汽輪機級的工作原理

第一章汽輪機級的工作原理主要內(nèi)容一、級的概念二、汽輪機的沖動作用原理和反動作用原理三、反動度和級的類型四、級的輪周功率和輪周效率五、汽輪機的級內(nèi)損失和級效率一、級的概念汽輪機本體中做功氣流的通道稱為汽輪機的通流部分。級：由噴管和其后的動葉柵組成，完成蒸汽的熱能轉換成轉子的機械能的最基本單元。汽輪機有單級和多級。1-靜葉柵（噴管）；2-動葉柵；3-隔板；4-葉輪；5-主軸返回級的組成0－0截面：噴管進口截面；1－1截面：噴管與動葉之間截面(噴管出口、動葉進口)；2－2截面：動葉出口截面；噴管內(nèi)完成:熱能動能在動葉內(nèi)完成：把蒸汽具有的動能和熱能機械功二、蒸汽的沖動作用原理和反動作用原理1、沖動作用原理當一運動物體碰到另外一個運動速度比其低的物體時，就會受到阻礙而改變其速度，同時給阻礙它的物體一個作用力，這個作用力被稱為沖動力。沖動力的大小取決于運動物體的質(zhì)量以及速度的變化。質(zhì)量越大，沖動力越大；速度變化越大，沖動力也越大。受到?jīng)_動力作用的物體改變了速度，該物體就做了機械功。最簡單的單級沖動式汽輪機結構如圖1－1。蒸汽在噴管4中產(chǎn)生膨脹，壓力降低，速度增加，蒸汽的熱能轉變?yōu)檎羝膭幽?。高速氣流流?jīng)葉片3時，由于氣流方向發(fā)生了改變，產(chǎn)生了對葉片的沖動力，推動葉輪2旋轉做功，將蒸汽的動能轉變?yōu)檩S旋轉的機械能。這種利用沖動力做功的原理，稱為沖動作用原理。

圖1-1動葉進出口速度三角形

動葉進口速度三角形：動葉出口速度三角形：－噴管出口速度（動葉進口絕對速度）－動葉平均直徑處的圓周速度－動葉進口的相對速度－動葉出口的絕對速度－動葉出口相對速度2、反動作用原理反動力是由原來靜止或運動速度較小的物體，在離開或通過另一物體時，驟然獲得一個較大的速度增加而產(chǎn)生的。在反動式汽輪機中，蒸汽在動葉構成的汽道內(nèi)膨脹加速時，氣流必然對動葉作用一個反動力，推動葉片運動，做機械功。這就是反動做功原理。在反動式汽輪機中，蒸汽不僅僅在噴管中產(chǎn)生膨脹，壓力降低，速度增加，高速氣流對葉片產(chǎn)生一個沖動力，而且蒸汽流經(jīng)葉片時也產(chǎn)生膨脹，使蒸汽在葉片中加速流出，對葉片還產(chǎn)生一個反作用力，即反動力，推動葉片旋轉做功。這就是反動式汽輪機的反動作用原理。在動葉內(nèi)，把蒸汽具有的動能和熱能機械功作用力：

①由靜葉出口的高速蒸汽沖擊動葉產(chǎn)生沖動力Fi②動葉內(nèi)蒸汽繼續(xù)膨脹，產(chǎn)生一個反動力Fr三、反動度和級的類型

（一）汽輪機的反動度蒸汽在動葉通道內(nèi)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（二）汽輪機級的類型和特點根據(jù)蒸汽在級通流部分的流動方向，將汽輪機分成軸流式和輻流式兩種。1.按反動度的大小進行分類：沖動級和反動級2.按蒸汽的動能轉換為轉子機械能的過程分類：壓力級和速度級3.按通流面積是否隨負荷而變分類：調(diào)節(jié)級和非調(diào)節(jié)級軸流式汽輪機輻流式汽輪機

1、沖動級和反動級

純沖動級：反動度的級稱純沖動級沖動級

帶反動度的沖動級（沖動級）：在沖動級中帶少量反動度反動級：反動度的級稱反動級純沖動級的特點是：蒸汽只在噴嘴葉柵中膨脹，在動葉柵中不進行膨脹而只改變流動方向，故動葉柵進出口壓力相等，焓降為0。反動級的特點是蒸汽的膨脹約有一半在噴嘴葉柵中發(fā)生，另一半動葉柵中發(fā)生。特點：在這種級中，蒸汽的膨脹大部分在噴嘴葉柵中發(fā)生，只有少部分膨脹在動葉柵發(fā)生。2、壓力級和速度級（1）壓力級：蒸汽的動能轉換為轉子的機械能的過程在級內(nèi)只進行一次的級。（2）速度級：蒸汽的動能轉換為轉子的機械能的過程在級內(nèi)進行一次以上的級。

復速級：由固定的噴管、導葉和安裝在同一葉輪上的兩列動葉組成的級稱為復速級。3、調(diào)節(jié)級和非調(diào)節(jié)級（1）調(diào)節(jié)級：通流面積能隨負荷改變的級，如噴管調(diào)節(jié)的第一級。（2）非調(diào)節(jié)級：通流面積能不隨負荷改變的級，可以全周進汽，也可以部分進汽。

復速級

復速級由噴管、導葉和兩列動葉組成。蒸汽在噴管膨脹后，進入第一列動葉作功，流出第一列動葉時速度還相當大。用一列導葉改變蒸汽流動方向后進入第二列動葉繼續(xù)作功。特點：作功能力很大，但效率較低，常用作中小汽輪機調(diào)節(jié)級。噴管采用縮放噴管。引入一定的反動度。返回圖1-7復速級中汽流壓力和速度變化示意圖四、級的輪周功率與輪周效率返回（一）蒸汽作用在動葉片上的力和輪周功率周向分力Fu軸向分力Fz總作用力Fb1、蒸汽作用在動葉片上的力FuFzFb2、輪周功率輪周功率Pu：單位時間內(nèi)蒸汽對動葉片所作的有效功率，它等于圓周力Fu與動葉圓周速度u的乘積，其表達式為：級的作功能力Pu1：

1Kg蒸汽產(chǎn)生的輪周功率G——單位時間流過的蒸汽質(zhì)量（二）級的輪周效率定義：蒸汽在輪周上所做的功與整個級所消耗的蒸汽理想能量（級的理想能量）之比，即E0--級的理想能量，它包括熱能和動能兩部分（三）速比速比：最佳速比：對應于輪周效率最高時的速比五、汽輪機的級內(nèi)損失和級效率

返回（一）級內(nèi)損失級內(nèi)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

1、葉柵損失葉柵損失包括噴管損失和動葉損失，從產(chǎn)生原因看，它有葉型損失、葉端損失和沖波損失所組成。⑴

葉型損失①附面層中的摩擦損失②附面層分離時的渦流損失③尾跡損失⑵

葉端損失

①端部附面層中的摩擦損失

②二次流損失⑶沖波損失葉柵中汽流產(chǎn)生沖波時突然被壓縮所產(chǎn)生的能量損失2、余速損失蒸汽在動葉柵中做功后，以絕對速度C2離開動葉柵，這部分動能C22/2在動葉柵中沒有轉變?yōu)闄C械功，成為這一級的損失，稱為余速損失。3、扇形損失在設計時不考慮汽流參數(shù)和葉柵的幾何參數(shù)沿葉高的變化，只能保證一個截面上的參數(shù)符合設計條件下的最佳值，而其他截面上由于偏離設計條件將引起附加損失，稱為扇形損失。4、葉輪摩擦損失

葉輪在充滿著蒸汽的汽室中轉動，由于蒸汽具有黏性，使葉輪帶動著貼在葉輪側面及外緣表面上的蒸汽質(zhì)點以相同的速度運動，而緊貼隔板壁和汽缸壁的蒸汽速度近似為零，因此，在葉輪兩側及外緣的間隙中，蒸汽沿軸向形成層與層間的速度差，從而形成了蒸汽微團之間以及蒸汽微團與葉輪之間的摩擦。為了克服這種摩擦和帶動蒸汽質(zhì)點運動，要消耗一部分輪周功。同時，由于緊靠葉輪兩側的蒸汽質(zhì)點隨著葉輪一起轉動，受離心力的作用產(chǎn)生向外的徑向流動，而靠近隔板處的蒸汽質(zhì)點由于速度小，離心力也小，自然向中心移動，填補葉輪處徑向流動的蒸汽，以保持汽體的連續(xù)性。于是在葉輪兩側的子午面內(nèi)形成了蒸汽的渦流運動?？朔Σ磷枇蜏u流所消耗的功叫葉輪摩擦損失。5、部分進汽損失

如果將噴嘴布置在隔板（或蒸汽室）的整個圓周上，使蒸汽沿整個圓周進汽，這種進汽方式稱為全周進汽。為了增高噴嘴的高度，則將噴嘴布置在部分圓周上，使蒸汽沿部分圓弧進汽，這種進汽方式稱為部分進汽。部分進汽損失

①鼓風損失當e<1時，只有當動葉通過噴管弧段時，才有工作蒸汽通過作功。當動葉通過無噴管弧段時，不但沒有工作蒸汽作功，反而象鼓風機風扇一樣，與充滿停滯的蒸汽摩擦，產(chǎn)生損失。②斥汽損失由于動葉經(jīng)過不裝噴管弧段時，已充滿停滯的蒸汽。當進入噴管段時，高速汽流要排斥并加速停滯在汽道內(nèi)的蒸汽，產(chǎn)生損失。6、漏汽損失在汽輪機的通流部分中，隔板和轉軸之間、動葉頂部與汽缸之間，在轉鼓結構的反動級中靜葉與轉鼓之間都存在著間隙，并且各間隙前后的蒸汽都存在著壓差，因此將會發(fā)生不同程度的漏汽，造成損失，稱為漏汽損失。7、濕汽損失

多級凝汽式汽輪機最后幾級常在濕蒸汽區(qū)域內(nèi)工作，級中存在著濕氣損失，這是因為：

(1)濕蒸汽在噴嘴中膨脹加速時，一部分蒸汽凝結成水滴，使作功的蒸汽量減少。

(2)由于水滴本身不膨脹加速，所以懸浮在蒸汽中的水滴是依靠蒸汽帶動的，因此主汽流要消耗一部分動能。（3）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，形成了過飽和蒸汽或稱過冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降減小，形成過冷損失。為了提高濕蒸汽級的效率和防止動葉被水滴侵蝕損壞，常采用下列兩種方法：一是采用去濕裝置，減少濕蒸汽中的水分；二是提高動葉的抗侵蝕能力。去濕裝置示意圖噴管靜葉片的吸水縫（二）汽輪機級的相對內(nèi)效率和內(nèi)功率以上分析結果表明，級內(nèi)存在著各種損失，因此，蒸汽在級內(nèi)進行能量轉換時，不能全部將其熱能轉換成轉軸