【正文】 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 西安交通大學 能源與動力工程學院 熱動力工程系 王新軍 熱力葉輪機械原理 Principle of Thermal Turbomachinery 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 第一章 透平級工作原理 概論 ◆ 動葉柵 ： 安裝在葉輪上并與主軸相連，在工作中是 轉動的部分，稱為轉子。 ◆ 噴管葉柵 ： 安裝在隔板上并與汽缸相連 ， 在工作中是 靜止不動的部分 ， 稱為靜止； 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 基 本 特 點 ◆ 噴管：結構大體上是一樣的 ； ◆ 動葉：結構大體也是一樣的 。 噴管葉柵 → 動葉柵 → 噴管葉柵 → 動葉柵 → …… ◆ 噴管葉柵：汽流膨脹加速， 熱能 轉化為 動能 ； ◆ 動葉柵 ： 熱能 轉化為 動能 動能 轉化為 機械功 ； 排列 特點 葉片 特點 工作 特點 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 結 論 ： 一列噴管葉柵 + 一列動葉柵 = 汽輪機作功的基本單元（ 汽輪機級 ） 汽輪機 （ 透平 ） 級 ： 工作條件 基本相同 ， 結構 大體類似 ， 按一定 次序 配置的工作單元 。 通流部分 ： 由若干個透平級 串聯(lián) 而成的部分， 它是實現(xiàn)汽流 流動 和能量 轉換 的部分 。 汽輪機級 通流部分示意圖 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 一 、 級的分類 按不同的分類方法 ， 透平級可以分為以下幾類 。 ◆ 按蒸汽的 流動方向 分： → 軸流式級 → 輻流式級 → 向心式 → 離心式 軸流式透平級 向心式透平級 離 心式 透平級 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU ◆ 按蒸汽在靜葉柵和動葉柵中的 能量轉換 情況分： ① 沖動級 ： 蒸汽在通過透平級時，它所釋放的 熱能 全部在 噴管 中 轉化為蒸汽的 動能 ；在動葉柵中蒸汽 不再膨脹加速 ， 而只是改變汽流的 流動方向 。 軸流式透平級： 沖動級、反動級、帶反動度的沖動級、復速級 → 汽流改變流動方向時對葉柵產生 一個離心力： 沖擊力 → 動葉柵只受到汽流的沖擊作用， 推動動葉柵轉動 作功 （沖動式） 特點 ：① 動葉柵的流道是近似 等截面 的； ② 動葉片的截面形狀也是 對稱 的。 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU ② 反動級 ： 蒸汽在通過透平級時， 熱能向動能 的轉化過程先后在 噴管葉柵和動葉柵中 各完成一半 。 即：蒸汽在噴管葉柵和動葉柵中都 膨脹加速 。 → 汽流改變流動方向產生一個 沖擊力 ； 加速汽流產生一個 反作用力 ； → 透平級作功是在汽流沖擊力和反作用力 共同作用 下完成的 。 特點 ： ① 噴管葉柵與動葉柵的 葉型相同 ； ② 噴管葉柵與動葉柵都是 收縮 的 。 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU ③ 帶反動度的沖動級 蒸汽在通過透平級時，蒸汽熱能向動能的轉化過程， 大部分 是在 噴管 中完成， 小部分 是在 動葉柵 中完成。 → 汽流對動葉施加一個離心力和一個反作用力； → 在汽流 沖擊力 和 反作用力 共同作用下，透平級完成對外作功。 ④ 復速級 （ 速度級 ） 蒸汽熱能主要在 噴管 葉柵中轉化為動能 ， 而從噴管葉柵出來的高速汽流要在 同一個葉輪 上的 兩列動葉柵 中進行功的轉化 。 特點 ： 四排葉柵 噴管葉柵 + 動葉柵 1 + 導向葉柵 + 動葉柵 2 雙列復速級 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU a) 沖動級 b) 反動級 c) 帶反動度的沖動級 d) 雙列復速級 圖 四種透平級葉柵通道示意圖 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 二、級的主要問題和研究方法 ◆ 主要問題 從工作原理上講，透平級的主要問題有 三個 方面： 1）蒸汽在汽輪機通流部分中的 能量轉換 和 通流能力 問題； 2） 蒸汽的 流動效率 問題； 3） 變工況 特性問題 。 ◆ 研究方法 1） 理論方法 ：采用一元流動分析法，研究透平級的能量轉換、通 流能力和變工況特性（可以很好反映出：能量轉換、 通流能力以及變工況的實質）。 2） 實驗方法 ：通過實驗得到葉柵的能量損失 ， 用來分析葉柵流動 效率問題 。 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU —— 汽輪機主軸 ； —— 級通流部分的平均直徑 ； —— 透平級的軸向距離 ； —— 蒸汽的壓力 、 溫度和速度 。 ZZ?mdScTp ,三個計算截面 （ 特征截面 ） ： 00： 級的進口計算截面 11： 級間 （ 軸向間隙 ） 計算截面 22： 級后計算截面 G三、級的研究范圍和內容 ◆ 研究范圍 ： ◆ 研究內容 ： 分析一定的蒸汽 流量 ， 流過 S距離 時的熱力狀態(tài) 、 氣動 參數(shù)的變化規(guī)律 和 作功情況 。 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 一 、 一元流動 模型和方程 基本假定： ① 蒸汽在葉柵通道中的流動是 定常流動 噴管和動葉通道中的流動過程與通流能力 流動 非常 復雜 ： ◆ 三元 、 粘性 、 可壓縮 、 非定常流動 ◆ 伴隨有能量的轉換 ◆ NS方程描述 → 在流動過程中 ， 空間任何一點的蒸汽參數(shù)不隨時間而變化 ； → 汽輪機運行工況一定時 ， 各點參數(shù)不再變化 。 符合假設條件 。 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU ③ 蒸汽在葉柵通道中的流動是 絕熱流動 結論 ： 在上述假設條件下 ， 葉柵通道中的蒸汽流動為 一元定常絕熱流動 。 ② 蒸汽在葉柵通道中的流動是 一元流動 → 研究汽流參數(shù)沿軸向的變化 ， 認為在徑向 、 周向是不變的； → 對短葉片級而言 ， 基本符合假設條件 。 → 忽略透平級與外界的熱交換 ， 基本符合實際情況 。 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 基本方程： 1）狀態(tài)方程： RTzp ??c ons tGv cAv cA ???222111c o n s tGcAcA ??? 222111 ??0??? ??dcdcAdA 積分形式： 或： 微分形式： 2）連續(xù)方程： 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 3）動量（運動）方程 取流管中相鄰的兩個截面 11和 22。 ◆ 在 11截面：壓力為 P， 截面積為 A， 受力為 :AP ◆ 在 22截面：壓力為 ， 截面積為 ， 受力為 dxxpp ??? dxxAA ???))(( dxxAAdxxpp ??????1 1 2 2 S 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 2/)( dxxppp ????AdxxAA ????)(2 AdxxAAdxdxppp????????◆ 在流管表面 取壓力的平均值： 受力面積： 受力： ◆ 流動阻力 ： s 動量方程 （ 以 流動方向為正 ） 為： dtdcvA d xSAdxxAAdxxpppdxxAAdxxppAp ?????????????????? )(2))((熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU c d cs d xv d p ???略去 高次項 ： 對一元定常流動 ， 有： 0?? vd pcd c忽略側面的 粘性阻力 ，有： c ons tpvp kk ???對于絕熱的理想 （ 等熵 ）流動， 有： 0101001 )(112 cpppkkc kks ????????????01010 )(112 cppRTkk kk ???????????帶入上式 得 ： 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 4）能量方程 i1 c1 i2 c2 q w 如果忽略摩擦力作功和勢能的變化等因素 ： wciqci ????? 22222211系統(tǒng)的能量方程為： 0?q絕熱流動： 能量方程： wcici ???? 22222211絕熱流動和 不作功過程 0?q0?w能量方程： 22222211cici ???熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 5）補充方程 ① 過程方程 ◆ 等熵膨脹過程方程 ： k —— 絕熱指數(shù) （ 空氣： k =；過熱蒸汽： k = ；濕蒸汽： k =+ ） con stpk ??② 氣動方程 ◆ 音速 ： ， 等熵過程 ： ◆ 馬赫數(shù) ： （ M1:亞音速 ； M=1： 音速 ； M1： 超音速 ） ?ddpa ? kRTpka ???acM ?熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU a) 收縮噴管 b) 縮放噴管 圖 兩種噴管類型 二 、 蒸汽在噴管中的流動過程 噴管的類型有兩種： → 收縮 噴管 → 縮放 噴管 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 噴管結構： 1） 兩種噴管的汽流流道一般都是 彎曲的 ； 2） 兩種噴管都有一個 斜切部分 。 噴管作用： 1） 實現(xiàn)蒸汽 熱能向動能 的轉換 （ 能量轉換 ） ； 2） 實現(xiàn)對汽流 流動方向 的控制 。 噴管膨脹效果： 1） 收縮噴管出口截面的 汽流速度 音速 ； ≦ 2） 縮放噴管出口截面的 汽流速度 音速 不確定 → 設計工況 → 變工況 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 三 、 蒸汽在噴管中實現(xiàn)能量轉換的條件 可以看出 ：動能 ↑→ 速度 ↑ （ ） → → 流動過程： 膨脹過程 → 理想 無損失情況 :等熵 膨脹過程 0?dc 0?dp蒸汽在噴管中的流動 : → 目的 ： → 條件 ： 實現(xiàn)蒸汽 熱能向動能 的轉換 ① 力學條件； ② 幾何條件 ① 力學條件 0?? ?dpc dc根據(jù)動量方程： 熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU ② 幾何條件 根據(jù) 等熵過程方程 ： con stpk ??得到： ??dkpdp ?代入 動量方程 ： 0?? ?dpc dc得到： cdcMpkc d cd 2???????代入 連續(xù)方程 ： 0??? ??dcdcAdA得到： cdcMcdcpkc d cAdA)1( 2 ?????熱力葉輪機械原理（ 1） XJTU 可以看出： cdcMAdA )1( 2 ?? （ 適用噴管任何一個截面 ） 亞音速 （ ）流動：