汽輪機的工作原理(1)

1、教學目標教學目標:了解蒸汽在噴嘴和動葉中的流動和能量轉換過程；了解蒸汽在噴嘴和動葉中的流動和能量轉換過程；了解級的了解級的結構及作用和分類，掌握純沖動度、沖動級、反動級的概念，動葉進結構及作用和分類，掌握純沖動度、沖動級、反動級的概念，動葉進出口速度三角形的繪制與計算，級的輪周功率和輪周效率，汽輪機級出口速度三角形的繪制與計算，級的輪周功率和輪周效率，汽輪機級內各項損失和級效率、級的內功率計算。內各項損失和級效率、級的內功率計算。 知識點：知識點：反動度，沖動級，反動級蒸汽在噴嘴中的流動特性；蒸汽在反動度，沖動級，反動級蒸汽在噴嘴中的流動特性；蒸汽在動葉中的流動特性；動葉進出口速度三角形；蒸汽

2、作用在動葉上的力，動葉中的流動特性；動葉進出口速度三角形；蒸汽作用在動葉上的力，輪周功率和輪周效率；汽輪機級內各項損失和級效率，級的內功率，輪周功率和輪周效率；汽輪機級內各項損失和級效率，級的內功率，級內損失。級內損失。重重 點：點：級的概念與分類，級的概念與分類，動葉進、出口速度三角形；級的輪周功率、動葉進、出口速度三角形；級的輪周功率、輪周效率及級內各項損失。輪周效率及級內各項損失。難難 點：點：動葉進、出口速度三角形；級的輪周功率、輪周效率及級內動葉進、出口速度三角形；級的輪周功率、輪周效率及級內各項損失的分析各項損失的分析。汽輪機外形汽輪機外形單缸、單排汽口汽輪機單缸、單排汽口汽輪機多

3、缸、多排汽口汽輪機多缸、多排汽口汽輪機 一一 、汽輪機的級、級內能量轉換過程汽輪機的級、級內能量轉換過程 ：靜葉柵 動葉柵 是汽輪機作功的最小單元。 能量轉換的主要部件是一組噴管和一圈動葉，由它們組合而成的工作單元，稱為汽輪機的一個“級”。： 具有一定壓力、溫度的蒸汽通過汽輪機的級時，首先具有一定壓力、溫度的蒸汽通過汽輪機的級時，首先在靜葉柵通道中得到膨脹加速，將蒸汽的熱能轉化為高在靜葉柵通道中得到膨脹加速，將蒸汽的熱能轉化為高速汽流的動能，然后進入動葉通道，在其中改變方向或速汽流的動能，然后進入動葉通道，在其中改變方向或者既改變方向同時又膨脹加速，推動葉輪旋轉，將高速者既改變方向同時又膨脹加

4、速，推動葉輪旋轉，將高速汽流的動能轉變?yōu)樾D機械能。汽流的動能轉變?yōu)樾D機械能。 當汽流通過動葉通道時，由于受到動葉通道形狀的限制當汽流通過動葉通道時，由于受到動葉通道形狀的限制而彎曲被迫改變方向，因而產生離心力，離心力作用于葉而彎曲被迫改變方向，因而產生離心力，離心力作用于葉片上，被稱為片上，被稱為沖動力沖動力。這時蒸汽在汽輪機的級所作的機械。這時蒸汽在汽輪機的級所作的機械功等于蒸汽微團流進、流出動葉通道時其動能的變化量。功等于蒸汽微團流進、流出動葉通道時其動能的變化量。而這種級稱為沖動級。而這種級稱為沖動級。： 當汽流通過動葉通道時，一方面要改變方向，同時還要當汽流通過動葉通道時，一方面要

5、改變方向，同時還要膨脹加速，前者會對葉片產生一個沖動力，后膨脹加速，前者會對葉片產生一個沖動力，后 者會對葉片者會對葉片產生一個反作用力，即產生一個反作用力，即反動力反動力。蒸汽通過這種級，兩種力。蒸汽通過這種級，兩種力同時作功。通常稱這種級為反動級。同時作功。通常稱這種級為反動級。 蒸汽在動葉通道內膨脹時的理想焓降hb， 和在整個級的滯止理想焓降ht* 之比，即*tbmhhbnbbnbmhhhhhh*tmbhh*1tmnhhbh(一)沖動級與反動級沖動級沖動級復速級復速級反動級反動級1、純沖動級（m=0） 特點：蒸汽在噴咀葉柵中膨脹，在動葉柵中不膨脹，只改變方 向。 P1=P2 h b=0

6、h*n=h*t 作功能力大，效率較低，C2較大。2、帶反動度的沖動級(0mP2 h b0 具有沖動級作功能力大和反動級效率高的特點。3、復速級（雙列沖動級） 特點：蒸汽在噴咀中膨脹，在第一列動葉柵中作一部分功，在固定的 導向葉柵中改變蒸汽流動方向，在第二列動葉柵內繼續(xù)作功， 它的作功能力比單列沖動級要大，但效率低，一般用于中、小 型機組上。沖動級沖動級復速級復速級 特點：蒸汽一半在噴咀葉柵中膨脹，另一半在動葉柵中膨脹。 P1P2 h b= h*n=0.5h*t 反動級效率比沖動級高，但作功能力較小。反動級反動級(二)壓力級與速度級壓力級壓力級以利用級組中合理分配的壓力降以利用級組中合理分配的壓

7、力降或焓降為主的級。（效率高，單列級）或焓降為主的級。（效率高，單列級）速度級速度級以利用蒸汽流速為主的級。（做以利用蒸汽流速為主的級。（做功能力大）功能力大） 雙列速度級雙列速度級 多列速度級多列速度級(三)調節(jié)級與非調節(jié)級調節(jié)級調節(jié)級通流面積可以隨負荷變化的級。通流面積可以隨負荷變化的級。（第一級）（第一級）非調節(jié)級非調節(jié)級通流面積不隨負荷變化的級通流面積不隨負荷變化的級（第一級以后的各級）（第一級以后的各級） 復速級復速級 單列級單列級 四、研究級內工作過程的基本方法四、研究級內工作過程的基本方法 1.1.基本假設基本假設 流過葉柵通道的蒸汽是具有粘性、非連續(xù)性和不穩(wěn)定的三元流動的實際流

8、體。為了研究方便，特作如下假設假設： （1）蒸汽在葉柵通道的流動是穩(wěn)定的：即在流動過程中，通道中任意點的蒸汽參數(shù)不隨時間變化而改變。 （2）蒸汽在葉柵通道的流動是一元流動：即蒸汽在葉柵通道中流動時，其參數(shù)只沿流動方向變化，而在與流動方向相垂直的截面上不變化。 （3）蒸汽在葉柵通道的流動是絕熱流動：即蒸汽在葉柵通道中流動時與外界沒有熱交換。 2 2、基本方程、基本方程 （1）連續(xù)性方程連續(xù)性方程 微分形式微分形式 （2 2）運動方程）運動方程 （3 3）能量方程）能量方程 （4 4）狀態(tài)方程）狀態(tài)方程AcG0dcdcAdAcdcRdxdpwchqch22211200RTpv .constpvk一

9、、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程 噴嘴的作用是讓蒸汽在其通道中流動時得到膨脹加速，將熱能轉變?yōu)閯幽堋娮焓枪潭ú粍拥?，蒸汽流過時，不對外作功，W = 0；同時與外界無熱交換，q = 0。則根據(jù)能量方程式 ，有 對于過熱蒸汽，可近似看做理想氣體，則上式可寫成： 2112002121ChCh)(1)(211100102021vpvpkkhhCC（一）噴嘴中的汽流速度（一）噴嘴中的汽流速度 1.1.噴嘴出口汽流的理想速度：噴嘴出口汽流的理想速度： 在進行噴嘴流動計算時，噴嘴前的參數(shù)是已知的條件。按等熵過程膨脹，根據(jù)能量方程，噴嘴出口汽流理想速度20t 10t 1chh2c或者201

10、1002121)(121CvpvpkkCtt 當用下角0與1分別表示噴嘴進出口處的狀態(tài)時，上式表明，蒸汽在噴嘴出口處的動能是由噴嘴進口和出口的蒸汽參數(shù)決定的，并和噴嘴進口蒸汽的動能有關。當噴嘴進口蒸汽動能很小，并可忽略不計時，噴嘴出口的蒸汽流速僅是熱力學參數(shù)的函數(shù)。若噴嘴進口蒸汽的動能不能忽略不計，那么我們可以假定這一動能是由于蒸蒸汽從某一假想狀態(tài)汽從某一假想狀態(tài)0 0* *等比熵膨脹到噴嘴進口狀態(tài)等比熵膨脹到噴嘴進口狀態(tài)0 0時所時所產生的產生的，在這一假想狀態(tài)下，蒸汽的初速為零。換言之，參數(shù)p0*、 v0*是以初速c0從p0、v0等比熵滯止到速度為零時的狀態(tài)，我們稱p0* 、 v0* 、

11、h0*等為滯止參滯止參數(shù)數(shù)。滯止參數(shù)在h-s圖上的表示如圖所示 。 上兩式可寫為：*20122nnthchc和)(1 121*01*0*01kktppvpkkc2.噴嘴出口汽流實際速度：噴嘴出口汽流實際速度： 實際流動是有損失的，汽流實際速度小于汽流理想速度。通常用噴嘴速度系數(shù)來考查兩者之間的差別（通常取 = 0.97 )。這樣，噴嘴出口的汽流實際速度為2*1nnnhh11tcc蒸汽在噴嘴通道中流動時，動能的損失稱為 噴嘴損失，用 表 示 ： *22212121)1 ()1 (21(21nttnhccch）nh噴嘴損失與噴嘴理想焓降之比稱為噴嘴能量損失系數(shù)，用 表示n 影響速度系數(shù)的因素有：噴

12、嘴高度、葉型、汽道形狀、表面粗糙度、前后壓力等。 速度系數(shù)與葉高的關系曲線如下圖： 1 1、噴嘴、動葉及汽流流動特性噴嘴、動葉及汽流流動特性 動葉以圓周速度動葉以圓周速度u u旋轉；旋轉； 從噴嘴中以絕對速度從噴嘴中以絕對速度c c1 1流出的汽流相對于動葉有一個相流出的汽流相對于動葉有一個相對運動和相應的相對速度對運動和相應的相對速度w w1 1；流入本級動葉；流入本級動葉； 汽流以相對速度汽流以相對速度w w2 2離開動葉，由于動葉以圓周速度離開動葉，由于動葉以圓周速度u u旋轉，旋轉，故其出口絕對速度為故其出口絕對速度為c c2 2；流入下級靜葉（噴嘴）；流入下級靜葉（噴嘴）； 由由c

13、c、w w、u u構成速度三角形，如下圖。構成速度三角形，如下圖。2 2、速度三角形的構成速度三角形的構成 動葉入口速度三角形： c1 1 、w1 1、 u 動葉出口速度三角形： c2 2、w2 2、 u符號說明符號說明: C1：噴嘴出口汽流的絕對速度：噴嘴出口汽流的絕對速度 w1：噴嘴出口汽流的相對速度：噴嘴出口汽流的相對速度 C2：動葉出口汽流的絕對速度：動葉出口汽流的絕對速度 w2：動葉出口汽流的相對速度：動葉出口汽流的相對速度 u：圓周速度。：圓周速度。12121117(2 4 )20 30沖動級：一般情況下：一般情況下： 蒸汽在噴嘴中從壓力p0膨脹到出口壓力 p1，以速度c1流向動葉

14、柵。當蒸汽通過動葉時，一般還要繼續(xù)膨脹，壓力由p1降到p2.如圖所示級的熱力過程，則此時級的滯止理想比焓降ht*為：sh0*021P0*P0P1P2hn*ht*hbhbbnthhh*近似認為與hb相等*tbmhhhsh2p22h2thb1p1P1*1*h1h1*2h*bw12/2h0*021P0*P0P1P2hn*ht*hbhbs蒸汽在動葉中的熱力過程蒸汽在級中的熱力過程22111111111111222222222222222cossinsinarcsinarccos2cossinsinarcsinarccoswcucucctgwcucwuw uwwtgcwu2221111222()22tt

15、mtbtwhhwhwhww 動葉速度系數(shù)。動葉損失： 22222112btbhwwhuzFzFuFb21P2P1c2c1abcdu蒸汽流過動葉柵的汽流圖 作用在動葉上的汽流力可歸結為產生旋轉作用在動葉上的汽流力可歸結為產生旋轉機械功的切向力機械功的切向力( (又稱輪周力又稱輪周力) )和不產生機械和不產生機械功的軸向力。由動量定律求得。利用速度三功的軸向力。由動量定律求得。利用速度三角形關系進行計算。角形關系進行計算。 動葉柵進出口速度三角形11221122(coscos)( coscos)uFG wwG cc設設tt時間內流過動葉的蒸汽量為時間內流過動葉的蒸汽量為mm，切向和軸向的動量，切向

16、和軸向的動量變化為：變化為：絕對坐標系：絕對坐標系： 相對坐標系：相對坐標系：切向切向 切向切向軸向軸向 軸向軸向2211(coscos)m cc2211(sinsin)m cc2211(coscos)m ww2211(sinsin)m ww令令G=G=m/tm/t為單位時間內通過動葉通道的蒸汽質量，由為單位時間內通過動葉通道的蒸汽質量，由速度三角形可得到：速度三角形可得到：式中：全周進汽：式中：全周進汽：A Az z=d=dm ml lb b 部分進汽：部分進汽：A Az z=d=dm ml lb be e蒸汽對動葉總作用力F Fb b112212112212(sinsin)()(sinsi

17、n)()zzzFG wwA ppG ccA pp22buzFFF 概念概念：單位時間內蒸汽推動葉輪旋轉所作單位時間內蒸汽推動葉輪旋轉所作出的機械功稱為輪周功率。出的機械功稱為輪周功率。 注意點：注意點：1kg蒸汽產生的輪周功蒸汽產生的輪周功Wu等于等于級的輪周有效比焓降級的輪周有效比焓降hu。 計算式計算式11221122200(coscos)(coscos)/uuunbcPWu wwu cckJkgGhhhhhkJkg 11221122(coscos)( coscos)uuPF uGu wwGu cckW 輪周功的意義：由噴嘴帶輪周功的意義：由噴嘴帶進動葉的蒸汽動能與動葉進動葉的蒸汽動能與動

18、葉獲得的蒸汽動能之和，減獲得的蒸汽動能之和，減去蒸汽離開動葉所帶走的去蒸汽離開動葉所帶走的動能。動能。2122cuuWh2112c2122c221212()wwuuWhl 利用速度三角形得利用速度三角形得 2222122112uWccww 級的做功能力，即輪周功的大小與動級的做功能力，即輪周功的大小與動葉進出口汽流角葉進出口汽流角1和和2有關，一般而有關，一般而言有言有 沖動級：由于動葉轉折較大，所以沖動級：由于動葉轉折較大，所以1和和2較小，做功能力較小，做功能力較大較大；反動級：由于動葉轉折較沖動級小，所反動級：由于動葉轉折較沖動級小，所以以1和和2較大，做功能力較大，做功能力較小較??；1

19、 1、國產汽輪機型號的表示方法是什么？根據(jù)國產汽輪機型號的、國產汽輪機型號的表示方法是什么？根據(jù)國產汽輪機型號的表示方法，說明下列汽輪機的型號提供了汽輪機設備的哪些表示方法，說明下列汽輪機的型號提供了汽輪機設備的哪些基本特征？基本特征？（1）CC25-8.82/0.98/0.118-1（2）CB25-8.83/1.47/0.49（3）N300-16.7/537/5372 2、根據(jù)蒸汽在汽輪機內能量轉換的特點，如何劃分汽輪機級的、根據(jù)蒸汽在汽輪機內能量轉換的特點，如何劃分汽輪機級的類型？各種類型級的特點是什么？類型？各種類型級的特點是什么？3、已知汽輪機某級的理想焓降為84.3 kJ/kg，初始

20、動能1.8 kJ/kg，反動度0.04，噴嘴速度系數(shù) = 0.96，動葉速度系數(shù) = 0.96，圓周速度為171.8 m/s，噴嘴出口角1 = 15，動葉出口角2 =13，蒸汽流量G = 4.8 kg/s。求：（1）噴嘴出口相對速度？ （2）動葉出口相對速度？（3）繪出動葉進出口蒸汽的速度三角形。（4）輪周功率？一、級的輪周效率 定義：蒸汽在輪周上所做之功與整個級所消耗的蒸汽理想能量（級的理想能量）之比，即01EPuu222221*2212000chchcEttE0級的理想能量，它包括熱能和動能兩部分，其表達式為*2200*220012122nnntmnatthhchhhcchh蒸汽在級內的焓

21、降計算公式212222*221*chhhwhhhhcbbbbtmb2222100chhhchbntu級的有效焓降等于級的做功能力。輪周效率和速度比的定義210210221222112212000111coscos222cbncbnuatuuuEhhhEccccuchcWEh根據(jù)能量平衡，級的有效焓降為 單位蒸汽量流過某級所產生的輪周功與蒸汽在該級中理想可用能之比，稱為該級的輪周效率。速度比x1=u/c1反映了余速損失的大小假想速度比xa=u/ca,其中假想速度*2tahc輪周效率與噴嘴能量損失、動葉能量損失和余速損失有關。能量損失與速度系數(shù)有關。葉柵確定以后，速度系數(shù)也就確定。余速損失最小，輪

22、周效率最大，如下圖。1c2c90211w2w1c2c90211w2w1c2c90211w2wu輪周效率與速度比之間的關系(一)純沖動級的最佳速度比 2cos12cos0,cos180cos1cos2coscos22222011111211121112221121*221*221200010opamaopuuutnttttmxxxxxconstconstconstconstconstxxwwuhchhhchchcE1c2c90211w2w1c2c90211w2w1c2c90211w2w由圖可知：當由圖可知：當 290 時，時，c2最小，輪周效率最高，此時最小，輪周效率最高，此時的速度比即為最佳速

23、度比。由（的速度比即為最佳速度比。由（b）圖可知：）圖可知： 2cos111cuximop 最佳速度比的物理意義為：使動葉出口的絕對速度最佳速度比的物理意義為：使動葉出口的絕對速度c2的的方向角方向角 290 ，即軸向排汽，從而使，即軸向排汽，從而使c2值最小，輪周值最小，輪周效率最高時的速度比。效率最高時的速度比。 速度比速度比x1與輪周效率與輪周效率 的的關系可繪制成如右圖所關系可繪制成如右圖所示的曲線。它是一條拋示的曲線。它是一條拋物線。物線。 余速利用： 余速利用對輪周效率的影響：見右圖。a 提高了級的輪周效率。b 中間級效率曲線在最大值附近變化平穩(wěn)。c 使最佳速度比增大。理想速度比x

24、a：aacux Xa與x1的關系為：maxx11最佳理想速度比： 2cos11opopaxx(二)反動級的最佳速度比1221*21*21, 5 . 0wcwcm葉型相同所以：11122122222121222221cos21111xxwwccwwccttu則由 可得：01xu11cos)(opx11cos21xxma將 u 與x1、xa的關系最佳速度比在不同的余速利用系數(shù)下隨反動度的變化規(guī)律(三)速度級（復速級）的最佳速度比為便于分析，對速度級做如下假設：211221,00gbbgbb（1）蒸汽只在噴嘴中膨脹（2）在級中沒有能量損失（3）各個進出口角度相等經過同樣的分析可以得到：11cos41

25、)(opx4cos)(1opax最佳假想速度比為復速級和單列沖動級的輪周效率與速度比的關系 (一一)葉柵損失葉柵損失 1.葉型損失葉型損失 （1）附面層中的摩擦損失）附面層中的摩擦損失 （2）附面層分離時的渦流損失）附面層分離時的渦流損失 （3）尾跡損失）尾跡損失 2.沖波損失沖波損失 3.葉端損失葉端損失 （1）端部附面層中的摩擦損失）端部附面層中的摩擦損失 （2）二次流損失）二次流損失 級內損失主要有葉柵損失、余速損失、扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進汽損失、漏汽損失、濕汽損失等 （二）余速損失（二）余速損失 （三）扇形損失（三）扇形損失2chh2)(7 . 0bbdl0Eh （四）葉輪摩擦

26、損失（四）葉輪摩擦損失 fh vdukpf1)100(231Gphff0Ehffmnnatfeldxkpp1sin13 ( (五五) ) 部分進汽損失部分進汽損失 如果將噴嘴布置在隔板（或蒸如果將噴嘴布置在隔板（或蒸汽室）的整個圓周上，使蒸汽汽室）的整個圓周上，使蒸汽沿整個圓周進汽，這種進汽方沿整個圓周進汽，這種進汽方式稱為全周進汽。式稱為全周進汽。 為了增高噴嘴的高度，則將噴為了增高噴嘴的高度，則將噴嘴布置在部分圓周上，使蒸汽嘴布置在部分圓周上，使蒸汽沿部分圓弧進汽，這種進汽方沿部分圓弧進汽，這種進汽方式稱為部分進汽。式稱為部分進汽。 ehmnndtZe30)5 . 01 (1acewxEe

27、eeBhannssxEdSech01swehhh( (六六) )漏汽損失漏汽損失 hptnpptppppZvhAvcAG1*112upphGGhttttbbttttttvhldevcAG2*22)(utthGGh04 . 172. 1Elhbrt (七七)濕汽損失濕汽損失 (1)濕蒸汽在噴嘴中濕蒸汽在噴嘴中膨脹加速時，一部分蒸膨脹加速時，一部分蒸汽凝結成水滴，使作功汽凝結成水滴，使作功的蒸汽量減少。的蒸汽量減少。 (2)由于水滴本身不由于水滴本身不膨脹加速，所以懸浮在膨脹加速，所以懸浮在蒸汽中的水滴是依靠蒸蒸汽中的水滴是依靠蒸汽帶動的，因此主汽流汽帶動的，因此主汽流要消耗一部分動能。要消耗一部

28、分動能。 xh （3）水滴進入動葉時正好沖擊在動葉進口）水滴進入動葉時正好沖擊在動葉進口邊背弧上，阻止了葉輪的旋轉，從而消耗了邊背弧上，阻止了葉輪的旋轉，從而消耗了一部分輪周功去克服這個阻力，造成損失一部分輪周功去克服這個阻力，造成損失 (4)濕蒸汽在噴嘴中膨脹時，由于汽態(tài)變化濕蒸汽在噴嘴中膨脹時，由于汽態(tài)變化非?？?，蒸汽的一部分還來不及凝結成水，非?？?，蒸汽的一部分還來不及凝結成水，汽化潛熱沒有釋放出來，形成了過飽和蒸汽汽化潛熱沒有釋放出來，形成了過飽和蒸汽或稱過冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降減小，或稱過冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降減小，形成過冷損失。形成過冷損失。imxhxh)1 ( 為了提高濕蒸汽級的為了提高濕蒸汽級的效率和防止動葉被水效率和防止動葉被水滴侵蝕損壞，常采用滴侵蝕損壞，常采用下列兩種方法：一是下列兩種方法：一是采用去濕裝置，減少采用去濕裝置，減少濕蒸汽中的水分；二濕蒸汽中的水分；二是提高動葉的抗侵蝕是提高動葉的抗侵蝕能力。能力。1.1.靜葉損失靜葉損失hhn n2.2.動葉損失動葉損失hhb b3.3.余速損失余速損失hhc2c2