叶轮机械原理-第二章单级蒸汽透平.ppt

第二章 单级蒸汽透平, 单级透平（汽轮机）：, 单级蒸汽透平与透平级的区别,只有一个透平级的透平（汽轮机）。, 从结构上：,透平级: 仅是蒸汽透平的一个组成部分（工作单元）；,单级透平:,透平级,整机，它包括: 透平级（通流部分）， 汽缸、转子、进排汽管路、前后轴承箱、 汽封装置以及调节、保安系统等。, 从流动过程、能量转换的损失、作功上：,级通流部分中的流动情况和能量转换,级的喷管/动叶1/导叶/动叶2/余速损失,轮周功率和轮周效率,级前喷管动叶1导叶动叶2级后,涉及: 从汽轮机进口到排汽口的流动情况和能量转换。,考虑: 级的喷管/动叶1/导叶/动叶2/余速损失 其它能量损失（如：进排汽节流损失、 摩擦损失、 鼓风损失、弧端损失、湿汽损失、漏汽损失等）,功率和效率：轮周功率、 内功率、 有用功率 轮周效率、 相对内效率等,单 级 透 平,蒸汽流程：阀前主汽阀调节阀进汽部分 透平级排汽部分汽缸外, 单级蒸汽透平的功率：,0.5 kW 3000 kW, 单级蒸汽透平的用途：, 原动机：, 发电：,驱动大型水 泵、给水泵、油泵、 引风机、鼓风机等设备；, 单级蒸汽透平基本要求：, 结构简单、轻巧，成本低，运行方便可靠；, 热耗率、汽耗率低，效率高。,实例少, 单级蒸汽透平基本特征：, 采用双列复速级, 双列复速级所能利用的焓降大，作功能力大。, 高背压, 省略汽轮机凝汽系统， 减小机组结构复杂性和运行维修工作量； 通流部分出口比容小，容积流量也小， 汽轮机的几何尺寸小，制造成本低。, 大焓降, 双列复速级所利用焓降约为单列级的四倍。, 小流量, 在一定功率 下，所需流量就小。, 部分进汽, 高转速, 单级蒸汽透平的类型与结构,四种类型（按蒸汽的流动方向）：, 轴流式双列复速级, 新蒸汽通过主汽阀、引入蒸汽室，再经过调节阀 和喷管汽室进入喷管；, 全部喷管位于上汽缸的一个圆弧段， 部分进汽度小于0.5；, 蒸汽在动叶栅中作功后经排汽管离开透平。, 单级蒸汽透平的类型与结构,四种类型（按蒸汽的流动方向）：, 轴流式双列复速级, 新蒸汽通过主汽阀、引入蒸汽室，再经过调节阀 和喷管汽室进入喷管；, 全部喷管位于上汽缸的一个圆弧段， 部分进汽度小于0.5；, 蒸汽在动叶栅中作功后经排汽管离开透平。,图2.2 轴流式单级汽轮机纵剖面图, 回流式透平, 流动特征是：蒸汽先向前流动； 然后再向后流动； 接着又向前流动； 最后排出汽缸。,图2.3 回流式透平速度三角形, 特点： 只有一排动叶栅，发挥三列复速级的作用；, 蒸汽双向流过一列动叶栅。动叶是完全对称的。 有：, 动叶叶高不变（ ）， 但进汽速度差别很大（ ）， 相应的部分进汽度变化也很大（ ）。,图2.4 回流式汽轮机纵剖面图, 周向旋流式透平（Terry 透平）,特点：, 透平动叶汽道是在轮缘上直接铣出来的半圆形 斜槽，汽流通过动叶栅时的流动方向是圆周向 （同动叶旋转方向一致）；, 这种透平可以利用较大的焓降，且结构简单。,图2.5 周向旋流式汽轮机纵剖面图, 辐流式速度级透平, 只适用于功率要求很小的场合。,图2.6 辐流式汽轮机纵剖面图, 单级透平的损失、功率和效率,单 级 透 平, 由于结构和流动而产生能量损失的地方也多， 导致能量转换效率低。, 包含主汽阀、进排汽部分、透平级等许多零部件。, 蒸汽流经的路程和零部件多。, 节流损失,原 因：是由于进汽阀门和进汽管道引起的能量损失。,影响因素：与排汽管的直径和结构、排汽速度有关。,计算公式：, 进汽节流损失：,图2.7 多级汽轮机示意图和焓-熵图, 排汽节流损失,原 因：主要是排汽管道中的摩擦损失。,影响因素：与排汽管的直径和结构、排汽速度有关。,计算公式：,式中： 与排汽管结构形式和汽流速度有关的 阻力系数， =0.050.1（速度高取偏大值）, 排汽管中的汽流速度。 凝汽汽轮机： m/s； 背式汽轮机： m/s。,在汽流速度范围内， 排汽管压力损失：, 轮周损失, 流动损失：喷管能量损失 动叶能量损失 导叶能量损失 动叶能量损失, 余速能量损失：, 透平结构损失,原因：考虑汽流的不稳定性以及通流部分中（动叶叶顶） 漏汽等结构因素产生的损失；,大小：结构损失使双列复速级的轮周效率下降约2.5%， 其结构损失系数为：, 轮面摩擦损失：,蒸汽分子对环形叶轮产生 的摩擦引起的损失。, 部分进汽损失：,由于部分进汽引起的能量损失。,在不进汽弧段区域， 动叶栅的风扇作用所消耗能量；,高速汽流将动叶中“呆滞”的蒸汽 推动起来所消耗的能量。, 机械损失：,透平轴承、齿轮箱、调速器、附属油泵 等机械设备所消耗的能量。,实线：机械效率与有效功率的关系曲线； 虚线：变速齿轮效率与机组功率的关系曲线 图2.8 汽轮机机械效率与有效功率的关系曲线, 汽轮机组的效率及动力装置的评价指标, 汽轮机的轮周效率：,考虑损失：,轮周损失,评价对象：,喷管损失 、动叶损失 导叶损失 、动叶损失 余速损失,汽轮机通流部分 设计制造的 先进性指标, 汽轮机的相对内效率：,考虑损失：,轮周损失（喷管/动叶/导叶/动叶/余速）,结构损失、轮面摩擦损失、 鼓风损失、弧端损失,评价对象：,透平级内能量转换过程完善程度的指标, 汽轮机的内效率：,考虑损失：,评价对象：,汽轮机内能量转换过程完善程度的指标。, 汽轮机的有用效率（发电效率）：,考虑损失：,机组的所有内部损失,机械损失 发电机损失,评价对象：,汽轮发电机组工作完善程度的指标。,2.2 双列复速级的通流部分和轮周效率,一、叶栅特性数据, 双列复速级，有四排叶栅： 喷管叶栅/第一列动叶栅/导向叶栅/第二列动叶栅, 四排叶栅工作条件相差很大，叶型几何特性和空气 动力特性也有很大不同，不能通用；, 为减小双列复速级通流部分中的流动损失，有必要 选用四种特性不同高效率叶栅组成复速级通流部分；, 双列复速级的四个叶型总是成套使用， 每个叶栅都有各自的几何特性和气动特性。,二、通流部分结构参数, 选择双列复速级的叶栅型式（成套选择）， 确定四列叶栅的高度；, 进行双列复速级的热力计算（速度三角形、轮周功率 和轮周效率等的计算）。,两方面的工作：,已知参数：, 复速级的进口蒸汽状态参数：, 复速级的出口压力：, 复速级的转速：, 复速级的流量或功率：,初步计算：, 首先不考虑叶栅的流动损失，取：, 确定或选定透平级的基本参数，包括： 等熵滞止焓降 、速比 、平均直径 、 圆周速度 、反动度 和反动度的分配 汽流出口角 等。, 进行双列复速级速度三角形计算。, 初步确定四排叶栅的出口面积和叶片高度,喷管面积：,动叶面积：,导叶面积：,动叶面积：,几计 何算 参面 数积,喷管叶高：,动叶叶高：,导叶叶高：,动叶叶高：, 选择双列复速级的叶栅型式， 初步确定四排叶栅的相对节距，并查出安装角, 从叶栅特性图查出并取定相对节距为：,相对节距： ,保证：, 利用选取的汽流出口角：,查出四排叶栅的安装角：, 初步确定四排叶栅的流动损失系数和速度系数, 根据叶栅特性曲线和计算数据， 查出四排叶栅的能量损失系数：, 计算四排叶栅的速度系数：,迭代计算：, 利用初步计算得到的四排叶栅的速度系数, 进行复速级实际速度三角形计算，并确定相应参数。, 重新计算四排叶栅的出口面积（ ） 和叶片高度（ ）, 核算四排叶栅的相对节距（ ）,三、双列复速级的轮周效率,喷管损失：,动叶损失：,导叶损失：,动叶损失：,余速损失：,轮周效率：,2.3 摩擦损失、鼓风损失和弧端损失,一、叶轮摩擦损失, 摩擦损失原因：, 蒸汽粘性、汽流速度沿轴向梯度 叶轮表面的摩擦阻力消耗部分轮周功。, 叶轮两侧的旋涡区，产生涡流，也消耗一部分轮周功。, 摩擦损失位置：,叶轮的两个端面/叶轮前后的两个空间。, 摩擦损失：,克服叶轮摩擦阻力和涡流所消耗的轮周功。, 摩擦损失功率的计算方法（通常用实验方法来确定）：,斯托道拉（Stodola）整理的经验公式：, 摩擦损失功率影响因素：, 转速 n 级平均直径 dm 密度, 叶轮摩擦损失系数：,二、鼓风损失,原因: 鼓风损失是部分进汽透平级所特有的一种损失。, 当透平级是部分进汽（ ）时， 喷管叶栅是布置在某一弧段上； 从喷管流出的高速蒸汽也仅仅分布在这一弧段上。, 动叶布置在叶轮整个圆周上的。,这种情况下，动叶通道不是连续地通过工作汽体。, 对应进汽弧段的动叶栅， 就有高速汽流进入， 汽流膨胀、作功。 该进汽部分的动叶栅正常工作。, 对应非进汽弧段的动叶栅，没有汽流进入， 但该部分叶栅通道内存在着“基本静止的汽体”。 这部分的动叶栅就像“风扇叶片”一样起鼓风作用， 使“基本静止的汽体”通过动叶通道。, 非进汽弧段的动叶起了风扇作用， 相应地就消耗了一部分能量，称为鼓风损失。, 鼓风损失产生的位置：,非进汽弧段, 鼓风损失功率（半经验公式）:, 对单列有护罩的透平级（用护罩相当于鼓风区域减小）：,图2.10 采用护罩的部分 进汽级的示意图, 对双列复速级（有护罩）：, 鼓风损失系数：, 摩擦鼓风损失：摩擦损失和鼓风损失合称,其中: k3 考虑工质性质系数 （过热蒸汽：k3 =1.0 ；饱和蒸汽：k3 =1.21.3） A，B 经验系数（A = 1.0，B = 0.4） 平均密度。单列级： 双列级：,图2.11 喷管组两端的不稳定汽流,三、弧端损失, 原因: 弧端损失也是部分进汽透平级所特有的一种损失。, 当透平级是部分进汽（ ）时，动叶栅不是连续工作。 当动叶栅转到进汽弧段时，汽流在动叶内膨胀、作功； 当动叶栅转到非进汽弧段时，没有汽流进入动叶栅作功。, 对应非进汽弧段：动叶通道内充满了“呆滞”的汽体。 当动叶栅从非进汽弧段转向进汽弧段时， 从喷管出来的高速汽流为了能够进入动叶通道， 就必须推动和加速 “呆滞”在动叶通道中的汽体， 消耗一部分能量。,图2.11 喷管组两端的不稳定汽流, 当动叶栅从进汽弧段转向非进汽弧段时， 由喷管组最后一个喷管通道出来的蒸汽， 受到动叶栅旋转的影响以及汽流的不稳定性， 也引起一部分能量损失。,图2.11 喷管组两端的不稳定汽流, 这两种能量损失合称为透平级的弧端损失（斥汽损失）。, 弧段损失产生的位置：,1）从非进汽弧段向进汽弧段的过渡区域； 2）从进汽段向非进汽段的过渡区域。, 弧段损失的功率（半经验公式）：, 弧段能量损失系数：,双列复速级：,单列级：,0.6,四、级的相对内效率, 轮周损失：,喷管损失 、动叶损失 、 导叶损失 、动叶损失 、 余速损失, 结构损失：, 摩擦损失：, 鼓风损失：, 弧端损失：, 透平级的理想焓降（作功能力）：,1）透平级相对内效率,2） 、 、 对相对内效率 的影响,从前面的分析来看：,可以看出：, 级相对内效率 轮周效率；, 最佳速比 有所降低；, 三项损失对相对内效率影响大。,3）双列复速级的试验曲线,图2.13 相对内效率计算曲线与试验曲线,可以看出：, 两条曲线是比较接近的；, 和 的最佳值 基本相符；, 试验本身存在一定的误差。,4）最佳部分进汽度, 部分进汽透平级，当喷管出口面积一定情况下，,有：,可以看出：,各项损失之和最小，相对内效率 最大。, 双列复速级的各项损失为：, 四排叶栅的流动损失系数之和:,(与叶高或部分进汽度有关）, 余速损失系数：,(与叶高或部分进汽度无关）, 结构损失系数：,(与叶高或部分进汽度有关）, 摩擦损失系数：,(与叶高或部分进汽度无关）, 鼓风损失系数：,(与叶高或部分进汽度有关）, 弧端损失系数：,(与叶高或部分进汽度有关）, 显然，总流动损失 仅是部分进汽度 的函数。,令：,得到：,说明：, 速比的选取应与最佳部分进汽度相对应；, 先估算一个最佳速比 ； 计算出 ；查图得到 ； 重新计算出值 ，直到相对应。,图2.14 汽轮机纵剖面图,2.6 汽封装置,汽轮机在工作时：, 汽缸/隔板是静止不动的；主轴/转子/动叶是高速旋转的。, 汽缸内是蒸汽压力；外界是大气压力。, 隔板前、后的蒸汽压力也不相同。, 在几何尺寸上： 在气动参数上：,存在压差,存在环形间隙, 必定产生漏汽, 漏汽产生两个方面的问题：, 损失了作功的工质，减小了汽轮机发出的功率：, 破坏了工作环境：, 即保证汽轮机的安全运行： 又最大限度地减小漏汽量, 只能采用汽封装置, 汽封装置是汽轮机的一个重要部件，汽封安装在：,2.15 隔板汽封剖面图, 汽封的作用：,减小汽缸/隔板与主轴等之间环形间隙的漏汽量。,具体来讲： 前汽封：减小高压、高温汽体向机组外 的泄露； 后汽封：减小外界空气漏入汽轮机低压 区域（如：凝汽器）中； 隔板汽封：减小隔板与转子主轴之间环形 间隙的漏汽量。 叶顶汽封：减小动叶叶顶与汽缸之间环形 间隙的漏汽量。, 汽封类型：, 曲径式汽封, 炭精环汽封, 水环式汽封, 迷宫式汽封, 刷子汽封, 蜂窝密封, 目前应用最广的一种形式, 不再应用, 航空已用 汽轮机正在研究阶段,图2.16 曲径式汽封结构图与照片图,炭精环汽封结构图,图2.18 水环式汽封结构图,图2.19 刷式密封结构示意图,图2.20 蜂窝密封图片,图2.21 曲径式汽封结构图,一、曲径式汽封的工作原理, 曲径式汽封的结构, 在汽轮机主轴上， 安装有带槽沟的汽封套筒， 它与主轴一起旋转；,汽封套筒 + 汽封环 = 曲径式汽封, 汽封装置中有许多环形孔口， 齿尖处的径向间隙很小，约0.5mm； 每两个孔口之间形成一个环形汽室。,在汽缸上则安装有带锯齿的汽封环，它是静止不动的。, 曲径式汽封中的流动过程, 蒸汽依次通过汽封的环形孔口； 每通过一个环形孔口，蒸汽的压力就降低一些； 每个孔口前后都存在压差。, 蒸汽在从汽封高压端 流向低压端 过程中：,全部孔口两侧压差之和 = 整个汽封前后的总压差：,图2.9 曲径式汽封压力变化曲线, 当蒸汽通过一个环形孔口时：, 压力和焓值就降低， 汽流获得一定的速度； 汽室的空间相对很大， 在汽室中形成强烈的旋涡； 涡流将汽流动能变成热能回到汽流中； 汽室中汽流温度升高，焓值恢复到孔口前的数值。,总体来看： 蒸汽通过环形孔口的流动过程，接近一个节流过程； 能量转换过程： 热能（膨胀） 动能（涡流） 热能 ；, 环形孔口的漏汽面积基本上是定值：,漏汽面积：,蒸汽流量相同：, 蒸汽的压力逐渐降低， 汽流密度减小；, 根据连续方程：,结论： 随着压力逐渐下降，各孔口处汽流速度逐渐增大； 孔口的绝热焓降也是逐渐增大，压比则逐渐减小； 在总压差 一定下， 环形孔口数目越多，每个孔口两侧的压力差越小， 相应的漏汽量也越小, 当汽封最后一个环形孔口的压差足够大时：, 汽封出口汽流速度可以 达到当地音速； 汽封的漏汽量就达到与 汽封初压 相对应的最大值， 即临界漏汽量。, 所有环形孔口都是没有斜切部分的收缩喷管：, 最后一个孔口的汽流速度在任何情况下都 不会大于 临界速度；, 而任何其它孔口的汽流速度都 永远小于 当地音速。, 各环形孔口出口蒸汽状态（ 和 ）点的轨迹：,图2.10 芬诺曲线, 图中的曲线 b d f ； 芬诺线：每条芬诺线都对应一个汽封漏汽量， 所以芬诺线就是等流量线。, 曲径式汽封的变工况特性, 如果汽封初压 、背压 、径向间隙 不变， 但环形孔口的数目 减少，, 汽封漏汽量增大, 如果汽封孔口数目 、径向间隙 、背压 不变， 但汽封初压 升高，, 汽封漏汽量增大, 曲径式汽封中的实际流动过程,实际上，汽流通过汽封各环形孔口时，其汽流速度逐渐增大。, 汽流的动能在各汽室中并不能全部转化为蒸汽热能； 大部分动能：转化为蒸汽热能使蒸汽焓值增大； 小部分动能：仍以一定的速度作为通过下一个 孔口时的初速度。, 即使汽封前后的汽流参数、孔口数目以及径向间隙 都不变，汽封的实际漏汽量也必然增大。, 如图所示：1 代表理想情况下的芬诺线； 2 代表实际情况下的芬诺线。,二 曲径式汽封的漏汽量,曲径式汽封漏汽量 与以下参数有关：,汽封前、后蒸汽参数：,汽封的几何参数：,汽封片（环形孔口）数：, 理想情况下汽封的漏汽量,假定1：将汽封中任意一个环形孔口当作一个理想的喷管 （没有斜切部分）,对第 个孔口：,能量方程为：,有：,其中： 、 第 个孔口前的 汽流速度 和 压力； 、 第 个孔口后的 汽流速度 和 压力。, 理想情况: 初速度, 环形孔口出口理论汽流速度:, 根据连续方程，通过这个环形孔口的漏汽量为:, 将喷管中理想等熵流动的过程方程: 代入上式，即可以计算出汽封漏汽量 。,假定3：孔口中是等温膨胀过程，理想