電站燃?xì)廨啓C(jī)軸流式壓氣機(jī)基元級(jí)的工作過程培訓(xùn)教材

電站燃?xì)廨啓C(jī)軸流式壓氣機(jī)基元級(jí)的工作過程培訓(xùn)教材1-動(dòng)葉柵2-1-動(dòng)葉柵2-靜葉柵圖3-5壓氣機(jī)的某一級(jí)半徑為r處的環(huán)形葉柵——基元級(jí)1-動(dòng)葉柵1-動(dòng)葉柵2-靜葉柵圖3-6基元級(jí)展開后形成的平面葉柵基元級(jí)中的速度三角形當(dāng)氣流流過基元級(jí)時(shí)，氣流的速度矢量在各個(gè)不同的空間位置上都將發(fā)生變化。但是為了簡化討論起見，我們只擬研究氣流的速度在三個(gè)特征面1、2、3上的周向平均值的變化關(guān)系。圖3-6中給出了一個(gè)基元級(jí)在平面上展開而成的平面葉柵。假定由前一級(jí)靜葉柵出口流束的氣流的絕對速度為c1。由于動(dòng)葉柵以圓周速度u運(yùn)動(dòng)，所以進(jìn)入動(dòng)葉柵的相對速度w1是c1與u的矢量差。由這三個(gè)速度矢量構(gòu)成的矢量三角形，就是基元級(jí)的進(jìn)口速度三角形。其中c1稱為進(jìn)口氣流的絕對速度，它與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的圓周速度u方向的夾角為α1；w1是進(jìn)口氣流的相對速度，它與u方向的夾角為β1。在動(dòng)葉柵的出口可以類似的畫出動(dòng)葉柵的出口速度三角形。那時(shí)，氣流流出動(dòng)葉柵的速度只相對速度w2，從絕對坐標(biāo)系觀察，氣流流出動(dòng)葉柵的絕對速度c2是w2與u的矢量和。顯然，c2也就是氣體流入靜葉柵的絕對速度，流出靜葉柵的絕對速度則是c3，它也是流入下一級(jí)動(dòng)葉柵的進(jìn)口絕對速度。如果回轉(zhuǎn)面不是正圓柱面，即︱u1︱≠︱u2︱，那么，基元級(jí)的速度三角形如圖3-7a所示。當(dāng)回轉(zhuǎn)面為正圓柱面時(shí)，則︱u1︱=︱u2︱=︱u︱。此外，在亞音速范圍內(nèi)，當(dāng)氣流流過基元級(jí)時(shí)，由于軸向分速的變化相對來說比較小，因此可以近似地認(rèn)為：c1a≈c2a≈c3a≈ca一般設(shè)計(jì)中又常使c3≈c1。所一在正圓柱面基元級(jí)的假設(shè)下，基元級(jí)的速度三角形可以簡化如圖3-7b所示。a)|u1|≠|(zhì)u2|時(shí)動(dòng)葉柵進(jìn)出口氣流的速度三角形b)|u1|=|u2|時(shí)動(dòng)葉柵進(jìn)出口氣流的速度三角形圖3-7基元級(jí)的氣流速度三角形在圖3-7中，絕對速度c1在圓周方向上的分速度c1u稱為氣流的預(yù)旋。當(dāng)c1u與u同向時(shí)，c1u稱之為正預(yù)旋，反之則稱為負(fù)預(yù)旋。有正預(yù)旋的氣流可以使動(dòng)葉柵的進(jìn)口馬赫數(shù)Maw1=w1/a(a為當(dāng)?shù)芈曀?保持在亞音速范圍內(nèi)，從而保證葉柵有較高的工作效率。預(yù)旋的大小是由前一級(jí)靜葉柵的出口角來保證的。從圖3-7中還表示出了動(dòng)葉柵的進(jìn)口通流面積A1(進(jìn)口相對速度w1垂直于A1)和出口通流面積A2(w2與A2相垂直)的變化關(guān)系，即A2>A1。這正意味著沿氣流的流動(dòng)方向，葉柵的通流面積是逐漸增大的。由于當(dāng)氣流通過葉柵時(shí)，氣流的密度變化并不大，因而，氣流在葉柵通道內(nèi)的流動(dòng)可以看成是一個(gè)相當(dāng)與在擴(kuò)壓器內(nèi)的減速增壓的流動(dòng)過程，即︱w2︱<︱w1︱。對于靜葉柵來說，也是如此，絕對速度c2在流過葉柵的通道時(shí)，也是一個(gè)減速的增壓過程，即︱c3︱<︱c2︱。此外，當(dāng)氣流通過動(dòng)葉柵時(shí)，相對速度w2的方向也發(fā)生了變化，即出現(xiàn)了氣流方向的偏轉(zhuǎn)，其折轉(zhuǎn)角為Δβ=β2-β1。Δβ的大小與相對速度的降低程度成正比，也就是說，葉柵的通流面積擴(kuò)張得越大，相對速度的下降程度和氣流的增壓程度也越大。因而，從折轉(zhuǎn)角的大小可以判斷和比較葉柵的擴(kuò)張度，即葉柵的增壓能力。對于靜葉來說也是這樣的?；?jí)中動(dòng)葉柵與氣流之間的作用力及外加的機(jī)械功葉腹與葉背上的壓力分析工作葉片與氣流之間力的作用關(guān)系圖3-8工作葉片與氣流之間葉腹與葉背上的壓力分析工作葉片與氣流之間力的作用關(guān)系圖3-8工作葉片與氣流之間力的作用關(guān)系眾所周知，當(dāng)氣流流過葉柵通道的每個(gè)葉片時(shí)，流體微團(tuán)有向葉腹靠攏的趨勢，因而葉腹處的壓力要比葉背處的壓力高，如圖3-8a所示，圖中以“+”號(hào)表示正壓力，以“-”號(hào)表示負(fù)壓力。這些力的合成將是一個(gè)如圖3-8b所示的，由氣流施加于葉片的總作用力P，它的方向是從工作葉片的葉腹側(cè)指向于葉片的葉背側(cè)。當(dāng)然，P可以沿軸線方向和圓周方向分解成為軸向分力Pa和周向分力Pu。其中Pu就是工作葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)需要克服的周向力，而軸向分力Pa則將傳至工作葉輪軸上的止推軸承上去。根據(jù)作用力與反作用力的原理，可以知道：與此同時(shí)，葉片將對氣流作用有一個(gè)大小相等而方向相反的力P′。該力P′同樣可以分解為軸向分力Pa′和周向分力Pu′。其中周向分力Pu′使氣流跟隨工作葉輪作圓周運(yùn)動(dòng)，并接受由工作葉片傳遞給氣流的機(jī)械功。而軸向分力Pa′則推動(dòng)氣體從低壓區(qū)向高壓區(qū)流動(dòng)。在圖3-8b上，我們以虛線劃出一個(gè)由面積abdc和一個(gè)單位長度的葉高所組成的控制體，對之引用動(dòng)量定理后，就可以求得分力Pu′和Pa′，即(3-1)(3-2)如前所述，當(dāng)工作葉柵回轉(zhuǎn)面為正圓柱面時(shí)，可以近似地認(rèn)為︱w2a︱=︱w1a︱，因而(3-3)式中——每秒鐘流過工作葉片的氣體質(zhì)量；w1a、w2a——?jiǎng)尤~柵進(jìn)口與出口處相對速度w1與w2的軸向分速度；w1u、w2u——?jiǎng)尤~柵進(jìn)口與出口處相對速度w1與w2的周向分速度；t——?jiǎng)尤~柵的一個(gè)間距寬度。顯然，氣流在力P′u的作用下，每秒鐘內(nèi)隨工作葉輪上的動(dòng)葉柵沿圓周方向移動(dòng)了距離u，因此，工作葉輪加給氣流的機(jī)械功為mau(w1u-w2u)。相對于流經(jīng)動(dòng)葉柵的每kg/s氣體來說，氣體接受的機(jī)械外功為(3-4)式中Δwu標(biāo)志著氣流在圓周方向扭轉(zhuǎn)的量，簡稱為扭速。從3-7中可以看清：對于作葉柵的回轉(zhuǎn)面為正圓柱面的情況來說，鑒于顯然因而式(3-4)還能改寫為(3-5)從式中(3-5)中可以看出：動(dòng)葉柵加給氣流的機(jī)械外功之大小取決于兩個(gè)因素，即圓周速度u和氣流的扭速Δwu。要想提高壓氣機(jī)級(jí)的增壓能力，就需要提高基元級(jí)的機(jī)械外功lu，即增大u和Δwu。但是，增大前者會(huì)受到葉輪材料強(qiáng)度的限制，而增大后者會(huì)受到葉柵氣動(dòng)性能的限制。因而在亞音速流動(dòng)的范圍內(nèi)，大幅度地提高基元級(jí)的機(jī)械外功量是有所限制的。從圖3-7b中可以進(jìn)一步看到：當(dāng)引用余弦定律時(shí)，從速度三角形中可以得知即因而式(3-5)可以改寫為(3-6)對于工作葉柵的回轉(zhuǎn)面為正圓柱面的情況來說，由于u2=u1，因此，上式可簡單化為(3-7)基元級(jí)中空氣能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖3-9中給出了壓氣機(jī)級(jí)中熱力參數(shù)的變化情況。當(dāng)把動(dòng)葉柵與靜葉柵組合在一起作為一個(gè)整體來研究時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可以看清：外界作用于1kg/s空氣的壓縮外功為(3-8)圖3-9壓氣機(jī)中熱力參數(shù)的變化情況由于在靜葉柵中氣流與外界沒有熱能和機(jī)械功的交換，即h*2=h*3，因而，式(3-8)可以改寫為圖3-9壓氣機(jī)中熱力參數(shù)的變化情況(3-9)從熱力學(xué)中得知：在有摩擦等現(xiàn)象的不可逆流動(dòng)中，由于氣流在動(dòng)葉柵中與外界均無熱能的交換，所以因而式(3-9)可改寫為(3-10)式中:lml——空氣流過動(dòng)葉柵時(shí)，由于不可逆現(xiàn)象的存在，而損耗的機(jī)械能；h1、2、*3——是相應(yīng)截面1、2、3處氣流的滯止焓值。當(dāng)比較式(3-7)和式(3-10)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)(3-11)式中——在動(dòng)葉柵前后空氣的平均密度。關(guān)系式(3-11)告訴我們：在動(dòng)葉柵中氣流相對速度動(dòng)能減小，可以引起壓力的增高。當(dāng)然，這部分壓力勢能的獲得不是憑空而來的，由關(guān)系式(3-7)可知，它是外界通過工作葉輪上的動(dòng)葉柵對空氣所施加的機(jī)械外功(也就是壓縮軸功)ly的一個(gè)組成部分。當(dāng)空氣進(jìn)而流過擴(kuò)壓靜葉柵時(shí)，由于空氣與外界并不發(fā)生熱能和機(jī)械外功的交換，因而在擴(kuò)壓靜葉柵的前后即所以(3-12)同理，由于靜葉柵與外界沒有熱能的交換，因而上式還能改寫為(3-13)式中:lm2——空氣流過擴(kuò)壓靜葉柵時(shí)，由于摩擦等不可逆現(xiàn)象的存在而損耗的機(jī)械能；——在擴(kuò)壓靜葉柵前后空氣的平均密度。由此可見，當(dāng)高速氣流流經(jīng)靜葉柵時(shí)，由于絕對速度動(dòng)能的降低，將使空氣的壓力進(jìn)一步增高。在可逆的流動(dòng)中，壓力勢能的增加完全是由于絕對速度動(dòng)能的減小而轉(zhuǎn)化來的。但是在實(shí)際的流動(dòng)過程中，由于不可避免地總會(huì)有能量損耗lm2，這就使得在靜葉柵后的空氣壓力p3要比按理想的等熵流動(dòng)過程所能增高的數(shù)值略微低一些。通過以上的分析，我們能夠比較清楚地看到，在軸流式壓氣機(jī)的級(jí)中，空氣增壓過程及其原因是：外界通過工作葉輪上的動(dòng)葉柵把一定數(shù)量的壓縮軸功ly傳遞給流經(jīng)動(dòng)葉柵的空氣，一方面使氣流的絕對速度動(dòng)能增高，同時(shí)讓氣流的相對速度動(dòng)能降低，以促使空氣的壓力得以增高一部分。隨后，由動(dòng)葉柵流出的高速氣流在擴(kuò)壓靜葉中逐漸減速，這樣，就可以使氣流絕對速度動(dòng)能中的一部分，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成為空氣的壓力勢能，使氣體的壓力進(jìn)一步增高。根據(jù)關(guān)系式(3-8)可知：當(dāng)氣流流經(jīng)壓氣機(jī)的級(jí)時(shí)，由于從外界接受了壓縮功ly，增高了空氣的焓，與此同時(shí)，空氣的狀態(tài)參數(shù)p、u、T發(fā)生了變化，她們之間的相互關(guān)系是(3-14)式中:cpa——空氣的比定壓熱容；n——壓氣機(jī)的多變壓縮指數(shù)；R——空氣的氣體常數(shù)；γ——空氣的比熱比，即空氣的比定壓熱容與比定容熱容的比值?；?jí)的反力度從式(3-10)中可知：基元級(jí)外加的機(jī)械功ly中的一部分是在動(dòng)葉柵內(nèi)直接轉(zhuǎn)換成為空氣的壓力勢能的，而另一部分則是用來提高空氣的動(dòng)能，隨后，這部分動(dòng)能再在靜葉柵內(nèi)繼續(xù)轉(zhuǎn)換成為氣流的壓力勢能，如式(3-13)所式。由于設(shè)計(jì)條件的不同，外加的機(jī)械功量ly在動(dòng)、靜葉柵中分別轉(zhuǎn)換成為壓力勢能的比例是可以不一樣的。為了表示出這一比例關(guān)系，通常采用反力度的概念，它是基元級(jí)的基本參數(shù)之一。反力度的定義是：氣流在動(dòng)葉柵內(nèi)的靜焓增量與滯止焓增量之比，即(3-15)實(shí)際上反力度是與基元級(jí)的速度三角形有密切關(guān)系的。因?yàn)楣试诠ぷ魅~柵的回轉(zhuǎn)面為正圓柱面的情況下鑒于故由速度三角形中可知所以(3-16)通常，反力度的變化范圍是：0<Ω<1。圖3-10上給出了幾種典型反力度的基元級(jí)的速度三角形、葉柵及其壓縮過程的焓熵圖。顯然，當(dāng)Ωk=0時(shí)，氣流流經(jīng)動(dòng)葉柵時(shí)，空氣的壓力是不會(huì)升高的。那時(shí)，由外界通過動(dòng)葉柵傳遞給空氣的機(jī)械外功ly，將全部轉(zhuǎn)化成為氣流絕對速度動(dòng)能的增量，致使p1=p2；而空氣壓力的增升只能在擴(kuò)壓靜葉柵中完成。從葉柵通流面積的角度看，它的特點(diǎn)是：沿著氣流的流動(dòng)方向，動(dòng)葉柵的垂直通流面積是恒定不變的；當(dāng)然，在擴(kuò)壓靜葉柵中通流面積還是要逐漸擴(kuò)大的。a)Ωk=0.5b)Ωk=0.75~0。9c)Ωk=1.0圖3-10幾種典型反力度的基元級(jí)的速度三角形、葉柵及其壓縮過程的焓熵圖當(dāng)Ωk=0.5時(shí)，可以證明c1u=w2u，∣w1∣=∣c2∣，∣w2∣=∣c1∣，即速度三角形是對稱形的，這正說明動(dòng)葉柵與靜葉柵具有相同的速度擴(kuò)壓、兩列葉柵的負(fù)載是相同的。與其他反力度的情況相比，兩列葉柵進(jìn)口的氣流馬赫數(shù)Mawl和Mac2比較接近，葉柵內(nèi)的流動(dòng)損失都比較小。由圖3-10中還可以看出：一定的反力度對應(yīng)于一定的速度三角形，也對應(yīng)于一定的柵通道的形狀。而且Ωk是與氣流的預(yù)旋c1u相互聯(lián)系的。隨著正預(yù)旋的減少，Ω值將增大。當(dāng)Ω繼續(xù)增大時(shí)，所對應(yīng)的c1u值將由正預(yù)旋過渡到負(fù)預(yù)旋?；?jí)的特性參數(shù)可以用流量、壓縮比、效率和載荷系數(shù)來描寫基元級(jí)的特性?；?jí)的流量流量是指單位時(shí)間內(nèi)流過葉柵通流截面的氣體數(shù)量，通?？梢杂觅|(zhì)量流量(kg/s)或體積流量(m3/s)來表示。由質(zhì)量守恒定律可知，壓氣機(jī)在各個(gè)通流截面上的質(zhì)量流量應(yīng)該彼此相等，即式中A=2πrΔr是基元級(jí)的通流截面積。從上式可知，當(dāng)氣體的密度ρ和通流截面積A一定時(shí)，氣流的軸向分速度ca就代表壓氣機(jī)的通流能力。在固定式壓氣機(jī)中ca=80-120m/s；在運(yùn)輸式壓氣機(jī)中ca=140-200m/s。此外，還可以用無因次的流量因子φ來表示級(jí)的相對流通能力，(3-17)通常，沿著壓氣機(jī)的軸向流程，φ值是變化著的，即使沿著同一個(gè)截面的半徑方向，它也是有所變化的。例如：在葉高的平均半徑處φ=0.5-0.75；在葉頂處φ=0.3-0.7。φ值的變化對于壓氣機(jī)工況的變化有極大的影響。壓縮比壓縮比是一個(gè)表示空氣通過壓氣機(jī)的級(jí)以后，壓力相對升高的參數(shù)，通常，它是一個(gè)無因次量，它反映了壓氣機(jī)級(jí)的增壓能力。(3-18)在亞音速的壓氣機(jī)級(jí)中，ε*≈1.15-1.25，通常不會(huì)超過1.35-1.40。效率基元級(jí)中流動(dòng)的空氣是粘性的，所以當(dāng)它通過基元級(jí)時(shí)，總會(huì)有流動(dòng)損失，因此，外界傳遞給空氣的機(jī)械功不能全部轉(zhuǎn)化為有效的能量。效率就是一個(gè)用來表示壓縮過程中能量轉(zhuǎn)換過程完善程度的性能指標(biāo)。目前，描述壓縮過程效率的表達(dá)形式很多，最常見的是等熵壓縮效率ηy*即(3-19)注腳“s”是指等熵壓縮過程終點(diǎn)的空氣狀態(tài)參數(shù)?；?jí)的ηy*可以達(dá)到0.88-0.91。載荷系數(shù)ψy工作葉片的載荷系數(shù)ψy又稱為能量頭系數(shù)，它是一個(gè)衡量壓氣機(jī)級(jí)外加機(jī)械功量的特性系數(shù)。我們知道；對于圓柱面的基元級(jí)來說，加給每kg/s空氣的機(jī)械外功ly=uΔwu。當(dāng)ly=常數(shù)時(shí)，倘若圓周速度較小，那么，就要設(shè)計(jì)氣流周向分速度差(Δwu)較大的級(jí)來滿足加功量的要求，這就會(huì)使葉柵的氣動(dòng)性能惡化，影響效率等性能參數(shù)；倘若圓周速度較大，雖然可以設(shè)計(jì)Δwu較小的級(jí)來滿足加功量的要求，但是動(dòng)葉柵的離心力將加大，會(huì)不利于葉片和葉輪的應(yīng)力狀態(tài)。因而可以引入載荷系數(shù)ψy來權(quán)衡其影響關(guān)系。通常定義(3-20)在現(xiàn)代壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)中，去ψy=0.8-1.2比較合理。超音速基元級(jí)的工作原理圖3-11超音速基元級(jí)按照氣流進(jìn)入葉柵時(shí)的流速是低于音速還是高于音速為界，可以把葉柵區(qū)分為亞音速和超音速兩大類。目前應(yīng)用的超音速基元級(jí)多數(shù)是w1高于當(dāng)?shù)匾羲?，而c2低于當(dāng)?shù)匾羲俚?。?dāng)動(dòng)葉柵進(jìn)口的相對馬赫數(shù)達(dá)到0.8以上的高亞音速范圍時(shí)，通道內(nèi)開始會(huì)出現(xiàn)超音速區(qū)和激波，這種基元級(jí)稱為跨音速基元級(jí)。通常，在壓氣機(jī)葉片的不同高度處，可能只有葉尖部分是超音速基元級(jí)，而葉片的其他部分則是亞音速基元級(jí)。這是目前有超音