冲动式与反动式汽轮机的优劣比较_秦赟

冲动式与反动式汽轮机的优劣比较 秦赟 王海名 中国矿业大学 江苏 徐州 221008 摘要 文中就冲动式汽轮机和反动式汽轮机在结构特点 蒸汽流动特性以及运行效率上 作了详细的分析比较 说明了两类汽轮机在技术及选型中相辅形成的辩证关系 关键词 汽轮机 冲动式 反动式 结构特点 流动特性 效率 中图分类号 TK249 4文献标志码 B 文章编号 1009 3230 2011 08 0001 06 The Comparison of Impulse and the Reaction Turbine QIN Yun WANG Hai ming China University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China Abstract The paper mainly makes a detailed analysis and comparison of impulse turbine and the reaction turbine on their design features the flow characteristic of steam and their working efficiency The results present a complementary and dialectic relationship of the two kinds of turbine on technology and type selection Key words Turbine Impulse Reaction Design feature Flow characteristic Efficiency 0引言 汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式热能动力机 械 主要用途是作为发电用的原动机 自 1883 年 第一台冲动式汽轮机发电机组投运以来 汽轮机 的发展已有一百多年的历史 按其工作原理的不 同 汽轮机可分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机 从世界装机容量上看 冲动式汽轮机略占上风 但就其产量多少的比重上来看 两大类汽轮机平 分秋色各占春秋 中国使用汽轮机的历史可以追溯到 20 世纪 20 年代 国产 100 MW 125 MW 200 MW 汽轮机 多为冲动式多级汽轮机 而国产 300 MW 600 MW 汽轮机则多为反动式多级汽轮机 在过去我国主 要以冲动式汽轮机为主 现代技术的发展使我国 反动式汽轮机的制造与使用也有突飞猛进的发 展 本文就冲动式与反动式汽轮机在制造结构 气动力特性以及运行经济安全性上的优劣进行了 详细的比较与分析 收稿日期 2011 05 28修订日期 2011 06 07 作者简介 秦赟 1988 女 本科 主要从事热能工程 1基本原理 喷嘴栅和与其相配的动叶栅组成了汽轮机中最基 本的工作单元 级 不同的级顺序串联构成多级 汽轮机 当蒸汽通过汽轮机时 首先在喷嘴栅中 将热能转变为动能 然后在动叶中将其动能转变 为机械能 使得叶轮和轴转动 从而完成汽轮机利 用蒸汽热能做功的任务 蒸汽在级中以不同的方 式进行能量转换 便形成不同工作原理的汽轮机 即冲动式汽轮机和反动式汽轮机 冲动式汽轮机 主要有冲动级组成 在级中蒸汽主要在喷嘴栅中 膨胀 在动叶栅中只有少量膨胀 反动式汽轮机 主要有反动级组成 蒸汽在汽轮机的喷嘴栅和动 叶栅中都有相当程度的膨胀 用反动度 来衡 量蒸汽在动叶栅中的膨胀程度 级的反动度等于 动叶的理想比焓降 hb与级的滞止理想比焓降 h t 的比值 通常用平均反动度 m表示 即 m hb h t 通常把轮周速度 u 与喷嘴出口 气流速度 c1之比称为速度比 简称速比 1 速比 1对轮周效率的大小有重要影响 对应于轮周效 率最高时的速比称为最佳速比 以 1 op表示 1 op cos 1 2 1 m 其中 1是静叶出口汽流方 12011 年第 8 期 总第 164 期 应用能源技术 向角 2主要结构特点及比较 2 1动静叶栅 冲动式汽轮机的动 静叶栅型线是不同的 气流在动叶栅中膨胀量少 所以动叶栅的截面形 状是近似对称的 蒸汽在静叶栅中转折角较小 进入动叶的速度较大 在动叶中转折角较大 动叶 损失较大 反动式汽轮机由于级的比焓降是在喷 嘴和动叶栅中平均分配的 所以喷嘴叶栅和动叶 栅可采用相同的叶形 且叶型是不对称的 构成 喷嘴和动叶的收缩形通道 冲动式与反动式叶形 及蒸汽在级中流动过程中压力和速度变化如图 1 图 2 所示 2 2转子及隔板 对于冲动式 动叶前后压差较小 没有太大的 轴向力作用在转子上 所以冲动式汽轮机可以使 用质量轻 结构紧凑的轮盘式转子 为提高汽轮机 的灵活性 可以采用较大的径向间隙 喷嘴叶栅 前后压差较大 设置隔板结构 把喷嘴装在隔板的 外环上 同时在隔板的内孔装气封片 可以减少喷 嘴叶栅与轴间的漏气量 也减少了转子摩擦的危 险性 由于隔板保持中心 它与汽缸的变形无关 所以在整个使用期限内可使汽轮机维持良好的对 中性能 对于反动式 动叶前后存在较大的压差 为了 减小气流对转子的轴向作用力 反动式汽轮机采 用转鼓式结构 没有叶轮 喷嘴直接安装在汽缸内 壁上 没有隔板 汽缸上安装支撑静叶的内环 这 种结构大大减小了级的轴向尺寸 为使蒸汽泄漏 量较小 应尽量减小径向间隙 动叶前后压差较 大 为避免过大的级内损失一般不采用部分进气 而用全周进气 2 3级数差别 在同样蒸汽参数和功率条件下 冲动式汽轮机 的级数一般比反动式的少 相应的零部件数也少 但随着机组功率的增大 级数的差别越来越小 最佳速比 1 op cos 1 2 1 m 随着反动度的 增大而增大 若要求级在最佳速比下运行 对纯 冲动级 1 op cos 1 2 对反动级 1 op cos 1 在大致相等的轮周速度 u 下 反动级的焓降小于 冲动级的 若反动级的最佳速比是纯冲动级的两 倍 那么反动级的焓降为纯冲动级的 70 7 因 此 在相同的蒸汽参数和机组功率下 冲动式机组 的级数一般少于反动式机组 对于大功率机组的低压缸 末级叶片都较长 叶片径高比 d l 较小 速比 u c1沿叶高变化比 较明显 为防止气流的撞击和减少余速损失常采 用叶形和动叶出气角沿叶高变化的长扭叶片 以 适应圆周速度和蒸汽参数沿叶高变化的规律 而 对于长扭叶片的叶根常设计成具有适当反动度的 冲动式叶形 叶顶靠近节圆处却设计成反动式叶 形 以适应高效率的要求 因此 冲动式和反动式 2应用能源技术2011 年第 8 期 总第 164 期 汽轮机叶形设计近乎一致 级数的差别被缩小了 尤其在大功率汽轮机机组中 级数的差别逐渐被 淡化 2 4平衡轴向力的措施 由于叶形及转子结构的不同 作用在汽轮机 级上的轴向推力不相同 因此平衡轴向力的措施 也不同 对与冲动式汽轮机 通常在叶轮上开 5 7 个 平衡孔 减少蒸汽前后压力差 以减少轴向推力 对于反动式汽轮机常采用平衡活塞法 即在汽轮 机转子高压轴封端加大第一段汽封套的直径 以 产生与主蒸汽在轴流方向相反的轴向推力 但随 着机组容量的增大 要求的平衡活塞的外径也增 大 随之而来的轴封漏气面积增大 轴封漏气量增 大 所以汽轮机机组的效率会下降 这是反动式 汽轮机的主要缺点之一 反动式汽轮机转子设计 成转鼓形式也是为了平衡轴向推力 对于冲动式 和反动式汽轮机的汽缸对称布置是大型多缸汽轮 机平衡轴向力的最有效的办法 当汽轮机组是有 高压缸 中压缸和两个低压缸组成时 把高压缸和 低压缸对称布置 两个低压缸对称布置 利用蒸汽 轴向流动方向相反来抵消轴向推力 3冲动式和反动式汽轮机的蒸汽流 动特性 3 1流动过程及能量转换 为简化分析 蒸汽在级内的流动常看作稳定 的 一元的绝热的流动 稳定流动的热力过程能 量守恒 即蒸汽进入系统的能量等于离开系统的 能量 能量守恒方程 h0 c2 0 2 h1 c2 1 2 式中 h0 h1 蒸汽流入 流出喷嘴时的焓值 J kg c0 c1 蒸汽流入 流出喷嘴时的速度 m s 将动 静叶中汽流速度的大小和方向 按一定 比例画出的速度图称为速度三角形 冲动级与反 动级的速度三角形及热力过程线如图 3 6 所示 冲动式和反动式汽轮机在动叶中做功程度不同 所以其热力过程线和动叶中速度三角是不同的 图 3冲动级 带有部分反动度 的速度三角形 相关计算 静叶出口速度 c1 2 1 m h 槡 1 1 动叶进汽角 1 sin 1 c1 w1sin 1 2 动叶出口速度 w2 2 m h t w 槡 2 1 3 式中 分别是喷嘴和动叶的速度系数 h t 蒸汽在级中的理想焓降 w1 动叶入 口速度 32011 年第 8 期 总第 164 期 应用能源技术 图 4冲动级 带有部分反动度 的热力过程线 一般取 m 0 05 0 30 静叶焓降 hn 动 叶焓降 hb 膨胀主要发生于喷嘴中 图 5反动级的速度三角形 相关计算 静叶出口速度 c1 h 槡 t 1 动叶出口速度 w2 h t w 槡 2 1 2 1 2 3 式中 2是动叶出汽流方向角 0 5 静叶焓降 hn 动叶焓降 hb 动 静叶中有相同程度的膨胀 由速度三角比较可以看出 冲动式汽流在动 叶中转折角较大 反动式较小 因此冲动式叶栅 内弧的压力比背弧大的多 其横向压力梯度比反 动式大 另一方面 汽流进口角小于叶形进口角 即发生正冲角时 背弧有较严重的扩压现象 加速 背弧附面层的分离 冲动式叶栅相对与反动式对 冲角的影响更敏感 反动式叶栅允许有较大的冲 角变化 图 6反动级的热力过程线 喷嘴出汽角 1的大小影响到汽轮机的做功 能力 效率及叶片高度 适当减小 1 可以使做 功能力增加 效率提高 但 1过小导致 1 2减 小 汽流在动叶栅中转折厉害 动叶损失增加 高 压段 对于冲动级一般推荐 1 11 14 对于 反动级推荐 1 14 20 低压级中蒸汽比体 积变化剧烈 为了保证通流部分平滑变化 常将 1逐级增大 动叶栅出汽角 2的选取 冲动级 2 1 3 5 反动级 2 1 3 2调节级 多数汽轮机采用改变第一级喷嘴面积的方式 调节进气量 称之为喷嘴调节 喷嘴调节汽轮机的 第一级为调节级 反动级不能采用部分进气 否 则会有较大的漏气损失 同时在部分进气下 50 的反动度不能在级内实现 调节级须承担较大的 焓降才能适应机组变工况的要求 因此反动级不 能作为调节级 只有冲动级才可以作为调节级 在部分进气下 采用喷嘴调节效率最高 机组功 率较小时 常采用复速级作为调节级 大功率机 组 常采用单列冲动级作为调节级 对于反动式 汽轮机的调节级也必须采用冲动式 其后的各级 采用反动式 3 3双流与单流 采用双流的反动式汽轮机可不设平衡活塞 4应用能源技术2011 年第 8 期 总第 164 期 降低了泄漏损失 但叶片高度短了 会增加漏气 损失 叶片摩擦损失和端部损失 总的来说 在均 采用双流结构的前提下 以反动式较有利 在相 同的级数下 单流的质量系数是双流的两倍 每级 的气动效率和漏气效率都可得到改善 但单流必 须设置平衡活塞 冲动式汽轮机由于轴向推力比 较小 平衡活塞的漏气损失较小 因此单流的经济 性收益是正的 对于双流的低压缸 由于主要采 用扭叶层 其经济性已与采用冲动式和反动式无 关 主要取决于扭叶层级的特性和品质 4冲动式与反动式汽轮机的效率比较 4 1叶栅损失 叶栅的气动特性影响到蒸汽的做功能力 对 叶栅气动特性的研究主要着力于叶栅的能量损 失 冲动式叶栅对相对节距的变化和冲角的影响 比反动式敏感 同时由于叶栅型式的影响 冲动式 汽轮机的叶栅损失比反动式大 冲动式和反动式 叶栅 均有一个最佳相对节距 一般情况下 冲动 式动叶栅的最佳节距 t op 0 55 0 72 反动式 叶栅 t op 0 65 1 0 1 叶栅汽道的形状取决 与安装角 安装角过大过小都会影响叶栅的气动 特性使叶形损失增大 对于一定的叶栅存在最佳 的安装角 一般冲动式叶栅安装角 s 65 80 反动式叶栅安装角 s 30 50 1 叶栅出口马 赫数 Ma 增大 大于临界马赫数 Macr时 叶形损失 和端部损失就会急剧增加 对不同的叶栅存在一 个使损失最小的最佳马赫数 冲动式叶栅对气流 出口马赫数的敏感性比反动式叶栅强烈 4 2级内损失 在理想情况下 汽轮机级内热能转换为机械 功的最大能量等于蒸汽在级内的理想比焓降 实 际上由于级内存在各种损失 蒸汽的理想比焓降 不能全部转换为机械功 凡是级内和流动能量转 换有直接联系的损失称为汽轮机的级内损失 主 要包括喷嘴损失 动叶损失 余速损失 叶高损失 撞击损失 扇形损失 叶轮摩擦损失 部分进气损 失 湿气损失和漏气损失 反动级的叶顶漏气多 叶高损失比较大 对于反动式级 由于没有叶轮 动叶直接安装在轮毂上 所以不存在叶轮摩擦损 失 反动级 动叶前后压差较大 为减少漏气损 失 不采用部分进汽 因此没有部分进气损失 冲 动式汽轮机的漏气损失有隔板漏气损失和叶顶漏 气损失组成 反动式主要有叶顶漏气组成 对于 反动级 由于动叶前后压差较大且采用全周进气 所以反动式叶顶漏气量比较大 同时由于反动级 内径轴封直径比冲动级的大 轴封齿数又相对少 因此反动级的叶片环气封漏气损失比冲动级的隔 板漏气损失大 4 3轮周效率 单位蒸汽流过某级时所产生的轮周功 Wu与 蒸汽在该级中的理想可用能量之比 称为该级的 轮周效率 用 u表示 即 u Wu E0 轮周效率是衡 量汽轮机级的工作经济性的一个重要指标 轮周 效率与速比有关 轮周效率与速比的关系如图 7 8 所示 4 3 1 0 的纯冲动级的轮周效率 u 2 2 x1 cos 1 x1 1 cos 2 cos 1 速度系数 和 越高 轮周效率越高 减小 1可以提高轮周效率 减小 2可以使冲动级的 轮周效率增大 s1的选定应使气流进入动叶时不 发生碰撞 速度系数较高 有余速利用时轮周效 率曲线顶部呈现较大的平坦区域 可以把最佳速 比选的小一点而不影响轮周效率 从而使级承担 的理想比焓降增大 级的做功能力增大 效率最高时速比 x1 op cos 1 2 图 7 Q 0 的纯冲动级的轮周效率 u与速比 1的关系 52011 年第 8 期 总第 164 期 应用能源技术 4 3 2 0 5 的反动级的轮周效率 u Wu E0 1 1 2 1 x1 2cos 1 x1 1 效率最高时 x1 op cos 1 图 8反动级的轮周效率 u 与速比 1和假想速比 a的关系 由此可知 反动级的轮周效率曲线在最大值 附近也存在一个平坦的区域 所以速比在一定范 围内偏离最佳值时不会引起效率的明显下降 对 于反动级即使没有喷嘴做功动叶中也有膨胀 所 以轮周效率在速比为 1 时不为 0 反动级的最佳 速比是纯冲动级的两倍 在相同圆周速度下 反动 级承担的比焓降小 做功能力也小 4 4级的效率 在考虑了级内各项损失后 用级的相对内效 率来反映级内能量转换的完善程度 级的相对内 效率 简称级的效率 i是级的有效焓降 hi与 级的理想可用能量 E0之比 即 i Hi E0 h t h 其中 h 是级内的各项损失之和 动静叶间的轴向间隙影响级的内效率 开式 轴向间隙越小效率越高 但太小 在机组启停及变 工况时由于热膨胀会发生动静叶摩擦 闭式轴向 间隙的增大一方面使喷嘴出汽边到动叶进气边间 距离增大 减少喷嘴出口尾迹的影响 从而使动叶 栅进口汽流均匀 另一方面增加了汽流与汽道上 下断面之间的摩擦 不利与级的效率 在叶顶加 装围带和径向汽封可明显地减少叶顶漏气 提高 级的效率 叶片宽度过大将增大端部损失 过小 又会增加叶型能量损失 因此在最佳宽度范围内 级的内效率最高 冲动式叶轮上开设平衡孔