第二章 汽轮机级内能量转换过程
汽轮机原理 第二章 汽轮机级内能量转换过程
2.1 蒸汽在喷嘴中的流动过程
Gn Gnc
2 k 1 2 k k n n k 1
Gn Gnc
An An
2 k 1 2k 0 0 k p0 0 n n k k 1
2 k k 1
k 1 k 1
m 0.05 ~ 0.30
反动级： 反动度 m 0.5 的级称反动级 复速级： 由固定的喷嘴、导叶和安装在同一叶轮上的两列动叶组成的 级称为复速级
第一节 汽轮机级的基本概念 纯冲动级 反动度 m 0 级称纯冲动级
1.3 级的类型和特点
特点：
①只在喷嘴中膨胀，在动叶中不膨 胀，转换过程
第二章 汽轮机级内能量转换过程
•第一节 汽轮机级的基本概念 •第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程
•第三节 级的轮周功率和轮周效率
•第四节 叶栅的气动特性 •第五节 级内损失和级的相对内效率
•第六节 级的热力设计原理
•第七节 扭叶片级
第二章 汽轮机级内能量转换过程
度 c 上升， p 下降，在某一截面上汽流速度 c=a ， Ma=1 ，此状态叫临
界状态，此截面叫喉部。临界压力p1c，临界速度c1c。 临界压力p1c与滞止压力p00之比，叫临界压比ε
p1c 2 kk nc 0 ( ) 1 p0 k 1
nc
。
p0 c0
喉部 p1 p1c c1c Y 临界状态
一、蒸汽在喷嘴中的流动过程 蒸汽在喷嘴（静叶）中的流动过程的特点：
(1)蒸汽在喷嘴中把热能转换成动能，并获得一定的方向；
(2)喷嘴固定在汽缸上，是静止的，不对外做功，w=0。
第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 （一）喷嘴出口汽流速度 由能量方程：
汽轮机做功原理公式解释
1 汽轮机做功原理公式解释汽轮机能量转换过程中，由于存在各种损失，其理想焓降t H ∆不能全部转换为有用功，所以变为有用功的有效焓降i H ∆，总是小于理想焓降t H ∆，两者之比称为汽轮机的内效率ri η。
即：iri tH H η∆=∆ 汽轮机的内功率i N 正比于蒸汽流量0D （kg/h ）与有效焓降i H ∆的乘积，故：0036003600i t rii D H D H N η∆∆==g g g由于存在机械损失，汽轮机轴端功率ax N 为：ax N =03600t ri axi ax D H N ηηη∆=g g g ；ax η为机械效率以轴端功率带动发电机时，要考虑发电机效率el η，故发电机出线端功率el N 为：03600t ri ax elel ax el D H N N ηηηη∆==g g g g当令ax el αηη=g时，最后便得到汽轮机带动发电机的出线端功率为： 03600t riel D H N ηα∆=g g2 初温0t 对汽轮机功率i N 的影响当锅炉热耗量Q 不变的条件下，讨论蒸汽初温与汽轮机功率的变化关系： 由功率方程式：036003600()t ri t rii fw D H Q H N h h ηη∆∆==-g g g g已知，D ：汽轮机进汽量； t H ∆：理想焓降；ri η：内效率； Q ：锅炉吸收热量；0()fw Q D h h =-g0h ：进汽焓值；fw h ：出口焓值；可知，由于初温变化引起的功率增量为：00002000000123[]3600()ri t t ri t ri i fw fw fw H H h H QN t t t h h t h h t h h t ηηη∂∆∆∂∆∂∆=∆-∆+∆-∂-∂-∂1444244431444244431442443或：000000132111(]i t rii t fw ri N H h t N H t h h t t ηη∆∂∆∂∂=-+∆∆∂-∂∂1424314243142431：表示因焓降改变所引起功率的变化；tH t ∂∆∂可直接由焓熵（h-s ）图查得；或者把蒸汽作为理想气体，用下述公式求得：1200[1()]1k k t p kH RT k p -∆=--12000[1()]1k t t k H H p kRt k p T -∂∆∆=-=∂- 其中，k ：绝热系数，对于过热蒸汽k =1.3； R ：通用气体常数，R =461.76(J/(kg .K))； 0T ：绝对温度（K ），00273T t =+； 2p ：排气压力； 0p ：初压；2：表示热耗一定，初温（初焓）升高后，蒸汽流量减小引起的功率变化；h t ∂∂可由焓熵（h-s ）图查得；对过热蒸汽00p h c T =g，p c =0h t ∂∂；p c 为定压比热容(J/(kg .K))； 3：表示初温变化时汽轮机效率改变引起的功率变化，它对非再热凝汽式汽轮机不可忽略。
汽轮机原理-蒸汽在级内的流动过程
2.2 蒸汽在级内的流动过程
3. 喷嘴中汽流的临界状态
压力、焓降、截面积、汽流速度、音速、比容沿流动的变化规律
11
2.2 蒸汽在级内的流动过程
4. 喷嘴流量计算 （1）喷嘴的理想流量Gt 计算
喷嘴的理想流量 Gt 可用下式计算:
式中，An 为喷嘴出口处G截t 面 A积n ，vc11tt (m) ; c1t 为喷嘴出口处理想汽流
汽轮机原理 Principle of Steam Turbine
主讲老师：密腾阁
适用专业：能源与动力工程专业
2.2 汽轮机级内能量转换过程
一、级内模型的简化和基本方程式
1．模型常用简化假设
实际过程 粘性流体 三元流动 可压缩性
不绝热 不稳定过程
简化过程 理想流体 一元流动 有时假设为不可压缩流体
绝热 稳定过程
（3）喷嘴损失
蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失
称为喷嘴损失，用 hn表 示 ：
hn
1 2
(C12t
1 2
C12
1 2
C12t
(1
2
)
(1 2 )hn*
喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数，用 n 表示：
n
hn
hn*
(1 2 )
9
2.2 蒸汽在级内的流动过程
切部分的渐缩喷嘴，汽流在斜切部分可达到超声速。
c. 临界速度
ccr
k pcr
cr
2k p*0
k 1 0*
k
cr
pcr p0*
2 k 1 k 1
对过热蒸汽 k=1.3，
汽轮机基本工作原理简介
汽轮机基本工作原理简介通流部分－汽轮机本体做功汽流通道称为汽轮机的通流部分，它包括主汽门，导管，调节汽门，进汽室，各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。
汽轮机的级－是由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成的工作单元。
级的工作过程－蒸汽在喷嘴中降压增速，热力学能转变为汽流的动能；在动叶中一方面继续降压增速，热力学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。
前者属于反动能，后者属于冲动能级的工作过程蒸汽膨胀增速的条件－－是有合理的汽流通道结构，另一是蒸汽需具有一定的可用热能且有压差存在速度三角形：C:汽流的绝对速度 W:相对速度 U:圆周速度:旋转平面与 W 的夹角:旋转平面与 C 的夹角动叶进口速度三角形 ： W1=C1－u动叶出口速度三角形： W2=C2+u热力过程分析热力过程线――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。
用后上标为”0”来表示。
βα反动度——或反动率,表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度,定义为动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比,用Ω来表示。
即：00b m tn bh h hh h ∆∆Ω=≈∆∆+∆级的类型和特点纯冲动级――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。
因压降主要●发生在静叶栅通道中,故又称为压力级。
反动级――Δhn=Δhb=Δht，动静叶中焓降相等.●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――膨胀主要发生于喷嘴中,一般Ω＝0.05～0.30复速级――由固定的喷嘴叶栅、导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅所组成的级称为复速级，又称双列速度级。
级的轮周功率和轮周效率轴向蒸汽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Az ，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。
汽轮机--简单提纲
能源科学导论第二章能量的转换与储存
❖ 热力学第一定律揭示在能量转换和传递过程 中能量在数量上必定守恒。
❖ 热力学第二定律指出在能量转换和传递过程 中，能量在品质上必定贬值。
❖ 是两条互相独立的基本定律，一切实际过程 必须同时遵循这两条基本定律。
❖ 提高能量的有效利用，其实质就是在于防止 和减少能量贬值发生。
3 能量转换的效率
❖ 根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续 地、完全地转换为任何一种其他形式的能量。
常用的气体燃 烧器有扩散式 燃烧器；另一 种是预混式燃 烧器；此外还 有一种部分预 混式燃烧器，
简单的扩散式燃烧器
煤的燃烧室 层燃 燃（ （粉 层状 状燃 燃烧 烧） ） 燃烧方式油的燃烧内 外燃 燃
气体燃料的燃烧燃 容烧 器器 内燃 燃烧 烧
第三节 热能转换为机械能或电能
概述
❖ 将热能转换为机械能是目前获得机械能 的最主要的方式。
说明了能量“量”的多少，和能量之间的关 系
❖ 热力学第一定律：能量守恒 ❖ 系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功
第一类永动机
❖ 永动机是一类想象中的不需外界输入能源、 能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断 运动并且对外做功的机械。
❖ 某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而 向外放热或作功，这叫“第一类永动机”。 这种机器不消耗任何能量,却可以源源不断的 对外做功。
能量=火用+火无
❖ 火用：有用能或有效能，指在给定环境条件下， 可以连续地完全转化为任何一种其他形式的能量。
❖ 火无：无用能或无效能，指不可转换的 能量。
各种不同形式的能量，按其转换能力可分为三 大类：
（1）无限转换能（全部转换能），如电能、 机械能、水能、风能、燃料储存的化学能等；
《汽轮机原理及运行》思考解答题
列冲动级大。
2． 说明冲击式汽轮机级的工作原理和级内能量转换过程及特点。
解答：蒸汽在汽轮机级内的能量转换过程，是先将蒸汽的热能在其喷嘴叶栅中转换为蒸汽所具有的动能，然后再将蒸汽的动能在动叶栅中转换为轴所输出的机械功。具有一定温度和压力的蒸汽先在固定不动的喷嘴流道中进行膨胀加速，蒸汽的压力、温度降低，速度增加，将蒸汽所携带的部分热能转变为蒸汽的动能。从喷嘴叶栅喷出的高速汽流，以一定的方向进入装在叶轮上的动叶栅，在动叶流道中继续膨胀，改变汽流速度的方向和大小，对动叶栅产生作用力，推动叶轮旋转作功，通过汽轮机轴对外输出机械功，完成动能到机械功的转换。由上述可知，汽轮机中的能量转换经历了两个阶段：第一阶段是在喷嘴叶栅和动叶栅中将蒸汽所携带的热能转变为蒸汽所具有的动能，第二阶段是在动叶栅中将蒸汽的动能转变为推动叶轮旋转机械功，通过汽轮机轴对外输出。
当级组前蒸汽温度变化不大时，可进一步简化为：
或
13. 弗留盖尔公式应用的条件有哪些？
解答：弗留盖尔公式的应用条件是：要求级组内的级数较多；各级流量相等；变工况时各级通流面积不变；如果级组中某一级后有抽汽，只要抽汽量随进汽量的变化而按比例变化，各级蒸汽流量按比例变化的条件下，弗留盖尔公式仍然成立。
《汽轮机原理及运行》思考解答题
第一章 汽轮机的热力特性思考题答案
1． 什么是汽轮机的级？汽轮机的级可分为哪几类？各有何特点？
解答：一列喷嘴叶栅和其后面相邻的一列动叶栅构成的基本作功单元称为汽轮机的级，它是蒸汽进行能量转换的基本单元。
根据蒸汽在汽轮机内能量转换的特点，可将汽轮机的级分为纯冲动级、反动级、带反动度的冲动级和复速级等几种。
汽轮机级内能量转换过程
（5）反动度变化规律的：
rr 1 1 r r
2
cos 1r sin 1r
2 2
1 1 r rr r
2
各项参数变
化规律
汽流速度与压力变 化关系示意图
3、等环量级的特点：
（二）、等α 1角流型：
1 k 1
c1c、v1c 及c1、v1分别为喷嘴喉部（临界条件处）
三、蒸汽在动叶中的流动：
m
（一）反动度
m ：
冲动级与反动级的区别： 冲动级： m =0.05~0.3
反动级：m =0.4~0.6
（二）蒸汽在动叶中的热力过程：
由于结构上的相似，导致蒸汽在动 叶中的热力过程与喷嘴中的热力过程也相似。 区别在于喷嘴是静止的，而动叶是转动的， 如果以相对速度讨论，则动叶内就适用喷嘴 的全部结论了。
2、附面层分离引起的涡流损失： 3、出口边的尾迹损失：
4、冲波损失：
（二）、端部损失： 1、端部附面层磨檫损失： 2、二次流损失：
三、影响叶栅损失的因素：
（一）、影响叶型损失的因素： 1、相对节距的影响： 2、安装角的影响： 3、汽流角和冲角的影响： 4、马赫数的影响： 5、雷诺数的影响： 6、叶型几何参数的影响：
（2）动叶进汽角变化规律的：
tan 1 tan 1r
r rr
1 ur r c1ur rr
2
（3）动叶出汽角变化
规律的：
tan 2 tan 2 r
2ur
（4）动叶出口方向角
ur
1 r rr rr rr r r
变化规律的：
c 2 z c 2ur r c 2z tan 2 tan 2 r c 2u c 2u c 2ur rr
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的滞止压力。 、 和
分别为级的滞
止焓降、喷嘴的滞止焓降、动叶的焓降。
h Δh’b Δhb
p2 2
hn* (1 m )ht* hb mht*
s
三 冲 动 级 和 反 动 级在第 7 页补上字母
（一） 冲 动 级 的 三 种 不 同 形 式
1，纯冲动级
通常把反动度 等于零的级称为纯冲动级。对于纯冲动级来
c 1口容若式，处用中喷，（截，嘴2面喷（-的1积嘴n2理ma，的)想/p表理1流(示m想kp量)0流q;G称量)tc计。为G11t，算喷tt 又可嘴有-用前--连后-续压喷v1方力1t嘴程比出v计 。1口0* 算(处pp:10*理),G1k想则t汽上流式A速n为度vc，11Gtt (1 m/(sA2)n--;-kv2-11kt81
cr =0.577 .Fra bibliotek（二）喷嘴出口汽流速度
喷嘴的作用是让蒸汽在其通道中流动时膨胀加速，将热能转变为动能。喷嘴是静止的，蒸汽流过时，不
对外作功，W = 0；同时与外界无热交换，q = 0。根据能量方程式
，则
h0
1 2
C02
h1
1 2
C12
(2-- 11)
对于过热蒸汽，可近似看做理想气体，则上式为：
等于蒸汽在动叶通道中膨胀时的焓降
和在整个级的理想焓降
之比，即
0* p0*
m
hb ht*
hb hn* hb
(1 - 1)
p0 0'
称为级的平均反动度，即平均直径上
Δhn*
的反动度。蒸汽通过级的热力过程曲线用
Δht*
p1
图 1-3 表示。其中， 、 、 分别为喷嘴
1
前、动叶前、后的蒸汽压力， 为喷嘴前
1 . 连 续 方 程 式 G cA
2. 能 量 方 程 式
h0
c02 2
q
h1
c12 2
W
3 . 状 态 及 过 程 方 程 式 pv RT pvk const.
4 . 动 量 方 程 式 cdp R1dk cdc cdc -vdp
5. 气 动 方 程 式
a k p kvp
M c a
或者为
c1t
k 1
2k k 1
p0 v 0
1
p1 p0
k
c02
c1t—蒸汽流出喷嘴出口的理想速度（m / s ) h1t —蒸汽按等熵过程膨胀的终态焓（J/kg )
图 1-7 中， hn h0 h1t 称为喷嘴的理想焓降。为了方便，引用滞止参数，滞止焓值为：
把相应的滞止参数 p0*、v 0*、h0* 代入
第二节 蒸汽在级内的流动过程
一 基本假设和基本方程式
流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性、非连续性和不稳定三元流的实际流体。为了研究方便，特作假设： 1 .蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的：即在流动过程中，通道中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变。 2. 蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时，其参数只沿流动方向变化，而在 与流动方向相垂直的截面上不变化。 3. 蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动：即蒸汽在叶栅通道中流速很快，流动时与外界没有热交换。 基本方程式：说明：这些基本方程式在《能源动力装置基础》一书中讲过，不过多重复。
第二章 汽轮机级内能量转换过程
第一节 汽轮机级的基本概念
一 汽 轮 机 的 级 、级内能量转换过程 1，汽轮机的级：是由一组安装在喷嘴汽室或隔板上的静叶栅和一组安装在叶轮上的动叶栅所组成，它 是汽轮机作功的最小单元。 2，级内能量转换过程：具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在静叶栅通道中得到膨胀 加速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时 又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。
4，反动级：当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向， 同时还要膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动力，后 者会对叶片产生一个反作用力，即反动力。蒸汽通过这 种级，两种力同时作功。
蒸汽对动叶栅的作用力
二 反 动 度（在第 6 页补上字母）
为了描述蒸汽通过汽轮机某一级时在动叶通道中的膨胀程度大小，通常用反动度 来描述。反动度
v0* vc r
(
pc r p0*
1
)k
，
则上式为
pcr
p0*
(
k
2
) 1
k k 1
上式表明，临界压力只与蒸汽指数 k 和初压有关。临界压力与初压之比称为临界压力比，用 cr 表示：
n
pcr p0*
(
2
k
) k 1
k 1
( 1 ---24 )
对于过热蒸汽（k=1.3)则 cr =0.546；对于饱和蒸汽（k =1.135 )则
)式中，An
---- 喷 嘴
p0*
v
* 0
2
(
k n
k 1
nk )
---- 喷嘴出 出口处比
( 2 －20 )
2，喷嘴流量曲线
对于式(2-20），当喷嘴前的参数 p0*、v0* 和喷嘴出口截面积
An 一定时，通过喷嘴的流量 Gt
只取决于喷嘴前后压力比。它们的关系如图 1-11 中 ABC 曲线所
示。当压力比从 1 逐渐缩小时，流量逐渐增加，当喷嘴前后压
说， = 、 = 0 、 =
，蒸汽流出动叶的速度 C 具
有一定的动能，由于未被利用而损失，称为余速损失，用
表示。
2 ，带反动度的冲动级
为了提高级的效率，通常，冲动级也带有一定的反动度（ = 0.05
的冲动级，它具有作功能力大、效率高的特点。
0.20 ) ，称为带反动度
冲动式汽轮机的结构特点：因为汽流在动叶栅内膨胀量较少，所以动叶栅的截面形状是近似对 称的。因为动叶栅前后压力相差较小，没有太大的轴向力作用在转子上，所以冲动式汽轮机可以采用质 量轻，结构紧凑的轮盘式转子。同样可以采用较大的径向间隙，从而提高汽轮机运行的灵活性。但是喷 嘴叶栅前后存在较大的压力差，为了减少喷嘴叶栅与轴之间间隙的漏汽量，要尽量减小间隙的直径，所 以设计为隔板结构，把喷嘴装在隔板的外环上，在隔板的内孔装有汽封片。 3. 复 速 级
华中科技大学 能源与动力工程学院
0* p0* p0
0'
汽轮机低压转子（含动叶栅）
Δhn* Δht*
h Δh’b
p1
1
p2 Δhb
2
s
3，冲动级：当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离 心力，离心力作用于叶片上，被称为冲动力。这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于蒸汽微团流进、 流出动叶通道时其动能的变化量。
3，通过喷嘴的实际流量的计算
n
通过vv喷11t 嘴称的为实喷际嘴流流量量为系：G数。 对A于n vc过11 热蒸A汽n ，vc取11t
v1t v1t
n
v1t v1
Gt
Gt
( 2-24 )式中，
= 0.97；对于饱和蒸汽，取 n = 1.02。
考虑了流量系数之后，通过喷嘴的临界流量为：
对于过热蒸汽： Gcr 0.647 An
蒸汽在喷嘴中膨胀，到某一截面汽流速度等于当地音速，此时的流动状态为临界状态，参数为
临界参数，用 pcr、vcr、ccr 等表示。 则临界速度为： ccr
k
2
1
a0*
2k k 1
p
* 0
/
* 0
(2-9)
2，临界压力 根据 (2--9),临界压力为：
pcr
( k
2
) 1
p0*
cr *
0
对于等熵膨胀过程来说，有
（二）反 动 级
通常把反动度 = 0.5 的级称为反动级。对于反动级来说，蒸汽在静叶和动叶通道的膨胀程度
基本相同，即
hb
hn*
1 2
ht*
p1 p2
反动级在冲动力和反动力同时作用下作功。反动级的效率比冲动级高，但作功能力小。
反动级汽轮机特点：喷嘴叶栅和动叶栅可以采用相同的叶型，构成相似的喷嘴叶栅和动叶栅通道，因而 可以降低汽轮机的制造成本。因为在动叶片前后存在较大的压力差，为了减小汽流对转子作用的轴向力， 反动式汽轮机采用转鼓式结构，没有叶轮。喷嘴叶片直接安装在汽缸内壁，使级的轴向尺寸减小。但粗 大的转鼓式转子质量大，启动时热惯性大，增加了暖机时间而影响到汽轮机运行的机动性。为了减少蒸 汽漏泄量应尽量减小径向间隙。为了平衡轴向推力，还设置了平衡活塞。反动级因动叶片前后存在压力 差，为了避免过大的级内损失，一般不采用部分进汽，而采用全周进汽。
由一组喷嘴静叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅及一组介于第一、二列动叶栅之间、固定在 汽缸上的导向叶栅所组成的级，称为复速级。第一列动叶栅流出汽流的流速还相当大， 为了利用这一部分动能，在 第一列动叶栅之后装上一列 导向叶栅以改变汽流的方向， 使之顺利进入第二列动叶栅 通道继续作功。复速级也采 用一定的反动度。 复速级具有作功能力大的特点。
p0* v0*
对于饱和蒸汽： Gcr 0.648 An
p0* v0*
另外，还可以用单一的计算公式计算理想流量： Gt 0.648An
p0*
v
* 0
(2---- 27）
其中，β称为彭台们系数。对于亚临界流动β<1,对于临界流动，β=1。
（四） 蒸汽在喷嘴斜切部分的 流动 为了使喷嘴中流出的汽流顺利进入动叶通道， 在喷嘴出口处必须有一段斜切部分,如图 2--14 所示。这样，实际喷嘴由两部分所组成：一部 分是渐缩部分 ABDE，AB 为最小截面处。另 一部分为斜切部分 ABC。 由于斜切部分的存 在，它将对汽流产 生影响。 蒸汽在喷嘴斜切部分的流动小结