沖動(dòng)級(jí)與反動(dòng)級(jí)之比較

1、沖動(dòng)級(jí)與反動(dòng)級(jí)之比較摘要： 通過分析汽輪機(jī)的原理，從熱力過程、結(jié)構(gòu)、最佳速比以及各項(xiàng)損失四個(gè)方面分析比較了反動(dòng)級(jí)與沖動(dòng)級(jí)的不同，總結(jié)了兩者的長(zhǎng)處與不足。前言： 自1883年首臺(tái)單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)發(fā)電組投運(yùn)以來，汽輪機(jī)已經(jīng)有了一百多年的歷史。目前，在發(fā)電汽輪機(jī)中已經(jīng)有瑞士制造的雙軸1300MW、前蘇聯(lián)制造的單軸1200MW火電汽輪機(jī)和法國(guó)制造的1500MW核電汽輪機(jī)等。汽輪機(jī)是在高壓、高溫、高轉(zhuǎn)速下工作的一種大型精密動(dòng)力機(jī)械，它的制造與發(fā)展涉及到許多工業(yè)部門和學(xué)科領(lǐng)域，汽輪機(jī)的制造水平是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志之一。隨著電力需求的迅速增長(zhǎng)和電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，汽輪機(jī)在向著高參數(shù)、大容量

2、方向發(fā)展的同時(shí)，提高汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性、負(fù)荷適應(yīng)性和自動(dòng)化水平始終是汽輪機(jī)發(fā)展的中心。在汽輪機(jī)發(fā)展的過程中關(guān)于沖動(dòng)式汽輪機(jī)和反動(dòng)式汽輪機(jī)優(yōu)劣性的比較一直在進(jìn)行著。現(xiàn)在主要經(jīng)營(yíng)沖動(dòng)式汽輪機(jī)的企業(yè)有：美國(guó)通用電氣公司、蘇聯(lián)的列寧格勒金屬工廠等企業(yè)；主要經(jīng)營(yíng)反動(dòng)式汽輪機(jī)的企業(yè)有：美國(guó)的西屋電氣公司、瑞士的勃朗·鮑維利公司、日本的東芝重工業(yè)等公司。法國(guó)的阿爾斯通·大西洋公司則是兩者皆生產(chǎn)，壟斷了法國(guó)大型發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)。一個(gè)世紀(jì)以來的實(shí)踐證明，沖動(dòng)式和反動(dòng)式汽輪機(jī)沒有相互取代的可能性，而是沿著各自的道路在發(fā)展。如何通過分析比較促進(jìn)兩者的發(fā)展，則是我們現(xiàn)在工作的重心。一、基本原

3、理根據(jù)蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的碰撞，我們將汽輪機(jī)分為兩類。一類是沖動(dòng)級(jí)，即蒸汽只在靜葉柵中膨脹加速，而在動(dòng)葉柵中不再膨脹的級(jí)，但一般應(yīng)用的沖動(dòng)級(jí)都帶有少量反動(dòng)度；一類是反動(dòng)級(jí)，同沖動(dòng)級(jí)相反，是指蒸汽在靜葉柵和動(dòng)葉柵中都膨脹加速的級(jí)。為了表明在一級(jí)中，蒸汽在動(dòng)葉內(nèi)膨脹程度的大小，引入反動(dòng)度的概念。反動(dòng)度為動(dòng)葉內(nèi)理想比焓降與級(jí)的理想比焓降之比。習(xí)慣上將具有不大反動(dòng)度值，即=0.050.3的級(jí)，仍稱為沖動(dòng)級(jí)；而當(dāng)反動(dòng)度較大，即=0.40.6時(shí)，才稱為反動(dòng)級(jí)。2、 區(qū)別1、 熱力過程：純沖動(dòng)級(jí)：=0，即=0。=，如圖所示，點(diǎn)為以初速?gòu)牡缺褥販沟较鄬?duì)于噴嘴速度為零時(shí)的狀態(tài)，0點(diǎn)為噴嘴進(jìn)口前的狀態(tài)。在噴嘴內(nèi)，蒸

4、汽膨脹到，速度由初速度增加到。1點(diǎn)為噴嘴出口狀態(tài)，也是動(dòng)葉進(jìn)口狀態(tài)。因?yàn)?0，所以蒸汽進(jìn)入動(dòng)葉后不發(fā)生膨脹，只改變氣流轉(zhuǎn)角。由于沖動(dòng)級(jí)焓降全都分布在噴嘴里，所以噴嘴出口處、相對(duì)較大。而由于在動(dòng)葉內(nèi)部發(fā)生膨脹，=。純反動(dòng)級(jí)：=0.5，此時(shí)=，如圖所示，同樣，點(diǎn)為以初速?gòu)牡缺褥販沟较鄬?duì)于噴嘴速度為零時(shí)的狀態(tài)，0點(diǎn)為噴嘴進(jìn)口前的狀態(tài)，1點(diǎn)為噴嘴出口狀態(tài)，也是動(dòng)葉進(jìn)口狀態(tài)。蒸汽在噴嘴內(nèi)膨脹到后進(jìn)入動(dòng)葉，在動(dòng)葉內(nèi)仍進(jìn)行膨脹，同時(shí)發(fā)生氣流轉(zhuǎn)角的變化。由于在動(dòng)葉內(nèi)發(fā)生膨脹，故相對(duì)速度>。2、 結(jié)構(gòu)：純沖動(dòng)級(jí)：由于焓降全部分布在在噴嘴內(nèi)，所以、=相對(duì)較大，=相對(duì)較小。為動(dòng)葉的幾何參數(shù)，不隨運(yùn)行工況改變

5、，故相對(duì)于反動(dòng)級(jí)而言，氣流進(jìn)出轉(zhuǎn)角較大，導(dǎo)致其葉柵損失較大。由于一定流量時(shí)，蒸汽膨脹決定于流道的形狀，而沖動(dòng)級(jí)在噴嘴內(nèi)膨脹，而在動(dòng)葉內(nèi)不膨脹，故其動(dòng)靜葉型線差異很大。因?yàn)樗俣认禂?shù)取決于型線，而沖動(dòng)級(jí)動(dòng)葉中汽流轉(zhuǎn)角大、膨脹小，附面層易增厚和脫離，故其動(dòng)葉速度系數(shù)小。對(duì)于沖動(dòng)級(jí)，噴嘴、動(dòng)葉出口參數(shù)相近，因?yàn)?，?.4，動(dòng)葉出口截面積比噴嘴出口截面積大。沖動(dòng)式汽輪機(jī)多采用隔板式，每一級(jí)由一個(gè)隔板和一個(gè)葉輪組成，噴嘴安裝在隔板上，而動(dòng)葉片安裝在輪盤外緣。純反動(dòng)級(jí)：純反動(dòng)級(jí)由于在噴嘴內(nèi)和在動(dòng)葉內(nèi)的焓降相同，故、相對(duì)較小，相對(duì)較大，相對(duì)于沖動(dòng)式汽輪機(jī)而言，氣流進(jìn)出轉(zhuǎn)角較小，而在動(dòng)葉柵中為增速流，故其葉柵損

6、失較小。反動(dòng)級(jí)由于在噴嘴內(nèi)和在動(dòng)葉內(nèi)的膨脹程度相差不大，故為了制造方便，其動(dòng)、靜葉型線基本相同。反動(dòng)級(jí)動(dòng)葉中汽流轉(zhuǎn)角小、膨脹大，附面層不易增厚，其動(dòng)葉系數(shù)較大。反動(dòng)級(jí)在動(dòng)葉中膨脹，比容略大于噴嘴出口，故，動(dòng)靜面積近似相等。且隨壓力降低，比容增大較快，動(dòng)、靜面積比增大。反動(dòng)式汽輪機(jī)的動(dòng)葉片大多直接裝在輪鼓上，在每列葉片之前，裝有靜葉片。動(dòng)葉片和靜葉片的斷面形狀基本相同。由于反動(dòng)式汽輪機(jī)每一級(jí)前后都存在壓力差，因而在整個(gè)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生很大的軸向推力。為了減小這個(gè)軸向推力，反動(dòng)式汽輪機(jī)不能象沖動(dòng)式汽輪機(jī)那樣采用葉輪結(jié)構(gòu)，而是在轉(zhuǎn)子前部裝設(shè)平衡活塞來抵消軸向推力。活塞前的空間用聯(lián)通管和排汽管聯(lián)通，使活塞上

7、產(chǎn)生一個(gè)向左的軸向推力，以達(dá)到平衡轉(zhuǎn)子軸向推力的目的。3. 最佳速比：沖動(dòng)級(jí)：對(duì)于純沖動(dòng)級(jí)，級(jí)內(nèi)反動(dòng)度為0，=。根據(jù)輪周效率一般公式可以得知，輪周效率的高低同噴嘴、動(dòng)葉速度系數(shù)、反動(dòng)度以及輪周速度有關(guān)。令輪周速度與級(jí)假想速度之比為假想速比，將公式轉(zhuǎn)化為，其中。假設(shè)上式中噴嘴的速度系數(shù)和動(dòng)葉的速度系數(shù)以及、均為常數(shù)（，°，°可知，），則純沖動(dòng)級(jí)的輪周效率和速度比之間的關(guān)系將具有如圖形狀：（余速完全未被利用）由圖可以看出，當(dāng)?shù)臅r(shí)候，輪周效率最大，大約為0.85。對(duì)于純沖動(dòng)級(jí)而言，=，要是，即要求，則的方向角必定等于90°，此時(shí)最小。否則，余速損失將增大。余速完全被利用

8、：由圖可以看出，當(dāng)?shù)臅r(shí)候，輪周效率達(dá)到醉倒值，大約為0.90。純反動(dòng)級(jí)：假設(shè)上式中噴嘴的速度系數(shù)和動(dòng)葉的速度系數(shù)以及、均為常數(shù)（，°，°，可知，），則純反動(dòng)動(dòng)級(jí)的輪周效率和速度比之間的關(guān)系將具有如圖形狀：從圖中可以看出，當(dāng)時(shí)輪周效率達(dá)到最大值，大約為0.81。余速完全利用時(shí)：由圖可知，當(dāng)?shù)臅r(shí)候，輪周效率最大，大約為0.91同沖動(dòng)級(jí)相比較可知，輪周效率達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的最佳速比純沖動(dòng)級(jí)小于純反動(dòng)級(jí)。而對(duì)于余速完全未被利用時(shí)，純沖動(dòng)級(jí)的最大輪周效率大于純反動(dòng)級(jí)的最大輪周效率，而對(duì)于余速完全被利用時(shí)則相差不大。4、 各項(xiàng)損失 汽輪機(jī)內(nèi)的各項(xiàng)損失主要包括噴嘴損失、動(dòng)葉損失、余速損

9、失、葉高損失、撞擊損失、扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進(jìn)氣損失、濕汽損失以及漏氣損失1） 噴嘴損失：。由于純沖動(dòng)級(jí)的焓降全都分配在噴嘴內(nèi)，當(dāng)噴嘴速度系數(shù)沖動(dòng)級(jí)與反動(dòng)級(jí)相同且汽輪機(jī)的理想焓降相同時(shí)，純沖動(dòng)級(jí)的噴嘴損失遠(yuǎn)大于反動(dòng)級(jí)的噴嘴損失；2） 動(dòng)葉損失：。由于純沖動(dòng)級(jí)在動(dòng)葉內(nèi)部發(fā)生膨脹，沒有焓降，故其沒有動(dòng)葉損失；3） 余速損失：=。4） 葉高損失：,。取決于汽輪機(jī)的初參數(shù)。5） 撞擊損失：，取決于汽輪機(jī)的初參數(shù)。6） 扇形損失：，取決于汽輪機(jī)的初參數(shù)。7） 葉輪摩擦損失：對(duì)于反動(dòng)級(jí)，由于沒有葉輪，動(dòng)葉是直接安裝在轉(zhuǎn)鼓上的，因此沒有這一項(xiàng)損失。8） 部分進(jìn)氣損失：對(duì)于反動(dòng)級(jí)，若采用部分進(jìn)氣，將增大損失，故只有沖動(dòng)級(jí)才能采用部分進(jìn)氣，反動(dòng)級(jí)沒有該項(xiàng)損失。9） 濕汽損失：為不考慮濕汽損失的級(jí)的有效焓降。10） 漏氣損失：。因?yàn)閺陌踩嵌瓤紤]，葉頂間隙一般不小于0.4mm。由于反動(dòng)級(jí)必須全周進(jìn)汽，高壓部分的葉片高度也不可能大，因此反動(dòng)級(jí)漏氣損失的影響較大。3、 優(yōu)缺點(diǎn)比較：沖動(dòng)級(jí)：動(dòng)葉中汽流轉(zhuǎn)角大、膨脹小，附面層易增厚和脫離，故其動(dòng)葉速度系數(shù)?。蝗欢鴼饬鬟M(jìn)出轉(zhuǎn)角較大，導(dǎo)致其葉柵損失較大對(duì)于反動(dòng)級(jí)：由于沒有葉輪，動(dòng)葉是直接安裝在轉(zhuǎn)鼓上的，因此沒有葉輪摩擦損失；然而若采用部分進(jìn)氣，將