使最后一根特性线与出口边AC重合时，斜切部分的膨胀能力就用完了。斜切部分达到膨胀极限，膨胀极限压力：膨胀极限时喷嘴出口压力。膨胀不足：再降低背压，就会引起斜切部分后的突然膨胀，即产生膨胀不足，使喷嘴损失增加。斜切部分的特性线也称马赫线。,34,需要说明的是，虽然采用斜切喷嘴可以获得超音速汽流，但只有喷嘴出口处压力p1大于膨胀极限压力p1d，即p1p1d时，采用斜切喷嘴得到超音速汽流才是合理有效的。否则，若p1p1d，则将引起汽流在喷嘴出口处突然膨胀，产生附加损失。斜切喷嘴的这一膨胀特性使得它可以在一定范围内取代缩放喷嘴，放喷嘴所带来的工况变动时效率低，制造工艺复杂的缺陷。,35,三、蒸汽在动叶通道中的流动过程和通流能力把喷嘴的蒸汽参数换为动叶栅的相对参数。,36,