1.4叶栅的气动特性

一、叶栅的几何参数和汽流参数 汽轮机叶栅的分类：冲动式叶栅、 汽轮机叶栅的分类：冲动式叶栅、反动式叶栅
反动式叶栅
冲动式叶栅
反动式叶栅
喷嘴叶栅、反动度较大的动叶栅，叶栅前后 喷嘴叶栅、
有静压差，汽道宽度由进口到出口显著缩小。 有静压差，汽道宽度由进口到出口显著缩小。汽 流改变方向并加速。 流改变方向并加速。 冲动式叶栅
§1.4 叶栅的气动特性 叶栅的气动
流动损失： 流动损失：喷嘴损失和动叶损失 汽轮机叶栅的气动特性一般是在风洞里用平 面叶栅由空气吹风试验获得的。 面叶栅由空气吹风试验获得的。 试验中各项参数变动相当大， 试验中各项参数变动相当大，所以结果不但 是叶栅的设计工况特性，也包括变工况特性。 叶栅的设计工况特性，也包括变工况特性。 叶栅能量损失：叶型损失、 叶栅能量损失：叶型损失、端部损失 决定因素：叶栅的几何参数、 决定因素：叶栅的几何参数、汽流参数
3.尾迹损失 尾迹损失 叶型出口边有厚度⊿ 叶型出口边有厚度⊿，使背面和腹面的汽流不 能立刻汇合而形成充满涡流的尾迹区。 能立刻汇合而形成充满涡流的尾迹区。 尾迹区汽流压力和速度与主流相差很大， 尾迹区汽流压力和速度与主流相差很大，均匀 后速度低于主流速度，气流动能损失。 后速度低于主流速度，气流动能损失。 ∆ (a为汽道喉部截面的宽度 ，成 为汽道喉部截面的宽度)， 尾迹损失与 为汽道喉部截面的宽度 正比。减小出口边厚度，减小尾迹损失。 正比。减小出口边厚度，减小尾迹损失。
腹面附近：形成补偿流动， 腹面附近：形成补偿流动，所造成的损失为 补偿流动损失。 补偿流动损失。 背面附近：附面层增厚、脱离形成漩涡， 背面附近：附面层增厚、脱离形成漩涡，对 涡损失，所占比重较大。 涡损失，所占比重较大。 端部损失 = 摩擦损失 + 补偿流动 + 对涡 损失
（二）影响端部损失的因素 喷嘴叶栅损失系数ξ 叶栅损失系数 ：喷嘴叶栅损失系数 n 或 动 叶叶栅损失系数ξ 叶叶栅损失系数 b 沿叶高不变的叶型损失系数ξ 沿叶高不变的叶型损失系数 p，沿叶高变化 的端部损失系数ξ 之间的关系 之间的关系： 的端部损失系数 e,之间的关系： ξn=ξp+ξe 影响端部损失的因素：叶型、相对节距、 影响端部损失的因素：叶型、相对节距、安 装角、进汽角等。 装角、进汽角等。
2.相对节距 t 的影响 相对节距 直接影响叶栅汽道的形状和汽流的出口角， 直接影响叶栅汽道的形状和汽流的出口角， 因此影响叶型的压力分布和附面层的性质。 因此影响叶型的压力分布和附面层的性质。 存在一最佳的相对节距 最佳的相对节距， 存在一最佳的相对节距， 增大：汽流受腹面约束减弱， 增大：汽流受腹面约束减弱，背面出口扩压 范围和程度增大，流动恶化，叶型损失增加； 范围和程度增大，流动恶化，叶型损失增加； 减小：单位流量的摩擦面增加。 减小：单位流量的摩擦面增加。出口边的相 对厚度增大，增加尾迹损失，叶型损失增加。 对厚度增大，增加尾迹损失，叶型损失增加。
Ma>最佳值，背弧上产生超音速汽流，产生 最佳值，背弧上产生超音速汽流， 最佳值 冲波，引起冲波损失，虽摩擦损失减小， 冲波，引起冲波损失，虽摩擦损失减小，但数 值上不能弥补冲波损失，叶型损失增加。 值上不能弥补冲波损失，叶型损失增加。 马赫数与汽流出口角的关系曲线， 马赫数与汽流出口角的关系曲线，见图 1.4.12 Ma>1,斜切部分产生偏转，汽流出口角很快 斜切部分产生偏转， 斜切部分产生偏转 增加。总的来说， 增加。总的来说，马赫数对汽流出口角的影响 不大。 不大。
（二）影响叶型损失的因素 1.进汽角 α 0 ( β1 ) 的影响 进汽角 反动式叶栅：进汽角的变化， 反动式叶栅：进汽角的变化，压力曲线的变 化不大，叶型损失系数变化不大，往减小方向变 化不大，叶型损失系数变化不大， 正冲角）产生的影响大于往增加的方向（ 化（正冲角）产生的影响大于往增加的方向（负 冲角）。 冲角）。 冲动式叶栅：压力变化对进汽角的变化敏感。 冲动式叶栅：压力变化对进汽角的变化敏感。 进汽角减小，叶型背面的进口段出现更大的扩压 进汽角减小， 叶型损失迅速增加。 段，叶型损失迅速增加。 叶栅的前缘半径越小，冲角特别是正冲角所 叶栅的前缘半径越小， 造成的损失越严重，采取叶栅前缘相对半径大。 造成的损失越严重，采取叶栅前缘相对高度 l = l / b (a) 等于极限高度，上下两端的漩涡刚好汇 等于极限高度， 合 (b) 大于极限高度，端部损失的绝对值不随 大于极限高度， 的增加而变化， 的增加而变化，可见端部损失在总损失中占 l 增大而减小。 的比例随 l 增大而减小。 (c) 小于极限高度，端部损失的的相对值和 小于极限高度， 绝对值相增大。 绝对值相增大。
冲动式动叶栅、导向叶栅，叶栅前后有静压 冲动式动叶栅、
差近似相等，汽流改变方向，基本不加速。 差近似相等，汽流改变方向，基本不加速。为了 减少流动损失，采用一定的反动度， 减少流动损失，采用一定的反动度，汽道略有收 缩。
叶栅分类 叶栅按喷嘴出口、动叶进口的马赫数分为： 叶栅按喷嘴出口、动叶进口的马赫数分为：亚 音速(Ma<0.8)，跨音速 ，跨音速(0.8≤Ma≤1.2) 超音速 音速 (Ma>1.2)叶栅 叶栅 叶栅的几何参数： 叶栅的几何参数： 平均直径d 叶片高度l、叶栅节距t、 平均直径 m、叶片高度 、叶栅节距 、叶栅宽 和出口宽度a 度B、叶栅通道进口宽度 和出口宽度 1 和a2， 、叶栅通道进口宽度a和出口宽度 叶型弦长b和出口边厚度 和出口边厚度⊿ 叶型弦长 和出口边厚度⊿。
缘点的切线与叶栅前额线的夹角， 缘点的切线与叶栅前额线的夹角，只随安装角不同 而改变，与汽流无关。 而改变，与汽流无关。
汽流冲角： 汽流冲角： θ ：叶型几何进口角与汽流进口角之 θ = α 0 g − α 0 , θ 1 = β 1g 。β 1 − 差 正冲角：叶型几何进口角>汽流进口角 正冲角：叶型几何进口角 汽流进口角 负冲角：叶型几何进口角<汽流进口角 负冲角：叶型几何进口角 汽流进口角 叶型几何出口角： α 和β 叶型几何出口角： 1g 2g 汽流参数：叶栅进口汽流的绝对速度和相对速度， 汽流参数：叶栅进口汽流的绝对速度和相对速度， 喷嘴叶栅和动叶栅的压比、汽流马赫数、 喷嘴叶栅和动叶栅的压比、汽流马赫数、汽流雷诺 速比等。 数、速比等。
四、叶栅的汽流出口角 相对节距和安装角的增大都会导致出口汽 相对节距和安装角的增大都会导致出口汽 流角的增大。 流角的增大。 相对节距大时， 相对节距大时，叶栅汽道对汽流的导向作 用减弱； 用减弱； 汽道斜切部分增大， 汽道斜切部分增大，背面的扩压段和扩压 程度增大，附面层增厚，并可能脱离。 程度增大，附面层增厚，并可能脱离。 冲汽角一般对汽流出口角的影响不大 一般对汽流出口角的影响不大， 冲汽角一般对汽流出口角的影响不大，只 有冲动式的正冲角增大， 有冲动式的正冲角增大，才使叶栅的压力分布 明显恶化。 明显恶化。
1.表面附面层中的摩擦损失 表面附面层中的摩擦损失 决定因素：叶栅表面的粗糙度、 决定因素：叶栅表面的粗糙度、压力 分布。 分布。 汽流加速快，附面层减薄， 汽流加速快，附面层减薄，摩擦损失 小。冲动式叶栅的摩擦损失大于反动式叶 栅。
2.附面层脱离引起的涡流损失 附面层脱离引起的涡流损失 汽流加速度降至零以致变为减速时， 汽流加速度降至零以致变为减速时，如扩压 附面层迅速增厚产生涡流。 断，附面层迅速增厚产生涡流。
无因此值： 无因此值： 相对节距： = t / b ， 相对高度：l = l / b 相对节距： 相对高度： t 相对长度(径高比 相对长度 径高比) ：θ = d / l 径高比 叶栅的安装角： 叶栅的安装角： s 和β s ：叶栅额线与叶弦之间 α 的夹角。 的夹角。 ，
α 叶型几何进口角： 叶型几何进口角： 0 g 和β 1g ：叶栅的中弧线在前
五、马赫数对叶栅特性的影响 气体的可压缩性对叶栅特性的影响。 气体的可压缩性对叶栅特性的影响。图 1.4.12 Ma>0.3~0.4存在一个叶型损失系数最小的 存在一个叶型损失系数最小的 最佳马赫数。 最佳马赫数。 Ma<最佳值：随Ma增加，汽流压力降落的 最佳值： 增加， 最佳值 增加 速度增加，附面层减薄，摩擦损失减小。 速度增加，附面层减薄，摩擦损失减小。
力的来源；
进口到出口的压力降不均匀， 进口到出口的压力降不均匀，进口段下降较 而后放慢， 快，而后放慢，在斜切部分背弧上压力又迅速 降低，其后有一个扩压段，扩压段出现将使附 降低，其后有一个扩压段，扩压段出现将使附 面层增厚，甚至产生汽流脱离， 面层增厚，甚至产生汽流脱离，使叶型损失增 加。
（一）叶型损失的机理 叶型损失包括： 叶型损失包括： 叶型表面附面层中的摩擦损失 附面层脱离产生的涡流损失 叶片出口边尾迹中的涡流损失(尾迹损失) (尾迹损失) 尾迹损失 近音速和超音速汽流产生的冲破损失。
pi − p1 p= 压力系数： 表示测点处压差( 压力系数： ρ1t c12t 表示测点处压差 2 0
pi − p1)
在总压差( 中所占的份额。 在总压差 p 0 − p1 )中所占的份额。 中所占的份额
总结：叶栅汽道内的压力分布不均匀； 总结：叶栅汽道内的压力分布不均匀； 内弧压力总是大于背弧的压力； 内弧压力总是大于背弧的压力； 横向压力梯度——汽流绕背弧曲线运动所产 汽流绕背弧曲线运动所产 横向压力梯度 生的离心力所致， 生的离心力所致，这也是汽流对叶栅的轮周推
二、叶型损失 叶型损失： 叶型损失：平面气流绕流叶栅时产生的能量 损失。 损失。 和图1.4.3是反动式叶栅和冲动式叶栅 图1.4.2和图 和图 是反动式叶栅和冲动式叶栅 在一定的相对节距和进口条件下的叶栅压力分布曲 线。 分析叶栅轮周力的来源和叶型损失的机理。 分析叶栅轮周力的来源和叶型损失的机理。
三、端部损失 (一) 端部损失的机理 一 实际汽轮机级中，叶栅装有围带， 实际汽轮机级中，叶栅装有围带，汽流通道 上下端面上由于蒸汽的粘性形成的一层很薄的 附面层，形成了端部附面层中的摩擦损失。 附面层，形成了端部附面层中的摩擦损失。 上下端面附面层中的汽流速度相对很小， 上下端面附面层中的汽流速度相对很小，离 心力不足以抵消横向压力差， 心力不足以抵消横向压力差，产生腹面向背面 的横向流动，通常称为二次流或次流 二次流或次流。 的横向流动，通常称为二次流或次流。