级工作原理(2).ppt

1、1,第四讲 级内损失与级相对内效率,1.4.1 级内损失概述,理想级 无端部边界效应 没有泄漏损失 没有附加功耗 平面叶栅,理想级损失 叶型损失 余速损失,2,第四讲 级内损失与级相对内效率,实际级,端部边界,环形叶栅,低压蒸汽夹水,多处泄漏,汽流角不一致,叶轮摩擦耗功,喷嘴部分进汽,级内损失 叶高损失 扇形损失 泄漏损失 叶轮摩擦损失 湿汽损失 部分进汽损失 撞击损失,3,第四讲 级内损失与级相对内效率,级内损失机理,撞击损失进口汽流角偏离几何进口角,湿汽损失湿蒸汽区水滴产生的损失,漏汽损失静叶(或隔板）、动叶端部间隙蒸汽泄漏,部分进汽损失喷嘴不均匀进汽产生损失,扇形损失叶根、叶顶不同径,叶

2、高损失叶根、叶顶端部边界,叶轮摩擦损失叶轮高速旋转摩擦耗功,4,第四讲 级内损失与级相对内效率,1.4.2 平面叶栅损失,损失机理 附面层摩擦损失 附面层脱离涡流损失 尾迹损失 冲波损失,受制因素叶片表面粗糙度、总面积、叶型、速度分布和动、静叶的匹配性,5,第四讲 级内损失与级相对内效率,1.4.3 级内损失 叶高及二次流损失端面摩擦损失和二次流损失 叶高损失端部边界层摩擦损失 二次流损失二次流旋涡损失,二次流 蒸汽弯曲流动产生离心力，形成内弧指向背弧压力场，内弧压力高于两端部，在此压差驱动下形成内弧中部向两端部流动。,小容量机组若采用超临界参数蒸汽，因叶片高度过小、叶高损失过大、汽轮机效率低

3、，机组效率反而不及低参数机组。,6,1.4 级内损失与级相对内效率,第四讲 级内损失与级相对内效率,7,第四讲 级内损失与级相对内效率,二次流是与叶型损失同一量级的重大损失，是进一步提高效率的主要障碍。增大叶高、后加载、小直径、多级数、高反动度，以及基于F3D计算流体力学的马刀形弯扭叶片成为当今汽轮机设计的主流技术。,8,第四讲 级内损失与级相对内效率,汽轮机叶型设计的进化,等截面直叶片 变截面扭叶片 变截面弯扭叶片(马刀形叶片）,9,第四讲 级内损失与级相对内效率,10,第四讲 级内损失与级相对内效率,扇形损失沿叶高轮周速度不一致产生偏离最佳速比 影响因素及大小径高比，很小 叶轮摩擦损失叶轮

4、高速旋转带动蒸汽流动，在其两侧腔室形成涡流产生损失 影响因素及大小叶轮面积和转速的三次方，很小 漏汽损失动、静间隙的前、后压差造成蒸汽泄漏 泄漏点隔板与转子、静叶与动叶根部、动叶顶部 损失及大小作功介质减少和扰乱流场，约占总损失30%,11,第四讲 级内损失与级相对内效率,12,第四讲 级内损失与级相对内效率,13,第四讲 级内损失与级相对内效率,措施减小间隙，研发新型汽封，如可调汽封、刷型汽封、叶片型柔性接触式等,14,第四讲 级内损失与级相对内效率,15,第四讲 级内损失与级相对内效率,16,第四讲 级内损失与级相对内效率,部分进汽损失鼓风与斥汽损失，不均匀流场损失 鼓风损失非喷嘴弧段动叶

5、鼓风产生的能耗 斥汽损失进入喷嘴弧段排斥动叶内滞蒸汽的能耗 不均匀流场影响其后级的效率,调节级部分进汽,17,第四讲 级内损失与级相对内效率,湿汽损失湿蒸汽中的水滴运动产生的损失 湿汽级火电机组排汽湿度随主蒸汽压力升高而增大，末级或末二级为湿汽级 ；核电机组为湿蒸汽汽轮机，高压和低压末数级为湿汽级。超临界压力机组的排汽湿度大于亚临界机组。,18,第四讲 级内损失与级相对内效率,湿汽损失剥离水膜和加速水滴；水滴撞击叶片产生制动；水滴破碎扰乱流场。正比于湿度。,降低湿汽损伤的措施 捕水与吸水 先进材料与处理工艺,19,第四讲 级内损失与级相对内效率,20,第四讲 级内损失与级相对内效率,核电汽轮机

6、,21,第四讲 级内损失与级相对内效率,撞击损失变工况时进口汽流角偏离几何角所产生的损失 新型设计，偏离角在内损失很小,22,第四讲 级内损失与级相对内效率,级内损失汇总,23,第四讲 级内损失与级相对内效率,24,第四讲 级内损失与级相对内效率,损失的特征 互补性叶高损失与部分进汽损失，叶高损失与扇形损失，通过优化选择使总损失减小 局部性部分进汽损失，湿汽损失 主导损失叶型损失、漏汽损失和二次流损失占总损失的90%以上，开发新型叶型与汽封，是进一步提高和维持汽轮机效率的奋斗目标,25,第四讲 级内损失与级相对内效率,GE冲动式汽轮机级损失的典型分布,26,第四讲 级内损失与级相对内效率,1.

7、4.4 级内功率与相对内效率,级热力过程线,级相对内效率,级内功率,27,第四讲 级内损失与级相对内效率,1.4.5级的最佳速比 最佳速比 级内损失中有正比于 和 的项，增大速比将使级损失增大，故级效率为最高的速比必然较轮周效率最高的最佳速比要小。这样使级的焓降增大，减少机组的级数。 通常，复速级 ；冲动级 ； 反动级 。,28,第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理,1.5.1 一元流动模型存在的不足 轮周速度沿叶高不一致 使叶顶和叶根处偏离最佳速比。在一定时，动叶进口角偏离设计进口角，造成撞击损失；动叶出口角沿叶高变化造成流场扭曲，恶化下级的进汽状态。 节距沿叶高不一致 偏离最佳值使轮周效率下降

8、。,29,第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理,汽流参数沿叶高变化 汽流切向运动产生的离心力，使反动度沿高增大，且在动、静叶间隙中形成径向流动，干扰主汽流造成损失。 端部边界的附面层不仅产生摩擦损失，并且产生的二次流使有限高度的叶片通道流场严重偏离一元模型 端部漏汽影响主流流场，,30,第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理,31,第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理,32,第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理,1.5.2 叶栅通道的实际流动和简化流动模型 实际流动 在子午面和绕转子轴线Z回转面内的合成运动。 子午面：通过转子轴线Z的平面；回转面：通过轴线Z的旋转面。 实际汽流速度 是子午速度 与回转速度 的矢

9、量和，即 。,33,第五讲 弯扭叶片的现代设计与原理,又可将子午速度 分解为轴向分速度 和径向分速度 ，从而有 径向平衡简化模型 动、静叶轴向间隙中汽流微元体上的径向力 静压力 绕Z轴切向运动产生的离心力，方向向外，即 。 子午速度离心力的径向分量，方向向内，即 。 子午速度惯性力的径向分量，方向向内，即 ，,34,1.5 扭长叶片的现代设计与原理,35,1.5 扭长叶片的现代设计与原理,轴向间隙汽流运动的完全径向平衡方程 上述方程描述了轴向间隙中流体压力、切向分速度及流线形状沿叶高的分布规律。只要给出一定的附加约束条件，即可求得轴向间隙内压力、速度分布。不同的附加约束条件，形成不同的流型，从

10、而得到不同形成的扭叶片。 最简单的计算模型为简单径向平衡模型，认为动、静叶轴向间隙中为柱形流动模式，即认为子午速度中的径向分量为零。简单径向平衡方程 在无旋流、轴向分速度沿叶高不变定解条件下，求解得,36,1.5 扭长叶片的现代设计与原理,在理想等环流简单径向平衡模型下，喷嘴的焓降随叶高下降；喷嘴出口角、动相对进口角和动叶绝对出口角随叶高增大，其中动叶相对进口角增加最快；动叶相对出口角随叶高减小；反动度随叶高增大。,37,1.5 扭长叶片的现代设计与原理,完全径向平衡与可控涡设计思想：简单径向平衡各流型得到的反动度沿叶高变化过大的主要原因，在于汽流切向速度所产生的离心力完全靠径向静压差来平衡。

11、事实上，子午速度产生的离心力和惯性力在径向方向上，具有平衡切向速度产生离心力的能力，可以减小径向静压梯度，从而减缓反动度沿叶高的快速变化。这就是完全径向平衡流型设计所要解决的问题，可控涡流型就是基于完全径向平衡方程，组织叶栅通道中的流线，控制静压和反动度沿叶高的变化，提高根部的反动度，改进叶根处的气动特性；降低顶部的反动度，减少叶顶漏汽损失；降低平均反动度，增大级的作功能力。 粘性、可压缩流体的三维流场计算，是基于Navier-Stokes方程，在叶栅通道和轴向间隙中，建立圆柱坐标系下的三维积分方程，采用有限差分法，求出叶栅通道空间各点的起始压力场和速度场，由此求得沿叶高各截面的反动度和作功能

12、力。,38,1.5 扭长叶片的现代设计与原理,在可压缩三维流场计算中，亚音速区为椭圆方程，而在超音速区为双曲方程。数值计算时，椭圆方程通常用中心差分法，而双曲方程用后差法。在汽轮机低压缸通流部分计算中，存在着跨音区的问题，为有效地将椭圆方程和双曲方程差分计算融合在一起，英国学者提出了时间推进法(time matching)，引入了时间变量，将原来定常计算问题转变为非定问题，由此将跨音区的方程统一为抛物线方程，大大提高了计算效率。 计算机技术的快速发展，使透平机械叶栅通道的三维流场设计成为现实，极大缩短了新叶型的研制、开发周期，降低了研制成本，提高了设计效率。例如：为减小喷嘴的二次流损失，推出了后弯叶型；再如：为进一步控制反动度沿叶高的变化，推出了叶片前倾安装的模式。,39,本章小结,原理：热力势能蒸汽动能(膨胀)转子旋转机械能(动量转换) 喷嘴 动叶 隔板或叶片持环 叶轮或轮毂 基本概念与定义 滞止参数 反动度 速度系数 流量系数 喷嘴损失 动叶损失 临界压比 临界流量 流量比系数