第二章 汽轮机级内能量转换过程第一节
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汽轮机工作原理ppt课件
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67
轴向位移保护装置
各种原因造成轴向推力过大时将导致推力瓦的 乌金融化，转子产生不允许的轴向位移，使汽轮机 动静摩擦。
功能：当轴向位移达到一定值，发出报警信号，当轴 向位移达到危险值，自动保护装置动作，切断汽源停 机。
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68
润滑油压保护装置
实例：600MW机组采用疏水全逐级自 流系统。为简化系统，没采用蒸汽冷却器、 疏水冷却器，而分别在高加设置了蒸汽冷 却段和疏水冷却段，在低加设置疏水冷却 段，疏水冷却效果好。
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44
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45
低压加热器
卧式
立式
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46
高压加热器
卧式
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47
❖ 三、除氧器
1.给水除氧的任务 除去给水中溶解的氧和其它气体，防
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第二节 汽轮机本体主要结构
静止部分：
汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等。
转动部分：
主轴、叶轮、叶片、联轴器等
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一、汽缸
作用： 封闭汽室、支承内外零部件
结构形式：
高压缸 按进汽参数的不同： 中压缸
单层缸 按汽缸的内部层次： 双层缸
按汽缸形状：
低压缸 有水平接合面
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无水平接合面
三层缸
止热力设备及管道的腐蚀和传热恶化。气 体主要来源是补充水及真空系统。
2.除氧方法 热力除氧：将给水加热至除氧器压力
下的饱和温度，水蒸气的分压力接近水面 上的全压力，其它气体的分压力趋近于零， 则溶解在水中的气体将从水中逸出被除掉。
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❖ 原理：
1.亨利定律 单位体积中溶解的气体量b与水面上该
第二章 汽轮机级内能量转换过程
u
db n
第一节 汽轮机级的基本概念 4 级的热力过程线
1.1 级的工作过程
hn hb ht
0 hn
喷嘴理想焓降 动叶理想焓降 级理想焓降 喷嘴滞止理想焓降 级滞止理想焓降 初速能
ht0
2 c0 hc 0 2 2 c2 hc 2 2
余速损失
第一节 汽轮机级的基本概念 1.2 级的反动度 1、定义：
第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 3、喷嘴的通流能力 （1） 喷嘴的理想流量. (渐缩喷嘴)
c1，比容 v1t ，则通过喷嘴的理想流量： 出口面积 A，理想速度 t n
k 1 0 k k 1 2 An c1t An 2k 0 0 p1 2k p 0 k k An G nt p0 v0 1 0 n n 0 v1t v1t k 1 k 1 v0 p0 p n 1 0 p 0 当喷嘴参数一定时，流量是压比的函数。
n n ，
G Gnt
n
v 1 1t v1 1t
第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 考虑流量系数后，实际临界流量为：
Gnc nGntc
过热蒸汽（ n 0 . 97 ）： 饱和蒸汽（ n 1 .02 ）：
G n c 0 .6 4 7 3 A n
第二章 汽轮机级内能量转换过程
第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程
一、蒸汽在喷嘴中的流动过程 1、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
汽轮机级内能量转换过程
24
基本方程式：
1 . 连 续 方 程 式 G c A cA const.
v
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.
1，汽轮机的级：静叶栅 动叶栅 是汽轮机作功的最小单元。
6
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。
的能量损失较大，列数越多，损失越大。所以为
了结构简单和运行的经济性，几乎不用三列及三 列以上的速度级。
1一轴；2一叶轮；3一第一列动 叶片；4一喷嘴；5一汽缸；6—
第二列动叶片；7一导向叶片
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、非连续性和不稳定的 三元流动的实际流体。为了研究方便，特作如下假设： 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 动时与外界没有热交换。
① 压力级（单列级）：蒸汽的动能转换为转子 的机械能的过程在级内只进行一次的级。
② 速度级（复速级）：蒸汽的动能转换为转子 的机械能的过程在级内进行一次以上的级。 如双列、三列速度级。
3. 调节级和非调节级
① 调节级：通流面积能随负荷改变的级， 如喷嘴调节的第一级。
基本方程式：
1 . 连 续 方 程 式 G c A cA const.
v
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.
1，汽轮机的级：静叶栅 动叶栅 是汽轮机作功的最小单元。
6
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。
的能量损失较大，列数越多，损失越大。所以为
了结构简单和运行的经济性，几乎不用三列及三 列以上的速度级。
1一轴；2一叶轮；3一第一列动 叶片；4一喷嘴；5一汽缸；6—
第二列动叶片；7一导向叶片
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、非连续性和不稳定的 三元流动的实际流体。为了研究方便，特作如下假设： 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 动时与外界没有热交换。
① 压力级（单列级）：蒸汽的动能转换为转子 的机械能的过程在级内只进行一次的级。
② 速度级（复速级）：蒸汽的动能转换为转子 的机械能的过程在级内进行一次以上的级。 如双列、三列速度级。
3. 调节级和非调节级
① 调节级：通流面积能随负荷改变的级， 如喷嘴调节的第一级。
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，
汽轮机级内能量转换过程
过热蒸汽 K=1.3 cr 0.546
饱和蒸汽 K=1.135 cr 0.577
（五）通过喷嘴的蒸汽流量：
G 理想流量： nt
G 实际流量： n
流量系数 n由实验曲线查取：
(六)蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀：
当汽流在喷嘴斜切部分发生膨胀时，流速要大于当地音速， 而且汽流方向也会发生偏转，角度不再沿着原出汽角ą1。
喷嘴速度系数 的影响因素：
喷嘴中的能量损失及能量损失系数：
（四）喷嘴中的临界条件和喷嘴临界压力比：
a
dp
d
由等熵方程
p
k
常数
dp p
k
d
0
得a dp k p kRT
d
根据能量守恒的结论得:
h0
c02 2
h
c2 2
h0*
k p0
k 1 0
c0 2 2
k p0*
k
1
* 0
c2 a2 a0* 2
2 k 1 k 1
当c
a
ccr时，有
k k
1 1
cc2r 2
a0* 2 k 1
有ccr
2 k 1
a0*
2
2k p0*
k
1
* 0
又由ccr
2k p0*
k
1
* 0
k pcr
cr
得 pcr 2 p0*
cr
k
1
* 0
根据等熵流动有：p0*
*k 0
pcr
k cr
k
cr
pcr p0*
2 k1 k 1
Gnv1t nc1t zntnln sin 1 nc1t e dnln sin 1,
第二章 汽轮机级内能量转换过程
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。
华中科技大学 能源与动力工程学院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，因而产生离汽轮机低压转子（含动叶栅）0* 0'1sh2 p2 p1p0* p0Δht*Δhn*Δh’bΔhb4，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 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(1 - 1)称为级的平均反动度，即平均直径上的反动度。
蒸汽通过级的热力过程曲线用图1-3表示。
其中， 、 、 分别为喷嘴前、动叶前、后的蒸汽压力， 为喷嘴前 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。
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 = 0.05 0.20 ) ，称为带反动度的冲动级，它具有作功能力大、效率高的特点。
bn b t b m h h h h h ∆+∆∆≈∆∆=Ω****)1(t m n h h ∆Ω-=∆*tm b hh ∆Ω=∆0* 0' 1 sh 2 p2 p1 p0* p0 Δht* Δhn*Δh’bΔhb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。
汽轮机内蒸汽的能量转换过程
汽轮机内蒸汽的能量转换过程汽轮机是一种将蒸汽能量转换为机械能的装置。
在汽轮机中，蒸汽通过一系列的转化过程，将热能转化为驱动轴转动的机械能。
以下是汽轮机内蒸汽的能量转换过程的主要方面：1.蒸汽膨胀：蒸汽在进入汽轮机后，会经过一个或多个膨胀阶段，压力和温度逐渐降低。
这是通过将蒸汽引入渐缩喷嘴或转鼓型喷嘴而实现的。
蒸汽膨胀有助于减小蒸汽密度，增加其速度和动能。
2.动能转换：蒸汽在喷嘴中以高速度流动，产生高速气流。
这些高速气流通过撞击汽轮机的叶片，将动能传递给叶片。
叶片将这部分动能转化为旋转的动能，使汽轮机的输出轴转动。
3.输出轴转动：汽轮机的输出轴通常与发电机或其他机械装置相连。
当叶片接收到蒸汽的动能并转化为旋转的动能时，输出轴开始转动。
这产生电力或驱动其他机械装置。
4.摩擦损失：汽轮机内部的部件（如叶片、喷嘴和汽缸）在高速旋转和高温下会受到摩擦损失。
这些摩擦损失会降低汽轮机的效率。
为了减少摩擦损失，汽轮机通常会进行定期维护和润滑。
5.泄漏损失：在汽轮机中，蒸汽通常会通过间隙或泄漏孔从高压区域向低压区域流动。
这部分蒸汽不参与能量转换过程，因此会导致能量损失。
为了减少泄漏损失，汽轮机会采取密封措施来控制蒸汽的流动。
6.热能回收：在汽轮机的排气系统中，剩余的蒸汽被排出汽轮机并进入凝汽器中进行冷却。
这部分热能可以被回收并用于加热给水或其他用途。
热能回收可以提高整个系统的效率。
7.控制系统：汽轮机的控制系统用于监视和控制汽轮机的运行状态。
这包括蒸汽压力、温度、流量和转速等参数。
控制系统可以通过调节蒸汽进入汽轮机的速度、温度和压力来优化汽轮机的运行效率。
此外，安全保护系统也属于控制系统的范畴，确保汽轮机的安全运行。
综上所述，汽轮机内蒸汽的能量转换过程是一个复杂而高效的过程。
通过合理设计和维护汽轮机，可以最大限度地提高其能量转换效率，实现能源的高效利用。
第二章 汽轮机级内能量转换过程1
南华大学 热能与动力工程系
新蒸汽室
隔板
第一级喷嘴
第二级喷嘴 第一级动叶
南华大学 热能与动力工程系
（2）带反动度的冲动级
1）Ω∈(0,0.5)，一般而言Ω ∈[0.05,0.20]
2）结构特点： a. 动叶栅截面形状近似对称； b. 喷嘴前后压差大，为了减少泄漏常用隔板结构 和隔板汽封； c. 动叶栅前后压差小，轴向受力不大，采用叶轮 式。
南华大学 热能与动力工程系
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二、蒸汽在喷嘴中的流动过程
（一）汽流参数与喷嘴形状的关系
以下导数项为对流动方向求导即 1. 基本方程 连续性方程： 则有： 由动量方程
G cA
dA A d
d dx
，略去dx.
dA A dc c d 0
dc c
dc c
dc c
(
0 .5
南华大学 热能与动力工程系 15
2. 冲动级 （1）纯冲动级
1）Ω=0，蒸汽只在喷 嘴中膨胀，而在动叶 中不膨胀，只改变流 动方向。
2）p1=p2 ，△hb=0, △ht*=△hn*。 3）效率较低，很少 使用。
南华大学 热能与动力工程系
动叶片 喷嘴
叶轮
轴
南华大学 热能与动力工程系
平均截面（middle）， m 3） r m t
南华大学 热能与动力工程系 14
三、级的分类
1. 分类依据：反动度——直接影响叶片形状的设 计、运行的安全性和经济性。
冲动式：靠冲动力做功的级，反动度小的级。
(0 0 .5)
反动式：靠反动力做功的级，反动度大的级。
4）动叶出口状态（2状态）
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ccr 2 * a0 k 1 2k * * p0 v0 kpcr vcr k 1
35
（3） 临界压比：εcr 临界压力为：
* v0 2 * pcr ( ) p0 k 1 vcr
对于等熵膨胀过程来说，有
* v0
pcr
* p0 (
2 k 1
k ) k 1
vcr
(
1 pcr k ) * p0
三、冲动式多级汽轮机
图1-9 冲动式多级汽轮机通流部分示意图 1-转子；2-隔板；3-喷嘴；4-动叶片；5-汽缸；6-蒸汽室；7-排汽管；8轴封；9—隔板封
四、反动式多级汽轮机
1-鼓型转子；2-动叶片；3-静叶片4-平衡活塞；5-汽缸；6-蒸汽室；7-连接管 图1-10 反动式汽轮机通流部分示意图
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
动时与外界没有热交换。
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基本方程式：
1. 连续方程式
cA G c A const . v 2 c0 c12 h0 q h1 W 2 2
2.能量方程式 3. 状态及过程方程式 pvk const. pv RT 4. 动量方程式 cdp R1dk cdc
cdc -vdp
5. 气动方程式 p a k kvp
c M a
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（二）喷嘴截面积的变化规律 cdc vdp
pv const dv dp k 0 v p dv cdc v kpv
由动量方程：
dA dc dv 0 A c v dA dc ( M 1) A c
2 2hnt c0
2 0 2 1t
2 2( h0 h1t ) c0 c1t
2 h
* n
1. 喷嘴出口的理想速度
cp cv pv
c p cv R k
k
const
注意： 焓和速度的单位
=
k k h c pT RT pv k 1 k 1 c12t c 02 k h0 h1t ( p 0v 0 p 1v 1 ) 2 k 1 k 1 p1 k k p 0v 0 1 p0 k 1 c1t
2. 压力级和速度级
① 压力级（单列级）：蒸汽的动能转换为转子 的机械能的过程在级内只进行一次的级。 ② 速度级（复速级）：蒸汽的动能转换为转子 的机械能的过程在级内进行一次以上的级。 如双列、三列速度级。
3. 调节级和非调节级 ① 调节级：通流面积能随负荷改变的级， 如喷嘴调节的第一级。 ② 非调节级：通流面积能不随负荷改变 的级，可以全周进汽，也可以部分进 汽。
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。而这种级称为冲动级。
16
③ 反动级 Ωm=0.5 特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度相同。 结构：喷嘴和动叶采用的叶型相同。 •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。通常称这 种级为反动级。
单级冲动式汽轮机示意图 1-汽缸；2-叶轮；3-轴；4-喷嘴；5-动叶片；6-排汽口
三、汽轮机级的类型和特点
（一） 汽轮机级的反动度 1. 定义：蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降 Δhb和整个级的理想滞止焓降Δh*t之比。
Ωm增加，则Δhb增加，蒸汽对动叶的反动力 也越大。 平均反动度：动叶平均直径截面上的理想焓降。 2. 意义：衡量在动叶中膨胀的程度。
( )
，即
c1 ;、动叶损失为
hn (1 2 )hn ； hb (1 2 )hb
hb m * ht
反动度
hb hb m * * ht hn hb
* hn * (1 m )ht
* hb m ht
14
（二） 汽轮机级的类型（轴流式和辅流式） 轴流式有以下几种： 1. 冲动级、带反动度的冲动级和反动级 ① 冲动级 纯冲动级：Ωm=0 特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中 不膨胀而只改变其流动方向。 结构：动叶叶型对称弯曲。 做功能力大、效率相对较低。 ② 带反动度的冲动级：Ωm=0.05~0.2 特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行， 只有一小部分在动叶栅中进行，作功能力比 反动级大，效率比纯冲动级高。
Principles of Turbomachine
赵志军 iptfm@
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
由静叶栅和动叶栅组成 是汽轮机作功的最小单元。
3
汽轮机的结构简介
级：由一列静叶栅和一列动叶栅组成，完成蒸汽的 热能转换成转子的机械能的最基本单元。 汽轮机： 单级：喷嘴（静叶、静叶片、静叶栅、喷管） 动叶（动叶片、动叶栅、工作叶片） 多级：静子，由汽缸、隔板、静叶、轴承等组 成。 转子，由主轴、叶轮、叶片、联轴器、 盘车等组成。 辅机
M=c/a为马赫数 喷嘴截面积变化规律： 1. M＜1时为亚音速流动，dA＜0，渐缩 2. M＞1时为超音速流动，dA＞0，渐扩 3. M=1时，dA=0，喉部 4. M＜1～M＞1，为缩放（拉法尔）
1 dA 1 dc 2 (M 1) A dx c dx
（1）当汽流速度小于音速，即M<1时，若要使汽流能继续加速， 即dc/dx>0，则必须dA/dx< 0,也就是说喷嘴截面积必须沿流动 方向逐渐减小，即做成渐缩喷嘴。 （2）当汽流速度大于音速，即M>1时，若要使汽流能继续加速， 即dc/dx>0，则必须dA/dx>0，也就是说喷嘴截面积必须沿流动 方向逐渐增加，即做成渐扩喷嘴。 （3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1，这时， dA/dx =0。表明横截面A不变化，即A达到最少值。 因此，简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了达到超 音速，除了喷嘴出口蒸汽压力必须小于临界压力外，还必须在 喷嘴形状上加以保证，即作成缩放喷嘴。汽流通过缩放喷嘴时， 在喷嘴喉部达音速，然后在渐扩部分达超音速。 29
压力、焓降、截面积、汽流速度、音 速、比容沿流动的变化规律
30
二、蒸汽在喷嘴中的流动过程
• 初始点：0（p0，t0）— 0*（p*0，t*0） • 绝热、等熵膨胀：0—1t • 实际过程（有损失）：0—1
（一）喷嘴中汽流速度的计算
由能量方程
c c h1t h0 2 2 w 0, q 0
第二列动叶片；7一导向叶片
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、非连续性和不稳定的
三元流动的实际流体。为了研究方便，特作如下假设： 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
* a2 c 2 (a 0 ) 2 k 1 2 k 1
2.临界速度和 a krt kpv 临界压比 2 2
c cr
2 * a0 k 1
* * 2 kp 0v 0 k 1
喷嘴中汽流的临界状态
（2）临界速度ccr：
汽流的音速为 a kpv kRT ， 用滞止参数表示有关参数时，
8
二、蒸汽的冲动作用原理和反动作 用原理
（一） 冲动作用原理 冲动力：改变其速度的大小和方向则产生一冲动 力或汽流改变流动方向对汽道产生一离心力， 此力为冲动力。 此力的大小取决于单位时间内通过动叶通道的 蒸汽质量及其速度的变化。 （二） 反动作用原理 反动力：因汽流膨胀产生一相反力（汽体压力变 化），如火箭、喷气式发动机。 此力的大小取决于汽体压力的变化。 作用在动叶片上的力有：冲动力 反动力
c c 2 h n (1 ) 2 2 2
h n n 12 h n*
c
2 1t
2 0
2 1i
喷嘴能量损失系数：
蒸汽为粘性流体，流过叶栅通道时产生摩擦，造成 pvn const 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
1-静叶持环；2-动叶；3-喷嘴 带反动度的冲动级中 反动级中蒸汽压 蒸汽压力和速度变化示意图 纯冲动级中蒸汽压力和 力和速度变化示意图 1-喷嘴；2-动叶3-隔板；4-叶轮；5-轴； 速度变化示意图
喷嘴 动叶 (c0 , p0 , t0 ) (c1(w1), p1, t1) (c2 (w2 ), p2 , t2 )
双列速度级的单级汽轮机
在速度级喷嘴中蒸汽的速度由C0增加至C1，蒸 汽经过第一列动叶栅后，其动能未被充分利用， 从第一列动叶栅流出的汽流速度C2仍相当大，有 足够的动能再去推动叶片，但此时汽流速度C2的 方向与叶片旋转的方向相反，因此让汽流经过一 列固定不动的导向叶片，以改变汽流的方向。在 导向叶片通道中，汽流速度的大小不变，汽流离 开导向叶片时的方向正好对着第二列动叶片的进 口。这样第一列动叶栅出口的余速动能就可以在 第二列动叶栅中继续转变为机械功。这种双列速 度级的功率可比单列冲动级大许多。如果蒸汽离 开第二列动叶栅时的速度仍比较大，那么还可以 装设第二列导向叶片和第三列动叶片，这就是三 列速度级。由于蒸汽在速度级中的速度很大，并 且需要经过几列动叶片和导向叶片，因此速度级 的能量损失较大，列数越多，损失越大。所以为 了结构简单和运行的经济性，几乎不用三列及三 1一轴；2一叶轮；3一第一列动 列以上的速度级。 叶片；4一喷嘴；5一汽缸；6—
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（3） 临界压比：εcr 临界压力为：
* v0 2 * pcr ( ) p0 k 1 vcr
对于等熵膨胀过程来说，有
* v0
pcr
* p0 (
2 k 1
k ) k 1
vcr
(
1 pcr k ) * p0
三、冲动式多级汽轮机
图1-9 冲动式多级汽轮机通流部分示意图 1-转子；2-隔板；3-喷嘴；4-动叶片；5-汽缸；6-蒸汽室；7-排汽管；8轴封；9—隔板封
四、反动式多级汽轮机
1-鼓型转子；2-动叶片；3-静叶片4-平衡活塞；5-汽缸；6-蒸汽室；7-连接管 图1-10 反动式汽轮机通流部分示意图
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
动时与外界没有热交换。
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基本方程式：
1. 连续方程式
cA G c A const . v 2 c0 c12 h0 q h1 W 2 2
2.能量方程式 3. 状态及过程方程式 pvk const. pv RT 4. 动量方程式 cdp R1dk cdc
cdc -vdp
5. 气动方程式 p a k kvp
c M a
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（二）喷嘴截面积的变化规律 cdc vdp
pv const dv dp k 0 v p dv cdc v kpv
由动量方程：
dA dc dv 0 A c v dA dc ( M 1) A c
2 2hnt c0
2 0 2 1t
2 2( h0 h1t ) c0 c1t
2 h
* n
1. 喷嘴出口的理想速度
cp cv pv
c p cv R k
k
const
注意： 焓和速度的单位
=
k k h c pT RT pv k 1 k 1 c12t c 02 k h0 h1t ( p 0v 0 p 1v 1 ) 2 k 1 k 1 p1 k k p 0v 0 1 p0 k 1 c1t
2. 压力级和速度级
① 压力级（单列级）：蒸汽的动能转换为转子 的机械能的过程在级内只进行一次的级。 ② 速度级（复速级）：蒸汽的动能转换为转子 的机械能的过程在级内进行一次以上的级。 如双列、三列速度级。
3. 调节级和非调节级 ① 调节级：通流面积能随负荷改变的级， 如喷嘴调节的第一级。 ② 非调节级：通流面积能不随负荷改变 的级，可以全周进汽，也可以部分进 汽。
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。而这种级称为冲动级。
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③ 反动级 Ωm=0.5 特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度相同。 结构：喷嘴和动叶采用的叶型相同。 •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。通常称这 种级为反动级。
单级冲动式汽轮机示意图 1-汽缸；2-叶轮；3-轴；4-喷嘴；5-动叶片；6-排汽口
三、汽轮机级的类型和特点
（一） 汽轮机级的反动度 1. 定义：蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降 Δhb和整个级的理想滞止焓降Δh*t之比。
Ωm增加，则Δhb增加，蒸汽对动叶的反动力 也越大。 平均反动度：动叶平均直径截面上的理想焓降。 2. 意义：衡量在动叶中膨胀的程度。
( )
，即
c1 ;、动叶损失为
hn (1 2 )hn ； hb (1 2 )hb
hb m * ht
反动度
hb hb m * * ht hn hb
* hn * (1 m )ht
* hb m ht
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（二） 汽轮机级的类型（轴流式和辅流式） 轴流式有以下几种： 1. 冲动级、带反动度的冲动级和反动级 ① 冲动级 纯冲动级：Ωm=0 特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中 不膨胀而只改变其流动方向。 结构：动叶叶型对称弯曲。 做功能力大、效率相对较低。 ② 带反动度的冲动级：Ωm=0.05~0.2 特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行， 只有一小部分在动叶栅中进行，作功能力比 反动级大，效率比纯冲动级高。
Principles of Turbomachine
赵志军 iptfm@
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
由静叶栅和动叶栅组成 是汽轮机作功的最小单元。
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汽轮机的结构简介
级：由一列静叶栅和一列动叶栅组成，完成蒸汽的 热能转换成转子的机械能的最基本单元。 汽轮机： 单级：喷嘴（静叶、静叶片、静叶栅、喷管） 动叶（动叶片、动叶栅、工作叶片） 多级：静子，由汽缸、隔板、静叶、轴承等组 成。 转子，由主轴、叶轮、叶片、联轴器、 盘车等组成。 辅机
M=c/a为马赫数 喷嘴截面积变化规律： 1. M＜1时为亚音速流动，dA＜0，渐缩 2. M＞1时为超音速流动，dA＞0，渐扩 3. M=1时，dA=0，喉部 4. M＜1～M＞1，为缩放（拉法尔）
1 dA 1 dc 2 (M 1) A dx c dx
（1）当汽流速度小于音速，即M<1时，若要使汽流能继续加速， 即dc/dx>0，则必须dA/dx< 0,也就是说喷嘴截面积必须沿流动 方向逐渐减小，即做成渐缩喷嘴。 （2）当汽流速度大于音速，即M>1时，若要使汽流能继续加速， 即dc/dx>0，则必须dA/dx>0，也就是说喷嘴截面积必须沿流动 方向逐渐增加，即做成渐扩喷嘴。 （3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1，这时， dA/dx =0。表明横截面A不变化，即A达到最少值。 因此，简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了达到超 音速，除了喷嘴出口蒸汽压力必须小于临界压力外，还必须在 喷嘴形状上加以保证，即作成缩放喷嘴。汽流通过缩放喷嘴时， 在喷嘴喉部达音速，然后在渐扩部分达超音速。 29
压力、焓降、截面积、汽流速度、音 速、比容沿流动的变化规律
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二、蒸汽在喷嘴中的流动过程
• 初始点：0（p0，t0）— 0*（p*0，t*0） • 绝热、等熵膨胀：0—1t • 实际过程（有损失）：0—1
（一）喷嘴中汽流速度的计算
由能量方程
c c h1t h0 2 2 w 0, q 0
第二列动叶片；7一导向叶片
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、非连续性和不稳定的
三元流动的实际流体。为了研究方便，特作如下假设： 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
* a2 c 2 (a 0 ) 2 k 1 2 k 1
2.临界速度和 a krt kpv 临界压比 2 2
c cr
2 * a0 k 1
* * 2 kp 0v 0 k 1
喷嘴中汽流的临界状态
（2）临界速度ccr：
汽流的音速为 a kpv kRT ， 用滞止参数表示有关参数时，
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二、蒸汽的冲动作用原理和反动作 用原理
（一） 冲动作用原理 冲动力：改变其速度的大小和方向则产生一冲动 力或汽流改变流动方向对汽道产生一离心力， 此力为冲动力。 此力的大小取决于单位时间内通过动叶通道的 蒸汽质量及其速度的变化。 （二） 反动作用原理 反动力：因汽流膨胀产生一相反力（汽体压力变 化），如火箭、喷气式发动机。 此力的大小取决于汽体压力的变化。 作用在动叶片上的力有：冲动力 反动力
c c 2 h n (1 ) 2 2 2
h n n 12 h n*
c
2 1t
2 0
2 1i
喷嘴能量损失系数：
蒸汽为粘性流体，流过叶栅通道时产生摩擦，造成 pvn const 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
1-静叶持环；2-动叶；3-喷嘴 带反动度的冲动级中 反动级中蒸汽压 蒸汽压力和速度变化示意图 纯冲动级中蒸汽压力和 力和速度变化示意图 1-喷嘴；2-动叶3-隔板；4-叶轮；5-轴； 速度变化示意图
喷嘴 动叶 (c0 , p0 , t0 ) (c1(w1), p1, t1) (c2 (w2 ), p2 , t2 )
双列速度级的单级汽轮机
在速度级喷嘴中蒸汽的速度由C0增加至C1，蒸 汽经过第一列动叶栅后，其动能未被充分利用， 从第一列动叶栅流出的汽流速度C2仍相当大，有 足够的动能再去推动叶片，但此时汽流速度C2的 方向与叶片旋转的方向相反，因此让汽流经过一 列固定不动的导向叶片，以改变汽流的方向。在 导向叶片通道中，汽流速度的大小不变，汽流离 开导向叶片时的方向正好对着第二列动叶片的进 口。这样第一列动叶栅出口的余速动能就可以在 第二列动叶栅中继续转变为机械功。这种双列速 度级的功率可比单列冲动级大许多。如果蒸汽离 开第二列动叶栅时的速度仍比较大，那么还可以 装设第二列导向叶片和第三列动叶片，这就是三 列速度级。由于蒸汽在速度级中的速度很大，并 且需要经过几列动叶片和导向叶片，因此速度级 的能量损失较大，列数越多，损失越大。所以为 了结构简单和运行的经济性，几乎不用三列及三 1一轴；2一叶轮；3一第一列动 列以上的速度级。 叶片；4一喷嘴；5一汽缸；6—