第一章汽轮机级的工作原理

1、第一章第一章 汽轮机级的工作原理汽轮机级的工作原理华北电力大学，能源动力与机械工程学院华北电力大学，能源动力与机械工程学院巨星一、概述一、概述 级、反动度的概念及特点级、反动度的概念及特点 速度三角形、热力过程线速度三角形、热力过程线 三个基本方程式：三个基本方程式： 连续方程连续方程 能量方程能量方程 状态状态（过程）（过程）方程方程本本 节节 要要 点点一、汽轮机的结构简介一、汽轮机的结构简介 组成组成(1)(1)静止部分静止部分( (静子静子) )：包括汽缸、喷嘴室、隔板、隔板：包括汽缸、喷嘴室、隔板、隔板套套( (静叶持环静叶持环) )、静叶栅、汽封、轴承、轴承座、机、静叶栅、汽封、轴

2、承、轴承座、机座、滑销系统及相关紧固件等；座、滑销系统及相关紧固件等；(2)(2)转动部分转动部分( (转子转子) )：包括主轴、叶轮：包括主轴、叶轮( (或转鼓或转鼓) )、动叶、动叶栅、围带、拉筋、联轴器及相关紧固件等；栅、围带、拉筋、联轴器及相关紧固件等；(3)(3)控制部分控制部分：由调节系统、保护装置和油系统等。：由调节系统、保护装置和油系统等。2. 2. 概念概念通流部分：通流部分：汽轮机汽轮机本体中做功气流的本体中做功气流的通道通道主汽门、调节汽门、主汽门、调节汽门、导管、进汽室、各导管、进汽室、各级喷嘴和动叶、汽级喷嘴和动叶、汽轮机排汽管轮机排汽管级级：由一列静叶栅和一列动叶栅

3、组成，完成蒸汽的热能：由一列静叶栅和一列动叶栅组成，完成蒸汽的热能转换成转子的机械能的转换成转子的机械能的最基本工作单元最基本工作单元。1. 1. 动、静叶栅几何参数动、静叶栅几何参数叶栅节距叶栅节距t t叶栅通道进口宽度叶栅通道进口宽度a a叶型弦长叶型弦长b b出口宽度出口宽度a a1 1和和a a2 2叶栅宽度叶栅宽度B B出口边厚度出口边厚度前缘点前额线后缘点后额线中弧线几何进口角汽流进口角几何出口角汽流出口角叶片安装角静叶动叶二、级的工作过程平均直径平均直径d dm m叶片高度叶片高度l l叶片高度叶片高度l ldmt渐缩型喷嘴喉部渐缩型喷嘴喉部斜切部分斜切部分 在喷嘴中：降压增速，

4、热力势能转变为在喷嘴中：降压增速，热力势能转变为汽流的动能汽流的动能; 在动叶中：动能转变为机械能在动叶中：动能转变为机械能（冲动级冲动级和反动级有别和反动级有别）。001122对于冲动式汽轮机，当蒸汽通过喷嘴和动对于冲动式汽轮机，当蒸汽通过喷嘴和动叶后，其压力、速度的变化趋势如右图。叶后，其压力、速度的变化趋势如右图。 特征截面或计算截面特征截面或计算截面 喷嘴前：喷嘴前：0-00-0； 喷嘴后（动叶前）：喷嘴后（动叶前）：1-11-1； 动叶后：动叶后：2-22-2。2222( (), )c wp t000(, )cp t 喷嘴1111( (), )c wp t 动叶2. 2. 蒸汽在级内

5、的流动过程：流体力学蒸汽在级内的流动过程：流体力学 从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，汽流给动叶从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，汽流给动叶施加了一个施加了一个冲动力冲动力Fi 。 蒸汽在动叶通道内膨胀加速，离开动叶通道时，给动叶一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，称为个与汽流运动方向相反的作用力，称为反动力反动力Fr 。 一般情况下，蒸汽在动叶通道一般情况下，蒸汽在动叶通道内流动时，一方面给动叶栅一内流动时，一方面给动叶栅一个个冲动力冲动力F Fi i的作用，另一方面，的作用，另一方面，在动叶通道内继续膨胀，给动在动叶通道内继续膨

6、胀，给动叶栅一个叶栅一个反动力反动力F Fr r的作用，这的作用，这两个力的方向都不与轮周方向两个力的方向都不与轮周方向一致，两个力的合力一致，两个力的合力F F作用在作用在动叶栅上，其在轮周方向上的动叶栅上，其在轮周方向上的分力分力F Fu u使动叶栅旋转而产生。使动叶栅旋转而产生。 FzFz为轴向力为轴向力Fz动叶受力分析动叶受力分析动叶进出口汽流速度三角形动叶进出口汽流速度三角形 动叶进口速度三角形动叶进口速度三角形 动叶出口速度三角形动叶出口速度三角形22cwu 11wcu 1c11,p h22,p hu1w11u2c2w22汽流的绝对速度汽流的绝对速度60bd nu圆周速度圆周速度汽

7、流相对速度汽流相对速度 cuw 旋转平面与旋转平面与 的夹角的夹角 旋转平面与旋转平面与 的夹角的夹角w u1 1表示动叶进口表示动叶进口2 2表示动叶出口表示动叶出口速度三角形的参数关系速度三角形的参数关系22111111111111222222222222222cossinsinarcsinarccos2cossinsinarcsinarccoswcucucctgwcucwuw uwwtgcwu3. 3. 蒸汽在级内的热力膨胀过程：热力学蒸汽在级内的热力膨胀过程：热力学0p0t1.1.热力过程线热力过程线-蒸汽在动、静叶栅蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在中膨胀过程在h-sh-s图上的表示。图上

8、的表示。h hs s滞止参数滞止参数-相对于叶栅通道速度为零的气流相对于叶栅通道速度为零的气流热力参数热力参数( (假想汽流绝热等比熵滞止到速假想汽流绝热等比熵滞止到速度为度为0 0的状态）。用后上标为的状态）。用后上标为”0”0”来表示。来表示。动叶进口动叶进口喷嘴进口喷嘴进口02012c00p000ch1pnh1nh20012cchnh12p22112w2112w0101pbh1th1h2thbh22hbh2ch2222cchuh0thth入口初速动能入口初速动能喷嘴损失喷嘴损失动叶损失动叶损失余速动能余速动能0h1h00h01h001001nthhhhnh-可逆的等熵过程可逆的等熵过程-

9、不可逆绝热膨胀过程不可逆绝热膨胀过程-，实际过程转换效率低于理想过程。，实际过程转换效率低于理想过程。部分动能转变为热能（部分动能转变为热能（）-热能被蒸汽重新吸收热能被蒸汽重新吸收-实际过程喷嘴和动叶出口汽流实际过程喷嘴和动叶出口汽流的熵与焓相对理想过程增加，其的熵与焓相对理想过程增加，其能量转换效率低于理想过程。能量转换效率低于理想过程。喷嘴理想比焓降喷嘴理想比焓降-动叶理想比焓降动叶理想比焓降- - bh喷嘴喷嘴( (或动叶或动叶) )效率效率 实际焓降与理想焓降之比实际焓降与理想焓降之比0p0th hs s000p000ch1pnh1nh12p22112w0101pbh1th1h2th

10、bh22h2chuh0thth20utnbchhhhh 00tncbhhhh 喷嘴损失、动叶损失、余速损失喷嘴损失、动叶损失、余速损失统称为级的统称为级的轮周损失轮周损失。级的滞止理想比焓降级的滞止理想比焓降1kg1kg蒸汽实际转换为动叶栅上蒸汽实际转换为动叶栅上机械功的有效焓降称为机械功的有效焓降称为轮周有效轮周有效比焓降比焓降2222cch11nthhh22bthhh0p0th hs s000p000ch1pnh1nh12p22112w0101pbh1th1h2thbh22h2chuh0thth表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度。定义表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度。定义为为动叶中的理想比焓降与

11、级的滞止理想比动叶中的理想比焓降与级的滞止理想比焓降之比焓降之比, ,级的平均直径处的反动度用级的平均直径处的反动度用mm来表示。即来表示。即00bbmtnbhhhhh 三、级的反动度讨论说明 由于由于h-sh-s图上等压线沿比熵增方向发散图上等压线沿比熵增方向发散, ,故严格说故严格说, , 但由于喷嘴损失很小，因此一般常认为但由于喷嘴损失很小，因此一般常认为00nbthhh 00nbthhh 反动度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mm表示，可不计反动度沿动叶高度的变化；对于长叶片级，在计算不同表示，可不计反动

12、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。截面时，必须用相应截面的反动度。四、级的类型和特点0bhmm, ,汽流在动叶通道汽流在动叶通道中不膨胀。中不膨胀。1.1.纯冲动级纯冲动级结构特点结构特点: :热力特点热力特点: :动叶叶型为对称弯曲，即动叶叶型为对称弯曲，即动叶内各流通截面相同动叶内各流通截面相同动叶进出口处压力动叶进出口处压力P P1 1=P=P2 2，汽流的相对速度汽流的相对速度w w1 1=w=w2 2；流动特点流动特点: :性能特点：性能特点：做功能力大，但效率较低，做功能力大，但效率较低，损失大。故现已不采用。损失大。故现已不采用。依靠冲击

13、力依靠冲击力FiFi做功做功动叶受力：动叶受力：0.5tnbhhh 2.2.反动级反动级热力特点热力特点: : 动静叶中蒸汽膨胀程度动静叶中蒸汽膨胀程度( (焓焓降降) )相等。相等。mm0.50.5，实际略小于，实际略小于0.50.5结构特点结构特点: :流动特点流动特点: : 压降基本相同，压降基本相同，c c1 1=w=w2 2。性能特点：性能特点： 做功能力最小，做功能力最小，流动效率最高。流动效率最高。动、静叶通道的截面基本动、静叶通道的截面基本相同（渐缩通道）；动静相同（渐缩通道）；动静叶型相同（镜面映射）。叶型相同（镜面映射）。同时依靠冲击力同时依靠冲击力FiFi和反击力和反击力

14、FrFr做功做功动叶受力：动叶受力：3.3.冲动级冲动级热力特点热力特点: :nbhh 膨胀主要发生于喷嘴中膨胀主要发生于喷嘴中, ,为提高流动效率动叶中为提高流动效率动叶中也有少量膨胀，也有少量膨胀，一般一般0.050.050.300.30结构特点结构特点: : 动叶通道的弯曲程度小于静叶。动叶通道的弯曲程度小于静叶。流动特点流动特点: : 动叶中增速小于静叶。动叶中增速小于静叶。性能特点：性能特点：相同几何尺寸下，做功能力比相同几何尺寸下，做功能力比反动级大，流动效率较纯冲动反动级大，流动效率较纯冲动级高。级高。001122受力类型与反动级相同，大小受力类型与反动级相同，大小不同不同动叶受

15、力：动叶受力：4.4.复速级复速级压力级压力级速度级速度级压力级可以是冲动级，也可以是反动级。压力级可以是冲动级，也可以是反动级。大机组调节级多为冲动单列级大机组调节级多为冲动单列级中小机组调节级多为复速级，或称双列中小机组调节级多为复速级，或称双列速度级速度级双列速度级双列速度级/ /复速级复速级: :即由固定的喷嘴叶栅、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导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅所组成的级。栅所组成的级。级级非调节级非调节级 全周进汽全周进汽调节级调节级 部分进汽部分进汽速度级通常在速度级通常在一级内要求承担很大焓降一级内要求承担很大焓降时采用时采用, ,

16、可以分摊大理想焓降，变工况特可以分摊大理想焓降，变工况特性好，做功能力大性好，做功能力大。复速级用于单级汽。复速级用于单级汽轮机或作为中、小型多级冲动式汽轮机轮机或作为中、小型多级冲动式汽轮机第一级（调节级，承担调压任务）。第一级（调节级，承担调压任务）。汽流在导叶和动叶通道中汽流在导叶和动叶通道中膨胀较小。膨胀较小。热力特点热力特点: :结构特点结构特点: :导叶和动叶为等截面通道；导叶和动叶为等截面通道；流动特点流动特点: :导叶中汽流只转向不加速导叶中汽流只转向不加速. .性能特点：性能特点： 做功能力最大，流动效率最低。做功能力最大，流动效率最低。反动度反动度m m叶片类型叶片类型做功

17、能力（焓降）做功能力（焓降）效率效率纯冲动级纯冲动级0 0隔板叶轮型隔板叶轮型较高较高较低较低反动级反动级0.50.5转鼓型转鼓型最低最低最高最高冲动级冲动级0.050.050.30.3 隔板叶轮型隔板叶轮型较低较低较高较高复速级复速级隔板叶轮型隔板叶轮型最高最高最低最低五、级的简化一元流模型和基本方程式1.1.简化的一元流模型简化的一元流模型基本假设：基本假设：流动是稳定的流动是稳定的流动是绝热的流动是绝热的流动是一元的流动是一元的工质是理想气体工质是理想气体001122实际：粘性可压缩流体在弯曲通道实际：粘性可压缩流体在弯曲通道内的三元不稳定流动内的三元不稳定流动2.2.基本方程式基本方程

18、式连续性方程连续性方程微分形式微分形式: : 0dAdcdvAcvGvAc能量方程能量方程微分形式微分形式运动（动量）方程运动（动量）方程: :cdcvdp 2200111122qhchcW 状态方程或过程方程状态方程或过程方程理想气体状态方程理想气体状态方程pvRTR 通用气体常数， R =461.5J/kgK等比熵过程方程等比熵过程方程pvconst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）气体介质中的音速气体介质中的音速 akpvkRT 马赫数马赫数MaMacMaa1 1 1 超临界状态超临界状态气体的焓气体的焓11k

19、khpvRTkknpvconst多变过程方程：多变过程方程：式中：式中：n n 多变过程指数；多变过程指数；1.1.汽轮机级的概念、各种类型及的结构及蒸汽在级内汽轮机级的概念、各种类型及的结构及蒸汽在级内能量的转换特点。能量的转换特点。2.2.蒸汽在动、静叶栅中热力过程在蒸汽在动、静叶栅中热力过程在h-sh-s图上的表示。图上的表示。3.3.级的反动度含义及表达式。级的反动度含义及表达式。4. 4. 分析级工作过程（蒸汽在级内流动过程）的假设与分析级工作过程（蒸汽在级内流动过程）的假设与基本方程：连续、能量、过程（状态）基本方程：连续、能量、过程（状态）思考题思考题二、蒸汽在喷嘴和流道中的流动

20、过程二、蒸汽在喷嘴和流道中的流动过程本本 节节 要要 点点 喷嘴出口汽流的计算及其临界状态喷嘴出口汽流的计算及其临界状态 蒸汽在喷嘴斜切部分膨胀分析蒸汽在喷嘴斜切部分膨胀分析 动叶出口汽流计算动叶出口汽流计算必须清楚的小知识必须清楚的小知识u 喷嘴一般都采用带斜切部分的渐缩喷嘴喷嘴一般都采用带斜切部分的渐缩喷嘴u 喷嘴的分析计算方法可推广应用到动叶上喷嘴的分析计算方法可推广应用到动叶上一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程蒸汽压力从蒸汽压力从p p0 0膨胀（降低）至膨胀（降低）至p p1 1；温度从；温度从t t0 0降低至降低至t t1 1蒸汽速度从蒸汽速度从c c0 0加速至加速至c c1 1，方向

21、角，方向角1 12112002121ChCh(1)(1)蒸汽在喷嘴中：蒸汽在喷嘴中：a a。把热能转换成动能；。把热能转换成动能；b b。获得一定的方向；。获得一定的方向； (2)(2)喷嘴固定在汽缸上，是静止的，不对外做功，喷嘴固定在汽缸上，是静止的，不对外做功，W=0W=0。(3)(3)与外界无热交换，与外界无热交换，q = 0q = 0。 1.1.蒸汽在喷嘴（静叶）中的膨胀过程的特点：蒸汽在喷嘴（静叶）中的膨胀过程的特点： 0h能量转换：能量转换：热力势能热力势能汽流动能汽流动能计算分析方法：计算分析方法： 先算理想过程，然后用系先算理想过程，然后用系数修正到实际过程数修正到实际过程 喷

22、嘴能量方程：喷嘴能量方程：210102()ttchhc将流速表示成与初参数将流速表示成与初参数 和前后压比和前后压比 的形式。的形式。则有：则有：0000,pv010/npp000101()1ttkhhR TTk00001 1()1tkp vp vk2112tc2012c00h1th02nh0012()thh202nhc1.1.理想过程理想过程hnhn0000 1shp0t01tp1p0011000011000000221 ()(1)11kkkktnpkkcp vp vkpk2. 2. 喷嘴出口汽流速度喷嘴出口汽流速度npvconst0112tncch22222011111222ttnnccc

23、hh11tcc2.2.实际过程实际过程蒸汽为粘性流体，流过叶栅通道时产生摩擦，造成动能损失，蒸汽为粘性流体，流过叶栅通道时产生摩擦，造成动能损失，使蒸汽出口速度由使蒸汽出口速度由c c1t1t减小为减小为c c1 1, ,即即喷嘴速度系数喷嘴速度系数工程中，通常采用对等熵绝热流动作修正的方法来处理实际工程中，通常采用对等熵绝热流动作修正的方法来处理实际流动，即用实际汽流速度与理想速度的比值表示摩擦损失的影响，流动，即用实际汽流速度与理想速度的比值表示摩擦损失的影响，其比值称为速度系数。其比值称为速度系数。喷嘴速度系数喷嘴速度系数22tww动叶速度系数动叶速度系数蒸汽在叶栅通道中为绝热多变过程蒸

24、汽在叶栅通道中为绝热多变过程 21nk,1nk,多变指数多变指数n n随损失的增大而减小。随损失的增大而减小。喷嘴效率喷嘴效率喷嘴损失喷嘴损失;n2(1)knkk3. 3. 速度系数的影响因素速度系数的影响因素速度系数与叶栅通道表面的光滑程度及叶型等紧密相关。速度系数与叶栅通道表面的光滑程度及叶型等紧密相关。表面越光洁，摩擦就越小；叶型是否合理，决定了叶栅通道的流表面越光洁，摩擦就越小；叶型是否合理，决定了叶栅通道的流场和压力场分布，附面层增厚、附面层脱离均会导致摩擦损失增场和压力场分布，附面层增厚、附面层脱离均会导致摩擦损失增大、速度系数减小。大、速度系数减小。前者提高加工精度，后者研究空气

25、动力特性、开发先进叶型。蒸前者提高加工精度，后者研究空气动力特性、开发先进叶型。蒸汽的膨胀程度越大，有利于减薄附面层，提高速度系数。汽的膨胀程度越大，有利于减薄附面层，提高速度系数。在汽轮机中，在汽轮机中，喷嘴的速度系数喷嘴的速度系数在在0.920.920.980.98之间，一般取之间，一般取0.970.97；动叶的速度系数动叶的速度系数在在0.850.850.950.95之间，反动度大时可取上限。之间，反动度大时可取上限。速度系数与喷嘴或动叶效率速度系数与喷嘴或动叶效率由速度系数和喷嘴或动叶效率定义可知由速度系数和喷嘴或动叶效率定义可知b由热力学推导得知，由热力学推导得知，多变指数与速度系数

26、的关系为多变指数与速度系数的关系为ln100mm时，时，值基本上不再随值基本上不再随ln而变化；而变化；ln12-15mm时，时，值急剧下降；设计时选取值急剧下降；设计时选取ln15mm；nl喷嘴宽度喷嘴宽度Bn55mm喷嘴宽度喷嘴宽度Bn 80mm喷嘴宽度小时损失小，强度允许的条件下尽量选取宽度较喷嘴宽度小时损失小，强度允许的条件下尽量选取宽度较小的喷嘴小的喷嘴3. 3. 喷嘴流动中汽流的临界状态喷嘴流动中汽流的临界状态akpkRT汽流速度等于当地音速汽流速度等于当地音速 时的状态为时的状态为临界状态临界状态，临界状态下的所有参数称为临界状态下的所有参数称为临界参数临界参数。对渐缩喷嘴的任一

27、截面列能量方程：对渐缩喷嘴的任一截面列能量方程：001110021ccckckpp vkh212c00h0201112kkRTRTckk002001112kkp vp vckk2002001112kap vckk1pkhc TR Tkakp对临界截面：对临界截面：1ccac200210011112ccckp vckk0020012111ckkp vckkakp01102()1kkcppch2112cc00h2012cncch临界压力临界压力p1c与滞止压力与滞止压力p00之比，之比，叫叫临界压比临界压比ncnc ncnpp001Y临界状态N 亚临界状态1.1.临界速度临界速度001110021

28、ccckckpp vk喷嘴的临界速度仅与进口参数有关喷嘴的临界速度仅与进口参数有关与流动中有无损失和损失的大小无关与流动中有无损失和损失的大小无关11002()1kckncpp01102()1kkcpp2.2.临界压力临界压力3.3.临界压比临界压比临界压比决定于蒸汽临界压比决定于蒸汽绝热指数k 过过 热热 蒸蒸 汽汽 ：k=1.3， nc = 0.546 干饱和蒸汽：干饱和蒸汽：k=1.135， nc = 0.577喷嘴的等临界速度线喷嘴的等临界速度线4. 4. 喷嘴截面积的变化规律喷嘴截面积的变化规律当当Ma1，为超音速流动，为超音速流动， ，要使超音速汽流在汽道中膨胀、加，要使超音速汽流

29、在汽道中膨胀、加速、压力下降，汽道的截面积应逐渐增大，速、压力下降，汽道的截面积应逐渐增大，渐扩型喷嘴渐扩型喷嘴综合以上的两种情况：如果要使汽流不断膨胀加速，在亚音速流动时，喷综合以上的两种情况：如果要使汽流不断膨胀加速，在亚音速流动时，喷嘴截面必须逐渐收缩，而汽流速度达音速时，喷嘴截面必须逐渐增大，嘴截面必须逐渐收缩，而汽流速度达音速时，喷嘴截面必须逐渐增大， 缩缩放型喷嘴放型喷嘴根据空气动力学公式：根据空气动力学公式：cdcMAdAa12012aM如果想从亚音速汽流膨胀获得超音速汽流，必须满足：如果想从亚音速汽流膨胀获得超音速汽流，必须满足：热力学条件：热力学条件： (过热蒸汽过热蒸汽nc

30、 0.546，饱和蒸汽，饱和蒸汽nc 0.577)几何条件：几何条件：缩放喷嘴缩放喷嘴nnc012aM5. 5. 喷嘴的流通能力喷嘴的流通能力通过喷嘴或动叶通道的质量流量决定于流道的出口面积、出口流速和对于出通过喷嘴或动叶通道的质量流量决定于流道的出口面积、出口流速和对于出口点的蒸汽比容。口点的蒸汽比容。焓降流量焓降流量计算与计算与焓降流速焓降流速的方法相似，先计算通过流的方法相似，先计算通过流道的理想流量，然后由流量系数修正至实际流量。道的理想流量，然后由流量系数修正至实际流量。1.1.理想过程：理想过程：11ntnttA cG 对出口面积为对出口面积为 的喷嘴，其流过的理想质量流量为的喷嘴

31、，其流过的理想质量流量为nA102/0002()()1kkknnnpkAk1000021 ()1kknnkAp vk对上式取极值令对上式取极值令 得到：得到：/0ntnG通过最大流量时的压比通过最大流量时的压比121kknknc即为即为临界压比临界压比最大流量即为最大流量即为临界流量临界流量1100max002/1kkntnGAkpk000000000.6673/1.30.6356/1.135nnApvkApvk 过热蒸汽湿蒸汽渐缩喷嘴的流量与压比的关系曲线渐缩喷嘴的流量与压比的关系曲线当当 ，喷嘴前后压力相等，喷嘴前后压力相等， ；1n0ntG当当 继续减小，继续减小， 逐渐减小；逐渐减小；

32、nntG当当 ， 。0n0ntG压比压比 减小，减小， 增加；增加；nntG当当 ， 最大，为最大，为 ；ntGncnntcG11ntnttA cG102/0002()()1kkknnnpkAk但实验证明：对渐缩喷嘴，当但实验证明：对渐缩喷嘴，当 时时，流量始终保持临界流量不变。，流量始终保持临界流量不变。ncn实际曲线是实际曲线是ABCABC，而不是，而不是OBCOBC。原因：当原因：当 时，出口气流已达音速，此后继续降低背压时，出口气流已达音速，此后继续降低背压 ，由临界压，由临界压力力 到到 的膨胀是在喷嘴后实现的，不可能改变喷嘴出口截面的临界状态，的膨胀是在喷嘴后实现的，不可能改变喷嘴

33、出口截面的临界状态，所以流量仍然保持临界流量不变。所以流量仍然保持临界流量不变。n nc cn n1p pc cp p1p pnnntGG定义：定义：喷嘴流量系数喷嘴流量系数实际流量实际流量nnntGG由实际流量计算式可知由实际流量计算式可知11111111ntnttnntnnttA cA cGGG2.2.实际过程：实际过程：11tn即得流量系数与速度系数的关系即得流量系数与速度系数的关系影响流量系数的因素很多，如影响流量系数的因素很多，如流动损失、蒸汽过热度、湿度、流动损失、蒸汽过热度、湿度、进口压力、压比、反动度以及进口压力、压比、反动度以及速度系数等，可能速度系数等，可能1、偏转角偏转角

34、 通过通过AC截面流量：截面流量： 2.2.偏转角的近似计算（贝尔公式）偏转角的近似计算（贝尔公式） ccnnccncncvctlvcAG11111sin111111sinnnnnltcA cGvv 1111111sinsincvcvcckknknkkkk111111111112sinsinnk11nncGG通过通过AB截面流量：截面流量：由于：由于： nnll 3.3.膨胀极限及极限压力膨胀极限及极限压力 蒸汽在斜切部分的膨胀程度取决于背压。背压越蒸汽在斜切部分的膨胀程度取决于背压。背压越低参加膨胀的斜切部分就越大。低参加膨胀的斜切部分就越大。极限情况，最后极限情况，最后一条特性线与一条特性

35、线与AC重合，喷嘴斜切部分膨胀能力就重合，喷嘴斜切部分膨胀能力就用完了。用完了。即斜切部分达到极限膨胀，此时的喷嘴即斜切部分达到极限膨胀，此时的喷嘴后压力称为后压力称为极限膨胀压力极限膨胀压力( )( )。若喷嘴后压力继若喷嘴后压力继续降低，汽流将在斜切部分之外膨胀，是一种紊续降低，汽流将在斜切部分之外膨胀，是一种紊乱的膨胀，将导致流动损失。乱的膨胀，将导致流动损失。1p10pNONO！dp喷嘴前压力喷嘴前压力 不变，汽流偏转角不变，汽流偏转角 随背压随背压 下降而增大，下降而增大，是否会无限制的增大呢？是否会无限制的增大呢？3.3.膨胀极限及极限压力膨胀极限及极限压力 渐缩喷嘴实用压比一般0

36、.45以上渐缩喷嘴斜切部分的膨胀远小于极限膨胀，相应的偏转角只有 多数情况下，微小的汽流偏转角对级的整个工作影响不大，然而采用渐缩喷嘴代替缩放喷嘴，却提高了流动效率，并带来了设计和制造方面的便利，降低了成本0021在背压降至极限膨胀压力在背压降至极限膨胀压力时，出口汽流速度和出口时，出口汽流速度和出口汽流角不再增大。汽流角不再增大。当初参数一定时，逐渐降低当初参数一定时，逐渐降低背压，出口汽流速度和流量背压，出口汽流速度和流量增大；增大；在背压降至临界压力时，其在背压降至临界压力时，其后流量不再增大，但出口汽后流量不再增大，但出口汽流角偏转而增大；流角偏转而增大；蒸汽通过喷嘴流动分析小结蒸汽通

37、过喷嘴流动分析小结三、蒸汽在动叶通道中的通流能力hnhn0000 1p0t01tp1p00220chnhbhb0101 2p1t12tp2p10221whb喷嘴喷嘴动叶动叶出口理想速度：出口理想速度：020122nnthchc出口理想速度：出口理想速度：2002211222tbbmtwhwhhw 速度系数：速度系数： 11tcc速度系数：速度系数： 22tww出口实际速度：出口实际速度： 0112tncch出口实际速度：出口实际速度： 0222tbwwh能量损失：能量损失： 222011(1)22tnncchh能量损失：能量损失： 222022(1)22tbbwwhh动叶栅速度系数动叶栅速度系

38、数 与喷与喷嘴速度系数嘴速度系数 一样与许一样与许多因素有关。如：多因素有关。如： 叶型、叶型、叶高叶高 lb 、反动度、反动度 、表面光洁度，汽流相对表面光洁度，汽流相对速度速度 等。等。 mtw2速度系数速度系数 与反动度与反动度 和汽流相对速度和汽流相对速度 关关系曲线：系曲线：mtw2如叶高如叶高lb对损失的影对损失的影响，用叶高损失单独响，用叶高损失单独计算。计算。纯冲动级：纯冲动级： =0， ， ，速度三角形分析比较速度三角形分析比较（考虑动叶速度系数）（考虑动叶速度系数） 带反动度的冲动级：一般带反动度的冲动级：一般 较较 小小30100， 值可以比值可以比 大，也大，也可以小，

39、这主要取决于动叶中损失系数的大小和反动度的大小。可以小，这主要取决于动叶中损失系数的大小和反动度的大小。212w1w反动级：反动级： ，静叶和动叶的叶型式一样的。，静叶和动叶的叶型式一样的。 ，出口速度，出口速度三角形和进口速度三角形三角形和进口速度三角形z轴对称，轴对称， ， ， 。5 . 0m21wc 12wc 12ww m12wwt12ww 12wwc1w1c2w2uu1122c1uuw1w2c21122纯冲动级纯冲动级反动级反动级带反动度的冲动级带反动度的冲动级 若动叶根部不吸汽、不漏汽，且忽略动叶顶部漏汽，则若动叶根部不吸汽、不漏汽，且忽略动叶顶部漏汽，则动叶的通流能力与喷嘴的通流能

40、力相等动叶的通流能力与喷嘴的通流能力相等。引入动叶流量系数：引入动叶流量系数：2121btntbnAwAcGGvv2222bbtbbtv GG vAww22btbbtGvGv动叶出口面积：动叶出口面积：三三、级的轮周功率和轮周效率级的轮周功率和轮周效率本本 节节 要要 点点 轮周功率轮周功率 轮周效率轮周效率 轮周效率与速比的关系轮周效率与速比的关系必须清楚的小知识必须清楚的小知识 动叶栅发出的轮周功体现了全级的能量转换过程，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。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

41、高级乃至汽轮减小轮周损失，提高轮周效率，是提高级乃至汽轮机整体效益的基础。机整体效益的基础。F Fu uF Fz zF Fb b一、蒸汽作用在动叶栅的力和轮周功率1.1.蒸汽作用在动叶栅的力：蒸汽作用在动叶栅的力： 设设 时间内流过动叶的蒸汽量时间内流过动叶的蒸汽量为为 ，动量变化为：，动量变化为：绝对坐标系：切向绝对坐标系：切向 轴向轴向相对坐标系：切向相对坐标系：切向 轴向轴向2211(coscos)m cc2211(sinsin)m cc2211(coscos)m ww2211(sinsin)m wwmt作用在动叶上的汽流力作用在动叶上的汽流力产生旋转机械功的切向力产生旋转机械功的切向力

42、不产生机械功的轴向力不产生机械功的轴向力汽流对动叶的作用力汽流对动叶的作用力FuFu（轮周力、周向力）（轮周力、周向力）由动量定理求得由动量定理求得用速度三角形关系进行计算用速度三角形关系进行计算11221122(coscos)(coscos)ummFwwcctt圆周方向气流对圆周方向气流对动叶的作用力动叶的作用力F Fu u11221122(coscos)(coscos)uFG wwG cc轴向轴向12211221(sinsin)( sinsin)szmmFwwcctt12211221(sinsin)( sinsin)szFG wwG cc12()szzzFFApp作用在动叶上的轴向力应是汽

43、流轴向力和压差力的总和作用在动叶上的轴向力应是汽流轴向力和压差力的总和设动叶压差作用有效面积为设动叶压差作用有效面积为AzAz，则总的轴向力，则总的轴向力轴向力使汽轮机转子轴向产生移动，故采用轴向推力轴承对转子轴向力使汽轮机转子轴向产生移动，故采用轴向推力轴承对转子作轴向定位。为减少推力轴承载荷，采用合理的汽缸布置或设置作轴向定位。为减少推力轴承载荷，采用合理的汽缸布置或设置轴向力平衡装置。轴向力平衡装置。说明：圆周向力说明：圆周向力Fu与汽轮机旋转方向一致，推动叶片作功，与汽轮机旋转方向一致，推动叶片作功， 轴向力轴向力Fz不作功，产生轴向推力。不作功，产生轴向推力。2.2.轮周功率轮周功率

44、P Pu u： 1122112220(coscos)(coscos)/uuutnbcPWu wwu ccGhhhhhkJ kg 11221122(coscos)(coscos)uPGu wwGu cckWkWkJ/kgkJ/kg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. . 1kg1kg蒸汽产生的轮周功蒸汽产生的轮周功WuWu等于级的轮周有效比焓降等于级的轮周有效比焓降hu.hu. 2222122112uWccww2112c2122c221212()wwuuWh 利用速度三角形的关系利用速度三角形的关系 ，得，得轮周功的意义轮周功

45、的意义：由喷嘴带进动叶的蒸汽动由喷嘴带进动叶的蒸汽动能能 与动叶内热能转换的动能与动叶内热能转换的动能 之和，减去蒸汽离开动叶所带走的动能之和，减去蒸汽离开动叶所带走的动能 。对于冲动级，由于动叶转折较大，所以对于冲动级，由于动叶转折较大，所以1 1和和2 2较小，做功能力较大；而对较小，做功能力较大；而对于反动级，由于动叶转折较冲动级小，所以于反动级，由于动叶转折较冲动级小，所以1 1和和2 2较大，做功能力较小较大，做功能力较小1122121cos2ucucw2222222cos2ucucw221c22122ww222c二、轮周效率u定义定义：1kg蒸汽所作出的轮周功蒸汽所作出的轮周功Wu

46、与蒸汽在该级所消耗的理想与蒸汽在该级所消耗的理想能量能量E0之比称为级的轮周效率。之比称为级的轮周效率。2000utnbcuWhhhhEEE0的计算的计算222002001122ttcccEhhh 式中：式中： 余速利用系数余速利用系数 0 表示本级利用上一级余速动能的份额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表示本级余速动能被下一级利用的份额本级喷嘴进口的初动能本级喷嘴进口的初动能hc0= 0(hc2)abv, (hc2)abv上一级的余速动能上一级的余速动能;同理本级余速损失中同理本级余速损失中1 1hchc2 2部分是下一级喷嘴的进口初速动能，这部分能量

47、部分是下一级喷嘴的进口初速动能，这部分能量将算到下一级，将算到下一级，因此，如果不扣去因此，如果不扣去1 1hchc2 2，那么，那么1 1hchc2 2将既算在本级理想能量将既算在本级理想能量E E0 0内，又算在下级内，又算在下级的的E E0 0内，这就重复了。内，这就重复了。一般地，调节级和排汽级的一般地，调节级和排汽级的为为0,0,抽汽级为抽汽级为0.00.00.50.5，中间级为中间级为1.01.0余速利用系数余速利用系数的大小将影响到下一级的滞止状态点。的大小将影响到下一级的滞止状态点。轮周效率轮周效率u u计算公式的不同形式计算公式的不同形式 定义式定义式0uuwE 速度式：速度

48、式：1122221 22 (coscos)uau cccc02atch式中：式中：c ca a为级的假想理想速度，即假定级的滞止理想焓降全部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。在喷嘴中等比熵膨胀所获得的理想速度。 能量平衡方式能量平衡方式200tnbcuhhhhE 能损分析式：用来分析各种轮周损失所占比例较为方便能损分析式：用来分析各种轮周损失所占比例较为方便22201101(1)cnbcunbcEhhhhE 式中：式中：n n 喷嘴损失系数，喷嘴损失系数， n n =h=hn n /E/E0 0 b b 动叶损失系数，动叶损失系数， b b =h

49、=hb b /E/E0 0 c2c2余速损失系数，余速损失系数， c2c2=h=hc2c2/E/E0 0结结 论论以速度形式表示的以速度形式表示的u u计算公式，一般用来分析级的轮周效率与计算公式，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速比之间的关系；而以损失系数表示的u u计算公式，用来分析各计算公式，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，可用种轮周损失所占比例时较为方便；在进行级的热力计算时，可用来互相校核。来互相校核。轮周效率取决于三项损失系数轮周效率取决于三项损失系数n、b和和c2， 在喷嘴和动叶叶型在喷嘴和动叶叶型选定后，选定后，和和就基

50、本上确定了，影响轮周效率就基本上确定了，影响轮周效率u的主要因素是余的主要因素是余速损失系数速损失系数c2，因此，应减少动叶出口的绝对速度，因此，应减少动叶出口的绝对速度c2，同时提高余，同时提高余速利用系数。速利用系数。三、轮周效率与速比的关系级的速比级的速比假想速比假想速比-即轮周速度与级假想速度之比即轮周速度与级假想速度之比, ,级假想速度级假想速度-假想假想 在喷嘴中等熵膨胀时得到的出口速度在喷嘴中等熵膨胀时得到的出口速度最佳速比最佳速比-对应最高轮周效率的速比对应最高轮周效率的速比. .11uxcaauxc0th202atch 02atch即即以假想动能的形式表示整级滞以假想动能的形

51、式表示整级滞止理想比焓降止理想比焓降最佳假想速比最佳假想速比-对应最高轮周效率的假想速比对应最高轮周效率的假想速比. .1opx0apx速比是汽轮机的重要指标，直接影响汽轮机组的轮周效速比是汽轮机的重要指标，直接影响汽轮机组的轮周效率和作功能力。率和作功能力。纯冲动级最佳速比纯冲动级最佳速比11cos21)(opx11cux 纯冲动级中，动叶叶型决定纯冲动级中，动叶叶型决定2112w ww wt t又由于又由于0得到得到12w ww w只有轮周速度只有轮周速度u u使使 时，时， 最小。此时，最小。此时，9022c cu uc c2cos11轴向排汽，效率最高轴向排汽，效率最高汽轮机中，一般汽

52、轮机中，一般16-12149.046.0)(1o op px x纯冲动级纯冲动级反动级中，反动级中， ，喷嘴动叶焓降相等，喷嘴动叶焓降相等，典型反动级最佳速比典型反动级最佳速比5 . 011cos)(opxbtnthh1211cux 喷嘴动叶几何相似，喷嘴动叶几何相似，21t tt tw wc c2121w wc c12w wc c速度三角形相似，当速度三角形相似，当 时时 最小，余速损失最小最小，余速损失最小902u uc c11cos2c c轴向排汽，效率最高轴向排汽，效率最高1cu1w11u2c2w22为便于分析，假定复速级各列动叶和导向叶片进出汽角相等，为便于分析，假定复速级各列动叶和

53、导向叶片进出汽角相等，速度系数速度系数典型复速级最佳速比典型复速级最佳速比11cos41)(opopx x2111cux 1g gb bu uc c4cos11轴向排汽，效率最高轴向排汽，效率最高122121w ww w21w ww w12c cc c四四、叶栅的汽动特性叶栅的汽动特性一、叶型损失1.边界层（附面层）摩擦损失边界层（附面层）摩擦损失 边界层摩擦损失的大小边界层摩擦损失的大小 i）叶型）叶型 ii）表面光洁度）表面光洁度 iii）叶型表面压力分布）叶型表面压力分布边界层叶型损失是指平面气流绕流叶栅时产生的能量损失，属于喷嘴叶型损失是指平面气流绕流叶栅时产生的能量损失，属于喷嘴和动

54、叶的流动损失（也包括端部损失，但为了工程上的便利，和动叶的流动损失（也包括端部损失，但为了工程上的便利，端部损失另外以叶高损失的形式来进行分析）。端部损失另外以叶高损失的形式来进行分析）。冲动式叶栅摩擦损失大于反动式冲动式叶栅摩擦损失大于反动式冲动级中采用一定的反动度，可冲动级中采用一定的反动度，可以增加汽流速度，减小摩擦损失以增加汽流速度，减小摩擦损失某段压力降落快，汽流加速度快，某段压力降落快，汽流加速度快，附面层薄摩擦损失小；反之亦然附面层薄摩擦损失小；反之亦然叶型损失的机理叶型损失的机理2.边界层脱离引起的涡流损失边界层脱离引起的涡流损失 边界层加厚到一定程度，产生局部倒流边界层加厚到

55、一定程度，产生局部倒流，即涡流现象，使摩擦损失急剧增大，即涡流现象，使摩擦损失急剧增大边界层脱离点边界层脱离点3.尾迹损失尾迹损失 无边界层脱离无边界层脱离边界层脱离边界层脱离出口边厚度出口边厚度，尾迹损失和尾迹损失和/a 成正比成正比（ a 汽道喉部截面宽度）汽道喉部截面宽度） 4.冲波损失冲波损失某些地方超音速流动某些地方超音速流动冲波冲波扩压段扩压段叶型边界层增厚叶型边界层增厚冲波损失最终表现为叶型损失冲波损失最终表现为叶型损失当 增大时，C11 C1，u不变， 0，为正冲角。 汽流冲击在动叶内弧段。1.进汽角的影响：进汽角的影响：定义：冲角定义：冲角 (叶型进汽角汽流进汽角叶型进汽角汽

56、流进汽角)设计工况时，汽流进汽角与动叶进汽角一致，设计工况时，汽流进汽角与动叶进汽角一致，变工况时，级的焓降变化，汽流偏离设计方向，产生冲角。变工况时，级的焓降变化，汽流偏离设计方向，产生冲角。当 减小时，C11 C1， u不变， 0，为负冲角。 汽流冲击在动叶背弧段。111. 0nh111nh111叶型损失的影响因素叶型损失的影响因素试验表明：试验表明：变工况时产生的撞击损失与：变工况时产生的撞击损失与：冲角绝对值大小有关。冲角绝对值大小有关。 ， 与冲角正、负有关。与冲角正、负有关。 正冲角的撞击损失大于负冲角的撞击损失。正冲角的撞击损失大于负冲角的撞击损失。与反动度有关。与反动度有关。

57、反动式叶型受汽流进口角度影响较小；反动式叶型受汽流进口角度影响较小； 冲动式叶型受汽流进口角度影响较大。冲动式叶型受汽流进口角度影响较大。近似计算公式为：近似计算公式为： 目前使用的叶型均有反动度，进汽边为半径较大的圆弧形。这样对汽流目前使用的叶型均有反动度，进汽边为半径较大的圆弧形。这样对汽流的冲角的敏感性减弱，扩大最佳进汽角范围，在实用的变工况范围内，的冲角的敏感性减弱，扩大最佳进汽角范围，在实用的变工况范围内，冲角不大，可以不考虑撞击损失。冲角不大，可以不考虑撞击损失。1h11hh2sin2111wh2.相对节距影响：相对节距影响： 边界层占整个汽道的比重大，叶栅损失大；边界层占整个汽道

58、的比重大，叶栅损失大；单位流量单位流量摩擦增厚，出口边相对厚度摩擦增厚，出口边相对厚度 增大，尾迹损失增大增大，尾迹损失增大 边界层占整个汽道的比重小，但腹面对汽流约束减弱边界层占整个汽道的比重小，但腹面对汽流约束减弱,扩压范围和扩压程度增加，边界层易脱离，叶栅损失扩压范围和扩压程度增加，边界层易脱离，叶栅损失增大。增大。 tt optta存在最佳节距存在最佳节距 使叶型损失最小使叶型损失最小 二、端部损失（叶高损失）端部损失的机理端部损失的机理一般认为一般认为 15mm；否则，端部损失占整个叶型损失的比重就大，；否则，端部损失占整个叶型损失的比重就大，速度系数速度系数 就低。就低。 nl端部

59、损失是指气流流过叶顶及叶根边界区域时产生的能量端部损失是指气流流过叶顶及叶根边界区域时产生的能量损失。损失。端部附面层中的摩擦损失端部附面层中的摩擦损失补偿流动损失：二次流补偿流动损失：二次流对涡损失：比例最大对涡损失：比例最大端部损失的影响因素端部损失的影响因素 叶型、相对节距、安装角、进气角等叶型、相对节距、安装角、进气角等 相对高度相对高度 主要因素主要因素bll/强度许可条件下，尽量采用窄叶片，以利于增大相对高度。强度许可条件下，尽量采用窄叶片，以利于增大相对高度。相对高度相对高度=相对极限高度，上下端涡旋刚好汇合相对极限高度，上下端涡旋刚好汇合相对高度相对高度0.30.40.30.4

60、的条件下工作时，压力分布曲线、的条件下工作时，压力分布曲线、损失系数和汽流出口角都将随损失系数和汽流出口角都将随MaMa的改变而变化。这就是汽体的的改变而变化。这就是汽体的可压缩性对叶栅特性的影响。可压缩性对叶栅特性的影响。存在叶型损失系数最小的存在叶型损失系数最小的最佳马赫数。最佳马赫数。当当Ma (Ma)op时，时，背弧产生局部超音速气流背弧产生局部超音速气流 冲波损失冲波损失叶型损失叶型损失五五、级内损失和级的相对内效率级内损失和级的相对内效率一、级内损失轮周轮周损失损失相相对对内内效效率率hu轮轮周周效效率率hi级内损失的类型级内损失的类型1.喷嘴损失喷嘴损失hn2.动叶损失动叶损失h