《能源动力装置基础》04a.ppt

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1、1,能源与动力装置基础,任课教师： 刘 华 堂 华中科技大学 能源学院 文华学院 2009年2月,2,涡轮机又称透平机，它是汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机等旋转叶轮动力机械的总称，是输出动力的原动机。 其中， 汽轮机在火电厂、核电厂用作拖动发电机发电的原动机，现代大型火力发电机组给水泵的动力，也用汽轮机。 水轮机通常用作水电厂的动力。 燃气轮机用作燃气电厂的动力，也作为航空飞机、轮船的动力机械。 透平膨胀机用作能量回收和低温制冷领域之中。,第四章 涡轮机,3,第 一 节 概 述,汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机的工质都是气体，高温、高压气体在通流部分膨胀做功，对外输出机械功率。 我国目前火电

2、厂主要是燃煤电厂。在燃煤电厂中，汽轮机就是利用高温、高压气体在通流部分膨胀做功，使转轮旋转，从而拖动发电机发电。 燃气轮机发电机组在以石油为主要能源的国家发展也很快。 近年来，我国也开始建造燃气蒸汽联合循环发电厂。,4,汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机的工质都是气体，都是高温高压气体膨胀成低温低压气体，同时对外输出机械功，气体涡轮机的主要结构形式有径流式和轴流式，它们的结构尽管有很大不同，但是其基本工作原理是相同的。本章以轴流汽轮机为主，介绍其工作原理。,汽轮机是电厂三大主机之一,5,汽轮机分类,（1）按作功原理分类可分为冲动式、反动式汽轮机。 （2）按汽轮机功能分类可分为凝汽式、供 热式汽轮机

3、（3）按蒸汽参数高低分类可分为低压、中压、高压、超高压、亚临界压力、 超临界压力汽轮机。 此外，还有单缸、多缸汽轮机；按汽轮机轴的个数多少又分为单轴、双轴汽轮机。,6,7,一、汽轮机级的工作原理,1, 汽轮机的级： 级由一组静叶栅和一组动叶栅所组成 。为汽轮机最小作功单元,图41,8,9,具有一定压力、温度的蒸汽首先在静叶栅通道中膨胀加速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能， 然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能，完成利用 蒸汽热能作功的任务。,2, 级的工作原理,10,级中总的理想焓降：ht* 反动度： 级的平均反 动度为

4、蒸汽在动叶 通道中膨胀时的焓降hb和 在整个级的理想焓降ht*之比， 即： (4-1),级的热力过程曲线（如图42）,图42,11,蒸汽对动叶片产生的作用力 冲动力：当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片内弧上，被称为冲动力。 反动力：当汽流通过动叶通道时，要膨胀加速，会对叶片产生一个反 作用力，即反动力。,12,二、冲动级和反动级,1. 冲动级的形式 1） 纯冲动级：通常把反动度m等于零的级称为纯冲动级。对于纯冲动级来说，p1= p2、hb=0、ht*= hs*=hn*， 余速损失：蒸汽流出动叶的速度c2,具有一定的动能1/2 c

5、22未被利用而损失，称这种损失为余速损失，用 表示。 2) 带反动度的冲动级：为了提高级的效率，通常使冲动级也带有一定的反动度（m =0.050.20），这种级称为带反动度的冲动级，它具有作功能力大、效率高的特点。,13,3）复速级： 由一组静叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅及一组介于第一、二列动叶栅之间、固定在汽缸上的导向叶栅所组成的级，称为复速级。 * 蒸汽在复速级中的作功过程： * 为了提高复速级的效率，也采用一定 的反动度。 * 复速级具有作功能力大的特点，在 中小型汽轮机中，通常用复速级作 为调节级。,14,2反动级：在汽轮机中通常把反动度m =0.5的级称为反动级。 1) 对于反

6、动级，蒸汽在静叶和动叶通道的膨胀程度相同，即， 反动级是在冲动力和反动力同时作用下作功。 2) 反动级的效率比冲动级高，但作功能力小。 3) 调节级和压力级： 采用喷嘴调节功率大小的汽轮机，它的第一级通常称为调节级，其余的级统称为压力级。,15,作业与思考,1，叙述汽轮机级的工作原理； 2，汽轮机的分类； 3，解释专业名词：级，反动度，冲动级，反动级，复速级； 4，画出级的热力过程曲线。,16,第 二 节 级内能量转换过程及效率,叶栅通道中流动具有三元流动特性，但是，为了研究方便，忽略蒸汽的粘性，并假设： 1蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的 即在流动过程中，通道中任意一点的蒸汽参数不随时间变化而改

7、变。 2. 蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动 即蒸汽在叶栅通道中流动时，其参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上不变化。 3蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动 即蒸汽在叶栅通道中流动时与外界没有热交换。,17,基本方程式,在汽轮机热力计算中，要用到可压缩气体的一元流动基本方程式有： 连续方程式： 能量方程式： 状态及过程方程式： 动量方程式： 气动方程式：,18,一、蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程,喷嘴的作用：是让蒸汽在其中流动时得到膨胀加速，将热能转变为动能。喷嘴是固定不动的，蒸汽流过时，不对外作功，W=0；同时与外界无热交换，q=0。 根据能量方程式，则 (4-2) 上式可写成： (4

8、3),19,（一）喷嘴出口汽流速度计算,1喷嘴出口的汽流理想速度 已知条件：喷嘴前的参数 p0 t0 h0 c0。按等熵过程膨胀（图43）。根据式（42），则喷嘴出口汽流理想速度为 （4-4）,20,图4-3 蒸汽在喷嘴中的膨胀过程曲线,在焓熵图中表示为右图： 其中， 称为喷嘴的理想焓降， 称为喷嘴滞止焓降。,21,利用滞止点0*的滞止参数,分别代入式(44) ，则 （45） 2喷嘴出口的汽流实际速度 由于流动是有损失的，汽流实际速度小于理想速度。这样，喷嘴出口的汽流实际速度为 (46) 其中，为喷嘴速度系数，通常取=0.97。,22,3喷嘴损失,喷嘴损失：蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称

9、为喷嘴损失，用h表示： (47) 喷嘴能量损失系数 喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比，用表示： (4-8),23,(二)喷嘴中汽流的临界状态,1临界速度 汽流音速： 当用0*点的滞止参数表示时，代入音速公式，则有 (49) 临界状态、临界参数 、临界速度 当蒸汽在喷嘴通道中膨胀时，速度逐渐增加，压力和焓值逐渐降低，音速也降低，如图44所示。到某一截面会出现汽流速度等于当地音速。当汽流速度等于当地音速时，则称此时的流动状态为临界状态。这时的参数为临界参数 。 则临界速度为： (4-10),24,2临界压力,根据(310),临界压力为： (4-11) 对于等熵膨胀过程，则上式为 (4-12) 上式表明：

10、 临界压力只与蒸汽指数 k 和初压有关。 临界压力比： 临界压力与初压之比称为临界压力比 (4-13) 过热蒸汽（k=1.3）则 =0.546； 饱和蒸汽（k=1.135）则 = 0.577.,25,（三）喷嘴截面积的变化规律,根据连续性方程式的微分形式、动量方程式和等熵 过程方程式、马赫数可推出下式： (4-14) 上式可看到，喷嘴截面积的变化，不仅和汽流速度有关，同时还和马赫数M的大小有关：根据上式进行分析： （1）当汽流速度小于音速，即M1时：若要使汽流能继续加速，则喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐增加，即做成渐扩喷嘴。 （3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1：表明横截面A达到

11、最小值，即喉部截面。,26,简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了使喷嘴中的汽流达到超音速，除了喷嘴出口蒸汽压力必须小于临界压力外，还必须在喷嘴形状上加以保证，即作成缩放喷嘴。缩放喷嘴是由渐缩和渐扩喷嘴组合而成的。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴喉部达音速，然后在渐扩部分达超音速。,根据上述分析可知：,27,（四）喷嘴流量计算,1喷嘴的理想流量qmth计算 喷嘴的理想流量qmth可用下式计算: (4-15) 式中， 喷嘴出口处截面积，(m)； 喷嘴出口处理想汽流速度，(m/s)； 喷嘴出口处比容，（m/kq）。 2喷嘴流量曲线 喷嘴理想流量（ ）也可用下式计算 （416） 式中， 称为喷嘴前后压力

12、比,28,用式(416)来计算通过喷嘴的流量可得出：,当喷嘴前的参数和喷嘴出口截面积（ ）一定时，通过喷嘴的流量只取决于喷嘴前后压力比（ ）。它们的关系如图4-5中ABC曲线所示。即：,图 4-5,29,当压力比 =1时，喷嘴前后压力相等，则流量 =0； 当压力比（ ）从1 逐渐缩小时（ ）， 流量逐渐增加； 当喷嘴前后压力比（ ）等于临界压力比（ ）， 达最大值，如B点所示。这时的流量称为临界流量，用 表示。 当喷嘴前后压力比（ ）小于临界压力比（ ）时，流量保持最大值不变，如AB所示，其值为： (4 -17) 式中， 只与k值有关。 对于过热蒸汽，（k=1.3）,=0.667； 对于饱和蒸

13、汽（k=1.135）,=0.635。,30,3通过喷嘴的实际流量的计算,通过喷嘴的实际流量为： (418) 式中： 称为喷嘴流量系数。 对于过热蒸汽，取 = 0.97； 饱和蒸汽，取 =1.02。,31,(五）蒸汽在喷嘴斜切部分的流动,图46 带斜切部分的喷嘴 为了使喷嘴中流出的汽流顺利进入动叶通道，在喷嘴出口处必须有一段斜切部分,如图4-6所示。实际喷嘴由两部分所组成：一部分是渐缩部分ABDE，AB为最小截面处；另一部分为斜切部分ABC。,图46,32,1,当斜切压力等于背压（ ）时，汽流只在渐缩部分膨胀加速，而在斜切部分ABC处不膨胀，斜切部分只起导向作用。 2,当喷嘴出口压力（背压）小于

14、临界压力时，汽流在AB截面上达临界状态，汽流在斜切部分要继续膨胀加速，蒸汽压力由临界压力下降为 ， 汽流速度由临界速度到 大于音速，并且由于垂 直于汽流方向的压力不 平衡，气流发生了偏转， 如图47所示。,分析：,33,二、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程,1，动叶进、出口速度三角形 汽轮机级的动叶进、出口速度三角形如图48所示。 其中， 为喷嘴出口汽流速度， 为喷嘴 出汽角， 为动叶进口相对速度， 为动叶进汽方向角，u为圆周速度。 其动叶进口相对速度 和方向角 为： (419) (420),34,蒸汽最后以相对速度 和方向角 流出动叶通道。对于冲动级来说， 比 小, 的大小取决于反动度的大

15、小，一般来说， 。C2和可用下式求得： 其动叶出口绝对速度和方向角 （421） （422） 2，动叶栅出口汽流相对理想速度为 因 则有：,35,3，动叶出口的实际相对速度 w2 动叶中的热力过程曲线 如右图48,36,4，轮周功和轮周功率,轮周功:蒸汽通过汽轮机的级在动叶片上所作的有效机械功称为轮周功。 轮周功率:而单位时间内作出的轮周功称为轮周功率。每1kq蒸汽所作出的轮周功Wu： 或者 一般来说，冲动级的 比反动级的小，所以冲动级的作功能力比反动级大。 轮周功Wu也可以用下式表示：,37,动叶栅的能量损失系数定义为 通常取=0.85-0.95。 6，余速损失: 蒸汽在动叶栅中作功之后，最后

16、以绝对速度C离开动叶，其具有的动能称为余速损失： 在多级汽轮机中，余速可以被下一级所利用，其利用程度用余速利用系数 = 01表示。,5， 动叶损失：,38,7，级的过程曲线 考虑了喷嘴损失、动叶损失和余速损失之后，汽轮机的级在h-s图上的过程曲线如图411所示。 8，级的轮周有效焓降：,=,39,三、级的轮周效率和速度比,为了描述蒸汽在级内能量转换的完善程度，通常用各种不同的效率来加以说明。 1,级的轮周效率 蒸汽在汽轮机级内所作出轮周功Wu与它在级内所具有的理想能量E0之比称为级的轮周效率,即 (431) 2，级的理想能量 一般来说，级的理想能量是级的理想焓降、进入本级的动能和本级余速动能被

17、下一级所利用部分的代数和，即,40,为了研究方便，这里引入一个级的理想速度, 这样，级的轮周效率可用下式表示： 或者 式中， 分别称其为喷嘴、动叶和余速能量损失系数，它们分别为喷嘴损失、动叶损失和余速损失与级的理想能量之比。,3，级的理想速度,41,为了提高轮周效率，则应减少喷嘴损失、动叶损失和余速损失。如果选定了动、静叶栅的叶型，系数、 就确定了。则只能减少余速损失（ 使C2 最小）。由速度三角形(图410)可以知道，图b中速度C2刚好为轴向排汽，其余速损失最少。因此，只要u/ C1选用合理，就能做到轴向排汽。 （图410） 不同速度比下纯冲动级的速度三角形 （图b） 为轴向排汽,4，最佳速

18、度比,42,而图a、b中的u/ C1都不可能使C2轴向排汽，就不可能使余速损失最少。而能使C2达到轴向排汽的速度比u/ C1称为最佳速度比，用 表示。级的速度比通常用 X 表示。 不同级的最佳速度比： 纯冲动级 （435） 复速级 (436) 反动级 (437),43,四、级内损失和级效率,（一）级内损失 前面提到的喷嘴损失、动叶损失、余速损失都是级内损失。除此之外，还存在着其他方面的损失。当然，不是每一个级都同时具有这所有损失，而是根据具体情况而定。下面简单地介绍这些损失及产生原因。 1，叶高损失: 将喷嘴和动叶中与叶高有关的损失称为级的叶高损失、或叫端部损失，通常用hl表示。它是由汽道上下

19、端面附面层内的摩擦损失和端部的二次流涡流所引起的。试验证明，叶高损失与高度有密切关系，当叶片较长时，二次涡流对主汽的影响较少，故叶高损失小。相反，当叶片较短（叶高l12-15mm)时，叶高损失明显增加。这时，必须采用部分进汽，以增加叶高，减小叶高损失。,44,由于汽轮机的叶栅是呈环形。汽流参数和叶片几何参数（节距、进汽角）沿叶高是变化的。叶片越长，诸参数变化越大。在进行汽轮机设计时，通常以级的平均直径处的各种参数作为依据的。对于叶高不太长的级，其计算结果的误差不大。但对于叶片较长的级，其计算结果的误差就会很大，不能满足设计要求。这是因为，只有在平均直径处，设计条件才能得到满足。而其他截面上，由

20、于偏离设计条件将会引起附加损失。这个附加损失称为扇形损失，通常用h表示。为了减少扇形损失，对于径高比10的级，应采用扭叶片。,2，扇形损失,45,由于粘性，因此，叶轮在汽室中作高速旋转时，就必然存在着叶轮轮面与蒸汽及蒸汽之间的相对运动而产生的摩擦。要克服摩擦就要耗功。蒸汽会产生向外的径向运动。在叶轮两侧的汽室中就形成了涡流运动，如图411所示。涡流要耗功。这样就造成了叶轮摩擦损失，通常用hf表示。在汽轮机的高压部分的级中，由于比容较小，故叶轮摩擦损失大，低压部分的级，叶轮摩擦损失很小，甚至可忽略不计。,3，叶轮摩擦损失,图412 在叶轮两侧的汽室内的速度分布,46,为了保证叶高L1215mm,

21、设计时，就得采用部分进汽以减小叶高损失。但采用部分进汽，又产生了部分进汽损失。部分进汽损失是由鼓风损失和斥汽损失所组成的。鼓风损失发生在没有喷嘴叶片的弧段内。斥汽损失发生在安装有喷嘴叶片的弧段内。另外，如图4-13由于叶轮作高速旋转，这样，在喷嘴出口端的A点存在着漏汽；而在B点又存在着抽吸作用，将一部分蒸汽吸入动叶道，干扰主流。这样就形成了斥汽损失。,4，部分进汽损失he,图 413 部分进汽时蒸汽 流动示意图,47,隔板漏汽损失（hp）。 汽轮机动静之间有间隙。由于压差的作用，蒸汽就会漏过间隙，如图413所示。在隔板前后有很大的压差，又有间隙。就必然有一部分蒸汽通过隔板间隙流到级后。这部分蒸

22、汽不作功，减少了作功蒸汽量。另外漏汽不是从喷嘴中以正确方向流入动叶通道，它不但不做功，反而要干扰主流，就形成了隔板漏汽损失（hp）。,为了减少部分进汽损失，则部分进汽度e不宜太大； 但在有些级中，为了减小叶高损失，部分进汽度e又不宜太小。因此，二者应综合考虑。 5，漏汽损失 （两部分组成）,48,叶顶损失（ht）,另外，由于反动度，动叶前后有压力差。蒸汽必然有一部分漏汽不通过动叶通道而从叶顶间漏到级后。这部分蒸汽也不作功，形成了叶顶损失（ht）。,图413,49,为了减少漏汽损失，就应该减小间隙面积和蒸汽压力差。通常采用齿形轴封。蒸汽每通过一个齿就有一次节流过程，压力降低一次，从而减小了漏汽速

23、度，从而减小了漏汽量。 6，湿汽损失hk 蒸汽在汽轮机中最后几级时便进入湿蒸汽区，将产生湿汽损失（hk）。 湿汽损失的原因： （1）一部分蒸汽凝结成水滴，减少了作功蒸汽量 （2）水滴不作功，反而要为高速汽流所夹带前进，要消耗一部分轮周功； （3）由于水滴前进速度低于蒸汽速度。,齿形轴封的采用,50,水滴冲蚀叶片,这样，从速度三角形上分析： 水滴从喷嘴中流出时，正好打击动叶背弧，阻止动叶前进，减小了有用功； 而水滴从动叶流出之后又打击下一级喷嘴的背弧。 水滴长期冲蚀叶片，形成麻点，严重时会打穿叶片。 去湿措施 采用去湿装置，如捕水槽、捕水室等，以减少蒸汽中的水分。 提高叶片本身的抗湿能力，主要是

24、设法增强叶片进汽边背弧的抗湿性能。如，在动叶片进汽边背弧加焊硬质合金、电火花处理等。,51,（二）级的相对内效率和内功率,根据前面的分析，级内存在着许多损失。因此，进入级的蒸汽所具有的理想能量就不可能百分之百地转化为有效功。由于损失的存在，损失又转换为热能，反过来加热蒸汽本。从而，使动叶出口排汽焓值升高。 考虑了各种损失之后级的实 际热力过程曲线如图416所示。 0点为级前滞止状态点，3为有 余速利用时的下一级级前进口 状态点。 为级的有效焓降。,52,式中， 级内各项损失之和。 级效率是衡量级内能量转换完善成度的最后指标。在进行汽轮机热力设计时，只有合理地选用叶型、速度比、反动度、进汽度、叶

25、高和有关结构才能得到较高的级效率。 级的内功率为： (kw) (455) 式中， -级的蒸汽量，(kg/h)； -级的有效焓降，(kJ/Kg)。,=,级的相对内效率（级效率）,53,五、长叶片级,（一）长叶片的采用 前面讨论级的气动特性和几何参数时，都是以一元流动模型为理论依据，以级的平均直径截面上的参数作为代表来进行研究和计算的。这种计算方法对于叶片高度不太长的级来说，所引起的误差是不太大的。按这种计算方法设计的叶片，称为等截面直叶片，即叶片的几何参数沿叶高不变。 显然，这种设计方法计算方便，叶片加工简单。,54,如果长叶片级仍然按等截面直叶片进行设计，则级的实际轮周效率比计算值要低得多。其

26、原因就在于： 1， 圆周速度相差很大造成的损失 从叶根到叶顶，其相应的圆周速度相差很大。 如果仍以平均直径处的速度三角形有关参数作为依据来进行设计，并采用等截面直叶片。那么，除了平均直径附近处之外，其余直径处的汽流在进入动叶通道时，都会有撞击现象发生，在小于平均直径的地方，汽流将撞击动叶背弧，而在大于平均直径的地方，汽流将撞击动叶内弧。这样都会造成损失。 2，节距沿叶高变化很大造成的损失 由于叶片是安装在叶轮上的，呈环形，径高比很小时,节距沿叶高变化很大。根据叶栅试验得知，每一种叶栅都有一个最佳的相对节距。当相对节距为最佳值时其叶栅的效率最高。只要偏离这一最佳值，都会引起损失，造成效率下降。,

27、按等截面叶片设计长叶片级所造成的损失,55,3，径向流动造成损失 蒸汽从动、静叶栅通道中流出后，在动、静轴向间隙中必然产生离心力作用。有离心力，就会产生径向流动。径向流动就会造成损失。而且，叶片越长，径向流动造成的损失就越大。 综合上述分析，对于长叶片级来说，就不能采用短叶片级的来进行设计。为了得到效率较高的长叶片级，就必须把长叶片级设计成型线沿叶高变化的变截面叶片，即扭叶片。扭叶片加工困难，制造成本高。,56,（二）长叶片级的设计方法,长叶片级的设计普遍采用径向平衡法。其核心问题就是确定动、静叶栅轴向间隙汽流的平衡条件（径向平衡条件），建立径向平衡方程式，然后求解径向平衡方程式。由此得出汽流

28、参数沿叶高的变化规律。径向平衡法有简单径向平衡法和完全径向平衡法。 简单径向平衡法是假设动、静叶栅轴向间隙中汽流作轴对称的圆柱面流动，其径向分速为零，子午线曲线半径无穷大。完全径向平衡法认为，在动、静叶栅轴向间隙中，圆周方向的流面是一个轴对称的任意回转面。,57,58,作业与思考,写出喷嘴出口速度计算式：喷嘴出口理想速度，喷嘴出口实际速度，临界速度； 写出流量计算式：喷嘴理想流量，实际流量； 写出喷嘴损失、动叶损失、余速损失的计算式； 画出动叶进出口速度三角形； 画出渐缩喷嘴的流量曲线； 画出级的实际热力过程曲线； 叙述蒸汽在喷嘴斜切部分的流动规律； 叙述喷嘴截面积变化规律； 叙述汽轮机级内各

29、种损失产生的原因.,59,第 三 节 多 级 汽 轮 机,多级汽轮机的示意图,一、多级汽轮机的特点和工作过程 1，多级汽轮机的采用 为了提高功率，就必须增加进汽量和理想焓降。从经济、安全考虑，只有一个级的汽轮机是不可能有效地利用很大的理想焓降的。为了有效地利用理想焓降，提高功率，采用多级汽轮机。每一级只利用总焓降中的一部分。这样，,60,（1）使每一级都能在最佳速度比附近工作，以提高效率。 （2）只有采用多级汽轮机，才能把做成多排汽口，实现提高新蒸汽的参数（提高理想焓降），增加机组总进汽量，达到提高汽轮机单机功率的目的。 多级汽轮机的分类： 有冲动式和反动式两种。 国产100MW、125MW、

30、 200MW汽轮机都是冲动式多级汽轮机； 国产300MW汽轮机有冲动和反动式汽轮机两种（但是反动式汽轮机的第一级为冲动级）。 调节级与压力级：多级汽轮机通常采用喷嘴调节（控制进汽量），故称这种汽轮机的第一级为调节级，而把其余的级称为压力级。对于中小型汽轮机，通常采用双列级作为调节级，大功率汽轮机多用单列级作调节级。,61,2，多级汽轮机的工作过程 蒸汽进入汽轮机后，依次通过各级膨胀作功，压力和温度逐级降低，比容不断增加。通流部分尺寸是逐级增大的，特别是在低压部分，平均直径增加很快。即叶片的高度越来越长。 由于受到材料强度的限制，叶片不可能太长，故大型汽轮机都采用多排汽口： 如国产200MW汽轮

31、机，原设计为三排汽口，后改为两排汽口； 国产300MW汽轮机采用两排汽口。,62,63,3，多级汽轮机的 热力过程曲线 进汽机构的节流损失 排汽机构的压力损失 级实际膨胀过程 总的理想焓降 整机的有效焓降 余速动能有效地利用,64,二、多级汽轮机的损失,（一）前后端轴封的漏汽损失 1，前后端轴封的采用 由于结构要求，大轴必须从汽缸内向外伸出，使汽轮机支持在轴承座上。有间隙存在。汽缸的高压端，蒸汽向外泄漏。减少了作功蒸汽量，降低了机组的经济性。在排汽端，缸内为真空，空气将通过间隙流入汽缸内，破坏真空，也会降低机组的经济性。 为了防止或减小这种漏进、漏出现象，在汽轮机的两端漏气（汽）处装设汽封。这

32、种汽封称为前后端轴封。 高压端的汽封称为前轴封，作用是减少蒸汽向外泄漏； 低压端的汽封称为后轴封，作用是防止外界空气漏向汽缸，保证汽缸内的真空度。,65,2 ， 齿 形轴封 汽轮机中常见的端轴封是齿 形轴封，它是由许多固定在汽缸上的金属片组成。其高低齿与轴或者轴套上的凸肩、沟槽相错对应，使两者之间保持一较小的间隙，以形成许多汽封齿隙。,图419,66,轴 封 两齿之间为一环形汽室，如图419所示。漏汽依次通过各齿隙和环形汽室。为了减少漏汽量，这里借用喷嘴流量公式 可以减少齿隙面积A、汽流速度C和增大比容。但， 比容是由蒸汽流动状态来决定，不可任意改变。 而面积决定于轴封直径、间隙，它们是由大轴

33、的强度确定。间隙不能太小（一般取=0.30.6mm ），太小可能摩擦，大轴弯曲，机组振动。 这样，唯一可行的办法是减小汽流速度C。C取决于轴封齿两侧的压力差。,3，减少漏汽量的办法,67,从图419可看到，蒸汽通过第一环形齿隙时，由于通道面积小，汽流速度增加，压力降低。但进入小汽室时，通道面积突然增加，汽流速度大为减小。由于涡流和碰撞，蒸汽的动能被消耗而转变为热能，蒸汽焓值又回升到原值。也就是说，蒸汽通过轴封的热力过程为一节流过程。其后，每通过一齿隙，都重复这一节流过程，压力不断降低，一直降到轴封后的压力为止。 所以，轴封的作用是让蒸汽通过时，逐级节流到最低的压力，将一个较大的压力差，分割为许

34、多较小的压力差。从而达到降低漏汽速度，减少漏汽量的目的。这就是齿形轴封的工作原理。,4，齿形轴封的工作原理,68,（二）汽轮机进、排汽机构的压力损失,为了使蒸汽进入汽轮机作功，必须有进汽机构。而在汽轮机中作过功的蒸汽，又必须从排汽管中排出。汽轮机进汽机构由主汽阀、调节阀、导汽管和蒸汽室组成。汽轮机的排汽机构是一个扩散形的排汽管所构成。蒸汽通过汽轮机进、排汽机构时，由于摩擦和涡流的存在，会使压力降低，形成损失。 1进汽机构中的压力损失 由于摩擦和涡流，蒸汽 通过进汽管道有压降。压力 降低不作功，是一损失。,图421,69,进汽机构中由于节流所引起的压力损失 对于大型汽轮机（如国产200MW、30

35、0MW汽轮机），中、低压缸之间有低压导汽管，其压力损失为：,70,2排汽管道中的压力损失 作过功的乏汽由汽轮机的末级动叶排出，经排汽管到凝汽器或者供热管道。也因摩擦和涡流等原因，造成压力损失，即排汽管道中的压力损失 式中， 阻力系数，一般取=0.050.1； C排汽管道中的汽流速度，对于凝汽机，C=80120m/s；对于背压机，C=4060m/s。,71,（三）机械损失,汽轮机在工作时，要克服支持轴承、推力轴承的摩擦，带动主油泵和调速系统工作，要消耗功率。通常用机械损失来描述。考虑了机械损失之后，汽轮机联轴节端的输出功率将小于汽轮机的内功率。汽轮机的机械损失一般用机械效率来计算。这样， 式中，

36、 _分别为汽轮机的轴端功率、内功率； _为机械损失。,72,三、汽轮机装置的效率和功率,火力发电厂的生产过程，要经过一系列的能量转换之后，最后才能将矿物燃料的化学能转变为电能。在这些转换过程中，要用各种效率来描述整个能量转换过程中的完善成度。 1汽轮机的相对内效率 汽轮机的相对内效率是衡量汽轮机内能量转换完善程度的重要指标。它是整机的有效焓降与理想焓降之比，即,73,汽轮机的内功率等于汽轮机的进汽量与有效焓降之乘积。 对于无回热加热系统的汽轮机，它的内功率为： 对于有回热加热系统的汽轮机，它的内功率为： 3汽轮机的轴端功率 对于无回热加热系统的汽轮机，它的轴端功率为：,2汽轮机的内功率,74,

37、汽轮机以轴端功率来拖动发电机发电，还要考虑发电机的机械损失和电气损失。用 表示发电机的效率，则在发电机的出线端所获得的电功率为： 其中， ，称为相对电效率。它表示每kg蒸汽所具有的理想焓降中最后转变为电能的份额，是衡量汽轮发电机组经济性的一项重要指标。,4，电功率,75,四、多级汽轮机的轴向推力,1，轴向推力的组成 蒸汽对叶片的作用力由圆周分力和轴向分力所组成。圆周分力推动叶轮作功，轴向分力产生轴向推力。轴向推力由4部分所组成： 1.作用在动叶片上的轴向力； 2.作用在叶轮面上的轴向力； 3.作用在轮毂上或者转子凸肩上的轴向力； 4.作用在轴封凸肩上的轴向力。 这样多级汽轮机总的轴向推力为各级

38、轴向推力之和。即,76,2，轴向推力平衡办法 在多级汽轮机中，总的轴向推力是很大的。特别是反动式汽轮机，其总的推力可达200300T；冲动式汽轮机，其总的轴向推力可达4080T。这样大的轴向推力是推力轴承所不能承受的。因此，必须设法对汽轮机总的轴向推力应加与平衡。 常见的轴向推力平衡办法有： （1）采用平衡孔平衡轴向推力 在叶轮上开设平衡孔可以减少 叶轮两侧的压力差，从而可以减 少作用在叶轮上的轴向力。,77,（2）设置平衡活塞 由于平衡活塞上装有齿形轴封，当蒸汽由活塞的高压侧向低压侧流动时，压力由 降为 。在压力差作用下，就产生了一个向左的作用力。这个力刚好与方向相反，起到了平衡轴向了的作用

39、。 （3）采用多缸反向布置 对于多缸汽轮机，可以 采用多缸反向布置，汽流 作反向流动,其轴向力方向 相反，达到了相互平衡的 目的。,78,（4）推力轴承所承担的轴向推力 通常，汽轮机的运行要求推力轴承承担一部分轴向推力，以保证汽轮机运行工况发生变化时，轴向推力方向不变，使汽轮机不发生窜轴现象，达到机组稳定运转的目的。,79,五、提高汽轮机单机容量,（一）单缸单排汽汽轮机的极限功率 一般来说，凝汽式汽轮机的功率可用下式表示： 其中，整机的焓降取决于初终参数。在常见条件下， =10001500kJ/kg左右； 而三个效率 的变化也不大； 所以，汽轮机最大功率就决定于进汽量D。,80,而最大流量又决

40、定于末级叶片的几何尺寸。在汽轮机中，蒸汽膨胀到末级时，其容积流量达最大值。要求通流面积也最大。因此，末级动叶片必须做得很长。 由于汽轮机转子作高速旋转，长叶片将产生巨大的离心力。叶片材料的强度是有限的，因此，末级叶片的叶高将受到限制。这就是说，单缸单排汽的汽轮机的功率是有限的，其最大功率称为汽轮机的极限功率。通常，单缸单排汽的汽轮机的极限功率可达100MW（对于高压机组而言）。,81,（二）提高汽轮机单机功率的措施 由于单缸单排汽汽轮机受到极限功率的限制，为了得到更大的功率，就必须采取其他措施，常用的办法有： 1. 提高新蒸汽的参数 提高新蒸汽的参数可以增大整机的理想焓降，再加上中间再热，就能

41、较大地提高单机功率；,82,由于汽轮机单机功率受到末级叶片材料强度的限制（离心力太大），故末级叶片不可能做得很长，通流面积有限。采用高强度低重度的合金材料制造末级叶片，则可以在同样叶高条件下减少叶片质量、减少离心力。反过来说，就可以在保证叶片强度的条件下，采用高强度低重度的合金材料，则可以增长末级叶片的高度，即增大通流面积，从而达到增加进汽量、增大汽轮机单机功率的目的。 3.采用多排汽口 采用多排汽口，就是对汽轮机的低压缸进行分流。这是当前提高汽轮机单机功率最有效的办法。另外，采用多排汽口反向布置还可以起平衡轴向推力的作用。,2.采用高强度低重度的合金材料,83,从汽轮机中逐级抽出部分蒸汽用来

42、加热给水， 一方面可以减少排汽量， 同时可增大进汽量，增大高压部分几何尺寸（进汽度和叶高）。 增大进汽量，减少排汽量，则减小冷源损失，达到提高汽轮机热效率，起了一举两得的作用。 以上是提高汽轮机单机容量的主要办法。此外，还可以通过： 提高背压， 采用双层叶片， 采用低转速等办法。,4.采用给水回热加热系统,84,六、中间再热式汽轮机,1、中间再热循环的采用：为了提高机组容量、效率，应提高蒸汽初参数。 单一提高压力，膨胀到末了时会使湿度增大，增加了湿汽损失，冲蚀叶片，影响安全； 同时提高压力、和温度，但温度达一定值时，金属材料机械性能明显下降，不能保证强度和安全。 采用中间再热循环，是解决这一问

43、题的最好办法,85,中间再热对循环热效率是有影响的。如果附加循环比基本循环效率高，则可以使总的循环效率高。反之，则下降。如果: 再热循环压力较高，则可以使效率提高； 如果再热循环 压力过低，则会使效率降低。 如果再热循环压力太高，附加循环的吸热量占整个循环吸热量的份额将减少，这样对整个循环的作用不大。这里存在着一个最有利的中间再热压力值。根据设计和运行的经验，取中间再热压力初压的(2030)%范围内，使中间再热循环的热效率提高最多，一般约为(45)%。,2，中间再热对循环热效率的影响,86,采用中间再热循环可以提高机组的经济性， 但也带来以下一些问题： 汽轮机结构复杂，本体造价有所提高； 系统

44、复杂，管道布置复杂； 汽轮机、锅炉运行方式复杂，调节系统要求高； 因此，只有大型机组才采用中间再热循环系统，并且，一般只采用一次中间再热循环。,87,88,七、供热式汽轮机,能同时对外供电、供热的汽轮机称为供热式汽轮机(或者称热电联产汽轮机)。安装有供热式汽轮机的电厂称为热电厂。有: 背压式汽轮机和调节抽汽式汽轮机两大类。 供热式汽轮机的供热参数一般有两种，即: 工业用汽; 采暖用汽。 工业用汽的压力一般为0.81.3Mpa(813ata)； 采暖用汽压力为一般0.050.12Mpa(0.51.2ata)。,89,在动力循环中，不可避免地有冷源损失，使循环热效率降低。这一部分低位热能，数量是相

45、当可观的。为1kg蒸汽的凝结放热量，一般有2200kJ/kg（小机组有2300kJ/kg)。这个数字比机组的整机理想焓降还要大。如国产200MW汽轮机，整机理想焓降为1720.7kJ/kg，小于冷源损失。如果能充分利用其中一部分热能，则可以大大提高火电厂的循环热效率。 凝汽式汽轮机的循环热效率为： (466) 其中，W为汽轮机发出的电能， 为蒸汽在锅炉中的吸热量。,（一）供热式汽轮机的经济性,90,供热式汽轮机，同时发电和供热，其热效率为： (467) 式中， 称为供热机热电比。由于（1+ )1，因此， 这就表明，供热机的热效率比凝汽机高。目前，大机组的热效率约40%。但实行热电联产后，由于（

46、 )0，热效率提高。对于背压机，热电比可达68，可使整机热效率达85%左右。而调节抽汽机组，由于保留了冷源损失装置，其热效率高于凝汽机而低于背压机组，约为（4085）%之间。 由于热电联产之后可以实现集中供热，既能提高燃料利用率，又可以减少大量的工业锅炉，这就减少了污染，保护了环境。因此，热电联产、集中供热日益广泛地得到推广应用。,91,（二）背压式汽轮机,背压式汽轮机的主要任务是给热用户提供一定参数的蒸汽量，并发出一定的电能。没有回热抽汽，也没有凝汽器。排汽全部送到热用户。其热经济性是最好的。,图423,92,背压机由于排汽参数高，故整机理想焓降小。采用喷嘴调节。调节级形式多为双列级。 由于

47、背压式汽轮机整机理想焓降小，对于同功率大小的凝汽机来说，背压机的流量大，各级几何尺寸就大，叶高长、部分进汽度大。 背压机的初参数一般不高，多为中参数。排汽压力要根据热负荷的性质而定。工业用汽，其排汽压力一般为0.81.3Mpa；采暖用汽，排汽压力一般为0.120.25Mpa。 新蒸汽进入背压机1膨胀作功后，排汽送到热用户4。由于背压机无回热抽汽，进汽量等于排汽量。所以，当热负荷增大时，进汽量增大，发电功率增大；反之亦然。背压式汽轮机不能同时满足热、电两负荷的要求。,1，背压机的特点,93,因此，背压式汽轮机常常和凝汽式汽轮机并列运行（如图423所示）。凝汽式汽轮机2承担电负荷的变化。另外，当背压式汽轮机出故障或者需要检修时，由减温减压器3向热用户供汽。,94,（三）调节抽汽式汽轮机,1，调节抽汽式汽轮机的特点 调节抽汽式汽轮机同时发电和对外供热，并能同时满足热、电两负荷的要求。即，当发电功率不变时，供热抽汽量可以在所在范围内任意变动；当供热量不变时，发电功率可以在所在范围内任意变动。,图424 一次调节抽汽式汽轮机的工作原理和热力过程曲线,95,图424为一次调节抽汽式汽轮机的工作原理和热力过程曲