进行汽轮机级的热力设计计算时，一般给定进汽流量、进汽温度、进汽压力、排汽压力。若进汽速度较高，则设计中不可忽略蒸汽动能（进汽初始速度），应采用滞止压力和滞止温度。

根据这些参数，使用蒸汽焓熵关系数据可得到整级的理想比焓降值，在选定汽轮机转速、级的平均直径和反动度（级类型）后，则可确定喷嘴和动叶内的焓降，然后据此分别进行喷嘴和动叶的蒸汽参数和尺寸设计计算。

在一定速度比和转速下，平均直径大意味着可以利用的焓降大，因此一般依据给定的焓降水平在经验的基础上预先设定平均直径（这一点在调节级设计中比较重要），对于转速未确定的机型，应该统筹考虑转速的影响。或者根据反动度依据经验选择合适的速度比（一般选择若干个速度比进行不同方案比较），通过速度比和转速计算圆周速度及平均直径。

一般单列级的热力计算大致过程如下：

（1）根据焓降水平和经验估计叶栅根径、转速。

（2）根据喷嘴压力比选择喷嘴型线，依据强度选择叶片宽度Bn，根据容积流量选择出口角α1，在叶型的气动特性曲线上查得对应的相对节距，通过叶片数zn保证叶片α1角并确定最终节距tn。这是一个反复试凑的过程。

（3）计算喷嘴出口汽流速度，并根据连续方程计算喷嘴出口面积An及叶片高度ln。

（4）根据喷嘴高度确定动叶高度lb，喷嘴和动叶的高度都应该取整作为实际高度；然后用连续方程计算动叶出口角β2；根据动静叶栅的工作条件和配对要求选定动叶型线、叶片宽度Bb，应用叶型的气动特性曲线确定叶片数zb和节距tb。

（5）校核无限长叶片的轮周效率，检查计算的正确性。

（6）计算各项能量损失，最终确定该级所能达到的级内效率和内功率。

1.通流结构主要尺寸的详细确定流程与相关公式

1）喷嘴出口汽流速度及喷嘴损失计算

喷嘴中理想比焓降：

初速动能：

式中：c0为进入喷嘴的蒸汽初速，m/s。

滞止理想比焓降：

喷嘴出口汽流理想速度：

喷嘴出口汽流实际速度：

喷嘴损失：

式中：φ为喷嘴速度系数，可通过查表得到。

2）喷嘴类型选择与出口面积计算

首先需要根据蒸汽性质计算临界压力比：

式中：εcr为临界压力比，仅与蒸汽性质有关，对于过热蒸汽，εcr=0.546，对于饱和蒸汽，εcr=0.577；k为气体等熵指数（或者称为绝热指数），对于过热蒸汽，k=1.3，对于湿饱和蒸汽，k=1.035+0.1x，对于干饱和蒸汽，k=1.135；为喷嘴前汽流滞止压力，MPa；pcr为喷嘴临界压力，MPa。

再根据给定蒸汽参数计算喷嘴压力比：

式中：εn为喷嘴压力比；p1为喷嘴后汽流压力，MPa。

根据两个压力比的大小关系进行选择：

（1）若εn＞εcr，则汽流工作于亚声速区。

喷嘴采用渐缩喷嘴，喷嘴出口面积An为

式中：G为通过喷嘴的蒸汽流量，kg/s；υ1t为喷嘴出口汽流理想比容，m3/kg；μn为喷嘴流量系数，对于过热蒸汽，μn=0.93～0.98，对于饱和蒸汽，μn＞1，一般μn≈1.02。

（2）若0.4＜εn＜εcr，则出口汽流速度大于声速。

喷嘴仍可采用渐缩喷嘴，但汽流在喷嘴出口产生偏转，喷嘴出口面积即喷嘴喉部面积通常用下式计算：

（3）若εn＜0.3～0.4，则出口汽流速度大于声速。喷嘴必须采用缩放形式。由于蒸汽轮机中一般不采用，故略述。

3）喷嘴出口高度

根据喷嘴压力比和蒸汽容积流量选择和计算喷嘴型线、叶片宽度Bn、弦长bn、相对节距、叶片数zn、喷嘴出口角α1，然后计算喷嘴出口叶片高度ln：

或

当部分进汽度e＜1时，需确定最有利叶片高度，通常采用作图法：设若干个叶片高度ln，由式（2-49）计算出相应的部分进汽度e，然后分别计算出叶高损失δhl和部分进汽损失δhe，按比例画在以ln为横坐标的图上，两条损失曲线之交点所对应的叶高即为最有利叶片高度，如图2-20所示。也可采用数学中求导的方法求得最有利叶片高度。

图2-20　最有利叶片高度图解法

4）动叶进出口速度及能量损失

动叶中理想比焓降

动叶进口角

动叶进口汽流速度

动叶进口速度动能(www.daowen.com)

动叶滞止比焓降

动叶出口汽流理想相对速度

动叶出口汽流实际相对速度

式中：ψ为动叶速度系数。

动叶出口绝对速度（即余速）的方向与大小如下：

动叶进出口汽流速度也可通过速度三角形作图求出。图2-21所示为动叶进出口速度三角形。

图2-21　动叶进出口速度三角形

动叶损失

余速损失

根据余速利用和轮周效率的影响规律，如果余速利用系数较高，则级排汽角不一定要接近90°，当排汽角小于90°时，可以在一定程度上增加级的有效功。

叶高损失

单列级系数a=1.6（包括扇形损失），或a=1.2（不包括扇形损失）；取l=ln。

5）动叶出口面积

动叶一般采用渐缩通道，其通道出口面积Ab的计算方法与喷嘴的相同：

或

式中：G为通过动叶的蒸汽流量，通常取喷嘴中流量值，而将叶顶漏汽作为叶顶漏汽损失予以考虑；υ2t、υ2分别为动叶后蒸汽的理想比容与实际比容，m3/kg。

汽轮机制造厂常用式（2-63）计算动叶出口面积。

6）动叶高度lb

根据动叶压力比，选择动叶型线、叶片宽度Bb、弦长bb、相对节距，确定动叶个数zb和节距tb，然后选择β2就可计算出动叶高度lb：

当容积流量不大时，一般认为动叶进出口高度相等，即l＇b≈lb，此时往往通过确定动叶进口高度来确定动叶出口高度，然后由上式计算出动叶出口角β2。

动叶进口高度l＇b通常通过喷嘴出口高度确定，即

式中：Δ为动叶盖度，Δ=Δt+Δr，Δt为叶顶盖度，Δr为叶根盖度，根据经验可从表2-2所推荐的范围内选取。

表2-2　喷嘴出口高度与盖度之间的关系　　（mm）

当容积流量较大时，lb较l＇b大得多，只能将动叶顶部与根部设计成倾斜形的。此时要求倾斜角γ＜12°～15°，如图2-22所示。

级的热力过程曲线如图2-23所示。

图2-22　级的通流部分

图2-23　级的热力过程曲线

2.几个损失系数的确定

1）速度系数φ和ψ

喷嘴的速度系数φ和动叶的速度系数ψ之值主要与叶片高度、叶型、压力比、进口角、出口角及通道表面粗糙度等因素有关，ψ与反动度也有很大关系。一般φ=0.92～0.98，ψ=0.85～0.95。由于影响因素复杂，往往通过试验先确定叶型的能量（损失）系数曲线，该曲线是叶片特性曲线（见图2-17和图2-18）的一部分；然后通过能量损失系数与速度系数之间的关系公式计算获得φ和ψ。

能量（损失）系数曲线描述了喷嘴与和叶叶型的能量系数ξn（ξb）与节距、马赫数、进口角等之间的关系。

在进行渐缩通道热力计算时，为了简便，喷嘴的速度系数通常取为常数φ=0.97，将端部损失以叶高损失的形式用经验公式单独计算，动叶的速度系数仅需考虑反动度Ωm与动叶出口理想速度w2t的影响，在图2-24中查取。

图2-24　ψ与Ωm和w2t的关系曲线

2）流量系数μn和μb

喷嘴和动叶的流量系数μn和μb与蒸汽性质、比容、汽流在流道内的损失及流道进、出口角等因素有关，其大小一般通过试验获得。图2-25是根据试验数据绘制的喷嘴和动叶的流量系数曲线，供选择时参考。

图2-25　喷嘴和动叶的流量系数

3）余速利用系数μ0和μ2

上级余速动能可被下一级利用的条件是：相邻两级的部分进汽度相同，平均直径变化不大，轴向间隙较小，此时上级余速动能可被下级完全利用，即μ0（μ2）=1。

当相邻两级的部分进汽度不同或平均直径有突变时，上级余速动能不能被下级利用，即μ0（μ2）=0。

当相邻两级部分进汽度相等，平均直径无突变，但在级间有抽汽或旁通调节阀时，余速利用系数通常小于1，可取μ0（μ2）=0.7。在简便计算或者课程设计中为简单起见，往往将这种情况下的余速利用系数μ0（μ2）取为1。