开云体育手机版下载教程:汽轮机的工作原理2

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  1、电厂汽轮机原理电厂汽轮机原理 第一节概述第一节概述 汽轮机以蒸汽为工质，将热能转 变为机械能，为发电机发电提供 机械能。 火力发电厂三大主要设备之一， 单机功率大、效率高、运行平稳、 常规使用的寿命长 一一. . 汽轮机的工作原理汽轮机的工作原理 汽轮机内的能量转换 很多压力和温度的蒸汽流经固定不动的喷嘴，并在其中膨 胀，蒸汽的压力、温度不断降低，速度持续不断的增加，使蒸汽 的热能转化为动能 。 蒸汽热能蒸汽热能 气流的动能气流的动能 轴的机械能轴的机械能 喷嘴喷嘴 动动叶叶 一、汽轮机的工作原理一、汽轮机的工作原理 1轴 2叶轮 3动叶栅 4喷嘴 单级冲动式汽轮机工作原理结构立体图单级冲动式汽轮机工作原

  2、理结构立体图 “级”是汽轮机中最基本的是汽轮机中最基本的 工作单元。在结构上它是由工作单元。在结构上它是由 静叶（喷嘴）和对应的动叶静叶（喷嘴）和对应的动叶 所组成；一列固定的喷嘴和所组成；一列固定的喷嘴和 与它配合的动叶片构成了汽与它配合的动叶片构成了汽 轮机的基本作功单元，称为轮机的基本作功单元，称为 汽轮机的汽轮机的“级” （一）冲动作用原理（一）冲动作用原理 p冲动力的定义：冲动力的定义：根据力学知识，当 一运动物体碰到另一个静止的物体 或者运动速度低于它的物体时，就 会受到阻碍而改变其速度的大小或 方向，同时给阻碍它的物体的一个 作用力 p特点：特点：蒸汽仅把从喷嘴中获得的动 能转变

  3、为机械功，蒸汽在动叶通道 中不膨胀，动叶通道不收缩 l 喷嘴出口处：喷嘴出口处：蒸汽以相对速 度w1进入动叶通道，由于受到动 叶的阻碍，汽流方向不断改变， 最后以相对速度w2流出动叶通道， l在流道中蒸汽对动叶产生一个轮 周方向的冲动力F1，该力对动叶 作功使动叶转动 蒸汽流过无膨胀动叶通道时速度的变化 （一）冲动作用原理（一）冲动作用原理 反动力定义：反动力定义：蒸汽在动叶汽道内膨胀时 对动叶的作用力。根据动量守恒定律， 当气体从容器中加速流出时，要对容器 产生个与流动方向相反的力。 基本特点：基本特点：蒸汽在动叶流道中不仅要改 变方向，而且还要膨胀加速，从结构上 看动叶通道是逐渐收缩的。

  4、（二）反动作用原理（二）反动作用原理 从作用力方面分析原理从作用力方面分析原理 蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力 降低，速度增加一方面通过速度方 向的改变，产生冲动力F1 蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低， 所产生的焓降转化为动能造成动叶 出口的相对速度w2大于进口相对速 度w1，使汽流产生了作用于动叶上 的与汽流方向相反的反动力Fr。 在蒸汽的冲动力和反动力合力作用 下推动动叶旋转作功。 动叶通道是逐渐收缩的 基本概念基本概念 级滞止理想焓降：级滞止理想焓降：0点是级前 的蒸汽状态点，0*点是汽流被等 熵滞止到初速等于零的状态，p1、 p2分别为喷嘴出口压力和动叶出 口压力，蒸汽在级内从滞止状态

  5、 0*等熵膨胀到p2时的焓降称为级 的滞止理想焓降 级理想焓降：级理想焓降：蒸汽在级内从0 点 等 熵 膨 胀 到 p 2 时 的 焓 降 称为级的理想焓降。 t h 二、反动度和级的类型二、反动度和级的类型 二、反动度和级的类型二、反动度和级的类型 汽轮机的反动度 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 * t b m h h bn b bn b m hh h hh h * * * tmb hh * 1 tmn hh 反动度反动度 反动度：反动度：表示蒸汽在动叶通道内膨 胀程度大小的指标。 它等于蒸汽在动叶通道中的理想焓 降与喷嘴的滞止理想焓降和

  6、动叶通 道中理想焓降之和的比值 级的平直径处（即1/2叶高处）的 反动度用m表示，其表达式为： * t b bn b bn b m h h hh h hh h （二）汽轮机级的类型和特点 1.按反动度的大小进行分类 2.按通流面积是否随负荷而变分类 3.按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程分类 级的类型及特点级的类型及特点 汽轮机的级可分为冲动级和反动级两大类 冲动级冲动级 冲动级又分：纯冲动级、带反动度的冲动级速度级 1) 纯冲动级：反动度为零的级称为纯冲动级 工作特点：是蒸汽只在喷嘴中膨胀，在动叶通道中不膨胀 结构特点：动叶叶型近似对称弯曲，作功能力大，但效率 比带反动度的冲动级低。 现代冲

  7、动式汽轮机中广泛采用具有一 定反动度的冲动级，简称为冲动级 工作特点:蒸汽的膨胀主要喷嘴中进 行，在动叶通道中仅有小部分膨胀， 产生的反动力较小，主要利用冲动力 作功 结构特点：作功能力比反动级的大， 效率又比纯冲动级高。 带反动度的冲动级带反动度的冲动级 定义：蒸汽在级中的理想焓降平均分配 在喷嘴和动叶通道中的级称为反动级 工作特点：蒸汽在喷嘴和动叶通道中的 膨胀程度相等，作功的力冲动力和反动 力各占一半 结构特点：动叶叶型与喷嘴叶型完全相 同。反动级的效率高于冲动级，但整级 的理想焓降较小。 反动级反动级 调节级调节级 喷嘴调节：多数汽轮机采用改变第一级喷嘴面积的方法调节进汽量，称 之为喷

  8、嘴调节。 调节级：中、小容量汽轮机的调节级喷嘴调节汽轮机的第一级称为调节 级，一般都会采用复速级。大容量汽轮机多采用单列冲动级。 还把汽轮机的级分为速度级和压力级两种。 速度级:为使充分的利用余速，在两列动 叶之间装设列导向叶片，排汽经过导 向叶片后改变方向，进入第二列动叶继 续作功。这种级称为速度级。 复速级：同一叶轮上装有两列动叶片 的双列速度级，又称为复速级。 工作特点：蒸汽主要在喷嘴中膨胀加 速：动叶通道和导向叶片通道中基本不 膨胀，焓降大、效率较低。用于单级汽 轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。 复速级复速级 汽轮机的分类汽轮机的分类 按工作原理分按工作原理分 冲动式汽轮机冲动式汽轮机 反

  9、动式汽轮机反动式汽轮机 按热力特性分按热力特性分 凝汽式汽轮机凝汽式汽轮机 背压式汽轮机背压式汽轮机 调节抽汽式汽轮机调节抽汽式汽轮机 中间再热式汽轮机中间再热式汽轮机 凝汽式汽轮机凝汽式汽轮机 特点：在汽轮机中作功后的排汽，在低于大气 压力的真空状态下进入凝汽器凝结成水。 火电厂火电厂中普遍采用的专为发电用的汽轮机汽轮机。凝汽设备主要由凝汽器凝汽器、 循环水泵、凝结水泵和抽气器组成。汽轮机排汽进入凝汽器，被循环 水冷却凝结为水，由凝结水泵抽出，经过各级加热器加热后作为给水 送往锅炉。 汽轮机的排汽在凝汽器内受冷凝结为水的过程中，体积骤然缩小， 因而原来充满蒸汽的密闭空间形成线、机的排汽压力， 使蒸汽的理想焓降增大，来提升了装置的热效率。汽轮机排汽中的 非凝结气体(主要是空气)则由抽气器抽出,以维持必要的真空度。 汽轮机最常用的凝汽器为表面式。冷却水排入冷却水池或冷却水 塔降温后再循环使用。靠近江、河、湖泊的电厂，如水量充足，可将 由凝汽器排出的冷却水直接排入江、河、湖泊，称为径流冷却方式。 但这种方式可能对河流湖泊造成热污染。严重缺水地区的电厂，可采 用空冷式凝汽器。但它结构庞大，金属材料消耗多，除列车电站列车电站外， 一般电厂较少采用。老式电厂中，有的采用混合式凝汽器，汽轮机排 汽与冷却水直接混合接触冷却。但因排汽凝结水被冷却水污染，需要 处 理 后 才 能 作

  11、 为 锅 炉 给 水 ， 已 很 少 采 用 。 运行特性凝汽式汽轮机的排汽压力对运行经济性有明显影响。 影响凝汽器真空度的重要的因素是冷却水进口温度和冷却倍率。前者与 电厂所在地区、季节及供水方式有关；后者表示冷却水设计流量与汽 轮机排汽量之比。冷却倍率大，可获得较高真空度。但冷却倍率增大 的同时增加了循环水泵的功耗和设备投资。一般表面式凝汽器的冷却 倍率设计为60120。 由于凝汽式汽轮机循环水的需要量很大，水源 条件成为电厂选址的重要条件之一。 v理想情况下表面式凝汽器的凝水温度应与排汽温度相同，被冷却水 带走的热量仅为排汽的汽化潜热。但实际运行中，由于排汽流动阻 力及非凝结气体的存在，导

  12、致凝结水温度不高于排汽温度，两者的温 差称为过冷却度。冷却水管布置不当，运行中凝结水位过高而浸泡 冷却水管,均会加大过冷却度。一般的情况过冷却度应不大于12。 排汽压力与机组功率降低凝汽式汽轮机的排汽压力,虽可提高 热效率，但因排汽比容增大,汽轮机末级通流面积和叶片需要相应增 大,这加大了制造成本,使加工困难。因此，最佳排汽压力需通过技术 经济综合分析确定。目前一般凝汽式汽轮机排汽压力取为0.004 0.006兆帕。 汽轮机功率决定于蒸汽流量。凝汽式汽轮机可通过的最大流量 决定于末级叶片长度。由于叶片越大，离心力越大,这使它受到材料 强度的限制。目前,末级叶片最大长度可达10001200毫米，叶片

  13、顶 端最大允许圆周速度为550650米/秒,单排汽口极限功率约为100 120兆瓦。低压缸采用分流式结构可提高单机功率。到80年代末，常 规火电厂最大凝汽式单机功率，双轴机组为1300兆瓦，单轴机组为 800兆瓦。 凝汽式机组设计为低转速（1500或1800转/分）时，可提高极限 功率，但这又使汽轮机尺寸及材料消耗增加，因为汽轮机总重量与 转速的三次方成反比。因此，除核电站核电站为适应低参数、大流量特点， 常采用低速汽轮机外，中国火力发电厂均采用3000转/分汽轮机 背压式汽轮机背压式汽轮机 特点：是排汽直接用于供热，没有凝汽器。当排 汽作为其它中低压汽轮机的工作蒸汽时，称为 前置式汽轮机。

  14、抽汽背压式 排汽压力大于 0.1兆帕的汽轮机汽轮机。排汽可用于供热或供给原有中、低压汽 轮机以代替老电厂的中、低压锅炉。后者又称为前置式汽轮机，它不仅能 增加原有电厂的发电能力，还能够提高原有电厂的热经济性。供热用背压 式汽轮机的排汽压力设计值视不同供热目的而定；前置式汽轮机的背压常大 于 2兆帕，视原有机组的蒸汽参数而定。排汽在供热系统中被利用之后凝结 为水，再由水泵送回锅炉作为给水。一般供热系统的凝结水不能全部回收， 需要补充给水。 背压式汽轮机发电机组发出的电功率由热负荷决定，因而不能同时满足 热、电负荷的需要。背压式汽轮机一般不单独装置，而是和其他凝汽式汽轮凝汽式汽轮 机机并列运行

  15、，由凝汽式汽轮机承担电负荷的变动，以满足外界对电负荷的需 要。前置式汽轮机的电功率由中、低压汽轮机所需要的蒸汽量决定。利用调 压器来控制进汽量，以维持其排汽压力不变；低压机组则根据电负荷需要来 调节本身的进汽量，从而改变前置式汽轮机的排汽量。因此，不能由前置式 汽 轮 机 直 接 根 据 电 负 荷 大 小 来 控 制 其 进 汽 量 。 由于供热背压式机组的发电量决定于热负荷大小，宜用于热负荷相对稳 定 的 场 合 ， 否 则 应 采 用 调 节 抽 汽 式 汽 轮 机抽 汽 式 汽 轮 机 。 背压式汽轮机的排汽压力高,蒸汽的热降较小,与排汽压力很低的凝汽式 汽轮机相比，发出同样的功率，所

  16、需蒸汽量为大，因而背压式汽轮机每单位 功率所需的蒸汽量大于凝汽式汽轮机。但是，背压式汽轮机排汽所含的热量 绝大部分被热用户所利用，不存在冷源损失，所以从燃料的热利用系数来看， 背压式汽轮机装置的热效率较凝汽式汽轮机为高。由于背压式汽轮机可通过 较大的蒸汽流量，前几级可采用尺寸较大的叶片，所以内效率较凝汽式汽轮 机的高压部分为高。 在结构上，背压式汽轮机与凝汽式汽轮机的高压部分相似。背压式汽轮 机多采用喷嘴调节配汽方式，以保证在工况变动时效率改变不大。因背压机 常用于热负荷较稳定的场合，一般都会采用单列冲动级作为调节级。 调节抽汽式汽轮机特点：从汽轮机某级后抽出具有一定 压力的蒸汽对外供热，其余排汽

  17、仍进入凝汽器。 中间再热式汽轮机特点：进入汽轮机的蒸汽膨胀到某一 压力后，被全部抽出送往锅炉的再热器进行再热，再返 回汽轮机继续膨胀作功。中间再热式汽轮机就是蒸汽在 汽轮机内做了一部分功后，从中间引出，通过锅炉的再 热器提高温度（一般升高到机组额定温度），然后再回 到汽轮机继续做功，最后排入凝汽器的汽轮机。 由汽轮机汽轮机中间级抽出一部分蒸汽供给用户，即在发电的同时还 供热的汽轮机。根据用户需要可以设计成一次调节抽汽式或二次 调节抽汽式。 一次调节抽汽式汽轮机又称单抽汽式汽轮机。由高压部分 和低压部分组成，相当于一台背压式汽轮机背压式汽轮机与一台凝汽式汽轮机凝汽式汽轮机 的组合。新汽进入高压部

  18、分作功，膨胀至很多压力后分为二股， 一股抽出供给热用户，一股进入低压部分继续膨胀作功，最后排 入凝汽器。抽汽压力设计值根据热用户要确定，并由调压器控 制，以维持抽汽压力稳定。单抽汽式汽轮机的功率为高、低压部 分所生产功率之和，由进汽量和流经低压部分蒸汽量所决定。调 节进汽量可以得到不同的功率。因此，在一定范围内，可同时满 足热、电负荷需要。单抽汽式汽轮机在供热抽汽量为零时，相当 于一台凝汽式汽轮机；若将进入高压缸的蒸汽全部抽出供给热用 户，则相当于一台背压式汽轮机。但实际运行中，为了冷却低压 缸，带走由于鼓风摩擦损失所产生的热量，必须有一定量的蒸汽 流过低压部分进入凝汽器，所需最小流量约为低

  19、压缸设计流量的 10。 二次调节抽汽式汽轮机又称双抽汽式汽轮机。可以 同时满足不同参数的热负荷。整个汽轮机分为高、中、低压 3部 分。新汽进入高压部分作功，膨胀到很多压力，抽出一部分蒸汽 供给热用户；另一部分进入中压部分继续膨胀作功后，再抽出一 部 分 供 暖 ， 其 余 蒸 汽 经 过 低 压 部 分 排 入 凝 汽 器 。 双抽汽式汽轮机的工况图是按照一定的典型系统和额定参数 绘制的。若汽轮机运行条件不同于绘制工况时，应进行适当修正。 调节抽汽式汽轮机各缸均单独设置配汽机构，分别控制各缸进汽 量。中、低压缸配汽机构有调节阀和旋转隔板两种形式。功率较 小的抽汽机组采用旋转隔板形式有利于设计成

  20、单缸结构；高压缸 则普遍采用喷嘴调节方式，调节级多数为双列级，以保证有足够 大的通流能力。 双抽汽式汽轮机在高、低压缸流量均接近设计值时具有较高 的发电经济性。由于热负荷的变化，有时流经各缸的流量差别很 大，在某些工况下发电经济性较低。因此，调节抽汽式汽轮机应 根据主要热负荷情况做设计，合理分配各缸流量，以保证长期 运行中有较高经济性。合理选定抽汽压力对机组经济性有明显影 响，在满足热用户前提下，应尽可能降低抽汽压力。早期生产的供 暖抽汽机组，抽汽压力为0.120.25兆帕，近年已将下限降为 0.07兆帕。 按主蒸汽压力分按主蒸汽压力分 汽轮机类别主蒸汽压力（MPa) 低压汽轮机0.121.5

  21、 中压汽轮机24 高压汽轮机610 超高压汽轮机1214 亚临界压力汽轮机1618 超临界压力汽轮机22.1 超超临界压力汽轮机32 XX-XX-XX 变型设计次序变型设计次序 蒸汽参数蒸汽参数额定功率额定功率 型型 式式 例例：N300-16.7/537/537-2N300-16.7/537/537-2型汽轮机型汽轮机 300MW300MW凝汽式汽轮机凝汽式汽轮机, ,主蒸汽压力为主蒸汽压力为16.7MPa16.7MPa，温度为，温度为 537537C,C,再热蒸汽温度再热蒸汽温度537537C,C,中间再热凝汽式汽轮机，属第二中间再热凝汽式汽轮机，属第二 次变型设计次变型设计 汽轮机的型号

  22、汽轮机的型号 汽轮机型式代号见下表汽轮机型式代号见下表 代号型式代号型式 N凝汽式CB抽汽背压式 B背压式CY船用 C一次调整抽汽式Y移动式 CC两次调整抽汽式HN核电汽轮机 汽轮机型号中蒸汽参数表示法汽轮机型号中蒸汽参数表示法 型 式参数表示方法示例 凝汽式主蒸汽压力/主蒸汽温度N100-8.83/535 中间再热式 主蒸汽压力/主蒸汽温度/中间再热温 度 N300-16.7/538/538 抽汽式 主蒸汽压力/高压抽汽压力/低压抽汽 压力 C50-8.83/0.98/0.118 背压式主蒸汽压力/背压B50-8.83/0.98 抽汽背压式主蒸汽压力/抽汽压力/背压CB25-8.83/0.9

  23、8/0.118 第二节第二节 汽轮机的工作过程汽轮机的工作过程 对蒸汽在汽轮机中的流动作以下假设：略去蒸汽的粘性， 并假定蒸汽在叶栅通道内的流动是一元、稳定的绝热流动。 一、可压缩流体一元流动的基本方程： 连续性方程： 微分形式： AcG 0 d c dc A dA 运动方程： cdcRdx dp 能量方程： w c hq c h 22 2 1 1 2 0 0 状态方程： RTpv 常数 k pv 二、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程 蒸汽在喷嘴中的膨胀过程 （一）喷嘴中的汽流速度 1.喷嘴出口汽流的理想速度： 可由能量方程求得 2 0t 10t 1 chh2c 2 0n ch2 * n h2 2. 临

  24、界速度和临界压力比 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 * 0 p pcr cr 3.喷嘴出口汽流实际速度： c1=c1t -喷嘴速度系数 喷嘴的动能损失: 喷嘴的能量损失系数: *2 1 nn hh 2 * 1 n n n h h 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： （二）喷嘴截面积的变化规律 当喷嘴内流动为亚音速流动时，M1，汽道的截面积随 着汽流加速而逐渐增大，称为渐扩喷嘴 当喷嘴内汽流速度等于当地音速时，M=1，喷嘴截面积 达最小值，称为临界截面积或候部 c dc M A

  27、r （四）蒸汽在喷嘴斜切部分中的流动（四）蒸汽在喷嘴斜切部分中的流动 1.蒸汽在斜切部分中的膨胀 在汽轮机级中，为了能够更好的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。 斜切部分对汽流的影响如下： a当ncr 时，AB截面上的流速小于或等于 音速，压力与喷嘴背压相等，斜切部分不 膨胀。此时 n 11 1 t AB sin AC AB sin b 当n cr 时，喉部截面上的流速等于临界速度， 压力为临界压力，蒸汽在斜切部分继续膨胀，从而 获得超音速汽流。且汽流方向发生偏转。 c 缩放喷嘴： A.喷嘴斜切部分膨 胀的极限工况： 最后一条特性线、与AC重合时的工况。 B.汽流在斜切部分 偏转的原因：由图 1-17（b）解释。 2.斜切部分汽流偏转角的近似计算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： 1 11 1 sinsin tt crcr c c 出口截面: crcrnn crcrn ctl cAG 1 sin ttnn ttn ctl cAG 111 11 sin 在实际结构中， lnln，所以： k k n k n k k k k 11 1 1 1 1 1 1 1 1 2 sin sin 对等熵流动，有以下等式成立： k 1 n 1k 1 k 1 n cr k

  30、k d1 * 0 * 0 d1 d1 cr d1 2 1k p 1k k2 p k c a 所以： 1k k2 1 1k k * 0 d1 d1 sin 1k 2 p p 1 2 1 sin k k cr 3.斜切部分的膨胀极限与极限压力 喷管斜切部分能够膨胀到的最低压力称为喷管 的极限压力 三、蒸汽在动叶栅中的流动三、蒸汽在动叶栅中的流动 重点：蒸汽动能到叶轮机械能的转换。 目标：确定蒸汽在动叶通道进口和出口的速度变化与所做 功的定量关系。 一、动叶栅的进出口速度三角形 绝对速度c：蒸汽相对于喷嘴的速度； 相对速度w：蒸汽相对于动叶的速度； 圆周速度u：叶轮旋转的圆周速度。 60 nd u

  31、m uwc 1.动叶进口速度三角形 2.动叶栅出口的汽流相对速度 3.动叶出口速度三角形 一、蒸汽作用在动叶片上的力和轮周功率一、蒸汽作用在动叶片上的力和轮周功率 第三节第三节 级的轮周效率与轮周效率级的轮周效率与轮周效率 1.蒸汽作用在动叶片上的力：可由牛顿第三定律和动量方程求得。 如图所示。将汽流力分解为周向分力Fu 和轴向分力Fz 。则， 2211 coscosccGF u 2211 coscoswwGF u 212211 sinsinppAwwGF zz 212211 sinsinppAccGF zz 或 或 蒸汽对动叶片的总作用力Fb为： 22 zub FFF 2.轮周功率 单位时间

  33、（级的理想能量）之比，即 0 1 E P u u 222 2 2 1 * 2 2 1 2 0 00 c h c h c E tt E0-级的理想能量，它包括热能和动能两部分，其 表达式为 三、速度比及其与轮周效率的关系三、速度比及其与轮周效率的关系 速度比：轮周速度u与喷嘴出口汽流速度c1之比。 用x1表示，即x1=u/c1 。 研究速度比与轮周效率关系的目的是根据不 同级的特点，分析速度比对轮周效率的影响， 并确定最佳速度比。 （一）纯冲动级的速度比与轮周效率 1.余速不利用： 对纯冲动级， 。， 12 00wwh tbm 余速不利用，则0 10 ，则有 。， tatn cchh 1 轮周

  34、效率的表达式为： 2 1 2211 coscos2 t u c ccu 应用速度三角形， 上式变为： 1 2 111 2 cos cos 1cos2 xx u 由上式可见： 对 u 的影响最大。提高 和 及 降低1 和 2 均可提高 u 。一旦喷嘴及动叶型线确 定后，这些参数也就随之而定，唯有x1可以再一次进行选择： （1）当x1=0时， u 0。 （2）当 x1=cos 1 时， u 0 。 （3）所以，当x1从零变化到 cos 1 的过程中，必存 在一个使 u 达最大值的速度比。即最佳速度比。 最佳速度比：轮周效率最高时的速度比。用(x1)op 表示。 求解方法：函数求极值法和速度三角形法。 a函数

  35、求极值法：将u 的表达式对x1求导，并令其 为零即可得最佳速度比的值。即 0 cos cos 1cos2 1 2 111 2 11 xx dx d dx d u 2 cos 1 im op1 x 可求得最佳速度比： b 速度三角形法：对纯冲动级，2 1 ，w2w1， 则在相同的1 和c1下，改变x1 ，就可作出如图1-25 所示的速度三角形。 由图可知：当290 时，c2最小，轮周效率最 高，此时的速度比即为最佳速度比。由（b）图可知： 2 cos 1 1 1 c u x im op 最佳速度比的物理意义为：使动叶出口的绝对速度c2 的方向角 290 ，即轴向排汽，从而使c2值最小， 轮周效率

  36、最高时的速度比。 速度比x1与轮周效率 的关系可绘制成如下图所示的曲线。 它是一条抛物线 n 不随速度比的变化而变化。 2 1 0 2 2 1 w E b 随速度比的增大而减小。 0 2 2 2 2 E c c 随速度比的增大先逐渐减小，达到最 小值后又逐渐增大。 2.余速利用： 最佳速度比： 余速利用对轮周效率的影响：如图126所示。 a提高了级的轮周效率。 b中间级效率曲线在最大值附近变化平稳。 c使最佳速度比增大。 理想速度比xa： a a c u x Xa与x1的关系为： ma xx1 1 最佳理想速度比： 2 cos 1 1 opopa xx （二）反动级的速度比与轮

  38、x u 为得到u 的最大值，须使 11 cos2xx 0 cos2 1 111 dx xdx 得： 11 cos re op x 将 u 与x1、xa的关系绘成如图1-28所示的曲线。 对于不同反动度的级，其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如图1-29所示。 最大。令： 图128 图129 一、级内损失 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 （一）叶栅的几何参数及叶栅损失 反映叶栅几何特性的主要参数有叶栅的平均直径、 叶片高度、叶栅节距、叶栅宽度B、叶型弦长、出口边厚度、 进口边宽度、出口边宽度等。 第四节第四节 汽

  39、轮机的级内损失和级效率汽轮机的级内损失和级效率 平面叶栅的汽流流动损失包括：平面叶栅的汽流流动损失包括： 1.1.叶型损失叶型损失 （1 1）附面层中的摩擦损失）附面层中的摩擦损失 （2 2）附面层分离时的涡流损失）附面层分离时的涡流损失 （3 3）尾迹损失）尾迹损失 2.2.冲波损失冲波损失 3.3.叶端损失叶端损失 （1 1）端部附面层中的摩擦损）端部附面层中的摩擦损 失失 （2 2）二次流损失）二次流损失 （二）余速损失 （三）扇形损失 2 c h h 2 )(7 . 0 b b d l 0 Eh （四）叶轮摩擦损失 f h v d u kp f 1 ) 100 ( 23 1 G p h

  40、 f f 0 E h f f mnn a t f el dx k p p 1sin 1 3 ( (五五) ) 部分进汽损失部分进汽损失 如果将喷嘴布置在隔板（或如果将喷嘴布置在隔板（或 蒸汽室）的整个圆周上，使蒸汽室）的整个圆周上，使 蒸汽沿整个圆周进汽，这种蒸汽沿整个圆周进汽，这种 进汽方式称为全周进汽。进汽方式称为全周进汽。 为了增高喷嘴的高度，则将为了增高喷嘴的高度，则将 喷嘴布置在部分圆周上，使喷嘴布置在部分圆周上，使 蒸汽沿部分圆弧进汽，这种蒸汽沿部分圆弧进汽，这种 进汽方式称为部分进汽。进汽方式称为部分进汽。 e h m nn d tZ e 3 0 )5 . 01 ( 1 acew

  42、水滴本身不膨胀加 速，所以悬浮在蒸汽中的水滴是速，所以悬浮在蒸汽中的水滴是 依靠蒸汽带动的，因此主汽流要依靠蒸汽带动的，因此主汽流要 消耗一部分动能。消耗一部分动能。 x h （3 3）水滴进入动叶时正好冲击在动叶进口边背弧上，阻止）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，从而消耗了一部分轮周功去克服这个阻力，了叶轮的旋转，从而消耗了一部分轮周功去克服这个阻力， 造成损失造成损失 (4)(4)湿蒸汽在喷嘴中膨胀时，由于汽态变化非常快，蒸汽的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，汽化潜热没有释放开来，形成了一部分还来不及凝结成水，汽化潜热

  43、没有释放开来，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，形成过饱和蒸汽或称过冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降减小，形成 过冷损失。过冷损失。 imx hxh)1 ( 为了更好的提高湿蒸汽级的效率和防为了更好的提高湿蒸汽级的效率和防 止动叶被水滴侵蚀损坏，常采止动叶被水滴侵蚀损坏，常采 用下列两种方法：一是采用去用下列两种方法：一是采用去 湿装置，减少湿蒸汽中的水分；湿装置，减少湿蒸汽中的水分； 二是提高动叶的抗侵蚀能力。二是提高动叶的抗侵蚀能力。 二、汽轮机级的相对内效率和内功二、汽轮机级的相对内效率和内功 率率 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

  44、最大值低于级内损失使级的相对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，轮周效率的最大值，而且还会使最佳速比值减小， 即相对内效率最高时的最佳速比小于轮周效率最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。高时的最佳速比。 2 2 1 * * 0ct xeflcbnt i ri hh hhhhhhhhhh E h xeflcbnri )1 (1 1 2 3600 i i hD p 第五节第五节 级的热力设计原理级的热力设计原理 一、叶型的选择叶型的选择 二、级的特性参数的确定 三、级的某些结构因素对效率的影响 1.盖度 盖度的采用一方面 能适应汽流径向扩散的要

  45、 求，使汽流较好地进入动 叶通道，减少叶顶漏汽损 失；另一方面防止由于制 造和装配上的误差，使动 静叶错位而造成喷嘴出口 汽流撞击在围带和叶根上， 产生额外的损失。但是如 果盖度太大，将使汽流突 然膨胀，以致在动叶顶部 和根部产生很大的径向分 速度，形成旋涡，降低级 的效率，因此应有一个最 佳盖度。 2动静叶之间的轴向间隙 从安全、经济两方面考虑确 定开式轴向间隙的取值 闭式轴向间隙的增大对级效率 的影响有两方面，一方面使喷嘴出 汽边到动叶进汽边之间的轴向距离 增大，可减小喷嘴出口尾迹的影响， 从而使动叶进口的汽流趋于均匀， 这有利于级效率的改善；另一方面 使汽流运动的距离增长，因而增加 了汽

  46、流与汽道上下端面之间的摩擦， 这不利于级效率的提高。因此，闭 式间隙存在一个较佳的范围 3径向间隙 4叶片宽度 5平衡孔 6拉筋 四、喷嘴和动叶主要尺寸的确定 当叶型确定后，便可根据连续方程来确定动 静叶的出口截面和叶片高度。 （一）喷嘴叶栅尺寸的确定 1渐缩斜切喷嘴 （1）当 时 crn tn t n c Gv A 1 1 1 sin nnnn ltZA 11 1 1 sinsin tnn t n n n cde Gv de A l (2) 当0.3 时，汽流在斜切部分发 生膨胀偏转，此时要计算出喷嘴喉部面积之外，还 需计算出汽流偏转角 n cr * 0 * 0 min 648. 0 )(

  48、 其它各项损失，并计算出各项损失的大小； 第四步，算出该级的相对内效率和内功率。 五、级通流部分热力计算五、级通流部分热力计算 第七节 扭叶片级 一、概述一、概述 1.1.沿叶高圆周速度不同引起的损失沿叶高圆周速度不同引起的损失 2 2沿叶高节距不同引起的损失沿叶高节距不同引起的损失 3 3轴向间隙中汽流径向流动所引起的轴向间隙中汽流径向流动所引起的 损失损失 二、扭叶片级的设计方法 目前在扭叶片级的设计中普遍采用径向平 衡方法，即在级的轴向间隙中确定汽流的平衡条件， 使之不产生径向流动，由此建立汽流流动的模型， 从而得出不同轴向间隙中汽流参数沿叶高的变化规 律。 径向平衡方法又分简单径向平衡

  49、方法和完 全径向平衡方法。简单径向平衡法是假定汽流在级 的轴向间隙中作与轴对称的圆柱面运动，这是按二 元流建立的汽流流动模型。完全径向平衡法是假定 汽流在级的轴向间隙中作任意回转面流动，这是理 想的三元流动模型 。 根据简单径向平衡理论，列出平衡方程， 在某些特定条件（即平衡条件）下，可求得参数沿 叶高变化的具体规律，即扭曲规律，称之为流型。 显然，给出不同的平衡条件，径向平衡方程就会有 不同的解，而不同的解也就确定了不同的流型。常 用的流型有：等环流流型，等 流型，等密流 流型等。这些流型有一个共同缺点，就是反动度或 动静叶片轴向间隙内的汽流压力沿叶高增大，而且 变化剧烈。 1 在汽轮机设计中，常把等环流流型称为自 由涡流型，把由简单径向平衡方程推导出的反动度 沿叶高变化难以控制的其它流型称之为受迫涡流型， 而把由完全径向平衡方程导出的反动度沿叶高的变 化加以控制的流型称为可控涡流型或控制涡流型。 所谓“可控”就是指反动度沿叶高的变化可被控制。 流型是随着汽轮机设计水平的发展而发展 的以日本三菱重工生产的700MW蒸汽轮机高、中压 缸的反动式叶片为例说明其发展经历的几个阶段， 即从基于自由涡流型的二维设计，到基于可控涡流 型的准三维设计，最后是考虑了体积力的用全三维 设计方法设计的三维叶片，即弯曲叶片。

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