【正文】 《汽輪機原理及運行》思考解答題第一章汽輪機的熱力特性思考題答案1． 什么是汽輪機的級？汽輪機的級可分為哪幾類？各有何特點？解答：一列噴嘴葉柵和其后面相鄰的一列動葉柵構成的基本作功單元稱為汽輪機的級，它是蒸汽進行能量轉換的基本單元。根據(jù)蒸汽在汽輪機內(nèi)能量轉換的特點，可將汽輪機的級分為純沖動級、反動級、帶反動度的沖動級和復速級等幾種。各類級的特點：hb=0；Ωm=0。D（1）純沖動級：蒸汽只在噴嘴葉柵中進行膨脹，而在動葉柵中蒸汽不膨脹。它僅利用沖擊力來作功。在這種級中：p1=p2；（2）反動級：蒸汽的膨脹一半在噴嘴中進行，一半在動葉中進行。它的動葉柵中不僅存在沖擊力，蒸汽在動葉中進行膨脹還產(chǎn)生較大的反擊力作功。反動級的流動效率高于純沖動級，但作功能力較小。在這種級中：p1ht；Ωm=。Dhb≈≈Dp2；（3）帶反動度的沖動級：蒸汽的膨脹大部分在噴嘴葉柵中進行，只有一小部分在動葉柵中進行。這種級兼有沖動級和反動級的特征，它的流動效率高于純沖動級，作功能力高于反動級。在這種級中：p1hnDp2；hbD0；Ωm=～。（4）復速級：復速級有兩列動葉，現(xiàn)代的復速級都帶有一定的反動度，即蒸汽除了在噴嘴中進行膨脹外，在兩列動葉和導葉中也進行適當?shù)呐蛎洝Ｓ捎趶退偌壊捎昧藘闪袆尤~柵，其作功能力要比單列沖動級大。2． 說明沖擊式汽輪機級的工作原理和級內(nèi)能量轉換過程及特點。解答：蒸汽在汽輪機級內(nèi)的能量轉換過程，是先將蒸汽的熱能在其噴嘴葉柵中轉換為蒸汽所具有的動能，然后再將蒸汽的動能在動葉柵中轉換為軸所輸出的機械功。具有一定溫度和壓力的蒸汽先在固定不動的噴嘴流道中進行膨脹加速，蒸汽的壓力、溫度降低，速度增加，將蒸汽所攜帶的部分熱能轉變?yōu)檎羝膭幽?。從噴嘴葉柵噴出的高速汽流，以一定的方向進入裝在葉輪上的動葉柵，在動葉流道中繼續(xù)膨脹，改變汽流速度的方向和大小，對動葉柵產(chǎn)生作用力，推動葉輪旋轉作功，通過汽輪機軸對外輸出機械功，完成動能到機械功的轉換。由上述可知，汽輪機中的能量轉換經(jīng)歷了兩個階段：第一階段是在噴嘴葉柵和動葉柵中將蒸汽所攜帶的熱能轉變?yōu)檎羝哂械膭幽埽诙A段是在動葉柵中將蒸汽的動能轉變?yōu)橥苿尤~輪旋轉機械功，通過汽輪機軸對外輸出。3． 什么是沖擊原理和反擊原理？在什么情況下，動葉柵受反擊力作用？解答：沖擊原理：指當運動的流體受到物體阻礙時，對物體產(chǎn)生的沖擊力，推動物體運動的作功原理。流體質(zhì)量越大、受阻前后的速度矢量變化越大，則沖擊力越大，所作的機械功愈大。反擊原理：指當原來靜止的或運動速度較小的氣體，在膨脹加速時所產(chǎn)生的一個與流動方向相反的作用力，稱為反擊力，推動物體運動的作功原理。流道前后壓差越大，膨脹加速越明顯，則反擊力越大，它所作的機械功愈大。當動葉流道為漸縮形，且動葉流道前后存在一定的壓差時，動葉柵受反擊力作用。4． 什么是最佳速度比？純沖動級、反動級和純沖動式復速級的最佳速度比的值是多少？解答：輪周速度與噴嘴出口汽流速度的比值，稱為速度比。級效率最高時，所對應的速度比稱為最佳速度比。~；~；~。5． 汽輪機的能量損失有哪幾類？各有何特點？解答：汽輪機內(nèi)的能量損失可分為兩類，一類是汽輪機的內(nèi)部損失，一類是汽輪機的外部損失。汽輪機的內(nèi)部損失主要是蒸汽在其通流部分流動和進行能量轉換時，產(chǎn)生的能量損失，可以在焓熵圖中表示出來。汽輪機的外部損失是由于機械摩擦及對外漏汽而形成的能量損失，無法在焓熵圖中表示。6． 汽輪機的級內(nèi)損失一般包括哪幾項？造成這些損失的原因是什么？解答：汽輪機的級內(nèi)損失一般包括：噴嘴損失；動葉損失；余速損失；葉高損失；扇形損失；葉輪摩擦損失；部分進汽損失；漏汽損失；濕汽損失。造成這些損失的原因： （1）噴嘴損失：蒸汽在噴嘴葉柵內(nèi)流動時，汽流與流道壁面之間、汽流各部分之間存在碰撞和摩擦，產(chǎn)生的損失。 （2）動葉損失：因蒸汽在動葉流道內(nèi)流動時，因摩擦而產(chǎn)生損失。（3）余速損失：當蒸汽離開動葉柵時，仍具有一定的絕對速度，動葉柵的排汽帶走一部分動能，稱為余速損失。 （4）葉高損失：由于葉柵流道存在上下兩個端面，當蒸汽流動時，在端面附面層內(nèi)產(chǎn)生摩擦損失，使其中流速降低。其次在端面附面層內(nèi)，凹弧和背弧之間的壓差大于彎曲流道造成的離心力，產(chǎn)生由凹弧向背弧的二次流動，其流動方向與主流垂直，進一步加大附面層內(nèi)的摩擦損失。（5）扇形損失：汽輪機的葉柵安裝在葉輪外圓周上，為環(huán)形葉柵。當葉片為直葉片時，其通道截面沿葉高變化，葉片越高，變化越大。另外，由于噴嘴出口汽流切向分速的離心作用，將汽流向葉柵頂部擠壓，使噴嘴出口蒸汽壓力沿葉高逐漸升高。而按一元流動理論進行設計時，所有參數(shù)的選取，只能保證平均直徑截面處為最佳值，而沿葉片高度其它截面的參數(shù)，由于偏離最佳值將引起附加損失，統(tǒng)稱為扇形損失。（6）葉輪摩擦損失：葉輪在高速旋轉時，輪面與其兩側的蒸汽發(fā)生摩擦，為了克服摩擦阻力將損耗一部分輪周功。又由于蒸汽具有粘性，緊貼著葉輪的蒸汽將隨葉輪一起轉動，并受離心力的作用產(chǎn)生向外的徑向流動，而周圍的蒸汽將流過來填補產(chǎn)生的空隙，從而在葉輪的兩側形成渦流運動。為克服摩擦阻力和渦流所消耗的能量稱為葉輪摩擦損失。（7）部分進汽損失：它由鼓風損失和斥汽損失兩部分組成。在沒有布置噴嘴葉柵的弧段處，蒸汽對動葉柵不產(chǎn)生推動力，而需動葉柵帶動蒸汽旋轉，從而損耗一部分能量；另外動葉兩側面也與弧段內(nèi)的呆滯蒸汽產(chǎn)生摩擦損失，這些損失稱為鼓風損失。當不進汽的動葉流道進入布置噴嘴葉柵的弧段時，由噴嘴葉柵噴出的高速汽流要推動殘存在動葉流道內(nèi)的呆滯汽體，將損耗一部分動能。此外，由于葉輪高速旋轉和壓力差的作用，在噴嘴組出口末端的軸向間隙會產(chǎn)生漏汽，而在噴嘴組出口起始端將出現(xiàn)吸汽現(xiàn)象，使間隙中的低速蒸汽進入動葉流道，擾亂主流，形成損失，這些損失稱為斥汽損失。（8）漏汽損失：汽輪機的級由靜止部分和轉動部分組成，動靜部分之間必須留有間隙，而在間隙的前后存在有一定的壓差時，會產(chǎn)生漏汽，使參加作功的蒸汽量減少，造成損失，這部分能量損失稱為漏汽損失。（9）濕汽損失：在濕蒸汽區(qū)工作的級，將產(chǎn)生濕汽損失。其原因是：濕蒸汽中的小水滴，因其質(zhì)量比蒸汽的質(zhì)量大，所獲得的速度比蒸汽的速度小，故當蒸汽帶動水滴運動時，造成兩者之間的碰撞和摩擦，損耗一部分蒸汽動能；在濕蒸汽進入動葉柵時，由于水滴的運動速度較小，在相同的圓周速度下，水滴進入動葉的方向角與動葉柵進口幾何角相差很大，使水滴撞擊在動葉片的背弧上，對動葉柵產(chǎn)生制動作用，阻止葉輪的旋轉，為克服水滴的制動作用力，將損耗一部分輪周功；當水滴撞擊在動葉片的背弧上時，水滴就四處飛濺，擾亂主流，進一步加大水滴與蒸汽之間的摩擦，又損耗一部分蒸汽動能。以上這些損失稱為濕汽損失。7． 什么是汽輪機的相對內(nèi)效率？什么是級的輪周效率？影響級的輪周效率的因素有哪些？解答：蒸汽在汽輪機內(nèi)的有效焓降與其在汽輪機內(nèi)的理想焓降的比值稱為汽輪機的相對內(nèi)效率。一公斤蒸汽在級內(nèi)轉換的輪周功和其參與能量轉換的理想能量之比稱為輪周效率。影響輪周效率的主要因素是速度系數(shù)φ和ψ，以及余速損失系數(shù)，其中余速損失系數(shù)的變化范圍最大。余速損失的大小取決于動葉出口絕對速度。余速損失和余速損失系數(shù)最小時，級具有最高的輪周效率。8． 什么叫余速利用？余速在什么情況下可被全部利用？解答：蒸汽從上一級動葉柵流出所攜帶的動能，進入下一級參加能量轉換，稱為余速利用。如果相鄰兩級的直徑相近，均為全周進汽，級間無回熱抽汽，且在下一級進口又無撞擊損失，則上一級的余速就可全部被下一級利用，否則只能部分被利用。當上一級的余速被利用的份額較小時，視為余速不能被利用。9． 什么是多級汽輪機的重熱現(xiàn)象？由于多級汽輪機內(nèi)存在重熱現(xiàn)象，可以從損失中回收一部分可用能量，是否可以說重熱系數(shù)愈大愈好？解答：蒸汽在多級汽輪機內(nèi)進行能量轉換時，所有的內(nèi)部損失都因為摩擦而轉變?yōu)闊崃浚诮^熱條件下被蒸汽吸收，使各級的排汽焓和排汽溫度相應增加，下一級的熱力過程線向右偏移。此時在下一級的前后蒸汽壓力不變的條件下，其級內(nèi)蒸汽的理想焓降相應增加，這種現(xiàn)象稱重熱現(xiàn)象。重熱是多級汽輪機所特有的現(xiàn)象。重熱現(xiàn)象實質(zhì)上是從損失中回收部分能量，而在后面各級內(nèi)繼續(xù)進行能量轉換，故其可以提高多級汽輪機的效率。因汽輪機內(nèi)部損失愈大、級數(shù)愈多，重熱系數(shù)愈大，故不能說重熱系數(shù)愈大愈好。10. 漸縮噴嘴和縮放噴嘴的變工況特性有何差別？解答：縮放噴嘴與漸縮噴嘴的本質(zhì)區(qū)別，是它的臨界截面與出口截面不同，且縮放噴嘴設計工況下背壓低于臨界壓力、出口汽流速度大于音速，而在最小截面處理想速度等于音速?？s放噴嘴的變工況與漸縮噴嘴的差別是：當出口壓力大于設計工況下背壓時，在噴嘴出口截面或噴嘴漸擴部分將產(chǎn)生沖波，速度系數(shù)大大降低。另外，對應臨界流量的壓力比小于臨界壓力比。11. 為什么可以利用研究噴嘴變工況特性的結果分析動葉柵變工況特性？解答：動葉柵為漸縮流道，壓力比都用滯止壓力比，漸縮噴嘴蒸汽參數(shù)與流量的特性完全可適用于動葉柵，所不同的是研究動葉柵變工況時，應使用相對速度w。12.弗留蓋爾公式中各符號代表什么意義？該公式在什么條件下可以簡化，簡化為什么形式？解答：弗留蓋爾公式為：式中p0、pz、T0、G0——工況變化前級組前后蒸汽壓力、級組前蒸汽絕對溫度和蒸汽流量；p0pzT0G01——工況變化后級組前后蒸汽壓力、級組前蒸汽絕對溫度和蒸汽流量。當pz，pz的變化對級組蒸汽流量影響很??；級組中有一級葉柵在工況變化前后均為臨界時，pz的變化對級組蒸汽流量不產(chǎn)生影響，故上式可簡化為：當級組前蒸汽溫度變化不大時，可進一步簡化為：或13.弗留蓋爾公式應用的條件有哪些？解答：弗留蓋爾公式的應用條件是：要求級組內(nèi)的級數(shù)較多；各級流量相等；變工況時各級通流面積不變；如果級組中某一級后有抽汽，只要抽汽量隨進汽量的變化而按比例變化，各級蒸汽流量按比例變化的條件下，弗留蓋爾公式仍然成立。14.采用噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機進汽量減小時，各類級的理想焓降如何變化？反動度、速度比、級效率如何變化？解答：當汽輪機的工況變化時，按各級在工況變化時的特點通常級分為調(diào)節(jié)級、中間級和末級組三類。（1）中間級：在工況變化時，壓力比不變是中間級的特點。汽輪機級的理想焓降是級前溫度和級的壓力比的函數(shù)，在工況變化范圍不大時，中間級的級前蒸汽溫度基本不變。此時級內(nèi)蒸汽的理想焓降不變，級的速度比和反動度也不變，故級效率不變。隨著工況變化范圍增大，壓力最低的中間級前蒸汽溫度開始變化，并逐漸向前推移。當流量減小，級前蒸汽溫度降低，中間級的理想焓降減小，其速度比和反動度相應增大。由于設計工況級的速度比為最佳值，級內(nèi)效率最高，當速度比偏離最佳值時，級內(nèi)效率降低。而且速度比偏離最佳值愈遠，級內(nèi)效率愈低。（2）末級組：其特點是級前蒸汽壓力與其流量的關系不能簡化為正比關系，且級組內(nèi)級數(shù)較少。由于在工況變化流量下降時，汽輪機的排汽壓力變化不大，級前壓力減小較多。且變工況前級組前后的壓力差越大，級前壓力降低的多，級后壓力降低的少。此時級的壓力比增大，級內(nèi)理想焓降減小，而且末級的壓力比和理想焓降變化最大。級的速度比和反動度隨理想焓降的減小而增大，速度比偏離最佳值，級效率相應降低。（3）調(diào)節(jié)級：調(diào)節(jié)級前后壓力比隨流量的改變而改變，其理想焓降亦隨之變化。當汽輪機流量減小時，調(diào)節(jié)級的壓力比逐漸減小，調(diào)節(jié)級焓降逐漸增大。在第一調(diào)節(jié)閥全開而第二調(diào)節(jié)閥剛要開啟時，級的壓力比最小，故此時調(diào)節(jié)級理想焓降達到最大值。級的理想焓降增大，其速度比和反動度隨之減小，速度比偏離最佳值，級效率相應降低。15.主蒸汽壓力變化，對機組安全經(jīng)濟運行有何影響？解答：在初壓變化時，若保持調(diào)節(jié)閥開度不變，此時除少數(shù)低壓級之外，絕大多數(shù)級內(nèi)蒸汽的理想焓降不變，故汽輪機的效率基本保持不變，但其進汽量將隨之改變。對于凝汽式機組或某一級葉柵為臨界狀態(tài)的機組，其進汽量與初壓的變化成正比，由于此時汽輪機內(nèi)蒸汽的理想焓降隨初壓升高而增大，機組功率的相對變化大于機組進汽量的相對變化。對于不同背壓的級組，背壓越高，初壓改變對功率的影響越大。當主蒸汽溫度不變，主蒸汽壓力升高時，蒸汽的初焓減??；此時進汽流量增加，回熱抽汽壓力升高，給水溫度隨之升高，給水在鍋爐中的焓升減小，一公斤蒸汽在鍋爐內(nèi)的吸熱量減少。此時進汽量雖增大，但由于進汽量的相對變化小于機組功率的相對變化，故熱耗率相應減小，經(jīng)濟性提高，反之亦然。采用噴嘴調(diào)節(jié)的機組，初壓改變時保持功率不變。當初壓增加時，一個調(diào)節(jié)閥關小，其節(jié)流損失增大，故汽輪機的內(nèi)效率略有降低。雖然初壓升高使循環(huán)效率增高，但經(jīng)濟性不如調(diào)節(jié)閥開度不變的工況。采用節(jié)流調(diào)節(jié)的機組，若保持功率不變，初壓升高時，所有調(diào)節(jié)閥的開度相應減小，在相同條件下，進汽節(jié)流損失大于噴嘴調(diào)節(jié)。初壓升高使循環(huán)效率增大的經(jīng)濟效益，幾乎全部被進汽節(jié)流損失相抵消。初壓升高時，所有承壓部件受力增大，尤其是主蒸汽管道、主汽門、調(diào)節(jié)閥、噴嘴室、汽缸等承壓部件，其內(nèi)部應力將增大。初壓升高時若初溫保持不變，使在濕蒸汽區(qū)工作的級濕度增大，末級葉片的工作條件惡化，加劇其葉片的侵蝕，并使汽輪機的相對內(nèi)效率降低。若初壓升高過多，而保持調(diào)節(jié)閥開度不變，由于此時流量增加，軸向推力增大，并使末級組蒸汽的理想焓降增大，會導致葉片過負荷。此時調(diào)節(jié)級汽室壓力升高，使汽缸、法蘭和螺栓受力過大，高壓級隔板前后壓差增大。因此對機組初壓和調(diào)節(jié)級汽室壓力的允許上限值有嚴格的限制。當初壓降低時，要保持汽輪機的功率不變，則要開大調(diào)節(jié)閥，增加進汽量。此時各壓力級蒸汽的流量和理想焓降都相應增大，則蒸汽對動葉片的作用力增加，會導致葉片過負荷，并使機組的軸向推力相應增大?，F(xiàn)代汽輪機在設計工況下，進汽調(diào)節(jié)閥的富余開度不大，保證在其全開時，動葉片的彎曲應力和軸向推力不超限。16.主蒸汽和再熱蒸汽溫度變化，對機組安全經(jīng)濟運行有何影響？解答：（1）初溫變化對安全經(jīng)濟運行的影響：汽輪機的初溫升高，蒸汽在鍋爐內(nèi)的平均吸熱溫度提高，循環(huán)效率提高，熱耗率降低。另外，由于初溫升高，凝汽式汽輪機的排汽濕度減小，其內(nèi)效率也相應提高。循環(huán)效率和汽輪機的效率提高，運行經(jīng)濟性相