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1、第二章 汽轮机级内能量转换过程,第一节 汽轮机级的基本概念 第二节 蒸汽在级内的流动过程 第三节 级的轮周效率与最佳速度比 第四节 叶栅几何尺寸的确定 第五节 叶栅气动特性及叶栅损失 第六节 级内损失和级效率 第七节 级的二维和三维热力设计,第一节 汽轮机级的基本概念,汽轮机的级 级的反动度 级的分类,汽轮机的级,级是汽轮机中最基本的做功单元 级由静叶栅(喷嘴叶栅)和与它相配合的动叶栅组成 本章着重阐述单级汽轮机的工作原理,滞止参数,气体在绝热流动过程中,因受到某种物体的阻 碍,而流速降低为零的过程称为绝热滞止过程。任 一截面上气体的焓和气体流动动能的和恒为常数。 当气体绝热滞止时,速度为零。
2、滞止焓等于任一截 面上气流的焓和其动能的总和。气体滞止时的温度 和压力分别称为滞止温度和滞止压力。用上标“”表 示。 滞止等熵焓降=进口滞止焓值出口等熵焓值,汽轮机的级,蒸汽在喷嘴中从压力p0膨胀到出口压力 p1 ,以速度c1流向动叶栅。当蒸汽通过动叶时,一般还要继续膨胀,压力由p1降到p2。如图所示级的热力过程线,则此时级的滞止理想比焓降ht*为:,s,h,0*,0,2,1,P0*,P0,P1,P2,hn*,ht*,hb,hb,近似认为与hb相等,ht,1t,2t,级的反动度,动叶内理想比焓降hb与级滞止理想比焓 降ht*之比,表示蒸汽在动叶内的膨胀程度。,1、反动度,=0时称为纯冲动级 =
3、0.5时称为反动级,级的分类 (一)冲动级和反动级 (1)纯冲动级 (2)带反动度的的冲动级 (3)复速级(双列速度级) (二)压力级和速度级 (三)调节级和非调节级,级的分类,级的分类,冲动级的做功 复速级示意图,级的工作过程的研究方法,(一)基本假设 (1)蒸汽在级内的流动是一元流动 (2)蒸汽在级内的流动是定常流动 (3)蒸汽在级内的流动是绝热流动,基本方程式,(4)等熵过程方程pvk=常数,(1)连续性方程 Gv=Ac,(2) 能量/动量方程,级的工作过程的研究方法,(3)能量守恒方程,第二节 蒸汽在级内的流动过程,P0,P1分别是喷嘴进出口压力。 理想热力过程从01t。 实际热力过程
4、是01。 0*点是0的滞止参数点。,h,s,h1,p1,1t,1,h1t,hn,hc0,0,p0,P0*,0*,h0,h0*,喷嘴中的热力过程,蒸汽滞止和喷嘴出口参数计算,喷嘴出口汽流速度的计算,喷嘴实际出口速度为:,喷嘴速度系数,动能损失为:,喷嘴出口的理想速度 为:,喷嘴动能损失,滞止理想比焓降,喷嘴的能量损失系数 :,与蒸汽,之比,喷嘴出口汽流速度的计算,喷嘴截面积的变化规律,喷嘴中的临界状态,喷嘴中的临界状态,临界压力比,:,只取决于蒸汽本身的性质,与喷嘴的结构无关。 对于过热蒸汽: 对于干饱和蒸汽:,实际流量:,喷嘴中的蒸汽流量,(1)理想情况下,当喷嘴前后的压力比 大于临界压力比时
5、,由连续性方程 有:,称为喷嘴流量系数,它主要与蒸汽状态及蒸汽在喷嘴中的膨胀程度有关。,当喷嘴前后的压力比小于或等于临界压力比时,通过喷嘴的流量将保持不变,即为临界流量:,实际临界流量:,喷嘴中的蒸汽流量,由以上分析可知,通过喷嘴的最大蒸汽流量(即临界流量),在喷嘴出口面积和蒸汽性质确定后,只与蒸汽的初参数有关;只要初参数已知,则通过喷嘴的临界流量即为定值。,喷嘴中的蒸汽流量,彭台门系数 当喷嘴进出口压力比处于某个数值时,其相应的流量G与同一初状态下的临界流量Gcr之比值称为流量比,也称为彭台门系数,记为。,蒸汽在斜切部分的膨胀,定义: 为了保证由喷嘴流出的汽流以正确的方向流入动叶栅,在喷嘴出
6、口部分设计形成的一个三角形区域,称为斜切部分。,斜切部分的作用: 1.保证汽流顺畅地进入动叶,即导流作用。 2.在满足一定的条件下,可以使蒸汽膨胀加速。,斜切部分两侧压力的分布,蒸汽在斜切部分的膨胀,蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀条件:,1.当 时,蒸汽只在喷嘴的收缩部分膨胀,而在斜切部分中不膨胀,斜切部分只起导向作用。 2.当 时,喷嘴出口截面上的压力小于临界压力。喉口截面上的压力和流速等于临界压力和临界流速。,汽流偏转角的近似计算,(b)斜切部分内汽流的偏转,根据等熵流动的连续性方程:,对于实际情况:,AB: AC:,贝尔公式,扰动的等压线,即汽流膨胀的特征线,也称马赫锥母线。为马赫角:特征线与
7、汽流流动方向的夹角。,蒸汽在斜切部分的膨胀,极限压力:,斜切部分汽流的偏转,蒸汽在动叶中的流动,蒸汽在喷嘴中从压力p0膨胀到出口压力 p1,以速度c1流向动叶栅。当蒸汽通过动叶时,一般还要继续膨胀,压力由p1降到p2.如图所示级的热力过程,则此时级的滞止理想比焓降ht*为:,s,h,0*,0,2,1,P0*,P0,P1,P2,hn*,ht*,hb,hb,近似认为与hb相等,动叶进口速度三角形,动叶栅的进口和出口速度三角形,根据正弦或余弦定理:,圆周速度:,蒸汽流过动叶的出口速度,蒸汽在动叶栅中的热力过程线,将能量守恒方程应用于1和2t点:,动叶出口的理想速度:,动叶滞止理想比焓降:,u动叶的
8、圆周速度,c1、w1、u构成动叶栅的进口速度三角形,c2、w2、u构成动叶栅的出口速度三角形。则各个速度矢量之间的关系式为:,动叶进出口速度三角形,当蒸汽以速度c2离开本级时,蒸汽所带走的动能不能被本级利用,称为该级余速损失。,在多级汽轮机中,前一级的余速损失常可以部分或全部被下一级所利用。用余速利用系数1表示被利用的部分,则为:,一 、速度三角形,2、动叶出口的速度计算,由能量平衡方程可知:,由于存在不可逆损失,则动叶出口实际相对速度为:,动叶速度系数,蒸汽在动叶中的流动,这样蒸汽流经动叶时的能量损失:,其能量损失系数是:,小结:对蒸汽在喷嘴和动叶中流动的分析对整个汽轮机原理的学习来说,是最
9、基本同时又是最重要的,必须深刻理解其热力过程,牢固掌握各个计算关系式及其物理意义。,蒸汽在动叶中的流动,轮周功率和轮周功,汽流作用在动叶栅上的力,轮周功率和轮周功,单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所做的机械功,称为轮周功率。根据动量守恒,叶片对蒸汽周向力为:,则轮周功率为:,1kg蒸汽产生的有效功,称为级的做功能力,为:,由上式可以看出:单位蒸汽流量在一级内所做轮周功等于冲动力作功和反动力作功之和。,冲动力作功,反动力作功,轮周功率和轮周功,汽轮机的级,蒸汽在喷嘴中从压力p0膨胀到出口压力 p1 ,以速度c1流向动叶栅。当蒸汽通过动叶时,一般还要继续膨胀,压力由p1降到p2。如图所示级的热力过程线,
10、则此时级的滞止理想比焓降ht*为:,s,h,0*,0,2,1,P0*,P0,P1,P2,hn*,ht*,hb,hb,近似认为与hb相等,ht,1t,2t,第三节 级的轮周效率与最佳速度比,蒸汽在级内的焓降计算公式,第三节 级的轮周效率与最佳速度比,级的有效焓降等于级的做功能力。,根据能量平衡,级的有效焓降为,单位蒸汽量流过某级所产生的轮周功与蒸汽在该级中理想可用能之比,称为该级的轮周效率。,第三节 级的轮周效率与最佳速度比,轮周效率和速度比的定义,速度比x1=u/c1反映了余速损失的大小,假想速度比xa=u/ca,其中假想速度,级的轮周效率与最佳速度比,轮周效率与喷嘴能量损失、动叶能量损失和余
11、速损失有关。 能量损失与速度系数有关。 叶栅确定以后,速度系数也就确定。 余速损失最小,轮周效率最大,如下图。,级的轮周效率与最佳速度比,级的轮周效率与最佳速度比,最佳速度比计算,纯冲动级的最佳速度比(在没有余速利用的情况下),最佳速度比计算,余速利用对最佳速度比的影响,最佳速度比计算,所以:,则由,反动级对最佳速度比的影响,可得:,第六节 级内损失和级效率,一、流动损失 1.喷嘴损失和动叶损失 原因:蒸汽在汽轮机级内流动时产生的喷嘴损失和动 叶损失,、叶高损失(叶端损失、二次流损失) 原因:叶片内弧与背弧存在压差,有压差就导致流 动损失; 解决方法:增大叶高或减小叶宽。 直到现在,这个理论解
12、法不完善,没有较好的解 决。,级内损失,不包括叶高损失的轮周有效比焓降,叶高损失也可用下面的经验公式计算:,级内损失,其中: 是经验系数,单列级为9.9,双列级为27.6,3. 扇形损失 原因:较长叶片沿叶高方向汽流参数会有一定变化,使得其工作状态偏离设计工况,因此而形成的损失。,级内损失,解决方法:对于长叶片采用扭叶片。,动叶高度和动叶平均直径。,级内损失,4. 余速损失 原因:蒸汽流出动叶栅时产生的余速损失。,级内损失,叶轮摩擦所消耗的轮周功率为:,二、叶轮的摩擦损失 原因:叶轮与两侧蒸汽发生摩擦,克服摩擦阻力所消耗的机械功。,级内损失,影响它的主要因素:比容、轮周速度和级平均直径; 解决
13、方法:采用反动式汽轮机。,三、部分进汽损失(部分进汽) 、鼓风损失 原因:叶栅推动静止汽流流动,所消耗的功(喷嘴的非工作弧段)。(鼓风),级内损失,影响它的主要因素:部分进汽度。解决方法:加护罩。,级内损失,、斥汽损失 原因:蒸汽推动了静止汽体流动,消耗了功(喷嘴的工作弧段)。解决方法:减少喷嘴组数。,总的部分进汽损失:,四、漏汽损失,级内损失,级内损失,、隔板漏汽(流动情况与喷嘴相似) 原因:隔板与轴间存在间隙,且存在压差,所以一定会有漏汽。,级的有效比焓降,级内损失,解决方法: 加汽封,现在主要是梳齿汽封(蜂窩式汽封)。 开平衡孔,(主要目的,辅助作用) 在喷嘴和动叶叶根部设置轴向汽封。,
14、、动叶顶部漏汽损失 原因:存在间隙,(轴向,和径向) 解决方法:安装围带,减小反动度。,级内损失,总的漏汽损失,五、湿汽损失 原因:未级叶片工作在湿蒸汽区,结果有水珠析出。这 就形成了,汽液两相流。 这种流动方式不但有损失而且有危害。,级内损失,级前后的平均干度:,级内损失,影响: 、对级效率的影响; 、对最佳速比的影响,使最佳速比下降; 、对反动度的影响,使反动度上升。 、对汽轮机叶片的冲蚀。,湿汽损失:这个是现在一直研究和讨论的问题,国内外都做过大量的研究和实验,但是无论是理论研究、试验研究和汽轮机效率的影响,都有许多问题没有解决。 解决方法: 除湿: 除水滴:采用捕水口和吸水缝;(具体作
15、法) 加热:叶片内通入高温蒸汽。(具体作法) 图片 01 02,级内损失,级内损失,减少冲蚀: 采用耐冲蚀叶片,加入一些化学物质,减小腐蚀; 更换叶片。,二、级的相对内效率,级的相对内效率,表示除了喷嘴损失、动叶损失 和余速损失之外的所有损失,级的有效比焓降,级的相对内效率,级的相对内效率的定义:1kg蒸汽所具有的理想能量中 最后转变为有效功的那部分能量,三、提高级的相对内效率途径,(一)动静叶之间的轴向间隙,(二)径向间隙,(三)叶片宽度,(四)平衡孔,提高级的相对内效率途径,课后习题,二 带反动度的冲动级u=160.5m/s, =0.54, =0.13, =0.97, =0.938, = -6.7 , =11.67 ,计算并绘出动叶进出口速度三角形。,一 汽轮机的损失有哪些?它们产生的原因及如 何减小损失?,蒸汽在级中流动过程,部分进气示意,磨擦损失示意,叶高损失,漏汽损失,隔板汽封装置,除湿装置,除湿装置示意,部分进汽时的护罩示意图,各种汽封及弹簧,汽封结构,导叶加强筋,动叶轴向和径向间隙,隔板汽封凹槽,
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