第一章2蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程课件.ppt

汽轮机原理第一章 汽轮机级的工作原理第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程,胡长兴,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程,内容及要点一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程*1、喷嘴出口汽流速度（喷嘴压比，速度系数，喷嘴损失）2、喷嘴中蒸汽参数、流速与等比熵比焓降的关系（临界截面）3、喷嘴中汽流的临界状态（临界状态（速度、压比、截面积）4、喷嘴的通流能力（临界流量、流量系数、彭台门系数）二、蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀*（膨胀条件，汽流偏转角）三、蒸汽在动叶通道中的流动过程和通流能力*,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,蒸汽在喷嘴（静叶）中的膨胀过程的特点： (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。,由能量方程：写出0*，0，1，1t 四个位置能量平衡方程。,1、喷嘴出口汽流速度,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,由能量方程：,1、喷嘴理想出口速度：,若把蒸汽作为理想气体（1.2.3），则,式中： 喷嘴压比：喷嘴后的压力与喷嘴前的滞止压力之比。,1、喷嘴出口汽流速度,在喷嘴中实际流动工质是蒸汽，有黏性，有阻力，要考虑由于黏性存在所造成的速度下降。,式中： 喷嘴实际出口速度； 喷嘴理想出口速度。,实际喷嘴出口速度：,喷嘴损失：,喷嘴损失系数：,引入喷嘴速度系 ：,1、喷嘴出口汽流速度,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,影响速度系数因素分析：喷嘴高度ln，叶型，汽道形状，叶型表面粗糙度、压比、冲角等。,从上试验图得出： 喷嘴速度系数在0.920.98之间，设计时，取 ，另考虑叶高损失。 ln15mm； ln 100 mm时， 值基本上不随ln变化。在强度允许条件下，尽量采用较窄的喷嘴 。,喷嘴宽度Bn55mm,喷嘴宽度Bn 80mm,1、喷嘴出口汽流速度,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,1.连续方程式,2. 运动方程,3. 马赫数Ma ：,？蒸汽经过喷嘴时为什么能够在较小能量损失的情况下进行能量转换,答：因为喷嘴几何形状满足空气动力学公式：,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,2、喷嘴中蒸汽参数、流速与等比熵比焓降的关系,当Ma1，为亚音速流动， ，要使亚音速汽流在汽道中膨胀、加速、压力下降，汽道的截面积应逐渐收缩，渐缩型喷嘴,根据空气动力学公式：,当Ma1，为超音速流动， ，要使超音速汽流在汽道中膨胀、加速、压力下降，汽道的截面积应逐渐增大，渐扩型喷嘴,综合以上的两种情况：如果要使汽流不断膨胀加速，在亚音速流动时，喷嘴截面必须逐渐收缩，而汽流速度达音速后，喷嘴截面必须逐渐增大， 缩放型喷嘴,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,2、喷嘴中蒸汽参数、流速与等比熵比焓降的关系,根据空气动力学公式：,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,2、喷嘴中蒸汽参数、流速与等比熵比焓降的关系,航空发动机，哪个是超音速发动机？,蒸汽在喷嘴中流动时各项参数沿汽道的变化规律,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,2、喷嘴中蒸汽参数、流速与等比熵比焓降的关系,从流体力学得知，亚音速汽流在缩放喷嘴中膨胀流动时，汽流速度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pcr，临界速度ccr。,临界压力pcr与滞止压力p0*之比，叫临界压比cr 。,等商过程，临界压比cr只与蒸汽绝热指数k有关。对于过热蒸汽：k=1.3， cr = 0.546 饱和蒸汽：k=1.135， cr = 0.577 空气：k=1.4， cr = 0.528,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,3、喷嘴中汽流的临界状态,如果想从亚音速汽流膨胀获得超音速汽流，必须满足：几何条件： 缩放喷嘴力学条件：,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,3、喷嘴中汽流的临界状态,理想流量出口面积 ，理想速度 ，密度 ，则通过喷嘴的理想流量：,当喷嘴参数一定时，,可见，当 等于临界压比 时，喷嘴流量最大，此时流量称为临界流量 。,流过喷嘴的最大流量的条件满足极值，令 ，得：,流量是压比的函数。,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,4、喷嘴的通流能力,缩放喷嘴临界流量计算公式与上式一样，只是 为喉部面积，而非出口面积。,临界流量：,式中：,过热蒸汽， ， ，,饱和蒸汽， ， =0.635，,仅与蒸汽性质有关。,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,4、喷嘴的通流能力,当 ，喷嘴前后压力相等， ；,当 时，流量始终保持临界流量不变。实际曲线是ABC，而不是OBC。,当 继续减小， 逐渐减小；,当 ， 。,但实验证明：只要喷嘴前后存在压力差，喷嘴流量是不会等于零的。,压比 减小， 增加；,当 ， 最大，为 ；,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,4、喷嘴的通流能力,渐缩喷嘴的流量与压比的关系,式中： 为喷嘴流量系数， ，,实际流量,过热蒸汽： , 取： 湿蒸汽：取：,影响流量系数的因素很多，如不同蒸汽进口压力和压力比、级的反动度、进口蒸汽的过热度和湿度、以及速度系数等。,很难用理论方法准确计算，通常用试验方法确定。,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,4、喷嘴的通流能力,喷嘴和动叶的流量系数,喷嘴流量系数,一般绝热过程，流动损失加热了蒸汽，使蒸汽的排汽比焓增加，,因而蒸汽的实际密度 小于理想密度 。,过热蒸汽： , 取：,过热蒸汽： , 取：,?,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,4、喷嘴的通流能力,过冷现象（过饱和现象）,湿蒸汽 1,通常，在湿蒸汽膨胀过程中，其温度不断下降，蒸汽不断凝结。在通过饱和线以后，湿蒸汽区域内随蒸汽的膨胀，蒸汽中应该不断地分离出水滴。,但是，静叶片中蒸汽流动速度大,停留时间极短来不及析出水滴,蒸汽的实际湿度要比相同压力下蒸汽湿度小，应该凝结的水滴未能凝结,水滴的汽化潜热未能释放出来加热汽流，因而汽流的实际温度较低。,实际密度 ，反而大于理想密度 。,出现通过静叶片流道的实际流量大于理想流量,?,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,4、喷嘴的通流能力,考虑流量系数后，实际临界流量为：,过热蒸汽（ ）：,饱和蒸汽（ ）：,Y,临界状态,N 亚临界状态,喷嘴流量计算时，先判断,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,4、喷嘴的通流能力,彭台门系数（通过喷嘴的流量与同一初始状态下的临界流量之比）,n,椭圆方程：原点(cr ,0)，长轴1，短轴1-cr,亚临界， 如下图,超临界， =1,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,4、喷嘴的通流能力,为了保证由喷嘴流出的汽流以正确的方向流入动叶栅，喷嘴叶栅出口角度是精心设计的,由此，在喷嘴出口部分形成的三角形区域，如图ABC区域，称为斜切部分。,作用：1、保证汽流顺畅的流入动叶栅，即导流作用。2、在满足一定的条件下，可以使蒸汽膨胀加速。,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 二、蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀,斜切部分不膨胀，只起导流作用，流速小于或等于音速。,1) ，喷嘴喉部截面AB上 ， ，,1、 蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀,出口汽流方向角,1,1,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 二、蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀,2) 时， ， 在斜切部分，汽流从 膨胀到 背，获得超声速流。,A点汽流压力突然从pcr降低至平p1，产生汽流的扰动，成为扰动源。根据普朗克外绕钝角理论，A点发出一系列扰动波以声速在流量中传播，斜切部分形成以A为中心的膨胀波区。通过A点引射出一束等压特性线。汽流通过特性线后，速度增加，压力下降，直到压力为背压 p1，此时汽流偏转1。,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 二、蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀,已知喷嘴压比 ，绝热指数 ，喷嘴出汽角 偏转角,通过AB截面流量：通过AC截面流量：,p1,p0,1,1,C,A,B,对于高压级的直叶片,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 二、蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀,偏转角的近似计算（贝尔公式）,贝尔公式,喷嘴极限压力p1d是斜切部分内超声速流动产生的特性线达到出口AC时的压力，即斜切部分的极限压力。若喷嘴后压力继续降低，汽流将在斜切部分之外膨胀，但由于没有壁面的限制，是一种紊乱的膨胀，将导致流动损失。,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程 二、蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀,喷嘴斜切部分极限压力的确定,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程三、蒸汽在动叶通道中的流动过程和通流能力,动叶通道的形状与喷嘴相似，前面讨论的喷嘴中流动的一些方法和结论，如滞止参数、临界参数、斜切部分的膨胀与汽流偏转、流量系数等 均适用于蒸汽在动叶汽道中的流动。动叶栅研究的重点：从蒸汽的动能到叶轮机械能的转换问题,喷嘴,动叶,出口理想速度：,出口理想速度：,速度系数：,速度系数：,出口实际速度：,出口实际速度：,能量损失：,能量损失：,能量损失系数：,能量损失系数：,？,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程三、蒸汽在动叶通道中的流动过程和通流能力,动叶栅速度系数 与喷嘴速度系数 一样与许多因素有关。如： 叶型、叶高 lb 、反动度 、表面光洁度，汽流相对速度 等。,速度系数 与反动度 和汽流相对速度 关系曲线,动叶栅速度系数的确定非常重要，直接影响 动叶栅中的流动损失的大小和级的效率。,用左图进行热力计算式，须单独计算叶高损失。,一般通过试验得到 ，常取0.85-0.95,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程三、蒸汽在动叶通道中的流动过程和通流能力,动叶速度系数 与叶高 lb及进出口几何角 的关系,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程三、蒸汽在动叶通道中的流动过程和通流能力,作业,第二节 蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程,1、如果想从亚音速汽流膨胀获得超音速汽流，必须满足：几何条件： ；力学条件： 。,2、喷嘴临界流量： 。,3、喷嘴压比： 。,4、斜切部分作用：1、 ； 2、 。,5、彭台门系数： 。,