汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行1課件

汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件2024/5/12汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]1、汽輪機(jī)的級：是由一組安裝在噴嘴汽室或隔板上的靜葉柵和一組安裝在葉輪上的動葉柵所組成，它是汽輪機(jī)作功的最小單元。2、級內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過程：具有一定壓力、溫度的蒸汽通過汽輪機(jī)的級時(shí)，首先在靜葉柵通道中得到膨脹加速，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為高速汽流的動能，然后進(jìn)入動葉通道，在其中改變方向或者既改變方向同時(shí)又膨脹加速，推動葉輪旋轉(zhuǎn)，將高速汽流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能。通過沖動和反動兩種作用實(shí)現(xiàn)。2第一節(jié)級的一般概念

一、汽輪機(jī)的級、級內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過程汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]3汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子（含動葉柵）4汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]蒸汽在級中做功的熱力過程線5汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]3、沖動作用原理(impulse):當(dāng)汽流通過動葉通道時(shí)，由于受到動葉通道形狀的限制而彎曲被迫改變方向，因而產(chǎn)生離心力，離心力作用于葉片上，被稱為沖動力。這時(shí)蒸汽在汽輪機(jī)的級所作的機(jī)械功等于蒸汽微團(tuán)流進(jìn)、流出動葉通道時(shí)其動能的變化量。4、反動作用原理(reaction):當(dāng)汽流通過動葉通道時(shí)，一方面要改變方向，同時(shí)還要膨脹加速，前者會對葉片產(chǎn)生一個(gè)沖動力，后者會對葉片產(chǎn)生一個(gè)反作用力，即反動力。蒸汽通過這種級，兩種力同時(shí)作功。6蒸汽對于動葉柵的作用力汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]二、反動度

為了描述蒸汽通過汽輪機(jī)某一級時(shí)在動葉通道中的膨脹程度大小，通常用反動度Ω來描述。反動度等于蒸汽在動葉通道中膨脹時(shí)的焓降和在整個(gè)級的理想焓降之比，即7蒸汽參數(shù)隨葉高變化，即比焓降也沿葉高變化，因此級的反動度也隨葉高變化。一般取葉片根部截面、葉片平均截面、葉片頂部截面為特征截面，相應(yīng)的反動度為Ωr、Ωm和Ωt。實(shí)際上，級的反動度沿葉高是增大的。對于短葉片，一般給出的反動度為級的平均反動度。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]三、汽輪機(jī)級的類型及特點(diǎn)（一）沖動級和反動級按蒸汽在動葉通道內(nèi)膨脹程度不同，即反動度的大小不同，軸流式級可分為沖動級和反動級。1、沖動級。Ωm=0的級叫純沖動級，蒸汽只在噴管葉柵中膨脹，在動葉柵中不膨脹而只改變其流動方向。純沖動級做功能力大，但效率比較低，現(xiàn)代一般采用帶少量反動度（Ωm=0.05~0.2）的沖動級。做功能力比反動級大，效率比純沖動級高。8汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]沖動式汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：因?yàn)槠髟趧尤~柵內(nèi)膨脹量較少，所以動葉柵的截面形狀是近似對稱的。因?yàn)閯尤~柵前后壓力相差較小，沒有太大的軸向力作用在轉(zhuǎn)子上，所以沖動式汽輪機(jī)可以采用質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊的輪盤式轉(zhuǎn)子。同樣可以采用較大的徑向間隙，從而提高汽輪機(jī)運(yùn)行的靈活性。但是噴嘴葉柵前后存在較大的壓力差，為了減少噴嘴葉柵與軸之間間隙的漏汽量，要盡量減小間隙的直徑，所以設(shè)計(jì)為隔板結(jié)構(gòu)，把噴嘴裝在隔板的外環(huán)上，在隔板的內(nèi)孔裝有汽封片。9汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]2、反動級：Ωm≈0.5。蒸汽在噴管和動葉通道中的膨脹程度相等。做功的力基本上沖動力和反動力各占一半。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：動葉葉型與噴管葉型相同。效率比純沖動級高，但做功能力較小。10汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]11汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]反動級汽輪機(jī)特點(diǎn)：噴嘴葉柵和動葉柵可以采用相同的葉型，構(gòu)成相似的噴嘴葉柵和動葉柵通道，因而可以降低汽輪機(jī)的制造成本。因?yàn)樵趧尤~片前后存在較大的壓力差，為了減小汽流對轉(zhuǎn)子作用的軸向力，反動式汽輪機(jī)采用轉(zhuǎn)鼓式結(jié)構(gòu)，沒有葉輪。噴嘴葉片直接安裝在汽缸內(nèi)壁，使級的軸向尺寸減小。但粗大的轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子質(zhì)量大，啟動時(shí)熱慣性大，增加了暖機(jī)時(shí)間而影響到汽輪機(jī)運(yùn)行的機(jī)動性。為了減少蒸汽漏泄量應(yīng)盡量減小徑向間隙。為了平衡軸向推力，還設(shè)置了平衡活塞。反動級因動葉片前后存在壓力差，為了避免過大的級內(nèi)損失，一般不采用部分進(jìn)汽，而采用全周進(jìn)汽。12汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]（二）壓力級和速度級按蒸汽的動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子機(jī)械能的過程不同，還把汽輪機(jī)和級分為壓力級和速度級。1、壓力級：蒸汽的動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子機(jī)械能的過程在級內(nèi)只進(jìn)行一次的級。葉輪上只裝一列動葉柵，故又稱單列級?？梢允菦_動級，也可以是反動級。2、速度級：轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行一次以上的級?？梢允请p列或多列的。只有一列噴管，后面有兩列或更多列動葉片。采用最多的是雙列速度級，又稱復(fù)速級。速度級是沖動式的，可以看作是單列沖動級的延伸。做功能力很大，但效率低。常用于單級汽輪機(jī)和中、小型多級汽輪機(jī)的第一級。13汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]14汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]（三）調(diào)節(jié)級和非調(diào)節(jié)級按通流面積是否隨負(fù)荷大小改變，可將汽輪機(jī)的級分為調(diào)節(jié)級(governingstage)和非調(diào)節(jié)級。1、調(diào)節(jié)級：通流面積能隨負(fù)荷改變而改變。如噴管調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的第一級。運(yùn)行時(shí)，可通過改變通流面積來控制進(jìn)氣量，達(dá)到調(diào)節(jié)汽輪機(jī)負(fù)荷的目的。一般中小汽輪機(jī)用復(fù)速級作為調(diào)節(jié)級，大型汽輪機(jī)常用單列沖動級作為調(diào)節(jié)級。2、非調(diào)節(jié)級：通流面積不隨負(fù)荷改變而改變的級。二者另一個(gè)不同點(diǎn)：調(diào)節(jié)級總是做成部分進(jìn)汽，而非調(diào)節(jié)級可以是全周進(jìn)汽，也可以是部分進(jìn)汽。15汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]

汽輪機(jī)的第一級就是調(diào)節(jié)級，機(jī)組靠改變調(diào)速汽門的開度，控制汽室的投入和噴嘴的工作，改變部分進(jìn)汽度，改變進(jìn)汽量，以調(diào)整負(fù)荷。用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)負(fù)荷的機(jī)組是節(jié)流調(diào)節(jié)機(jī)組，其第一級噴嘴是全部投入的，不起調(diào)節(jié)作用，當(dāng)然也不是調(diào)節(jié)級。當(dāng)然，也有符合調(diào)節(jié)的。調(diào)節(jié)級是汽缸中溫度最高、壓力最高、做功量最大的級，又是部分進(jìn)汽，所以，對其溫度、壓力要嚴(yán)格監(jiān)控，防止超標(biāo)造成危害。另外，監(jiān)視調(diào)節(jié)級壓力，也可以了解后面各級蒸汽通道的工作情況。16汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]一、基本假設(shè)和基本方程式二、蒸汽在噴嘴中的流動過程三、蒸汽在動葉柵中的流動與能量轉(zhuǎn)換過程17第二節(jié)蒸汽在噴嘴中的能量轉(zhuǎn)換過程

汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]一、基本假設(shè)和基本方程式流過葉柵通道的蒸汽是具有粘性、非連續(xù)性和不穩(wěn)定三元流的實(shí)際流體。為了研究方便，特作假設(shè)：1.蒸汽在葉柵通道的流動是穩(wěn)定的：即在流動過程中，通道中任意點(diǎn)的蒸汽參數(shù)不隨時(shí)間變化而改變。2.蒸汽在葉柵通道的流動是一元流動：即蒸汽在葉柵通道中流動時(shí)，其參數(shù)只沿流動方向變化，而在與流動方向相垂直的截面上不變化。3.蒸汽在葉柵通道的流動是絕熱流動：即蒸汽在葉柵通道中流速很快，流動時(shí)與外界沒有熱交換。18汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]19汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]二、蒸汽在噴嘴中的流動過程（一）汽流參數(shù)與噴嘴形狀的關(guān)系根據(jù)連續(xù)方程式、動量方程式、等熵過程方程，綜合可得：M是馬赫數(shù)(M=c/a)?？梢钥吹?，噴嘴截面積的變化規(guī)律，不僅和汽流速度有關(guān)，同時(shí)還和馬赫數(shù)M有關(guān)。（1）當(dāng)汽流速度小于音速，即M<1時(shí)，若要使汽流能繼續(xù)加速，即dc/dx>0，則必須dA/dx<0，即漸縮噴嘴。（2）當(dāng)汽流速度大于音速，即M>1時(shí)，若要使汽流能繼續(xù)加速，即dc/dx>0，則必須dA/dx>0，即漸擴(kuò)噴嘴。（3）當(dāng)汽流速度在噴嘴某截面上剛好等于音速，即M=1，dA/dx=0。表明橫截面A不變化，達(dá)到最小值。20汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]21

1、臨界速度在膨脹過程中，到某一截面會出現(xiàn)汽流速度等于當(dāng)?shù)匾羲?。?dāng)汽流速度等于當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)，則稱此時(shí)的流動狀態(tài)為臨界狀態(tài)。這時(shí)的參數(shù)為臨界參數(shù)，用等表示。臨界速度的表達(dá)式為：（二）噴嘴中氣流的臨界狀態(tài)臨界速度只取決于蒸汽的初始參數(shù)，與過程無關(guān)。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]22

2，臨界壓力

臨界壓力表達(dá)式為：

對于等熵膨脹過程來說，有，則上式為

上式表明，臨界壓力只與等熵指數(shù)κ和初壓有關(guān)。臨界壓力與初壓之比稱為臨界壓力比，用

表示：

對于過熱蒸汽（κ=1.3)則=0.546;對于飽和蒸汽（κ=1.135)則=0.577；濕蒸汽κ=1.035+0.1x，所以隨干度x變化.汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]23

1，噴嘴出口的汽流理想速度在進(jìn)行噴嘴流動計(jì)算時(shí)，噴嘴前的參數(shù)是已知條件。按等熵過程膨脹，其過程曲線如右圖所示。噴嘴出口汽流理想速度表達(dá)式為

或者為

蒸汽在噴嘴出口處的速度由噴嘴進(jìn)口和出口的蒸汽參數(shù)決定，并和噴嘴進(jìn)口的蒸汽速度有關(guān)。（二）噴嘴出口汽流速度計(jì)算

汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]242，噴嘴出口的汽流實(shí)際速度實(shí)際流動是有損失的，汽流實(shí)際速度小于汽流理想速度。通常用噴嘴速度系數(shù)

來考查兩者之間的差別(通常取

=0.97)。這樣，噴嘴出口的汽流實(shí)際速度為3，噴嘴損失

蒸汽在噴嘴通道中流動時(shí)，動能的損失稱為噴嘴損失，用表示：噴嘴損失與噴嘴理想焓降之比稱為噴嘴能量損失系數(shù)，用表示：

汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]25汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]26汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]27

1，噴嘴的理想流量Gt計(jì)算

噴嘴的理想流量Gt可用下式計(jì)算:式中，----噴嘴出口處截面積;----噴嘴出口處理想汽流速度;----噴嘴出口處比容。還可以寫成當(dāng)噴嘴前參數(shù)和出口面積一定時(shí)，理想流量只與壓比，或者噴嘴背壓有關(guān)。(三)噴嘴流量計(jì)算汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]282，噴嘴流量曲線

臨界流量為：式中，

只與κ值有關(guān)。對于過熱蒸汽（κ=1.3),

=0.667；飽和蒸汽（κ=1.135),

=0.635。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]293，通過噴嘴的實(shí)際流量的計(jì)算

通過噴嘴的實(shí)際流量為：式中，稱為噴嘴流量系數(shù)。對于過熱蒸汽，取μn=0.97；對于飽和蒸汽，取μn=1.02?？紤]了流量系數(shù)之后，通過噴嘴的實(shí)際流量為：對于過熱蒸汽：對于飽和蒸汽：另外還可以用單一的計(jì)算公式表示：

其中，

稱為彭臺門系數(shù)。對于亞臨界流動，

<1,對于臨界和超臨界流動，

=1。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]30汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]31（四）蒸汽在噴嘴斜切部分的流動

為了使噴嘴中流出的汽流順利進(jìn)入動葉通道，在噴嘴出口處必須有一段斜切部分,如下圖所示。這樣，實(shí)際噴嘴由兩部分所組成：一部分是漸縮部分ABEF，AB為最小截面處。另一部分為斜切部分ABC。這種噴管叫斜切噴管。斜切部分在某些流動狀態(tài)下，對汽流速度的大小和方向都將產(chǎn)生一定的影響。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]321、當(dāng)噴嘴出口壓力（背壓）大于或等于臨界壓力時(shí)，AB截面上的流速小于或等于音速，喉部壓力等于背壓（），汽流通過噴嘴，只在漸縮部分膨脹加速，而在斜切部分ABC處不膨脹加速。斜切部分只起導(dǎo)向作用。從噴嘴流出的汽流與動葉運(yùn)動方向成一角度(稱為噴嘴出汽角）。2、當(dāng)噴嘴出口壓力（背壓）小于臨界壓力時(shí)，汽流在AB截面上達(dá)臨界狀態(tài)，汽流在斜切部分要繼續(xù)膨脹加速，蒸汽壓力由臨界壓力下降為，汽流速度由臨界速度膨脹到大于音速，并且汽流方向要發(fā)生擾動和偏轉(zhuǎn)。①漸縮斜切噴管中的膨脹特點(diǎn)汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]33(1)斜切部分：導(dǎo)向(2)斜切部分：膨脹加速，汽流發(fā)生偏轉(zhuǎn)蒸汽在漸縮噴管斜切部分的流動小結(jié)汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]②縮放噴管如右圖，A1B1是喉部截面，AB是出口截面。AB界面上所能達(dá)到的最低壓力就是設(shè)計(jì)壓力，，所以噴管背壓只有在低于時(shí)，氣流在斜切部分才發(fā)生膨脹并偏轉(zhuǎn)。34汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]③氣流偏轉(zhuǎn)角的近似計(jì)算一般在2°~4°為宜。以上討論的內(nèi)容，對動葉柵的斜切部分也適用。35汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]靜葉（噴嘴）原理小結(jié)噴嘴出口速度及速度系數(shù)噴嘴臨界狀態(tài)噴嘴流量及流量系數(shù)噴嘴斜切部分的蒸汽流動36汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]38（一）動葉進(jìn)出口速度三角形

汽流在噴嘴中膨脹加速后進(jìn)入動葉通道時(shí)，其方向和大小都要發(fā)生變化，其結(jié)果是將蒸汽的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。為了計(jì)算蒸汽作功大小，必須確定動葉柵進(jìn)出口汽流速度的變化。動葉柵進(jìn)出口速度三角形就是表示動葉柵進(jìn)出口處汽流絕對速度c、相對速度w和圓周速度u之間的關(guān)系的。第三節(jié)蒸汽在動葉中的能量轉(zhuǎn)換過程

汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]速度三角形(velocitytriangle)能量轉(zhuǎn)換描述一維描述計(jì)算基礎(chǔ)39汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]動葉進(jìn)出口速度三角形進(jìn)口相對速度進(jìn)口方向角出口絕對速度出口方向角40汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]41動葉進(jìn)口速度三角形的相對速度和方向角可由下式確定：

為了使汽流順利進(jìn)入動葉通道而不發(fā)生碰撞，動葉柵的幾何進(jìn)口角應(yīng)等于進(jìn)汽角。蒸汽最后以相對速度（動葉出汽角）流出動葉通道。對于沖動級來說，的大小取決于反動度的大小，一般來說，>。這樣，汽流從動葉通道中流出的絕對速度的大小和方向可以從圖解得到。、可用下式求得：

為了方便，通常將動葉進(jìn)出口速度三角形繪制到一起。

汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]42動葉柵出口汽流相對速度和絕對速度

通過動葉通道的能量方程式可得到動葉柵出口汽流相對理想速度為：結(jié)合右下圖，焓降稱為動葉柵理想焓降，這樣，。其中，,稱為動葉柵的滯止理想焓降。由于通過動葉柵的流動是有損失的，與噴嘴一樣引入動葉速度系數(shù)

。這樣，動葉出口的實(shí)際相對速度為汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]43動葉損失

動葉損失就是蒸汽通過動葉柵的能量損失，由于動葉損失的存在，使動葉出口的焓值由h2t升到h2，則動葉損失為：

動葉損失與理想滯止焓降之比成為動葉柵的能量損失系數(shù)，即

在計(jì)算時(shí)，通常取

=0.85~0.95。

汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]44余速損失由速度三角形可知，蒸汽在動葉柵中作功之后，最后以絕對速度離開動葉，其具有的動能稱為余速損失：

在多級汽輪機(jī)中，余速損失可以被下一級所利用，其利用程度可用余速利用系數(shù)μ表示，μ=0~1之間。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]45（二）蒸汽作用在動葉片上的力及輪周功

為求取蒸汽在動葉柵作功大小，必先求取蒸汽對動葉柵的作用力。1，蒸汽對動葉片的作用力

蒸汽在動葉柵通道中要改變方向、或者還要膨脹加速，其對動葉片的作用力可用下式進(jìn)行計(jì)算：圓周分力或者軸向分力

或者合力

以上各式中，----單位時(shí)間內(nèi)流過動葉柵的流量；----動葉通道軸向投影面積。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]46

2，輪周功和輪周功率

蒸汽通過汽輪機(jī)的級在動葉片上所作的有效機(jī)械功稱為輪周功。而單位時(shí)間內(nèi)作出的輪周功稱為輪周功率。輪周功率為圓周分力和圓周速度的乘積：

或者，(J/s)用G除以上二式，得到1kg蒸汽所作出的輪周功。輪周功表示作功能力，用表示：

或者，

結(jié)合速度三角形和余弦定理，輪周功還可以用下式表示：(J/kg)汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]級的熱力過程線考慮了噴嘴損失、動葉損失和余速損失之后的級焓降稱為級的輪周有效焓降，它是用焓降表示的1kg蒸汽所做的輪周功：47汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]小結(jié)1、汽輪機(jī)級內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換基本假設(shè)、基本方程2、靜葉（噴嘴）中的能量轉(zhuǎn)換噴嘴出口速度及速度系數(shù)φ、噴嘴損失噴嘴臨界狀態(tài)、噴嘴截面積的變化規(guī)律噴嘴流量計(jì)算：臨界流量－>理想流量－>實(shí)際流量噴嘴的平均出氣角、汽流偏轉(zhuǎn)角3、動葉中的能量轉(zhuǎn)換過程速度三角形c1-u→w1+Ωht→w2+u→c2輪周作用力速度投影—輪周功率Fu·u—輪周功動葉損失系數(shù)ψ余速損失48汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]50蒸汽在級內(nèi)所具有的理想能量不能百分之百地轉(zhuǎn)變?yōu)檩喼芄?，存在著損失。為了描述蒸汽在汽輪機(jī)級內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的完善程度，通常用各種不同的效率來加以說明。一，輪周效率與速度比

1、輪周效率：蒸汽在汽輪機(jī)級內(nèi)所作出輪周功與它在級內(nèi)所具有的理想能量之比稱為級的輪周效率,即

2、級的理想能量：一般來說，級的理想能量是級的理想焓降、進(jìn)入本級的動能和本級余速動能被下一級所利用部分的代數(shù)和，即第四節(jié)汽輪機(jī)級的輪周效率和最佳速度比汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]513，級的理想速度：為了研究方便，這里引入級的理想速度的概念,定義：4，級的輪周效率：或者式中，分別為噴嘴損失、動葉損失和余速損失與級的理想能量之比，稱其為噴嘴、動葉和余速能量損失系數(shù)。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]525，速度比：為了提高級的輪周效率，則要求減少噴嘴損失、動葉損失和余速損失。其中，前二項(xiàng)損失與相應(yīng)的速度系數(shù)

、

有關(guān)。如果選定了動靜葉柵的葉型，則系數(shù)

、

就確定了。這樣，為了提高輪周效率，就得盡量減少余速損失。通常定義輪周速度與噴管出口速度之比為速度比,簡稱速比。使c2達(dá)到軸向排汽的速度比稱為最佳速度比，用表示。速比是汽輪機(jī)級的一個(gè)很重要的特性參數(shù)。速度比的取值直接影響汽輪機(jī)的效率和作功能力。對于不同型式的級，其最佳速度比是不相同的。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]53汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]α<90o余速損失不為最小α=90o余速損失最小α>90o余速損失不為最小不同速比下純沖動級速度三角形

w1=w254汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]55二、輪周效率與速比的關(guān)系（1）對于不考慮余速利用的純沖動級：其最佳速度比是：或一般來說，因此，若取φ=0.97，則對于反動度不為零的沖動級，；當(dāng)考慮余速利用的中間級，左右。

（2）對于復(fù)速級，其最佳速度比為：通常，復(fù)速級的最佳速度比為：之間。（3）對于反動級，其最佳速度比為：若取則汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]56汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]小結(jié)1、輪周效率定義2、最佳速比u/c1→min(c2)3、輪周效率與速比之間的關(guān)系57汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]58三、葉柵幾何尺寸的確定（一）葉柵幾何特性1，葉型、型線：葉片截面的形狀、周線分別稱為葉型、型線；2，等截面葉片和變截面葉片：葉型及面積沿葉高不變的葉片稱為等截面葉片，反之為變截面葉片。3，亞音速葉柵、近音速葉柵、超音速葉柵。4，葉柵幾何參數(shù)：------平均直徑；——葉高；——節(jié)距；B——葉片寬度；b——弦長；汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]59——出口邊厚度；、、——進(jìn)出口寬度。5，無因次幾何特性：——相對節(jié)距；

——相對葉高；——徑高比。6，汽流角度：、——噴嘴、動葉進(jìn)口汽流角；、——噴嘴、動葉出口汽流角；、——噴嘴、動葉葉型進(jìn)口角；、——噴嘴、動葉葉型出口角；、——噴嘴、動葉葉型安裝角。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]60（二）葉柵形式的選擇已知條件：蒸汽流量G，參數(shù)、、；轉(zhuǎn)速，初速，級的平均直徑，反動度。1，噴嘴葉柵型式的選擇

噴嘴葉柵型式的選擇主要決定于需要得到多大的出口速度。即根據(jù)噴嘴前后壓力比來確定：當(dāng)需要得到小于或等于音速汽流時(shí)，即，可選用漸縮噴嘴。當(dāng)噴嘴前后壓力比還不大于0.3~0.4時(shí)，即，仍然可選用漸縮噴嘴，這時(shí)，可利用噴嘴斜切部分繼續(xù)膨脹加速，以得到超音速汽流。當(dāng)噴嘴前后壓力比小于0.3時(shí)，則必須選用縮放噴嘴。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]612，動葉柵型式的選擇

動葉柵型式的選擇的方法和靜葉柵相似。但動葉柵通道中的流動多為亞音速流動。根據(jù)動葉柵的各參數(shù)，根據(jù)速度三角形，計(jì)算，查；再根據(jù)壓力比的值和臨界壓力比相比，是否超臨界。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]623.噴嘴葉柵與動葉柵幾個(gè)主要參數(shù)的選定

（一）葉柵出汽角和的選擇通常，高壓沖動級噴嘴出汽角；反動級中、低壓沖動級；復(fù)速級。動葉柵出氣角一般按下列關(guān)系選?。簺_動級：復(fù)速級：（二）部分進(jìn)汽度的選擇：1，一般采用全周進(jìn)汽（e=1）；小型機(jī)采用部分進(jìn)汽（e<1）；2，調(diào)節(jié)級采用部分進(jìn)汽（e<1），分4~7組。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]（三）蓋度的選擇：通常要求動葉進(jìn)口高度略大于噴嘴出口高度。63汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]64（四）沖動級內(nèi)反動度的合理選用：純沖動級具有作功能力大的特點(diǎn)，但其效率較低。當(dāng)適當(dāng)?shù)剡x用反動度之后，就可以達(dá)到提高效率的目的。這是因?yàn)?，采用適當(dāng)?shù)姆磩佣龋梢蕴岣邉尤~的速度系數(shù)

，以減小動葉損失；也可以減小動葉根部軸向間隙中由于吸汽而產(chǎn)生的附加損失。1，當(dāng)根部反動度較大時(shí)，則平均反動度會更大，會造成葉頂和平衡孔漏汽，因而產(chǎn)生損失，見下頁圖a；2，當(dāng)根部反動度太小或者為負(fù)時(shí)，會造成葉片根部吸汽，或者使級后蒸汽通過平衡孔回到動葉前，造成損失，見下頁圖b；3，當(dāng)根部反動度=0.03~0.05時(shí)可使動葉根部不發(fā)生吸汽和漏汽現(xiàn)象，同時(shí)也可以使動葉前后壓力差不至太大以至造成大的葉頂漏汽損失，見下頁圖c。

汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]65

在進(jìn)行汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)時(shí)，通常是按級的平均直徑處的平均反動度進(jìn)行計(jì)算的。但級的反動度沿葉高是變化的，這樣，根據(jù)選定的根部反動度，平均反動度為：

葉根反動度為：

式中，為動葉柵的平均直徑、葉高。圖1-36汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]66確定某一級的反動度，除了合理選用動靜葉柵之葉型之外，主要是靠通過一定的動靜葉柵出口面積比f來實(shí)現(xiàn)的。即一定的反動度對應(yīng)一定的動靜葉柵出口面積比。面積比隨著反動度的增加而減小。汽輪機(jī)中反動度與動靜葉柵出口面積比的對應(yīng)范圍為：1.直葉片壓力級

f=1.86~1.65.2.扭葉片級

=0.2~0.4,f=1.7~1.4.3.復(fù)速級

汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]67前述噴嘴損失、動葉損失、余速損失都是級內(nèi)損失。除此之外，級內(nèi)損失還包括：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。當(dāng)然，不是每一級都同時(shí)具有這些損失，要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。如只有在部分進(jìn)汽的級才有部分進(jìn)汽損失；葉片較長又不采用扭曲葉片的級中才存在扇形損失；工作在濕蒸汽區(qū)的級才有濕汽損失等等。第五節(jié)汽輪機(jī)級內(nèi)損失和級效率

汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]汽輪機(jī)級內(nèi)損失68汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]69一、級內(nèi)損失1、葉高損失將噴嘴和動葉中與葉高有關(guān)的損失稱為級的葉高損失，或叫端部損失。當(dāng)葉片較短（一般說葉高l<12~15mm)時(shí)，葉高損失明顯增加。這時(shí)，必須采用部分進(jìn)汽。葉高損失常用下面半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中，a——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，a=1.2(單列級，不含扇形損失）；a=1.6(單列級，含扇形損失)；a=2(雙列級）；——不包括葉高損失的輪周有效焓降，

l——葉柵高度(mm)。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]702、扇形損失由于汽輪機(jī)的葉柵是安裝在葉輪上的，呈環(huán)形。汽流參數(shù)和葉片幾何參數(shù)（節(jié)距、進(jìn)汽角）沿葉高是變化的。在設(shè)計(jì)時(shí)，只有在平均直徑處，設(shè)計(jì)條件才能得到滿足。而其他截面上，由于偏離設(shè)計(jì)條件將會引起附加損失。這個(gè)附加損失稱為扇形損失，用下式計(jì)算：式中，稱為徑高比。可以看到，扇形損失的大小與徑高比的平方成反比，

越小，扇形損失越大。當(dāng)

>12時(shí)，可采用等截面直葉片。等截面直葉片的設(shè)計(jì)和加工都比較容易，但存在著扇形損失；當(dāng)

<8時(shí)應(yīng)采用扭葉片，這時(shí)雖然加工較困難，但可有效減小扇形損失。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]713、葉輪摩擦損失由于蒸汽粘性，葉輪在汽室中作高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，存在著葉輪輪面與蒸汽及蒸汽之間的相對運(yùn)動而產(chǎn)生的摩擦?？朔Σ梁蛶诱羝|(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，就要耗功。同時(shí)，靠近葉輪輪面?zhèn)鹊恼羝|(zhì)點(diǎn)隨葉輪一起轉(zhuǎn)動時(shí)，受到離心力作用而產(chǎn)生徑向運(yùn)動。而靠近隔板處的蒸汽質(zhì)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)速度小，自然要向旋轉(zhuǎn)中心處流動以保持蒸汽的連續(xù)性。于是，在葉輪兩側(cè)的汽室中就形成了渦流運(yùn)動。蒸汽的渦流運(yùn)動也要消耗一部分輪周功。克服摩擦阻力和渦流消耗的功叫葉輪摩擦損失。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]72葉輪摩擦損失目前廣泛采用斯托陀拉的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：,(kW)式中，k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與蒸汽性質(zhì)有關(guān)，對于過熱蒸汽，k=1，對于飽和蒸汽，k=1.2~1.3；

dm、u——級的平均直徑、圓周速度；

v——汽室中蒸汽的平均比容。

葉輪摩擦損失也可用焓降來表示：或用損失系數(shù)表示：減小該項(xiàng)損失的措施是適當(dāng)減小葉輪與隔板的軸向間隙,提高葉輪表面光潔度。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]734、部分進(jìn)氣損失采用部分進(jìn)汽，產(chǎn)生部分進(jìn)汽損失，由“鼓風(fēng)”損失和“斥汽”損失兩部分所組成。鼓風(fēng)損失發(fā)生在沒有噴嘴的弧段內(nèi)。動葉通過這一弧段，象風(fēng)機(jī)一樣把滯留在這一弧段內(nèi)的蒸汽從一側(cè)吹到另一側(cè)，消耗一部分有用功，產(chǎn)生鼓風(fēng)損失。斥汽損失發(fā)生在安裝有噴嘴葉片的弧段內(nèi)。動葉片由非工作區(qū)進(jìn)入工作區(qū)弧段時(shí)，動葉通道中滯留的蒸汽要靠工作區(qū)弧段中噴嘴噴出的主流蒸汽將其吹出，消耗輪周功。另外，由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在噴嘴出口端A點(diǎn)存在著漏汽(如上圖)；而在B點(diǎn)又存在著抽吸作用，將一部分蒸汽吸入動葉通道，干擾主流引起損失。上述三方面統(tǒng)稱為斥汽損失。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]74

總的部分進(jìn)汽損失由以上兩部分所組成，即而

上三式中，e——部分進(jìn)汽度；ec——護(hù)罩弧長與整周弧長之比，ec=1-e;

E0——級的理想能量；

Be

——系數(shù)，單列級Be=0.15,雙列級Be=0.55;

Zng——噴嘴組數(shù)；

Cs——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，單列級Cs

=0.012,復(fù)速級Cs=0.016。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]減小該項(xiàng)損失的措施是：（1）在非工作區(qū)動葉加裝護(hù)罩，減小動葉兩側(cè)的動靜間隙，減少動葉兩側(cè)的蒸汽量以減小鼓風(fēng)損失。（2）減少噴嘴組數(shù)，減小兩噴嘴組間的間隙，使該間隙小于等于噴嘴節(jié)距，可減小斥汽損失。75汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]765、漏氣損失由動靜兩部分所組成的汽輪機(jī)級，存在運(yùn)動間隙。由于壓差的作用，就會漏汽。隔板前后壓差也導(dǎo)致漏汽，這部分蒸汽不作功。另外，漏汽不是從噴嘴中以正確方向流入動葉通道，還干擾主流，這樣就形成了隔板漏氣損失。一般在葉輪盤上開平衡孔，以便讓隔板漏汽從平衡孔漏出，而不干擾主流。另外，由于反動度的存在，動葉前后有壓差，有一部分蒸汽不通過動葉通道而從葉頂間隙漏到級后。這部分蒸汽不作功，形成葉頂損失。這些構(gòu)成了級間漏汽損失。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]77漏汽損失是由于壓力差和間隙的存在而引起的。減少漏汽損失、減小漏汽量，就應(yīng)該減小間隙面積和蒸汽壓力差。通常采用汽封（齒形迷宮、蜂窩、刷式）減少漏汽。漏汽量和漏汽損失計(jì)算方法如下：

（1）隔板漏汽量的計(jì)算

（2）動葉頂漏汽量的計(jì)算汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]78（3）隔板損失計(jì)算

（4）葉頂漏汽損失計(jì)算

（注：以上四式中的符號含義見書）汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]79（4）減小葉項(xiàng)漏汽損失的措施是在圍帶上加裝徑向汽封和軸向汽封，對于無圍帶的長葉片，常把動葉頂部削薄以達(dá)到葉頂汽封的作用，另外應(yīng)盡量減小葉片頂部反動度。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]6、濕汽損失80蒸汽在汽輪機(jī)最后幾級進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，產(chǎn)生濕汽損失，原因在于：（1）一部分蒸汽在膨脹加速過程中凝結(jié)成水滴，減少了作功蒸汽量；（2）水滴不膨脹作功，反為汽流夾帶前進(jìn)，要消耗一部分輪周功；（3）水滴前進(jìn)速度低于蒸汽速度。這樣，從動葉進(jìn)口速度三角形上分析，水滴從噴嘴中流出時(shí)，正好打擊動葉背弧，阻止動葉前進(jìn)，減小了有用功；而水滴從動葉流出之后又打擊下一級噴嘴的背弧。水滴長期沖蝕片，使葉片進(jìn)口邊背弧被水蝕，嚴(yán)重時(shí)，會打穿葉片。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]81汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]82濕汽損失通常用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中，xm——級的平均蒸汽干度；濕蒸汽會引起濕汽損失和沖蝕葉片。為了減少濕氣損失，一方面可以采取一些去濕措施。如加裝捕水槽、捕水室等去濕裝置，以減少蒸汽中的水分。另一方面，設(shè)計(jì)時(shí)對末級的濕度進(jìn)行限制，如提高蒸汽初溫、采用再熱等。為了減少水蝕，還要提高葉片本身的抗?jié)衲芰Γ饕窃O(shè)法增強(qiáng)葉片進(jìn)汽邊背弧的抗?jié)裥阅?。如在動葉片進(jìn)汽邊背弧加焊硬質(zhì)合金、電火花處理等。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]83（二）級的相對內(nèi)效率和內(nèi)功率1、級的實(shí)際熱力過程曲線

由于上述級內(nèi)損失存在，進(jìn)入級的蒸汽所具有的理想能量就不可能全轉(zhuǎn)化為有效功。但損失又轉(zhuǎn)換為熱能，加熱蒸汽本身，使動葉出口排汽焓值升高。考慮各種損失之后級的實(shí)際熱力過程曲線如圖所示。其中，0點(diǎn)為級前滯止?fàn)顟B(tài)點(diǎn)，3為有余速利用時(shí)的下一級級前進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)。為級的有效焓降，它表示1kg蒸汽所具有的理想能量最后轉(zhuǎn)化為有效功的能量。越大，級的內(nèi)效率就越高。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]84

1、級的相對內(nèi)效率（級效率）

級效率是衡量級內(nèi)能量轉(zhuǎn)換完善成度的最后指標(biāo)。2、級的內(nèi)功率或者汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]汽輪機(jī)級內(nèi)損失85汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]86汽輪機(jī)通流部分損失汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]三、級內(nèi)損失對最佳速比的影響87汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]89前面討論級的氣動特性和幾何參數(shù)時(shí)，都是以一元流動模型為理論依據(jù)，以平均直徑上的參數(shù)代替整個(gè)葉高上各處的參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。對徑高比>8~12的短葉片級，可以獲得滿意的工程效果，計(jì)算簡便，物理概念清晰。但是隨著汽輪機(jī)單級功率增大，蒸汽容積流量必然增大，特別是末幾級，需要更大的通流面積，因此徑高比較小，葉片很長。如仍按等截面直葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)，將產(chǎn)生很大的附加損失，使級效率顯著降低。附加損失表現(xiàn)在：（1）沿葉高圓周速度不同所引起的損失（2）沿葉高相對節(jié)距不同所引起的損失（3）軸向間隙中汽流徑向流動所引起的損失現(xiàn)代汽輪機(jī)對長葉片級普遍采用三維流動設(shè)計(jì)理論。第六節(jié)級的二維和三維熱力設(shè)計(jì)汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]90（1）沿葉高圓周速度不同所引起的損失：從葉根到葉頂，其相應(yīng)的圓周速度相差很大。（如200MW汽輪機(jī)的末級葉片，平均直徑為2000mm,葉高為665mm,徑高比

=3，其葉頂?shù)膱A周速度為418.6m/s，而葉根的的圓周速度為209.7m/s，二者相差一半）。由于圓周速度沿葉高增加，使汽流進(jìn)入動葉通道時(shí)的進(jìn)汽角沿葉片高逐漸增大，即。如果仍以平均直徑處速度三角形有關(guān)參數(shù)作為依據(jù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用等截面直葉片。那么，除了平均直徑附近處之外，其余直徑處的汽流在進(jìn)入動葉通道時(shí)，都會有不同程度的撞擊現(xiàn)象發(fā)生，從而造成能量損失。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]91（2）沿葉高相對節(jié)距不同所引起的損失：葉片是安裝在葉輪上的，呈環(huán)形，當(dāng)徑高比很小時(shí)，節(jié)距沿葉高變化很大。而每一種葉型構(gòu)成的葉柵都有一個(gè)最佳相對節(jié)距，其對應(yīng)葉柵的效率最高。只要偏離這一最佳值，都會引起損失，造成效率下降。（3）軸向間隙中汽流徑向流動所引起的損失：蒸汽從動、靜葉柵通道中流出時(shí)，都有一定的圓周速度，因此，在動、靜軸向間隙中必然產(chǎn)生離心力作用，而產(chǎn)生徑向流動。徑向流動就會造成損失。而且，葉片越長，徑向流動造成的損失就越大。汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]92汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]93汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行課件[1]94因此，對于長葉片級來說，就不能采用短葉片級的設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)。必須把長葉片級設(shè)計(jì)成型線沿葉高變化的變截面葉片。考慮到氣動特性，絕大多數(shù)情況下設(shè)計(jì)成扭葉片。扭葉片加工困難，制造成本高。長葉片級設(shè)計(jì)普遍采用徑向平衡法，方法的核心問題是確定動、靜葉柵軸向間隙汽流的平衡條件。建立徑向平衡條件和徑向平衡方程式，求解得出汽流參數(shù)沿葉高的變化規(guī)律?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)計(jì)算方法已經(jīng)可以直接數(shù)值求解長葉片級的三維氣動方程