級工作原理(2)

1、第四講 級內損失與級相對內效率1.4.1 級內損失概述理想級 無端部邊界效應沒有泄漏損失沒有附加功耗理想級損失 1第四講 級內損失與級相對內效率實際級端部邊界環(huán)形葉柵低壓蒸汽夾水多處泄漏汽流角不一致葉輪摩擦耗功噴嘴部分進汽 級內損失 葉高損失 扇形損失 泄漏損失 葉輪摩擦損失 濕汽損失 部分進汽損失 撞擊損失2第四講 級內損失與級相對內效率 級內損失機理撞擊損失進口汽流角偏離幾何進口角濕汽損失濕蒸汽區(qū)水滴產(chǎn)生的損失漏汽損失靜葉(或隔板）、動葉端部間隙蒸汽泄漏部分進汽損失噴嘴不均勻進汽產(chǎn)生損失扇形損失葉根、葉頂不同徑葉高損失葉根、葉頂端部邊界葉輪摩擦損失葉輪高速旋轉摩擦耗功3第四講 級內損失與級

2、相對內效率1.4.2 平面葉柵損失損失機理附面層摩擦損失附面層脫離渦流損失尾跡損失沖波損失受制因素葉片表面粗糙度、總面積、葉型、速度分布和動、靜葉的匹配性4第四講 級內損失與級相對內效率1.4.3 級內損失葉高及二次流損失端面摩擦損失和二次流損失葉高損失端部邊界層摩擦損失二次流損失二次流旋渦損失二次流蒸汽彎曲流動產(chǎn)生離心力，形成內弧指向背弧壓力場，內弧壓力高于兩端部，在此壓差驅動下形成內弧中部向兩端部流動。小容量機組若采用超臨界參數(shù)蒸汽，因葉片高度過小、葉高損失過大、汽輪機效率低，機組效率反而不及低參數(shù)機組。51.4 級內損失與級相對內效率第四講 級內損失與級相對內效率6第四講 級內損失與級相

3、對內效率二次流是與葉型損失同一量級的重大損失，是進一步提高效率的主要障礙。增大葉高、后加載、小直徑、多級數(shù)、高反動度，以及基于F3D計算流體力學的馬刀形彎扭葉片成為當今汽輪機設計的主流技術。7第四講 級內損失與級相對內效率汽輪機葉型設計的進化等截面直葉片變截面扭葉片變截面彎扭葉片(馬刀形葉片）8第四講 級內損失與級相對內效率9第四講 級內損失與級相對內效率扇形損失沿葉高輪周速度不一致產(chǎn)生偏離最佳速比影響因素及大小徑高比，很小葉輪摩擦損失葉輪高速旋轉帶動蒸汽流動，在其兩側腔室形成渦流產(chǎn)生損失影響因素及大小葉輪面積和轉速的三次方，很小漏汽損失動、靜間隙的前、后壓差造成蒸汽泄漏泄漏點隔板與轉子、靜葉

4、與動葉根部、動葉頂部損失及大小作功介質減少和擾亂流場，約占總損失30%10第四講 級內損失與級相對內效率11第四講 級內損失與級相對內效率12第四講 級內損失與級相對內效率措施減小間隙，研發(fā)新型汽封，如可調汽封、刷型汽封、葉片型柔性接觸式等13第四講 級內損失與級相對內效率14第四講 級內損失與級相對內效率15第四講 級內損失與級相對內效率部分進汽損失鼓風與斥汽損失，不均勻流場損失鼓風損失非噴嘴弧段動葉鼓風產(chǎn)生的能耗斥汽損失進入噴嘴弧段排斥動葉內滯蒸汽的能耗不均勻流場影響其后級的效率調節(jié)級部分進汽16第四講 級內損失與級相對內效率濕汽損失濕蒸汽中的水滴運動產(chǎn)生的損失濕汽級火電機組排汽濕度隨主蒸

5、汽壓力升高而增大，末級或末二級為濕汽級 ；核電機組為濕蒸汽汽輪機，高壓和低壓末數(shù)級為濕汽級。超臨界壓力機組的排汽濕度大于亞臨界機組。17第四講 級內損失與級相對內效率濕汽損失剝離水膜和加速水滴；水滴撞擊葉片產(chǎn)生制動；水滴破碎擾亂流場。正比于濕度。降低濕汽損傷的措施捕水與吸水先進材料與處理工藝18第四講 級內損失與級相對內效率19第四講 級內損失與級相對內效率核電汽輪機20第四講 級內損失與級相對內效率撞擊損失變工況時進口汽流角偏離幾何角所產(chǎn)生的損失新型設計，偏離角在內損失很小21第四講 級內損失與級相對內效率 級內損失匯總22第四講 級內損失與級相對內效率23第四講 級內損失與級相對內效率損失

6、的特征互補性葉高損失與部分進汽損失，葉高損失與扇形損失，通過優(yōu)化選擇使總損失減小局部性部分進汽損失，濕汽損失主導損失葉型損失、漏汽損失和二次流損失占總損失的90%以上，開發(fā)新型葉型與汽封，是進一步提高和維持汽輪機效率的奮斗目標24第四講 級內損失與級相對內效率GE沖動式汽輪機級損失的典型分布25第四講 級內損失與級相對內效率1.4.4 級內功率與相對內效率級熱力過程線級相對內效率級內功率26第四講 級內損失與級相對內效率1.4.5級的最佳速比最佳速比級內損失中有正比于 和 的項，增大速比將使級損失增大，故級效率為最高的速比必然較輪周效率最高的最佳速比要小。這樣使級的焓降增大，減少機組的級數(shù)。通

7、常，復速級 ；沖動級 ；反動級 。27第五講 彎扭葉片的現(xiàn)代設計與原理1.5.1 一元流動模型存在的不足 輪周速度沿葉高不一致 使葉頂和葉根處偏離最佳速比。在一定時，動葉進口角偏離設計進口角，造成撞擊損失；動葉出口角沿葉高變化造成流場扭曲，惡化下級的進汽狀態(tài)。節(jié)距沿葉高不一致 偏離最佳值使輪周效率下降。28第五講 彎扭葉片的現(xiàn)代設計與原理汽流參數(shù)沿葉高變化 汽流切向運動產(chǎn)生的離心力，使反動度沿高增大，且在動、靜葉間隙中形成徑向流動，干擾主汽流造成損失。端部邊界的附面層不僅產(chǎn)生摩擦損失，并且產(chǎn)生的二次流使有限高度的葉片通道流場嚴重偏離一元模型端部漏汽影響主流流場，29第五講 彎扭葉片的現(xiàn)代設計與

8、原理30第五講 彎扭葉片的現(xiàn)代設計與原理31第五講 彎扭葉片的現(xiàn)代設計與原理1.5.2 葉柵通道的實際流動和簡化流動模型實際流動 在子午面和繞轉子軸線Z回轉面內的合成運動。子午面：通過轉子軸線Z的平面；回轉面：通過軸線Z的旋轉面。實際汽流速度 是子午速度 與回轉速度 的矢量和，即 。32第五講 彎扭葉片的現(xiàn)代設計與原理又可將子午速度 分解為軸向分速度 和徑向分速度 ，從而有徑向平衡簡化模型動、靜葉軸向間隙中汽流微元體上的徑向力 靜壓力 繞Z軸切向運動產(chǎn)生的離心力，方向向外，即 。 子午速度離心力的徑向分量，方向向內，即 。 子午速度慣性力的徑向分量，方向向內，即 ， 331.5 扭長葉片的現(xiàn)代

9、設計與原理341.5 扭長葉片的現(xiàn)代設計與原理軸向間隙汽流運動的完全徑向平衡方程 上述方程描述了軸向間隙中流體壓力、切向分速度及流線形狀沿葉高的分布規(guī)律。只要給出一定的附加約束條件，即可求得軸向間隙內壓力、速度分布。不同的附加約束條件，形成不同的流型，從而得到不同形成的扭葉片。最簡單的計算模型為簡單徑向平衡模型，認為動、靜葉軸向間隙中為柱形流動模式，即認為子午速度中的徑向分量為零。簡單徑向平衡方程 在無旋流、軸向分速度沿葉高不變定解條件下，求解得351.5 扭長葉片的現(xiàn)代設計與原理在理想等環(huán)流簡單徑向平衡模型下，噴嘴的焓降隨葉高下降；噴嘴出口角、動相對進口角和動葉絕對出口角隨葉高增大，其中動葉

10、相對進口角增加最快；動葉相對出口角隨葉高減?。环磩佣入S葉高增大。 361.5 扭長葉片的現(xiàn)代設計與原理完全徑向平衡與可控渦設計思想：簡單徑向平衡各流型得到的反動度沿葉高變化過大的主要原因，在于汽流切向速度所產(chǎn)生的離心力完全靠徑向靜壓差來平衡。事實上，子午速度產(chǎn)生的離心力和慣性力在徑向方向上，具有平衡切向速度產(chǎn)生離心力的能力，可以減小徑向靜壓梯度，從而減緩反動度沿葉高的快速變化。這就是完全徑向平衡流型設計所要解決的問題，可控渦流型就是基于完全徑向平衡方程，組織葉柵通道中的流線，控制靜壓和反動度沿葉高的變化，提高根部的反動度，改進葉根處的氣動特性；降低頂部的反動度，減少葉頂漏汽損失；降低平均反動度

11、，增大級的作功能力。粘性、可壓縮流體的三維流場計算，是基于Navier-Stokes方程，在葉柵通道和軸向間隙中，建立圓柱坐標系下的三維積分方程，采用有限差分法，求出葉柵通道空間各點的起始壓力場和速度場，由此求得沿葉高各截面的反動度和作功能力。371.5 扭長葉片的現(xiàn)代設計與原理在可壓縮三維流場計算中，亞音速區(qū)為橢圓方程，而在超音速區(qū)為雙曲方程。數(shù)值計算時，橢圓方程通常用中心差分法，而雙曲方程用后差法。在汽輪機低壓缸通流部分計算中，存在著跨音區(qū)的問題，為有效地將橢圓方程和雙曲方程差分計算融合在一起，英國學者提出了時間推進法(time matching)，引入了時間變量，將原來定常計算問題轉變?yōu)榉嵌▎栴}，由此將跨音區(qū)的方程統(tǒng)一為拋物線方程，大大提高了計算效率。計算機技術的快速發(fā)展，使透平機械葉柵通道的三維流場設計成為現(xiàn)實，極大縮短了新葉型的研制、開發(fā)周期，降低了研制成本，提高了設計效率。例如：為減小噴嘴的二次流損失，推出了后彎葉型；再如：為進一步控制反動度沿葉高的變化，推出了葉片前傾安裝的模式。 38本章小結原理：熱力勢能蒸汽動能(膨脹)轉子旋轉機械能(動量轉換) 噴嘴 動葉隔板或葉片持環(huán) 葉輪或輪轂基本概念與定義滯止參數(shù) 反動度 速度系數(shù) 流量系數(shù) 噴嘴損失 動葉損失臨界壓比 臨界流量 流量比系數(shù) 斜切部