第一章 汽轮机级的工作原理-第四节 叶栅的气动特性

第四节 叶栅的气动特性

在蒸汽热能转变为轮周功的过程中，存在着喷嘴损失、动叶损失和余速损失。前面已讨论了余速损失对轮周效率的影响，本节主要讨论流动损失，即讨论喷嘴损失和动叶损失产生的物理原因及影响因素，从而指明减少损失提高流动效率的途径。

汽轮机叶栅的气动特性一般是在风洞里用平面叶栅由空气吹风试验获得的。叶栅吹风试验是以二元流动力基础并考虑了三元流动的特征进行的。经验证明，实验数据用于叶栅的设计计算和分析能够获得满意的结果。

叶栅试验通常是在各项参数变动相当大的条件下进行的，因此所得的结果不但是叶栅的设计工况特性，而且包括了其变工况特性。从试验结果可以看到叶栅中各项损失在不同工况下的变化趋势和定量关系，这有助于分析级在变工况下的工作特性。

大量试验表明，叶栅的能量损失是由叶型损失和端部损失所组成的。叶栅的几何参数和汽流参数对能量损失的大小起着决定性的作用。 一、叶栅的几何参数和汽流参数

汽轮机叶栅一般分为冲动式叶栅和反动式叶栅两大类：

反动式叶栅如图1．4．11(a)所示，它包括喷嘴叶栅和反动度较大的动叶栅。叶栅前后有静压差．汽道宽度由进口到出口显著缩小，故汽流通过时除流动方向改变外还有加速。

冲动式叶栅如图1．4．1(b)所示，它包括冲动式动叶栅和导向叶栅。叶栅

前后静压力近似相等，汽流通过时主要改变流动方向，基本不加速。但实用中为了减少流动损失，采用一定的反动度，使汽道略有收缩。 ?2比?1略小2°一4°， 每类叶栅按喷嘴出口、动叶进口的马赫数Ma可分为亚音速(Ma＜0.8)、跨音速(0.8＜Ma＜1.2)和超音速(Ma＞1.2)叶栅。

表征叶栅的主要几何参数(图1．4．1)有：平均直径dm、叶片高度l、叶栅节距t、栅宽度B、叶栅通道进口宽度a和出口宽度a1与a2、叶型弦长b和出口边厚度?。

由于在同样的进出口参数条件下，几何相似的叶栅中汽流保持近似相同的特性，所以决定叶栅几何形状的参数都可以用一些无因次的相对值来表面相对节距

t＝t／b；相对高度l＝l／b；相对长度(径高比) ?＝d/l。

叶栅的安装角用?s和?s表示，它是叶栅额线与叶弦之间的夹角，它们在相当大的程度上影响着a1和?2的实际数值，所以安装角也是一个重要的几何参数。 叶栅的中弧线在前缘点的切线与叶栅前额线的夹角叫做叶型的几何进口角，用?0g和?1g表示，它们只随安装角不同而改变，与汽流无关。叶型几何进口角与汽流进口角之差称为汽流冲角，用?表示，即?0＝?0g—a0，?1＝?1g—?1当。叶型几何进口角大于汽流角时，称为正冲角，反之称为负冲角。同理，叶型几何出口角用?1g和?2g表示。

此外，影响叶栅工作特性的还有叶栅进口汽流的绝对速度和相对速度，喷嘴叶栅和动叶栅的压比、汽流马赫数、汽流雷诺数以及速比等汽流参数。 二、叶型损失

叶型损失是指平面气流绕流叶栅时产生的能量损失。用叶栅吹风试验所得到的叶栅压力分布曲线可以用来分析叶栅轮周力的来源和叶型损失的机理。图1．4．2和图1．4．3是反动式叶栅和冲动式叶栅在一定的相对节距和进口条件下的叶栅压力分布曲线。图中纵坐标p表示压力系数，其定义为 p＝

pi?p12 （1.4.1） ?1tc1t2式中，pi表示叶栅上某点的静压力；p1、?1t，和c1t分别为叶栅后汽流的静压、

0理想密度和理想速度。因为?1tc1t2/2是与叶栅总压差(p0—p1)相对应的叶栅出0口动能(单位为J／m3)，故压力系数p表示测点处压差(pi—p1)在总压差(p0—

p1)中所占的份额。

从上面两图可见，无论是反动式叶栅还是冲动式叶栅，叶栅汽道内的压力分布都是不均匀的。在垂直于汽流方向的任一截面上，叶栅内弧的压力总是大于背弧的压力。就是此在叶栅通道中，从一

个叶片的背面到相邻叶片的腹面上相应点有一个横向压力梯度。腹面上之所以有较高的压力，乃是由于汽流绕叶栅背孤的曲线运动所产生的离心力所致的，这也就是气流对叶栅的轮周推力的来源。

从压力分布曲线还可以看到，汽道内沿背弧和内弧压力变化的总趋势是由进口压力降到出口压力，但压降并不是均匀的。在进口段下降较快，而后放慢。在斜切部分背弧上，由于没有腹面对汽流的约束，压力又迅速降低， 以致在某一段内汽流的压力低于出口处的压力，所以在这一段的后面必然跟随着一个扩压段。通过扩压作用，汽流的压力才能回升到叶栅后背压。扩压段的出现特使附面层增厚，甚至产生汽流脱离，使叶型损失增加。在冲动式叶栅中，除在出口部分有扩压段外，在进口段还有一个扩压段，这也是冲动式叶栅的流动损失比反动式叶栅大的原因之一。 (一)叶型损失的机理

叶型损失包括叶型表面附面层中的摩擦损失，附而层脱离引起的涡流损失，叶片出口边尾迹中的涡流损失(尾迹损失)以及近音速和超音速汽流所产生的冲波损失。

1．附面层中的摩擦损失

附面层中摩擦损失的大小一方面决定于叶栅表面的粗糙度；另一方面与压力

分布密切相关。若叶型表面某段沿汽流流动方向压力降落较快．则汽流在这段上加速较大，加速汽流总是倾向于使附面层减薄，从而使摩擦损失减小；反之，加速较小的汽流使流动介质堆积，附面层增厚，而使摩擦损失增加，这也是冲动式叶栅摩擦损失大于反动式叶栅的主要

原因之一。冲动式叶栅取?2

当汽流加速度降至零以致变为减速时，如在扩压段中那样，附面层就会迅速增厚而产生涡流，使摩擦损失急剧增大。图l．4．4(a)示意地表示反动式叶栅中叶型表面附面层的分布。将它与图l．4．2中的曲线对照，就可以看出附面层厚度的变化与压力曲线形状之间的大致对应关系。图1．4．4(b)表示当时栅出口背面上的附面层由于扩压作用强烈而过分增厚以致脱离背面时所产生的涡流。

3．尾迹损失

由于叶型出口边总有一定的厚度?，沿每只叶片背面和腹面而来的两部分汽流在离开叶栅之后不能立刻汇合，因而在出口边之后形成充满涡流的尾迹区，如图1．4．5所示。

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