1汽机级工作原理

矿大机电学院动力 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系绪论一、汽轮机简介二、汽轮机分类及型号三、型号的表示 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 四、汽轮机发展趋势五、国外主要制造厂六、国内主要制造厂七、汽轮机原理教学内容与安排八、主要参考书九、考核绪论一、汽轮机简介定义:1.汽轮机是一种以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转换为机械功的旋转机械。2.英文:Turbine，译名透平3.叶轮机械(广义范畴)　　　　　绪论特点:1.单机功率大:300MW、600MW、900MW2.效率高:汽轮机内效率:90%电厂效率:　40%3.运转平稳:机组振动<0.03mm4.使用寿命长:>30年5.整个循环中燃用劣质、廉价燃料:如劣质煤等6.使用范围专业而广泛　　　火电厂　　　核电厂　　　直接驱动　　　　　……绪论在电厂中的位置兰金循环的示意图绪论@绪论核电600MW绪论绪论绪论绪论绪论绪论绪论绪论绪论绪论@绪论杭州汽轮机厂绪论二、汽轮机分类及型号按工作原理：冲动式、反动式按热力特性：纯凝汽、背压、抽汽、多压式按工作蒸汽压力：低压：0.12-1.5MPa中压：2-4MPa高压：6-10MPa超高压：12-14MPa亚临界：16-18MPa超临界：>22.1MPa超超临界:>32MPa汽缸布置：单缸、多缸等轴系：单轴、双轴汽流总体流向：轴流式、辐流式按用途：电站、工业、船用等绪论三、型号的表示方法N300-16.7/538/538-２纯凝：N50-8.83(无再热)双抽：CC12-3.43/0.98/0.12背压：B25-8.83/0.98抽背：CB25-8.83/1.47/0.49汽轮机型式额定功率主蒸汽压力主蒸汽温度再热汽温度出厂型号绪论四、汽轮机发展趋势1.增加单机功率:300,600,1000,1300MW2.提高蒸汽参数亚临界:16.7MPa，5380C超临界:24.2MPa，5660C超超临界:28.2MPa，6000C3.提高效率4.降低金属消耗量和成本5.提高机组运行水平，增强机组的负荷适应性6.采用联合循环(燃气～蒸汽联合循环)提高效率:57%～60%清洁燃烧技术(减少污染:除尘、脱硫、脱硝、重金属等)绪论五、国外主要制造厂美国通用（GE）、西屋（WH）欧洲ABB、法国阿尔斯通（AA）日本三菱、东芝、日立绪论六、国内主要制造厂·上海汽轮机厂一125、300、600、1000MW·哈尔滨汽轮机厂一200、300、600、1000MW·东方汽轮机厂一200、300、600、1000MW·北京重型电机厂一100、200、350、600MW·青岛汽轮机厂一中小型汽轮机·南京汽轮发电机厂一中小型汽轮机、燃气轮机·杭州汽轮机厂一工业汽轮机绪论　七、汽轮机原理教学内容与安排　以电站汽轮机为主要对象，研究汽轮机内蒸汽热能与转子旋转机械能的转换，以及实现能量转换的结构参数和影响高效转换的因素；　分析非设计工况下汽轮机　的运行特性、影响凝汽器　传热性能的因素和主要部　件的强度；介绍汽轮机的　控制原理和控制系统组成　及特性。绪论汽轮机原理难吗？不容易！知识面广而分散。定性、定量分析相结合，且定性分析为主。学时短，内容多。能学好吗？世上无难事，只要肯努力。记住米卢名言：态度决定一切。抓几个？由同学自己定！绪论八、主要参考书　主要教材　高等学校教材　《汽轮机原理》中国电力出版社，2000年东南大学康松杨建明胥建群编著主要参考书　　《汽轮机原理》华中理工大学生翦天聪主编《汽轮机原理》重庆大学沈士一等编著《汽轮机原理习题集》康松主编水利电力出版社，1988绪论九、考核　作业　　　6题　　(1+1)%　　12%　报告　　　2个　　(1+2)%　　6%　课堂测验　6个　　2.5%　15%　期末　5题　　9%　　42%第一章　汽轮机级的工作原理主要内容　着重介绍汽轮机最基本作功单元－级的能量转换和影响能量转换的因素。主要方法　1）将实际环形叶栅简化为无端部效应的一维平面叶栅，分析级中蒸汽热能与动叶旋转机械能的转换及影响因素与最佳参数设计；2）再用实际环形叶栅效应等修正，得到实际叶栅的能量转换与优化设计。即：遵循简化、抽象，理想加上工程修正的研究法则。第一章　汽轮机级的工作原理教学内容　第一讲级内能量转换与轮周功输出；第二讲轮周效率与最佳速比；第三讲最大流量与叶栅几何参数设计；第四讲级内损失与级相对内效率及其影响因素；第五讲长扭叶片原理与现代设计（简介）。1.1级工作的热力、流动分析与计算1.1.1概述级的定义　由一列喷嘴叶栅和与之配合工作的动叶栅所组成的基本工作单元。动叶栅可为单列，也可为多列。前者称单列级，后者称多列级。工作过程　蒸汽在喷嘴(nozzle)中降压增速，热力势能转变为汽流的动能；在动叶(blade)中一方面继续降压增速，热力势能转变为汽流的动能，另一方面汽流在动叶中改变运动方向，将动能转换成转子的旋转机械能。前者属于反动(Reaction)能，后者属于冲动(Impulse)能。第一讲级内的能量转换与轮周功输出第一讲级内的能量转换与轮周功输出级内能量平衡与轮周功输出（对于一元、稳定流）进入能量：（kJ/kg.s）出口能量：级内能量平衡：输出的功=蒸汽总能量的减少（无损失）轮周功：单位质量蒸汽在单位时间内所做的功。（kJ/kg.s）轮周功率：质量流量为G的蒸汽单位时间所做的轮周功。(kW)第一章　汽轮机级的工作原理第一讲级内的能量转换与轮周功输出1.1.2热力过程线分析热力过程线蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-S图上的表示。滞止参数：相对于叶栅通道速度为零的气流热力参数。蒸汽的动能用焓来表示。用后上标为”0”来表示。喷嘴进口：动叶进口：第一讲级内的能量转换与轮周功输出要求：每个人都画一遍并了解各线段的物理意义各符号代表意义第一讲级内的能量转换与轮周功输出理想过程无不可逆损失的等熵过程。实际过程存在着不可逆摩擦损失，动能损失转变摩擦热(能)。喷嘴(或动叶)效率实际焓降与理想焓降之比：喷嘴损失动叶损失第一讲级内的能量转换与轮周功输出反动度或反动率，表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度。定义：动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比用来表示。即：纯冲动（或压力级）：Ω＝０，汽流在动叶通道中不膨胀；结构特点：动叶为等截面通道；流动特点：动叶进出口处压力和汽流的相对速度相等；即：因压降主要发生在静叶栅通道中，故又称为压力级。第一讲级内的能量转换与轮周功输出反动级：Δｈn＝Δｈb＝Δｈt，动、静叶中的焓降相等；结构特点：动、静叶通道的截面基本相同；流动特点：动、静叶中增速相等。冲动级：Δhn>Δhb，膨胀主要发生于喷嘴中；一般Ω＝0.05～0.30。负反动度喷嘴出口汽流速度较大，在动叶中形成阻塞流，动叶出口压力升高，使　　　　，反动度为负值。汽轮机在某变工况下会出现此种情况，将产生较大的损失，尽可能避免。第一讲级内的能量转换与轮周功输出纯冲动级冲动级反动级负反动级第一讲级内的能量转换与轮周功输出1.1.3喷嘴、动叶的焓降与出口汽流速度流速或流量、蒸汽参数和通流截面为流动分析的三个要素。采用流体力学及工程热力学中喷管流动的分析方法。　能量平衡算流速，质量平衡算流量。注：叶栅通道的进口参数用相对于叶栅速度为零的滞止参数。分析模型一元流动平面叶栅模型基本假设：定常物性、稳定、绝热、理想气体、一元流动。　基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程。　1.理想气体状态方程　2.绝热等熵过程　第一讲级内的能量转换与轮周功输出3.气体的焓：4.气体介质中的音速：焓降与流速热力势能汽流动能，计算方法是先算理想（等熵)过程，然后用系数修正到实际过程理想过程能量方程：喷嘴：动叶：第一讲级内的能量转换与轮周功输出即：利用：焓的计算式、等熵焓降过程，流速可表示成与初参数前后压比的形式。则有:第一讲级内的能量转换与轮周功输出实际过程蒸汽为粘性流体，流过叶栅通道时产生摩擦，造成动能损失，即蒸汽在叶栅通道中为绝热多变过程:多变指数随摩擦的增大而减小。工程中用对等熵绝热流动作修正的方法来处理实际流动，即用实际汽流速度与理想汽流速度的比值表示摩擦的影响其比值称为速度系数：　对应的喷嘴、动叶损失为(P9,1-13式)　第一讲级内的能量转换与轮周功输出速度系数的影响因素：1.速度系数与叶栅通道表面的光滑程度及叶型等紧密相关：提高加工精度；表面越光洁，摩擦就越小；2.叶型是否合理，决定了叶栅通道的流场和压力场分布：研究空气动力特性、开发先进叶型；附面层增厚、附面层脱离均导致摩擦损失增大、速度系数减小。3.蒸汽的膨胀程度越大，有利于减薄附面层，提高速度系数，动叶中，速度系数将随反动度增大而增大(P.15)。第一讲级内的能量转换与轮周功输出第一讲级内的能量转换与轮周功输出　在汽轮机中：喷嘴的速度系数在0.92～0.98之间，一般取0.97；动叶的速度系数在0.85～0.95之间，反动度大时可取上限。速度系数与喷嘴或动叶效率由速度系数和喷嘴或动叶效率定义可知第一讲级内的能量转换与轮周功输出由热力学推导得知，多变指数与速度系数的关系为：第一讲级内的能量转换与轮周功输出1.1.4速度三角形与动叶出口速度　建立随动叶运动的相对坐标系。汽流的绝对速度(c)＝牵连速度(u)＋相对动叶的汽流速度(w)。轮周速度：平均直径处的轮周线速度，即：动叶汽流的速度三角形以轮周速度为水平方向，描述动叶进、出口3个速度矢量关系所构成的封闭图形。动叶进口：动叶出口：　第一讲级内的能量转换与轮周功输出第一讲级内的能量转换与轮周功输出除斜切部分存在膨胀外汽流流出喷嘴或动叶的出口角即为几何出口角。一般地，在11°～17°；在20°～30°；通常设计情况下，比略大2°～4°。在非设计工况下，和将随工况而变。第一讲级内的能量转换与轮周功输出1.1.5动叶上的汽流力和轮周功1.动叶上汽流作用力的大小：决定于动叶通道进、出口汽流动量的变化。2.蒸汽动能与叶轮旋转机械能转换重要的制约因素：叶轮的转速。3.汽流力的计算作用在动叶上的汽流力可归结为产生旋转机械功的切向力(又称轮周力)和不产生机械功的轴向力。由动量定律求得。利用速度三角形关系进行计算。第一讲级内的能量转换与轮周功输出第一讲级内的能量转换与轮周功输出设时间内流过动叶的蒸汽量为：切向和轴向的动量变化为：绝对坐标系：切向轴向相对坐标系：切向轴向作用在动叶上汽流力：切向：第一讲级内的能量转换与轮周功输出第一讲级内的能量转换与轮周功输出轴向：蒸汽总的轴向力应是汽流轴向力、压差力的总和。设动叶压差作用有效面积为，则总的轴向力：轴向力使汽轮机转子轴向产生移动：故采用轴向推力轴承对转子作轴向定位。减少推力轴承载荷的措施：采用合理的汽缸布置或设置轴向力平衡装置。第一讲级内的能量转换与轮周功输出轮周功率与轮周功轮周功率蒸汽单位时间推动叶轮旋转所作的机械功，用表示。力与速度的乘积即为功率，故轮周功率为：轮周功与级有效焓降在h-s图即为级有效焓降。利用速度三角形的关系，得轮周功的意义：由喷嘴带进动叶的蒸汽动能与动叶获得的蒸汽动能之和，减去蒸汽离开动叶所带走的动能。第一讲级内的能量转换与轮周功输出第一讲级内的能量转换与轮周功输出从右图可得：余速损失蒸汽离开动叶所携带(carry)的动能，即。这部分能量在本级中不能转变为旋转机械能，但部分或全部被下级所利用。第一讲级内的能量转换与轮周功输出余速利用系数本级余速被下级所利用的份额。1.调节级和排汽级的为零；2.抽汽级为0.0～0.5；3.同时满足下列情况时，=1：(1)相邻两级直径接近，蒸汽在半径方向上运动距离不大；(2)喷嘴进口方向上与上一级余速方向相符；上两项无法确定时：=0.3～0.8(3)相邻两级都是全周进汽；不是=0(4)无抽汽，两级间流量不变。第一讲级内的能量转换与轮周功输出下级进汽状态点=1=0第一讲级内的能量转换与轮周功输出1.1.6本讲小结本讲所涉教材内容：PP6～9、PP13～19基本概念轮周功、轮周功率、滞止参数、反动度、纯冲动级、冲动级、反动级、速度系数、喷嘴损失、动叶损失、余速损失、轮周速度、汽流轮周力、蒸汽轴向力、余速利用系数基本方法喷嘴(动叶)的能量平衡、级热力过程线、速度三角形基本公式反动度定义式、喷嘴(动叶)出口汽流速度、速度三角形计算关系强化掌握级热力过程线、速度三角形、出口汽流速度的计算第一讲级内的能量转换与轮周功输出例题：已知喷嘴进口蒸汽，喷嘴后速度系数。求：（1）喷嘴前蒸汽的滞止焓和滞止压力；（2）喷嘴出口理想速度和实际速度。解：1.求滞止参数由初压、初温，在h-s图确定喷嘴进口状态点“0”，得初焓：喷嘴进口动能：第一讲级内的能量转换与轮周功输出喷嘴进口处滞止焓在h-s图上，由“0”垂直向上至，求得：2.求喷嘴出口汽流速度在h-s图上“0”等熵向下至得喷嘴后理想焓值：则喷嘴中理想滞止焓降：喷嘴出口理想速度：喷嘴出口实际速度：第二讲轮周效率与最佳速比1.2.1轮周效率轮周效率描述级中可用能量被有效地转变为轮周功输出的份额。级理想能量因部分或全部余速动能将在下级中被利用级理想滞止焓降再扣除余速动能中被下级所利用的部分第二讲轮周效率与最佳速比轮周效率单位质量蒸汽所作的轮周功与该级蒸汽所消耗的理想能量的E0比值。即：第二讲轮周效率与最佳速比反平衡：定义：喷嘴损失系数：动叶损失系数：余速损失系数：轮周效率的各损失系数的表示：第二讲轮周效率与最佳速比1.2.2最佳速比轮周效率与喷嘴、动叶和余速损失有关。当喷嘴出口汽流速度和反动度一定时，由速度三角形知，动叶出口相对、绝对速度的大小与轮周速度有关，特别是动叶出口绝对速度。因此，轮周速度与喷嘴出口汽流速度对轮周效率存在着最佳匹配问题。速比轮周速度与喷嘴出口汽流速度之比，即第二讲轮周效率与最佳速比假想速比轮周速度与级假想速度之比，即：假想速度假想级的理想焓降全部在喷嘴中膨胀，即：最佳速比使轮周效率达到最大时的速比。在喷嘴、动叶的几何参数、速度系数等确定条件下进行的。1.纯冲动级的最佳速比∵Ωm=0w2t=w1，代w2=Ψw2t，ca=c1t假设：μ0=μ1=0，　第二讲轮周效率与最佳速比另外：对纯冲动级：第二讲轮周效率与最佳速比分析：(x1)op的物理意义第二讲轮周效率与最佳速比纯冲动级轮周效率分析图第二讲轮周效率与最佳速比考虑反动度的速比:用xa代替x1，仅仅引起数值上的变化，而对速比的物理意义并无本质上的影响。纯冲动级：第二讲轮周效率与最佳速比有余速利用时的最佳速比：在纯冲动级中：根据速度三角形：第二讲轮周效率与最佳速比求导后：其中：第二讲轮周效率与最佳速比结论：利用余速可以提高级的轮周效率:ηu公式分子变小；曲线顶部有一个平坦区：α2<90°，同样dm下作功能力增加；(xa)op增大了如：失去了相对于最高效率点的基本对称性：因无余速损失，喷咀损失一定，(xa)op取决于动叶损失。第二讲轮周效率与最佳速比2.反动级最佳速比互为镜像的叶片和三角形第二讲轮周效率与最佳速比反动级中静叶和动叶的理想比焓降相等；蒸汽在静、动叶中的流动情况基本相同；静叶相动叶采用同一叶型；如果：由：得：令：则由：第二讲轮周效率与最佳速比反动级最佳速比：第二讲轮周效率与最佳速比第二讲轮周效率与最佳速比第二讲轮周效率与最佳速比反动级的轮周效率在速比为1时不为零，为什么？反动级的轮周效率在最大值附近变化比较平稳变工况性能好，这是余速能够利用的级的共有特点。反动级的最佳速比比纯冲动级大在u相同及在各自的最佳速比下,反动级能有效利用的焓降只是纯冲动级的一半。在各自的最佳速比下反动级的轮周效率高于纯冲动级。第二讲轮周效率与最佳速比3.冲动级（带反动度）最佳速比Ωm=0.05-0.3第二讲轮周效率与最佳速比由图可见：中间级和孤立级的最佳速比和都和反动度同向变化，中间级增加较缓；余速利用系数越小，最佳速比随反动度而变化的程度越大。第二讲轮周效率与最佳速比4.速度级（复速级）的轮周功和轮周效率当级需要大的比焓降时，只用一个级就会偏离(xa)op举例：最大u=600m/sx1=0.45-0.5c1=750-600m/sn=3000rpmΔht=314-201kJ/kgdm=1.9m制造成本和工艺难度加大要降低(xa)op只有减少Δhc2办法：再加一级！第二讲轮周效率与最佳速比复速级示意图：第二讲轮周效率与最佳速比复速级的轮周效率：根据轮周效率的定义得：第二讲轮周效率与最佳速比复速级最佳速比：即，c1cosα1=4u时：第二列动叶诽汽速度c2的方向等：α`2=900即轴向排汽，此时复速级的余速损失最小。第二讲轮周效率与最佳速比复速级的动叶和导叶中Ωm：1.可改善叶栅通道中的流动状况，提高复速级的效率；2.因复速级一般都处于部分进汽状态，过大的反动度会明显地增加级的漏汽损失，采用了少量的反动度；3.反动度的选择必须适当，其关系曲线如图示。第二讲轮周效率与最佳速比反动度对复速级效率的影响图上三个数表示第一列动叶、导叶、第二列动叶的Ωm%第二讲轮周效率与最佳速比复速级汽态线第二讲轮周效率与最佳速比复速级最佳效率点:图中：1.b－b‘为单级时冲动级轮周效率曲线；2.d－d’为复速级效率曲线;3.x1<0.3时复速级效率＞单级效率；第二讲轮周效率与最佳速比复速级的优缺点：缺点:单级效率低；增加了导叶相第二列动叶中的能量损失；优点：在圆周速度相同时，能承担比单列级大得多的理想比治降，采用复速级能使汽轮机的级数减少．结构紧凑；当它作为多级汽轮机的调节级时，蒸汽压力、温度在这一级下降较多，缩小了汽轮机在高温高压蒸汽下工作的区域，不仅能节省高温材料、降低制造成本，而且有利于改善汽轮机的变工况性能。第二讲轮周效率与最佳速比结论最佳速比影响因素1.喷嘴、动叶的速度系数：φ、Ψ一般为0.95～0.97；2.出口汽流角：α2>90°；3.级的反动度：Ωm；4.余速损失：余速一般为假想速度的1/4～1/5；而喷嘴、动叶的速度系数，余速损失与喷嘴、动叶损失处于大致相同的数量级，余速损失稍大。第二讲轮周效率与最佳速比α2的影响：时：在x1由综合这两项影响因素，最大的动叶绝对排汽角应略大于90º。时，，因此:在动叶绝对排汽角略大于90º时达到最大。达到最小。达到最小。第二讲轮周效率与最佳速比反动度的影响动叶中有一定膨胀时，减小动叶排汽速度应从减小动叶相对进汽速度方面综合考虑。动叶相对进汽速度越大，蒸汽在动叶中膨胀后出口相对速度更大，这样，有可能使级的排汽速度增大，轮周效率下降。反动度增大后，要求增大轮周速度来减小动叶进口相对速度，最终降低级的排汽速度，提高轮周效率。反动度的存在，使速比向增大方向移动：第二讲轮周效率与最佳速比余速利用的影响：纯冲动、余速不被利用喷嘴及动叶的摩擦损失相对于级的理想能量是个定值，比例关系决定于速度系数。如果动叶的相对进口角能适应各种工况，那么喷嘴出口速度一定时，增大轮周速度u将使动叶的排汽速度下降。当轮周速度为：时，动叶出口的绝对汽流角为90°排汽绝对速度达到最小，即轮周效率最大。第二讲轮周效率与最佳速比纯冲动、利用余速余速利用后，使级理想能量减小，在相同汽流参数下使级的轮周效率提高。综合分析得知，余速利用后，a)增大了轮周效率；b)使速比向增大方向移动；c)使在最佳速比附近对速比的灵敏性下降，提高了适应工况变化的能力。第二讲轮周效率与最佳速比第二讲轮周效率与最佳速比最佳速比的基本特征第二讲轮周效率与最佳速比1.2.3最佳速比与汽轮机的级的焓降分配速比与级焓降（加c1与Δhn）由速比定义，得：　反动度与级的焓降最佳速比随反动度增大而增大。若要求级在最佳速比下运行，在大致相等轮周速度下，反动级的焓降小于冲动级。若反动级的最佳速比是纯冲动级的两倍，那么，反动级的焓降为纯冲动级的70.7%。因此，一般地，反动式机组的级数多于冲动式。第二讲轮周效率与最佳速比汽轮机的焓降分配机组的平均直径主要决定于流量。机组容量大则流量大，平均直径也大，在最佳速比下，u大，ca大，对应的焓降也大。所以：1.大机组的级数少于小机组；2.低压级的焓降大于高压级。第二讲轮周效率与最佳速比最佳速比与汽轮机设计1.先由机组容量确定主蒸汽流量；2.然后由基于叶片制造水平大致确定首级和末级叶高，并由此确定首级和末级的平均直径；3.取首级与末级平均直径的平均值，计算平均轮周速度，4.在一定反动度下计算出对应的最佳速比，并计算得平均级焓降；5.由平均级焓降和多级汽轮机的重热系数，以及初、终参数，求得机组级数。第二讲轮周效率与最佳速比1.2.4本讲小结本讲所涉教材内容PP19～27基本概念轮周效率、理想能量、喷嘴损失系数、动叶损失系数、余速损失系数、速比、假想速比、最佳速比基本公式理想能量、轮周效率强化掌握最佳速比的影响因素、反动与冲动级的最佳速比、最佳速比与汽轮机设计第三讲最大流量与叶栅几何参数设计1.3.1叶栅通道的流量计算喷嘴或动叶通道的质量流量决定于流道的出口面积、出口流速和对于出口点的蒸汽比容。同样地，先计算通过流道的理想流量，然后由流量系数修正至实际流量。理想流量对出口面积为的喷嘴，其流过的理想质量流量为:第三讲最大流量与叶栅几何参数设计对动叶第三讲最大流量与叶栅几何参数设计流量系数实际流量与理想流量的比流量系数与速度系数的关系：理论上：因摩擦使蒸汽温度升高，故总有，实际中：速度系数：由动能损失试验测取，反映了流场速度分布的均方平均；流量系数：由流动试验测取，反映了流场速度分布的算术平均；实测流量系数大于速度系数。在简化计算中，一般将速度系数和流量系数取为相同数值。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计湿蒸汽的流量系数在降压膨胀过程中应有部分蒸汽释放汽化潜热、并凝结为水，但因流速很快、传热速度相对滞后，汽化潜热来不及传给蒸汽，使蒸汽产生过冷，比容减小，从而导致流量系数大于速度系数的局面。在湿蒸汽区，流量系数通常用下式计算:第三讲最大流量与叶栅几何参数设计　1.3.2临界与最大流量临界　压力波是机械波，在介质中以音速传播。对直轴型渐缩通道，背压降低、出口汽流速度增大；当汽流速度达到当地音速时，背压的扰动无法向前传播，故出口汽流的最大流速仅为当地音速。即　第三讲最大流量与叶栅几何参数设计　将喉部截面达到音速的状态称为临界状态。对应流道进、出口压力比称为临界压比:(Criticalpressureratio)绝热等熵临界压比：临界速度仅与进口的初参数有关：临界压比决定于物性参数：过热蒸汽：饱和蒸汽：第三讲最大流量与叶栅几何参数设计最大流量对流量方程求关于压比的极大值，在临界压比时达到最大，其最大理想流量为其意义是：当喉部达到音速时，汽流速度不再增加，蒸汽参数也不再改变，故其通流量也再不增多，即达到饱和状态。故在流量计算式上应附加临界约束条件。因此，在叶栅通道流量计算时，必须判定是否达到临界。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计记住！最大流量仅与初参数有关。实际最大流量为理想最大流量乘流量系数即:流量比系数在流道结构和初参数一定时，不同背压时的通流量与最大流量的比，又称彭台门系数，用β表示。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计椭圆公式计算表明：彭台门系数的曲线段近似于椭圆曲线。故为计算方便，常用椭圆公式来近似。即:喷咀流量计算方法：1.先由初参数求得最大流量，2.确定流动状态：是否超临界。3.然后由前后压比求得彭台门系数β，4.由计算流量。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计对背压相同、初参数不等的两种工况流量如何分析？由最大流量仅与初参数有关的关系，由一种工况的最大流量和初参数间的比例关系，求出另一工况的最大流量，即:再由各自的β求出对应的流量。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计例：汽轮机某级、、和。喷嘴为渐缩型，其出口面积。试计算：（1）通过喷嘴的实际流量(取流量系数0.97)；（2）当时，通过喷嘴的流量又为多少？（3）如果喷嘴入口，则在（2）条件下喷嘴的流量？解：（1）由初终参数查蒸汽特性参数得：级理想焓降：喷嘴理想焓降：第三讲最大流量与叶栅几何参数设计喷嘴出口理想焓值：查得喷嘴出口压力：喷嘴最大理想流量：喷嘴的压比：流量比系数：通过喷嘴的实际流量：（2）改变背压后：级理想焓降：喷嘴理想焓降：第三讲最大流量与叶栅几何参数设计喷嘴理想出口焓：喷嘴后压力：喷嘴压比：喷嘴为超临界，此时流量为最大值，即：（3）喷嘴进口动能：进口滞止焓：查得理想最大流量：由于是超临界流动，计及进口流速后通过喷嘴的流量为：第三讲最大流量与叶栅几何参数设计1.3.3叶栅几何参数设计静、动叶栅几何参数平均直径，叶片高度l，叶栅节距t，叶栅宽度B，叶栅通道进口宽度a,出口宽度a1和a2，叶型弦长b和出口边厚度，出口汽流角第三讲最大流量与叶栅几何参数设计冲动式叶栅如图所示：它包括冲动式动叶栅和导向叶栅。实用中为了减少流动损失，采用一定的反动度，β2比β1略小2°～4°，使汽道略有收缩。同样的进出口参数条件下，几何相似的叶栅中汽流保持近似相同的特性：决定叶栅几何形状的参数都可以用一些无因次的相对值来表示相对节距t＝t／b；相对高度l＝l／b；相对长度(径高比)θ＝dm/ln。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计叶栅的安装角用“αs和βs来表示，它是叶栅额线与叶弦之间的夹角，它们在相当大的程度上影响着α1和β2的实际数值，所以安装角也是一个重要的几何参数。叶栅的中弧线在前缘点的切线与叶栅前额线的夹角叫做叶型的几何进口角，用α0g和β1g表示，它们只随安装角不同而改变，与汽流无关。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计喷嘴尺寸设计喷嘴流量：喷嘴出口面积：喷嘴高度喷嘴高度正比于流量，反比于出口流速。过小的喷嘴高度，叶顶和叶根的边界层和漏汽影响很大，效率很低，通常要求喷嘴高度不小于11～15mm。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计增大叶高的措施减小喷嘴出口角、降低喷嘴出口速度和采用部分进汽。反动级因喷嘴出口速度小而使叶高大于冲动级，故喷嘴出口角较冲动级来得大，叶高也大于冲动级。部分进汽度e工作喷嘴所占的圆周长度与全圆周长度之比，即第三讲最大流量与叶栅几何参数设计动叶尺寸设计动叶流量，动叶出口面积动叶高度为保证喷嘴出口蒸汽全部进入动叶，叶顶处应稍大于喷嘴、叶根处稍小于喷嘴。盖度动叶与喷嘴的高度差。叶顶盖度和叶根盖度，前者稍大。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计1.3.4反动度的实现膨胀的大小决定于流道的形状。要在动叶中有膨胀，动叶出口面积必然要小于喷嘴。动、静叶出口面积比是实现反动度的主要因素。冲动级，因动叶出口相对速度小于喷嘴出口速度，故动、静面积比较大(一般为1.4左右)，反动级动叶出口相对速度较大，动、静面积比较小(一般为1.0左右)。如果级的反动度零，，这样，动叶的出口面积必须大于喷嘴的出口面积。若动、静叶的平均轮周直径相同，动、静叶流量平衡方程：第三讲最大流量与叶栅几何参数设计由速度三角形得：一般地，动叶出口比喷嘴出口略高，这样，动叶出口汽流角稍小于喷嘴相对出口汽流角。这就是通常β2=β1-(2～4°)的原因。随着级反动度的增大，，要求动叶出口面积减小。另一方面，蒸汽膨胀使动叶出口处的比容增大，要求动叶的出口面积增大。两者竞争的结果，流速增大要求动叶出口面积减小占主导地位，即随级的反动度增大，动、静叶出口面积比减小。　面积比与反动度、喷嘴出口汽流角等关系：第三讲最大流量与叶栅几何参数设计第三讲最大流量与叶栅几何参数设计冲动级的反动度确定增大反动度，可增大动叶内的压力梯度，减薄附面层，使动叶的汽流速度和效率提高。动、静叶间隙中的汽流切向运动，产生的离心力使叶顶处的静压力高于叶根处。反动度沿叶片高度的变化，可近似地用下式计算此处：-动叶平均直径；h-为自叶根起始的高度。对于冲动级，为不使隔板漏汽干扰动叶进口的主流场，叶根处设一定大小(如0.03～0.05)的反动度，使叶根处处于微漏汽状态。在此设计原则下，冲动级的平均反动度将随叶片高度增大而增大。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计1.3.5斜切部分膨胀与超音速　汽轮机弯曲型渐缩叶栅通道，在喉部后形成斜切出口通道，将此称为斜切部分。它的存在极大地改变了叶栅通道的流动特性。在背压不大于临界压力时，斜切部分仅起到流动的导向作用，汽流沿喉部截面的法线方向流出。但当背压低于临界压力时，A点的压力突变产生扰动，以音速向BC边传播，形成以A为原点的一束特性线，其前锋到达D点；这样，AD线上即为背压。在AB与AD间的压差作用下蒸汽在ABD所构的渐扩形流道中继续膨胀增速，使之达到超音速状态，并且流动转向。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计　蒸汽在斜切部分膨胀使比容增大，必然导致汽流方向发生偏转来增大通流面积，偏转角的大小由喉部截面和斜切部分膨胀截面的连续性方程求得。即:喉部：斜切膨胀出口：偏转角计算关系：第三讲最大流量与叶栅几何参数设计　蒸汽在斜切部分的膨胀程度取决于背压。当特性线的前锋与AC重合，斜切部分的膨胀能力全部用完，即斜切部分达到极限膨胀，此时的喷嘴后压力称为极限膨胀压力。其后背压如果继续降低，就会出现在斜切部分外发生膨胀的膨胀不足现象。很明显，极限膨胀压力与喷嘴出口几何角有关，越小，斜切部分的膨胀能力越强，则极限膨胀压力就越低。理论计算表明：极限膨胀压力与的关系为：　蒸汽在斜切部分膨胀，不采用缩放流道即可获得超音速汽流，微小的汽流偏转角(通常1～2）并不产生显著的动能损失。在汽轮机中用渐缩型斜切流道代替缩放型流道，既简化了制造，又提高了效率。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计1.3.6蒸汽通过喷嘴时的流动分析小结第三讲最大流量与叶栅几何参数设计当初参数一定时，逐渐降低背压，出口汽流速度和流量增大。在背压降至临界压力时，其后流量不再增大，但出口汽流角偏转而增大；在背压降至极限膨胀压力时，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计算时，特别要注意判别是否达到临界。第三讲最大流量与叶栅几何参数设计1.3.7本讲小结本讲所涉教材内容PP10～13、PP27～30基本概念流量系数、临界压比、最大流量、流量比系数(即彭台门系数)、部分进汽度、盖度。基本原理最大流量、椭圆公式、斜切部分膨胀、反动度的实现基本公式流量公式、最大流量、椭圆公式强化掌握流量计算、叶栅几何参数设计、不同压比下流速、流量和出口汽流角的变化规律。第三讲结束