汽轮机的工作原理课件.ppt

1、教学目标教学目标:了解蒸汽在喷嘴和动叶中的流动和能量转换过程；了解蒸汽在喷嘴和动叶中的流动和能量转换过程；了解级的了解级的结构及作用和分类，掌握纯冲动度、冲动级、反动级的概念，动叶进结构及作用和分类，掌握纯冲动度、冲动级、反动级的概念，动叶进出口速度三角形的绘制与计算，级的轮周功率和轮周效率，汽轮机级出口速度三角形的绘制与计算，级的轮周功率和轮周效率，汽轮机级内各项损失和级效率、级的内功率计算。内各项损失和级效率、级的内功率计算。知识点：知识点：反动度，冲动级，反动级蒸汽在喷嘴中的流动特性；蒸汽在反动度，冲动级，反动级蒸汽在喷嘴中的流动特性；蒸汽在动叶中的流动特性；动叶进出口速度三角形；蒸汽作

2、用在动叶上的力，动叶中的流动特性；动叶进出口速度三角形；蒸汽作用在动叶上的力，轮周功率和轮周效率；汽轮机级内各项损失和级效率，级的内功率，轮周功率和轮周效率；汽轮机级内各项损失和级效率，级的内功率，级内损失。级内损失。重重 点：点：级的概念与分类，级的概念与分类，动叶进、出口速度三角形；级的轮周功率、动叶进、出口速度三角形；级的轮周功率、轮周效率及级内各项损失。轮周效率及级内各项损失。难难 点：点：动叶进、出口速度三角形；级的轮周功率、轮周效率及级内动叶进、出口速度三角形；级的轮周功率、轮周效率及级内各项损失的分析各项损失的分析。汽轮机外形汽轮机外形单缸、单排汽口汽轮机单缸、单排汽口汽轮机多缸

3、、多排汽口汽轮机多缸、多排汽口汽轮机 一一、汽轮机的级、级内能量转换过程汽轮机的级、级内能量转换过程 ：静叶栅 动叶栅 是汽轮机作功的最小单元。能量转换的主要部件是一组喷管和一圈动叶，由它们组合而成的工作单元，称为汽轮机的一个“级”。：具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在静叶栅通道中得到膨胀加速，将蒸汽的热能转化为高在静叶栅通道中得到膨胀加速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速者既改变方向同时又膨胀加速，推动

4、叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。汽流的动能转变为旋转机械能。当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的限制当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被称为片上，被称为冲动力冲动力。这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械。这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于蒸汽微团流进、流出动叶通道时其动能的变化量。功等于蒸汽微团流进、流出动叶通道时其动能的变化量。而这种级称为冲动级。而这种级称为冲动级。：当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向，同时还要当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向，同

5、时还要膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动力，后膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动力，后 者会对叶片者会对叶片产生一个反作用力，即产生一个反作用力，即反动力反动力。蒸汽通过这种级，两种力。蒸汽通过这种级，两种力同时作功。通常称这种级为反动级。同时作功。通常称这种级为反动级。蒸汽在动叶通道内膨胀时的理想焓降hb，和在整个级的滞止理想焓降ht*之比，即*tbmhhbnbbnbmhhhhhh*tmbhh*1tmnhhbh(一)冲动级与反动级冲动级冲动级复速级复速级反动级反动级1、纯冲动级（m=0）特点：蒸汽在喷咀叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀，只改变方 向。P1=P2 h b=0 h*n=h*t 作功能

6、力大，效率较低，C2较大。2、带反动度的冲动级(0mP2 h b0 具有冲动级作功能力大和反动级效率高的特点。3、复速级（双列冲动级）特点：蒸汽在喷咀中膨胀，在第一列动叶栅中作一部分功，在固定的 导向叶栅中改变蒸汽流动方向，在第二列动叶栅内继续作功，它的作功能力比单列冲动级要大，但效率低，一般用于中、小 型机组上。冲动级冲动级复速级复速级 特点：蒸汽一半在喷咀叶栅中膨胀，另一半在动叶栅中膨胀。P1P2 h b=h*n=0.5h*t 反动级效率比冲动级高，但作功能力较小。反动级反动级(二)压力级与速度级压力级压力级以利用级组中合理分配的压力降以利用级组中合理分配的压力降或焓降为主的级。（效率高，

7、单列级）或焓降为主的级。（效率高，单列级）速度级速度级以利用蒸汽流速为主的级。（做以利用蒸汽流速为主的级。（做功能力大）功能力大）双列速度级双列速度级 多列速度级多列速度级(三)调节级与非调节级调节级调节级通流面积可以随负荷变化的级。通流面积可以随负荷变化的级。（第一级）（第一级）非调节级非调节级通流面积不随负荷变化的级通流面积不随负荷变化的级（第一级以后的各级）（第一级以后的各级）复速级复速级 单列级单列级 四、研究级内工作过程的基本方法四、研究级内工作过程的基本方法 1.1.基本假设基本假设 流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性、非连续性和不稳定的三元流动的实际流体。为了研究方便，特作如下假设假设

8、：（1）蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的：即在流动过程中，通道中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变。（2）蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时，其参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上不变化。（3）蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时与外界没有热交换。2 2、基本方程、基本方程 （1）连续性方程连续性方程 微分形式微分形式 （2 2）运动方程）运动方程 （3 3）能量方程）能量方程 （4 4）状态方程）状态方程AcG0dcdcAdAcdcRdxdpwchqch22211200RTpv.constpvk一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程一、蒸汽在喷嘴中的膨

9、胀过程 喷嘴的作用是让蒸汽在其通道中流动时得到膨胀加速，将热能转变为动能。喷嘴是固定不动的，蒸汽流过时，不对外作功，W=0；同时与外界无热交换，q=0。则根据能量方程式，有 对于过热蒸汽，可近似看做理想气体，则上式可写成：2112002121ChCh)(1)(211100102021vpvpkkhhCC（一）喷嘴中的汽流速度（一）喷嘴中的汽流速度 1.1.喷嘴出口汽流的理想速度：喷嘴出口汽流的理想速度：在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数是已知的条件。按等熵过程膨胀，根据能量方程，喷嘴出口汽流理想速度20t 10t 1chh2c或者2011002121)(121CvpvpkkCtt 当用下角0与

10、1分别表示喷嘴进出口处的状态时，上式表明，蒸汽在喷嘴出口处的动能是由喷嘴进口和出口的蒸汽参数决定的，并和喷嘴进口蒸汽的动能有关。当喷嘴进口蒸汽动能很小，并可忽略不计时，喷嘴出口的蒸汽流速仅是热力学参数的函数。若喷嘴进口蒸汽的动能不能忽略不计，那么我们可以假定这一动能是由于蒸蒸汽从某一假想状态汽从某一假想状态0 0*等比熵膨胀到喷嘴进口状态等比熵膨胀到喷嘴进口状态0 0时所时所产生的产生的，在这一假想状态下，蒸汽的初速为零。换言之，参数p0*、v0*是以初速c0从p0、v0等比熵滞止到速度为零时的状态，我们称p0*、v0*、h0*等为滞止参滞止参数数。滞止参数在h-s图上的表示如图所示。上两式可

11、写为：*20122nnthchc和)(1 121*01*0*01kktppvpkkc2.喷嘴出口汽流实际速度：喷嘴出口汽流实际速度：实际流动是有损失的，汽流实际速度小于汽流理想速度。通常用喷嘴速度系数来考查两者之间的差别（通常取=0.97)。这样，喷嘴出口的汽流实际速度为2*1nnnhh11tcc蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称为 喷嘴损失，用 表 示：*22212121)1()1(21(21nttnhccch）nh喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数，用 表示n 影响速度系数的因素有：喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度、前后压力等。速度系数与叶高的关系曲线如下图：1 1、喷嘴

12、、动叶及汽流流动特性喷嘴、动叶及汽流流动特性 动叶以圆周速度动叶以圆周速度u u旋转；旋转；从喷嘴中以绝对速度从喷嘴中以绝对速度c c1 1流出的汽流相对于动叶有一个相流出的汽流相对于动叶有一个相对运动和相应的相对速度对运动和相应的相对速度w w1 1；流入本级动叶；流入本级动叶；汽流以相对速度汽流以相对速度w w2 2离开动叶，由于动叶以圆周速度离开动叶，由于动叶以圆周速度u u旋转，旋转，故其出口绝对速度为故其出口绝对速度为c c2 2；流入下级静叶（喷嘴）；流入下级静叶（喷嘴）；由由c c、w w、u u构成速度三角形，如下图。构成速度三角形，如下图。2 2、速度三角形的构成速度三角形的

13、构成 动叶入口速度三角形：c1 1、w1 1、u 动叶出口速度三角形：c2 2、w2 2、u符号说明符号说明:C1：喷嘴出口汽流的绝对速度：喷嘴出口汽流的绝对速度 w1：喷嘴出口汽流的相对速度：喷嘴出口汽流的相对速度 C2：动叶出口汽流的绝对速度：动叶出口汽流的绝对速度 w2：动叶出口汽流的相对速度：动叶出口汽流的相对速度 u：圆周速度。：圆周速度。12121117(2 4)20 30冲动级：一般情况下：一般情况下：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

14、h0*021P0*P0P1P2hn*ht*hbhbbnthhh*近似认为与hb相等*tbmhhhsh2p22h2thb1p1P1*1*h1h1*2h*bw12/2h0*021P0*P0P1P2hn*ht*hbhbs蒸汽在动叶中的热力过程蒸汽在级中的热力过程22111111111111222222222222222cossinsinarcsinarccos2cossinsinarcsinarccoswcucucctgwcucwuw uwwtgcwu2221111222()22ttmtbtwhhwhwhww 动叶速度系数。动叶损失：22222112btbhwwhuzFzFuFb21P2P1c2c1

15、abcdu蒸汽流过动叶栅的汽流图 作用在动叶上的汽流力可归结为产生旋转作用在动叶上的汽流力可归结为产生旋转机械功的切向力机械功的切向力(又称轮周力又称轮周力)和不产生机械和不产生机械功的轴向力。由动量定律求得。利用速度三功的轴向力。由动量定律求得。利用速度三角形关系进行计算。角形关系进行计算。动叶栅进出口速度三角形11221122(coscos)(coscos)uFG wwG cc设设tt时间内流过动叶的蒸汽量为时间内流过动叶的蒸汽量为mm，切向和轴向的动量，切向和轴向的动量变化为：变化为：绝对坐标系：绝对坐标系：相对坐标系：相对坐标系：切向切向 切向切向轴向轴向 轴向轴向2211(cosco

16、s)m cc2211(sinsin)m cc2211(coscos)m ww2211(sinsin)m ww令令G=G=m/tm/t为单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量，由为单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量，由速度三角形可得到：速度三角形可得到：式中：全周进汽：式中：全周进汽：A Az z=ddm ml lb b 部分进汽：部分进汽：A Az z=ddm ml lb be e蒸汽对动叶总作用力F Fb b112212112212(sinsin)()(sinsin)()zzzFG wwA ppG ccA pp22buzFFF 概念概念：单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所作单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所作出

17、的机械功称为轮周功率。出的机械功称为轮周功率。注意点：注意点：1kg蒸汽产生的轮周功蒸汽产生的轮周功Wu等于等于级的轮周有效比焓降级的轮周有效比焓降hu。计算式计算式11221122200(coscos)(coscos)/uuunbcPWu wwu cckJkgGhhhhhkJkg 11221122(coscos)(coscos)uuPF uGu wwGu cckW 轮周功的意义：由喷嘴带轮周功的意义：由喷嘴带进动叶的蒸汽动能与动叶进动叶的蒸汽动能与动叶获得的蒸汽动能之和，减获得的蒸汽动能之和，减去蒸汽离开动叶所带走的去蒸汽离开动叶所带走的动能。动能。2122cuuWh2112c2122c22

18、1212()wwuuWhl 利用速度三角形得利用速度三角形得 2222122112uWccww 级的做功能力，即轮周功的大小与动级的做功能力，即轮周功的大小与动叶进出口汽流角叶进出口汽流角1和和2有关，一般而有关，一般而言有言有 冲动级：由于动叶转折较大，所以冲动级：由于动叶转折较大，所以1和和2较小，做功能力较小，做功能力较大较大；反动级：由于动叶转折较冲动级小，所反动级：由于动叶转折较冲动级小，所以以1和和2较大，做功能力较大，做功能力较小较小；1 1、国产汽轮机型号的表示方法是什么？根据国产汽轮机型号的、国产汽轮机型号的表示方法是什么？根据国产汽轮机型号的表示方法，说明下列汽轮机的型号提

19、供了汽轮机设备的哪些表示方法，说明下列汽轮机的型号提供了汽轮机设备的哪些基本特征？基本特征？（1）CC25-8.82/0.98/0.118-1（2）CB25-8.83/1.47/0.49（3）N300-16.7/537/5372 2、根据蒸汽在汽轮机内能量转换的特点，如何划分汽轮机级的、根据蒸汽在汽轮机内能量转换的特点，如何划分汽轮机级的类型？各种类型级的特点是什么？类型？各种类型级的特点是什么？3、已知汽轮机某级的理想焓降为84.3 kJ/kg，初始动能1.8 kJ/kg，反动度0.04，喷嘴速度系数=0.96，动叶速度系数=0.96，圆周速度为171.8 m/s，喷嘴出口角1=15，动叶出

20、口角2=13，蒸汽流量G=4.8 kg/s。求：（1）喷嘴出口相对速度？（2）动叶出口相对速度？（3）绘出动叶进出口蒸汽的速度三角形。（4）轮周功率？一、级的轮周效率 定义：蒸汽在轮周上所做之功与整个级所消耗的蒸汽理想能量（级的理想能量）之比，即01EPuu222221*2212000chchcEttE0级的理想能量，它包括热能和动能两部分，其表达式为*2200*220012122nnntmnatthhchhhcchh蒸汽在级内的焓降计算公式212222*221*chhhwhhhhcbbbbtmb2222100chhhchbntu级的有效焓降等于级的做功能力。轮周效率和速度比的定义210210

21、221222112212000111coscos222cbncbnuatuuuEhhhEccccuchcWEh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。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*2tahc轮周效率与喷嘴能量损失、动叶能量损失和余速损失有关。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。1c2c90211w2w1c2c90211w2w1c2c90211w2wu轮周效率与速度比之间的关系(一)纯冲动级的最佳速度比 2cos12co

22、s0,cos180cos1cos2coscos22222011111211121112221121*221*221200010opamaopuuutnttttmxxxxxconstconstconstconstconstxxwwuhchhhchchcE1c2c90211w2w1c2c90211w2w1c2c90211w2w由图可知：当由图可知：当 290 时，时，c2最小，轮周效率最高，此时最小，轮周效率最高，此时的速度比即为最佳速度比。由（的速度比即为最佳速度比。由（b）图可知：图可知：2cos111cuximop 最佳速度比的物理意义为：使动叶出口的绝对速度最佳速度比的物理意义为：使动叶出

23、口的绝对速度c2的的方向角方向角 290 ，即轴向排汽，从而使，即轴向排汽，从而使c2值最小，轮周值最小，轮周效率最高时的速度比。效率最高时的速度比。速度比速度比x1与轮周效率与轮周效率 的的关系可绘制成如关系可绘制成如右右图所图所示的曲线。它是一条抛示的曲线。它是一条抛物线。物线。余速利用：余速利用对轮周效率的影响：见右图。提高了级的轮周效率。中间级效率曲线在最大值附近变化平稳。使最佳速度比增大。理想速度比xa：aacux Xa与x1的关系为：maxx11最佳理想速度比：2cos11opopaxx(二)反动级的最佳速度比1221*21*21,5.0wcwcm叶型相同所以：1112212222

24、2121222221cos21111xxwwccwwccttu则由 可得：01xu11cos)(opx11cos21xxma将 u 与x1、xa的关系最佳速度比在不同的余速利用系数下随反动度的变化规律(三)速度级（复速级）的最佳速度比为便于分析，对速度级做如下假设：211221,00gbbgbb（1）蒸汽只在喷嘴中膨胀（2）在级中没有能量损失（3）各个进出口角度相等经过同样的分析可以得到：11cos41)(opx4cos)(1opax最佳假想速度比为复速级和单列冲动级的轮周效率与速度比的关系 (一一)叶栅损失叶栅损失 1.叶型损失叶型损失（1）附面层中的摩擦损失）附面层中的摩擦损失（2）附面层

25、分离时的涡流损失）附面层分离时的涡流损失（3）尾迹损失）尾迹损失 2.冲波损失冲波损失 3.叶端损失叶端损失 （1）端部附面层中的摩擦损失）端部附面层中的摩擦损失 （2）二次流损失）二次流损失 级内损失主要有叶栅损失、余速损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏汽损失、湿汽损失等 （二）余速损失（二）余速损失（三）扇形损失（三）扇形损失2chh2)(7.0bbdl0Eh（四）叶轮摩擦损失（四）叶轮摩擦损失 fh vdukpf1)100(231Gphff0Ehffmnnatfeldxkpp1sin13 (五五)部分进汽损失部分进汽损失 如果将喷嘴布置在隔板（或蒸如果将喷嘴布置在隔板（或蒸汽

26、室）的整个圆周上，使蒸汽汽室）的整个圆周上，使蒸汽沿整个圆周进汽，这种进汽方沿整个圆周进汽，这种进汽方式称为全周进汽。式称为全周进汽。为了增高喷嘴的高度，则将喷为了增高喷嘴的高度，则将喷嘴布置在部分圆周上，使蒸汽嘴布置在部分圆周上，使蒸汽沿部分圆弧进汽，这种进汽方沿部分圆弧进汽，这种进汽方式称为部分进汽。式称为部分进汽。ehmnndtZe30)5.01(1acewxEeeeBhannssxEdSech01swehhh(六六)漏汽损失漏汽损失 hptnpptppppZvhAvcAG1*112upphGGhttttbbttttttvhldevcAG2*22)(utthGGh04.172.1Elhb

27、rt(七七)湿汽损失湿汽损失 (1)湿蒸汽在喷嘴中湿蒸汽在喷嘴中膨胀加速时，一部分蒸膨胀加速时，一部分蒸汽凝结成水滴，使作功汽凝结成水滴，使作功的蒸汽量减少。的蒸汽量减少。(2)由于水滴本身不由于水滴本身不膨胀加速，所以悬浮在膨胀加速，所以悬浮在蒸汽中的水滴是依靠蒸蒸汽中的水滴是依靠蒸汽带动的，因此主汽流汽带动的，因此主汽流要消耗一部分动能。要消耗一部分动能。xh（3）水滴进入动叶时正好冲击在动叶进口）水滴进入动叶时正好冲击在动叶进口边背弧上，阻止了叶轮的旋转，从而消耗了边背弧上，阻止了叶轮的旋转，从而消耗了一部分轮周功去克服这个阻力，造成损失一部分轮周功去克服这个阻力，造成损失 (4)湿蒸汽

28、在喷嘴中膨胀时，由于汽态变化湿蒸汽在喷嘴中膨胀时，由于汽态变化非常快，蒸汽的一部分还来不及凝结成水，非常快，蒸汽的一部分还来不及凝结成水，汽化潜热没有释放出来，形成了过饱和蒸汽汽化潜热没有释放出来，形成了过饱和蒸汽或称过冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降减小，或称过冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降减小，形成过冷损失。形成过冷损失。imxhxh)1(为了提高湿蒸汽级的为了提高湿蒸汽级的效率和防止动叶被水效率和防止动叶被水滴侵蚀损坏，常采用滴侵蚀损坏，常采用下列两种方法：一是下列两种方法：一是采用去湿装置，减少采用去湿装置，减少湿蒸汽中的水分；二湿蒸汽中的水分；二是提高动叶的抗侵蚀是提高动叶的抗侵蚀能力。能力。

29、1.1.静叶损失静叶损失hhn n2.2.动叶损失动叶损失hhb b3.3.余速损失余速损失hhc2c24.4.叶高损失叶高损失hhl l5.5.扇形损失扇形损失hh6.6.叶轮摩擦损失叶轮摩擦损失hhf f部分进汽损失部分进汽损失hehe漏汽损失漏汽损失hh湿气损失湿气损失hxhx相相对对内内效效率率hhu u轮周轮周效率效率hhi i级内损失及其机理 级内损失 机 理 计 算 公 式 喷嘴损失nh 附面层中的摩擦、涡流 0nt2nh1h 动叶损失bh 附面层中的摩擦、涡流 0bt2bh1h 轮周损失 余速损失2ch 动叶出口余速动能 2cc21h2 叶高损失lh 叶端损失 ulhlah，0

30、2an1lExlah 扇形损失h 沿叶高偏离最佳节距、径向压差、径向流动 02mbEdl7.0h 级内损失及其机理 叶轮摩擦损失fh 叶轮摩擦及腔室内涡流 v1d100uKP2m31f 部分进汽损失eh（部分进汽度 mnndtZe）鼓风、斥汽 amnes3acew0swexdse1Cx)2ee1(e1BE)(h 漏汽损失h 隔板、叶根、叶项处的漏汽 iihGGh 湿汽损失xh 蒸汽过饱和、水滴夹带与制、水滴扰动流场)xx(21xh)x1(h20mimx 级的实际热力过程线 三、级内损失对最佳速比的影响三、级内损失对最佳速比的影响 级内损失使级的相对内效率的最大值低于轮周效率的级内损失使级的相对

31、内效率的最大值低于轮周效率的最大值，而且还会使最佳速比值减小，即相对内效率最高最大值，而且还会使最佳速比值减小，即相对内效率最高时的最佳速比小于轮周效率最高时的最佳速比。时的最佳速比小于轮周效率最高时的最佳速比。221*0ctxeflcbntirihhhhhhhhhhhhEhxeflcbnri)1(1123600iihDp1、级的热力计算：已知汽轮机转速n=3000r/m，通过级的流量G=65t/h，级的平均直径 =1.44 m，级的理想焓降 =125.6kJ/kg，蒸汽初速 =91.5m/s，级前压力 =0.0981MPa，干度 =0.99，级的反动度 =0.2，喷嘴出汽角 =19 。要求：（1）确定静、动叶栅通流面积、叶高；（2）级的速度三角形；（3）级的内功率、内效率；（4）级的热力过程曲线。2、汽轮机的级共有哪些损失？其产生原因，如何减小？0pmd10 xm0cth