汽輪機(jī)原理第一章課件

第一章汽輪機(jī)級的工作原理第一節(jié)概述第二節(jié)蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過程第三節(jié)級的輪軸功率和輪軸效率第四節(jié)葉柵的氣動(dòng)特性第五節(jié)級內(nèi)損失和級的相對內(nèi)效率第六節(jié)級的熱力設(shè)計(jì)原理第七節(jié)級的熱力計(jì)算示例第八節(jié)扭葉片級§1.概述一、汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)簡介汽輪機(jī)本體中做功氣流的通道稱為汽輪機(jī)的通流部分。級：由一列靜葉柵和一列動(dòng)葉柵組成，完成蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的機(jī)械能的最基本單元。1-靜葉柵（噴嘴）；2-動(dòng)葉柵；3-隔板；4-葉輪；5-主軸返回一.級的工作過程

1.級的組成0－0截面：噴嘴進(jìn)口截面；1－1截面：噴嘴與動(dòng)葉之間截面(噴嘴出口、動(dòng)葉進(jìn)口)；2－2截面：動(dòng)葉出口截面；

一.級的工作過程

2.噴嘴蒸汽在噴嘴內(nèi)（靜葉內(nèi)）完成:熱能動(dòng)能一.級的工作過程——3.動(dòng)葉在動(dòng)葉內(nèi)，把蒸汽具有的動(dòng)能和熱能機(jī)械功作用力：①由靜葉出口的高速蒸汽沖擊動(dòng)葉產(chǎn)生沖動(dòng)力Fi②動(dòng)葉內(nèi)蒸汽繼續(xù)膨脹，產(chǎn)生一個(gè)反動(dòng)力FrF一.級的工作過程——4.動(dòng)葉進(jìn)出口速度三角形

動(dòng)葉進(jìn)口速度三角形：動(dòng)葉出口速度三角形：－動(dòng)葉平均直徑處的圓周速度

－噴嘴出口速度（動(dòng)葉進(jìn)口絕對速度）

－動(dòng)葉進(jìn)口的相對速度－動(dòng)葉出口的相對速度－動(dòng)葉出口絕對速度

5.級的熱力過程線

噴嘴理想焓降動(dòng)葉理想焓降級理想焓降噴嘴滯止理想焓降級滯止理想焓降初速能余速損失二.級的反動(dòng)度

1、定義：

級反動(dòng)度定義：等于蒸汽在動(dòng)葉汽道內(nèi)膨脹時(shí)所降落的理想焓降和整個(gè)級的滯止理想焓降之比。平均反動(dòng)度：動(dòng)葉平均直徑截面上的理想焓降。2、意義：衡量在動(dòng)葉中膨脹的程度。三.級的類型和特點(diǎn)

純沖動(dòng)級：反動(dòng)度的級稱純沖動(dòng)級沖動(dòng)級

帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級（沖動(dòng)級）：在沖動(dòng)級中帶少量反動(dòng)度反動(dòng)級：反動(dòng)度的級稱反動(dòng)級復(fù)速級：由固定的噴嘴、導(dǎo)葉和安裝在同一葉輪上的兩列動(dòng)葉組成的級稱為復(fù)速級2、壓力級和速度級（1）壓力級：蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能的過程在級內(nèi)只進(jìn)行一次的級。（2）速度級：蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能的過程在級內(nèi)進(jìn)行一次以上的級。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(fù)荷改變的級，如噴嘴調(diào)節(jié)的第一級。（2）非調(diào)節(jié)級：通流面積能不隨負(fù)荷改變的級，可以全周進(jìn)汽，也可以部分進(jìn)汽。三.級的類型和特點(diǎn)

純沖動(dòng)級反動(dòng)度級稱純沖動(dòng)級特點(diǎn)：①只在噴嘴中膨脹，在動(dòng)葉中不膨脹，只改變流動(dòng)方向；②作用力：只有沖動(dòng)力，沒有反動(dòng)力；③級的作功能力大，級所承擔(dān)滯止理想焓降大，效率低；④噴嘴：漸縮噴嘴；動(dòng)葉：近似對稱彎曲，汽道橫截面沿汽流方向不發(fā)生變化。

返回三.級的類型和特點(diǎn)

帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級（沖動(dòng)級）在沖動(dòng)級中帶少量反動(dòng)度特點(diǎn)：①蒸汽主要在噴嘴中膨脹，小部分在動(dòng)葉中膨脹；②作用力：主要是沖動(dòng)力；③作功能力大，級所承擔(dān)的滯止理想焓降較大，效率有所提高；④噴嘴：漸縮噴嘴；動(dòng)葉：汽道橫截面沿汽流方向有所收縮；實(shí)際的沖動(dòng)級汽輪機(jī)都是帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級，應(yīng)用廣泛。返回三.級的類型和特點(diǎn)反動(dòng)級：反動(dòng)度的級稱反動(dòng)級特點(diǎn)：①一半在噴嘴（靜葉）中膨脹，一半在動(dòng)葉中膨脹；②同時(shí)存在沖動(dòng)力和反動(dòng)力；③反動(dòng)級效率高，級的作功能力較?。壍臏估硐腱式递^小）；④噴嘴與動(dòng)葉均為收縮型，由于膨脹量相同，噴嘴與動(dòng)葉的葉型基本相同。Δht0Δhn0Δhb00012sh返回三.級的類型和特點(diǎn)

復(fù)速級

復(fù)速級由噴嘴、導(dǎo)葉和兩列動(dòng)葉組成。蒸汽在噴嘴膨脹后，進(jìn)入第一列動(dòng)葉作功，流出第一列動(dòng)葉時(shí)速度還相當(dāng)大。用一列導(dǎo)葉改變蒸汽流動(dòng)方向后進(jìn)入第二列動(dòng)葉繼續(xù)作功。特點(diǎn)：作功能力很大，但效率較低，常用作中小汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級。噴嘴采用縮放噴嘴。引入一定的反動(dòng)度。返回四.級的簡化一元流動(dòng)模型和基本方程式

蒸汽在汽輪機(jī)中的運(yùn)動(dòng)是非常復(fù)雜①蒸汽有黏性，運(yùn)動(dòng)時(shí)，密度發(fā)生變化，所以，汽輪機(jī)中的工質(zhì)是黏性、可壓縮流體；②蒸汽在靜葉柵和動(dòng)葉柵流道中作三元非定常流動(dòng)，也就是說：流道內(nèi)任何一點(diǎn)的參數(shù)（壓力、溫度、速度、密度等），不僅是空間的函數(shù)，而且是時(shí)間的函數(shù)。

(一)簡化的一元流動(dòng)模型——假設(shè)

蒸汽在級內(nèi)的流動(dòng)是定常流動(dòng)（穩(wěn)定），即任何一點(diǎn)參數(shù)（壓力、溫度、速度、密度等）不隨時(shí)間的變化。在穩(wěn)定工況下運(yùn)行（功率和蒸汽參數(shù)變化不大時(shí)），可近似認(rèn)為是定常的。蒸汽在級內(nèi)流動(dòng)是一元的。適用于葉片相對高度較短的葉片。蒸汽在級內(nèi)流動(dòng)過程是絕熱的。即認(rèn)為級內(nèi)蒸汽與外界無熱交換，這一條件在汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)是滿足的。在考慮作用于流體上的力時(shí)，略去黏性力，但要考慮計(jì)算由于黏性力的存在所造成的速度下降。即：略去黏性力的當(dāng)?shù)赜绊?，考慮其歷史積累的影響。（二）.基本方程式

連續(xù)方程、能量方程、狀態(tài)方程連續(xù)方程：在定常一元流動(dòng)下，通過1-1截面的質(zhì)量流量和通過2-2截面的質(zhì)量流量相等。

連續(xù)方程的微分形式1122G1G2（二）.基本方程式能量方程：能量方程式能量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對于絕熱、定常流動(dòng)、無熱源流進(jìn)系統(tǒng)的能量，必須等于離開系統(tǒng)的能量。式中:、－蒸汽進(jìn)入和流出系統(tǒng)的焓值；、－蒸汽進(jìn)入和流出系統(tǒng)時(shí)的速度；w－蒸汽通過系統(tǒng)時(shí)對外界所作的機(jī)械功。wh1c1h0c0（二）.基本方程式

狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程式：

式中：p－絕對壓力；v－蒸汽比容；T－熱力學(xué)溫度；R－蒸汽氣體常數(shù)，R＝461.5J/(kg.K)。蒸汽等熵膨脹過程方程式

k＝1.3（過熱蒸汽）

k＝1.035＋0.1x（濕蒸汽），x是蒸汽的干度§1.概述總結(jié)第一章汽輪機(jī)級的工作原理

§2蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過程

返回一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程蒸汽在噴嘴（靜葉）中的膨脹過程的特點(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，不對外做功。

一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（一）噴嘴出口汽流速度由能量方程：若把蒸汽作為理想氣體，則（1）噴嘴理想出口速度：式中：噴嘴壓比

ΔhnΔhn00001shp0t01tp1p00一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（一）噴嘴出口汽流速度（2）噴嘴實(shí)際出口速度：

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。引入噴嘴速度系數(shù)：實(shí)際噴嘴出口速度：噴嘴損失：一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（一）噴嘴出口汽流速度(3）影響速度系數(shù)因素分析：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＝80mm一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（二）噴嘴流動(dòng)中汽流的臨界狀態(tài)

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p1c，臨界速度c1c。臨界壓力p1c與滯止壓力p00之比，叫臨界壓比εnc。臨界壓比εnc只與蒸汽絕熱指數(shù)k有關(guān)。對于過熱蒸汽：k=1.3，εnc

=0.546飽和蒸汽：k=1.135，εnc

=0.577空氣：k=1.4，εnc

=0.528Y臨界狀態(tài)N亞臨界狀態(tài)p0c0喉部p1cc1cp1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)音速時(shí)，噴嘴截面必須逐漸增大，縮放型噴嘴一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（三）噴嘴截面積的變化規(guī)律

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)公式：1.噴嘴的理想流量.(先討論漸縮噴嘴)出口面積，理想速度，比容，則通過噴嘴的理想流量：一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（四）噴嘴的通流能力

當(dāng)噴嘴參數(shù)一定時(shí)，流量是壓比的函數(shù)。流過噴嘴的最大流量的條件滿足極值，令，得：可見，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。過熱蒸汽，，，；飽和蒸汽，，=0.6356，；一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（四）噴嘴的通流能力臨界流量：式中：，僅與蒸汽性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)，噴嘴前后壓力相等，；一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（四）噴嘴的通流能力當(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，逐漸減小；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；式中：為噴嘴流量系數(shù)，，一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（四）噴嘴的通流能力2、流過噴嘴的實(shí)際流量：過熱蒸汽：

取：

濕蒸汽：?。海▽?shí)際流量大于理想流量）一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（四）噴嘴的通流能力考慮流量系數(shù)后，實(shí)際臨界流量為：過熱蒸汽（）：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)，先判斷一、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程

（四）噴嘴的通流能力3、彭臺(tái)門系數(shù)（流量比）βεn原點(diǎn)(εnc,0)，長軸1，短軸1-εnc橢圓方程：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，，二、蒸汽在噴嘴斜切部分內(nèi)的膨脹

1、流動(dòng)分析p11二、蒸汽在噴嘴斜切部分內(nèi)的膨脹

1、流動(dòng)分析

2)時(shí)，，在斜切部分，汽流從膨脹到背壓，A點(diǎn)成為擾動(dòng)源，發(fā)出一組特性線形成膨脹波區(qū)。汽流通過特性線后，速度增加，壓力下降，直到壓力為背壓，此時(shí)汽流偏轉(zhuǎn)δ1。已知噴嘴壓比，絕熱指數(shù)，噴嘴出汽角＝>偏轉(zhuǎn)角通過AB截面流量：通過AC截面流量：

由于：二、蒸汽在噴嘴斜切部分內(nèi)的膨脹

2、偏轉(zhuǎn)角的近似計(jì)算（貝爾公式）

二、蒸汽在噴嘴斜切部分內(nèi)的膨脹

3、膨脹極限及極限壓力

噴嘴前壓力不變，汽流偏轉(zhuǎn)角隨背壓下降而增大，是否會(huì)無限制的增大呢？不會(huì)！極限情況，最后一條特性線與AC重合，噴嘴斜切部分膨脹能力就用完了。若噴嘴后壓力繼續(xù)降低，汽流將在斜切部分之外膨脹，是一種紊亂的膨脹，將導(dǎo)致流動(dòng)損失。三、蒸汽在動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過程和通流能力

ΔhnΔhn00001p0t01tp1p00δhnΔhbΔhb01012p1t12tp2p10δhb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：

三、蒸汽在動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過程和通流能力速度系數(shù)與反動(dòng)度和汽流相對速度關(guān)系曲線：純沖動(dòng)級：=0，，，三、蒸汽在動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過程和通流能力速度三角形分析比較：

帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級：一般較小30－100，值可以比大，也可以小，這主要取決于動(dòng)葉中損失系數(shù)的大小和反動(dòng)度的大小。反動(dòng)級：，靜葉和動(dòng)葉的葉型式一樣的。，出口速度三角形和進(jìn)口速度三角形z軸對稱，，，。三、蒸汽在動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過程和通流能力

速度三角形分析比較：

c1w1c2w2uuα1β1α2

β2c1uuw1w2c2β1α1α2

β2三、蒸汽在動(dòng)葉通道中的流動(dòng)過程和通流能力

若動(dòng)葉根部不吸汽、不漏汽，且忽略動(dòng)葉頂部漏汽，則動(dòng)葉的通流能力與噴嘴的通流能力相等。引入動(dòng)葉流量系數(shù)：動(dòng)葉出口面積：汽輪機(jī)原理

第一章汽輪機(jī)級的工作原理

§3級的輪周功率與輪周效率主講：張利平返回輪周功率：單位時(shí)間內(nèi)蒸汽推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)所做出的機(jī)械功級的輪周效率：1千克蒸汽所作的輪周功與蒸汽在該級所消耗的理想能量之比稱為級的輪周效率。假想速度：假想級的理想比焓降都在噴嘴中等比熵膨脹的出口速度。速比：圓周速度與進(jìn)口汽流絕對速度之比，速比是決定出口汽流絕對速度大小和方向的重要參數(shù)，對輪軸效率的大小也有影響，對應(yīng)于最高輪軸效率的速比稱為最佳速比。h-s圖中的汽輪機(jī)的熱力過程（純沖動(dòng)級）純沖動(dòng)級最佳速比，反動(dòng)級最佳速比，沖動(dòng)級最佳速比，復(fù)速級最佳速比余速利用的優(yōu)點(diǎn)。單列級與復(fù)速級輪軸效率-速比關(guān)系曲線各自的最佳速比下，復(fù)速級的輪軸效率一定比單列級的輪軸效率小，因?yàn)樗坏黾恿藢?dǎo)葉和第二列動(dòng)葉中的能量，而且是第一列動(dòng)葉中的損失增大。復(fù)速級的優(yōu)點(diǎn)是，在圓周速度相同時(shí)，能承擔(dān)比單列及大的多的理想比焓降，采用復(fù)速級，使汽輪機(jī)的級數(shù)減少；當(dāng)他作為多級汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)級時(shí)，蒸汽壓力，溫度在這一級下降較多，縮小了汽輪機(jī)在高溫高壓下工作的區(qū)域，節(jié)省高溫材料，降低制造成本，有利于改善汽輪機(jī)的變工況特性。本節(jié)要點(diǎn)一、蒸汽作用在動(dòng)葉上的力和輪周功率圓周u方向的動(dòng)量方程：單位蒸汽流量，令蒸汽作用于葉片的周向力：

c1uuw1w2c2β1α1α2

β2一、蒸汽作用在動(dòng)葉上的力和輪周功率軸向z方向的動(dòng)量方程：蒸汽作用于葉片的軸向力:蒸汽作用葉片的總作用力：級的作功能力Wu：單位蒸汽產(chǎn)生的輪周功率級的作功能力：①噴嘴出口進(jìn)入動(dòng)葉帶入的動(dòng)能

②動(dòng)葉內(nèi)熱能轉(zhuǎn)換的動(dòng)能③離開動(dòng)葉帶走的動(dòng)能(余速損失)利用速度三角形00012Δhu10一、蒸汽作用在動(dòng)葉上的力和輪周功率輪周功率Pu：單位時(shí)間內(nèi)蒸汽對動(dòng)葉片所作的有效功率汽輪機(jī)級的熱力過程線（沖動(dòng)式）

級的有效焓降：

級的滯止理想焓降：噴嘴滯止理想焓降：噴嘴能量損失：動(dòng)葉理想焓降：動(dòng)葉滯止理想焓降：動(dòng)葉能量損失：余速損失：初速動(dòng)能：余速利用系數(shù)汽輪機(jī)級的熱力過程線（純沖動(dòng)式）

級的有效焓降：

級的滯止理想焓降：噴嘴滯止理想焓降：噴嘴能量損失：動(dòng)葉理想焓降：動(dòng)葉滯止理想焓降：動(dòng)葉能量損失：余速損失：初速動(dòng)能：輪周效率是衡量汽輪機(jī)級的工作經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。二、輪周效率

輪周效率定義：

二、輪周效率寫成能量平衡形式（焓降）噴嘴損失系數(shù)：動(dòng)葉損失系數(shù)：余速損失系數(shù)：影響輪周效率主要因素有三項(xiàng)：噴嘴損失系數(shù)、動(dòng)葉損失系數(shù)、余速損失系數(shù)。當(dāng)葉型選定后，輪周效率主要影響是余速損失。

三、輪周效率與速比的關(guān)系速比：或速比：引入一個(gè)參數(shù)：(∵純沖動(dòng)級)三、輪周效率與速比的關(guān)系

1、純沖動(dòng)級——不考慮余速利用從上式可知：i）和越高，高；ii）小，也高，但過小，↓，↓。一般；iii）↓，↑，但過小，↓，↓。一般；iv）對的影響是按拋物線變化。(∵,)三、輪周效率與速比的關(guān)系

1、純沖動(dòng)級——不考慮余速利用純沖動(dòng)級最佳速比與輪周效率關(guān)系輪周效率一般，，末級最大200，純沖動(dòng)級的最佳速比：三、輪周效率與速比的關(guān)系

1、純沖動(dòng)級——不考慮余速利用對于純沖動(dòng)級，，若，則三、輪周效率與速比的關(guān)系

1、純沖動(dòng)級——不考慮余速利用速比：三、輪周效率與速比的關(guān)系

1、純沖動(dòng)級——考慮余速利用ηuxa當(dāng)，，其中:對于:對于:三、輪周效率與速比的關(guān)系

2、沖動(dòng)級不考慮余速利用:式中：設(shè)計(jì)中，常取Ωm(X1)optμ1

=1μ1

=0.8μ1

=0當(dāng)，，時(shí)三、輪周效率與速比的關(guān)系

1、反動(dòng)級三、輪周效率與速比的關(guān)系

1、反動(dòng)級——輪周效率與速比關(guān)系x1,xaηu三、輪周效率與速比的關(guān)系

1、反動(dòng)級——輪周效率與速比關(guān)系①反動(dòng)級輪周效率與速比的變化曲線，在最佳速比附近變化平坦，所以在一定范圍內(nèi)偏離最佳值時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致輪周效率的明顯下降。適用工況變化較頻繁機(jī)組，如調(diào)峰機(jī)組、工業(yè)汽輪機(jī)組等。②反動(dòng)級最佳速比大：相同輪周速度前提下，反動(dòng)級能承擔(dān)的焓降比沖動(dòng)級小，也即在相同功率的汽輪機(jī)，反動(dòng)式汽輪機(jī)的級數(shù)要比沖動(dòng)式汽輪機(jī)的級數(shù)要多。

四、復(fù)速級

——結(jié)構(gòu)圖

縮放噴嘴轉(zhuǎn)向?qū)~第一列動(dòng)葉第二列動(dòng)葉四、復(fù)速級—速度三角形第一列動(dòng)葉的速度三角形與單列級一樣第二列動(dòng)葉的速度三角形中各量加上標(biāo)“’”表示轉(zhuǎn)向?qū)~以下標(biāo)“gb”表示四、復(fù)速級—輪周功率假定：純沖動(dòng)級，Ω=0，β1=β2，α2=α’1

，β’1=β’2，μ1=0，

ψ=ψgb=ψ’=1輪周功:

∵輪周效率：四、復(fù)速級—能量平衡復(fù)速級的輪周功可用能量平衡條件求得：

式中：－噴嘴損失－第一列動(dòng)葉損失－導(dǎo)葉損失－第二列動(dòng)葉損失－余速損失復(fù)速級輪周效率：（對于復(fù)速級，余速不利用，μ0=μ1=0）四、復(fù)速級—輪周效率與速比關(guān)系ζnζbζgbζ’bζ’c2ηu0.25ηux10.5單列級ηu0.650.80四、復(fù)速級—出口速度通常復(fù)速級也不是純沖動(dòng)式的，而采用少量的反動(dòng)度，即汽流在動(dòng)葉和導(dǎo)葉中均有一定的膨脹，改善流動(dòng)，提高復(fù)速級的效率。但過大的反動(dòng)度會(huì)增加級內(nèi)漏汽損失。第一列動(dòng)葉的反動(dòng)度：導(dǎo)葉的反動(dòng)度：第二列動(dòng)葉的反動(dòng)度：復(fù)速級總反動(dòng)度：焓降出口速度損失噴嘴第一列動(dòng)葉導(dǎo)葉第二列動(dòng)葉四、復(fù)速級—焓熵圖小結(jié)純沖動(dòng)級反動(dòng)級復(fù)速級汽輪機(jī)原理

第一章汽輪機(jī)級的工作原理

§4葉柵的氣動(dòng)特性

主講：張利平返回葉柵的型式一、葉柵的型式靜葉柵：靜葉動(dòng)葉柵：動(dòng)葉環(huán)形葉柵：汽輪機(jī)采用直列葉柵：漸縮：縮放：εn≤0.3時(shí)采用噴嘴葉柵的幾何特性有：平均直徑葉高葉柵節(jié)距t葉型弦長b

葉型寬度B相對葉高相對節(jié)距出口邊厚度一、葉柵的幾何參數(shù)和汽流參數(shù)—噴嘴

噴嘴進(jìn)汽角葉型進(jìn)口角噴嘴出汽角葉型出口角葉柵安裝角一、葉柵的幾何參數(shù)和汽流參數(shù)—?jiǎng)尤~

動(dòng)葉葉柵的幾何特性有：平均直徑葉高葉柵節(jié)距t葉型弦長b

葉型寬度B相對葉高相對節(jié)距徑高比出口邊厚度動(dòng)葉進(jìn)汽角葉型進(jìn)口角動(dòng)葉出汽角葉型出口角葉柵安裝角二、葉型損失—葉型損失的機(jī)理

定義：葉型損失是指平面氣流繞流葉柵時(shí)產(chǎn)生的能量損失。1、邊界層（附面層）摩擦損失邊界層摩擦損失的大小i）葉型ii）表面光潔度iii）葉型表面壓力分布邊界層二、葉型損失—葉型損失的機(jī)理2、邊界層脫離引起的渦流損失無邊界層脫離邊界層脫離邊界層脫離點(diǎn)（a）無渦流（b）有渦流二、葉型損失—葉型損失的機(jī)理3、尾跡損失

4、沖波損失在強(qiáng)度和工藝條件許可的情況下，應(yīng)盡量減小出口邊的厚度，以減小尾跡損失。①進(jìn)汽角的影響：定義：沖角=葉型進(jìn)口角－汽流進(jìn)口角

噴嘴：動(dòng)葉：為正時(shí)，正沖角為負(fù)時(shí)，負(fù)沖角1）沖角等于零時(shí)，葉柵損失最??；2）正沖角的葉柵損失大于負(fù)沖角的葉柵損失。設(shè)計(jì)工況時(shí)，汽流進(jìn)口角和葉型進(jìn)口角相等，葉柵損失最小二、葉型損失—主要影響因素②相對節(jié)距影響：

當(dāng)節(jié)距增大時(shí)，汽道中的汽流受腹面的約束隨之減弱，背面出口段的擴(kuò)壓范圍和擴(kuò)壓程度都將明顯增大，于是葉型背面出口段的流動(dòng)惡化，使葉型損失增加。

反之，相對節(jié)距過小，不僅使單位流量的摩擦面增加，而且出口邊的相對厚度增大，使尾跡損失增加，即葉型損失增加，故只有在最佳節(jié)距下，葉型損失才最小。二、葉型損失—主要影響因素三、端部損失

一般認(rèn)為≮15mm；否則，端部損失占整個(gè)葉型損失的比重就大，速度系數(shù)就低。汽輪機(jī)原理

第一章汽輪機(jī)級的工作原理

§5級內(nèi)損失和相對內(nèi)效率主講：張利平返回一、級內(nèi)損失—葉高損失除噴嘴損失，動(dòng)葉損失，余速損失外，還有：葉高損失，扇形損失，葉輪摩擦損失，部分進(jìn)汽損失，漏汽損失，濕汽損失。1、葉高損失式中：－系數(shù)，單列級（未包括扇形損失）（包括扇形損失）復(fù)速級

l－葉高－輪周有效焓降一、級內(nèi)損失—扇形損失

2、扇形損失討論的是平面葉柵，實(shí)際是環(huán)形葉柵，其節(jié)距t、圓周速度u隨葉高lb有所不同，會(huì)偏離最佳值。能量損失系數(shù)：式中：lb－動(dòng)葉高度

db－動(dòng)葉平均直徑

E0－級理想能量焓降損失：采用直葉片采用扭葉片一、級內(nèi)損失—葉輪摩擦損失3、葉輪摩擦損失葉輪以3000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)時(shí)，與兩側(cè)的蒸汽摩擦帶來的損失

式中：－摩擦損失所消耗功率－經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.0-1.3

u－圓周速度－級的平均直徑

v－汽室中蒸汽平均比容

焓降損失：

能量損失系數(shù)：

一、級內(nèi)損失—部分進(jìn)汽損失

4、部分進(jìn)汽損失

部分進(jìn)汽度定義：目的：增加高壓級的葉片高度。①鼓風(fēng)損失；②斥汽損失整個(gè)圓周長度工作噴嘴所占弧長度一、級內(nèi)損失—部分進(jìn)汽損失

①鼓風(fēng)損失，當(dāng)時(shí)，只有當(dāng)動(dòng)葉通過噴嘴弧段時(shí)，才有工作蒸汽通過作功。當(dāng)動(dòng)葉通過無噴嘴弧段時(shí)，不但沒有工作蒸汽作功，反而象鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)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(dòng)葉經(jīng)過不裝噴嘴弧段時(shí)，已充滿停滯的蒸汽。當(dāng)進(jìn)入噴嘴段時(shí)，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。總的部分進(jìn)汽損失系數(shù)：焓降損失：一、級內(nèi)損失—漏汽損失

5、漏汽損失①?zèng)_動(dòng)級（隔板漏汽損失、動(dòng)葉頂部的漏汽損失）式中：—不含漏汽損失時(shí)級的有效焓降式中：—汽封齒數(shù)；—汽封流量系數(shù)；—汽封間隙面積，

v1t—噴嘴出口處比容。焓降損失：一、級內(nèi)損失—漏汽損失(i)隔板漏汽損失一、級內(nèi)損失—漏汽損失(ii)動(dòng)葉頂部的漏汽損失式中：—?jiǎng)尤~頂部間隙的流量系數(shù)—?jiǎng)尤~頂部反動(dòng)度—?jiǎng)尤~頂部的當(dāng)量間隙焓降損失：

總的漏汽損失：損失系數(shù)：dbδzδr一、級內(nèi)損失—漏汽損失②反動(dòng)級反動(dòng)級漏汽量要比沖動(dòng)級漏汽量大。(i)內(nèi)徑汽封直徑比隔板汽封直徑大，使內(nèi)徑處漏汽量大；(ii)動(dòng)葉前后壓差較大，使葉頂漏汽量大。一、級內(nèi)損失—濕汽損失6、濕汽損失損失產(chǎn)生原因：①過飽和損失（過冷損失）②夾帶損失③制動(dòng)損失④擾流損失⑤工質(zhì)損失一、級內(nèi)損失—濕汽損失焓降損失：損失系數(shù)：式中：—級內(nèi)平均干度，，x1、x2—級進(jìn)、出口處干度

—未考慮濕汽損失時(shí)級的有效焓降經(jīng)濟(jì)性濕蒸汽的影響安全性末級濕度限制在12％～14％一、級內(nèi)損失

—濕汽損失常用去濕方法：捕水裝置

空心噴嘴

鍍硬質(zhì)合金二、級的相對內(nèi)效率和內(nèi)功率

式中：D、G——級的進(jìn)汽流量，二、級的相對內(nèi)效率和內(nèi)功率級的相對內(nèi)效率（級效率）：級內(nèi)功率：

三、級內(nèi)損失對最佳速比的影響

第一章汽輪機(jī)級的工作原理

§6.級的熱力設(shè)計(jì)原理

主講：張利平返回一、葉型的選擇通流部分：汽輪機(jī)本體中做功汽流通道，主要是由噴嘴和動(dòng)葉組成。等截面葉片（直葉片）葉片分為：變截面葉片（扭葉片）漸縮噴嘴，如HQ－2、TC－1A漸縮噴嘴，斜切部分膨脹噴嘴葉型：縮放噴嘴，如TC－2A動(dòng)葉葉型：與噴嘴葉型匹配，如HG－1，TP－0A1、葉柵類型的選擇（葉型）一、葉型的選擇表1.6.1國產(chǎn)機(jī)組常用噴嘴葉柵的基本幾何特性項(xiàng)目

葉型編號

相對節(jié)距進(jìn)汽角

出汽角備注

噴嘴

HQ－20.74～0.9070~10011~13A：亞音速B：近音速T：汽輪機(jī)C：噴嘴TC－1A0.74～0.9070~10010～14TC－2A(B)0.70～0.9070~10013～17TC－3A0.65～0.8570~10016～22一、葉型的選擇表1.6.2國產(chǎn)機(jī)組常用動(dòng)葉柵的基本幾何特性項(xiàng)目葉型編號進(jìn)汽角出汽角安裝角相對節(jié)距動(dòng)葉HQ-122~2319~2176~790.60~0.69TP-0A14~2513~1576~790.60~0.75TP-1A(B)18~3316~1976~790.60~0.70TP-2A(B)25~4019~2276~790.58~0.65TP-3A28~4524~2877~800.56~0.64TP-4A35~5028~3274~780.55~0.64TP-5A40~5532~3676~790.52~0.60一、葉型的選擇2、汽流出口角和的選擇，的大小影響級的通流能力、做功能力及級效率。根據(jù)選定葉型規(guī)定的出汽角范圍確定一般高壓級選小些，＝11～14°；中低壓級選大些，＝13～17°。3、葉片數(shù)和葉片寬度葉片數(shù)：由葉型定相對節(jié)距，先定級的平均直徑，弦長b節(jié)距t，，取整。葉片寬度：在選擇葉片寬度時(shí)，在滿足強(qiáng)度條件下，盡量選擇窄葉片，使葉片相對高度增加，減少端部損失。二、級的特性參數(shù)

1、速比的選擇

復(fù)速級沖動(dòng)級反動(dòng)級2、反動(dòng)度的合理確定1)根部反動(dòng)度較大；2)根部反動(dòng)度很小或?yàn)樨?fù)值；3)一般取根部反動(dòng)度為當(dāng)選擇根部反動(dòng)度后，可計(jì)算平均反動(dòng)度和頂部反動(dòng)度動(dòng)葉根部進(jìn)口壓力略高與出口壓力，使根部處不吸不漏，寧可少漏些汽，而不可吸汽，吸汽損失更大（根部漏汽）（根部吸汽）二、級的特性參數(shù)3、級的動(dòng)、靜葉柵面積比級的反動(dòng)度是靠動(dòng)靜葉出口面積比f來實(shí)現(xiàn)的。①用面積比來驗(yàn)證能否達(dá)到所設(shè)計(jì)的反動(dòng)度要求。②由于制造、安裝誤差，運(yùn)行中通流部分的結(jié)垢、磨損，面積比偏離設(shè)計(jì)值，會(huì)引起反動(dòng)度的變化。2式中：ε2—級的壓比，二、級的特性參數(shù)從圖中可以看出：①面積比一定時(shí)，

↑，↓三、級的某些結(jié)構(gòu)因素對效率的影響

1、蓋度蓋度：動(dòng)葉進(jìn)口高度與噴嘴出口高度之差根部蓋度頂部蓋度蓋度蓋度過大：產(chǎn)生停滯區(qū)，產(chǎn)生漩渦流，造成損失；蓋度過?。寒a(chǎn)生葉頂漏汽。三、級的某些結(jié)構(gòu)因素對效率的影響葉高與蓋度之間的關(guān)系式中：—開式軸向間隙；—噴嘴閉式軸向間隙；—?jiǎng)尤~閉式軸向間隙。三、級的某些結(jié)構(gòu)因素對效率的影響2、軸向間隙經(jīng)濟(jì)上：軸向間隙小，減少漏汽損失，縮短機(jī)組的軸向長度；安全上：防止動(dòng)、靜相碰，希望軸向間隙大些。

噴嘴高度ln<5050～9050～90>50噴嘴閉式間隙1～21～21～21～2動(dòng)葉閉式間隙2～32～32～32～3總軸向間隙3～43～43～43～4三、級的某些結(jié)構(gòu)因素對效率的影響3、徑向間隙經(jīng)濟(jì)上：減小徑向間隙，裝徑向汽封，減少徑向漏汽損失，提高效率；安全上，要考慮機(jī)組振動(dòng)和熱膨脹，不能太小。4、平衡孔目的：在葉輪上開設(shè)平衡孔是為了減少軸向推力。平衡孔的大小對級效率的影響，取決于隔板漏汽量無平衡孔有平衡孔三、級的某些結(jié)構(gòu)因素對效率的影響5、拉筋 用拉筋把葉片連接成組，作用是葉片的調(diào)頻手段。6、圍帶 有自帶圍帶和鉚接圍帶兩種。作用：1）防止漏汽；2)葉片的調(diào)頻。三、級的某些結(jié)構(gòu)因素對效率的影響四、噴嘴和動(dòng)葉高度的確定

—噴嘴根據(jù)連續(xù)方程：當(dāng)有個(gè)噴嘴葉片組成的實(shí)際通道面積：噴嘴葉片高度：說明：，選擇合理的和e，使葉高損失與部分進(jìn)汽損失之和最??；如斜切部分發(fā)生膨脹和偏轉(zhuǎn)，計(jì)算葉高時(shí)用。四、噴嘴和動(dòng)葉高度的確定

—?jiǎng)尤~動(dòng)葉出口面積：說明：部分進(jìn)汽度e是與噴嘴部分進(jìn)汽度相同的。動(dòng)葉葉片高度：動(dòng)葉進(jìn)口高度lbAb已知：級前參數(shù)，，級后參數(shù)流量G，平均直徑，轉(zhuǎn)速選擇：（計(jì)算或校驗(yàn)）計(jì)算：噴嘴壓比選擇：葉型（包括：節(jié)距、出汽角、）選定：速度系數(shù)，，可進(jìn)行級的熱力計(jì)算五、級的通流部分熱力計(jì)算

熱力計(jì)算的主要步驟：計(jì)算噴嘴、動(dòng)葉出口汽流速度，作出速度三角形和熱力過程線，計(jì)算輪周功率和輪周效率；計(jì)算噴嘴、動(dòng)葉出口面積和葉高；分析計(jì)算級內(nèi)其他各項(xiàng)損失；計(jì)算級的相對內(nèi)效率和內(nèi)功率。第一章汽輪機(jī)級的工作原理

§8.扭葉片級主講：張利平返回一、概述

前幾節(jié)討論級的工作原理，認(rèn)為汽流參數(shù)沿葉高和周向都不變，按級的平均直徑處參數(shù)進(jìn)行熱力計(jì)算（一元流動(dòng)），再引入一個(gè)扇形損失：可以看出，當(dāng)葉片較長時(shí)，，就會(huì)很大。必須考慮汽流沿葉高的變化。如當(dāng)時(shí)，仍不考慮汽流沿葉高變化，產(chǎn)生的損失有：

①沿葉高圓周速度u不同，造成的損失；

②沿葉高相對節(jié)距不同，造成的損失；③軸向間隙中汽流徑向流動(dòng)所引起的損失。

在平均直徑處汽流進(jìn)汽角與葉型進(jìn)汽角相等，則在頂部，撞擊動(dòng)葉背部。在根部，撞擊凹部，都將產(chǎn)生附加損失。一、概述平均直徑處為最佳速比頂部和根部都嚴(yán)重偏離；例：200MW機(jī)組末葉片，，，葉頂圓周速度葉根圓周速度兩者相差一倍。

①沿葉高圓周速度u不同速度三角形沿葉高的變化③軸向間隙中汽流徑向流動(dòng)所引起的損失，當(dāng)蒸汽從靜葉流出時(shí)，由于存在使蒸汽在靜、動(dòng)葉出口間隙中，受到離心力場作用，會(huì)使蒸汽徑向方向流動(dòng)，這種徑向流動(dòng)不推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，不會(huì)變?yōu)檩喼芄?，是一種損失。

一、概述②沿葉高相對節(jié)距不同，造成的損失葉頂節(jié)距74.75mm，葉根37.44mm平均直徑處，如在平均直徑處取的話，其頂部和根部大大偏離最佳值，產(chǎn)生葉柵損失。c1uc1r當(dāng)，必須應(yīng)用扭葉片。隨著對機(jī)組性能要求的提高和扭葉片加工水平的提高，扭葉片的使用范圍將有所擴(kuò)大。一、概述zr基元級：在級的某一直徑上截取一個(gè)微元葉高dr的級。中徑基元級：在平均直徑處的基元級本節(jié)的重點(diǎn)就是如何根據(jù)中徑基元級的參數(shù)，來確定沿葉高其他基元級的各項(xiàng)參數(shù)，以及不同直徑上各基元級之間的關(guān)系。

二、簡化的空間流動(dòng)模型和完全徑向平衡方程

（一）簡化的空間流動(dòng)模型研究扭葉片級的汽流動(dòng)力問題，只研究三個(gè)特征截面（0－0，1－1，2－2）上的氣動(dòng)計(jì)算，而不再研究靜、動(dòng)葉片汽道內(nèi)的氣動(dòng)計(jì)算。

作如下假設(shè)：不考慮黏性對流體的影響；流動(dòng)是穩(wěn)定的；認(rèn)為軸向間隙中的圓周流面是一個(gè)軸向?qū)ΨQ的任意回轉(zhuǎn)面

（二）完全徑向平衡方程

汽流在子午面上的分速流面上任意一點(diǎn)的空間汽流速度c可以分解為子午面分速cl

和切向分速度cu（二）完全徑向平衡方程

—受力分析微元體的徑向力平衡條件，求完全徑向平衡方程式取微元體，質(zhì)量為圖1.8.71、徑向靜壓力：2、離心力：（1）產(chǎn)生的離心力：（2）產(chǎn)生的離心力的徑向分量：

3、慣性力：汽流沿子午方向的加速度產(chǎn)生的慣性力，其徑向分量在徑向方向力平衡：（二）完全徑向平衡方程（因?yàn)椋海┩耆珡较蚱胶夥匠蹋海簡挝毁|(zhì)量流體，子午加速度所產(chǎn)生慣性力徑向分量物理意義：：單位質(zhì)量流體，因子午線彎曲產(chǎn)生離心力徑向分量：汽流受到的靜壓力：單位質(zhì)量流體圓周方向分速產(chǎn)生的離心力三、簡單徑向平衡法

（一）簡單徑向平衡方程

只考慮產(chǎn)生的離心力，而略去子午線彎曲的影響。即：，，

簡單徑向平衡方程，說明靜、動(dòng)出口間隙中，汽流壓力沿葉高的變化只與汽流的圓周分速度沿葉高的分布有關(guān)，且壓力沿葉高增加而增加。在求解簡單徑向平衡方程時(shí)，先給出一個(gè)特定的條件，求出的變化規(guī)律，然后求出在特定條件下，葉片扭曲規(guī)律，即軸向間隙中汽流參數(shù)沿葉高變化的規(guī)律。（二）理想等環(huán)量流型

給出的特定條