大学精品课件:第3章 汽轮机级的基本原理.ppt
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1、第3章 汽轮机级的基本原理,哈尔滨工程大学核能科学与工程教研室,第一节 概述,一、叶型及叶栅的几何参数,喷嘴叶栅,动叶栅,出口边厚度,弦长,后额线,前额线,叶片宽度,第一节 概述,一、叶型及叶栅的几何参数,前缘点:叶型的进气点 后缘点:叶型的出气点 弦长:叶型前后缘点的连线长度 中弧线:叶型所有内切圆圆心的连线 额线:叶型回转面的剖面 节距:两相邻叶型对应点连线(弧线)长度 叶片宽度:两额线的间距,叶片安装角:叶型弦长与额线的夹角 叶片几何进气角:叶型中线在前缘点处切线与额线的锐角夹角 叶片几何出气角:叶型中线在后缘点处切线与额线的锐角夹角 气流实际进气角:气流进气在前缘点处切线与额线的锐角夹
2、角 气流实际出气角:气流出气在后缘点处切线与额线的锐角夹角 冲角:叶片几何进气角与气流实际进气角之差,叶片安装角:叶型弦长与额线的夹角 冲角:叶片几何进气角与气流实际进气角之差 节距:两相邻叶型对应点连线(弧线)长度 叶片宽度:两额线的间距,1.喷嘴叶片(静叶):静止的,把蒸汽的热能变成动能的特殊形状的蒸汽通道,又称静叶、静止叶片。可作成局部和全圆周。 2.工作叶片(动叶):转动的,把蒸汽的动能和热能变成机械功的蒸汽通道。只能作成全圆周的。 3.级:由一列喷嘴叶片(至少一个喷嘴)和一列转动的工作叶片组成一个级,是汽轮机完成蒸汽做功转换的基本单元。,1、汽轮机的级,二、级内能量转换过程,具有一定
3、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,将高速汽流的动能转变为旋转机械能。,2、级内能量转换过程,动叶受力分析,Fz,动叶叶型对称弯曲,动、静叶型相同,三、反动度,1)由于h-s图上等压线沿比熵增方向发散,故严格说 ,但由于喷嘴损失很小,因此一般常认为 。 2)反动度沿动叶高度是不相同的:对于较短的直叶片级,用平均反动度m表示,可不计反动度沿动叶高度的变化;对于长叶片级,在计算不同截面时,必须用相应截面的反动度。,反动度:级在工作叶栅中的等熵焓降与级的滞止理想
4、焓降之比,四、冲动级与反动级,1. 冲 动 级 1)纯冲动级: 通常把反动度等于零的级称为纯冲动级。 2 )带反动度的冲动级 为了提高级的效率,通常,冲动级也带有一定的反动度( = 0.05 0.20 ) ,这种级称为带反动度的冲动级,它具有作功能力大、效率高的特点。 2. 反 动 级 通常把反动度 = 0.5的级称为反动级。对于反动级来说,蒸汽在静叶和动叶通道的膨胀程度相同。反动级是在冲动力和反动力同时作用下作功。反动级的效率比冲动级高,但作功能力小。,3.复 速 级 由一组静叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅及一组介于第一、二列动叶栅之间、固定在汽缸上的导向叶栅所组成的级,称为复速级。第一
5、列动叶栅通道流出汽流,其流速还相当大,为了利用这一部分动能,在第一列动叶栅之后装上一列导向叶栅以改变汽流的方向,使之顺利进入第二列动叶栅通道继续作功。复速级也采用一定的反动度。复速级具有作功能力大的特点。,第二节 基本方程式,基本假设: (1)蒸汽在叶栅通道中的流动是稳定流动,即流动过程中,任何一点的蒸汽参数均不随时间变化。在某一工况稳定工作时这种假设是正确的; (2)蒸汽在叶栅通道中的流动是一元流动,即在叶栅中气流参数只随轴向方向变化,而在其垂直截面上是不变的; (3)蒸汽在叶栅通道中的流动是绝热流动,即在叶栅中蒸汽与外界没有热交换。由于蒸汽流过叶栅的时间极短,而叶栅一般是成组布置的,每个叶
6、栅的蒸汽流道中蒸汽参数相同,彼此之间没有热交换是可以实现的。 绝热的一元稳定流动,一、连续方程,二、动量方程,略去高次项,再略去侧面阻力,三、能量方程式,(1)静叶通道,(2)动叶通道,四、状态方程和过程方程,式中:q每kg蒸汽流过叶栅时从外界吸收的热量,J/kg。 W每kg蒸汽流过叶栅时对外界做出的机械功,J/kg。,等熵指数过热蒸汽:k=1.3;饱和蒸汽:k=1.135; 湿蒸汽: k=1.035+0.1x(x为过程初态干度),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
7、程式 ,则,对于过热蒸汽,可近似看做理想气体,则上式可写成:,第三节 蒸汽在喷嘴中的流动,一、喷嘴出口汽流速度计算,假定流动是理想的,不考虑气体的流动损失。这样在喷嘴内气体流动过程是等熵的,流动气体的能量方程可以简化为以下形式: 1.喷嘴出口的理论速度 以注号0表示喷嘴进口截面气流参数,注号t表示喷嘴出口不计流动损失的理论参数。有下列等式:,:喷嘴的理想等熵焓降(kJ/kg),2.喷嘴出口的实际速度 蒸汽在喷嘴内实际的喷张流动过程中,因分子间相互作用而存在着内摩擦损失,外摩擦损失和涡流损失,消耗了流体的一部分动能而产生不可逆损失,使喷嘴出口气流的焓值和熵值增加。,喷嘴出口的实际速度为,:称之为
8、速度系数,用来考虑流动损失对气流速度的影响.,应有:喷管高度15mm,3.喷嘴损失 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 : 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:,4.喷管截面变化规律 根据连续方程式、动量方程式、 等熵过程方程,综合可得: :,M是马赫数 (M= c/a )。可以看到,喷嘴截面积的变化规律,不仅和汽流速度有关,同时还和马赫数M有关。 (1)当汽流速度小于音速,即M0,则必须dA/dx1时,若要使汽流能继续加速,即dc/dx0,则必须dA/dx0,即渐扩喷嘴。 (3)当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速,即M=1,dA/dx =0。表
9、明横截面A不变化,达到最小值。,二、喷嘴中汽流的临界状态,临界状态:汽流速度等于当地音速的状态 临界压力比:临界压力与滞止初压之比,即,三、喷嘴流量计算,1.喷嘴的理想流量:,喷嘴的临界流量喷嘴所能通过的最大流量。,式中 : 仅与蒸汽性质有关的系数,对过热蒸汽 =0.667,对饱和蒸汽 =0.635。,式中: ,喷管压力比,An出口面积,c1t出口理想速度, 1t出口理想密度,渐缩喷嘴流量与压比关系曲线,当 时, ; 减小,流量 沿CB线逐渐增加,当 时, ; 继续减小时,由于汽流在喷管最小截面达到临界,流量保持临界值,即沿AB线变化。 因此,喷管流量 与压力比 真实关系为曲线ABC。,n 为
10、喷嘴的流量系数,其大小与喷嘴的几何参数、汽体参数及汽体物理性质等因素有关,另外还与喷嘴出口的实际密度与等熵密度之比有关。 下图为实验得到的流量系数曲线。由图可知:,令,,则有,湿蒸汽区:,2.通过喷嘴的实际流量,过热蒸汽区:,考虑了流量系数后,实际临界流量公式为:,四、蒸汽在喷嘴斜切部分中的流动,一、蒸汽在斜切部分中的膨胀 在汽轮机级中,为了保证喷嘴出口对汽流的良好导向作用,必须在出口截面之外有一段斜切部分,这种喷嘴称为斜切喷嘴,如图所示(ABC是斜切部分)。,渐缩喷嘴,缩放喷嘴,1.当喷嘴出口压力(背压)大于或等于临界压力时,AB截面上的流速小于或等于音速,喉部压力等于背压( ),汽流通过喷
11、嘴,只在渐缩部分膨胀加速,而在斜切部分ABC处不膨胀加速。斜切部分只起导向作用。从喷嘴流出的汽流与动叶运动方向成一角度(称为喷嘴出汽角 )。 2.当喷嘴出口压力(背压)小于临界压力时,汽流在AB截面上达临界状态,汽流在斜切部分要继续膨胀加速,蒸汽压力由临界 压力 下降为 ,汽流速度由临界速度到大于音速,并且汽流方向要发生扰动和偏转。,(1)p1pcr, 斜切部分起导向作用; (2)p1pcr, 斜切部分汽流继续膨胀加速,并发生偏转,二、斜切部分汽流偏转角的近似计算,可利用连续性方程求解,即通过最小截面的流量应与出口截面的流量相等。,最小截面:,出口截面:,在实际结构中,lnln,所以:,对等熵
12、流动,有以下等式成立:,所以:,三、极限压力计算,蒸汽在喷管斜切部分的膨胀是有限度的,所能膨胀到的最低压力称极限压力 ,极限压力比为,第四节蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程,一、动叶进口速度三角形的相对速度和方向角的确定,为了使汽流顺利进入动叶通道而不发生碰撞,动叶栅的几何进口角 应等于进汽角 。,二、动叶出口速度三角形的相对速度和方向角的确定,动叶速度系数,三、 余速损失,余速损失:气流以绝对速度 离开级的通道,这部分动能没能转变为机械功而离开级,称为级的余速损失,用1表示本级余速动能被下一级利用的程度,则本级被下一级利用的余速能量为 ,余速损失为 。,第五节 作用在工作叶片上的力与轮周功
13、,一、蒸汽作用在动叶片上的力,表示动叶片作用于控制体汽流上的周向力,汽流在周向的动量方程:,或:,则蒸汽对动叶片的周向力:,令,为单位时间内所通过的蒸汽质量,则:,根据速度三角形,有,汽流在轴向的动量方程:,或:,则蒸汽对动叶片的轴向力:(进口和出口面积相等),或:,蒸汽对动叶片上的总作用力:,二、轮周功,单位时间内周向力在动叶片上所做的功称轮周功率:,或:,级的做功能力:,轮周功的意义:由喷嘴带进动叶的蒸汽动能与动叶获得的蒸汽动能之和,减去蒸汽离开动叶所带走的动能。,第六节 级的轮周效率与特性速比,一、级的轮周效率 1kg蒸汽在该级所做的轮周功 与蒸汽在该级所消耗的理想能量E0之比,称为级的
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