在第一节中介绍了级的工作过程。本节主要分析蒸汽流经喷嘴和动叶通道过程中,对级的工作特性有重要影响的通流特性、通流能力和流动效率问题。
一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程
蒸汽在喷嘴通道中的理想膨胀过程如图1.1.4中的线段01’所示。当喷嘴前的蒸汽参数及初速为已知时,则
(1.2.1)
将式(1.2.1)代入式(1.1.16),因为喷嘴是固定的,不对外做功,w=0,则喷嘴理想出口速度为
(1.2.2)
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理想气体在等比熵膨胀过程中的比焓差可表示为
(1.2.3)
将式(1.2.3)代入式(1.2.2)得
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(1.2.4)
或 (1.2.5)
式中,,称为喷嘴压比,即喷嘴后的压力与喷嘴前的滞止压力之比。
式(1.2.2)用于喷嘴的计算,它表示喷嘴汽流理想速度的大小取决于喷嘴的滞止理想比焓降。式(1.2.5)常用于理论分析.它表明影响喷嘴出口速度的因素。在给定蒸汽性质和初态的情况下,仅是压比的单值函数。
在喷嘴的实际流动过程中。蒸汽粘性所产生的摩擦等损失使蒸汽出口速度由5G是把双刃剑
减小为即 ( 1.2.6 )
式中, 称为喷嘴速度系数。由它可求出实际流动过程中的喷嘴动能损失,即喷嘴损失,其值为
(1.2.7)
影响喷嘴速度系数的因素多(如喷嘴高度、叶型、汽道形状、压比及表面粗糙度等)而复杂,很难用理论计算精确求得,一般由试验确定。与叶片高度关系密切,故实验数据常绘制为整形归来随的变化曲线,如图1.2.1 所示。
由图可见,当喷嘴高度>100mm时,值基本上不再随而变化;当<12~15mm时,值剧烈下降。因此在设计时,为了减少喷嘴损失,应尽量使>15mm。图中上面一条是喷嘴宽度为55mm的曲线,下面一条是月为80mm的曲线,可见,在强度允许的条件下应采用宽度较小的喷嘴。式(1.2.7)中,杨忠洲是喷嘴实际出口动能,因此也称为喷嘴效率。
喷嘴速度系数值一般在0.920.98之间。对于渐缩喷嘴,常把其中与叶片高度有关的损失抽出来另用经验公式计算(详见本章第五节),这时取=0.97。
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由于喷嘴中的实际膨胀过程有损失(如图1.1.4所示),即是沿着有损失的绝热过程线0l膨胀的,所以实际过程是一个多变过程而不是等比熵过程。多变过程方程为
=常数 (1.2.8)
式中,多变过程指数n是小于定熵指数但大于1的一个数值。当n=时,0l过程线就与等比熵过程线01’重合;当n=1时,蒸汽在喷嘴中的流动成了等温过程,01线接近水平的等比焓线。由此可见,n与之间的关系必与喷嘴效率有关,因的大小决定了0l线在h-s图上的实际位置。
对于给定的喷嘴,可视为定值。在这样的条件下,由热力学基本关系式可以推导出n与和的关系为
(1.2.9)
由上式可知,当=l时,n=;<1时,n<。图1.2.2表示n与的关系曲线在的实用范围内,它基本上是直线规律的。
(二)喷嘴中蒸汽参数、流速与等比熵比焓降之间的关系
当蒸汽流量G不变时,在图1.1.4的喷嘴等比熵过程线01’上选取若干中间状态点,查得这些点的蒸汽比焓值h、压力p、比容v,按式(1.2.2)算出这些状态点的流速,按
图1.2.2 n随而变化的规律
连续方程A=Gv/算出这些状态点的通流面积A然后以等比熵比焓降=为横坐标,画出蒸汽参数、流速与等比熵比焓降之间的关系,如图1.2.3所示。由图可见,当等比熵比焓降达到临界值时,喷嘴通道截面积为最小,此处是临界截面,临界截面积以表示,此处的蒸汽流速等于当地音速。由于喷嘴内沿汽流方向的流通各截面处蒸汽温度逐渐降低,故音速α=也逐渐降低,如图中曲线α所示。由工程热力学可知当<时,喷嘴通道截面是渐缩的,当>时,喷嘴通道截面是渐扩的,喷嘴截面积的变化规律如曲线A所示。由图还可看出,蒸汽压力p沿喷嘴流道是逐渐降低的;汽流速度是逐渐增大的;蒸汽比容v是逐渐增大的;在亚临界区域,即在喷嘴的渐缩段.约增大较v的增大快得多,在超音速区域,即渐扩段,较v增大得慢。