沖動級與反動級

沖動級與反動級之比較摘要：通過分析汽輪機的原理，從熱力過程、結構、最佳速比以及各項損失四個方面分析比較了反動級與沖動級的不同，總結了兩者的長處與不足。前言：自1883年首臺單級沖動式汽輪機發(fā)電組投運以來，汽輪機已經有了一百多年的歷史。目前，在發(fā)電汽輪機中已經有瑞士制造的雙軸1300MW、前蘇聯制造的單軸1200MW火電汽輪機和法國制造的1500MW核電汽輪機等。汽輪機是在高壓、高溫、高轉速下工作的一種大型精密動力機械，它的制造與發(fā)展涉及到許多工業(yè)部門和學科領域，汽輪機的制造水平是一個國家科學技術和工業(yè)技術發(fā)展的標志之一。隨著電力需求的迅速增長和電網容量的不斷擴大，汽輪機在向著高參數、大容量方向發(fā)展的同時，提高汽輪機的經濟性、安全可靠性、負荷適應性和自動化水平始終是汽輪機發(fā)展的中心。在汽輪機發(fā)展的過程中關于沖動式汽輪機和反動式汽輪機優(yōu)劣性的比較一直在進行著?，F在主要經營沖動式汽輪機的企業(yè)有：美國通用電氣公司、蘇聯的列寧格勒金屬工廠等企業(yè)；主要經營反動式汽輪機的企業(yè)有：美國的西屋電氣公司、瑞士的勃朗?鮑維利公司、日本的東芝重工業(yè)等公司。法國的阿爾斯通?大西洋公司則是兩者皆生產，壟斷了法國大型發(fā)電設備的生產。一個世紀以來的實踐證明，沖動式和反動式汽輪機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兩者的發(fā)展，則是我們現在工作的重心。一、基本原理根據蒸汽在汽輪機內的碰撞，我們將汽輪機分為兩類。一類是沖動級，即蒸汽只在靜葉柵中膨脹加速，而在動葉柵中不再膨脹的級，但一般應用的沖動級都帶有少量反動度；一類是反動級，同沖動級相反，是指蒸汽在靜葉柵和動葉柵中都膨脹加速的級。為了表明在一級中，蒸汽在動葉內膨脹程度的大小，引入反動度的概念反動度為動葉內理想比焓降與級的理想比焓降之比。習慣上將具有不大反動度值，即0=0.05?0.3的級，仍稱為沖動級；而當反動度較大，即Q=0.4?0.6時，才稱為反動級。mm二、區(qū)別1、熱力過程：純沖動級：Q=0，即Ah=0。p=p，如圖所示，00點mb120為以初速c從pv等比熵滯止到相對于噴嘴速度為零000時的狀態(tài)，0點為噴嘴進口前的狀態(tài)。在噴嘴內，蒸汽

膨脹到p，速度由初速度增加到C。1點為噴嘴出口狀態(tài)，也是動葉進口狀態(tài)。11因為Ah=0，所以蒸汽進入動葉后不發(fā)生膨脹，只改變氣流轉角。由于沖動級焓b降全都分布在噴嘴里，所以噴嘴出口處c、w相對較11大。而由于在動葉內部發(fā)生膨脹，w=w。2t1純反動級：0=0.5，此時Ah=Ah0，如圖所示，同樣，Ahom b n t00點為以初速C從pv等比熵滯止到相對于噴嘴速0000度為零時的狀態(tài)，0點為噴嘴進口前的狀態(tài)，1點為噴嘴出口狀態(tài)，也是動葉進口狀態(tài)。蒸汽在噴嘴內膨脹到p后進入動葉，在動葉內仍進行膨脹，同時發(fā)生氣1流轉角的變化。由于在動葉內發(fā)生膨脹，故相對速度w>w。21動葉pl)動葉pl)大，0=arcsin（二sina）相對較小。0為動葉的幾何參數，不隨運行工況改變,1 w1 21故相對于反動級而言，氣流進出轉角較大，導致其葉柵損失較大。由于一定流量時，蒸汽膨脹決定于流道的形狀，而沖動級在噴嘴內膨脹，而在動葉內不膨脹，故其動靜葉型線差異很大。因為速度系數取決于型線，而沖動級動葉中汽流轉角大、膨脹小，附面層易增厚和脫離，故其動葉速度系數小。對于沖動級，噴嘴、動葉出口參數相A endlsin0近，因為w<C，故一^= b-b 2a1.4，動2 1A endlsinan nn 1葉出口截面積比噴嘴出口截面積大。沖動式汽輪機多采用隔板式，每一級由一個隔板和一個葉輪組成，噴嘴安裝在隔板上，而動葉片安裝在輪盤外緣。純反動級：純反動級由于在噴嘴內和在動葉內的焓降相同，故c、w相對較小,11

動葉而言，氣流進出轉角較小，而在動葉柵中為增速流，故其葉柵損失較小。反動級由于在噴嘴內和在動葉內的膨脹程度相差不大，故為了制造方便，其動、靜葉型線基本相同。反動級動葉中汽流轉角小、膨脹大，附面層不易增厚，其動葉系數較大。反動動葉級在動葉中膨脹，wQc，比容略大于噴嘴出口，故21AAQ1.0，動靜面積近似相等。且隨壓力降低，比容增大A噴嘴n噴嘴較快，動、靜面積比增大。反動式汽輪機的動葉片大多直接裝在輪鼓上，在每列葉片之前，裝有靜葉片。動葉片和靜葉片的斷面形狀基本相同。由于反動式汽輪機每一級前后都存在壓力差，因而在整個轉子上產生很大的軸向推力。為了減小這個軸向推力，反動式汽輪機不能象沖動式汽輪機那樣采用葉輪結構，而是在轉子前部裝設平衡活塞來抵消軸向推力。活塞前的空間用聯通管和排汽管聯通，使活塞上產生一個向左的軸向推力，以達到平衡轉子軸向推力的目的。3撮佳速比：沖動級：對于純沖動級，級內反動度為0，w=w。根據輪周效率一般公式2t 1耳=u（嚴*2節(jié)嚴巴）可以得知，輪周效率的高低同噴嘴、動葉速度系數、u Aho--c2t2 2反動度以及輪周速度有關。令輪周速度與級假想速度之比為假想速比uux= -aca2x(趴1-Qcos*+屮①cos卩uux= -aca，將公式轉化為耳= ——m 」—亠__Z，其中，-2Aho u 1一P帥2①2—2x屮①cos|3+x2)t 1 a 2a①二竺=.-Q+p2(1—Q)+x2—2px (1—Q)cos*。假設上式中噴嘴的速度系C m ma a m 1a數申和動葉的速度系數屮以及*、B均為常數（申=0.97，屮=0.90,*二11.5°，1110二28?？芍猚os*二0.9799,）,則純沖動級的輪周效率和速度比之間的關系將11具有如圖形狀：（余速完全未被利用）

輪周效率曲線圖由圖可以看出，當x二0.49沁1cos?的時候，輪周效率最大，大約為0.85。對于121純沖動級而言，B，w=w，要是x=COSa，即要求u=cCOSa=—c，2 1 2t 1 1 2 1 2 1 1 2 1u則c的方向角a必定等于90°，此時c最小。否則，余速損失將增大。222余速完全被利用：輪周效率曲線圖由圖可以看出，當X]=0.6的時候，輪周效率達到醉倒值，大約為0.90。純反動級：假設上式中噴嘴的速度系數申和動葉的速度系數屮以及a、B均為11

常數（申=0.97,屮=0.95,a=19°,0二28°,可知，cos?二0.9455）,則111純反動動級的輪周效率和速度比之間的關系將具有如圖形狀：輪周效率曲線圖從圖中可以看出，當x二0.65時輪周效率達到最大值，大約為0.81。1余速完全利用時：輪周效率曲線圖由圖可知，當x二0.65的時候，輪周效率最大，大約為0.911同沖動級相比較可知，輪周效率達到最大值時所對應的最佳速比純沖動級小于純反動級。而對于余速完全未被利用時，純沖動級的最大輪周效率大于純反動級的最大輪周效率，而對于余速完全被利用時則相差不大。4、各項損失汽輪機內的各項損失主要包括噴嘴損失5h、動葉損失6h、余速損失認、nb c2葉高損失8h、撞擊損失5h、扇形損失8h、葉輪摩擦損失5h、部分進氣損失6h、1 卩1 0 f e濕汽損失5h以及漏氣損失5hx51） 噴嘴損失5h:5h二（1-申2）Ah0。由于純沖動級的焓降全都分配在噴嘴內，當nnn噴嘴速度系數沖動級與反動級相同且汽輪機的理想焓降Ah0相同時，純沖動級的t噴嘴損失遠大于反動級的噴嘴損失；2） 動葉損失5h:5h二（1-屮2）Aho。由于純沖動級在動葉內部發(fā)生膨脹，沒有焓bbb降，故其沒有動葉損失；3） 余速損失5h:5h=—c2。c2 c2224） 葉咼損失5h : 5h = Ah ,Ah =Aho—5h —Ah —Ah。取決于汽輪機的初參1 1luutnb c2n數。5） 撞擊損失5h:5h二巴1血0）2，取決于汽輪機的初參數。卩— 01 26）扇形損失5h:5h Aho,〔二0.7（）2，取決于汽輪機的初參數。000t0db7） 葉輪摩擦損失5h:對于反動級，由于沒有葉輪，動葉是直接安裝在轉鼓上f的，因此沒有這一項損失。8） 部分進氣損失5h:對于反動級，若采用部分進氣，將增大損失，故只有沖動e級才能采用部分進氣，反動級沒有該項損失。9） 濕汽損失5h:5h=（1—x）Ah',x=1（x+x）,Ah'為不考慮濕汽損失的級的TOC\o"1-5"\h\zxx mim2 0mi有效焓降。\o"CurrentDocument"A 51.410）漏氣損失5h:Ah=Ah+Ah= Ah'+1.72上E。因為從安全角度考5 5PP-zi l0舁p b慮，葉頂間隙一般不小于0.4mm。由于反動級必須全周進汽，高壓部分的葉片高度也不可能大，因此反動級漏氣損失的影響較大。三、優(yōu)缺點比較：沖動級：動葉中汽流轉角大、膨脹小，附面層易增厚和脫離，故其動葉速度系數??；然而氣流進出轉角較大，導致其葉柵損失較大