1、汽 輪 機(jī) 原 理彭 偉菅叢光1緒 論一、汽輪機(jī)簡(jiǎn)介二、汽輪機(jī)分類(lèi)及型號(hào)三、型號(hào)的表示方法四、汽輪機(jī)發(fā)展趨勢(shì)五、國(guó)外主要制造廠(chǎng)六、國(guó)內(nèi)主要制造廠(chǎng)七、汽輪機(jī)原理教學(xué)內(nèi)容與安排八、主要參考書(shū)九、考核2緒 論一、汽輪機(jī)簡(jiǎn)介定義: 1.汽輪機(jī)是一種以蒸汽為工質(zhì)，并將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。 2.英文:Turbine，譯名透平 3.葉輪機(jī)械(廣義范疇)3緒 論特點(diǎn): 1.單機(jī)功率大:300MW、 600MW、 900MW 2.效率高:汽輪機(jī)內(nèi)效率: 90% 電廠(chǎng)效率: 40 % 3.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn):機(jī)組振動(dòng)30年 5.整個(gè)循環(huán)中燃用劣質(zhì)、廉價(jià)燃料:如劣質(zhì)煤等 6.使用范圍專(zhuān)業(yè)而廣泛 火電廠(chǎng) 核電廠(chǎng)

2、直接驅(qū)動(dòng)4緒 論 在電廠(chǎng)中的位置蘭金循環(huán)的示意圖5緒 論6緒 論核電600MW7緒 論8緒 論9緒 論101112131415161718192021222324緒 論25緒 論26緒 論27緒 論28緒 論29緒 論30緒 論31緒 論杭州汽輪機(jī)廠(chǎng)32緒 論二、汽輪機(jī)分類(lèi)及型號(hào)按工作原理：沖動(dòng)式、反動(dòng)式按熱力特性：純凝汽、背壓、抽汽、多壓式按工作蒸汽壓力： 低 壓：0.12-1.5MPa 中 壓：2-4MPa 高 壓：6-10 MPa 超高壓：12-14MPa 亞 臨 界：16-18MPa 超臨界：22.1MPa 超超臨界: 32MPa汽缸布置：?jiǎn)胃?、多缸等軸系：?jiǎn)屋S、雙軸汽流總體流向：軸流

3、式、輻流式按用途：電站、工業(yè)、船用等33緒 論三、型號(hào)的表示方法 N 300 - 16.7/538/538 - 純凝： N50-8.83 (無(wú)再熱) 雙抽：CC12-3.43/0.98/0.12 背壓：B25-8.83/0.98 抽背：CB25-8.83/1.47/0.49汽輪機(jī)型式額定功率主蒸汽壓力主蒸汽溫度再熱汽溫度出廠(chǎng)型號(hào)34緒 論四、汽輪機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 1.增加單機(jī)功率: 300, 600, 1000, 1300MW 2.提高蒸汽參數(shù) 亞臨界: 16.7MPa， 538 0C 超臨界: 24.2MPa ， 566 0C 超超臨界: 28 .2MPa ， 600 0C 3.提高效率 4.降低

4、金屬消耗量和成本 5.提高機(jī)組運(yùn)行水平，增強(qiáng)機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)性 6.采用聯(lián)合循環(huán)(燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)) 提高效率:57%60% 清潔燃燒技術(shù)(減少污染:除塵、脫硫、脫硝、重金屬等)35緒 論五、國(guó)外主要制造廠(chǎng)美國(guó)通用（GE）、西屋（WH）歐洲ABB、法國(guó)阿爾斯通（AA）日本三菱、東芝、日立36緒 論六、國(guó)內(nèi)主要制造廠(chǎng) 上海汽輪機(jī)廠(chǎng) 一125、300、600、1000MW 哈爾濱汽輪機(jī)廠(chǎng) 一200、300、600、1000MW 東方汽輪機(jī)廠(chǎng) 一200、300、600、1000MW 北京重型電機(jī)廠(chǎng) 一100、200、350、600MW 青島汽輪機(jī)廠(chǎng) 一中小型汽輪機(jī) 南京汽輪發(fā)電機(jī)廠(chǎng) 一中小型汽輪機(jī)、燃

5、氣輪機(jī) 杭州汽輪機(jī)廠(chǎng) 一工業(yè)汽輪機(jī)37緒 論七、汽輪機(jī)原理教學(xué)內(nèi)容與安排 以電站汽輪機(jī)為主要對(duì)象，研究汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽熱能與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，以及實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)參數(shù)和影響高效轉(zhuǎn)換的因素； 分析非設(shè)計(jì)工況下汽輪機(jī)的運(yùn)行特性、影響凝汽器傳熱性能的因素和主要部件的強(qiáng)度；介紹汽輪機(jī)的控制原理和控制系統(tǒng)組成及特性。38緒 論汽輪機(jī)原理難嗎？不容易！知識(shí)面廣而分散。定性、定量分析相結(jié)合，且定性分析為主。學(xué)時(shí)短，內(nèi)容多。能學(xué)好嗎？世上無(wú)難事，只要肯努力。記住米盧名言：態(tài)度決定一切。抓幾個(gè)？由同學(xué)自己定！39緒 論八、主要參考書(shū)主要教材高等學(xué)校教材汽輪機(jī)原理 中國(guó)電力出版社，2000年 東南大學(xué) 康松 楊

6、建明 胥建群 編著主要參考書(shū) 汽輪機(jī)原理 華中理工大學(xué) 生 翦天聰 主編 汽輪機(jī)原理 重慶大學(xué) 沈士一 等 編著 汽輪機(jī)原理習(xí)題集 康松 主編 水利電力出版社，198840緒 論九、考核作業(yè)6題(1+1)%12%報(bào)告2個(gè)(1+2)%6%課堂測(cè)驗(yàn)6個(gè)2.5% 15%期末 5題9% 42%41第一章汽輪機(jī)級(jí)的工作原理主要內(nèi)容 著重介紹汽輪機(jī)最基本作功單元級(jí)的能量轉(zhuǎn)換和影響能量轉(zhuǎn)換的因素。主要方法 1）將實(shí)際環(huán)形葉柵簡(jiǎn)化為無(wú)端部效應(yīng)的一維平面葉柵，分析級(jí)中蒸汽熱能與動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的轉(zhuǎn)換及影響因素與最佳參數(shù)設(shè)計(jì)； 2）再用實(shí)際環(huán)形葉柵效應(yīng)等修正，得到實(shí)際葉柵的能量轉(zhuǎn)換與優(yōu)化設(shè)計(jì)。 即：遵循簡(jiǎn)化、抽象，

7、理想加上工程修正的研究法則。42第一章汽輪機(jī)級(jí)的工作原理教學(xué)內(nèi)容 第一講 級(jí)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出； 第二講 輪周效率與最佳速比； 第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)； 第四講 級(jí)內(nèi)損失與級(jí)相對(duì)內(nèi)效率及其影響因素； 第五講 長(zhǎng)扭葉片原理與現(xiàn)代設(shè)計(jì)（簡(jiǎn)介）。431.1 級(jí)工作的熱力、流動(dòng)分析與計(jì)算1.1.1 概述級(jí)的定義由一列噴嘴葉柵和與之配合工作的動(dòng)葉柵所組成的基本工作單元。動(dòng)葉柵可為單列，也可為多列。前者稱(chēng)單列級(jí)，后者稱(chēng)多列級(jí)。工作過(guò)程蒸汽在噴嘴(nozzle)中降壓增速，熱力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)槠鞯膭?dòng)能；在動(dòng)葉(blade)中一方面繼續(xù)降壓增速，熱力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)槠鞯膭?dòng)能，另一方面汽流在動(dòng)葉中改變運(yùn)

8、動(dòng)方向，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。前者屬于反動(dòng)(Reaction)能，后者屬于沖動(dòng)(Impulse)能。第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出44第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出級(jí)內(nèi)能量平衡與輪周功輸出（對(duì)于一元、穩(wěn)定流） 進(jìn)入能量： （kJ/kg.s） 出口能量：級(jí)內(nèi)能量平衡：輸出的功=蒸汽總能量的減少（無(wú)損失）輪周功 ：?jiǎn)挝毁|(zhì)量蒸汽在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。 （kJ/kg.s） 輪周功率：質(zhì)量流量為G的蒸汽單位時(shí)間所做的輪周功。 (kW)45第一章汽輪機(jī)級(jí)的工作原理46第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出1.1.2 熱力過(guò)程線(xiàn)分析熱力過(guò)程線(xiàn) 蒸汽在動(dòng)、靜葉柵中膨脹過(guò)程在h-S圖上的表示。滯止參

9、數(shù) ： 相對(duì)于葉柵通道速度為零的氣流熱力參數(shù)。 蒸汽的動(dòng)能用焓來(lái)表示。 用后上標(biāo)為”0”來(lái)表示。 噴嘴進(jìn)口 ： 動(dòng)葉進(jìn)口：47第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出 要求： 每個(gè)人都畫(huà)一遍 并了解各線(xiàn)段的物理意義 各符號(hào)代表意義 48第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出理想過(guò)程 無(wú)不可逆損失的等熵過(guò)程。實(shí)際過(guò)程 存在著不可逆摩擦損失，動(dòng)能損失轉(zhuǎn)變摩擦熱(能)。噴嘴(或動(dòng)葉)效率 實(shí)際焓降與理想焓降之比：噴嘴損失 動(dòng)葉損失49第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出反動(dòng)度 或反動(dòng)率，表征蒸汽在動(dòng)葉通道中的膨脹程度。 定義：動(dòng)葉中的理想焓降與級(jí)的等熵絕熱焓降之比 用 來(lái)表示。即：純沖動(dòng)（或壓力級(jí)）： ，汽流在

10、動(dòng)葉通道中不膨脹； 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：動(dòng)葉為等截面通道； 流動(dòng)特點(diǎn)：動(dòng)葉進(jìn)出口處壓力和汽流的相對(duì)速度相等； 即：因壓降主要發(fā)生在靜葉柵通道中，故又稱(chēng)為壓力級(jí)。50第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出反動(dòng)級(jí)： nbt，動(dòng)、靜葉中的焓降相等； 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：動(dòng)、靜葉通道的截面基本相同； 流動(dòng)特點(diǎn)：動(dòng)、靜葉中增速相等。沖動(dòng)級(jí)： hnhb，膨脹主要發(fā)生于噴嘴中； 一般0.050.30。負(fù)反動(dòng)度 噴嘴出口汽流速度較大，在動(dòng)葉中形成阻塞流，動(dòng)葉出口壓力升高，使，反動(dòng)度為負(fù)值。汽輪機(jī)在某變工況下會(huì)出現(xiàn)此種情況，將產(chǎn)生較大的損失，盡可能避免。51第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出純沖動(dòng)級(jí)沖動(dòng)級(jí)反動(dòng)級(jí)負(fù)反動(dòng)級(jí)52第一講 級(jí)內(nèi)

11、的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出1.1.3 噴嘴、動(dòng)葉的焓降與出口汽流速度 流速或流量、蒸汽參數(shù)和通流截面為流動(dòng)分析的三個(gè)要素。 采用流體力學(xué)及工程熱力學(xué)中噴管流動(dòng)的分析方法。 能量平衡算流速，質(zhì)量平衡算流量。 注：葉柵通道的進(jìn)口參數(shù)用相對(duì)于葉柵速度為零的滯止參數(shù)。分析模型 一元流動(dòng)平面葉柵模型 基本假設(shè)：定常物性、穩(wěn)定、絕熱、理想氣體、一元流動(dòng)。基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程。 1.理想氣體狀態(tài)方程 2.絕熱等熵過(guò)程 53第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出 3.氣體的焓： 4.氣體介質(zhì)中的音速：焓降與流速 熱力勢(shì)能 汽流動(dòng)能， 計(jì)算方法是先算理想（等熵)過(guò)程，然后用系數(shù)修正到實(shí)際過(guò)程理想過(guò)程

12、 能量方程： 噴嘴： 動(dòng)葉： 54第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出 即： 利用：焓的計(jì)算式、等熵焓降過(guò)程， 流速可表示成與初參數(shù) 前后壓比 的形式。 則有:55第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出實(shí)際過(guò)程 蒸汽為粘性流體，流過(guò)葉柵通道時(shí)產(chǎn)生摩擦，造成動(dòng)能損失，即蒸汽在葉柵通道中為絕熱多變過(guò)程: 多變指數(shù)隨摩擦的增大而減小。工程中用對(duì)等熵絕熱流動(dòng)作修正的方法來(lái)處理實(shí)際流動(dòng)，即用實(shí)際汽流速度與理想汽流速度的比值表示摩擦的影響其比值稱(chēng)為速度系數(shù) ：對(duì)應(yīng)的噴嘴、動(dòng)葉損失為(P9,1-13式)56第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出速度系數(shù)的影響因素： 1.速度系數(shù)與葉柵通道表面的光滑程度及葉型等緊密相關(guān)

13、： 提高加工精度； 表面越光潔，摩擦就越??；2.葉型是否合理，決定了葉柵通道的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布： 研究空氣動(dòng)力特性、開(kāi)發(fā)先進(jìn)葉型； 附面層增厚、附面層脫離均導(dǎo)致摩擦損失增大、速度系數(shù)減小。3.蒸汽的膨脹程度越大，有利于減薄附面層，提高速度系數(shù)， 動(dòng)葉中，速度系數(shù)將隨反動(dòng)度增大而增大(P.15)。 57第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出58第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出在汽輪機(jī)中： 噴嘴的速度系數(shù)在0.920.98之間，一般取0.97； 動(dòng)葉的速度系數(shù)在0.850.95之間，反動(dòng)度大時(shí)可取上限。速度系數(shù)與噴嘴或動(dòng)葉效率 由速度系數(shù)和噴嘴或動(dòng)葉效率定義可知 59第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸

14、出由熱力學(xué)推導(dǎo)得知，多變指數(shù)與速度系數(shù)的關(guān)系為： 60第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出1.1.4 速度三角形與動(dòng)葉出口速度建立隨動(dòng)葉運(yùn)動(dòng)的相對(duì)坐標(biāo)系。 汽流的絕對(duì)速度(c)牽連速度(u)相對(duì)動(dòng)葉的汽流速度(w)。輪周速度： 平均直徑 處的輪周線(xiàn)速度，即：動(dòng)葉汽流的速度三角形 以輪周速度為水平方向，描述動(dòng)葉進(jìn)、出口3個(gè)速度矢量關(guān)系所構(gòu)成的封閉圖形。 動(dòng)葉進(jìn)口： 動(dòng)葉出口：61第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出62第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出除斜切部分存在膨脹外汽流流出噴嘴或動(dòng)葉的出口角即為幾何出口角。一般地， 在1117； 在2030；通常設(shè)計(jì)情況下， 比 略大24。在非設(shè)計(jì)工況下， 和

15、 將隨工況而變。63第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出1.1.5 動(dòng)葉上的汽流力和輪周功 1.動(dòng)葉上汽流作用力的大小： 決定于動(dòng)葉通道進(jìn)、出口汽流動(dòng)量的變化。 2.蒸汽動(dòng)能與葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換重要的制約因素： 葉輪的轉(zhuǎn)速。 3.汽流力的計(jì)算 作用在動(dòng)葉上的汽流力可歸結(jié)為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)機(jī)械功的切向力(又稱(chēng)輪周力)和不產(chǎn)生機(jī)械功的軸向力。 由動(dòng)量定律求得。利用速度三角形關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。64第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出設(shè) 時(shí)間內(nèi)流過(guò)動(dòng)葉的蒸汽量為 ：切向和軸向的動(dòng)量變化為：絕對(duì)坐標(biāo)系：切向 軸向相對(duì)坐標(biāo)系：切向 軸向作用在動(dòng)葉上汽流力：切向：65第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換

16、與輪周功輸出第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出軸向： 蒸汽總的軸向力應(yīng)是汽流軸向力、壓差力的總和。設(shè)動(dòng)葉壓差作用有效面積為 ，則總的軸向力：軸向力使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向產(chǎn)生移動(dòng)： 故采用軸向推力軸承對(duì)轉(zhuǎn)子作軸向定位。減少推力軸承載荷的措施： 采用合理的汽缸布置或設(shè)置軸向力平衡裝置。66第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出輪周功率與輪周功輪周功率 蒸汽單位時(shí)間推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)所作的機(jī)械功，用 表示。 力與速度的乘積即為功率，故輪周功率為：輪周功與級(jí)有效焓降 在h-s圖即為級(jí)有效焓降 。 利用速度三角形的關(guān)系，得 輪周功的意義：由噴嘴帶進(jìn)動(dòng)葉的蒸汽動(dòng)能與動(dòng)葉獲得的蒸汽動(dòng)能之和，減去蒸汽離開(kāi)動(dòng)葉所帶走的動(dòng)能。6

17、7第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出從右圖可得：余速損失 蒸汽離開(kāi)動(dòng)葉所攜帶(carry)的動(dòng)能， 即 。這部分能量在本級(jí)中不能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能，但部分或全部被下級(jí)所利用。68第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出余速利用系數(shù) 本級(jí)余速被下級(jí)所利用的份額。 1.調(diào)節(jié)級(jí)和排汽級(jí)的 為零； 2.抽汽級(jí)為0.00.5； 3.同時(shí)滿(mǎn)足下列情況時(shí)， =1： (1)相鄰兩級(jí)直徑接近，蒸汽在半徑方向上運(yùn)動(dòng)距離不大； (2)噴嘴進(jìn)口方向上與上一級(jí)余速方向相符； 上兩項(xiàng)無(wú)法確定時(shí)： =0.30.8 (3)相鄰兩級(jí)都是全周進(jìn)汽；不是 =0 (4)無(wú)抽汽，兩級(jí)間流量不變。 69第一講

18、級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出下級(jí)進(jìn)汽狀態(tài)點(diǎn)=1=070第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出1.1.6 本講小結(jié) 本講所涉教材內(nèi)容：PP6 9、PP13 19基本概念 輪周功、輪周功率、滯止參數(shù)、反動(dòng)度、純沖動(dòng)級(jí)、沖動(dòng)級(jí)、反動(dòng)級(jí)、速度系數(shù)、噴嘴損失、動(dòng)葉損失、余速損失、輪周速度、汽流輪周力、蒸汽軸向力、余速利用系數(shù)基本方法 噴嘴(動(dòng)葉)的能量平衡、級(jí)熱力過(guò)程線(xiàn)、速度三角形基本公式 反動(dòng)度定義式、噴嘴(動(dòng)葉)出口汽流速度、速度三角形計(jì)算關(guān)系強(qiáng)化掌握 級(jí)熱力過(guò)程線(xiàn)、速度三角形、出口汽流速度的計(jì)算71第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出例題：已知噴嘴進(jìn)口蒸汽 ， 噴嘴后 速度系數(shù) 。求： （1）噴嘴前蒸汽的

19、滯止焓和滯止壓力； （2）噴嘴出口理想速度和實(shí)際速度。解：1.求滯止參數(shù) 由初壓、初溫，在h-s圖確定噴嘴進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)“0”，得初焓： 噴嘴進(jìn)口動(dòng)能：72第一講 級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與輪周功輸出 噴嘴進(jìn)口處滯止焓 在h-s圖上，由“0”垂直向上至 ，求得： 2.求噴嘴出口汽流速度 在h-s圖上“0”等熵向下至 得噴嘴后理想焓值： 則噴嘴中理想滯止焓降： 噴嘴出口理想速度： 噴嘴出口實(shí)際速度：73第二講 輪周效率與最佳速比1.2.1 輪周效率輪周效率 描述級(jí)中可用能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)檩喼芄敵龅姆蓊~。級(jí)理想能量 因部分或全部余速動(dòng)能將在下級(jí)中被利用 級(jí)理想滯止焓降再扣除余速動(dòng)能中被下級(jí)所利用的部分74第二

20、講 輪周效率與最佳速比輪周效率 單位質(zhì)量蒸汽所作的輪周功 與該級(jí)蒸汽所消耗的理想能量 的E0比值。即：75第二講 輪周效率與最佳速比反平衡：定義： 噴嘴損失系數(shù)： 動(dòng)葉損失系數(shù)： 余速損失系數(shù)：輪周效率的各損失系數(shù)的表示：76第二講 輪周效率與最佳速比1.2.2 最佳速比 輪周效率與噴嘴、動(dòng)葉和余速損失有關(guān)。 當(dāng)噴嘴出口汽流速度和反動(dòng)度一定時(shí)，由速度三角形知，動(dòng)葉出口相對(duì)、絕對(duì)速度的大小與輪周速度有關(guān)，特別是動(dòng)葉出口絕對(duì)速度。 因此，輪周速度與噴嘴出口汽流速度對(duì)輪周效率存在著最佳匹配問(wèn)題。速比 輪周速度與噴嘴出口汽流速度之比，即77第二講 輪周效率與最佳速比假想速比 輪周速度與級(jí)假想速度之比，

21、即：假想速度 假想級(jí)的理想焓降全部在噴嘴中膨脹，即：最佳速比 使輪周效率達(dá)到最大時(shí)的速比。在噴嘴、動(dòng)葉的幾何參數(shù) 、速度系數(shù)等確定條件下進(jìn)行的。 1.純沖動(dòng)級(jí)的最佳速比 m=0 w2t=w1，代w2=w2t ，ca=c1t 假設(shè)：0= 1 = 0 ，78第二講 輪周效率與最佳速比另外：對(duì)純沖動(dòng)級(jí)：79第二講 輪周效率與最佳速比分析：(x1)op的物理意義80第二講 輪周效率與最佳速比純沖動(dòng)級(jí)輪周效率分析圖81第二講 輪周效率與最佳速比考慮反動(dòng)度的速比: 用xa代替x1，僅僅引起數(shù)值上的變化，而對(duì)速比的物理意義并無(wú)本質(zhì)上的影響。 純沖動(dòng)級(jí)：82第二講 輪周效率與最佳速比有余速利用時(shí)的最佳速比：

22、在純沖動(dòng)級(jí)中：根據(jù)速度三角形：83第二講 輪周效率與最佳速比求導(dǎo)后：其中：84第二講 輪周效率與最佳速比結(jié)論：利用余速可以提高級(jí)的輪周效率: u公式分子變??；曲線(xiàn)頂部有一個(gè)平坦區(qū)：290，同樣dm下作功能力增加；(xa)op增大了 如： 失去了相對(duì)于最高效率點(diǎn)的基本對(duì)稱(chēng)性： 因無(wú)余速損失，噴咀損失一定， (xa)op取決于動(dòng)葉損失。85第二講 輪周效率與最佳速比 2.反動(dòng)級(jí)最佳速比互為鏡像的葉片和三角形86第二講 輪周效率與最佳速比反動(dòng)級(jí)中靜葉和動(dòng)葉的理想比焓降相等；蒸汽在靜、動(dòng)葉中的流動(dòng)情況基本相同；靜葉相動(dòng)葉采用同一葉型；如果：由：得：令：則由：87第二講 輪周效率與最佳速比反動(dòng)級(jí)最佳速比

23、：88第二講 輪周效率與最佳速比89第二講 輪周效率與最佳速比反動(dòng)級(jí)最佳速比：90第二講 輪周效率與最佳速比反動(dòng)級(jí)的輪周效率在速比為1時(shí)不為零，為什么？反動(dòng)級(jí)的輪周效率在最大值附近變化比較平穩(wěn) 變工況性能好，這是余速能夠利用的級(jí)的共有特點(diǎn)。反動(dòng)級(jí)的最佳速比比純沖動(dòng)級(jí)大 在u相同及在各自的最佳速比下,反動(dòng)級(jí)能有效利用的焓降只是純沖動(dòng)級(jí)的一半。在各自的最佳速比下反動(dòng)級(jí)的輪周效率高于純沖動(dòng)級(jí) 。91第二講 輪周效率與最佳速比3.沖動(dòng)級(jí)（帶反動(dòng)度）最佳速比 m=0.05-0.392第二講 輪周效率與最佳速比由圖可見(jiàn)：中間級(jí)和孤立級(jí)的最佳速比和都和反動(dòng)度同向變化，中間級(jí)增加較緩；余速利用系數(shù)越小，最佳速

24、比隨反動(dòng)度而變化的程度越大。93第二講 輪周效率與最佳速比 4.速度級(jí)（復(fù)速級(jí)）的輪周功和輪周效率 當(dāng)級(jí)需要大的比焓降時(shí)，只用一個(gè)級(jí)就會(huì)偏離(xa)op 舉例：最大u=600 m/s x1=0.45-0.5 c1=750-600 m/s n=3000 rpm ht=314-201 kJ/kg dm=1.9 m 制造成本和工藝難度加大 要降低(xa)op只有減少hc2 辦法：再加一級(jí)！94第二講 輪周效率與最佳速比復(fù)速級(jí)示意圖：95第二講 輪周效率與最佳速比 復(fù)速級(jí)的輪周效率：根據(jù)輪周效率的定義得：96第二講 輪周效率與最佳速比復(fù)速級(jí)最佳速比：即，c1cos 1=4u 時(shí)：第二列動(dòng)葉誹汽速度c2

25、的方向等：2= 900即軸向排汽，此時(shí)復(fù)速級(jí)的余速損失最小。97第二講 輪周效率與最佳速比復(fù)速級(jí)的動(dòng)葉和導(dǎo)葉中m ： 1.可改善葉柵通道中的流動(dòng)狀況，提高復(fù)速級(jí)的效率； 2.因復(fù)速級(jí)一般都處于部分進(jìn)汽狀態(tài)，過(guò)大的反動(dòng)度會(huì)明顯地增加級(jí)的漏汽損失，采用了少量的反動(dòng)度； 3.反動(dòng)度的選擇必須適當(dāng)，其關(guān)系曲線(xiàn)如圖示。98第二講 輪周效率與最佳速比 反動(dòng)度對(duì)復(fù)速級(jí)效率的影響圖上三個(gè)數(shù)表示第一列動(dòng)葉、導(dǎo)葉、第二列動(dòng)葉的m%99第二講 輪周效率與最佳速比復(fù)速級(jí)汽態(tài)線(xiàn)100第二講 輪周效率與最佳速比復(fù)速級(jí)最佳效率點(diǎn):圖中：1.bb 為單級(jí)時(shí)沖動(dòng)級(jí)輪周效率曲線(xiàn)；2.dd為復(fù)速級(jí)效率曲線(xiàn); 3.x190； 3.級(jí)

26、的反動(dòng)度：m； 4.余速損失：余速一般為假想速度的1/41/5； 而噴嘴、動(dòng)葉的速度系數(shù)，余速損失與噴嘴、動(dòng)葉損失處于大致相同的數(shù)量級(jí)，余速損失稍大。103第二講 輪周效率與最佳速比 2的影響： 時(shí)： 在x1由綜合這兩項(xiàng)影響因素， 最大的動(dòng)葉絕對(duì)排汽角應(yīng)略大于90。 時(shí)， ， 因此: 在動(dòng)葉絕對(duì)排汽角略大于90時(shí)達(dá)到最大。達(dá)到最小。達(dá)到最小。104第二講 輪周效率與最佳速比反動(dòng)度的影響 動(dòng)葉中有一定膨脹時(shí)，減小動(dòng)葉排汽速度應(yīng)從減小動(dòng)葉相對(duì)進(jìn)汽速度方面綜合考慮。 動(dòng)葉相對(duì)進(jìn)汽速度越大，蒸汽在動(dòng)葉中膨脹后出口相對(duì)速度更大，這樣，有可能使級(jí)的排汽速度增大，輪周效率下降。 反動(dòng)度增大后，要求增大輪周速

27、度來(lái)減小動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)速度，最終降低級(jí)的排汽速度，提高輪周效率。反動(dòng)度的存在，使速比向增大方向移動(dòng)： 105第二講 輪周效率與最佳速比余速利用的影響：純沖動(dòng)、余速不被利用 噴嘴及動(dòng)葉的摩擦損失相對(duì)于級(jí)的理想能量是個(gè)定值，比例關(guān)系決定于速度系數(shù)。 如果動(dòng)葉的相對(duì)進(jìn)口角能適應(yīng)各種工況，那么噴嘴出口速度一定時(shí)，增大輪周速度u將使動(dòng)葉的排汽速度下降。 當(dāng)輪周速度為： 時(shí)，動(dòng)葉出口的絕對(duì)汽流角為90 排汽絕對(duì)速度達(dá)到最小，即輪周效率最大。106第二講 輪周效率與最佳速比純沖動(dòng)、利用余速 余速利用后，使級(jí)理想能量減小，在相同汽流參數(shù)下使級(jí)的輪周效率提高。綜合分析得知，余速利用后，a)增大了輪周效率；b)使速

28、比向增大方向移動(dòng)；c)使在最佳速比附近對(duì)速比的靈敏性下降，提高了適應(yīng)工況變化的能力。107第二講 輪周效率與最佳速比108第二講 輪周效率與最佳速比最佳速比的基本特征109第二講 輪周效率與最佳速比1.2.3 最佳速比與汽輪機(jī)的級(jí)的焓降分配速比與級(jí)焓降（加c1與hn） 由速比定義，得 ： 反動(dòng)度與級(jí)的焓降最佳速比隨反動(dòng)度增大而增大。若要求級(jí)在最佳速比下運(yùn)行，在大致相等輪周速度下，反動(dòng)級(jí)的焓降小于沖動(dòng)級(jí)。若反動(dòng)級(jí)的最佳速比是純沖動(dòng)級(jí)的兩倍，那么，反動(dòng)級(jí)的焓降為純沖動(dòng)級(jí)的70.7%。因此，一般地，反動(dòng)式機(jī)組的級(jí)數(shù)多于沖動(dòng)式。110第二講 輪周效率與最佳速比汽輪機(jī)的焓降分配 機(jī)組的平均直徑主要決定于

29、流量。 機(jī)組容量大則流量大，平均直徑也大， 在最佳速比下，u大，ca大，對(duì)應(yīng)的焓降也大。 所以：1.大機(jī)組的級(jí)數(shù)少于小機(jī)組； 2.低壓級(jí)的焓降大于高壓級(jí)。111第二講 輪周效率與最佳速比最佳速比與汽輪機(jī)設(shè)計(jì) 1.先由機(jī)組容量確定主蒸汽流量； 2.然后由基于葉片制造水平大致確定首級(jí)和末級(jí)葉高，并由此確定首級(jí)和末級(jí)的平均直徑； 3.取首級(jí)與末級(jí)平均直徑的平均值，計(jì)算平均輪周速度， 4.在一定反動(dòng)度下計(jì)算出對(duì)應(yīng)的最佳速比，并計(jì)算得平均級(jí)焓降； 5.由平均級(jí)焓降和多級(jí)汽輪機(jī)的重?zé)嵯禂?shù)，以及初、終參數(shù)，求得機(jī)組級(jí)數(shù)。112第二講 輪周效率與最佳速比1.2.4 本講小結(jié) 本講所涉教材內(nèi)容 PP19 27基

30、本概念 輪周效率、理想能量、噴嘴損失系數(shù)、動(dòng)葉損失系數(shù)、余速損失系數(shù)、速比、假想速比、最佳速比基本公式 理想能量、輪周效率強(qiáng)化掌握 最佳速比的影響因素、反動(dòng)與沖動(dòng)級(jí)的最佳速比、最佳速比與汽輪機(jī)設(shè)計(jì)113第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)1.3.1 葉柵通道的流量計(jì)算 噴嘴或動(dòng)葉通道的質(zhì)量流量決定于流道的出口面積、出口流速和對(duì)于出口點(diǎn)的蒸汽比容。同樣地，先計(jì)算通過(guò)流道的理想流量，然后由流量系數(shù)修正至實(shí)際流量。理想流量 對(duì)出口面積為 的噴嘴，其流過(guò)的理想質(zhì)量流量為: 114第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)葉115第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 流量系數(shù) 實(shí)際流量與理想流量的比流量系數(shù)與速

31、度系數(shù)的關(guān)系： 理論上： 因摩擦使蒸汽溫度升高，故總有 ， 實(shí)際中： 速度系數(shù)：由動(dòng)能損失試驗(yàn)測(cè)取，反映了流場(chǎng)速度分布的均方平均； 流量系數(shù)：由流動(dòng)試驗(yàn)測(cè)取，反映了流場(chǎng)速度分布的算術(shù)平均； 實(shí)測(cè)流量系數(shù)大于速度系數(shù)。 在簡(jiǎn)化計(jì)算中，一般將速度系數(shù)和流量系數(shù)取為相同數(shù)值。116第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)濕蒸汽的流量系數(shù) 在降壓膨脹過(guò)程中應(yīng)有部分蒸汽釋放汽化潛熱、并凝結(jié)為水，但因流速很快、傳熱速度相對(duì)滯后，汽化潛熱來(lái)不及傳給蒸汽，使蒸汽產(chǎn)生過(guò)冷，比容減小，從而導(dǎo)致流量系數(shù)大于速度系數(shù)的局面。 在濕蒸汽區(qū)，流量系數(shù)通常用下式計(jì)算:117第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)1.3.2 臨界與最大

32、流量臨界 壓力波是機(jī)械波，在介質(zhì)中以音速傳播。 對(duì)直軸型漸縮通道，背壓降低、出口汽流速度增大；當(dāng)汽流速度達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)，背壓的擾動(dòng)無(wú)法向前傳播，故出口汽流的最大流速僅為當(dāng)?shù)匾羲?。?118第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)將喉部截面達(dá)到音速的狀態(tài)稱(chēng)為臨界狀態(tài)。 對(duì)應(yīng)流道進(jìn)、出口壓力比稱(chēng)為臨界壓比: (Critical pressure ratio) 絕熱等熵臨界壓比： 臨界速度僅與進(jìn)口的初參數(shù)有關(guān)： 臨界壓比決定于物性參數(shù)： 過(guò)熱蒸汽： 飽和蒸汽： 119第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)最大流量 對(duì)流量方程求關(guān)于壓比的極大值，在臨界壓比時(shí)達(dá)到最大，其最大理想流量為 其意義是：當(dāng)喉部達(dá)到音速時(shí)

33、，汽流速度不再增加，蒸汽參數(shù)也不再改變，故其通流量也再不增多，即達(dá)到飽和狀態(tài)。故在流量計(jì)算式上應(yīng)附加臨界約束條件 。 因此，在葉柵通道流量計(jì)算時(shí)，必須判定是否達(dá)到臨界。120第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)記?。∽畲罅髁?jī)H與初參數(shù)有關(guān)。 實(shí)際最大流量為理想最大流量乘流量系數(shù) 即:流量比系數(shù) 在流道結(jié)構(gòu)和初參數(shù)一定時(shí)，不同背壓時(shí)的通流量與最大流量的比，又稱(chēng)彭臺(tái)門(mén)系數(shù)，用表示。121第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)橢圓公式 計(jì)算表明：彭臺(tái)門(mén)系數(shù)的曲線(xiàn)段近似于橢圓曲線(xiàn)。故為計(jì)算方便，常用橢圓公式來(lái)近似。即:噴咀流量計(jì)算方法：1.先由初參數(shù)求得最大流量 ，2.確定流動(dòng)狀態(tài)：是否超臨界。3.然后由前

34、后壓比求得彭臺(tái)門(mén)系數(shù)，4.由 計(jì)算流量。122第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 對(duì)背壓相同、初參數(shù)不等的兩種工況流量如何分析？ 由最大流量?jī)H與初參數(shù)有關(guān)的關(guān)系，由一種工況的最大流量和初參數(shù)間的比例關(guān)系，求出另一工況的最大流量，即: 再由各自的求出對(duì)應(yīng)的流量。123第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 例：汽輪機(jī)某級(jí) 、 、 和 。噴嘴為漸縮型，其出口面積 。 試計(jì)算：（1）通過(guò)噴嘴的實(shí)際流量(取流量系數(shù)0.97)；（2）當(dāng) 時(shí)，通過(guò)噴嘴的流量又為多少？（3）如果噴嘴入口 ，則在（2）條件下噴嘴的流量？ 解：（1）由初終參數(shù)查蒸汽特性參數(shù)得： 級(jí)理想焓降： 噴嘴理想焓降：124第三講 最大流量與

35、葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 噴嘴出口理想焓值： 查得噴嘴出口壓力： 噴嘴最大理想流量： 噴嘴的壓比： 流量比系數(shù)： 通過(guò)噴嘴的實(shí)際流量：（2）改變背壓后： 級(jí)理想焓降： 噴嘴理想焓降：125第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 噴嘴理想出口焓： 噴嘴后壓力： 噴嘴壓比： 噴嘴為超臨界，此時(shí)流量為最大值， 即：（3）噴嘴進(jìn)口動(dòng)能： 進(jìn)口滯止焓： 查得 理想最大流量： 由于是超臨界流動(dòng)，計(jì)及進(jìn)口流速后通過(guò)噴嘴的流量為：126第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)1.3.3 葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)靜、動(dòng)葉柵幾何參數(shù) 平均直徑 ，葉片高度l ，葉柵節(jié)距t，葉柵寬度B，葉柵通道進(jìn)口寬度a,出口寬度a1和a2，葉型弦長(zhǎng)b和出口

36、邊厚度 ，出口汽流角127第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 沖動(dòng)式葉柵如圖所示： 它包括沖動(dòng)式動(dòng)葉柵和導(dǎo)向葉柵。 實(shí)用中為了減少流動(dòng)損失，采用一定的反動(dòng)度， 2比1 略小2 4，使汽道略有收縮。 同樣的進(jìn)出口參數(shù)條件下，幾何相似的葉柵中汽流保持近似相同的特性：決定葉柵幾何形狀的參數(shù)都可以用一些無(wú)因次的相對(duì)值來(lái)表示 相對(duì)節(jié)距ttb； 相對(duì)高度llb； 相對(duì)長(zhǎng)度(徑高比)ln/dm。128第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 葉柵的安裝角用“s和s來(lái)表示， 它是葉柵額線(xiàn)與葉弦之間的夾角，它們?cè)谙喈?dāng)大的程度上影響著1 和2 的實(shí)際數(shù)值，所以安裝角也是一個(gè)重要的幾何參數(shù)。 葉柵的中弧線(xiàn)在前緣點(diǎn)的切線(xiàn)與

37、葉柵前額線(xiàn)的夾角叫做葉型的幾何進(jìn)口角， 用0g 和1g表示，它們只隨安裝角不同而改變，與汽流無(wú)關(guān)。129第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)噴嘴尺寸設(shè)計(jì) 噴嘴流量： 噴嘴出口面積：噴嘴高度 噴嘴高度正比于流量，反比于出口流速。過(guò)小的噴嘴高度，葉頂和葉根的邊界層和漏汽影響很大，效率很低，通常要求噴嘴高度不小于1115mm 。 130第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)增大葉高的措施 減小噴嘴出口角、降低噴嘴出口速度和采用部分進(jìn)汽。反動(dòng)級(jí)因噴嘴出口速度小而使葉高大于沖動(dòng)級(jí)，故噴嘴出口角較沖動(dòng)級(jí)來(lái)得大，葉高也大于沖動(dòng)級(jí)。部分進(jìn)汽度e 工作噴嘴所占的圓周長(zhǎng)度與全圓周長(zhǎng)度之比，即131第三講 最大流量與葉柵

38、幾何參數(shù)設(shè)計(jì)動(dòng)葉尺寸設(shè)計(jì) 動(dòng)葉流量 ，動(dòng)葉出口面積動(dòng)葉高度 為保證噴嘴出口蒸汽全部進(jìn)入動(dòng)葉，葉頂處應(yīng)稍大于噴嘴、葉根處稍小于噴嘴。蓋度 動(dòng)葉與噴嘴的高度差。葉頂蓋度和葉根蓋度，前者稍大。132第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì)1.3.4 反動(dòng)度的實(shí)現(xiàn) 膨脹的大小決定于流道的形狀。要在動(dòng)葉中有膨脹，動(dòng)葉出口面積必然要小于噴嘴。動(dòng)、靜葉出口面積比 是實(shí)現(xiàn)反動(dòng)度的主要因素。 沖動(dòng)級(jí)，因動(dòng)葉出口相對(duì)速度小于噴嘴出口速度，故動(dòng)、靜面積比較大(一般為1.4左右)，反動(dòng)級(jí)動(dòng)葉出口相對(duì)速度較大，動(dòng)、靜面積比較小(一般為1.0左右)。如果級(jí)的反動(dòng)度零， ， 這樣，動(dòng)葉的出口面積必須大于噴嘴的出口面積。 若動(dòng)、靜葉的平均輪周直徑相同，動(dòng)、靜葉流量平衡方程：133第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 由速度三角形得： 一般地，動(dòng)葉出口比噴嘴出口略高，這樣，動(dòng)葉出口汽流角稍小于噴嘴相對(duì)出口汽流角。 這就是通常 2=1-(24) 的原因。 隨著級(jí)反動(dòng)度的增大， ，要求動(dòng)葉出口面積減小。 另一方面，蒸汽膨脹使動(dòng)葉出口處的比容增大，要求動(dòng)葉的出口面積增大。 兩者競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，流速增大要求動(dòng)葉出口面積減小占主導(dǎo)地位，即隨級(jí)的反動(dòng)度增大，動(dòng)、靜葉出口面積比減小。 面積比與反動(dòng)度、噴