汽輪機(jī)級(jí)的工作原理

第一章汽輪機(jī)級(jí)的工作原理主要內(nèi)容一、級(jí)的概念二、汽輪機(jī)的沖動(dòng)作用原理和反動(dòng)作用原理三、反動(dòng)度和級(jí)的類型四、級(jí)的輪周功率和輪周效率五、汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)損失和級(jí)效率一、級(jí)的概念汽輪機(jī)本體中做功氣流的通道稱為汽輪機(jī)的通流部分。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。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0－0截面：噴管進(jìn)口截面；1－1截面：噴管與動(dòng)葉之間截面(噴管出口、動(dòng)葉進(jìn)口)；2－2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)械功二、蒸汽的沖動(dòng)作用原理和反動(dòng)作用原理1、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。最簡(jiǎn)單的單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1－1。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：動(dòng)葉出口速度三角形：－噴管出口速度（動(dòng)葉進(jìn)口絕對(duì)速度）－動(dòng)葉平均直徑處的圓周速度－動(dòng)葉進(jìn)口的相對(duì)速度－動(dòng)葉出口的絕對(duì)速度－動(dòng)葉出口相對(duì)速度2、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。在反動(dòng)式汽輪機(jī)中，蒸汽不僅僅在噴管中產(chǎn)生膨脹，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：

①由靜葉出口的高速蒸汽沖擊動(dòng)葉產(chǎn)生沖動(dòng)力Fi②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

（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（二）汽輪機(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)分成軸流式和輻流式兩種。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)

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)

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)度的級(jí)稱反動(dòng)級(jí)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，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。2、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)：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)。3、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)，可以全周進(jìn)汽，也可以部分進(jìn)汽。

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。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返回（一）蒸汽作用在動(dòng)葉片上的力和輪周功率周向分力Fu軸向分力Fz總作用力Fb1、蒸汽作用在動(dòng)葉片上的力FuFzFb2、輪周功率輪周功率Pu：?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：級(jí)的作功能力Pu1：

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E0--級(jí)的理想能量，它包括熱能和動(dòng)能兩部分（三）速比速比：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

返回（一）級(jí)內(nèi)損失級(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

1、葉柵損失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。⑴

葉型損失①附面層中的摩擦損失②附面層分離時(shí)的渦流損失③尾跡損失⑵

葉端損失

①端部附面層中的摩擦損失

②二次流損失⑶沖波損失葉柵中汽流產(chǎn)生沖波時(shí)突然被壓縮所產(chǎn)生的能量損失2、余速損失蒸汽在動(dòng)葉柵中做功后，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。3、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。4、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。5、部分進(jìn)汽損失

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。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。部分進(jìn)汽損失

①鼓風(fēng)損失當(dāng)e<1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。②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。7、濕汽損失

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)中存在著濕氣損失，這是因?yàn)椋?/p>

(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。

(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。（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。

(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。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