1、-第一章第一章 汽轮机级汽轮机级的工作原理的工作原理 第一节第一节 汽轮机级的概述汽轮机级的概述 级的概念：级的概念：由一列喷嘴叶栅和紧邻其由一列喷嘴叶栅和紧邻其后的一列动叶栅所组成的热能到机械能转后的一列动叶栅所组成的热能到机械能转换的基本单元。换的基本单元。多级汽轮机是由在同一轴上的若干个多级汽轮机是由在同一轴上的若干个级串联组合而成。级串联组合而成。-国产国产600MW600MW汽轮机汽轮机-汽轮机隔板结构汽轮机隔板结构-600MW600MW汽轮机下汽缸隔板汽轮机下汽缸隔板-v蒸汽的蒸汽的热能热能动能动能机械能机械能电能电能v（锅炉）（锅炉）（喷嘴）（动叶）（喷嘴）（动叶）（发电机）（发
2、电机）v喷嘴是静止的部分：作用是将蒸汽的热能转变成蒸喷嘴是静止的部分：作用是将蒸汽的热能转变成蒸汽的动能。汽的动能。v动叶栅是运动部分：作用是将蒸汽的动能转变成轴动叶栅是运动部分：作用是将蒸汽的动能转变成轴旋转的机械能。旋转的机械能。v机械能主要利用蒸汽通过动叶栅时，发生动量变化机械能主要利用蒸汽通过动叶栅时，发生动量变化对该叶栅产生冲力，使动叶栅转动而获得。对该叶栅产生冲力，使动叶栅转动而获得。-一、蒸汽的冲动原理和反动原理一、蒸汽的冲动原理和反动原理-v冲动力：当蒸汽在动叶栅汽道内不膨胀加速而只随冲动力：当蒸汽在动叶栅汽道内不膨胀加速而只随汽道形状改变流动方向，汽流改变流动方向对汽道汽道形
3、状改变流动方向，汽流改变流动方向对汽道所产生的离心力。所产生的离心力。v反动力：当蒸汽在动叶栅汽道内随汽道形状改变流反动力：当蒸汽在动叶栅汽道内随汽道形状改变流动方向的同时继续膨胀加速，即汽流不仅改变方向动方向的同时继续膨胀加速，即汽流不仅改变方向而且因膨胀使其速度也有较大的增加，则加速的汽而且因膨胀使其速度也有较大的增加，则加速的汽流出汽道时对动叶栅将施加一个与汽流流出方向相流出汽道时对动叶栅将施加一个与汽流流出方向相反的反作用力。反的反作用力。-二、级的反动度二、级的反动度v蒸汽的滞止状态和滞止参数蒸汽的滞止状态和滞止参数 滞止状态：汽流被等熵滞止到初速为零的状态。滞止状态：汽流被等熵滞止
4、到初速为零的状态。滞止参数：滞止状态下所对应的参数。滞止参数：滞止状态下所对应的参数。如图如图1 12 2所示。所示。图图1 12 2 级的热力过程线级的热力过程线-式中式中 m级的平均反动度，级的平均反动度，“m”指平均直径处；指平均直径处；hhb b蒸汽在动叶中的理想焓降；蒸汽在动叶中的理想焓降；hh*t t蒸汽在级中的滞止理想焓降。蒸汽在级中的滞止理想焓降。tbmhhv级的反动度的定义级的反动度的定义 体现蒸汽在动叶中膨胀程度大小的量，定义为：体现蒸汽在动叶中膨胀程度大小的量，定义为：蒸汽在动叶中的理想焓降与级的滞止理想焓降之比，蒸汽在动叶中的理想焓降与级的滞止理想焓降之比，即即-三、级
5、的类型三、级的类型（一）按反动度分（一）按反动度分1.1.纯冲动级纯冲动级 m m0 0的级，的级，hhb b0,h0,h*n n=h=h*t t，做功能力较大，但效率较低，如图做功能力较大，但效率较低，如图1 13 3所示。所示。2.2.冲动级（带反动度的冲动级）冲动级（带反动度的冲动级）m m0.050.050.200.20的级，的级，hhb b0,0,但但hhb bhhn n，做功能力和效率介于纯冲动级和，做功能力和效率介于纯冲动级和反动级之间。反动级之间。-图图1 13 3 纯冲动级中蒸汽压力和速度的变化纯冲动级中蒸汽压力和速度的变化示意示意图图1 14 4 反动动级中蒸汽压力和速度的
6、变化示意反动动级中蒸汽压力和速度的变化示意-（二）按能量转换过程分（二）按能量转换过程分1.1.速度级速度级 以利用蒸汽流速为主的级，有双列和多列之以利用蒸汽流速为主的级，有双列和多列之分。双列速度级又称复速级，如图分。双列速度级又称复速级，如图1 15 5所示。所示。3.3.反动级反动级 m0.5m0.5的级，的级，hhb bhhn n，动、静叶，动、静叶型相同，做功能力较小，但效率高，如图型相同，做功能力较小，但效率高，如图1 14 4所示。所示。-复速级是由一列喷嘴叶栅和复速级是由一列喷嘴叶栅和装在同一叶轮上的两列动叶栅以装在同一叶轮上的两列动叶栅以及第一列动叶栅后的固定不动的及第一列动
7、叶栅后的固定不动的导向叶栅所组成。蒸汽在喷嘴中导向叶栅所组成。蒸汽在喷嘴中膨胀，在第一列动叶栅中作一部膨胀，在第一列动叶栅中作一部分功，在固定的导向叶栅中改变分功，在固定的导向叶栅中改变蒸汽流动方向，在第二列动叶栅蒸汽流动方向，在第二列动叶栅内继续作功。内继续作功。复速级做功能力比单列冲动复速级做功能力比单列冲动级大，但效率低。级大，但效率低。2.2.压力级压力级 以利用级组中合理分配的压力以利用级组中合理分配的压力降（焓降）为主的级，又称单列级。降（焓降）为主的级，又称单列级。做功能力较小，但效率高。做功能力较小，但效率高。-（三）按负荷变化时通流面积是否改变分（三）按负荷变化时通流面积是否
8、改变分1.1.调节级调节级 喷嘴调节的汽轮机的第一级，负荷变化时，喷嘴调节的汽轮机的第一级，负荷变化时，其通流面积是改变的。其通流面积是改变的。调节级可以是复速级，也可以是单列级。调节级可以是复速级，也可以是单列级。通常中、小型机组采用复速级为调节级，大机通常中、小型机组采用复速级为调节级，大机组采用单列级作调节级。组采用单列级作调节级。2.2.非调节级非调节级 负荷改变时，级的通流面积不变。负荷改变时，级的通流面积不变。-四、级的工作过程的研究方法四、级的工作过程的研究方法（一）基本假设（一）基本假设（1 1）一元流动，也称轴对称流动。）一元流动，也称轴对称流动。（2 2）定常流动，也称稳定
9、流动。）定常流动，也称稳定流动。（3 3）绝热流动。）绝热流动。-（二）基本方程（二）基本方程1.1.连续方程连续方程式中式中 G G蒸汽质量流量；蒸汽质量流量；A A汽道内任一横截面积；汽道内任一横截面积；c c 垂直于截面垂直于截面A A的蒸汽流速；的蒸汽流速；截面截面A A上的蒸汽密度。上的蒸汽密度。微分形式程微分形式程常数222111AcAccAG0dCdcAdA-2.2.动量方程动量方程cdcRdxdp式中式中 R R作用在单位质量汽流上的摩擦阻作用在单位质量汽流上的摩擦阻力，若流动是无损失的等熵流动，则力，若流动是无损失的等熵流动，则R R0,0,于是于是cdcdp-3.3.能量方
10、程能量方程式中式中 h h0 0、h h1 1蒸汽进入和流出系统的比焓值；蒸汽进入和流出系统的比焓值；c0、c1蒸汽进入和流出系统的速度；蒸汽进入和流出系统的速度；q q1kg1kg蒸汽通过系统时从外界吸入的热量；蒸汽通过系统时从外界吸入的热量；w w 1kg1kg蒸汽通过系统时对外界所做的机蒸汽通过系统时对外界所做的机 械功。械功。上式对有损失的流动和无损失的流动上式对有损失的流动和无损失的流动均适用。均适用。wchqch22211200-4.4.状态方程状态方程式中式中 p p气体绝对压力；气体绝对压力；气体密度；气体密度；R R通用气体常数，通用气体常数，R=461.76J/R=461.
11、76J/（kg.K)kg.K)；T T 热力学温标。热力学温标。RTp（1 1）理想气体状态方程理想气体状态方程（2 2）蒸汽等熵膨胀过程方程蒸汽等熵膨胀过程方程常数kp-式中式中 k k等熵指数，对于蒸汽而言：过热等熵指数，对于蒸汽而言：过热蒸汽蒸汽 k=1.3k=1.3；湿蒸汽湿蒸汽 k=1.035+0.1x k=1.035+0.1x(x(x为膨胀过程初态的蒸汽干度）。为膨胀过程初态的蒸汽干度）。对绝热有损失过程对绝热有损失过程常数np式中式中 n n多变过程指数。多变过程指数。-一、蒸汽在喷嘴中的流动一、蒸汽在喷嘴中的流动（一）喷嘴出口汽流的计算（一）喷嘴出口汽流的计算第二节第二节 汽轮
12、机级的工作过程汽轮机级的工作过程图图1 16 6 蒸汽在喷嘴中的膨胀过程蒸汽在喷嘴中的膨胀过程22200200chhhhchhhhncnncocnn由上图知：。动能。蒸汽在喷嘴进口的初速想焓降；蒸汽在喷嘴中的滞止理降；蒸汽在喷嘴中的理想焓-1.1.喷嘴出口汽流理想速度喷嘴出口汽流理想速度在上图中的在上图中的0 0点和点和1t1t点应用能量方程得点应用能量方程得nntttthchchhcchch22)(2222020101211200因为蒸汽在喷嘴流动过程中，因为蒸汽在喷嘴流动过程中，q=0,w=O.q=0,w=O.上式通常用于实际计算。上式通常用于实际计算。-此公式常用于理论分析。此公式常用于
13、理论分析。另外，若将蒸汽看作理想气体，则有另外，若将蒸汽看作理想气体，则有kktpppkkc101001)(112-2.2.喷嘴出口汽流实际速度喷嘴出口汽流实际速度引入喷嘴速度系数，则引入喷嘴速度系数，则tcc11单独计算。而将与叶高有关的损失，常取一般于实际中应保证叶高不小值急骤下降，所示时，所示，当喷嘴高度如图系最密切。等，其中与喷嘴高度关表面粗糙度和前后压差高度，叶型、大小主要取决于喷嘴的为喷嘴的速度系数，其0.97,0.980.92.20151571mmmmln-图图1 17 7 喷嘴速度系数随叶高的变化曲线，上面一条线代表喷嘴宽度喷嘴速度系数随叶高的变化曲线，上面一条线代表喷嘴宽度B
14、 Bn n=55mm,=55mm,下面一条线代表喷嘴宽度下面一条线代表喷嘴宽度B Bn n=80mm=80mm。-（）临界条件。在喷嘴中，当蒸汽作等比熵膨胀到（）临界条件。在喷嘴中，当蒸汽作等比熵膨胀到某一状态时，汽流速度就和当地音速相等，即某一状态时，汽流速度就和当地音速相等，即c c1t1t=a a，则称这时蒸汽达到临界状态，此时马赫数则称这时蒸汽达到临界状态，此时马赫数M Ma a=c c1t1ta a=1=1，这一条件称为临界条件。临界条件下的所有参这一条件称为临界条件。临界条件下的所有参数均称为临界参数。数均称为临界参数。.喷嘴损失喷嘴损失所示。图上的表示如图在6)1(2)1(222
15、2122121shhhccchnnttn.喷嘴中的临界条件和临界状态喷嘴中的临界条件和临界状态-（）临界压力比。（）临界压力比。.577.0,135.1;546.0,3.1)12(10crcrcrcrkkkppkk对干饱和蒸汽，对过热蒸汽，-（二）喷嘴流量的计算（二）喷嘴流量的计算1.1.喷嘴理想流量喷嘴理想流量ttntcAG11kknknnkktntpkkApppkkAG120010100112)(112可导出可导出-分析：分析：0011)12(max00001pkkAGGGddGGGkkntcrtcrtcrnnttntn时，得：由时，时，如图如图8 8所示，曲线所示，曲线BOBO不符合实不
16、符合实际，实际流量曲线应为际，实际流量曲线应为ABC.ABC.图图8 8渐缩喷嘴的流量曲线渐缩喷嘴的流量曲线-对过热蒸汽，对过热蒸汽，2.2.喷嘴实际流量喷嘴实际流量tnttttttnnGGcccAcAG1111111111分析：分析：97.011nt，对饱和蒸汽，对饱和蒸汽，02.111nt，式中式中n流量系数，可查图流量系数，可查图9 9。-图图9 9喷嘴和动叶的流量系数喷嘴和动叶的流量系数-实际临界流量：实际临界流量：不论是过热蒸汽，还是饱和蒸汽，考虑流量系数后，不论是过热蒸汽，还是饱和蒸汽，考虑流量系数后，均有：均有：00648.0pAGncr可见，通过喷嘴的最大蒸汽流量可见，通过喷嘴
17、的最大蒸汽流量(即临界流量即临界流量)，在，在喷嘴出口面积和蒸汽性质确定后，只与蒸汽的初参数有喷嘴出口面积和蒸汽性质确定后，只与蒸汽的初参数有关；只要蒸汽初参数已知，通过喷嘴的临界蒸汽流量即关；只要蒸汽初参数已知，通过喷嘴的临界蒸汽流量即为确定值。为确定值。-3.3.彭台门系数彭台门系数当喷嘴进出口压力比当喷嘴进出口压力比n n=p p1 1p p0 0处于某个数值时，处于某个数值时，其相应的流量其相应的流量G G与同一初状态下的临界流量与同一初状态下的临界流量G Gcrcr之比值称为之比值称为流量比，用流量比，用表示，也称为彭台门系数，即表示，也称为彭台门系数，即 1112*0*01112*
18、0*0)12()(12)12()(12kkkknknkknkknknncrkkpkkApkkAGG-从上式可知，从上式可知，的大小与喷嘴的压力比的大小与喷嘴的压力比n和蒸汽的和蒸汽的绝热指数绝热指数k k有关。如果蒸汽的进口状态已知，那么，在有关。如果蒸汽的进口状态已知，那么，在亚临界压力的情况下，只是喷嘴出口压力亚临界压力的情况下，只是喷嘴出口压力p p1 1的单值函数；的单值函数；而在临界压力和超临界压力的情况下，而在临界压力和超临界压力的情况下，达最大值达最大值(=1=1)，并不再随出口压力并不再随出口压力p p1 1的变化而变化。对于过热蒸汽，在的变化而变化。对于过热蒸汽，在不同压力比
19、不同压力比n下下的值，可由图的值，可由图1-101-10查得。查得。引入彭台门系数的目的：引入彭台门系数的目的：只要知道只要知道的值，就不必判断蒸汽的流动状态，的值，就不必判断蒸汽的流动状态，即可计算流量。即可计算流量。-图图1010渐缩喷嘴的渐缩喷嘴的曲线曲线(k=1.3)-由渐缩部分加上斜切部分（由渐缩部分加上斜切部分（ABC)ABC)组成，如图组成，如图1 1所示。所示。.渐缩斜切喷嘴的组成渐缩斜切喷嘴的组成（三）蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀（三）蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀图图1111带有斜切部分的渐缩喷嘴带有斜切部分的渐缩喷嘴-保证汽流顺利地进入动叶做功，并获超音速汽保证汽流顺利地进入动叶做
20、功，并获超音速汽流。流。（）当喷嘴出口断面上的压力比大于或等于临界压力）当喷嘴出口断面上的压力比大于或等于临界压力比时，即比时，即时，蒸汽仅在渐缩部分膨胀，时，蒸汽仅在渐缩部分膨胀，.斜切部分的作用斜切部分的作用.斜切部分的膨胀特点斜切部分的膨胀特点crcrnpp 1,在斜切部分不膨胀，斜切部分仅起导流作用，此时在斜切部分不膨胀，斜切部分仅起导流作用，此时crcrGGcc,1。（）当喷嘴出口断面上的压力小于临界压力比时，即（）当喷嘴出口断面上的压力小于临界压力比时，即crcrnpp 1,时，蒸汽不仅在渐缩部分膨胀，在斜切时，蒸汽不仅在渐缩部分膨胀，在斜切也膨胀。蒸汽在渐缩部分达临界，在斜切部分
21、继续膨胀，也膨胀。蒸汽在渐缩部分达临界，在斜切部分继续膨胀，-出口获超音速汽流，且出口汽流方向发生偏转，出口获超音速汽流，且出口汽流方向发生偏转，此时此时如图如图2 2所示。所示。crcrGGcc,1，-首先判断蒸汽的流动状态，只有超临界时才计算首先判断蒸汽的流动状态，只有超临界时才计算偏转角。偏转角。.汽流偏转角的计算汽流偏转角的计算kknknkdkkk1111111111)12(sin)sin(-要计算蒸汽的作用力和所做的功，必须要计算蒸汽的作用力和所做的功，必须要知道动叶进出口汽流速度的大小和方向。要知道动叶进出口汽流速度的大小和方向。1.1.动叶进口速度三角形动叶进口速度三角形任务任务
22、：已知或间接已知：已知或间接已知二、蒸汽在动叶栅中的流动和能量转换过程二、蒸汽在动叶栅中的流动和能量转换过程（一）动叶进出口速度三角形（一）动叶进出口速度三角形。，求和，1111,wuc对现代汽轮机的级对现代汽轮机的级。（有的书讲)141117111圆周速度圆周速度60mdnu式中式中n n转速，转速，r/minr/min；d dm m级的平均直径。级的平均直径。如图如图3 3所示。所示。-c,c,汽流绝对参数；汽流绝对参数；w,w,汽流相对参数。汽流相对参数。图图1313动叶栅进出口速度三角形动叶栅进出口速度三角形图图1414动叶栅进出口速度三角形动叶栅进出口速度三角形-由余弦定理得由余弦定
23、理得 112211cos2ucucw111111111sinsinsinsinwcwc.动叶出口速度三角形动叶出口速度三角形如图如图3 3所示。所示。任务任务：已知或间接已知：已知或间接已知。，求和，2222,cuw-对冲动级对冲动级。)103(12对反动级对反动级12由余弦定理得由余弦定理得 222222cos2uwuwc222122222sinsinsinsincwwc为了便于分析问题，常将动叶进出口速度三为了便于分析问题，常将动叶进出口速度三角形画在同一个顶点上，如图角形画在同一个顶点上，如图4 4所示。所示。-蒸汽在动叶中的膨胀过程如图蒸汽在动叶中的膨胀过程如图5 5所示。所示。图图5
24、 5蒸汽在动叶栅中的热力过程蒸汽在动叶栅中的热力过程 在理想情况下，蒸汽从动在理想情况下，蒸汽从动叶进口状态叶进口状态(即喷嘴出口状态即喷嘴出口状态)p p1 1、h h1 1，等熵膨胀至动叶出口压力，等熵膨胀至动叶出口压力p p2 2。由于在流动过程中存在能由于在流动过程中存在能量损失，因此，蒸汽在动叶通量损失，因此，蒸汽在动叶通道中实际的膨胀过程是按熵增道中实际的膨胀过程是按熵增曲线进行的。与喷嘴相似，此曲线进行的。与喷嘴相似，此时动叶栅出口汽流的理想相对时动叶栅出口汽流的理想相对速度为速度为（二）蒸汽在动叶中的膨胀（二）蒸汽在动叶中的膨胀1.1.动叶出口汽流理想速度动叶出口汽流理想速度-
25、式中式中动叶速度系数，动叶速度系数，与动叶高度、反动度、叶与动叶高度、反动度、叶型、动叶表面粗糙度等因素型、动叶表面粗糙度等因素有关，特别与叶高和反动度有关，特别与叶高和反动度关系更为密切。一般关系更为密切。一般.850.950.95。bbtthwhwhhw22)(22121212.动叶出口汽流实际速度动叶出口汽流实际速度tww22实际应用中，可查图实际应用中，可查图6 6。图图6 6 动叶速度系数动叶速度系数与与m和和w2t的关系曲线的关系曲线 -.动叶损失动叶损失bttbhwwwh)1(2)1(2222222222如图如图5 5所示。所示。（）纯冲动级（）纯冲动级.动叶进出口速度动叶进出口
26、速度w w1 1、w w2 2大小比较大小比较21212222whwhwwtmbt。1212,0wwwwm-（）冲动级（）冲动级的大小。，这取决于也可以等于，也可以大于可小于mmwwww1112,20.005.0（）反动级（）反动级。12,5.0wwm（因为反动度已很大）（因为反动度已很大）（三）蒸汽作用在动叶上的力和轮周功率（三）蒸汽作用在动叶上的力和轮周功率.蒸汽作用在动叶上的力蒸汽作用在动叶上的力-总的推导思路：先根据动量定理求出动叶对蒸总的推导思路：先根据动量定理求出动叶对蒸汽的作用力，再根据作用力与反作用力原理求出蒸汽的作用力，再根据作用力与反作用力原理求出蒸汽对动叶的作用力。汽对动
27、叶的作用力。列动量方程时，要注意方向问题。列动量方程时，要注意方向问题。图图1717蒸汽通过动叶栅的汽流蒸汽通过动叶栅的汽流-（）周向力（也叫切向力，或轮周力）（）周向力（也叫切向力，或轮周力）相对参数的形式更常用。如何得到？相对参数的形式更常用。如何得到？)coscos()coscos(22112211wwGccGFu（）轴向力（）轴向力)()sinsin()()sinsin(212211212211ppAwwGppAccGFbbz（3 3）合力）合力22zubFFF-。上式中上式中G=G=kg/skg/s时，称为级的做功能力，即时，称为级的做功能力，即.轮周功率轮周功率)coscos()c
28、oscos(22112211wwGuccGuuFPuu)coscos()coscos(221122111wwuccuPu分析：分析：冲动级，21,值较小（因动叶进出口转折 较大），所以级的做功能力较大。-（）余速损失（）余速损失 蒸汽在动叶中做功以后，以一定的速度蒸汽在动叶中做功以后，以一定的速度c2流出，则流出，则对反动级，21,值较大（因动叶进出口转折 较小），所以级的做功能力较小。.余速损失及余速利用系数余速损失及余速利用系数2222chc余速损失为余速损失为（）余速损失利用系数（）余速损失利用系数-多级汽轮机中，上级的余速可以被下级部分或全部多级汽轮机中，上级的余速可以被下级部分或全部
29、利用，因而引入余速利用系数利用，因而引入余速利用系数，。为了分析问题方便，常将为了分析问题方便，常将 分为分为 和和；表示表示本级利用上级余速动能份额；本级利用上级余速动能份额；表示下级利用本级余表示下级利用本级余速动能份额。速动能份额。.级的热力过程线级的热力过程线tmbnntmntthhhhhhchh)1()1(22200-2)2()1(222212chwhhhhcbbbb级的热力过程线如图级的热力过程线如图8 8所示。所示。由图由图8 8可看出，实际热力过程线为可看出，实际热力过程线为，级的轮周有效焓降为，级的轮周有效焓降为2cbntuhhhhh-一、级的轮周效率一、级的轮周效率 .定义
30、式定义式单位蒸汽量流过某级时所产生的轮周功单位蒸汽量流过某级时所产生的轮周功P Pu1u1与与蒸汽在该级中所具有的理想能量蒸汽在该级中所具有的理想能量E E0 0之比，即之比，即式中式中E E0 0蒸汽在该级具有的理想能量。蒸汽在该级具有的理想能量。第三节第三节 级的轮周效率与最佳速度比级的轮周效率与最佳速度比01EPuu2222212212000chchcEtt-.具体表达式具体表达式（）汽流参数形式（）汽流参数形式2212221122122211)coscos(2)coscos(2ccwwuccccuaau式中式中。级的假想出口速度，taahcc2（将整级看作一个当量喷嘴。）（将整级看作一
31、个当量喷嘴。）（）能量平衡形式（）能量平衡形式020EhhhhEhcbntuu-或或式中式中21)1(1cbnu2cbn、分别为喷嘴损失系数、动叶损分别为喷嘴损失系数、动叶损失系数和余速损失系数。失系数和余速损失系数。分析：分析：提高轮周效率的途径为降低各项损失或提高提高轮周效率的途径为降低各项损失或提高余速利用系数。余速利用系数。说明：说明：（）汽流参数形式，一般用于分析轮周效（）汽流参数形式，一般用于分析轮周效率与速度比的关系。率与速度比的关系。（）能量平衡形式，用于分析各种损失所（）能量平衡形式，用于分析各种损失所占的比例较为方便。占的比例较为方便。（）热力计算中两个公式均可采用。（）热
32、力计算中两个公式均可采用。-二、级的速度比与最佳速度比二、级的速度比与最佳速度比 .级的速度比级的速度比如前所述，影响轮周效率的因素主要有三项损失。如前所述，影响轮周效率的因素主要有三项损失。而在喷嘴和动叶选型后，喷嘴和动叶速度系数就基本确而在喷嘴和动叶选型后，喷嘴和动叶速度系数就基本确定了。所以影响轮周效率的主要因素是余速损失，也即定了。所以影响轮周效率的主要因素是余速损失，也即c c2 2的大小。的大小。而而c c2 2的大小，直接与的大小，直接与u/cu/c1 1的比值有关。的比值有关。速度比速度比：级的圆周速度：级的圆周速度u u与喷嘴出口速度与喷嘴出口速度c c1 1或与级或与级的假
33、想出口速度的假想出口速度c ca a的比值的比值,即即aacuxcux或11-如图如图9 9所示，即对应余速损失最小的速度比。所示，即对应余速损失最小的速度比。.级的最佳速度比级的最佳速度比对应轮周效率最高点的速度比。对应轮周效率最高点的速度比。-三、级的轮周效率与最佳速度比的关系三、级的轮周效率与最佳速度比的关系 .纯冲动级（纯冲动级（m m=0)=0)(1)(1)不考虑余速利用（不考虑余速利用（=0)=0)定性分析定性分析图图20 20 不同速度比下，纯冲动级的速度三角形不同速度比下，纯冲动级的速度三角形-逐渐增大）。的速度三角形（即如图，作下，逐渐增大、在相同的111212120,cuu
34、cww图图2020中，哪个位置中，哪个位置c c2 2最小？最小？(b)(b)图中图中c c2 2最小，因而对应的轮周效率最高，此位最小，因而对应的轮周效率最高，此位置所对应的速度比即为最佳速度比。置所对应的速度比即为最佳速度比。由图（由图（b b）可看出，）可看出，2cos)(cos211111cuxcuop-结论：结论：对应对应902,0,0,010bmhtatntcchhwww1122,（轴向排汽）时，余速损失最小，轮周效率最高，此时的速度比即为最佳比。定量分析定量分析对纯冲动级，则，)coscos1)(cos2)coscos(212111222122211xxccccuau-分析：分析
35、：对上式求偏导，并令其等于零，得对上式求偏导，并令其等于零，得max12111cos00cos000uuuuwwxux）会使故在中间某一部位（。在圆周方向分速为零）、（当叶轮不动）；（当2cos)(02cos011111opuxxx如图如图9 9所示。所示。-对纯冲动级，对纯冲动级，m m=0=0，所以，所以x x1 1与与x xa a的关系推导：的关系推导：mmtmmtaaxcuhuhucux112112112cos)(11opaaxxx-（）考虑余速利用（）考虑余速利用在前面讨论轮周效率与在前面讨论轮周效率与速度比的关系时，是假定级速度比的关系时，是假定级的余速全部损失掉，即是在的余速全部
36、损失掉，即是在 =0=0的条件下求得的。的条件下求得的。实际上，在汽轮机的很多级实际上，在汽轮机的很多级中，一级的余速经常全部或中，一级的余速经常全部或部分被下一级所利用。在此部分被下一级所利用。在此条件下，级的轮周效率与速条件下，级的轮周效率与速度比的关系将有所改变。如度比的关系将有所改变。如图图2121所示。所示。-结论：结论：余速利用使最佳速度比增大；余速利用使最佳速度比增大；余速利用使轮周效率提高；余速利用使轮周效率提高；余速利用使轮周效率最高点出现余速利用使轮周效率最高点出现平坦区（平坦区（优点：变工况时效率高优点：变工况时效率高）.反动级反动级（）（）特点特点喷嘴与动叶的叶型相同，
37、动叶进出口速度三角形对称全等，且 。,21,5.0tbnmhhh如图如图2 2所示。所示。图图1-2 反动级的叶栅汽道与速度三角形反动级的叶栅汽道与速度三角形(a)叶栅汽道；叶栅汽道；(b)速度三角形速度三角形-轴向排汽时轴向排汽时（）（）定性分析定性分析opx)()90(12图图1 12323反动级最佳速度比下的速度三角形反动级最佳速度比下的速度三角形 如图如图3 3所示，所示，11111cos)(coscuxcuop-（）定量分析（）定量分析在速度系数在速度系数)cos2(1111111201xxEPuu不变的情况下，为求不变的情况下，为求只需求只需求的极值即可。的极值即可。opx)(1)
38、cos2(111xx-为此令为此令11111111cos)(02cos2)cos2(opxxxyxxy反动级轮周效率和速反动级轮周效率和速度比之间的关系曲线，如度比之间的关系曲线，如图图4 4所示。所示。图图4 4反动级轮周效率与速比反动级轮周效率与速比x1和和xa的关系的关系 反动级效率曲线最高点反动级效率曲线最高点附近有一个较大的平坦附近有一个较大的平坦区，所以变工况时效率区，所以变工况时效率高（高（为什么？为什么？）-.冲动级冲动级由于冲动级具有一定的反动度，由于冲动级具有一定的反动度，所以最佳速度比应介于纯冲动级与反动级之间，即所以最佳速度比应介于纯冲动级与反动级之间，即,20.005
39、.0m介于介于11coscos21之间。经验公式：经验公式：)1(2cos)(11mopx结论：结论：最佳速度比随反动度的增大而增大。最佳速度比随反动度的增大而增大。-.复速级复速级（）复速级的结构（）复速级的结构由一列喷嘴、两列由一列喷嘴、两列动叶、一列导叶组成，动叶、一列导叶组成，如图如图5 5所示。所示。图图5 5复速级的通流部分结构和速度三角形复速级的通流部分结构和速度三角形（）采用复速级的目的（）采用复速级的目的做功能力大，可简化做功能力大，可简化汽轮机结构，减小级数。汽轮机结构，减小级数。可节约贵重金属。可节约贵重金属。缺点：效率低。缺点：效率低。-（）最佳速度比（）最佳速度比可导
40、出：可导出：4cos)(11opx-例题）级的轮周效率。（和余速损失。）喷嘴损失、动叶损失（。及相对进汽角度）动叶进口汽流相对速（，试计算：，余速利用系数分别为，数分别为，喷嘴、动叶的速度系，动叶的出汽角，喷嘴的出汽角，汽轮机转速级的平均直径，级的反动度级的理想焓降，进入级的初速蒸汽流量已知汽轮机某级通过的3219.0187.097.05.1811min/3000961135.0/06.46,/50/9.1051110210wrnmmdkgkJhsmcskgGmmt-第四节第四节 级通流部分主要尺寸的确定级通流部分主要尺寸的确定一、一、叶栅的型式及几何参数叶栅的型式及几何参数.叶栅的型式叶栅的
41、型式分环型叶栅和直列叶栅两类。汽轮机级中的采分环型叶栅和直列叶栅两类。汽轮机级中的采用的叶栅均为环型叶栅。用的叶栅均为环型叶栅。.叶栅的几何参数叶栅的几何参数如图如图6 6所示。所示。B B叶片宽度；叶片宽度；b b叶片弦长；叶片弦长；t t叶片节距。叶片节距。-叶型几何进口角前缘点切线与叶栅前额线之间叶型几何进口角前缘点切线与叶栅前额线之间 的夹角。的夹角。叶型几何出口角后缘点切线与叶栅后额线之间叶型几何出口角后缘点切线与叶栅后额线之间 的夹角。的夹角。安装角叶栅额线与弦线之间的夹角。安装角叶栅额线与弦线之间的夹角。冲角叶栅几何进口角与汽流进口角差。冲角叶栅几何进口角与汽流进口角差。图图6叶
42、栅叶栅 参数：（参数：（a）喷嘴叶栅；（）喷嘴叶栅；（b）动叶栅）动叶栅），动叶：（喷嘴：gg10），动叶：（喷嘴：gg21），动叶：（喷嘴：ss-.部分进汽度部分进汽度（）定义（）定义工作喷嘴所占的弧段长度与整个圆周长之比。即工作喷嘴所占的弧段长度与整个圆周长之比。即级的平均直径。喷嘴节距；喷嘴数；式中mnnmnndtzdtze分析：分析：e e1,1,部分进汽；部分进汽；e e1,1,全周进汽。全周进汽。图图7 7喷嘴在圆周上的分布喷嘴在圆周上的分布-（2）部分进汽的目的）部分进汽的目的减小叶高损失。减小叶高损失。如图所示，当喷嘴高度，mmln1512喷嘴速度系数急骤下降，当选取部分进汽时
43、，就可以增大。nl.盖度盖度（）定义（）定义动叶进口高度与喷嘴高度之差。即动叶进口高度与喷嘴高度之差。即叶根盖度。叶顶盖度；式中rtrtnbll如图如图8 8所示。所示。图图8 8级通流部分示意图级通流部分示意图-（）作用（）作用使汽流顺利进入动叶做功，减少叶顶漏汽损失。使汽流顺利进入动叶做功，减少叶顶漏汽损失。防止汽流与动叶顶部和根部发生碰撞。防止汽流与动叶顶部和根部发生碰撞。二、二、喷嘴和动叶主要尺寸的确定喷嘴和动叶主要尺寸的确定.渐缩喷嘴渐缩喷嘴对于渐缩喷嘴，出口截面就是指最小截面，出口对于渐缩喷嘴，出口截面就是指最小截面，出口高度就是指最小截面高度；而渐缩斜切喷嘴的高度一高度就是指最小
44、截面高度；而渐缩斜切喷嘴的高度一般可认为和最小截面处相同。般可认为和最小截面处相同。（）喷嘴流动为亚临界或临界（）喷嘴流动为亚临界或临界此时，此时，crn，斜切部分不膨胀，其出口面积为，斜切部分不膨胀，其出口面积为-ttnnncGA11如图如图9 9所示，又有所示，又有喷嘴高度。喷嘴节距；喷嘴个数；式中nnnnnnnltzltzA1sin喷嘴出口高度喷嘴出口高度1sinmnndeAl 图图9 9喷嘴汽道示意图喷嘴汽道示意图-（）喷嘴流动为超临界（）喷嘴流动为超临界此时，此时，crn，喷嘴喉部为临界状态，超音速，喷嘴喉部为临界状态，超音速发生在斜切部分，出口汽流方向发生偏转，应计算偏发生在斜切部
45、分，出口汽流方向发生偏转，应计算偏转角。转角。此时喷嘴喉部截面积和喷嘴高度可分别按下式计算此时喷嘴喉部截面积和喷嘴高度可分别按下式计算00648.0pGAnn1sinmnndeAl-三、三、冲动级内反动度的选择冲动级内反动度的选择反动度是汽轮机级的一个主要参数，对汽轮机的反动度是汽轮机级的一个主要参数，对汽轮机的级效率有很大的影响。一般先选定根部反动度级效率有很大的影响。一般先选定根部反动度 r，然，然后计算出平均反动度后计算出平均反动度m和叶顶反动度和叶顶反动度t。.根部反动度较大时根部反动度较大时)(1(1bbbrmdld)(1(1bbbbrtldld和叶高。分别为动叶的平均直径、式中bb
46、ld产生根部漏汽损失，如图产生根部漏汽损失，如图3030（a a）所示。所示。-2 2.根部反动度很小或为负值时根部反动度很小或为负值时产生根部吸汽损失，如图产生根部吸汽损失，如图3030（b b）所示。所示。3 3.根部反动度根部反动度r r=0.03=0.030.050.05时时 能使根部既不吸汽也不漏汽，效率高，如图能使根部既不吸汽也不漏汽，效率高，如图3030（c c）所示。）所示。-第五节第五节 汽轮机级内损失及级效率汽轮机级内损失及级效率一、一、级内损失级内损失在理想情况下，汽轮机级内热能转换为机械功的在理想情况下，汽轮机级内热能转换为机械功的最大能量等于蒸汽在级内的理想焓降。实际
47、上由于级最大能量等于蒸汽在级内的理想焓降。实际上由于级内存在着各种各样的损失，蒸汽的理想焓降不可能全内存在着各种各样的损失，蒸汽的理想焓降不可能全部转变为机械功。部转变为机械功。凡是级内与流动时能量转换有直接凡是级内与流动时能量转换有直接联系的损失，称之为汽轮机级的内部损失。联系的损失，称之为汽轮机级的内部损失。否则，则否则，则称为汽轮机的外部损失。称为汽轮机的外部损失。汽轮机级的内部损失除了喷嘴损失、动叶损失、汽轮机级的内部损失除了喷嘴损失、动叶损失、余速损失外，还有其他一些损失。在下面的讨论中，余速损失外，还有其他一些损失。在下面的讨论中，将将着重说明这些损失的成因和影响其大小的因素、计着
48、重说明这些损失的成因和影响其大小的因素、计算方法，以及减小损失的措施。算方法，以及减小损失的措施。-.喷嘴损失、动叶损失、余速损失喷嘴损失、动叶损失、余速损失见前面相关章节的叙述内容见前面相关章节的叙述内容.叶高损失叶高损失也称端部损失也称端部损失，本质上仍是喷嘴和动叶的流动损，本质上仍是喷嘴和动叶的流动损失，只不过工程上为了方便，将叶高影响此项损失单失，只不过工程上为了方便，将叶高影响此项损失单独计算而已。如图独计算而已。如图1 13131所示。所示。（）叶高损失产生的原因（）叶高损失产生的原因上、下端面的摩擦损失；上、下端面的摩擦损失；上、下端面的汽流产生横向流动，上、下端面的汽流产生横向
49、流动，产生产生二次流损失。二次流损失。汽流产生横向流动的原因：内弧汽流产生横向流动的原因：内弧压力大于背弧压力。压力大于背弧压力。lh-图图31 1叶栅汽道内二次流示意图叶栅汽道内二次流示意图 (a)双涡流示意图；双涡流示意图；(b)附面层和压力分布示意图附面层和压力分布示意图1内弧；内弧；2背弧；背弧；3压力图；压力图；4附面层增厚区；附面层增厚区；5双涡流动双涡流动-只有上、下两端面的汽流产生横向流动，中间汽只有上、下两端面的汽流产生横向流动，中间汽流是不产生横向流动的。流是不产生横向流动的。（为什么？）（为什么？）（）叶高损失的计算（）叶高损失的计算的平均高度。各列叶栅为喷嘴高度；双列级
50、为叶栅高度，对单列级焓降；周有效损失和余速损失后的轮扣除喷嘴损失、动叶；双列级，（包括扇形损失），对或（未包括扇形损失），经验系数，对单列级式中lhaaaahlahuul26.12.1-（）减小叶高损失的方法（）减小叶高损失的方法 调节级采取部分进汽方式，保证叶片高度大于调节级采取部分进汽方式，保证叶片高度大于mm;mm;强度允许的条件下，尽量采用窄型叶片。强度允许的条件下，尽量采用窄型叶片。.扇形损失扇形损失（）扇形损失产生的原因（）扇形损失产生的原因h 叶栅沿叶高各断面的节距、圆周速度和进汽角叶栅沿叶高各断面的节距、圆周速度和进汽角均偏离平均直径处的设计值；如图均偏离平均直径处的设计值；如
