第一章§2-蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程課件

汽輪機(jī)原理

第一章汽輪機(jī)級(jí)的工作原理

第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

胡長(zhǎng)興huchx@第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

內(nèi)容及要點(diǎn)一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程*****

1、噴嘴出口汽流速度（噴嘴壓比，速度系數(shù)，噴嘴損失） 2、噴嘴中蒸汽參數(shù)、流速與等比熵比焓降的關(guān)系（臨界截面） 3、噴嘴中汽流的臨界狀態(tài)（臨界狀態(tài)（速度、壓比、截面積）） 4、噴嘴的通流能力（臨界流量、流量系數(shù)、彭臺(tái)門系數(shù)）二、蒸汽在噴嘴斜切部分的膨脹***（膨脹條件，汽流偏轉(zhuǎn)角）三、蒸汽在動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程和通流能力*第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程蒸汽在噴嘴（靜葉）中的膨脹過(guò)程的特點(diǎn)：

(1)蒸汽在噴嘴中把熱能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，并獲得一定的方向；

(2)噴嘴固定在汽缸上，是靜止的，不對(duì)外做功。ΔhnΔhn*0*01shp0t01tp1P0*由能量方程：寫出0*，0，1，1t四個(gè)位置能量平衡方程。

1、噴嘴出口汽流速度第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程ΔhnΔhn*0*01shp0t01tp1P0*由能量方程：

1、噴嘴理想出口速度：若把蒸汽作為理想氣體（1.2.3），則式中：噴嘴壓比：噴嘴后的壓力與噴嘴前的滯止壓力之比。1、噴嘴出口汽流速度在噴嘴中實(shí)際流動(dòng)工質(zhì)是蒸汽，有黏性，有阻力，要考慮由于黏性存在所造成的速度下降。

式中：－噴嘴實(shí)際出口速度；－噴嘴理想出口速度。實(shí)際噴嘴出口速度：噴嘴損失：噴嘴損失系數(shù)：引入噴嘴速度系：1、噴嘴出口汽流速度第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程ΔhnΔhn*0*01shp0t01tp1P0*影響速度系數(shù)因素分析：噴嘴高度ln，葉型，汽道形狀，葉型表面粗糙度、壓比、沖角等。從上試驗(yàn)圖得出：①

噴嘴速度系數(shù)在0.92～0.98之間，設(shè)計(jì)時(shí)，取，另考慮葉高損失。②ln<15mm時(shí)，φ值劇烈下降，所以保證ln>15mm；

ln>

100

mm時(shí)，φ值基本上不隨ln變化。③在強(qiáng)度允許條件下，盡量采用較窄的噴嘴。噴嘴寬度Bn＝55mm噴嘴寬度Bn＝80mm1、噴嘴出口汽流速度第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程1.連續(xù)方程式2.運(yùn)動(dòng)方程3.馬赫數(shù)Ma：？蒸汽經(jīng)過(guò)噴嘴時(shí)為什么能夠在較小能量損失的情況下進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換答：因?yàn)閲娮鞄缀涡螤顫M足空氣動(dòng)力學(xué)公式：第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程2、噴嘴中蒸汽參數(shù)、流速與等比熵比焓降的關(guān)系當(dāng)Ma<1，為亞音速流動(dòng)，，要使亞音速汽流在汽道中膨脹、加速、壓力下降，汽道的截面積應(yīng)逐漸收縮，漸縮型噴嘴根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)公式：當(dāng)Ma>1，為超音速流動(dòng)，，要使超音速汽流在汽道中膨脹、加速、壓力下降，汽道的截面積應(yīng)逐漸增大，漸擴(kuò)型噴嘴綜合以上的兩種情況：如果要使汽流不斷膨脹加速，在亞音速流動(dòng)時(shí)，噴嘴截面必須逐漸收縮，而汽流速度達(dá)音速后，噴嘴截面必須逐漸增大，縮放型噴嘴第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程2、噴嘴中蒸汽參數(shù)、流速與等比熵比焓降的關(guān)系根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)公式：第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程2、噴嘴中蒸汽參數(shù)、流速與等比熵比焓降的關(guān)系航空發(fā)動(dòng)機(jī)，哪個(gè)是超音速發(fā)動(dòng)機(jī)？蒸汽在噴嘴中流動(dòng)時(shí)各項(xiàng)參數(shù)沿汽道的變化規(guī)律第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程2、噴嘴中蒸汽參數(shù)、流速與等比熵比焓降的關(guān)系從流體力學(xué)得知，亞音速汽流在縮放噴嘴中膨脹流動(dòng)時(shí)，汽流速度c上升，p下降，在某一截面上汽流速度c=a，Ma=1，此狀態(tài)叫臨界狀態(tài)，此截面叫喉部。臨界壓力pcr，臨界速度ccr。臨界壓力pcr與滯止壓力p0*之比，叫臨界壓比εcr。等商過(guò)程，臨界壓比εcr只與蒸汽絕熱指數(shù)k有關(guān)。對(duì)于過(guò)熱蒸汽：k=1.3，εcr

=0.546飽和蒸汽：k=1.135，εcr

=0.577空氣：k=1.4，εcr

=0.528Y臨界狀態(tài)N亞臨界狀態(tài)p0c0喉部pcrccrp1第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程3、噴嘴中汽流的臨界狀態(tài)

如果想從亞音速汽流膨脹獲得超音速汽流，必須滿足：①幾何條件：縮放噴嘴②力學(xué)條件：

第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程3、噴嘴中汽流的臨界狀態(tài)理想流量出口面積，理想速度，密度，則通過(guò)噴嘴的理想流量：當(dāng)噴嘴參數(shù)一定時(shí)，可見(jiàn)，當(dāng)?shù)扔谂R界壓比時(shí)，噴嘴流量最大，此時(shí)流量稱為

臨界流量。流過(guò)噴嘴的最大流量的條件滿足極值，

令，得：流量是壓比的函數(shù)。第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程4、噴嘴的通流能力縮放噴嘴臨界流量計(jì)算公式與上式一樣，只是為喉部面積，而非出口面積。臨界流量：式中：過(guò)熱蒸汽，，，飽和蒸汽，，=0.635，

僅與蒸汽性質(zhì)有關(guān)。第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程4、噴嘴的通流能力當(dāng)，噴嘴前后壓力相等，；當(dāng)時(shí)，流量始終保持臨界流量不變。實(shí)際曲線是ABC，而不是OBC。當(dāng)繼續(xù)減小，逐漸減??；當(dāng)，。但實(shí)驗(yàn)證明：只要噴嘴前后存在壓力差，噴嘴流量是不會(huì)等于零的。壓比減小，增加；當(dāng)，最大，為；第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程4、噴嘴的通流能力漸縮噴嘴的流量與壓比的關(guān)系式中：為噴嘴流量系數(shù)，，實(shí)際流量過(guò)熱蒸汽：,

取：

濕蒸汽：?。河绊懥髁肯禂?shù)的因素很多，如不同蒸汽進(jìn)口壓力和壓力比、級(jí)的反動(dòng)度、進(jìn)口蒸汽的過(guò)熱度和濕度、以及速度系數(shù)等。很難用理論方法準(zhǔn)確計(jì)算，通常用試驗(yàn)方法確定。第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程4、噴嘴的通流能力噴嘴和動(dòng)葉的流量系數(shù)噴嘴流量系數(shù)一般絕熱過(guò)程，流動(dòng)損失加熱了蒸汽，使蒸汽的排汽比焓增加，因而蒸汽的實(shí)際密度小于理想密度。過(guò)熱蒸汽：≈,取：

過(guò)熱蒸汽：,?。?/p>

?第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程4、噴嘴的通流能力過(guò)冷現(xiàn)象（過(guò)飽和現(xiàn)象）濕蒸汽>1通常，在濕蒸汽膨脹過(guò)程中，其溫度不斷下降，蒸汽不斷凝結(jié)。在通過(guò)飽和線以后，濕蒸汽區(qū)域內(nèi)隨蒸汽的膨脹，蒸汽中應(yīng)該不斷地分離出水滴。但是，靜葉片中蒸汽流動(dòng)速度大停留時(shí)間極短來(lái)不及析出水滴蒸汽的實(shí)際濕度要比相同壓力下蒸汽濕度小，應(yīng)該凝結(jié)的水滴未能凝結(jié)水滴的汽化潛熱未能釋放出來(lái)加熱汽流，因而汽流的實(shí)際溫度較低。實(shí)際密度，反而大于理想密度。出現(xiàn)通過(guò)靜葉片流道的實(shí)際流量大于理想流量?第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程4、噴嘴的通流能力考慮流量系數(shù)后，實(shí)際臨界流量為：過(guò)熱蒸汽（）：飽和蒸汽（）：Y臨界狀態(tài)N亞臨界狀態(tài)噴嘴流量計(jì)算時(shí)，先判斷第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程4、噴嘴的通流能力

彭臺(tái)門系數(shù)（通過(guò)噴嘴的流量與同一初始狀態(tài)下的臨界流量之比）βεn橢圓方程：原點(diǎn)(εcr,0)，長(zhǎng)軸1，短軸1-εcr亞臨界，如下圖超臨界，=1ββ第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程4、噴嘴的通流能力為了保證由噴嘴流出的汽流以正確的方向流入動(dòng)葉柵，噴嘴葉柵出口角度是精心設(shè)計(jì)的由此，在噴嘴出口部分形成的三角形區(qū)域，如圖ABC區(qū)域，稱為斜切部分。作用：1、保證汽流順暢的流入動(dòng)葉柵，即導(dǎo)流作用。 2、在滿足一定的條件下，可以使蒸汽膨脹加速。第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

二、蒸汽在噴嘴斜切部分的膨脹斜切部分不膨脹，只起導(dǎo)流作用，流速小于或等于音速。1)，噴嘴喉部截面AB上，，1、蒸汽在噴嘴斜切部分的膨脹出口汽流方向角α1α1第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

二、蒸汽在噴嘴斜切部分的膨脹2)時(shí)，，在斜切部分，汽流從膨脹到背，獲得超聲速流。A點(diǎn)汽流壓力突然從pcr降低至平p1，產(chǎn)生汽流的擾動(dòng)，成為擾動(dòng)源。根據(jù)普朗克外繞鈍角理論，A點(diǎn)發(fā)出一系列擾動(dòng)波以聲速在流量中傳播，斜切部分形成以A為中心的膨脹波區(qū)。通過(guò)A點(diǎn)引射出一束等壓特性線。汽流通過(guò)特性線后，速度增加，壓力下降，直到壓力為背壓p1，此時(shí)汽流偏轉(zhuǎn)δ1。第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

二、蒸汽在噴嘴斜切部分的膨脹已知噴嘴壓比，絕熱指數(shù)，噴嘴出汽角偏轉(zhuǎn)角通過(guò)AB截面流量：通過(guò)AC截面流量：

p1p0α1δ1CAB對(duì)于高壓級(jí)的直葉片第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

二、蒸汽在噴嘴斜切部分的膨脹偏轉(zhuǎn)角的近似計(jì)算（貝爾公式）貝爾公式噴嘴極限壓力p1d是斜切部分內(nèi)超聲速流動(dòng)產(chǎn)生的特性線達(dá)到出口AC時(shí)的壓力，即斜切部分的極限壓力。若噴嘴后壓力繼續(xù)降低，汽流將在斜切部分之外膨脹，但由于沒(méi)有壁面的限制，是一種紊亂的膨脹，將導(dǎo)致流動(dòng)損失。第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

二、蒸汽在噴嘴斜切部分的膨脹噴嘴斜切部分極限壓力的確定

第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

三、蒸汽在動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程和通流能力動(dòng)葉通道的形狀與噴嘴相似，前面討論的噴嘴中流動(dòng)的一些方法和結(jié)論，如滯止參數(shù)、臨界參數(shù)、斜切部分的膨脹與汽流偏轉(zhuǎn)、流量系數(shù)等均適用于蒸汽在動(dòng)葉汽道中的流動(dòng)。動(dòng)葉柵研究的重點(diǎn)：

從蒸汽的動(dòng)能到葉輪機(jī)械能的轉(zhuǎn)換問(wèn)題ΔhnΔhn*0*01p0t01tp1p0*δhnΔhbΔhb*1*12p1t12tp2p1*δhb噴嘴動(dòng)葉出口理想速度：出口理想速度：速度系數(shù)：

速度系數(shù)：

出口實(shí)際速度：

出口實(shí)際速度：

能量損失：

能量損失：

能量損失系數(shù)：能量損失系數(shù)：？第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

三、蒸汽在動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程和通流能力動(dòng)葉柵速度系數(shù)與噴嘴速度系數(shù)一樣與許多因素有關(guān)。如：葉型、葉高lb、反動(dòng)度、表面光潔度，汽流相對(duì)速度等。速度系數(shù)與反動(dòng)度和汽流相對(duì)速度關(guān)系曲線動(dòng)葉柵速度系數(shù)的確定非常重要，直接影響動(dòng)葉柵中的流動(dòng)損失的大小和級(jí)的效率。用左圖進(jìn)行熱力計(jì)算式，須單獨(dú)計(jì)算葉高損失。一般通過(guò)試驗(yàn)得到，常取0.85-0.95第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過(guò)程

三、蒸汽在動(dòng)葉通道中的