《汽轮机原理》习题及答案1.docx
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《汽轮机原理》习题及答案1.docx
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《汽轮机原理》习题及答案1
1.汽轮机级内漏汽主要发生在隔板和动叶顶部。
2.叶轮上开平衡孔可以起到减小轴向推力的作用。
3.部分进汽损失包括鼓风损失和斥汽损失。
4.汽轮机的外部损失主要有机械损失和轴封损失。
5.湿气损失主要存在于汽轮机的末级和次末级。
6.在反动级、冲动级和速度级三种方式中,要使单级汽轮机的焓降大,损失较少,应采用
反动级。
7.轮周损失包括:
喷嘴损失、动叶损失、余速损失。
3.汽轮机的级答:
汽轮机的级是汽轮机中由一列静叶栅和一列动叶栅组成的将蒸汽热能转
换成机械能的基本工作单元。
6•临界压比答:
汽流达到音速时的压力与滞止压力之比。
7.级的相对内效率答:
级的相对内效率是指级的有效焓降和级的理想能量之比。
9•级的反动度答:
动叶的理想比焓降与级的理想比焓降的比值。
表示蒸汽在动叶通道内膨胀程度大小的指标。
10•余速损失
答:
汽流离开动叶通道时具有一定的速度,且这个速度对应的动能在该级内不能转换为机械
功,这种损失为余速损失。
13•部分进汽损失答:
由于部分进汽而带来的能量损失。
14.湿气损失答:
饱和蒸汽汽轮机的各级和普通凝汽式汽轮机的最后几级都工作与湿
蒸汽区,从而对干蒸汽的工作造成一种能量损失称为湿气损失。
17•冲动级和反动级的做功原理有何不同?
在相等直径和转速的情况下,比较二者的做功
能力的大小并说明原因。
答:
冲动级做功原理的特点是:
蒸汽只在喷嘴中膨胀,在动叶汽道中不膨胀加速,只改变流
动方向,动叶中只有动能向机械能的转化。
反动级做功原理的特点是:
蒸汽在动叶汽道中不仅改变流动方向,而且还进行膨胀加速。
动叶中既有动能向机械能的转化同时有部分热能转化成动能。
在同等直径和转速的情况下,纯冲动级和反动级的最佳速比比值:
U、imU、re/11,re,,im
(xJop/(x1)op=()/()=(cos1)/cos1=..ht/、.,ht
Oic12v2
reim
htre/htim=1/2
上式说明反动级的理想焓降比冲动级的小一倍18.分别说明高压级内和低压级内主要包括哪几项损失?
答:
高压级内:
叶高损失、喷嘴损失、动叶损失、余速损失、扇形损失、漏气损失、叶轮摩擦损失等;
低压级内:
湿气损失、喷嘴损失、动叶损失、余速损失,扇形损失、漏气损失、叶轮摩擦损失很小。
19.简述蒸汽在汽轮机的工作过程。
答:
具有一定压力和温度的蒸汽流经喷嘴,并在其中膨胀,蒸汽的压力、温度不断降低,速度不断升高,使蒸汽的热能转化为动能,喷嘴出口的高速汽流以一定的方向进入装在叶轮上的通道中,汽流给动叶片一作用力,推动叶轮旋转,即蒸汽在汽轮机中将热能转化为了机械功。
20.汽轮机级内有哪些损失?
造成这些损失的原因是什么?
答:
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。
造成这些损失的原因:
(1)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。
(2)动叶损失:
因蒸汽在动叶流道内流动时,因摩擦而产生损失。
(3)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。
(4)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。
(5)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。
(6)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。
(7)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。
(8)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。
(9)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。
21.指出汽轮机中喷嘴和动叶的作用。
答:
蒸汽通过喷嘴实现了由热能向动能的转换,通过动叶将动能转化为机械功。
23.什么是速度比?
什么是级的轮周效率?
试分析纯冲动级余速不利用时,速度比对轮周效率的影响。
答:
将(级动叶的)圆周速度U与喷嘴出口(蒸汽的)速度C1的比值定义为速度比。
1kg蒸汽在轮周上所作的轮周功与整个级所消耗的蒸汽理想能量之比称为轮周效率。
在纯冲动级中,反动度Qn=0,则其轮周效率可表示为:
nu-21cos
叶型选定后,0、p、a1、
在一个最大值。
同时,速比增大时,
余速损失取最小时,轮周效率最大。
c2彳COS2
111
COS1
3i数值基本确定,由公式来看,随速比变化,轮周效率存
喷嘴损失不变,动叶损失减小,余速损失变化最大,当
25.简述蒸汽在轴流式汽轮机的冲动级、反动级和复速级内的能量转换特点,并比较它们的效率及作工能力。
答:
冲动级介于纯冲动级和反动级之间,蒸汽的膨胀大部分发生在喷嘴中,只有少部分发生
在动叶中;反动级蒸汽在喷嘴和动叶中理想比焓降相等;复速级喷嘴出口流速很高,高速气
流流经第一列动叶作功后其具有余速的汽流流进导向叶柵,其方向与第二列动叶进汽方向一
致后,再流经第二列动叶作功。
作功能力:
复速级最大,冲动级次之,反动级最小;
效率:
反动级最大,冲动级次之,复速级最小。
27•减小汽轮机中漏气损失的措施。
答:
为了减小漏气损失,应尽量减小径向间隙,但在汽轮机启动等情况下采用径向和轴向轴
封;对于较长的扭叶片将动叶顶部削薄,缩短动叶顶部和气缸的间隙;还有减小叶顶反动度,
可使动叶顶部前后压差不致过大。
29.简述轴向推力的平衡方法。
答:
平衡活塞法;对置布置法,叶轮上开平衡孔;采用推力轴承。
30.简述汽封的工作原理?
答:
每一道汽封圈上有若干高低相间的汽封片(齿),这些汽封片是环形的。
蒸汽从高压端
泄入汽封,当经过第一个汽封片的狭缝时,由于汽封片的节流作用,蒸汽膨胀降压加速,进入汽封片后的腔室后形成涡流变成热量,使蒸汽的焓值上升,然后蒸汽又进入下一腔室,这
样蒸汽压力便逐齿降低,因此在给定的压差下,如果汽封片片数越多,则每一个汽封片两侧
压差就越小,漏汽量也就越小。
32.汽轮机的级可分为哪几类?
各有何特点?
答:
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。
各类级的特点:
(1)纯冲动级:
蒸汽只在喷嘴叶栅中进行膨胀,而在动叶栅中蒸汽不膨
(2)反动级:
蒸汽的膨胀一半在喷嘴中进行,一半在动叶中进行。
它的动叶栅中不仅存在冲击力,蒸汽在动叶中进行膨胀还产生较大的反击力作功。
反动级的流动效率高于纯冲动级,但作功能力较小。
在这种级中:
pi>p2;hn~hb~0.5ht;Qm=0.5。
(3)带反动度的冲动级:
蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行,只有一小部分在动叶栅中进行。
这种级兼有冲动级和反动级的特征,它的流动效率高于纯冲动级,作功能力高于反动级。
在这种级中:
pi>p2;hn>hb>0;Qm=0.05〜0.35。
(4)复速级:
复速级有两列动叶,现代的复速级都带有一定的反动度,即蒸汽除了在喷嘴中进行膨胀外,在两列动叶和导叶中也进行适当的膨胀。
由于复速级采用了两列动叶栅,其作功能力要比单列冲动级大。
34.说明冲击式汽轮机级的工作原理和级内能量转换过程及特点。
答:
蒸汽在汽轮机级内的能量转换过程,是先将蒸汽的热能在其喷嘴叶栅中转换为蒸汽所具有的动能,然后再将蒸汽的动能在动叶栅中转换为轴所输出的机械功。
具有一定温度和压力
的蒸汽先在固定不动的喷嘴流道中进行膨胀加速,蒸汽的压力、温度降低,速度增加,将蒸汽所携带的部分热能转变为蒸汽的动能。
从喷嘴叶栅喷出的高速汽流,以一定的方向进入装在叶轮上的动叶栅,在动叶流道中继续膨胀,改变汽流速度的方向和大小,对动叶栅产生作用力,推动叶轮旋转作功,通过汽轮机轴对外输出机械功,完成动能到机械功的转换。
由上述可知,汽轮机中的能量转换经历了两个阶段:
第一阶段是在喷嘴叶栅和动叶栅中将蒸汽所携带的热能转变为蒸汽所具有的动能,第二阶段是在动叶栅中将蒸汽的动能转变为推动叶轮旋转机械功,通过汽轮机轴对外输出。
35.汽轮机的能量损失有哪几类?
各有何特点?
答:
汽轮机内的能量损失可分为两类,一类是汽轮机的内部损失,一类是汽轮机的外部损失。
汽轮机的内部损失主要是蒸汽在其通流部分流动和进行能量转换时,产生的能量损失,可以在焓熵图中表示出来。
汽轮机的外部损失是由于机械摩擦及对外漏汽而形成的能量损失,无法在焓熵图中表示。
四、计算题
1.已知汽轮机某纯冲动级喷嘴进口蒸汽的焓值为3369.3kJ/kg,初速度c。
=50m/s,喷
嘴出口蒸汽的实际速度为ci=470.2im/s,速度系数=0.97,本级的余速未被下一级利用,该级内功率为Pi=i227.2kW,流量Di=47T/h,求:
(1)喷嘴损失为多少?
(2)喷嘴出口蒸汽的实际焓?
(3)
该级的相对内效率?
喷嘴损失:
hn
lc;(12)1484.75(10.972)6.94kJ/kg
221000
2
hc0空1250J/kg1.25kJ/kg
⑵2
h;hohc03369.31.253370.55kJ/kg
*121484.752
h1tho-C1t3370.553253kJ/kg
hn32536.943260kJ/kg
221000
⑶htht
h1t3370.55
3253117.55kJ/kg
3600R
36001227.2
hii
-94
kJ/kg
D1
471000
h
94
ri
0.80
级的相对内效率:
ht
117.55
2•某冲动级级前压力
po=0.35MPa,
级前温度
10=169°
C,喷嘴后压力p1=0.25MPa,级后压
喷嘴出口蒸汽的实际焓:
h1h1t
力p2=0.56MPa,喷嘴理想焓降△hn=47.4kJ/kg,喷嘴损失厶hnt=3.21kJ/kg,动叶理想焓
降厶hb=13.4kJ/kg,动叶损失厶hbt=1.34kJ/kg,级的理想焓降△ht=60.8kJ/kg,初始
动能△hc0=0,余速动能厶hc2=2.09kJ/kg,其他各种损失h=2.05kJ/kg。
计算:
(1)计算级的反动度Qm
(2)若本级余速动能被下一级利用的系数1=0.97,计算级的相对内效率nri
解:
级的反动度Qm=Ahb/△ht=13.4/60.8=0.22
级的相对内效率nri=(Aht-Ahnz-Ahbz-Ahc2-SAh)/(Aht-卩1XAhc2)=0.92
3.某反动级理想焓降Aht=62.1kJ/kg,初始动能Ahco=1.8kJ/kg,蒸汽流量G=4.8kg/s,
若喷嘴损失Ahnz=5.6kJ/kg,动叶损失Ahbz=3.4kJ/kg,余速损失Ahc2=3.5kJ/kg,余速利用系数卩1=0.5,计算该级的轮周功率和轮周效率。
解:
级的轮周有效焓降
△hu=△ht*-Shn-Shb-Shc2
=62.1+1.8—5.6—3.4—3.5
=51.4kJ/kg
轮周功率
R=GXAhu=4.8X51.4=246.7kW
轮周效率
n□=△hu/Eo=Ahu/(△ht*1XShc2)=51.4/(62.1+1.8—0.5X0.35)=82.7%
4.某级蒸汽的理想焓降为△ht=76kJ/kg,蒸汽进入喷嘴的初速度为c。
=70m/s,喷嘴
出口方向角a1=18。
,反动度为Qm=0.2,动叶出汽角B2=31—6°,动叶的平均直径
为dm=1080mm,转速n=3000r/min,喷嘴的速度系数=0.95,动叶的速度系数0.94,求:
(1)动叶出口汽流的绝对速度C2
(2)动叶出口汽流的方向角a2
(3)绘出动叶进出口蒸汽的速度三角形。
2
Cq_
2=76+0.5X702/1000=76+2.45=78.45kJ/kg
dmn3.141.083000
u
6060169.56m/s
W'Ju22gucos1琴‘33657216956223365716956coSig18297m/s
hb
mht0.2X78.45=15.69kJ/kg
w2
2hbW120.94215,691000182.972=239.39m/s
2
c2i^^2
u22w2ucos2时23939216956222393916956coS2864°12169m/s
2
1634.646=28.64°
5.已知汽轮机某级的理想焓降为84.3kJ/kg,初始动能1.8kJ/kg,反动度0.04,喷嘴速
度系数=0.96,动叶速度系数=0.96,圆周速度为171.8m/s,喷嘴出口角i=15
动叶出口角2=1-3°,蒸汽流量G=4.8kg/s。
求:
(1)
喷嘴出口相对速度?
(2)动叶出口相对速度?
轮周功率:
224.7cos23.20/1000339.66kW
6.已知喷嘴进口蒸汽焓值h°=3336kJ/kg,蒸汽初速度C0=70m/s;喷嘴后理想焓值h1t=3256
kJ/kg,,喷嘴速度系数=0.97。
试计算
(1)喷嘴前蒸汽滞止焓喷嘴出口实际速度
(J/kg)=2.45kJ/kg
解:
(1)喷嘴进口动能:
"
22
hc0=c0/2=70/2=2450
喷嘴前蒸汽滞止焓:
h0*=h0+"hc0=3336+2.45=3338.5(kJ/kg)
h;h;h1t3338.5325682.5(m/s)
.2h;.200082.54;6.2(m/s)
7.某冲动级级前压力p0=0.35MPa,级前温度10=169°C,喷嘴后压力pi=0.25MPa,级后压
力p2=0.56MPa,喷嘴理想焓降△hn=47.4kJ/kg,喷嘴损失厶hnt=3.21kJ/kg,动叶理想焓
降厶hb=13.4kJ/kg,动叶损失厶hbt=1.34kJ/kg,级的理想焓降△ht=60.8kJ/kg,初始动
能厶hc0=0,余速动能△hc2=2.09kJ/kg,其他各种损失h=2.05kJ/kg。
计算:
(1)计算级的反动度Qm
(2)若本级余速动能被下一级利用的系数卩仁0.97,计算级的相对内效率nri。
解:
级的反动度Qm=Ahb/△ht=13.4/60.8=0.22
级的相对内效率nri=(△ht-△hnZ-△hbZ-△hc2-SAh)/(△ht-卩1XAhc2)=0.92
&凝汽式汽轮机的蒸汽初参数:
Po=8.83MPa温度t0=530C,汽轮机排汽压力Pc=0.0034
MPa全机理想焓降AHt=1450kJ/kg,其中调节级理想焓降AhtI=209.3kJ/kg,调节级相对内效率nIri=0.5,其余各级平均相对内效率nHri=0.85。
假定发电机效率ng=0.98,机械效率nn=0.99。
试求:
(1)该级组的相对内效率。
(2)该机组的汽耗率。
(3)在h~s(焓~熵)图上绘出该机组的热力过程线。
解:
(1)因为调节级效率nIri=0.5=AhiI/AhtI
所以调节级有效焓降:
Ahi=0.5XAhtI=104.65kJ/kg
其余各级的有效焓降:
AH"=nSXAh"
III
其中:
AHt=AHt-Aht=1450—209.3=1240.7kJ/kg
AHn=nHriXAh"=0.85X1240.7=1054.6kJ/kg
故整机的相对内效率:
nri=(AhiI+AH")/AHt=
1159.25/1450=79.9%
(2)机组的汽耗率:
d=3600/(AHt•nri•ng°nm)=
3600/(1124.7)=3.2kg/kW.
(3)热力过程线
见右图。
9•已知某级级前蒸汽入口速度G=0.0m/s,级的理想焓降厶ht=78.0kJ/kg,级的反动度Q
=0.3,1=12°,2=18°,圆周速度u=178m/s,喷嘴速度系数=0.97,动叶速度系数
=0.9,余速利用系数0=1.0。
(1)计算动叶进出口汽流绝对速度及相对速度。
(2)画出动叶进出口速度三角形。
(3)画出该级热力过程线并标注各符号。
解:
(1)hn01mht0=(1-0.3)x78=54.6kJ/kg
环10厂hn0210354.6330.5m/s
C]c1t330.50.97320.5m/s
WyCf2u22C|UCos1\32Q521782232Q5178dos12°=149.4m/s
W22mht01030.920.378103=194.7m/s
c2w22u22w2ucos2194.72178221947178cos180=55.1m/s
(2)
动叶进出口速度三角形:
P
0
(3)该级热力过程
10.已知某级G=30Kg/s,co=0.0,w=158m/s,Ci=293m/s,w2=157m/s,C2=62.5m/s,轴向排
2=900),喷嘴和动叶速度系数分别为
=0.95,=0.88,汽轮机转速为3000转/分。
解:
(1)
(2)
(3)
hn0
计算该级的平均反动度。
计算轮周损失、轮周力、轮周功率和轮周效率(卩
作出该级的热力过程线并标出各量。
2932
0=0,31=0.9)。
21030.952
47.56KJ/Kg
hb
2
w2
3
1032
103
22
13572单3.418KJ/Kg
21030.8822103
(1)
(2)
hb
hn0
3.418
hb
0.07
3.41847.56
-157?
62.5=144m/s
2
arccosd
arcsin^2
喷嘴损失为:
动叶损失为:
余速损失为:
轮周损失为:
轮周力为:
u=GC|cos
w2
hn
hb
hc2
hn
(3)热力过程线为:
22
uW1
2c1u
62.5arcsin—
157
hn01
2
W2t
2103
2
C2
2
103
hb
2932144215820
arccos=16
2293144
260
2
47.5610.95=4.64KJ/Kg
62.52
2103
17竺10.8823.59KJ/Kg
103
1.95KJ/Kg
hC24.64+3.59+1.95=10.18KJ/Kg
c2cos230293cos16062.5cos90°=851N
11•已知汽轮机某级喷嘴出口速度
P2
c2
ci=275m/s,动也进、出口速度分别为
wi=124m/s、
w2=205m/s,喷嘴、动叶的速度系数分别为
=0.97,=0.94,试计算该级的反动度。
解:
hn0
2
C1t
2103
2
C
21032
2ZJ=40.187KJ/Kg
20.972103
hb0
2
W2t
2103
2
w2
21032
205-=23.78KJ/Kg
21030.942
hb
0
hb
2
W1
323.78
2103
卓=16.1KJ/Kg
2103
第二章多级汽轮机
1.压力反动度是指喷嘴后与级后蒸汽压力之差和级前与级后压力之差之比。
2.某机组在最大工况下通过的蒸汽流量G=130.2T/h,得到作用在动叶上的轴向推力》
Fz1=104339N,作用在叶轮上的轴向推力》Fz2=56
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