第一章 汽轮机级的工作原理-第五节 级内损失和级的相对内效率

1、第五节 级内损失和级的相对内效率 一、级内损失 除前面讨论的级内轮周损失即喷嘴损失、动叶损失和余速损失之外，级内还有叶高损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏汽损失和湿汽损失。 必须指出，并非各级都同时存在以上各项损失，如全周进汽的级中就没有部分进汽损失；采用转鼓的反动式汽轮机就不考虑叶轮摩擦损失；在过热蒸汽区域工作的级就没有湿汽损失；采用扭叶片的级就不存在扇形损失。 本节所讨论的各项级内损失，目前尚难以完全用分析法计算，多数是采用在静态和动态试验的基础上建立的经验公式计算。随试验条件的不同，计算损失的公式也不同。下面主要介绍国内计算级内损失的常用公式。 1叶高损失 叶高损失又称为端部

2、损失，其产生的物理原因及影响因素在上节已经分析过。它实质上是属于喷嘴和动叶的流动损失。工程上为了方便把它单独分出来计算。叶高损失主要决定于叶高。当叶片高度很高时，可以忽略不计。叶高必须大于相对极限高度，否则将急剧增加。叶高损失常用下列半经验公式计算： = （1.5.1）式中 试验系数，单列级=1.2（未包括扇形损失）或=1.6（包括扇形损失），双列级=2； 不包括叶高损失的轮周有效比焓降，即=，； 叶栅高度，单列级为喷嘴高度，双列级为各列叶栅的平均高度，。叶高损失也可以用以下半经验公式计算： = （1.5.2）即 = （1.5.3）式中 试验系数，单列级=9.9，双列级=27.6； 喷嘴高度，

3、。2扇形损失汽轮机级中实际应用的是环列叶栅，如图151(a)所示。它与图151(b)的平面直叶栅相比，有两个特点： 一是叶栅的相对节距 =不是常数而是从内径向外径成正比例增加的这样除了平均直径截面处的相对节距为最佳值外，其它各圆周截面的相对节距必然偏离最佳值。因此这些截面的叶型损失系数都大于最小值，这就带来了一项额外的流动损失；二是空气动力学上的特点，叶栅出口汽流在轴向间隙中存在着压力梯度，即由内径向外径静压力逐渐增加，所以会产生径向流动损失。所有这些就构成了扇形损失。计算扇形损失的半经验公式为 = (154) 即 = (155) 从式(154)可见，扇形损失与径高比有关。短小，越大，如l0时

4、，=0007，3时，0078，两者相差约11倍。一般当812时，采用等截面直叶片，虽然存在着扇形损失，但加工方便；当812时，为适应汽流参数沿叶高的变化，采用扭叶片，虽然加工复杂，但避免了扇形损失；当很大时，由式(154)可见，很小，故可忽确不计。 3叶轮摩擦损失 叶轮摩擦损失，简称摩擦损失，是由两部分组成的： (1)叶轮两侧及围带表而的粗糙度引起的摩擦损失 当叶轮在充满蒸汽的汽室内转动时由于蒸汽的粘性和旋转表面的粗糙度，粘附在叶轮两侧及外缘表面的蒸汽微团被叶轮带着转动，其圆周速度与叶轮表而相应点的圆周速度大致相等，紧贴在汽缸壁或隔板表面的蒸汽微团的圆周速度为零(见图152)。由叶轮表面至汽缸

5、壁的间距上蒸汽微团的圆周速度是不同的，即存在着速度梯度、因此造成了蒸汽微团之间和蒸汽与壁面之间的摩擦。为了克服摩擦和带动蒸汽质点运动必然要消耗一部分轮周功。 (2)子午面内的涡流运动引起的损失 紧靠叶轮表面的蒸汽微团随叶轮一起转动，受到离心力的作用，产生向外的径向流动。而靠近汽缸壁或隔板表面的蒸汽微团由于速度小，受到的离心力也小，自然地向中心移动以填补叶轮处径向外流的蒸汽，于是叶轮两侧的子午面内便形成了蒸汽的涡流运动(图152)。涡流本身要消耗一部分轮周功，而且还使摩擦阻力增加。叶轮摩擦损失通常由实验确定，一般也可采用斯托多拉经验公式计算： = （1.5.6）式中 叶轮摩擦损失所消耗的功率，k

6、w； 经验系数，一般取1013； 级的平均直径， m; 汽室中蒸汽的平均比容，。如果用比焓差表示叶轮摩擦损失，则 = （1.5.7）叶轮摩擦损失也可以用损失系数来表示，即 = （1.5.8）式中 为级的理想功率，它可以近似地表示为 = （1.5.9）则 = （1.5.10）式中，e为部分进汽度、为试验系数，在光叶轮外缘雷诺数时，取=。 从式(156)和式(157)容易看出，叶轮摩擦损失与级的容积流量成反比。汽轮机的高压段较小，f较大。大型机组低压级的很大，很小，甚至可以忽略不计。另外从式(1510)可知，与速比的三次方成正比，表明当增加时，急剧增大。 4部分进汽损失小汽轮机高压级容积流量较小，

7、为了保证喷嘴高度不小于极限相对高度(如窄叶片高度为12一15m m)，喷嘴叶栅就不能像动叶栅那样整圈布置，而只是占据部分圆周，这种布置称为部分进汽。此外，调节级由于配汽方式的需要通常采用部分进汽。常用装有喷嘴的弧段长度（为喷嘴片数）与整个圆周长度的比值来表示部分进汽的程度，称为部分进汽度，即 = （1.5.11） 由于部分进汽而带来的能量损失称为部分进汽损失，它是由鼓风损失和斥汽损失组成的：1) 鼓风损失发生在不装喷嘴的弧段内。当部分进汽时，动叶通道不是连续地通过工作蒸汽。当旋转着的动叶通过无喷嘴的“死区”弧段时，动叶片就像鼓风机一样，将“死区”中基本处于静止状态的蒸汽由一侧鼓到另一侧，因此要

8、消耗一部分轮周功；同时动叶两侧与充满在轴向间隙中的不工作蒸汽产生摩擦，从而带来了摩擦损失，在数值上比前者还大。可见，部分进汽度越小，鼓风损失越大。为了减少鼓风损失，除合理选择部分进汽度外，还经常采用护罩，把“死区”内的动叶罩住，如图153所示，这样可减少鼓动蒸汽量，使鼓风损失减小。鼓风损失可用下列经验公式计算：= （1.5.12） 式中 装有护罩的弧段长度与整个圆周长度之比； 与级的类型有关的系数，对单列级0102，一般取015，对复速级0407，般取055。 2斥汽损失与鼓风损失相反，它发生在装有喷嘴的工作弧段内。当动叶栅经过无喷嘴的弧段时，对应的汽道b(图154)内被汽室a中的呆滞蒸汽所充

9、满。当动叶进入工作弧段时，除嘴中射出的高速汽流首先必须把汽道中的呆滞蒸汽推出去，并使之加速，从而消耗了工作蒸汽的一部分动能。此外由于叶轮高速旋转的作用，在喷嘴组出口端A处，喷嘴叶栅与动叶叶栅之间的间隙中将产生漏汽，引起损失；而在喷嘴组的进入端B处却相反，将产生抽汽，将一部分呆滞蒸汽吸入动叶汽道。干扰了主汽流，也会引起损失。这些损失构成了斥汽损失，又因为它是喷嘴弧段两端处的损失，故又称为弧端损失。 由于动叶每经过一组喷嘴弧段时就要发生次斥汽损失，所以在相同部分进汽度下。喷嘴沿圆周分布的组数越多，斥汽损失就越大。为了减少斥汽损失，应尽量减少喷嘴组数。斥汽损失的大小可用下列经验公式计算： = （1.

10、5.13）式中 喷嘴组数，若两组喷嘴间只相隔一个喷嘴节距，则可作为一组； 喷嘴的平均直径，m; 与级的类型有关的系数，单列级的=00100l5，一般取00l 2， 复速级的=00l 20018，般取00l 6。 5漏汽损失 由于冲动级和反动级的结构不同，级内漏汽量的大小和漏汽对级效率的影响也不同，故有必要分开讨论两种级的漏汽问题。 对于冲动级，隔板前后存在着较大的压差，而隔板和转轴之间又存在着间隙，因此必定有一部分蒸汽，从隔板前通过间隙漏到隔板与本级叶轮之间的汽室内(图l55，a)。由于这部分蒸汽不通过喷嘴，所以不参加作功，因而形成了隔板漏汽损失。此外，漏进这一汽室内的蒸汽还有可能通过喷嘴和动

11、叶根部之间的间隙流入动叶。由于这些漏汽不是以正确方向进入动叶的，因此不但不作功，反而扰乱了动叶中的主汽流，造成损失。为了避免隔板漏汽混入动叶中干扰主汽流，一方面在叶轮上开设平衡孔，使隔板漏汽经过平衡孔流到级后，另一方面在动叶根部设置汽封片加以阻挡，并在设计时选取合理的反动度，尽量使动叶根部不出现吸汽或漏汽现象。 在动叶顶部，为了避免转子和汽缸之间的相对膨胀及转子发生振动时产生碰撞，在动叶顶部与隔板和持环之间应有一定的轴向间隙和径向间隙 (图156)。即使是冲动级，动叶顶部也有较大的反动度，即叶顶前后有较大的压差，这样势必造成从喷嘴出来的一部分蒸汽不通过动叶汽道，而由动叶顶部间隙漏到级后(图15

12、5，a)。由于这部分蒸汽未参加作功，因而构成了叶顶漏汽损失。由于漏汽量正比于间隙面积和间隙两侧的压差，故减少漏汽损失应从减小间隙面积和两侧压差这两方而着手。实践证明，采用高低齿汽封，可同时满足这两个要求。因为高低齿汽封的间隙可以做得很小，而且汽流每通过一个齿就发生一次节流作用，使压力降低一次，故每个齿只承担整个压差的一小部分，如图155(b)所示。 由于每个汽封齿中蒸汽的流动情况都大致与蒸汽在渐缩喷嘴中的流动相似，所以漏汽量可以参照喷嘴流量公式计算。 （1)隔板漏汽损失 根据上述，隔板漏汽量，为 （1.5.16）式中 汽封齿数，若为平齿，则应修正(方法见第二章)汽封流量系数，一般取0708(见

13、第二章)汽封间隙面积，=，其中为汽封间隙，为汽封齿的平均直径，。所以，1kg蒸汽引起的隔板漏汽损失为 = （1.5.17） 或 = （1.5.17a）式中 不含漏汽损失时级的有效比焓降，。(2)动叶顶部的漏汽损失 叶项漏汽量为 = （1.5.18）或 = （1.5.19）式中 动叶顶部间隙的流量系数。一般取=06(为喷嘴流量系数)； 动叶顶部的反动度； 动叶顶部的当量间隙，对于围带上同时装有轴向汽封和径向汽封的结构(如图156所示)， 其中为开式轴向间隙，为径向间隙，为叶顶径向汽封齿数。这样，动叶顶部的漏汽损失为 = （1.5.20） 动叶顶部的漏汽损失，也可以用下列经验公式计算： = （1.

14、5.21）式中 叶顶轴向间隙与动叶高度之比，即=/； 与和/有关的经验系数，从图1.5.7上查得； 与和围带边厚度有关的经验系数，可从图1.5.8上查得； 与和速比/有关的经验系数，可从图1.5.9上查得； 喷嘴出口汽流角。 级的总漏气损失为 =+ 对于反动级来说，根据它的基本结构(图1510)和工作原理不难分析，其漏汽损失比冲动级大，这是因为：1) 内径汽封的漏汽量比冲动级的隔扳漏汽量大，这主要是因为内径汽封直径比隔板汽封直径大，而汽封齿数又比较少。2) 动叶前后的压差较大，所以叶顶漏汽量相当可观。反动级叶顶漏汽损失常用下列经验公式计算： = （1.5.22） 为了减少漏汽损失，应尽量减小径

15、向间隙和，但汽轮机在启动等情况下，静止部分和转动部分受热不均，温差较大，为避免两者摩擦，和又不能过小。因此采用径向和轴向汽封结构，以减少漏汽。对于较长的扭叶片级，在无围带的情况下，往往将动叶顶部削薄，缩短动叶与汽缸(或隔板套)的间隙，从而达到封汽的作用。此外，还应尽量设法减小叶顶反动度，使动叶项部前后压差不致过大。 6湿汽损失饱和蒸汽汽轮机的各级和普通凝汽式汽轮机的最后几级都工作于湿蒸汽区。由于有水分存在、干蒸汽的工作也将受到一定的影响，这种影响主要表现为一种能量损失，这就是所谓的湿汽损失。产生湿汽损失的原因，有以下几个方面：1）前面曾经讨论过湿蒸汽的过饱和现象对喷嘴通流能力的影响。这种过饱和

16、现象对级的能量转换所产生的影响表现为理想比焓降的减少，如图l.5.ll所示。由于过饱和现象的存在，蒸汽进入湿蒸汽区暂时仍按过热蒸汽的规律膨胀，即定熵指数仍等于1.3，而不等于1135，用计算可知，13的等压线如图中的虚线所示，而=1135的等压线如实线所示，显然，线段就代表着过饱和损失，即。过饱和损失在p-v图上也能清晰地表示出来，如图1512中的阴影面积所示。 2)一般来说，湿蒸汽在膨胀过程中析出的水殊，尤其是聚集在喷嘴出汽边的水膜经汽流粉碎后所形成的较大颗粒的水珠，其速度总比蒸汽的速度低得多。这样，在汽水两相流动中，低速的水珠被高速的蒸汽挟带着流动，从而消耗了汽流的部分动能，称之为挟带损失

17、。3)在汽流的挟带下，水珠的速度虽有提高，但仍小于汽相的速度。水珠出喷嘴的速度只有蒸汽速度的1013左右，而圆周速度u一样，使水珠进动叶的方向角远大于 (图1513)，偏离动叶入口方向的水珠撞击在动叶进口处的背孤上，产生了阻止叶轮旋转的制动作用，克服它就要消耗一部分有用功，称之为制动损失。 4)从动叶出来的水珠的相对速度要比蒸汽速度低得多，而圆周速度u是一样的，使远大于 (图1513)，当蒸汽按正确方向进入下一级喷嘴时，水珠将撞击在喷嘴进口处的壁面上，从而扰乱了主汽流，造成损失，称之为扰流损失。 5)目前在湿蒸汽级中采用的各种捕水装置，当从级内排除部分液相的同时，都不可避免地伴随着一部分蒸汽同

18、时被抽出汽轮机，造成工质损失。 以上这几部分损失总称为湿汽损失。湿汽损失通常用下列经验公式计算： (1) (1523)式中 未计湿汽损失时级的有效比焓降； 级内蒸汽的平均干度，=1/2（） 算出后，可得级的实际排汽状态点2，如图1514所示，湿汽损失也标在图中。 由式(1523)知，湿汽损失与蒸汽的平均湿度(1)成正比。湿度越大，损失也越大，级的效率也就越低。 由图1513中的可见，湿蒸汽中的水珠打在动叶进口边顶部的背弧上，将使该处受到冲蚀，叶片表面将被冲蚀成许多密集的细毛孔，严重者造成叶片缺损，对汽轮机的安全运行有很大的威胁。随着单机功率不断增大，末级叶高和叶顶圆周速度也不断增大，冲蚀程度就

19、更严重，所以对现代轻汽式汽轮机末级最大可见湿度(在h-s图上查得的湿度)限制在1214以内。为了提高湿蒸汽级的效率和防止动叶被冲蚀损坏，一方面可采取有效的去湿方法，另一方面应提高叶片本身的抗冲蚀能力。 常用的去湿方法有： 1)由捕水口、捕水室和疏水通道组成的级内捕水装置如图1515所示。它有喷嘴后和动叶后两种形式，水珠受离心力的作用被抛向外缘后，经过捕水口槽道l进入环形捕水室2，然后通过疏水通道3流入压力更低的低压加热器或凝汽器。这种捕水装置应用很广泛，捕水效率可达湿蒸汽中所含水分的2030。 2)只有吸水缝的空心喷嘴如图1516所示。这种去湿装置是将空心喷嘴经环形通道与压力比它低的低压加热器

20、或凝汽器连通而形成负压，这样，通过喷嘴上开的吸水缝就可将喷嘴表面上的凝结水膜吸走。吸水缝有的靠近进汽侧，有的靠近出汽侧内弧或背弧)。也有把吸水缝开在出汽边上的，见图1516。试验表明，吸水缝布置在喷嘴的顶部附近去湿效果最好，因为在这里集中了水分的主要部分。这种结构的去湿效果比较好，因此被许多制造厂采用。它的缺点是，要有相当一部分蒸汽被同时抽出，这不仅使作功的工质减少，而且要求环形通道的截而必须设计得很大，给制造带来了一定的困难。 3)采用出汽边喷射蒸汽的空心喷嘴如图1517所示。空心喷嘴的内部空间与出汽边的缝隙相通，缝隙最好设计成喷嘴状。从压力较高一级来的蒸汽经汽缸上的环形室引入空心喷嘴后由出

21、汽边的缝隙中喷射出去，使喷嘴的尾迹区消失，阻止该处大粒水珠的形成；同时使层迹区汽流速度均衡，这对提高级效率和改善动叶的应力状况都是有利的。这种方法的另一个优点是，由压力较高点送来的蒸汽，其能量并未损失，而是参加了本级的膨胀作功。图1518给出了大功率凝汽式汽轮机湿蒸汽级中水珠的运动规迹及级内各种去湿装置的示意图。 在提高动叶本身冲蚀能力方面，通常采取的措施有；采用耐侵蚀性能强的叶片材料（如钛合金)；在叶片进汽边背弧上镶焊硬质合金，目前常用的办法是将司太立合金作成薄片焊在动叶顶部进汽边的背弧上(图1519)，对叶片表面镀铬、局部高频淬硬、电火花强化、氮化等，这些都可增加动叶表面硬度，延长动叶使用

22、寿命。 二、级的相对内效率和内功率 由以上分析可知，因级内存在各种损失，级的理想能量不能全部转变成轴上的有效功。考虑了各种损失后，级的实际热力过程线如图1520所示，图中表示级内轮周损失以外的其他各项损失之和。对实际上未发生的某项损失或可忽略的项目，应予扣除。 图中画出了上级余速被本级利用，本级余速不被下级利用，被下级部分利用或被下级全部利用三种情况。 点是本级喷嘴入口的滞止状态点，点0是本级喷嘴入口实际状态点，本级动叶进口的滞止状态点是点，动叶实际进口状态点是点l。在动叶出口的状态点2处沿背压向上截取和后，则得本级余速不被下级利用(0)时的级后实际状态点3，这时点3即为下级喷嘴进口的实际状态

23、点。当本级余速被下级全部利用(1)时，下级项嘴入口的滞止状态点为点，下级喷嘴入口的实际状态点为点3，这时点3是本级的级后状态点。当本级余速被下级部分利用(01)时，下级喷嘴入口的滞止状态点位于等比焓线3上，如点就是其中之一例，这一例中的下级喷嘴入口的实际状态点为点， 这时点是本级的级后状态点。由图还可看出，本级余速是否放下级利用，对本级的有效焓降的值没有影响。 图中级的有效比焓降表示lkg蒸汽所具有的理想能量中最后转变为轴上有效功的那部分能量。级的有效比焓降与理想能量之比称为级的相对内效率，简称级效率，其表达式为 = (1524) 级的相对内效率表示级的能量转换的完善程度，是用来衡量级经济性的一个重要指标。它的大小不仅与级的类型，选用的叶型、反动度、速比和叶高有关，而且还