汽轮机原理(热工机械)课后习题及答案

绪 论

1.汽轮机的工作单元由哪些部件组成？ 喷嘴，动叶。

2.何为纯冲动级？反动级？带反动度的冲动级？复速级？蒸汽在纯冲动级、反动级、复速级流通部分内压力和速度如何变化？

纯冲动级：?m?0 p1?p2w1?w2?hb?0?hn??ht

**反动级：蒸汽在级中的理想焓降平均分配到喷嘴和动叶中级。p1?p2?h??hb?*n?ht2* ?m?0.5

?hn??hb

带反动度的冲动级：具有一定反动度的冲动级，简称冲动级 ?m?0.05~0.20 p1?p2复速级：只有一列喷嘴，后面有若干列动叶的级称为速度级，两列动叶的双列速度级 纯冲动级 反动级 复速级 动叶 不变 喷嘴 动叶 喷嘴 动叶 喷嘴 压力 减小 不变 减小 减小 减小 速度 增大 减小 增大 减小 增大 减-不变-减 3.级的反动度如何定义？如何根据反动度进行级的划分？ 级的反动度表示蒸汽在动叶通道内膨胀程度大小的指标；蒸汽在动叶通道内的理想焓降与喷嘴滞止理想焓降和动叶通道内的理想焓降之和的比值。根据蒸汽在汽轮机内能量转换的特点，可将汽轮机的级分为纯冲动级、反动级、带反动度的冲动级和复速级等几种。

4.在动叶上如果只存在反动作用力，冲动作用力不存在能实现吗？为什么？ 不能。冲动-反冲

第 一 章

1.（1）当蒸汽在喷嘴中流动时，为了使喷嘴出口速度进一步提高直到获得超音速汽流，不能采用缩小流通孔道截面积的方法？

dAA??dCC(1?M) M?2Ca（M>1时，A,C同方向增减）

当地速度低于音速时，M <1，面积减小则速度增大，压强减小；面积增大则速度减小压强增大； 当地速度高于音速时，M >1，面积减小则速度减小，压强增大；面积增大则速度增大压强减小； 超音速条件下，密度下降比速度增大快

（2）蒸汽在喷嘴中流动时，对于亚音速和超音速汽流，当速度降低 时，压力都将升高？ 是。伯努利方程，动量方程。

2.什么是喷嘴的速度系数？它与哪些因素有关？喷嘴的最小高度是多少？为什么？ ??C1C1t，喷嘴出口实际速度与理想速度比值。其值主要与喷嘴高度、叶型、喷嘴槽道形状、汽体的性质、流动状

况及喷嘴表面粗糙度等因素有关。当喷嘴高度小于15mm时，速度系数迅速下降，因此喷嘴高度不小于15mm 3.彭台门系数是如何定义？有什么使用价值？

??GGcr，实际流量与理论流量之比（P27）.不必判断喉口是否临界。如果蒸汽的进口状态已知，在亚临界压力的

情况下，只是喷嘴出口压力的单值函数；而在临界压力和超临界压力的情况下，β=1，并不再随出口压力的变化而变化。

4.蒸汽在渐缩喷嘴的斜切部分可以 达到超音速？蒸汽在喷嘴斜切部分膨胀时，为什么会产生汽流偏转？ 可以达到超音速，喉口部分可以达到临界压比。（P29） 产生汽流偏转：延流动方向压力梯度不同。（P30） 5.轮周功率的表达式有哪几种？

P48 pu1?Pu/G?G2212(c1?c2?w2?w1)，Pu?G222222G2[(c1?c2)?(w2?w1)]

G2(w2?w1)：在动叶通道内由于理想焓

222222c1：蒸汽带入动叶通道的动能 ；c2：蒸汽带出动叶通道的动能 ；

降△hb而造成实际动能的增加。

6.请画出蒸汽在喷嘴和动叶通道内流动时速度三角形。并与离心式压缩机的速度三角形进行对比。 喷嘴：无速度三角形。

动叶：（P37）离心式压缩机：

离心泵：

处的焓值反而高于无流动损失时的焓值？

7.请画出考虑各种流动损失和部分余速利用时单级汽轮机热力过程的h-s图，并解释为什么考虑流动损失动叶出口（P149） 气体与气体，气体与固体之间产生的摩擦及其他各种损失转变成摩擦，变为热量使焓值增加 8.什么叫速比？纯冲动级、反动级、复速级的最佳速比表达式各是什么，达到最佳速比时出口绝对速度分别是最大

还是最小？

把轮周速度u和喷嘴出口速度c1的比值，称为速度比，简称速比。X1=u/c1

cos?1纯冲动级:(X1)op?2

反动级:(X1)op?uc1?cos?1C2最小

uc1)op?cos?14复速级:?2?90o时轮周效率最高,无损失纯冲动复速级最佳速比为(X1)op?('C2最小

9.什么情况下采用部分进汽？采用部分进汽后，将引起哪些损失？这些损失产生的具体原因是什么？如何减小这些损失？

在调节级和某些高中压级中，空气密度高，当蒸汽的体积流量过小时，如果采用整个圆周上都布满喷嘴的全周进汽方式，可以增加喷嘴速度系数，喷嘴高度可能小于15mm。（在汽轮机的调节级中，蒸汽比容很小，如果喷嘴整圈布置，则喷嘴高度过小，而喷嘴高度太小会造成很大的流动损失，即叶高损失。所以喷嘴高度不能过小，一般大于15mm。而喷嘴平均直径也不宜过小，否则级的焓降将减少，所以采用部分进汽可以提高喷嘴高度，减少损失。） 由于部分进汽造成的能量损失称为部分进汽损失，它是由鼓风损失和斥汽损失组成。

鼓风损失发生在不装喷嘴的弧段内，当旋转的动叶栅通过不装喷嘴的弧段时，象鼓风机一样，把该段内滞留的蒸汽从动叶前鼓到动叶后，而消耗一部分轮周功，这部分能量损失称为鼓风损失。部分进汽度e越小，则鼓风损失也越大，反之亦然。当全周进汽时，e=1，鼓风损失为零。（P125）

用“护套装置”减少鼓风损失，在不安装喷嘴的弧段内将动叶进出口汽道用护套罩起来，则工作叶片仅对护套内的少量蒸汽产生鼓风作用，减少了鼓风所消耗的功率。

在部分进汽的级中，动叶总是不断地由非进汽部分(没有安装喷嘴的非工作弧段)移入进汽部分(由喷嘴组成的工作弧段)，然后移出进汽部分再到非进汽部分；每一次进出，在喷嘴弧段的进口端，从喷嘴射出的蒸汽在进入动叶栅之前，首先必须将动叶汽道中被夹带着一道旋转的停滞汽体推出动叶栅，并使之加速，这就消耗了工作汽流的一部分动能，引起损失。另外，由于高速旋转作用，在喷嘴弧段的出口端，动叶和静叶之间将产生漏汽，在喷嘴弧段的

进口端，一部分停滞蒸汽要被吸入到动叶通道。这两部分能量损失之和称为斥汽损失。 10.请说明漏汽损失产生的原因及控制措施？

在理想状况下，我们认为蒸汽都全部通过喷嘴和动叶的通道，但实际情况中在级内存在着漏汽，由此而造成的损失称为漏汽损失。

由于隔板和轮轴之间存在间隙，而隔板前后又存在着压差，必然会有一部分蒸汽从隔板前通过间隙泄漏到隔板与叶轮之间的汽室内，这些漏汽不通过喷嘴，没有参与作功，成为一种能量损失。同时，这部分漏汽还可能通过喷嘴与动叶焊有贴边的动叶之间的轴向间隙流入动叶，由于这些漏汽不是从喷嘴中以正确的方向进入动叶，不仅不能通过动叶作功，而且会干扰主汽流，这就是隔板漏汽损失。

为了满足动叶热膨胀和转子与静子之间相对膨胀的要求，动叶顶部与静子之间存在着轴向间隙和径向间隙。对于带反动度的冲动级，动叶前后又存在着压差，则从喷嘴流出的蒸汽就会有一些不进入动叶汽道，而是通过动叶与隔板、动叶与汽缸的轴向和径向间隙泄漏至级后。这部分漏汽也没有参与作功，形成动叶顶部漏汽损失。

在轮盘上开设平衡孔，使隔板漏汽通过平衡孔流人级后，与从动叶流出的主汽流汇合后进人下一级，避免隔板漏汽从动叶根部轴向间隙混入主汽流，从而减小隔板漏汽损失。

减小动叶顶部漏汽损失：严格控制动叶顶端和汽缸壁之间的距离。 （P133-137）

（减少漏汽损失的措施：加装隔板汽封片，减少漏汽量；在动叶片根部安装径向汽封片；在设计时采用合适的反动度，使叶片根部形成根部不吸不漏；在叶轮上开平衡孔，使隔板漏汽经平衡孔漏向级后，避免混入主流。） 11.请说明湿汽损失产生的原因，它对汽轮机的工作有何危害？减小该损失采用哪些措施？（P144）

多级汽轮机的最末几级往往处于湿蒸汽区。在核电站中，当采用中间液体介质加热蒸汽时，由于新蒸汽的过热度一般都不大，因此在其汽轮机中有较多的级在湿蒸汽区工作。对于湿蒸汽级，它们的工作大体上说可分成干蒸汽的工作和水分的工作两部分。由于水分的存在，干蒸汽的工作将受到一定的影响，这种影响主要表现为一种能量损失，这就是湿汽损失。

湿汽损失的水分存在产生的另一后果是对动叶片材料的冲蚀。

湿汽损失的大小与蒸汽的湿度成正比为减小湿汽损失就必须设法降低蒸汽的湿度

减少湿气损失的方法：(1)减少湿蒸汽中的水分。可采用由捕水口、捕水室和疏水通道组成的级内捕水装置，利用水珠受离心力的作用被抛向通流部分外缘的特性而设计的。

(2)采用具有吸水缝的空心喷嘴，这些吸水缝可以吸去喷嘴出汽边上的凝结水，从而防止水珠从喷嘴出汽边脱流出去，危害动叶。

(3)提高动叶的抗冲蚀能力。可对末几级动叶采用耐冲蚀的材料，例如镍铬钢、不锈锰钢等，均有较好的抗冲蚀性能。也可在动叶进汽边背面上部焊上硬度很高的合金片，形成保护盖板，也有采用电火花强化处理、表面氮化、贴硬质塑料等方法。

12.冲动级选取合理的反动度应考虑哪些因素？如何在结构上保证反动度的实现？（P104） 只有选择合理的动静叶型的面积比 f?AbAn,保持在较佳的范围内，才能实现需要的反动度。

底部反动度不能太小，以减小漏气损失。结构：平衡孔。

13.对于渐缩形喷嘴而言，当喷嘴进出口处压比为1时，蒸汽的流量为多少？（0） 当逐渐降低喷嘴进出口端压比时，流量将如何变化？（先增大后不变 P21） 14.某汽轮机的一个中间级，级的平均直径dm=1.44m，流入该级的蒸汽初速度c0=91.5m/s，级的理想焓降125.6kJ/kg，级的平均反动度Ωm=0.2，喷嘴出汽角α1＝19o,转速为3000转/分

（1）喷嘴的滞止理想焓降、喷嘴的理想出口速度、实际出口速度；（2）蒸汽在动叶中的理想焓降； （3）试作出动叶进口速度三角形；

附：

1.汽轮机各级内损失产生的原因

喷嘴损失：蒸汽在喷嘴叶栅内流动时，汽流与流道壁面之间、汽流各部分之间存在碰撞和摩擦，产生的损失。 动叶损失：因蒸汽在动叶流道内流动时，因摩擦而产生损失。

余速损失：当蒸汽离开动叶栅时，仍具有一定的绝对速度，动叶栅的排汽带走一部分动能，称为余速损失。

叶高损失：由于叶栅流道存在上下两个端面，当蒸汽流动时，在端面附面层内产生摩擦损失，使其中流速降低。其次在端面附面层内，凹弧和背弧之间的压差大于弯曲流道造成的离心力，产生由凹弧向背弧的二次流动，其流动方向与主流垂直，进一步加大附面层内的摩擦损失。

扇形损失：汽轮机的叶栅安装在叶轮外圆周上，为环形叶栅。当叶片为直叶片时，其通道截面沿叶高变化，叶片越高，变化越大。另外，由于喷嘴出口汽流切向分速的离心作用，将汽流向叶栅顶部挤压，使喷嘴出口蒸汽压力沿叶高逐渐升高。而按一元流动理论进行设计时，所有参数的选取，只能保证平均直径截面处为最佳值，而沿叶片高度其它截面的参数，由于偏离最佳值将引起附加损失，统称为扇形损失。

叶轮摩擦损失：叶轮在高速旋转时，轮面与其两侧的蒸汽发生摩擦，为了克服摩擦阻力将损耗一部分轮周功。又由于蒸汽具有粘性，紧贴着叶轮的蒸汽将随叶轮一起转动，并受离心力的作用产生向外的径向流动，而周围的蒸汽将流过来填补产生的空隙，从而在叶轮的两侧形成涡流运动。为克服摩擦阻力和涡流所消耗的能量称为叶轮摩擦损失。 部分进汽损失：它由鼓风损失和斥汽损失两部分组成。在没有布置喷嘴叶栅的弧段处，蒸汽对动叶栅不产生推动力，而需动叶栅带动蒸汽旋转，从而损耗一部分能量；另外动叶两侧面也与弧段内的呆滞蒸汽产生摩擦损失，这些损失称为鼓风损失。当不进汽的动叶流道进入布置喷嘴叶栅的弧段时，由喷嘴叶栅喷出的高速汽流要推动残存在动叶流道内的呆滞汽体，将损耗一部分动能。此外，由于叶轮高速旋转和压力差的作用，在喷嘴组出口末端的轴向间隙会产生漏汽，而在喷嘴组出口起始端将出现吸汽现象，使间隙中的低速蒸汽进入动叶流道，扰乱主流，形成损失，这些损失称为斥汽损失。

漏汽损失：汽轮机的级由静止部分和转动部分组成，动静部分之间必须留有间隙，而在间隙的前后存在有一定的压差时，会产生漏汽，使参加作功的蒸汽量减少，造成损失，这部分能量损失称为漏汽损失。

湿汽损失：在湿蒸汽区工作的级，将产生湿汽损失。其原因是：湿蒸汽中的小水滴，因其质量比蒸汽的质量大，所获得的速度比蒸汽的速度小，故当蒸汽带动水滴运动时，造成两者之间的碰撞和摩擦，损耗一部分蒸汽动能；在湿蒸汽进入动叶栅时，由于水滴的运动速度较小，在相同的圆周速度下，水滴进入动叶的方向角与动叶栅进口几何角相差很大，使水滴撞击在动叶片的背弧上，对动叶栅产生制动作用，阻止叶轮的旋转，为克服水滴的制动作用力，将损耗一部分轮周功；当水滴撞击在动叶片的背弧上时，水滴就四处飞溅，扰乱主流，进一步加大水滴与蒸汽之间的摩擦，又损耗一部分蒸汽动能。以上这些损失称为湿汽损失。

2.简述蒸汽在汽轮机中的能量转换过程？蒸汽的热能—→蒸汽的动能—→汽轮机转子旋转的机械能 3.试绘图说明最简单的发电厂生产过程示意图？

1—锅炉；2—汽轮机；3—发电机；4—凝汽器；5—给水泵

4.蒸汽对动叶片冲动作用原理的特点是什么？蒸汽只在喷嘴中膨胀，在动叶汽道内不膨胀加速，只改变流动方向

5.蒸汽对动叶片反动作用原理的特点是什么？蒸汽在动叶通道内不仅改变流动方向，而且还进行膨胀加速

第 二 章

1.什么是汽轮机的重热现象？（单机汽轮机不存在）什么是重热系数？

由于多级汽轮机各级的级内损失在后面各级中可以得到部分利用，造成汽轮机各级理想焓降之和大于整机的理想焓降，这一现象称为多级汽轮机的重热现象。

由于重热现象而增加的理想焓降占汽轮机理想焓降的百分比称为重热系数。（P191）

重热现象实质上是从损失中回收部分能量，而在后面各级内继续进行能量转换，故其可以提高多级汽轮机的效率。因汽轮机内部损失愈大、级数愈多，重热系数愈大，故不能说重热系数愈大愈好。 2.在h-s图上画出有余速利用时多级汽轮机的热力过程。（P188）

3.多级汽轮机的损失有哪些，如何减少这些损失？ （1）内部损失（直接影响蒸汽状态）：各级的级内损失（汽轮机级内的损失有：喷嘴损失、动叶损失、余速损失、

叶高损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏汽损失、扇形损失、湿气损失9种）；进汽结构的节流损失（P208）；排汽管的损失 （P214）。（2）外部损失（不直接影响蒸汽状态）：外部漏气损失（P218）；机械损失（P224）。 减小进汽结构节流损失的方法：限制蒸汽流速：不超过40～60m/s——但不是根本的办法，将加大汽阀的尺寸; 改进汽阀的蒸汽流动特性：近代汽轮机普遍采用带扩压管的单座阀，将部分蒸汽动能转换成压力能，最终减小了该项损失。

减小排汽管节流损失的方法（P216）：对于设计良好的排汽管，可有效利用末级出口的余速动能，动压头转变为静压头，使压力回升；对于大型汽轮发电机组，由于排汽余速cex很大，将排汽动能变成蒸汽静压(扩压)，这样就可补偿排汽管中蒸汽的压力损失。 减小外部漏气损失的方法（P219）：在汽轮机的两端安装齿型轴封（曲径轴封），称之为轴端汽封。梳齿密封； 迷宫密封。

4.为什么要设置轴封系统？减少外部漏气损失。

5.多级汽轮机中间级的结构对余速能否利用有什么要求？

（1）相邻两级部分进汽度相同，大功率机组除调节级外其余各级均为全周进汽，调节级与第一级非调节级之间部分进汽度不同，基本不存在 余速利用； （2）相邻两级流通部分过渡平滑；

（3）相邻两级轴向间距小，流量变化不大；事实上，这两个条件基本都能满足，即使两级间有回热抽汽，对余速利用的影响叶不大；

（4）前一级的排汽角与后一级喷嘴的进汽角一致，在变工况时，排汽角有较大的变化，但是喷嘴进汽角都加工成圆角，能适应进汽角在较大范围内的变化，所以这一条件基本也能得到满足。 8.一个级的轴向推力有哪几部分组成？

动叶上的轴向推力Fz1、叶轮轮面上的轴向推力Fz2 、转子凸肩上的轴向推力Fz3(P198) 动叶和叶轮上的轴向推力都不可以避免。

9.冲动式汽轮机平衡轴向推力有那些措施？

轴向推力的平衡方法：设置平衡活塞，采用相反流向的布置，叶轮上开平衡孔；采用推力轴承。（P201） 10.汽轮机整机的内效率与级的内效率之间有什么关系？

影响汽轮机相对内效率的因素有那些？

汽轮机相对内效率反映机组通流部分的完善程度和运行状况。影响汽轮机相对内效率的主要因素有：汽轮机通流部分结构和表面状态的变化；通流部分动、静间隙的变化；汽轮机的负荷、进汽参数和调节阀门开度的变化等。

第 三 章

1.试述弗留格尔公式的应用条件。

弗留盖尔公式的应用条件是：要求级组内的级数较多；各级流量相等；变工况时各级通流面积不变；如果级组中某一级后有抽汽，只要抽汽量随进汽量的变化而按比例变化，各级蒸汽流量按比例变化的条件下，弗留盖尔公式仍然成立。（P263）

2.汽轮机的调节方式有哪些？各有何优缺点？

节流调节；喷嘴调节；滑压调节；旁通调节。(P300-307)

喷嘴调节，在外负荷变化时，各调节阀按循序逐个开启或关闭。由于在部分负荷下，几个调节阀中只有一个或两个调节阀未全开，因此在相同的部分负荷下，汽轮机的进汽节流损失较小，其内效率的变化也较小。当机组负荷经常变动时，这种调节方式较为合理。

节流调节，在部分负荷下，所有的调节阀均关小，进汽节流损失较大，在相同的部分负荷下，其内效率相应较低，因此这种调节方式仅适应于带基本负荷的汽轮机

滑压调节，在外负荷变化时，调节阀保持全开，通过改变进汽压力，使进汽量和蒸汽的理想焓降变化，改变机组的功率，与外负荷的变化相适应。在相同的部分负荷下，由于所有的调节阀均全开，节流损失最小。但在部分负荷下，由于进汽压力降低，循环效率随之降低。另外，由于锅炉调节迟缓，在部分负荷下，若所有的调节阀均全开，当负荷增加时，调节阀不能参与动态调节，机组的负荷适应性较差。只有单元机组，或可切换为单元制连接的机组，其汽轮机才能采用复合调节方式。(p321)

3.为什么背压式汽轮机不适合采用节流调节？

节流效率的高低取决于流量和蒸汽参数，汽轮机的负荷越低，节流效率越低；汽轮机的背压越高，部分负荷下的节

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