第二章汽輪機(jī)級內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換過程

第一節(jié)汽輪機(jī)級的基本概念

一，汽輪機(jī)的級

、級內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過程

1，汽輪機(jī)的級：a)是汽輪機(jī)作功的最小單元;b)靜葉柵動葉柵c)多組級的蒸汽流動通道組成了汽輪機(jī)的通流部分。d)汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性由每一組單級的性能決定。e)三個特征截面:12，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，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。

22，蒸汽在汽輪機(jī)級內(nèi)能量轉(zhuǎn)換應(yīng)具備的條件：1）蒸汽品位：具有足夠高的壓力、溫度，進(jìn)出口有壓差2）結(jié)構(gòu)條件：a)工作葉柵截面的變化應(yīng)滿足連續(xù)性方程、葉片截面應(yīng)為流線型，流道幾何形狀合理、壁面光滑等。b)動葉柵結(jié)構(gòu)滿足汽流產(chǎn)生沖動力和反動力的要求，噴嘴噴出的高速蒸汽應(yīng)順利平穩(wěn)地進(jìn)入動葉流道。

343蒸汽在級中做功熱力過程線

a)級的理想比焓降△htb)級的滯止理想比焓降△ht*，表示了在理想情況下單位質(zhì)量蒸汽流過一個級時做功能量的大小c)噴嘴的滯止理想比焓降△hn*d)動葉的理想比焓降△hb5級的反動度

衡量級內(nèi)動葉柵中蒸汽膨脹的度量一、級的工作過程1.噴嘴：壓力溫度熱能動能2.動葉：進(jìn)入動葉——沖動力離開動葉——反動力6二、級的反動度

衡量級內(nèi)動葉柵中蒸汽膨脹的度量7

三，級的分類

按級的反動度大小分：沖動級和反動級一）、沖動級

1，純沖動級：

通常把反動度等于零的級稱為純沖動級。對于純沖動級來說，=、=0、=，蒸汽只在噴嘴中膨脹，動葉柵中不膨脹只改變汽流方向；動葉中流動附面層厚、損失大、效率低。沖動式汽輪機(jī)特點：a)動葉柵截面形狀近似對稱。b)轉(zhuǎn)子軸向力小，輪盤式轉(zhuǎn)子（質(zhì)量輕）；動葉漏氣小，噴嘴汽封要求高。

2，帶反動度的沖動級

為了提高級的效率，通常，沖動級也帶有一定的反動度（=0.050.20)，這種級稱為帶反動度的沖動級，它具有作功能力大、效率高的特點。8二）反動級

通常把反動度=0.5的級稱為反動級。對于反動級來說，蒸汽在靜葉和動葉通道的膨脹程度相同，即是，。反動級特點：a)是在沖動力和反動力同時作用下作功。b)反動級的效率比沖動級高，但作功能力小。C)噴嘴葉柵和動葉柵可采用相同的葉型，可降低汽輪機(jī)制造成本；d)轉(zhuǎn)子軸向推力大，采用轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子,設(shè)置平衡活塞，熱慣性大；9調(diào)節(jié)級：通過改變進(jìn)汽面積控制其進(jìn)汽量，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)功率的級。調(diào)節(jié)級總是部分進(jìn)汽的。非調(diào)節(jié)級或壓力級：進(jìn)汽面積不能改變的級?？刹糠趾腿苓M(jìn)汽速度級：蒸汽的動能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的過程在一級內(nèi)多列葉柵中進(jìn)行的級。

復(fù)速級（兩列動葉柵）由一組靜葉柵和安裝在同一葉輪上的兩列動葉柵及一組介于第一、二列動葉柵之間、固定在汽缸上的導(dǎo)向葉柵所組成的級，稱為復(fù)速級。第一列動葉柵通道流出汽流，其流速還相當(dāng)大，為了利用這一部分動能，在第一列動葉柵之后裝上一列導(dǎo)向葉柵以改變汽流的方向，使之順利進(jìn)入第二列動葉柵通道繼續(xù)作功。復(fù)速級也采用一定的反動度。復(fù)速級具有作功能力大的特點。

10113，沖動級：當(dāng)汽流通過動葉通道時，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)、流出動葉通道時其動能的變化量。而這種級稱為沖動級。三、級的分類124，反動級：當(dāng)汽流通過動葉通道時，一方面要改變方向，同時還要膨脹加速，前者會對葉片產(chǎn)生一個沖動力，后者會對葉片產(chǎn)生一個反作用力，即反動力。蒸汽通過這種級，兩種力同時作功。通常稱這種級為反動級。1314第二節(jié)蒸汽在級內(nèi)的流動過程一，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)定的三元流動的實際流體。為了研究方便，特作如下假設(shè)：

1.蒸汽在葉柵通道的流動是穩(wěn)定的：即在流動過程中，通道中任意點的蒸汽參數(shù)不隨時間變化而改變。

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，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動時與外界沒有熱交換。

15

基本方程式：

1.連續(xù)方程式

2.能量方程式3.狀態(tài)及過程方程式

4.等熵動量方程式5.氣動方程式16（一）噴嘴截面積的變化規(guī)律

（1）當(dāng)汽流速度小于音速，即Ma<1時，若要使汽流能繼續(xù)加速，即dc/dx>0，則必須dA/dx<0,也就是說噴嘴截面積必須沿流動方向逐漸減小，即做成漸縮噴嘴。（2）當(dāng)汽流速度大于音速，即M>1時，若要使汽流能繼續(xù)加速，即dc/dx>0，則必須dA/dx>0，也就是說噴嘴截面積必須沿流動方向逐漸增加，即做成漸擴(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，這時，dA/dx=0。表明橫截面A不變化，即A達(dá)到最少值。根據(jù)上述分析可知，簡單的漸縮噴嘴是得不到超音速汽流的。為了達(dá)到超音速，除了噴嘴出口蒸汽壓力必須小于臨界壓力外，還必須在噴嘴形狀上加以保證，即作成縮放噴嘴（拉伐爾噴嘴）。汽流通過縮放噴嘴時，在噴嘴喉部達(dá)音速，然后在漸擴(kuò)部分達(dá)超音速。(2-8)17（一）噴嘴截面積的變化規(guī)律

（4）Ma<1時，蒸汽的速度增加較比體積V快，因而截面需減少，以保證G不變。成漸縮噴嘴。（5）Ma>1時，蒸汽的速度增加較比體積V慢，因而截面需增加，以保證G不變。。(2-8)18圖2—8

壓力、焓降、截面積、汽流速度、音速、比容沿流動的變化規(guī)律19(二）噴嘴中汽流的臨界狀態(tài)

1，臨界速度

汽流的音速為，當(dāng)在式中用滯止參數(shù)表示有關(guān)參數(shù)時，代入音速公式，則有

上式中，為滯止?fàn)顟B(tài)下的音速。當(dāng)知時，一定值。

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，則稱此時的流動狀態(tài)為臨界狀態(tài)。這時的參數(shù)為臨界參數(shù)，用等表示。則臨界速度為：

（2-9）20

2，臨界壓力

臨界壓力為：

對于等熵膨脹過程來說，有，則上式為

上式表明，臨界壓力只與蒸汽指數(shù)k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：(2---10)對于過熱蒸汽（k=1.3)則=0.546;對于飽和蒸汽（k=1.135)則=0.577.21二，蒸汽在靜葉柵通道中的膨脹過程

噴嘴的作用是讓蒸汽在其通道中流動時得到膨脹加速，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。噴嘴是固定不動的，蒸汽流過時，不對外作功，W=0；同時與外界無熱交換，q=0。則根據(jù)能量方程式，則對于過熱蒸汽，可近似看做理想氣體，則上式可寫成：

22（二）噴嘴出口汽流速度計算

1，噴嘴出口的汽流理想速度C1t在進(jìn)行噴嘴流動計算時，噴嘴前的參數(shù)p(初速）是已知的條件。按等熵過程膨脹，其過程曲線如圖2-2所示。根據(jù)能量平衡，則噴嘴出口汽流理想速度為

或者式（2--12）為

上二式中，----蒸汽流出噴嘴出口的理想速度（m/s)；----蒸汽按等熵過程膨脹的終態(tài)焓（J/kg)。

23圖1---7中，稱為噴嘴的理想焓降。為了方便，引用滯止參數(shù)，如圖1---7所示，滯止焓值為：

把相應(yīng)的滯止參數(shù)分別代入式(2-12)，則

圖1---7(2-13)242，噴嘴出口的汽流實際速度實際流動是有損失的，汽流實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，噴嘴出口的汽流實際速度為

（2-15）影響速度系數(shù)的因素：1）噴嘴的高度2）表面粗糙度3）葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)253，噴嘴損失

蒸汽在噴嘴通道中流動時，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：

26（三）噴嘴流量計算

1，噴嘴的理想流量計算

噴嘴的理想流量可用下式計算:(2----18)式中，----噴嘴出口處截面積，(m2);----噴嘴出口處理想汽流速度，(m/s);----噴嘴出口處密度，（kg/m3)。若用（2---12)表示c1t，又有,則上式為

稱為噴嘴前后壓力比。(2-20)272，噴嘴流量曲線

對于式(2---20），當(dāng)噴嘴前的參數(shù)和噴嘴出口截面積一定時，通過噴嘴的流量只取決于噴嘴前后壓力比。它們的關(guān)系如圖1---11中ABC曲線所示。當(dāng)壓力比從1逐漸圖2---10縮小時，流量逐漸增加，當(dāng)噴嘴前后壓力比等于臨界壓力比（)，達(dá)最大值，如B所示。這時的流量稱為臨界流量，用表示。當(dāng)噴嘴前后壓力比小于臨界壓力比時，流量保持最大值不變，如AB所示。其臨界流量為：(2-----21)式中，只與k值有關(guān)。對