汽輪機(jī)級(jí)的工作原理

1、第一章 汽輪機(jī)級(jí)的工作原理主要內(nèi)容主要內(nèi)容n一、級(jí)的概念n二、汽輪機(jī)的沖動(dòng)作用原理和反動(dòng)作用原理n三、反動(dòng)度和級(jí)的類型n四、級(jí)的輪周功率和輪周效率n五、汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)損失和級(jí)效率一、級(jí)的概念一、級(jí)的概念n汽輪機(jī)本體中做功氣流的通道稱為汽輪機(jī)的通流部分。n 級(jí)：級(jí)：由噴管和其后的動(dòng)葉柵組成，完成蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的機(jī)械能的最基本單元。n汽輪機(jī)有單級(jí)和多級(jí)。1-靜葉柵（噴管）；2-動(dòng)葉柵；3-隔板；4-葉輪；5-主軸返回 級(jí)的組成級(jí)的組成00截面：噴管進(jìn)口截面；11截面：噴管與動(dòng)葉之間截面(噴管出口、動(dòng)葉進(jìn)口)；22截面：動(dòng)葉出口截面；噴管內(nèi)完成: 熱能動(dòng)能在動(dòng)葉內(nèi)完成：把蒸汽具有的動(dòng)能和熱能機(jī)械

2、功二、蒸汽的沖動(dòng)作用原理和反動(dòng)作用原理二、蒸汽的沖動(dòng)作用原理和反動(dòng)作用原理n1、沖動(dòng)作用原理、沖動(dòng)作用原理 當(dāng)一運(yùn)動(dòng)物體碰到另外一個(gè)運(yùn)動(dòng)速度比其低的物體時(shí)，就會(huì)受到阻礙而改變其速度，同時(shí)給阻礙它的物體一個(gè)作用力，這個(gè)作用力被稱為沖動(dòng)力。沖動(dòng)力的大小取決于運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量以及速度的變化。質(zhì)量越大，沖動(dòng)力越大；速度變化越大，沖動(dòng)力也越大。受到?jīng)_動(dòng)力作用的物體改變了速度，該物體就做了機(jī)械功。 n最簡(jiǎn)單的單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)如圖11。蒸汽在噴管4中產(chǎn)生膨脹，壓力降低，速度增加，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝膭?dòng)能。高速氣流流經(jīng)葉片3時(shí)，由于氣流方向發(fā)生了改變，產(chǎn)生了對(duì)葉片的沖動(dòng)力，推動(dòng)葉輪2旋轉(zhuǎn)做功，將蒸汽的動(dòng)能

3、轉(zhuǎn)變?yōu)檩S旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。這種利用沖動(dòng)力做功的原理，稱為沖動(dòng)作用原理。 圖1-1動(dòng)葉進(jìn)出口速度三角形 動(dòng)葉進(jìn)口速度三角形：uwc11動(dòng)葉出口速度三角形 ：uwc221c噴管出口速度（動(dòng)葉進(jìn)口絕 對(duì)速度 ）u動(dòng)葉平均直徑處的圓周速度1w動(dòng)葉進(jìn)口的相對(duì)速度2c動(dòng)葉出口的絕對(duì)速度2w動(dòng)葉出口相對(duì)速度n2、反動(dòng)作用原理、反動(dòng)作用原理 反動(dòng)力是由原來(lái)靜止或運(yùn)動(dòng)速度較小的物體，在離開(kāi)或通過(guò)另一物體時(shí)，驟然獲得一個(gè)較大的速度增加而產(chǎn)生的。 在反動(dòng)式汽輪機(jī)中，蒸汽在動(dòng)葉構(gòu)成的汽道內(nèi)膨脹加速時(shí)，氣流必然對(duì)動(dòng)葉作用一個(gè)反動(dòng)力，推動(dòng)葉片運(yùn)動(dòng)，做機(jī)械功。這就是反動(dòng)做功原理。n在反動(dòng)式汽輪機(jī)中，蒸汽不僅僅在噴管中產(chǎn)生膨脹，

4、壓力降低，速度增加，高速氣流對(duì)葉片產(chǎn)生一個(gè)沖動(dòng)力，而且蒸汽流經(jīng)葉片時(shí)也產(chǎn)生膨脹，使蒸汽在葉片中加速流出，對(duì)葉片還產(chǎn)生一個(gè)反作用力，即反動(dòng)力，推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)做功。這就是反動(dòng)式汽輪機(jī)的反動(dòng)作用原理。 在動(dòng)葉內(nèi)，把蒸汽具有的動(dòng)能和熱能機(jī)械功作用力： 由靜葉出口的高速蒸汽沖擊動(dòng)葉產(chǎn)生沖動(dòng)力Fi 動(dòng)葉內(nèi)蒸汽繼續(xù)膨脹，產(chǎn)生一個(gè)反動(dòng)力Fr三、反動(dòng)度和級(jí)的類型三、反動(dòng)度和級(jí)的類型 （一）汽輪機(jī)的反動(dòng)度（一）汽輪機(jī)的反動(dòng)度 蒸汽在動(dòng)葉通道內(nèi)膨脹時(shí)的理想焓降hb， 和在整個(gè)級(jí)的滯止理想焓降ht* 之比，即*tbmhhbnbbnbmhhhhhh*tmbhh*1tmnhh*tbmhh（二）汽輪機(jī)級(jí)的類型和特點(diǎn)（二）汽輪

5、機(jī)級(jí)的類型和特點(diǎn) 根據(jù)蒸汽在級(jí)通流部分的流動(dòng)方向，將汽輪機(jī)分成軸流式軸流式和輻流式輻流式兩種。1.按反動(dòng)度的大小進(jìn)行分類：沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí)2.按蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子機(jī)械能的過(guò)程分類：壓力級(jí)和速度級(jí)3.按通流面積是否隨負(fù)荷而變分類：調(diào)節(jié)級(jí)和非調(diào)節(jié)級(jí)軸流式汽輪機(jī)輻流式汽輪機(jī) 1、沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí)、沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí) 純沖動(dòng)級(jí)：純沖動(dòng)級(jí)： 反動(dòng)度 的級(jí)稱純沖動(dòng)級(jí) 沖動(dòng)級(jí)沖動(dòng)級(jí) 帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)（沖動(dòng)級(jí)）：帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)（沖動(dòng)級(jí)）： 在沖動(dòng)級(jí)中帶少量反動(dòng)度反動(dòng)級(jí)：反動(dòng)級(jí)：反動(dòng)度 的級(jí)稱反動(dòng)級(jí) 5 .0m0m2 . 005. 0m純沖動(dòng)級(jí)的特點(diǎn)是：蒸汽只在噴嘴葉柵中膨脹，在動(dòng)葉柵中不進(jìn)行膨脹而只改變流動(dòng)方向，

6、故動(dòng)葉柵進(jìn)出口壓力相等，焓降為0。 反動(dòng)級(jí)的特點(diǎn)是蒸汽的膨脹約有一半在噴嘴葉柵中發(fā)生，另一半動(dòng)葉柵中發(fā)生。 特點(diǎn)：在這種級(jí)中，蒸汽的膨脹大部分在噴嘴葉柵中發(fā)生，只有少部分膨脹在動(dòng)葉柵發(fā)生。 n2、壓力級(jí)和速度級(jí)、壓力級(jí)和速度級(jí)（1）壓力級(jí)：蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能的過(guò)程在級(jí)內(nèi)只進(jìn)行一次的級(jí)。（2）速度級(jí)：蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能的過(guò)程在級(jí)內(nèi)進(jìn)行一次以上的級(jí)。 復(fù)速級(jí)：復(fù)速級(jí)：由固定的噴管、導(dǎo)葉和安裝在同一葉輪上的 兩列動(dòng)葉組成的級(jí)稱為復(fù)速級(jí)。n3、調(diào)節(jié)級(jí)和非調(diào)節(jié)級(jí)、調(diào)節(jié)級(jí)和非調(diào)節(jié)級(jí)（1）調(diào)節(jié)級(jí)：通流面積能隨負(fù)荷改變的級(jí)，如噴管調(diào)節(jié)的第一級(jí)。（2）非調(diào)節(jié)級(jí)：通流面積能不隨負(fù)荷改變的級(jí)，可

7、以全周進(jìn)汽，也可以部分進(jìn)汽。n 復(fù)速級(jí) 復(fù)速級(jí)由噴管、導(dǎo)葉和兩列動(dòng)葉組成。蒸汽在噴管膨脹后，進(jìn)入第一列動(dòng)葉作功，流出第一列動(dòng)葉時(shí)速度還相當(dāng)大。用一列導(dǎo)葉改變蒸汽流動(dòng)方向后進(jìn)入第二列動(dòng)葉繼續(xù)作功。n 特點(diǎn)： 作功能力很大，但效率較低，常用作中小汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)。 噴管采用縮放噴管。 引入一定的反動(dòng)度。返回圖1-7 復(fù)速級(jí)中汽流壓力和速度變化示意圖四、級(jí)的輪周功率與輪周效率四、級(jí)的輪周功率與輪周效率返回（一）蒸汽作用在動(dòng)葉片上的力和輪周功率（一）蒸汽作用在動(dòng)葉片上的力和輪周功率22zubFFF周向分力Fu軸向分力Fz總作用力Fb1、蒸汽作用在動(dòng)葉片上的力、蒸汽作用在動(dòng)葉片上的力zubFFFFuFzFb

8、2 2、輪周功率、輪周功率輪周功率輪周功率P Pu u：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)蒸汽對(duì)動(dòng)葉片所作的有效功率，它等于圓周力Fu與動(dòng)葉圓周速度u的乘積，其表達(dá)式為：uFPuuGPPuu1級(jí)的作功能力級(jí)的作功能力P Pu1u1： 1Kg 蒸汽產(chǎn)生的輪周功率G單位時(shí)間流過(guò)的蒸汽質(zhì)量（二）級(jí)的輪周效率（二）級(jí)的輪周效率n定義：蒸汽在輪周上所做的功與整個(gè)級(jí)所消耗的蒸汽理想能量（級(jí)的理想能量）之比，即01EPuuE0-級(jí)的理想能量，它包括熱能和動(dòng)能兩部分（三）速比（三）速比噴嘴出口速度級(jí)的圓周速度11cux速比：最佳速比：對(duì)應(yīng)于輪周效率最高時(shí)的速比五、汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)損失和級(jí)效率五、汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)損失和級(jí)效率 返回（一）級(jí)內(nèi)損

9、失（一）級(jí)內(nèi)損失n 級(jí)內(nèi)損失主要有葉柵損失、余速損失、扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進(jìn)汽損失、漏汽損失、濕汽損失等 n 1、葉柵損失、葉柵損失n 葉柵損失包括噴管損失和動(dòng)葉損失，從產(chǎn)生原因看，它有葉型損失、葉端損失和沖波損失所組成。n 葉型損失葉型損失 附面層中的摩擦損失附面層中的摩擦損失 附面層分離時(shí)的渦流損失附面層分離時(shí)的渦流損失 尾跡損失尾跡損失n 葉端損失葉端損失 端部附面層中的摩擦損失端部附面層中的摩擦損失 二次流損失二次流損失n沖波損失沖波損失 葉柵中汽流產(chǎn)生沖波時(shí)突然葉柵中汽流產(chǎn)生沖波時(shí)突然被壓縮所產(chǎn)生的能量損失被壓縮所產(chǎn)生的能量損失n2、余速損失、余速損失 蒸汽在動(dòng)葉柵中做功后，

10、以絕對(duì)速度C2離開(kāi)動(dòng)葉柵，這部分動(dòng)能C22/2在動(dòng)葉柵中沒(méi)有轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，成為這一級(jí)的損失，稱為余速損失。n3、扇形損失、扇形損失 在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮汽流參數(shù)和葉柵的幾何參數(shù)沿葉高的變化，只能保證一個(gè)截面上的參數(shù)符合設(shè)計(jì)條件下的最佳值，而其他截面上由于偏離設(shè)計(jì)條件將引起附加損失，稱為扇形損失。n4、葉輪摩擦損失、葉輪摩擦損失 葉輪在充滿著蒸汽的汽室中轉(zhuǎn)動(dòng)，由于蒸汽具有黏性，使葉輪帶動(dòng)著貼在葉輪側(cè)面及外緣表面上的蒸汽質(zhì)點(diǎn)以相同的速度運(yùn)動(dòng)，而緊貼隔板壁和汽缸壁的蒸汽速度近似為零，因此，在葉輪兩側(cè)及外緣的間隙中，蒸汽沿軸向形成層與層間的速度差，從而形成了蒸汽微團(tuán)之間以及蒸汽微團(tuán)與葉輪之間的摩擦。為了克服

11、這種摩擦和帶動(dòng)蒸汽質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，要消耗一部分輪周功。同時(shí)，由于緊靠葉輪兩側(cè)的蒸汽質(zhì)點(diǎn)隨著葉輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，受離心力的作用產(chǎn)生向外的徑向流動(dòng)，而靠近隔板處的蒸汽質(zhì)點(diǎn)由于速度小，離心力也小，自然向中心移動(dòng)，填補(bǔ)葉輪處徑向流動(dòng)的蒸汽，以保持汽體的連續(xù)性。于是在葉輪兩側(cè)的子午面內(nèi)形成了蒸汽的渦流運(yùn)動(dòng)?？朔Σ磷枇蜏u流所消耗的功叫葉輪摩擦損失。n5、 部分進(jìn)汽損失部分進(jìn)汽損失n 如果將噴嘴布置在隔板（或蒸汽室）的整個(gè)圓周上，使蒸汽沿整個(gè)圓周進(jìn)汽，這種進(jìn)汽方式稱為全周進(jìn)汽。n為了增高噴嘴的高度，則將噴嘴布置在部分圓周上，使蒸汽沿部分圓弧進(jìn)汽，這種進(jìn)汽方式稱為部分進(jìn)汽。 mnndtZe部分進(jìn)汽損失部分進(jìn)汽損失 鼓

12、風(fēng)損失鼓風(fēng)損失 當(dāng)e1時(shí)，只有當(dāng)動(dòng)葉通過(guò)噴管弧段時(shí)，才有工作蒸汽通過(guò)作功。當(dāng)動(dòng)葉通過(guò)無(wú)噴管弧段時(shí)，不但沒(méi)有工作蒸汽作功，反而象鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇一樣，與充滿停滯的蒸汽摩擦，產(chǎn)生損失。斥汽損失斥汽損失 由于動(dòng)葉經(jīng)過(guò)不裝噴管弧段時(shí)，已充滿停滯的蒸汽。當(dāng)進(jìn)入噴管段時(shí)，高速汽流要排斥并加速停滯在汽道內(nèi)的蒸汽，產(chǎn)生損失。6、漏汽損失、漏汽損失n在汽輪機(jī)的通流部分中，隔板和轉(zhuǎn)軸之間、動(dòng)葉頂部與汽缸之間，在轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的反動(dòng)級(jí)中靜葉與轉(zhuǎn)鼓之間都存在著間隙，并且各間隙前后的蒸汽都存在著壓差，因此將會(huì)發(fā)生不同程度的漏汽，造成損失，稱為漏汽損失。n7、濕汽損失、濕汽損失 n多級(jí)凝汽式汽輪機(jī)最后幾級(jí)常在濕蒸汽區(qū)域內(nèi)工作，級(jí)中存

13、在著濕氣損失，這是因?yàn)椋簄 (1)濕蒸汽在噴嘴中膨脹加速時(shí)，一部分蒸汽凝結(jié)成水滴，使作功的蒸汽量減少。n (2)由于水滴本身不膨脹加速，所以懸浮在蒸汽中的水滴是依靠蒸汽帶動(dòng)的，因此主汽流要消耗一部分動(dòng)能。 n（3）水滴進(jìn)入動(dòng)葉時(shí)正好沖擊在動(dòng)葉進(jìn)口邊背弧上，阻止了葉輪的旋轉(zhuǎn)，從而消耗了一部分輪周功去克服這個(gè)阻力，造成損失。 n (4)濕蒸汽在噴嘴中膨脹時(shí)，由于汽態(tài)變化非?？?，蒸汽的一部分還來(lái)不及凝結(jié)成水，汽化潛熱沒(méi)有釋放出來(lái)，形成了過(guò)飽和蒸汽或稱過(guò)冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降減小，形成過(guò)冷損失。n為了提高濕蒸汽級(jí)的效率和防止動(dòng)葉被水滴侵蝕損壞，常采用下列兩種方法：一是采用去濕裝置，減少濕蒸汽中的水分；二是提高動(dòng)葉的抗侵蝕能力。去濕裝置示意圖去濕裝置示意圖噴管靜葉片的吸水縫噴管靜葉片的吸水縫（二）汽輪機(jī)級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率和內(nèi)功率（二）汽輪機(jī)級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率和內(nèi)功率n以上分析結(jié)果表明，級(jí)內(nèi)存在著各種損失，因此，蒸汽在級(jí)內(nèi)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)，不能全部將其熱能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的有效機(jī)械功，要有一部分能量消耗于各項(xiàng)熱損失之中。在絕熱過(guò)程中，級(jí)內(nèi)所有的能量損失都將重新轉(zhuǎn)變成熱能，加熱