汽輪機級工作原理(1)

1、東南大學能源與環(huán)境學院楊 建 明汽輪機原理教學內容與安排 以電站汽輪機為教學對象，計算汽輪機內蒸汽熱能與轉子旋轉機械能的轉換及結構參數(shù)，研究實現(xiàn)高效轉換的影響因素與途徑；分析汽輪機非設計工況下的運行特性、討論影響凝汽器傳熱性能的因素和主要部件的強度；介紹汽輪機的控制原理和控制系統(tǒng)組成及特性。已知級初、終參數(shù)計算級產(chǎn)生的功率及所需的流量與葉片高度分配級的初、終參數(shù)，級以外的損失及軸向力平衡與汽封系統(tǒng)偏離設計工況時基于壓力的流量、功率估算及安全經(jīng)濟性分析汽輪機乏汽的凝結與低背壓的產(chǎn)生及其影響因素電站汽輪機的控制原理及控制系統(tǒng)汽輪機零部件的強度安全分析汽輪機原理教學內容與安排q難學嗎？知識面廣而分散

2、。定性、定量分析相結合，且定性分析為主。學時短，內容多。q能學好嗎？世上無難事，只要肯努力。米盧名言：態(tài)度決定一切。q抓幾個？由同學自己定！為消除不及格而團結奮斗!汽輪機原理教學內容與安排q參考書沈士一、莊賀慶、康松、龐立云合編 汽輪機原理，水利電力出版社，1992 康松主編汽輪機原理習題集，水利電力出版社，1988q考核作業(yè) 8%報告 3%課堂測驗 4%期中 20% (2008年11月10 16日)期末 65% 創(chuàng)新獎勵第一章汽輪機級的工作原理q研究內容已知級初、終參數(shù)時的能量轉換和影響因素，以及實現(xiàn)轉換所需的結構參數(shù)與最佳參數(shù)匹配。q研究方法先研究理想級的能量轉換，然后考慮實際因素對理想級

3、作修正，得到實際級的能量轉換。q教學內容第一講 級內能量轉換與輪周功輸出；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)設計；第四講 級內損失與級相對內效率及其影響因素；第五講 長扭葉片原理與現(xiàn)代設計。1.1 級工作的熱力、流動分析與計算1.1.1 工作過程分析工作過程分析q汽輪機的級由一列噴嘴葉柵和與之配合工作的動葉柵所組成。動葉柵可為單列，也可為多列。第一講 級內能量轉換與輪周功輸出0h2102c2h2122c22002211() ()22uWhchcq工作過程蒸汽在噴嘴(nozzle)中降壓增速，熱能轉變?yōu)槠鲃幽?；動葉(blade)中繼續(xù)降壓增速，由動量改變轉換成轉子的旋

4、轉機械能。0c00,p t2c1c1p2p輪周功 單位質量蒸汽在單位時間內所做的功uW第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出2102cnhnhbhbhth0th2122cuW1p2p10p02t2hs1t1.1.2 級的熱力過程線級的熱力過程線蒸汽在動、靜葉柵中膨脹過程在h-S圖上的表示v滯止參數(shù)汽流相對于葉柵通道速度為零的熱力參數(shù)。v余速損失動葉排汽余速動能2122()c00第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出1.1.3 蒸汽膨脹與出口汽流速度蒸汽膨脹與出口汽流速度q計算方法熱力學第一定律，先計算理想過程，后作實際修正。 q分析模型 一元流動平面葉柵模型 基本假設：基本假設：定物性、穩(wěn)定、絕熱、理

5、想氣體、一元流動?；痉匠蹋夯痉匠蹋豪硐霘怏w狀態(tài)方程 絕熱等熵過程 氣體的焓 音速 pvRTkpvconst11kkhpvRTkkakpvkRT第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出q噴嘴中的膨脹與出口流速理想過程等熵過程。能量平衡噴嘴出口理想流速 由 查水蒸汽特性參數(shù)，由此求得出口理想速度。由代入焓的表達式，得以初參數(shù)及壓比為函數(shù)的出口理想流速202000111122tthchhc0000,p v010/ntpp100110000211kkttpkcp vkp00001,p tp00001,p tp2010010122tttcchhhh第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出實際過程 有損失的熵增。

6、工程中速度系數(shù)修正實際流速與等熵理想流速的偏差。定義： 噴嘴速度系數(shù)由此得噴嘴損失q速度三角形與動葉進口流速動葉隨轉子高速旋轉，故汽流在動葉中是具有牽連運動的相對流動。輪周速度動葉平均直徑處的圓周速度11tcc2(1)nnhh1cu1wmd60md nu11cu w 1111第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出q動葉中膨脹與出口流速理想過程等熵過程。能量平衡(采用相對運動速度使動葉片靜止,相當于在噴管中流動)動葉出口理想流速動葉進口滯止焓相對于動葉通道速度為零的熱力參數(shù)實際過程有損失的熵增。定義動葉速度系數(shù)動葉出口速度三角形與絕對速度202111221122tthwhhw2011121222tt

7、twwhhhh22tww2c2wu2222cu w 12第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出q級速度三角形動葉進、出口速度三角形q輪周功1.1.4 蒸汽動葉中的膨脹與級的分類蒸汽動葉中的膨脹與級的分類蒸汽在動葉中是否膨脹，決定于動葉通道的型線，也也就決定著汽流對動葉片是否產(chǎn)生反動功。q反動度描述蒸汽在動葉中膨脹的相對大小。1cu1w112c2wu2202122utnbWhhhc 第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出定義：動葉中的理想焓降與級的等熵絕熱焓降之比，即在計算中，反動度建立起噴嘴與動葉理想焓降間的關系。q級的分類純沖動動葉中不膨脹反動級噴嘴、動葉中焓降相等沖動級 動葉中膨脹小于噴嘴阻塞流變

8、工況時出現(xiàn)00bbmtnbhhhhh 0m 0.5m 0.050.3m 0m 14第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出2102cnhnhbhthuW12pp0p01(2 ) t21t2122c 動、靜葉型線差異大 汽流進、出轉角大1cu1w112c2w22u純沖動級12pp0bh15第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出2102cnhnhbhbhth0th2122cuW1p2p10p02t21t1cu1w112c2wu22 動、靜葉型線相似 汽流進、出轉角小純反動級16第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出1.1.5 速度系數(shù)的影響因素速度系數(shù)的影響因素q影響因素表面粗糙度表面越光潔，摩擦損失就越小型線

9、決定著流通內壓力場、速度場分布沖動級動葉中汽流轉角大、膨脹小，附面層易增厚和脫離反動級動葉中汽流轉角小、膨脹大，附面層不易增厚q常用數(shù)值噴嘴一般為0.920.98，常取0.97動葉一般為0.850.95 ，正比于反動度，常取0.95第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出例：一電站汽輪機中某級，反動度為零，平均直徑為1500mm，噴嘴進口蒸汽 ，噴嘴后 ，速度系數(shù) 。求（1）該級的速度三角形；（2）噴嘴損失、動葉損失、余速損失和輪周功。解：1.求滯止參數(shù) 由初壓、初溫，在h-s圖確定噴嘴進口狀態(tài)點“0”，得初焓 噴嘴進口動能噴嘴進口處滯止焓0008.4,490,50/pMPa tC cm s15.8

10、,pMPa03369.3/hkJ kg022031501.25/22 10chckJ kg1212 ,200.97,0.95 00003369.3 1.253370.55/chhhkJ kg第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出在h-s圖上，由“0”垂直向上求得 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 則噴嘴中理想焓降 噴嘴出口理想速度 噴嘴出口實際速度噴嘴損失3. 求動葉進口相對速度輪周速度動葉進口相對速度4. 求動葉出口速度008.433.pMPa15.8,pMPa13253.05/,thkJ kg00013370.553253.05117.5/nthhhkJ

11、kg03122 10117.5484.75/ ,tnchm s110.97 484.75470.21/ .tccm s2016.944/nnhhkJ kg1.5*30006060235.62/md nums2211112cos244.49 /wcucum s19第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出因級反動度為零，動葉出口相對速度動葉損失動葉出口絕對速度4.級速度三角形5.輪周功221232.27/twwwm s2222222cos81.32 /cwuw um s2211212.914/bthwkJ kg02122117.56.9442.9143.306104.336/utnbWhhhckJ kg

12、 第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出1.1.6 本講小結本講小結 本講所涉教材內容：本講所涉教材內容：PP6 9、PP13 19q基本概念 輪周功、滯止參數(shù)、反動度、純沖動級、沖動級、輪周功、滯止參數(shù)、反動度、純沖動級、沖動級、反動級、速度系數(shù)、噴嘴損失、動葉損失、余速損失、輪周速反動級、速度系數(shù)、噴嘴損失、動葉損失、余速損失、輪周速度度q基本方法 級熱力過程線、噴嘴級熱力過程線、噴嘴(動葉動葉)的能量平衡、速度三角形的能量平衡、速度三角形q強化掌握 級熱力過程線、速度三角形、出口汽流速度的計算級熱力過程線、速度三角形、出口汽流速度的計算PBL(基于問題的學習PROBLEM BASED LEA

13、RN) 1. 已知級初參數(shù) 、終參數(shù) 、反動度和 、 、轉速、平均直徑計算余速損失、輪周功。 2. 沖動級與反動級在熱力過程線、葉柵通道形狀、速度三角形、動靜葉的速度系數(shù)等有何差異。000, ,p t c2p121.2.1 動量轉換與動葉上的汽流力動量轉換與動葉上的汽流力q原理汽流在動葉中動量改變，等于作用在動葉上的沖量，產(chǎn)生機械功輸出。q 汽流力 動葉上的汽流力分為產(chǎn)生旋轉機械功的切向力(又稱輪周力)和不產(chǎn)生機械功的軸向力。設 內流過動葉的蒸汽量為 ，由速度三角形得切向和軸向的動量變化：絕對坐標系：切向 軸向相對坐標系：切向 軸向第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出第二講 動量轉換與最佳速比2

14、211(sinsin)m cc2211(coscos)m ww2211(sinsin)m ww2211(coscos)m cctm1cu1w112c2wu22uz第一講 級內的能量轉換與輪周功輸出第二講 動量轉換與最佳速比切向力軸向力 q動葉上總軸向力汽流軸向力與壓差力的總和。 動葉有效作用面積q輪周功率 蒸汽單位時間推動葉輪旋轉所作的機械功 即輪周力與速度的乘積q輪周功率與輪周功關系 決定于膨脹，決定于流量22112211(sinsin)(sinsin)szmmFwwccttzA12()szzzFFAppuP22112211(coscos)(coscos)uuPuFuG wwuG cc221

15、12211(coscos)(coscos)ummFwwccttuPuW/uuWPG第二講 動量轉換與最佳速比1.2.2 輪周效率輪周效率q能量轉換目標 本級可用能量最大地轉變?yōu)檩喼芄敵?。因本級排汽的余速動能有可能部分或全部被下級利用，本級可用能量應是級理想滯止焓降中扣除余速動能被下級所利用的部分余速利用系?shù) 本級余速動能被下級所利用的份額調節(jié)級和排汽級為0.0抽汽級為0.00.5中間級為1.0。 級理想能量 級理想滯止焓降減去被下級所利用的余速動能，即2001tcEhh 0E124第二講 動量轉換與最佳速比q輪周效率 輪周功與該級理想能量的比噴嘴損失系數(shù)：動葉損失系數(shù)：余速損失系數(shù)：q輪周效

16、率的影響因素噴嘴、動葉損失速度系數(shù)、反動度、輪周速度余速損失反動度、輪周速度2000utnbcuWhhhhEE0nhnE0bhbE220chcEu211(1)unbcu改變反動度變大第二講 動量轉換與最佳速比反動度一定時，動葉出口相對和絕對速度很大程度上決定于輪周速度，并由此決定于輪周效率q最佳速比最佳速比速比 輪周速度與噴嘴出口汽流速度之比，即最佳速比使輪周效率達到最大時所對應的速比假想速度假想級理想焓降全部在噴嘴中膨脹的噴嘴出口速度，即假想速比輪周速度與級假想速度之比，即11uxc02atchaauxc11amcc11amxx第二講 動量轉換與最佳速比最佳速比求取通過求取上式在反動度等一定

17、時關于 的最大值，即求。最佳速比的數(shù)值求解速比與輪周效率.xls12222122(1coscos)1(2cos)amauaaxxxx ax1()()1aopopmxx 2221(1)21costmmaamawxxc 0uax27第二講 動量轉換與最佳速比00.4940.88814923.9120.88754726.72480.88548730.96102.430.30.5840.88145338.81130.87495240.86456977.7788.890.60.6860.849353123.978

18、5.76m()uop()aopx12余速不用時反動度與最佳速比及汽流角關系120.97,0.95,12 ,20 ,0.0 第二講 動量轉換與最佳速比最佳速比隨反動度增大而增大，沖動級的最佳速比小于反動級最佳速比時，動葉中汽流轉角隨反動度增大而減小最佳速比時，動葉絕對出口角在90度附近隨反動度增大而減小在相同輪周速度下，純沖動級的理想焓降約為反動級的1.68倍.(0.494 ,0.64)則相同焓降的級組,沖動式的級數(shù)小于反動式隨反動度的增加,輪周效率降低 即沖動級的效率大于反動級29第二講 動量轉換與最佳速比00.6070.91930.51530.10.6370.920736147.50.20.

19、6570.921243.31390.30.6660.920552.85126.620.40.6660.918566.18110.880.50.6590.91585.63450.9099109.577.64m()uop()aopx12余速利用時反動度與最佳速比及汽流角關系120.97,0.95,12 ,20 ,1.0 30第二講 動量轉換與最佳速比余速利用，提高了輪周效率，且曲線平坦最佳速比增大，增幅隨反動度增大而減小低反動度時，最佳速比對應的動葉排汽角過大，余速不利于被后級使用1.2.3 最佳速比與汽輪機的級的焓降分配最佳速比與汽輪機的級的焓降分配q最佳速比與級焓降2012

20、taopuhx第二講 輪周效率與最佳速比最佳速比隨反動度增大，在大致相等輪周速度下，反動級的焓降小于沖動級，同初、終參數(shù)的機組，反動式級數(shù)多于沖動式。大容量機組的平均直徑大于小機組，同初、終參數(shù)的大機組級數(shù)少于小機組。高壓級的平均直徑小于低壓級，即低壓級v變化大,故低壓級的焓降大于高壓級。高壓缸的級數(shù)多于低壓缸第二講 輪周效率與最佳速比1.2.4 本講小結本講小結 本講所涉教材內容 PP19 27q基本概念 輪周效率、理想能量、噴嘴損失系數(shù)、動葉損失系數(shù)、余速損失系數(shù)、速比、假想速比、最佳速比q基本公式 理想能量、輪周效率q強化掌握 最佳速比的影響因素、反動與沖動級的最佳速比、最佳速比與汽輪機

21、設計PBL基于問題的學習 1. 基于速度三角形和噴嘴、動葉及余速損失的關系，分析速比是影響輪周效率的重要因素和存在著使輪周效率達到最大的速比。 2. 對比分析沖動級和反動級在輪周效率與速比變化關系和最佳速比的特征。第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計1.3.1 葉柵通道的流量計算葉柵通道的流量計算q原理 焓降決定流速和輪周功，流量決定級的功率，噴嘴、動葉出口面積是實現(xiàn)膨脹和通過流量的基本條件。q流量計算方法理想流量加實際修正 對出口面積為 的噴嘴，其理想質量流量為對出口面積為 的動葉nA102/100102()()1kkntkntnnntA cpkGAvkv102/210212()()1kkbt

22、kbtbbbtA wkpGAvkvbA第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計 流量系數(shù)與實際流量 q流量系數(shù)流量系數(shù)與速度系數(shù)理論上，因故 。實際中，分別由動能損失與流動試驗求取，前者是流場速度分布的均方平均，后者是流場速度分布的算術平均，通常實測流量系數(shù)大于速度系數(shù)。為簡化計算，速度系數(shù)和流量系數(shù)可取同值。nnntGGbbbtGGnnbbbtG = G G = G或11111111ntnttnntnnttA cvA cvGGGvvvv11tnvv11/1tvv nn35第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計濕蒸汽的流量系數(shù)大于1 濕蒸汽在降壓膨脹過程中部分蒸汽釋放汽化潛熱凝結為水、濕度增大，但因流速

23、很快、傳熱速度相對滯后，汽化潛熱來不及傳給蒸汽，使蒸汽產(chǎn)生過冷，比容減小，從而導致實際流量大于理想流量的局面。在濕蒸汽區(qū)，流量系數(shù)通常按 計算。1.3.2 臨界與最大流量臨界與最大流量q流動臨界流動臨界壓力波在蒸汽中以音速傳播，當漸縮噴嘴出口汽流速度達到當?shù)匾羲贂r，背壓的擾動無法向前傳播，故最大出口流速僅為當?shù)匾羲?。?x過 熱濕第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計q臨界壓比將喉部截面達到音速時為臨界狀態(tài)。對應流道的進、出口壓力比稱為臨界壓比(Critical pressure ratio) 。絕熱等熵臨界壓比過熱蒸汽 飽和蒸汽臨界速度僅與進口的初參數(shù)有關q最大流量最大流量當喉部達到臨界時，蒸汽

24、參數(shù)也不再改變，汽流速度不再增加，其流量達到最大。121kkcrk000021nckcp vk0.546cr0.577cr第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計記??！最大流量僅與初參數(shù)有關。實際最大流量為理想最大流量乘流量系數(shù)，即 q流量比系數(shù)與橢圓公式流量比系數(shù)又稱彭臺門系數(shù)，通過流道的流量與其最大流量的比，用表示。即10010000max0000000.6673/過熱2/10.6356/飽和kknntnnApvGAkpvkApv(,1)crmaxmaxnnntGG2/(1)/max112()1/21kkkkkkG Gk第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計速比與輪周效率.xls橢圓公式 彭臺門系數(shù)

25、曲線近似于橢圓曲線，簡化計算，用橢圓公式近似。即流量計算方法先由初參數(shù)求得最大流量 ，然后由前后壓比計算彭臺門系數(shù)，最后友情提醒！因存在著臨界和最大流量，計算流量時必須先計算壓比，并判定是否臨界211ntnncnctncGGmaxtGmaxtGG第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計1.3.3 斜切部分膨脹與超音速斜切部分膨脹與超音速q斜切部分膨脹 當背壓低于臨界壓力時，A點的壓力擾動以音速向BC邊傳播，其前鋒到達D點，形成壓力為背壓的等壓線AD。蒸汽在AB與AD間壓差作用下在ABD所構的漸擴流道中偏轉繼續(xù)膨脹增速，使之達到超音速。第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計q極限膨脹當特性線的前鋒與AC重

26、合時，斜切部分的壓力分布再也不受噴嘴后壓力進一步降低的影響，即斜切部分的膨脹能力全部用完。對應壓力稱為極限膨脹壓力極限膨脹壓比斜切部分膨脹的大小決定于，故極限膨脹也決定于。q汽流偏轉角斜切部分膨脹使蒸汽比容增大，汽流只有改變流動方向才可增大通流面積維持正常流動211sinkkndnc11111111sin()sinccv Cv C第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計1.3.4 葉柵幾何參數(shù)設計葉柵幾何參數(shù)設計q噴嘴尺寸設計功率決定流量，而流量決定葉柵高度 最小噴嘴高度 葉高過小，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 。增大葉高措施 減小噴嘴出口角、降低噴

27、嘴出口速度和采用部分進汽。部分進汽度e 工作噴嘴所占的圓周長度與全圓周長度之比，即 111111sinsinntntnntn nntnG vG vlc z tcd1sinnn n nAz t ln nnz ted111sinntnntnG vlc e d第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計q動葉尺寸設計保證噴嘴出口蒸汽全部進入動葉蓋度 動葉與噴嘴的高度差。葉頂蓋度和葉根蓋度1.3.5 反動度的實現(xiàn)反動度的實現(xiàn)q原理膨脹的大小決定于流道的形狀，面積縮小、膨脹增大。動、靜葉出口面積比 是實現(xiàn)反動度的主要因素。沖動級噴嘴、動葉出口參數(shù)相近，因故2sinbb bAe d l222sinbtbbtbG v

28、lw e d/bnAA21wc/1/1.4bnbnAAAA，43第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計反動級動葉中膨脹，比容略大于噴嘴出口，故。隨壓力降低，比容增大較快，動、靜面積比增大。面積比與反動度21wc/1.0bnAA 1112221112cos111kkkmaammmmfxx 0220/,/aaxu cpp第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計q沖動級的反動度確定沖動級的反動度確定反動度沿葉高的變化動、靜葉間隙中汽流切向運動產(chǎn)生的離心力，使葉頂處的靜壓力高于葉根處，反動度沿葉高增大。近似地動葉平均直徑；h為自葉根的高度。沖動級葉根處反動度0.030.05 葉根處處于微漏汽狀態(tài)，防止隔板漏汽干

29、擾動葉進口的主流場沖動級的平均反動度隨葉高增大而增大22mbbbbdlhdlh bd45第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計部分進汽級一定是沖動級部分進時動葉前后壓差造成附加漏汽第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計1.3.6 蒸汽通過噴嘴時的流動分析小結蒸汽通過噴嘴時的流動分析小結 理 想 流 動 實 際 流 動 附 注 出口流速 出口流量 濕蒸汽 過熱蒸汽 臨界速度 000021crkCp vk 000021crkCp vk 僅與0000(,)pv有關 臨界壓比 121kksnctk 121nncnck ssncnct 最大流量 的壓力比 121kkfnctk 121nnfncn ffncnct

30、 01012()ttChh11tCC1.0111/tnttGACv11tGG1.01第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計當初參數(shù)一定時，逐漸降低背壓，出口汽流速度和流量增大。在背壓降至臨界壓力時，其后流量不再增大，但出口汽流角偏轉而增大；在背壓降至極限膨脹壓力時，出口汽流速度和出口汽流角不再增大。在流量和出口汽流角計算時，特別要注意判別是否達到臨界。第三講 最大流量與葉柵幾何參數(shù)設計1.3.7 本講小結本講小結 本講所涉教材內容 PP1013、PP27 30v基本概念 流量系數(shù)、臨界壓比、最大流量、流量比系數(shù)(即彭臺門系數(shù))、部分進汽度、蓋度。v基本原理 最大流量、橢圓公式、斜切部分膨脹、反動度的實現(xiàn)v基本公式 流量公式、最大流量、橢圓公式v強化掌握 流量計算、葉柵幾何參數(shù)設計、不同壓比下流速、流量和出口汽流角的變化規(guī)律。PBL基于問題的學習 1.已知級初參數(shù) 、終參數(shù) 如何計算通過噴嘴或動葉的蒸汽量。 2. 基于速度三角形分析動、靜面積比與級反動度間的關系。000