群组

代大功率汽轮机都是由若干个级构成的多级汽轮机。由于级的工作过程在一定程度上反映了整个汽轮机的工作过程，所以对汽轮机工作原理的讨论一般总是从汽轮机"级"开始的，这特有助于理解和掌握全机的内在规律性。"级"是汽轮机中最基本的工作单元。在结构上它是由静叶栅(喷嘴栅)和对应的动叶栅所组成。从能量观点上看，它是将工质(蒸汽)的能量转变为汽轮机机械能的一个能量转换过程。工质的热能在喷嘴栅中(也可以有部分在动叶栅中)首先转变为工质的动能，然后在动叶栅中再使这部分动能转变为机械能。
　　工质的热能之所以能转变为汽轮机的机械能，是由工质在汽轮机喷嘴栅和动叶栅中的热力过程所形成，因此，研究级的热力过程，也就是研究工质在喷嘴栅和动叶栅中的流动特点和做功原理，以及产生某些损失的原因，并从数量上引出它们相互之间的转换关系，这是本章的主要内容。
　　第一节蒸汽在级内的流动
　　一、基本假设和基本方程式
　　(一)基本假设
　　为了讨论问题的方便，除把蒸汽当作理想气体处理外，还假设：
　　(1)蒸汽在级内的流动是稳定流动，即蒸汽的所有参数在流动过程中与时间尤关。实际上，绝对的稳定流动是没有的，蒸汽流过一个级时，由于有动叶在喷嘴栅后转过，蒸汽参数总有一些波动。当汽轮机稳定工作时，由于蒸汽参数波动不大，可以相对地认为是稳定流动。
　　(2)蒸汽在级内的流动是一元流动，即级内蒸汽的任一参数只是沿一个坐标(流程)方向变化，而在垂直截面上没有任何变化。显然，这和实际情况也是不相符的，但当级内通道弯曲变化不激烈，即曲率牛径较大时，可以认为是一元流动。
　　(3)蒸汽在级内的流动是绝热流动，即蒸汽流动的过程中与外界无热交换。由于蒸汽流经一个级的时间很短暂，可近似认为正确。
　　考虑到即使用更复杂的理论来研究蒸汽在级内的流动，其结论与汽轮机真实的工作情况也不完全相符，而且推算也甚为麻烦，因此，上述的假设在用一些实验系数加以修正后，在工程实践中也证明是可行的。
　　(二)基本方程式
　　在汽乾机的热力计算中，往往需要应用可压缩流体一元流动方程式，这些基本方程式有：状态及过程方程式，连续性方程式和能量守恒方程式。
　　1．状态及过程方程式
　　理想气体的状态方程式为
pv=RT　 (1-1)
式中p－绝对压力，Pa；
　　v－气体比容，m3／kg；
　　T－热力学温度，K；
　　R－气体常数，对于蒸汽，R=461.5J／(kg•K)。
　　当蒸汽进行等熵膨胀时，膨胀过程可用下列方程式表示
pvk=常数 (1-2)
　　其微分形式为

(1-2a)
式中：k为绝热指数。对于过热蒸汽，k=1.3；对于湿蒸汽，k=1.035+0.1x，其中x是膨胀过程初态的蒸汽干度。
　　2．连续性方程式
　　在稳定流动的情况下，每单位时间流过流管任一截面的蒸汽流量不变，用公式表示为
Gv=cA (1-3)
式中G---蒸汽流量，kg／s；
　　A--流管内任一截面积，m3
　　c---垂直于截面的蒸汽速度，m/s
　　v---在截面上的蒸汽比容，m3/kg
　　对(1-3)取对数值并微分，可得连续性方程式的另一形式

(1-4)
　　3．能量守恒方程式
　　根据能量守恒定律可知，加到汽流中的热量与气体压缩功的总和必等于机械功、摩擦功、内能、位能及动能增值的总和。而在汽轮机中，气体位能的变化以及与外界的热交换常可略去不计，同时蒸汽通过叶栅槽道时若只有能量形式的转换，对外界也不做功，则能量守恒方程可表达为

(1-2)

(1-5)
式中h0、h1---蒸汽进入和流出叶栅的焓值，J/kg；
c0、c1---蒸汽进入和流出叶栅的速度，m/s；
　　其微分形式为
cdc+vdp=0 (1-6)
　　对于在理想条件下的流动，没有流动损失，与外界没有热交换，也就是说在比等熵条件下，在叶栅出口处的流动速度为理想速度c1t，则

(1-7)
　　二、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程
　　(一)蒸汽的滞止参数
　　理想气体在等比熵过程中的比焓差可表示为

(1-8)
　　根据式(1-7)可得

(1-9)
　　当用下角0与1分别表示喷嘴进出口处的状态时，则式(1-9)表明，蒸汽在喷嘴出口处的动能是由喷嘴进口和出口的蒸汽参数决定的，并和喷嘴进口蒸汽的动能有关。当喷嘴进口蒸汽动能c02／2很小，并可忽略不计时，喷嘴出口的蒸汽流速仅是热力学参数的函数。若喷嘴进口蒸汽的动能不能忽略不计，那么我们可以假定这一动能是由于蒸汽从某一假想状态0*(其参数为p0*，、v0*、h0*等)等比熵膨胀到喷嘴进口状态0(其参数为p0、v0、h0等)时所产生的，在这一假想状态下，蒸汽的初速为零。换言之，参数p0*、v0*是以初速c0从p0v0等比熵滞止到速度为零时的状态，我们称p0*、v0*、h0*等为滞止参数。若用滞止参数表示则式(1-9)可写成

(1-9a)
　　滞止参数在h-s，图上的表示如图1-1所示。

图1-1蒸汽在喷嘴中的热力过程
　　(二)喷嘴出口汽流速度
　　根据式(1-7)，对于稳定的绝热流动过程(等比熵过程)，喷嘴出口蒸汽的理想速度为

(1-10)
　　　
(1-10a)
式中h1t----在理想条件下，喷嘴出口的比焓，J／kg；
　　Δhn----在理想条件下，喷嘴中的理想比焓降，Δhn=h0-h1t，J／kg；
　　Δhn*----喷嘴中的滞止理想比焓降，Δhn*=Δhc0-Δhn，J／kg。
　　若用压力比的形式表示，由式(1-9a)可得