电厂汽轮机原理-第二章.ppt

1,汽轮机原理SteamTurbinePrinciple北京交通大学机电学院2011年,2,第二章多级汽轮机,多级汽轮机的特点多级汽轮机热力过程汽轮机及其装置的评价指标多级汽轮机的轴向推力轴封及其系统,3,1.多级汽轮机的采用提高功率的途径：增加进汽量和总理想焓降考虑经济和安全问题，单级汽轮机有效利用很大理想焓降是不可能的解决方案：多级汽轮机。每级只利用总焓降中的一部分，都在最佳速度比附近工作，有效利用整机理想焓降，提高机组效率。,第一节多级汽轮机的特点,东方汽轮机厂N30016.7/537/5374型汽轮机总共28级：高压缸：1个单列调节级+9个冲动压力级中压缸：6个冲动压力级低压缸：26个冲动压力级,上海汽轮机厂引进型N30016.7/538/538型汽轮机由35级组成：高压缸：1个单列调节级+11个反动压力级中压缸：9个反动压力级低压缸：27个反动压力级,4,多级汽轮机的特点,单机功率大每一级都能在最佳速度比附近工作内效率高可做成多排汽口，提高新蒸汽的参数，增加总进汽量,分类：冲动式、反动式,5,多级汽轮机有冲动式和反动式两种。国产100MW、125MW、200MW汽轮机都是冲动式汽轮机；国产300MW汽轮机则是反动式汽轮机。多级汽轮机通常用喷嘴调节，控制进汽量，第一级称为调节级，其余级称为压力级。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为调节级。通流部分尺寸逐级增大，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。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。单位功率造价、材料消耗和占地面积都比单级汽轮机明显减小，机组容量越大减小越显著，大大节省了投资。,存在问题,(1)增加了一些附加损失；,(2)增加了机组的长度和质量；,(3)高中压缸前面若干级的工作温度高，对零部件的金属材料要求提高了；,(4)级数增多，零部件增多，结构复杂，制造成本高。,7,2.多级汽轮机的热力过程,8,分流低压缸转子,高压段,蒸汽特性：高压、高温，比容小，蒸汽容积流量小。,结构特点：,喷嘴出口汽流方向角l较小，以保证叶片高度。,一般情况下，冲动式汽轮机的l=1114，反动式汽轮机的l=1420。,气动特性：,各级比焓降不大，比焓降的变化也不大。,在冲动汽轮机的高压段，级的反动度一般不大。,级内损失特点：,可能存在的级内损失-轮周损失、叶高损失、扇形损失、漏汽损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失等。,高压段各级的效率相对较低。,叶高损失、漏汽损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失相对较大。,中压段,蒸汽特性：中压、高温，中比容，蒸汽容积流量中等。,结构特点：,气动特性：,级的反动度介于高压缸与低压缸之间，且逐渐增大。,级内损失特点：,中等叶高，各级叶片高度沿流动方向逐渐增大。,可能存在的级内损失-轮周损失、叶高损失、扇形损失、漏汽损失、叶轮摩擦损失等。,叶高损失较小；一般为全周进汽，没有部分进汽损失，中压级漏汽损失较小，叶轮摩擦损失也较小，也没有湿汽损失。,效率要比高压级和低压级都高。,低压段,蒸汽特性：,低压、低温，末几级处于湿汽区，比容大，蒸汽容积流量大。,结构特点：,喷嘴出口汽流方向角l大，避免叶高过大。,气动特性：,级内损失特点：,可能存在的级内损失-轮周损失、叶高损失、扇形损失、漏汽损失、叶轮摩擦损失、湿汽损失等。,余速损失大，但一般可被下级利用，叶轮摩擦损失、漏汽损失、叶高损失很小，主要是湿汽损失大。,理想比焓降较大，且相应增加较快,叶高大，末两级叶高扩张很快,级的反动度明显增大,效率介于高压级和中压级之间。,多级汽轮机各缸工作特点小结,14,进汽机构的节流过程各级实际膨胀过程排汽管道的节流过程,进汽阻力损失和排汽阻力损失,进汽阻力损失,17,通常，当阀门全开时，汽流速度为（4060）m/s：对于再热管道及再热器：对于中低压缸连通管：,损失的大小取决于,汽流速度,控制阀门与管道中蒸汽流速4060m/s,主汽门及调门的气动特性,优化阀芯型线和汽室形状，采用带扩压管的阀门。,19,排汽阻力损失阻力系数，一般取=0.050.1；排汽管中的汽流速度，对于凝汽机，取80120m/s；背压机，取4060m/s。,一般情况下：,20,第二节多级汽轮机的重热现象,一、重热现象上一级损失中的一小部分焓降可以在以后各级中得到利用多级汽轮机的重热现象。,在前一级有损失的情况下，本级进口温度升高，级的理想比焓降稍有增大，这就是重热现象。,22,二、重热系数1.重热系数,23,2.整机效率设：,24,0，整机的内效率大于各级内效率平均值。通常，重热系数=0.030.08，其大小与下列因素有关：1)和级数有关，级数多，大；2)与各级内效率有关，级内效率低，则大；3)与蒸汽状态有关，过热区大，湿汽区小。*决不能误认为越大越好。提高汽轮机效率的根本途径是提高各级的相对内效率.,25,第三节汽轮机装置的效率,一、汽轮机的相对内效率,26,二、汽轮机的内功率对于无回热加热系统的汽轮机：(kW)(kW)对于有回热加热系统的汽轮机：D、G为汽轮机各级蒸汽量，为相应的有效焓降。,27,三、汽轮机的轴端功率、电功率对于无回热加热系统的汽轮机：发电机的出线端所获得的电功率：相对电效率：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。,汽轮机的绝对内效率-全机实际比焓降与整个循环中加给1kg蒸汽的热量之比,绝对电效率:,四、循环热效率和绝对电效率,循环热效率：,只适用于本课所定义特殊机组,适用于纯凝汽机组，有回热时变为,适用于所有机组,适用于纯凝汽机组，有回热时变为,适用于所有机组,每生产1kWh电能所消耗的蒸汽量,每生产1kWh电能所消耗的热量,中间再热机组：,机组发出1kWh电量所消耗的标煤量(标准煤g/kWh）。(1kg标准煤发热量为7000kcal)。发电煤耗、供电煤耗。,五、汽耗率,六、热耗率,七、煤耗率,适用于所有机组,适用于纯凝汽机组，有回热时变为,适用于纯凝汽机组，有回热时变为,(1)相对效率是衡量某个能量转换环节设计的完善程度的指标。,(2)绝对电效率和热耗率是衡量汽轮发电机组经济性的主要指标。,(3)汽耗率由于和机组的初终参数有关，因此只能用于比较同类型同参数机组的运行管理水平。,(4)汽轮发电机组的绝对电效率和热耗率由于没有考虑锅炉效率、管道效率和厂用电等，因此高于机组电效率和热耗率。,(5)未扣除厂用电的煤耗率称为发电煤耗，扣除厂用电的称为供电煤耗，因此供电煤耗总是高于发电煤耗。,31,当前世界主要工业发达国家火力发电厂的平均热效率为(3538)%,超（超）临界机组可达42%。国产200MW汽轮发电机组的热耗率为q=8402kJ/kW.h，国产300MW汽轮发电机组的热耗率为q=7993kJ/kW.h。,32,轴向推力：蒸汽对转子施加了一个由高压端指向低压端的轴向力，使转子存在一个向低压端移动的趋势。,轴向推力由推力轴承承担。对轴向推力采取平衡措施，平衡掉部分轴向推力，减少推力轴承的设计制造难度。计算轴向推力，为推力轴承的设计提供依椐。,第四节多级汽轮机的轴向推力,压力反动度,.作用在动叶上的轴向推力,速度级：计算两列动叶受力之和部分进汽级：乘上部分进汽度e,一、冲动式汽轮机的轴向推力,在h-s图上，同一压差的等压线距离越向下越大，即焓降增大，故压力反动度小于焓降反动度，用替代计算偏于安全，故可认为正比与。,.作用在叶轮面上的轴向推力,如果叶轮两侧的轮毂直径相同，即d1=d2=d：,对部分进汽级上式应加上,叶轮反动度,通过流量平衡求得进而可确定,如果动叶根部稍有漏汽：故用代替计算所得结果将偏大，偏于安全。可近似地认为叶轮上的轴向推力也正比于。,3.作用轴凸肩上的轴向推力,二、反动式汽轮机的轴向推力,作用在叶片上的轴向推力；,作用在轮鼓锥形面上的轴向推力；,作用在转子阶梯上的轴向推力。,38,1.采用平衡孔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。2.设置平衡活塞,在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，压力降低。平衡活塞在压力差作用下，就产生了一个向左的作用力。这个力刚好与轴向推力方向相反，起到了平衡作用。,三、轴向推力的平衡,39,3.采用多缸反向布置使汽流在不同的汽缸中作反向流动,其轴向力方向相反，达到了平衡的目的。4.推力轴承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，达到机组稳定运转的目的。推力轴承所承担的轴向推力为：为了安全起见，核算推力轴承时，其安全系数应大于1.51.7。,东方汽轮机引进日本三菱技术的百万机组,41,第五节轴封及其系统,损失分类：外部损失：不直接影响蒸汽状态的损失。内部损失：直接影响蒸汽状态的损失。外部损失：机械损失外部漏汽损失,42,漏汽原因由于结构的要求，汽轮机大轴必须从汽缸内向外伸出并支持在轴承座上。这样，大轴和汽缸之间必须留有一定的间隙。汽缸的高压端，缸内蒸汽压力大于大气压力，蒸汽必然要从间隙向外泄漏。这样就减少了作功蒸汽量，降低了机组的经济性。在机组的排汽端，缸内为真空运行，蒸汽压力低于大气压力，外界的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。,第五节轴封及其系统,防止漏汽的措施：安装齿形汽封安装轴封系统,按用途分类：,隔板汽封,叶根及叶顶汽封,轴端汽封(轴封),隔板内圆处的汽封，用来阻碍蒸汽绕过喷嘴而引起能量损失并使叶轮上的轴向推力增大。,动叶栅顶部和根部处的汽封，通称通流部分汽封，用来阻碍蒸汽从动叶栅两端逸散致使做功能力降低。,转子穿过汽缸两端处的汽封，高压轴封防止蒸汽漏出汽缸，造成工质损失，恶化运行环境，并且加热轴颈或冲进轴承使润滑油质劣化；低压轴封用来防止空气漏入汽缸，破坏凝汽器正常工作。,一、汽封种类,44,装在汽轮机高压端的汽封称为前轴封，作用是为了减少高温高压蒸汽从汽缸内向外泄漏；装在汽轮机低压端的汽封称为后轴封，它的作用是为了防止外界空气漏向汽缸，保证汽缸内的真空度。对于多缸的大型汽轮机，每个缸的两端都有轴封，其作用要根据具体情况而定。,二、齿形轴封,高低齿轴封(曲径轴封)：汽轮机的高压段采用平齿轴封(光轴轴封)：低压段采用。,工作原理：,当漏汽漏过汽封时，每通过一个汽封片所形成的孔口，就产生一次节流作用，即蒸汽的压力就降低一次，每一汽室中的压力都低于前一汽室中的压力，每一汽封片前后压差之和就等于汽封前后的总压差P0Pg。由于孔口的漏汽面积是Apdp定值（dp是汽封片处轴的直径，是汽封间隙），因此在给定的总压差下，如果汽封片数越多，则每一汽封片两侧的压力差就越小，漏汽量也就越少。,芬诺曲线(等流量线),亚临界工况的漏汽量采用不可压缩流动方程，汽流通过某一片孔口的流速为,对应的流量为,由于等焓线上压力与比容之商为常数，从而求得腔室压力与前后压差的关系,漏汽量计算：,亚临界,最后一片孔口处流速未达临界速度,孔口前压力越低，压差越大，孔口中的比焓降越大。,临界,临界工况时，将最后一个孔口当作喷嘴。,因最后一片轴封孔口前均为亚临界，由前面亚临界漏汽量计算公式求得末道轴封孔口前压力,判定是否临界的准则,因而，最后一片中流速达临界时漏汽量,3.轴封孔口流量系数,由实验求取：与轴封齿的形状及几何参数有关。,(1)齿进汽侧不应作成圆弧状或斜面状，应保持齿的尖锐边缘(2)齿的尖锐边缘在运行中会因为摩擦而钝化，流量系数会增大,4光轴轴封漏汽量修正系数,与曲径轴封的区别是蒸汽进入下一孔口前还有一定的初速，故漏汽量增大，其计算结果只需在曲径轴封的计算结果上乘一修正系数，可由光轴轴封尺寸和轴封片数z查得.,5基本计算公式分析与统一,计算时必须先判别在轴封段的最末一片中是否达到临界速度。,公式缺陷：,临界点计算结果不一致；,若算平齿式光轴轴封的轴封漏汽量，则需再乘上修正系数,计算漏汽量前，不必事先判断轴封最后一片孔口处是否达到临界速度，只需根据Z与查得应用上式计算。,6计算曲径轴封的漏汽量单一表达式,轴封漏汽量比：,三、轴封系统,作用：在任何运行工况下保证蒸汽不外泄、空气不内漏，同时回收泄漏蒸汽的热能（轴封加热器）和组织汽流冷却转子的轴端。,端轴汽封和与它相连的管道和附属设备,组成：由轴封、供汽母管及均压箱、轴封调节器、轴封加热器和轴封抽汽器等组成。型式：外供汽式和自密封式,特点：轴封分成多段多室，与大气环境接近的腔室的压力由抽汽器或风机维持略低于大气压力，紧邻的腔室压力由压力调节器维持略高于大气压力，从而保证蒸汽不外泄、空气不内漏。,轴封主要由三段二室组成。高负荷运行时，低压轴封的供汽来自于高压轴封的漏汽，高压漏汽经喷水减温后进入低压轴封；启动或低负荷时，轴封汽由外部提供。优点：系统简单；缺点：不能充分冷却高、中压缸高温轴端。,外供汽式轴封系统,高、中缸高温端轴封由多(大于3）段多室组成，部分漏汽被引至低压加热器。轴封的供汽来自于辅助蒸汽系统。优点：低温辅助蒸汽对高、中压段高温轴端起到冷却作用；缺点：系统复杂。,自密封式轴封系统,自密封时汽封内蒸汽流向,轴封回汽的利用：将漏汽从轴封中间腔室引出加以利用或回收漏汽(含空气)混合物的热量以加热凝结水(多于两个腔室时)；低压低温汽源的应用：高压缸两端与主轴承靠近，为防止传出高温蒸汽使轴承超温，常向高压轴封供低压低温蒸汽(非自密封系统)；或在启动及低负荷时，向轴封供备用蒸汽(各种系统)；防止蒸汽由端轴封漏入大气：防止蒸汽漏入轴承使油质恶化、车间湿度增大及汽水损失，通常在高低压端轴封最外腔室人为地造成一个比大气压力稍低的压力，将漏出的蒸汽和漏入的空气一起抽出，经冷却后排入大气；防止空气漏入真空部分：在低压端轴封次外腔室通入比大气压力稍高的蒸汽，沿着主轴向背离汽缸方向流动，以阻止外界空气流入。,轴封系统的特点,63,作业与思考题,名词解释重热现象重热系数汽耗率热耗率汽轮机的相对内效率,64,作业与思考题,二、填空题1.汽轮机相对内效率的表达式为_。2.重热系数=_。3.汽轮发电机组电功率的表达式为_（无回热抽汽）；_（有回热抽汽）。4.汽轮发电机组的绝对电效率ael=_。5.汽耗率是指_，用_来表示，单位是_。6._称为热耗率，以_来表示，单位是_。7.多级汽轮机轴向推力的平衡方法有：_。,65,作业与思考题,三判断题1.多级汽轮机的有效焓降等于各级有效焓降之和。（）2.多级汽轮机的理想焓降等于各级理想焓降之和。（）3.汽轮机级数越多，重热所回收的热量越大，汽轮机的相对内效率就越高。（）4.湿蒸汽区的重热系数大