第一章汽轮机级的工作原理-精品文档
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汽轮机原理第一章 级的工作原理
冲动式汽轮机的工作原理
冲动式汽轮机转子
反动式汽轮机断面示意图
反动度
表示蒸汽在动叶中膨 胀程度的一个参数 焓降反动度 压力反动度
纯冲动级：
Ω=0，动叶前后的压差为零
反动级： Ω=0.5 冲动级： Ω=0.05~0.2 复速级：
汽轮机的工作过程
一元 稳定 绝热
2 k 1 1/ 2 0 2 k 1 2 2k p0 k k 1 1 1 k k k n n n n 0 k 1 0 k k
An
2 k 1 1/ 2 0 2k p0 k n n k 0 k 1 0
级的轮周效率
Pu1 轮周效率：轮周功和理想能量之比 u E 0
2 2 2 2 2 c0 c2 c2 ca c2 * E0 0 ht 1 ht 1 1 2 2 2 2 2
做功能力：单位质量蒸汽做功
w12 c12 u 2 2c 1u cos 1 c1 cos 1
2 2 w2 c2 u 2 2c 2 u cos 2 c2 cos 2
wu 2 2u
临界速度只和蒸汽滞止参数有关，和流动过程无关
临界压比
a 2k 0 0 2k 0 0 p00 kp11 p00 kp11 k 1 k 1
1
0 0 k p0 0 k
0 1 p1 p1 2 0 2 p1 2 p1 1 0 nc nc 0 0 k 1 1 p0 k 1 p0 p0 k 1
2 2 2
第一章 第二节 汽轮机级的工作原理
pcr 2k * * ccr p0 v0 [1 * p k 1 0
2 pcr p ( ) k 1
* 0 k k 1
k 1 k
喉部
]
Байду номын сангаас
p0 c0
p1 p1c c1c
ccr
2k * * p 0 v0 k＋1
ccr只与蒸汽滞止初 参数有关，而与流 动过程中有无损失 及损失的大小无关。 11
2
第二节 蒸汽在级内的流动过程
基本控制方程
1、连续方程 在稳定流动的情况下，每单位时间流过流管任 一截面的蒸汽流量不变，用公式表示为 G＝Ac 1 A1c1 2 A2c2 常数
G－单位时间的蒸汽质量流量，kg/s A－汽道内任一横截面面积，m2 c－垂直于截面A的蒸汽速度，m/s ρ－截面A上蒸汽的密度，kg/m3
Gcr 0.647An
cdc
5
第二节 蒸汽在级内的流动过程
能量方程
对于稳定绝热流动，汽流进入系统的能量必须等于离 开系统的能量。若在流动系统中忽略摩擦力做功和势能等 因素，则系统的能量方程式可以写为，
2 c0 c12 h0 q h1 W 2 2
c0 、 式中: h0 、h1－蒸汽进入和流出系统的焓值，J/kg； c1－蒸 汽进入和流出系统时的速度 ,m/s ； q－1kg 蒸汽通过系统时， 对外界所吸收的热量，J/kg；W－1kg蒸汽通过系统时对外界 所作的机械功 ，J/kg。
绝热q＝0
蒸汽在流经喷管时不做功w=0
1.喷管出口汽体的理想速度
2 c0 c12t h0 h1t 2 2
2 c0 c12 h0 h1 2 2
汽轮机原理第一章汽轮机级的工作原理
• 由捕水口，捕水室和疏水通道组成的级内捕水装置。 • 具有吸水缝的空心喷嘴 • 采用出汽边喷射蒸汽Байду номын сангаас空心喷嘴
•
提高动叶本身抗冲蚀能力
– 采用耐侵蚀性能强的的叶片材料 – 在叶片进汽边背弧上镶焊硬质合金 – 对叶片表面镀铬，局部高频淬应，电火花强化，氮化
• 冲动级的实际热力过程线 • 级效率
（连接）
x
– 又称端部损失，实质属于喷嘴和动叶的流动损失。主要决定于叶高。
• 叶轮摩擦损失
– 叶轮两侧及围带表面的粗糙度引起的摩擦损失 – 子午面内的涡流损失引起的损失
• 部分进汽损失
– 装有喷嘴的弧段长度Z*L（Z为喷嘴片数）于整个圆周长度∏*Dm的比值来表 示部分进汽的程度，称为部分进气度，用e表示。 – 由于部分进汽带来的能量损失称为部分进汽损失，由鼓风损失和斥汽损失组 成。鼓风损失发生再不装喷嘴的弧段内，斥汽损失欲鼓风损失相反。
• 简单流动模型易用一元稳定等比熵流动的基本方程
– 连续方程：G*v=A*c – 能量方程： h0 + c02/2 = h + c12/2 + w – 状态或过程方程：p*v=const
蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程
• 临界参数的概念
– 蒸汽流量不变时，当喷嘴中等比熵焓降达到临界值时，喷嘴通道面积为最小， 此处便是临界截面，其蒸汽流速等于当地音速。临界状态下的参数称为临界参 数。 – 临界速度，临界压力，临界压比，临界流量，实际流量
下一页
•
漏气损失（隔板的气封装置）
– 对于冲动级，隔板前后存在较大的压差，而隔板和转轴之间又存在着间隙，因此有一部分蒸 汽从隔板前通过间隙漏到隔板与本级动叶之间的汽室内，由于这部分蒸汽不通过喷嘴，因此 不做功，形成了漏气损失。为了避免隔板汽混入动叶中干扰主汽流，一方面在叶轮上开设平 衡孔，使隔板漏气通过平衡孔流到级后，另一方面在动叶根部设置汽封片加以阻挡，并设置 合理的反动度，尽量使动叶根部不出现吸汽或漏汽现象。 – 对于反动级，其漏汽损失比冲动级大因为
•
提高动叶本身抗冲蚀能力
– 采用耐侵蚀性能强的的叶片材料 – 在叶片进汽边背弧上镶焊硬质合金 – 对叶片表面镀铬，局部高频淬应，电火花强化，氮化
• 冲动级的实际热力过程线 • 级效率
（连接）
x
– 又称端部损失，实质属于喷嘴和动叶的流动损失。主要决定于叶高。
• 叶轮摩擦损失
– 叶轮两侧及围带表面的粗糙度引起的摩擦损失 – 子午面内的涡流损失引起的损失
• 部分进汽损失
– 装有喷嘴的弧段长度Z*L（Z为喷嘴片数）于整个圆周长度∏*Dm的比值来表 示部分进汽的程度，称为部分进气度，用e表示。 – 由于部分进汽带来的能量损失称为部分进汽损失，由鼓风损失和斥汽损失组 成。鼓风损失发生再不装喷嘴的弧段内，斥汽损失欲鼓风损失相反。
• 简单流动模型易用一元稳定等比熵流动的基本方程
– 连续方程：G*v=A*c – 能量方程： h0 + c02/2 = h + c12/2 + w – 状态或过程方程：p*v=const
蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程
• 临界参数的概念
– 蒸汽流量不变时，当喷嘴中等比熵焓降达到临界值时，喷嘴通道面积为最小， 此处便是临界截面，其蒸汽流速等于当地音速。临界状态下的参数称为临界参 数。 – 临界速度，临界压力，临界压比，临界流量，实际流量
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•
漏气损失（隔板的气封装置）
– 对于冲动级，隔板前后存在较大的压差，而隔板和转轴之间又存在着间隙，因此有一部分蒸 汽从隔板前通过间隙漏到隔板与本级动叶之间的汽室内，由于这部分蒸汽不通过喷嘴，因此 不做功，形成了漏气损失。为了避免隔板汽混入动叶中干扰主汽流，一方面在叶轮上开设平 衡孔，使隔板漏气通过平衡孔流到级后，另一方面在动叶根部设置汽封片加以阻挡，并设置 合理的反动度，尽量使动叶根部不出现吸汽或漏汽现象。 – 对于反动级，其漏汽损失比冲动级大因为
第一章汽轮机级的工作原理.
大； ⑶ 反动度Ω沿动叶高度是不相同的
➢ 对于较短的直叶片级，用平均反动度Ωm表示，可 不计反动度沿动叶高度的变化；
➢ 对于长叶片级，在计算不同截面时，必须用相应 截面的反动度。
五、 级的类型和特点：轴流式
⒈ 冲动级和反动级：按蒸汽在动叶通道中的膨胀程度（及反 动度）大小划分。 ⑴ 纯冲动级：Ωm＝0 特点：
式中：q—每kg质量蒸汽流过系统时从外界吸收 的热量，J/kg；绝热时为零。 w—每kg质量蒸汽流过系统时对外界做出的 机械功，J/kg。
③ 状态或过程方程
状态方程：蒸汽在某一截面上的各种状态参数之 间的关系由状态方程式来确定，对于理想气体： pv=RT
式中：p —气体的绝对压力，Pa； v —气体的比容，m3/kg； T —热力学温度，K； R —通用气体常数， R =461.5J/kg·K。
一般情况下：
1 1117 冲动级：2 1 (2~4)
2 20~30
(a) 动静叶栅汽道示意图 (b)顶点靠拢的速度三角形
⑶ 速度三角形（w1、c2 ）的计算
w1 c12 u 2 2c1u cos 1
1
arcsin
c1 sin 1
w1
arc tg
c1 sin 1 c1 cos 1 u
c2 w22 u 2 2w2u cos 2
三、 级的工作过程
火电厂的能量转换过程
⒈ 蒸汽在级内的流动过程：图1.1.1所示 ⑴ 在喷嘴(nozzle)中：降压增速，热力势能转变为汽流的
动能; ⑵ 在动叶(blade)中：动能转变为机械能（冲动级和反动
级有别）。
➢ 对于冲动式汽轮机，当蒸汽通过喷嘴 和动叶后，其压力、速度的变化趋势如 右图。
双列级：能承担较大的理想焓降，一般在195250kJ/kg之间。效率较低。宜用于带尖峰负 荷的机组上。
➢ 对于较短的直叶片级，用平均反动度Ωm表示，可 不计反动度沿动叶高度的变化；
➢ 对于长叶片级，在计算不同截面时，必须用相应 截面的反动度。
五、 级的类型和特点：轴流式
⒈ 冲动级和反动级：按蒸汽在动叶通道中的膨胀程度（及反 动度）大小划分。 ⑴ 纯冲动级：Ωm＝0 特点：
式中：q—每kg质量蒸汽流过系统时从外界吸收 的热量，J/kg；绝热时为零。 w—每kg质量蒸汽流过系统时对外界做出的 机械功，J/kg。
③ 状态或过程方程
状态方程：蒸汽在某一截面上的各种状态参数之 间的关系由状态方程式来确定，对于理想气体： pv=RT
式中：p —气体的绝对压力，Pa； v —气体的比容，m3/kg； T —热力学温度，K； R —通用气体常数， R =461.5J/kg·K。
一般情况下：
1 1117 冲动级：2 1 (2~4)
2 20~30
(a) 动静叶栅汽道示意图 (b)顶点靠拢的速度三角形
⑶ 速度三角形（w1、c2 ）的计算
w1 c12 u 2 2c1u cos 1
1
arcsin
c1 sin 1
w1
arc tg
c1 sin 1 c1 cos 1 u
c2 w22 u 2 2w2u cos 2
三、 级的工作过程
火电厂的能量转换过程
⒈ 蒸汽在级内的流动过程：图1.1.1所示 ⑴ 在喷嘴(nozzle)中：降压增速，热力势能转变为汽流的
动能; ⑵ 在动叶(blade)中：动能转变为机械能（冲动级和反动
级有别）。
➢ 对于冲动式汽轮机，当蒸汽通过喷嘴 和动叶后，其压力、速度的变化趋势如 右图。
双列级：能承担较大的理想焓降，一般在195250kJ/kg之间。效率较低。宜用于带尖峰负 荷的机组上。
汽轮机级的工作原理.
汽轮机级的工作原理近代大功率汽轮机都是由若干个级构成的多级汽轮机。
由于级的工作过程在一定程度上反映了整个汽轮机的工作过程，所以对汽轮机工作原理的讨论一般总是从汽轮机"级"开始的，这特有助于理解和掌握全机的内在规律性。
"级"是汽轮机中最基本的工作单元。
在结构上它是由静叶栅(喷嘴栅)和对应的动叶栅所组成。
从能量观点上看，它是将工质(蒸汽)的能量转变为汽轮机机械能的一个能量转换过程。
工质的热能在喷嘴栅中(也可以有部分在动叶栅中)首先转变为工质的动能，然后在动叶栅中再使这部分动能转变为机械能。
工质的热能之所以能转变为汽轮机的机械能，是由工质在汽轮机喷嘴栅和动叶栅中的热力过程所形成，因此，研究级的热力过程，也就是研究工质在喷嘴栅和动叶栅中的流动特点和做功原理，以及产生某些损失的原因，并从数量上引出它们相互之间的转换关系，这是本章的主要内容。
第一节蒸汽在级内的流动一、基本假设和基本方程式(一)基本假设为了讨论问题的方便，除把蒸汽当作理想气体处理外，还假设：(1)蒸汽在级内的流动是稳定流动，即蒸汽的所有参数在流动过程中与时间尤关。
实际上，绝对的稳定流动是没有的，蒸汽流过一个级时，由于有动叶在喷嘴栅后转过，蒸汽参数总有一些波动。
当汽轮机稳定工作时，由于蒸汽参数波动不大，可以相对地认为是稳定流动。
(2)蒸汽在级内的流动是一元流动，即级内蒸汽的任一参数只是沿一个坐标(流程)方向变化，而在垂直截面上没有任何变化。
显然，这和实际情况也是不相符的，但当级内通道弯曲变化不激烈，即曲率牛径较大时，可以认为是一元流动。
(3)蒸汽在级内的流动是绝热流动，即蒸汽流动的过程中与外界无热交换。
由于蒸汽流经一个级的时间很短暂，可近似认为正确。
考虑到即使用更复杂的理论来研究蒸汽在级内的流动，其结论与汽轮机真实的工作情况也不完全相符，而且推算也甚为麻烦，因此，上述的假设在用一些实验系数加以修正后，在工程实践中也证明是可行的。
汽轮机级的工作原
反动级 通常把反动度 Ω = 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相同，反 动级是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
baibai
二 反动度
∆hb ∆hb Ωm = * ≈ * ∆ht ∆hn + ∆hb
* ∆hn
=
ห้องสมุดไป่ตู้
* (1 − Ω m )∆ht
∆hb =
* Ω m ∆ht
级的分类
纯冲动级： 纯冲动级：
Ω=0时，表明级内蒸汽的焓降全部落在喷嘴中，蒸汽在动叶流道内 Ω=0时，表明级内蒸汽的焓降全部落在喷嘴中，蒸汽在动叶流道内 仅改变方向而不膨胀加速，动叶仅收到冲动力，这时 p1=p2, ∆h =0, b * ,它具有作功能力大、效率差的特点。 ∆h* = ∆ht ,它具有作功能力大、效率差的特点。
汽轮机级的工作原理
一 汽 轮 机 的 级 、级内能量转换过 程
1 汽轮机的级：静叶栅 动叶栅 汽轮机的级：静叶栅 是汽轮机作功的最小单元。 是汽轮机作功的最小单元。
2 级内能量转换过程 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。
冲动级：
当气流在动叶汽道内，不膨胀加速而只随汽道形状改变其流 动方向时，气流改变流动方向对汽道所产生的离心力，被称为 冲动力。 这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于它在动叶栅动能的 变化量。而这种级称为冲动级。
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。
第一章 汽轮机级的工作原理
第一章汽轮机级的工作原理第一节概述汽轮机是将蒸汽工质的热能转变成动能，再将动能转变成机械能的一种热机。
多级汽轮机由若干个级构成，而每个级就是汽轮机做功的基本单元，级是由喷管叶栅和与之相配合的动叶栅所组成。
喷管叶栅将蒸汽的热能转变成动能，动叶栅将蒸汽的动能转变成机械能。
一、蒸汽的冲动原理和反动原理高速汽流通过动叶栅时，发生动量变化对动叶栅产生冲力，使动叶栅转动做功而获得机械能。
由动量定理可知，机械能的大小决定于工作蒸汽的质量流量和速度变化量，质量流量越大，速度变化越大，作用力也越大。
图1—1所示为无膨胀的动叶通道，汽流在动叶汽道内不膨胀加速，而只随汽道形状改变其流动方向，汽流改变流动方向对汽道所产生的离心力，叫做冲动力，这时蒸汽所做的机械功等于它在动叶栅中动能的变化量，这种级叫做冲动级。
蒸汽在动叶汽道内随汽道改变流动方向的同时仍继续膨胀、加速，加速的汽流流出汽道时，对动叶栅将施加一个与汽流流出方向相反的反作用力，此力类似于火箭发射时，高速气体从火箭尾部流出，给火箭一个与流动方向相反的反作用力，这个作用力叫做反动力。
依靠反动力做功的级叫做反动级，如图1—2所示。
现代汽轮机级中，冲动力和反动力通常是同时作用的，在这两个力的台力作用下，使动叶栅旋转而产生机械功。
这两个力的作用效果是不同的，冲动力的做功能力较大，而反动力的流动效率较高，这一点会在以后的讨论中说明。
二、级的反动度为了说明汽轮机级中反动力所占的比例，即蒸汽在动叶中膨胀程度的大小，常用级的反动度Ω表示，它等于蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想比焙降厶Ab和整个级的滞止理想比焰降△ht。
之比，即第5页截面上喷管和动叶中的理想比焙降所确定。
平均直径是动叶项部和根部处叶轮直径的平均值。
图1—3是级中蒸汽膨胀在焓熵图上的热力过程线。
o点是级前的蒸汽状态点，o*点是蒸汽等熵滞止到初速等于零的状态点，Pl、F2分别为喷管出口压力和动叶出口压力。
蒸汽从滞止状态o·点在级内等熵膨胀到P，时的比焙降厶AI。
第一章汽轮机工作原理
理想能量扣除喷管、动叶和余速损失外，其余的 能量全部转化为轮周功，则有： Wu E0 hn hb (1 1 )hc2 ht* hn hb hc2
u
E0 hn hb (1 1 )hc2 E0 1 n b (1 1 ) c 2
Fu F G(c1 cos 1 c2 cos 2 )
' u
2、轴向力 F
Z
蒸汽在轴向上所受的总力：为流道壁对蒸汽的轴向反作用力 与动叶片前后压差所产生的力 Ab ( p1 p2 )之和。
蒸汽在轴向的动量改变量应等于轴向的作用冲量，即：
[ Fz' Ab ( p1 p2 )] t m(c2 z c1z )
Fz' m (c1 z c2 z ) Ab ( p1 p2 ) t
Fz Fz' G(c1 sin 1 c2 sin 2 ) Ab ( p1 p2 )
F Fz 2 Fu 2
（二）.轮周功率 Pu
单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所作出的机械功称为轮周功率。
(二）流量计算
通过喷嘴的质量流量决定于流道的出口面积、出口流速和对 应出口点的蒸汽比容。 对出口面积为 An 的喷嘴，其流过的理想质量流量为： An c1t Gnt 1t 考虑流动损失，实际流过的质量流量为： An c1 Gn 1 Gn 令 为流量系数，则有： Gnt A n c1 / 1 1t c1 / 1 A n c1t / 1t c1t / 1t 1
G nc 0.65 An p / v
二、蒸汽在渐缩斜切喷嘴中的膨胀
为了保证喷嘴出口汽流按良好 方向进入动叶通道，喷嘴出口都有 一段斜切部分abc，这种喷嘴称为 斜切喷嘴。
第一章 汽轮机级的工作原理
同理可得， 蒸汽对该级动叶的轴向作用力:
Fz G(c1 sin 1 c2 sin 2* ) Az ( p1 p2 )
式中 k--等熵指数。对于过热蒸汽k=1.3；对干饱和蒸汽k=1.135; 对湿蒸汽k=1.035+0.1x，x表示膨胀过程初态蒸汽干度 R--气体常数。R=R/=8410/[J/(kg∙K)] R为通用气体常数=8410J/(kmol∙K)，为气体分子量。 对水蒸汽=18.016，R=461.26[J/(kg∙K)]。 理想气体的焓
2 c0 c12 h0 q h1 L 2 2
5. 气动方程式
研究气体的流动经常用到临界概念，因此必 须首先给出音速表达式。音速实际上就是压力波 的传播速度。
音速a表达式：
将等熵过程微分方程式
dp d k 0 p
代入上式得
a k
p
kpv kRT
对理想气体,k =cp/cv 只是温度的函 数,故音速也只是温度的函数
n An k (
2 ) k 1
k 1 k 1
p v
* 0 * 0
2 k ( n n k ) k 1 k 1 2 k 1 ( ) k 1
2
k 1
f (k , n ) [k 一定时] f ( n )
* * Gn (Gn )cr 0.648 An p0 v0
一. 汽轮机作功的基本概念: 汽轮机是利用蒸汽的热能来作功的旋转机械。
( m1-1汽轮机的基本工作原理)
二. 级的定义
喷嘴叶栅和与其配合的 动叶栅构成了汽轮机作功的基 本单元，这个作功单元便称为 汽轮机的级。
m1-1汽轮机的基本工作原理 m1-2喷嘴与叶片
Fz G(c1 sin 1 c2 sin 2* ) Az ( p1 p2 )
式中 k--等熵指数。对于过热蒸汽k=1.3；对干饱和蒸汽k=1.135; 对湿蒸汽k=1.035+0.1x，x表示膨胀过程初态蒸汽干度 R--气体常数。R=R/=8410/[J/(kg∙K)] R为通用气体常数=8410J/(kmol∙K)，为气体分子量。 对水蒸汽=18.016，R=461.26[J/(kg∙K)]。 理想气体的焓
2 c0 c12 h0 q h1 L 2 2
5. 气动方程式
研究气体的流动经常用到临界概念，因此必 须首先给出音速表达式。音速实际上就是压力波 的传播速度。
音速a表达式：
将等熵过程微分方程式
dp d k 0 p
代入上式得
a k
p
kpv kRT
对理想气体,k =cp/cv 只是温度的函 数,故音速也只是温度的函数
n An k (
2 ) k 1
k 1 k 1
p v
* 0 * 0
2 k ( n n k ) k 1 k 1 2 k 1 ( ) k 1
2
k 1
f (k , n ) [k 一定时] f ( n )
* * Gn (Gn )cr 0.648 An p0 v0
一. 汽轮机作功的基本概念: 汽轮机是利用蒸汽的热能来作功的旋转机械。
( m1-1汽轮机的基本工作原理)
二. 级的定义
喷嘴叶栅和与其配合的 动叶栅构成了汽轮机作功的基 本单元，这个作功单元便称为 汽轮机的级。
m1-1汽轮机的基本工作原理 m1-2喷嘴与叶片
汽轮机原理-第一章
汽轮机原理-第一章第一章汽轮机级的工作原理近代大功率汽轮机都是由若干个级构成的多级汽轮机。
由于级的工作过程在一定程度上反映了整个汽轮机的工作过程，所以对汽轮机工作原理的讨论一般总是从汽轮机"级"开始的，这特有助于理解和掌握全机的内在规律性。
"级"是汽轮机中最基本的工作单元。
在结构上它是由静叶栅(喷嘴栅)和对应的动叶栅所组成。
从能量观点上看，它是将工质(蒸汽)的能量转变为汽轮机机械能的一个能量转换过程。
工质的热能在喷嘴栅中(也可以有部分在动叶栅中)首先转变为工质的动能，然后在动叶栅中再使这部分动能转变为机械能。
工质的热能之所以能转变为汽轮机的机械能，是由工质在汽轮机喷嘴栅和动叶栅中的热力过程所形成，因此，研究级的热力过程，也就是研究工质在喷嘴栅和动叶栅中的流动特点和做功原理，以及产生某些损失的原因，并从数量上引出它们相互之间的转换关系，这是本章的主要内容。
第一节蒸汽在级内的流动一、基本假设和基本方程式(一)基本假设为了讨论问题的方便，除把蒸汽当作理想气体处理外，还假设：(1)蒸汽在级内的流动是稳定流动，即蒸汽的所有参数在流动过程中与时间尤关。
实际上，绝对的稳定流动是没有的，蒸汽流过一个级时，由于有动叶在喷嘴栅后转过，蒸汽参数总有一些波动。
当汽轮机稳定工作时，由于蒸汽参数波动不大，可以相对地认为是稳定流动。
(2)蒸汽在级内的流动是一元流动，即级内蒸汽的任一参数只是沿一个坐标(流程)方向变化，而在垂直截面上没有任何变化。
显然，这和实际情况也是不相符的，但当级内通道弯曲变化不激烈，即曲率牛径较大时，可以认为是一元流动。
(3)蒸汽在级内的流动是绝热流动，即蒸汽流动的过程中与外界无热交换。
由于蒸汽流经一个级的时间很短暂，可近似认为正确。
考虑到即使用更复杂的理论来研究蒸汽在级内的流动，其结论与汽轮机真实的工作情况也不完全相符，而且推算也甚为麻烦，因此，上述的假设在用一些实验系数加以修正后，在工程实践中也证明是可行的。
第一章 汽轮机工作原理
• 汽轮机的汽缸和轴承:
哈尔滨汽轮机厂生产的600MW NZK600－16.7／538／538型机组的高中压 缸为合并双层结构，其内外缸均为合金铜铸造而成，高、中压缸反向布置。 大容量机组的低压缸，由于进汽温度较高，一般采用焊接双层缸结构（为了 更好地解决进汽温度较高的问题，有些机组采用三层缸结构），轴承座设在 低压外缸上。汽轮机转子的支撑方式对承受负荷不很重的轴承（如高中转子 和第一根低压转子）采用四瓦可倾瓦轴承，对承受负荷很重的轴承（如第二 根低压转子和发电机转子），则采用圆筒形轴承，轴系稳定性较好。
能力工况（铭牌出力工况）（TRL工况）
汽轮发电机组能在下列条件下安全连续运行，此时发电机输出 功率为600MW（当采用静态励磁时，扣除所消耗的功率），此工况 的出力为机组铭牌出力(TRL)，此工况也称铭牌出力工况，此工况 条件如下： 1）额定主蒸汽参数及再热蒸汽参数，所规定的汽水品质； 2）背压为34kPa.a(暂定)； 3）补给水率为3%； 4）所规定的最终给水温度279℃； 5）全部回热系统正常运行，但不带厂用辅助蒸汽； 6）电动给水泵投入运行，并满足锅炉需要的给水参数； 7）发电机额定功率因数、额定氢压、额定电压、额定频率，一次 冷却水温33℃。 此工况为机组出力保证值的验收工况，此工况的进汽量称为汽 轮机銘牌进汽量。
1 2 1 2 h mv h2 mv 2 2 2
第二章 汽轮机的分类
（一）按工作原理分类 根据工作原理不同，可将汽轮机分为冲动式汽轮机和反动式汽轮 机。 （1） 冲动式汽轮机。主要由冲动级组成，蒸汽主要在喷嘴叶栅 中膨胀，在动叶栅中只有少许膨胀。结构为隔板型，动叶片嵌装在叶 轮的轮缘上，喷嘴装在隔板上，隔板的外缘嵌入隔板套或汽缸内壁的 相应槽道内。 （2） 反动式汽轮机。主要由反动级组成，蒸汽在喷嘴叶栅和动 叶栅中的膨胀程度相同。结构为转鼓型，动叶片直接嵌装在转子的外 缘上，隔板为单只静叶环结构，它装在汽缸内壁或静叶持环的相应槽 道内。采用喷嘴调节的反动式汽轮机，第一级为部分进汽，为避免产 生过大的漏汽损失，故第一级常采用单列或双列速度级而不做成反动 级。
第一章_汽轮机的工作原理
复速级
速度级:为使充分利用余速，在两列动
叶之间装设—列导向叶片，排汽经过导 向叶片后改变方向，进入第二列动叶继 续作功。这种级称为速度级。
复速级：同一叶轮上装有两列动叶片
的双列速度级，又称为复速级。
工作特点：蒸汽主要在喷嘴中膨胀加
速：动叶通道和导向叶片通道中基本不 膨胀，焓降大、效率较低。用于单级汽 轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。
（二）汽轮机级的类型和特点 1.按反动度的大小进行分类 2.按通流面积是否随负荷而变分类 3.按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程 分类
级的类型及特点
汽轮机的级可分为冲动级和反动级两大类
冲动级
冲动级又分：纯冲动级、带反动度的冲动级速度级 1) 纯冲动级：反动度为零的级称为纯冲动级
工作特点：是蒸汽只在喷嘴中膨胀，在动叶通道中不膨胀 结构特点：动叶叶型近似对称弯曲，作功能力大，但效率 比带反动度的冲动级低。
冲动力的定义：根据力学知识，当
一运动物体碰到另一个静止的物体或 者运动速度低于它的物体时，就会受
到阻碍而改变其速度的大小或方向，
同时给阻碍它的物体的一个作用力
特点：蒸汽仅把从喷嘴中获得的动
能转变为机械功，蒸汽在动叶通道中 不膨胀，动叶通道不收缩
（一）冲动作用原理
喷嘴出口处：蒸汽以相对速
度w1进入动叶通道，由于受到动 叶的阻碍，汽流方向不断改变， 最后以相对速度w2流出动叶通道，
从作用力方面分析原理
蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力 降低，速度增加一方面通过速度方 向的改变，产生冲动力F1 蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低， 所产生的焓降转化为动能造成动叶 出口的相对速度w2大于进口相对速 度w1，使汽流产生了作用于动叶上 的与汽流方向相反的反动力Fr。 在蒸汽的冲动力和反动力合力作用 下推动动叶旋转作功。
第一章 汽轮机级的工作原理
1d n cr
p0
如图所示， AB为渐缩 喷嘴的出口截面，即吼口 截面，ABC 即为斜切部分。 当喷嘴出口压力p1大于临 界压力p1c时，蒸汽在斜切 部分不发生膨胀。
pt αt ct 图1-13 喷管斜切部分
(1) n cr ,当喷管出口截面上的压力比大于或等于临界 压力比时，喷管喉部截面AB上的流速小于或等于声速， 这时蒸汽仅在喷管的收缩部分中膨胀， 而在其斜切部分 中不膨胀，喷管斜切部分只起导向作用，汽流方向与轮 周方向的夹角称为喷管的出汽角 1
h ∆hn
2 h1t 1
p1 h1
图1-7蒸汽在喷嘴中的热力过程
s
2、几何条件
dA dc 2 ( M 1) A c
(1)当喷管内汽流为亚声速流动时（M<1），dA<0，这 种喷管成为渐缩喷管； (2)当喷管内汽流为超声速流动时（M>1），dA>0，这 种喷管成为渐扩喷管； (3)当喷管内汽流速度等于当地声速时（M=1），dA=0， 喷管的截面为最小值，这个截面为临界截面（喉部截 面） (4)欲使汽流在喷管中自亚声速增加至超声速，则截面 应由渐缩变为渐扩，这种喷管成为缩放喷管或拉伐尔 喷管。
p1 ——喷管后压力与喷管前滞止压力之比， n * p0
p ( v
0 0 0
0
2 k n
k 1 k n
)
p p 2 A p A ) G A K( K 1 v p
ntc n 0 0 n 0 0 n 0 0
K 1 K 1
0
式中
n ——喷管的流量系数
v1t 1 n 1t v1
图1-11喷管和动叶的流量系数
p0
如图所示， AB为渐缩 喷嘴的出口截面，即吼口 截面，ABC 即为斜切部分。 当喷嘴出口压力p1大于临 界压力p1c时，蒸汽在斜切 部分不发生膨胀。
pt αt ct 图1-13 喷管斜切部分
(1) n cr ,当喷管出口截面上的压力比大于或等于临界 压力比时，喷管喉部截面AB上的流速小于或等于声速， 这时蒸汽仅在喷管的收缩部分中膨胀， 而在其斜切部分 中不膨胀，喷管斜切部分只起导向作用，汽流方向与轮 周方向的夹角称为喷管的出汽角 1
h ∆hn
2 h1t 1
p1 h1
图1-7蒸汽在喷嘴中的热力过程
s
2、几何条件
dA dc 2 ( M 1) A c
(1)当喷管内汽流为亚声速流动时（M<1），dA<0，这 种喷管成为渐缩喷管； (2)当喷管内汽流为超声速流动时（M>1），dA>0，这 种喷管成为渐扩喷管； (3)当喷管内汽流速度等于当地声速时（M=1），dA=0， 喷管的截面为最小值，这个截面为临界截面（喉部截 面） (4)欲使汽流在喷管中自亚声速增加至超声速，则截面 应由渐缩变为渐扩，这种喷管成为缩放喷管或拉伐尔 喷管。
p1 ——喷管后压力与喷管前滞止压力之比， n * p0
p ( v
0 0 0
0
2 k n
k 1 k n
)
p p 2 A p A ) G A K( K 1 v p
ntc n 0 0 n 0 0 n 0 0
K 1 K 1
0
式中
n ——喷管的流量系数
v1t 1 n 1t v1
图1-11喷管和动叶的流量系数
第一章汽轮机级的工作原理
第一章汽轮机级的工作原理第一章汽轮机级的工作原理第一节概述一、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理在汽轮机中，级是最基本的工作单元，在结构上它是由喷嘴和其后的动叶栅所组成。
蒸汽的热能转变成机械能的能量转变过程就是在级内进行的。
汽轮机从结构上可分为单级汽轮机和多级汽轮机。
只有一个级的汽轮机称单级汽轮机。
有多个级的汽轮机称多级汽轮机。
图1-1是最简单的单级汽轮机主要部分结构图。
动叶按一定的距离和一定的角度安装在叶轮上形成动叶栅，并构成许多相同的蒸汽通道。
动叶栅装在叶轮上，与叶轮以及转轴组成汽轮机的转动部分，称为转子。
静叶按一定的距离和一定的角度排列形成静叶栅，静叶栅固定不动，构成的蒸汽通道称为喷嘴。
具有一定压力和温度的蒸汽先在喷嘴中膨胀，蒸汽压力、温度降低，速度增加，使其热能转换成动能，从喷嘴出来的高速汽流，以一定的方向进入动叶通道，在动叶通道中汽流速度改变，对动叶产生一个作用力，推动转子转动，完成动能到机械能的转换。
图1-1 单级汽轮机结构简图（a）立体图（b）剖面图1-主轴2—叶轮3—动叶4—喷嘴5—汽缸6—排汽口在汽轮机的级中能量的转变是通过冲动作用原理和反动作用原理两种方式实现的。
（一）冲动作用原理由力学可知，当一运动的物体碰到另一个静止的或速度不同的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小和方向，同时给阻碍它运动的物体一个作用力，这个力称为冲动力。
冲动力的大小取决于运动物体的质量和速度变化，质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力越大。
若在冲动力的作用下，阻碍运动的物体速度改变，则运动物体就做出了机械功。
根据能量守恒定律，运动物体动能的变化值就等于其做出的机械功。
利用冲动力做功的原理就是冲动作用原理。
在汽轮机中，从喷嘴中流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，受到动叶的阻碍，而改变了其速度的大小和方向，同时汽流给动叶施加了一个冲动力。
图1-2所示为无膨胀的动叶通道，蒸汽以速度w r1进入通道，由于受到动叶的阻碍不断地改变运动方向，最后以速度w r2流出动叶，则蒸汽对动叶施加了一个轮周方向的冲动力i F ，该力对动叶做功使动叶带动转子转动。
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第一章 汽轮机级的工作原理
教学目标：
①能叙述汽轮机的基本工作原理 ②能描述蒸汽在喷嘴中的流动特点 ③会画速度三角形 ④能说出级内损失的内容 ⑤会计算轮周功率和级效率 ⑥会比较纯冲动级与反动级的作功能力与效率
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第一章 汽轮机级的工作原理
重点： ①汽轮机的基本工作原理
②蒸汽在喷嘴中的流动特点
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1.1概述
冲动力： 当一运动的物体碰到另一个静 止的或速度不同的物体时，就 会受到阻碍而改变其速度的大 小和方向，同时给阻碍它运动 的物体一个作用力
结论：质量越大，冲动力越大；速 度越大，冲动力越大
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1.1概述
反动力：由于膨胀加速产生的作用力
反动做功原理： 蒸汽在动叶通道中流动 →给动叶栅一 个冲动力→在动叶栅中膨胀→给动叶 栅一个反动力→两个力的合力F作用 在动叶栅上→使动叶栅旋转而产生机 械功
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1.2 汽轮机的工作过程
（一）喷管中的气流速度
1、喷管出口气流的理想速度
2 2 c c 0 1 t h 蒸汽在喷管中的能量转换规律为 h 0 1 t 2 2
喷嘴出口的理想速度c1t为：
k 1 k p 2 k* 2 2 * * 1 c 2 hh c 2 hc 2 h p v 1 1 1 1 p 9 ) * ( 1 t 0 1 t 0 n 0 n 0 0 k 1 p 0
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1.2 汽轮机的工作过程
二、蒸汽在喷管中的膨胀过程
图为蒸汽在喷管中的热力过 程线， O 点是喷管前蒸汽的状态 点， 0* 是喷管前的滞止状态点。 具有初速 c0 、初压 p0 、初焓 h0 的 蒸汽在喷管中膨胀到背压 p1 ，在 无损失的情况下，沿着等熵线 O—1t 膨 胀 到 1t 点 ， 喷 管 的 焓 降 为 h n ，在有损失的情况下，膨 胀的热力过程沿 O—1 线进行，喷 管出口实际状态点为1。
一、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理
级是汽轮机中最基本的工作单位 级的组成：在结构上它是由喷 管和其后的动叶栅所组成
汽轮机从结构上分类
单级汽轮机
多级汽轮机
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1.1概述
基本概念： 动叶： 按一定的距离和一定的角度安装在叶轮上 形成动叶栅，并构成许多相同的蒸汽通道 转子：动叶栅装在叶轮上，与叶轮以及转轴组成 汽轮机的转动部分 喷管：静叶片构成的蒸汽通道 静叶栅（喷嘴叶栅）： 静叶按一定的距离和一定的角 度排列形成静叶栅（静叶栅固 定不动）
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1.2 汽轮机的工作过程
一 、可压缩流体一元流动的基本方程 基本方程式： （1）状态方程—— pv=RT
= 11 2 2 常 数 （2）连续性方程—— G v v v
1 2
c A c A
A c
（3）动量方程——cdc=-vdp （4）能量守恒方程——
*
2 2 c c 0 1 h qh w 0 1 2 2
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1.1概述
二、反动度和级的类型
（一）反动度：用来衡量蒸汽在动叶栅中的膨胀程度
hb m * ht
hb — 蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降
h t* — 蒸汽在整个级中膨胀时的滞止理想焓降
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1.1概述
（二）汽轮机级的类型及特点 1、冲动级和反动级 （1）冲动级: 反动度等于零的级
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1.2 汽轮机的工作过程
3、喷管出口气流的实际速度 喷嘴实际出口速度为： 喷嘴速度系数
c c 1 1 t
动能损失为：
2 2 2 c c c 2 1 2 * 1 t t 1 h 1 1 h n n 2 2 2
工作特点： 蒸汽只在喷管叶栅中膨胀，在动 叶栅中不膨胀而只改变其流动方 向，当不考虑损失时，动叶通道 进出口压力相等，相对速度也相 等 结构特点： 动叶叶型几乎为对称弯曲，即动 叶通道内各通流截面近似相同
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1.1概述
（2）反动级
反动级：反动度约等于0.5的级 工作特点：蒸汽在喷管和动叶通道中 的膨胀程度相等 结构特点：动叶叶型与喷管叶型相同
2、临界速度和临界压力 临界压力为：
2 v 0 p p c r 0 k 1 v cr
p c r c r
( 1 2 2 p 1 2 )
cr 即为临界压力比，它是气流达到音速时的压力与滞止压力之比
1.1概述
小结：
了解汽轮机级的类型和特点 熟悉汽轮机级的结构名词 掌握汽轮机的基本工作原理
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1.2 汽轮机的工作过程
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。`
③动叶片速度三角形
④级内损失、级内热力过程 ⑤轮周功率和级效率 ⑥纯冲动级与反动级的作功能力与效率的比较
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第一章 汽轮机级的工作原理
本节内容：
第一节 概述 第二节 汽轮机级的工作过程 第三节 级的轮周功率与轮周效率 第四节 汽轮机的级内损失和级效率
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1.1概述
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1.1概述
2、压力级和速度级
（1）压力级: 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 特点：压力级可以是冲动级，也可以是反动级 （2）速度级: 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 特点：速度级可以是双列的和多列的
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教学目标：
①能叙述汽轮机的基本工作原理 ②能描述蒸汽在喷嘴中的流动特点 ③会画速度三角形 ④能说出级内损失的内容 ⑤会计算轮周功率和级效率 ⑥会比较纯冲动级与反动级的作功能力与效率
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第一章 汽轮机级的工作原理
重点： ①汽轮机的基本工作原理
②蒸汽在喷嘴中的流动特点
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冲动力： 当一运动的物体碰到另一个静 止的或速度不同的物体时，就 会受到阻碍而改变其速度的大 小和方向，同时给阻碍它运动 的物体一个作用力
结论：质量越大，冲动力越大；速 度越大，冲动力越大
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1.1概述
反动力：由于膨胀加速产生的作用力
反动做功原理： 蒸汽在动叶通道中流动 →给动叶栅一 个冲动力→在动叶栅中膨胀→给动叶 栅一个反动力→两个力的合力F作用 在动叶栅上→使动叶栅旋转而产生机 械功
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1.2 汽轮机的工作过程
（一）喷管中的气流速度
1、喷管出口气流的理想速度
2 2 c c 0 1 t h 蒸汽在喷管中的能量转换规律为 h 0 1 t 2 2
喷嘴出口的理想速度c1t为：
k 1 k p 2 k* 2 2 * * 1 c 2 hh c 2 hc 2 h p v 1 1 1 1 p 9 ) * ( 1 t 0 1 t 0 n 0 n 0 0 k 1 p 0
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1.2 汽轮机的工作过程
二、蒸汽在喷管中的膨胀过程
图为蒸汽在喷管中的热力过 程线， O 点是喷管前蒸汽的状态 点， 0* 是喷管前的滞止状态点。 具有初速 c0 、初压 p0 、初焓 h0 的 蒸汽在喷管中膨胀到背压 p1 ，在 无损失的情况下，沿着等熵线 O—1t 膨 胀 到 1t 点 ， 喷 管 的 焓 降 为 h n ，在有损失的情况下，膨 胀的热力过程沿 O—1 线进行，喷 管出口实际状态点为1。
一、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理
级是汽轮机中最基本的工作单位 级的组成：在结构上它是由喷 管和其后的动叶栅所组成
汽轮机从结构上分类
单级汽轮机
多级汽轮机
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1.1概述
基本概念： 动叶： 按一定的距离和一定的角度安装在叶轮上 形成动叶栅，并构成许多相同的蒸汽通道 转子：动叶栅装在叶轮上，与叶轮以及转轴组成 汽轮机的转动部分 喷管：静叶片构成的蒸汽通道 静叶栅（喷嘴叶栅）： 静叶按一定的距离和一定的角 度排列形成静叶栅（静叶栅固 定不动）
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1.2 汽轮机的工作过程
一 、可压缩流体一元流动的基本方程 基本方程式： （1）状态方程—— pv=RT
= 11 2 2 常 数 （2）连续性方程—— G v v v
1 2
c A c A
A c
（3）动量方程——cdc=-vdp （4）能量守恒方程——
*
2 2 c c 0 1 h qh w 0 1 2 2
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1.1概述
二、反动度和级的类型
（一）反动度：用来衡量蒸汽在动叶栅中的膨胀程度
hb m * ht
hb — 蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降
h t* — 蒸汽在整个级中膨胀时的滞止理想焓降
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（二）汽轮机级的类型及特点 1、冲动级和反动级 （1）冲动级: 反动度等于零的级
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1.2 汽轮机的工作过程
3、喷管出口气流的实际速度 喷嘴实际出口速度为： 喷嘴速度系数
c c 1 1 t
动能损失为：
2 2 2 c c c 2 1 2 * 1 t t 1 h 1 1 h n n 2 2 2
工作特点： 蒸汽只在喷管叶栅中膨胀，在动 叶栅中不膨胀而只改变其流动方 向，当不考虑损失时，动叶通道 进出口压力相等，相对速度也相 等 结构特点： 动叶叶型几乎为对称弯曲，即动 叶通道内各通流截面近似相同
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（2）反动级
反动级：反动度约等于0.5的级 工作特点：蒸汽在喷管和动叶通道中 的膨胀程度相等 结构特点：动叶叶型与喷管叶型相同
2、临界速度和临界压力 临界压力为：
2 v 0 p p c r 0 k 1 v cr
p c r c r
( 1 2 2 p 1 2 )
cr 即为临界压力比，它是气流达到音速时的压力与滞止压力之比
1.1概述
小结：
了解汽轮机级的类型和特点 熟悉汽轮机级的结构名词 掌握汽轮机的基本工作原理
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1.2 汽轮机的工作过程
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。`
③动叶片速度三角形
④级内损失、级内热力过程 ⑤轮周功率和级效率 ⑥纯冲动级与反动级的作功能力与效率的比较
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本节内容：
第一节 概述 第二节 汽轮机级的工作过程 第三节 级的轮周功率与轮周效率 第四节 汽轮机的级内损失和级效率
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2、压力级和速度级
（1）压力级: 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 特点：压力级可以是冲动级，也可以是反动级 （2）速度级: 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 特点：速度级可以是双列的和多列的
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