电厂汽轮机原理及系统ch1汽轮机级的工作过程

1,Ch1汽轮机级的工原理,2,研究内容概述,研究对象蒸汽在汽轮机级内的工作过程研究内容级内的能量转换与轮周功输出研究方法对实际系统作抽象、简化，建立理想模型，然后考虑实际因素给予工程修正。,3,1.1汽轮机级的工作工程,1.1.1级的工作过程简介1.1.2级中的热力过程线1.1.3级的流动模型和基本方程式1.1.4蒸汽在喷嘴中的流动1.1.5蒸汽在动叶中的流动,4,1.1.1级的工作过程简介,汽轮机的级由一列喷嘴叶栅和与之配合工作的动叶栅所组成的工作单元。动叶栅可为单列，也可为多列。工作过程蒸汽在喷嘴(nozzle)中降压增速，热能转变为汽流的动能；在动叶(blade)中继续降压增速，并通过动量改变转换成转子的旋转机械能。轮周功单位质量蒸汽在单位时间内所做的功。,5,1.1.2级的热力过程线,热力过程线蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-s图上的表示滞止参数汽流相对于叶栅通道速度为零的热力参数余速损失动叶排汽余速动能,6,1.1.3级的流动模型和基本方程式,分析、计算方法热力学第一定律，先计算理想过程，后作实际修正。分析模型一元流动平面叶栅模型基本假设定常、绝热、理想气体、一元流动。基本方程连续方程能量方程理想气体状态方程绝热等熵过程,7,1.1.4蒸汽在喷嘴中的流动,1.1.4.1喷嘴出口流速的计算理想过程中喷嘴出口流速的计算实际过程中喷嘴出口流速、速度系数1.1.4.2流动临界、临界压比1.1.4.3通过喷嘴的流量计算理想流量、实际流量、临界流量、彭台门系数1.1.4.4蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀,8,1.1.4.1喷嘴出口流速的计算,理想过程的喷嘴出口流速能量平衡喷嘴出口理想流速理想流速计算方法由查水蒸汽特性参数，由此求得出口理想速度由代入焓的表达式，得以初参数及压比为函数的出口理想流速：,9,1.1.4.1喷嘴出口流速的计算,实际过程的喷嘴出口流速有损失的熵增。工程中用速度系数修正实际流速与等熵理想流速的偏差。喷嘴速度系数喷嘴损失喷嘴能量损失系数速度系数的影响因素喷嘴高度随高度增加而增加，当ln100mm后基本不变表面粗糙度表面越光洁，摩擦损失就越小型线决定着流通内压力场、速度场分布常用数值一般为0.920.98，常取0.97,10,1.1.4.2流动临界和临界压比,流动临界压力波在蒸汽中以音速传播，当渐缩喷嘴出口汽流速度达到当地音速时，背压的扰动无法向前传播，故最大出口流速仅为当地音速。音速计算公式临界压比将喉部截面达到音速时为临界状态。对应流道的进、出口压力比称为临界压比(Criticalpressureratio)。绝热等熵临界压比为过热蒸汽饱和蒸汽临界速度仅与进口的初参数有关,11,1.1.4.3通过喷嘴的流量计算,流量计算方法理想流量加实际修正理想流量计算对出口面积为An的喷嘴，其理想质量流量为流量系数与实际流量流量系数公式流量系数与速度系数理论上，因，故。实际中，分别由动能损失与流动试验求取，前者是流场速度分布的均方平均，后者是流场速度分布的算术平均，通常实测流量系数大于速度系数。为简化计算，速度系数和流量系数可取同值。,12,1.1.4.3通过喷嘴的流量计算,湿蒸汽的流量系数大于1湿蒸汽在降压膨胀过程中部分蒸汽释放汽化潜热凝结为水、湿度增大，但因流速很快、传热速度相对滞后，汽化潜热来不及传给蒸汽，使蒸汽产生过冷，比容减小，从而导致实际流量大于理想流量的局面。在湿蒸汽区，流量系数通常按计算，也可取值1.02进行计算。临界流量当喉部达到临界时，蒸汽参数也不再改变，汽流速度不再增加，其流量达到最大，故也称为“最大流量”。计算公式最大流量仅与初参数有关。实际最大流量为理想最大流量乘流量系数，即,G=Ac/v,13,1.1.4.3通过喷嘴的流量计算,流量比系数又称彭台门系数，通过流道的流量与其最大流量的比，用表示。流量计算方法先由初参数求得最大流量，然后由前后压比计算彭台门系数，最后重要提醒：因存在着临界和最大流量，计算流量时必须先计算压比，并判定是否临界！,14,1.1.4.4蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀,斜切部分膨胀当背压低于临界压力时，A点的压力扰动以音速向BC边传播，其前锋到达D点，形成压力为背压的等压线AD。蒸汽在AB与AD间压差作用下在ABD所构的渐扩流道中偏转继续膨胀增速，使之达到超音速。,15,1.1.4.4蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀,汽流偏转角斜切部分膨胀使蒸汽比容增大，汽流只有改变流动方向才可增大通流面积维持正常流动等熵流动条件下的计算公式（贝尔公式）：通过进一步推导可得到如下公式：,16,1.1.4.4蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀,极限膨胀当特性线的前锋与AC重合时，斜切部分的压力分布再也不受喷嘴后压力进一步降低的影响，即斜切部分的膨胀能力全部用完。对应压力称为极限膨胀压力，对应的压比称为极限膨胀压比。极限膨胀压比和极限膨胀压力公式斜切部分膨胀的大小决定于，故极限膨胀也决定于，马赫角为：马赫角与马赫数的关系为：利用贝尔公式，进一步推导可得：,17,1.1.5蒸汽在动叶中的流动,1.1.5.1动叶进出口速度三角形1.1.5.2蒸汽动叶中的膨胀与级的分类1.1.5.3蒸汽对动叶的轮周功率,18,1.1.5.1动叶进出口速度三角形,速度三角形与动叶进口流速动叶随转子高速旋转，故汽流在动叶中是具有牵连运动的相对流动。轮周速度动叶平均直径dm处的圆周速度动叶入口速度公式动叶出口速度公式,19,1.1.5.1动叶进出口速度三角形,动叶进、出口速度三角形几何解析法公式,20,1.1.5.1动叶进出口速度三角形,动叶中膨胀与动叶出口流速理想过程为等熵过程，相对坐标系中有能量平衡：动叶出口理想流速动叶进口滞止焓相对于动叶通道速度为零的热力参数实际过程有损失的熵增，定义动叶速度系数：动叶中的能量损失可以表示为：,21,1.1.5.2蒸汽动叶中的膨胀与级的分类,蒸汽在动叶中的膨胀蒸汽在动叶中是否膨胀，决定于动叶通道的型线，这也就决定着汽流对动叶片是否产生反动功。反动度描述蒸汽在动叶中膨胀的相对大小。在计算中，反动度建立起喷嘴与动叶理想间焓降的关系。定义：动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比，即：级的分类纯冲动动叶中不膨胀反动级喷嘴、动叶中焓降相等冲动级动叶中膨胀小于喷嘴,22,动、静叶型线差异大汽流进、出转角大,纯冲动级,23,动、静叶型线相似汽流进、出转角小,纯反动级,24,1.1.5.3蒸汽对动叶的轮周功率,动量转换与动叶上的汽流力原理汽流在动叶中动量改变，等于作用在动叶上的冲量，产生机械功输出。汽流力动叶上的汽流力分为产生旋转机械功的切向力(又称轮周力)和不产生机械功的轴向力。设内流过动叶的蒸汽量为，由速度三角形得切向和轴向的动量变化：绝对坐标系：切向轴向相对坐标系：切向轴向切向力轴向力,25,1.1.5.3蒸汽对动叶的轮周功率,动叶上总轴向力汽流轴向力与压差力的总和Az为动叶有效作用面积轮周功率Pu蒸汽单位时间推动叶轮旋转所作的机械功，即轮周力与速度的乘积：轮周功率与轮周功关系Pu1决定于膨胀，Pu决定于流量利用余弦定理，Pu1：余速损失：轮周的有效比焓降,26,叶栅学习小结,对蒸汽在喷嘴和动叶中流动的分析对整个汽轮机原理的学习来说，是最基本同时又是最重要的，必须深刻理解其热力过程，牢固掌握各个计算关系式及其物理意义。,27,例：汽轮机某级。喷嘴为渐缩型，其出口面积。试计算：（1）通过喷嘴的实际流量(取流量系数0.97)；（2）当时，通过喷嘴的流量又为多少？（3）如果喷嘴入口，则在（2）条件下喷嘴的流量？,28,解（1）由初终参数查蒸汽特性参数得，级理想焓降：喷嘴理想焓降：喷嘴出口理想焓值：查得喷嘴出口压力：喷嘴最大理想流量：喷嘴的压比：流量比系数：通过喷嘴的实际流量：（2）改变背压后，,29,级理想焓降：喷嘴理想焓降：喷嘴理想出口焓：喷嘴后压力：喷嘴压比：喷嘴为超临界，此时流量为最大值，即（3）喷嘴进口动能：进口滞止焓：查得理想最大流量：由于是超临界流动，计及进口流速后通过喷嘴的流量为：,30,当初参数一定时，逐渐降低背压，出口汽流速度和流量增大。在背压降至临界压力时，其后流量不再增大，但出口汽流角偏转而增大；在背压降至极限膨胀压力时，出口汽流速度和出口汽流角不再增大。在流量和出口汽流角计算时，特别要注意判别是否达到临界。,31,例：一电站汽轮机中某级，反动度为零，平均直径为1500mm，喷嘴进口蒸汽，喷嘴后，速度系数。求（1）该级的速度三角形；（2）喷嘴损失、动叶损失、余速损失和轮周功。解：1.求滞止参数由初压、初温，在h-s图确定喷嘴进口状态点“0”，得初焓喷嘴进口动能：喷嘴进口处滞止焓：,32,在h-s图上，由“0”垂直向上求得2.求喷嘴出口汽流速度在h-s图上“0”等熵向下至得喷嘴后理想焓值则喷嘴中理想焓降喷嘴出口理想速度喷嘴出口实际速度喷嘴损失3.求动叶进口相对速度轮周速度动叶进口相对速度4.求动叶出口速度,33,因级反动度为零，动叶出口相对速度动叶损失动叶出口绝对速度4.级速度三角形5.轮周功,34,Ch1汽轮机级的工原理,1.2级的轮周效率与最佳速度比,35,1.2.1级的轮周效率,能量转换目标本级可用能量最大地转变为轮周功输出。因本级排汽的余速动能有可能部分或全部被下级利用，本级可用能量应是级理想滞止焓降中扣除余速动能被下级所利用的部分余速利用系数定义：本级余速动能被下级所利用的份额调节级和排汽级为0.0；抽汽级为0.00.5；中间级为1.0。级理想能量级理想滞止焓降减去被下级所利用的余速动能，即：,36,1.2.1级的轮周效率,轮周效率轮周功与该级理想能量的比喷嘴损失系数：动叶损失系数：余速损失系数：,37,轮周效率影响因素喷嘴、动叶损失速度系数余速损失余速损失反动度、轮周速度反动度一定时，动叶出口相对和绝对速度很大程度上决定于轮周速度，并由此决定轮周效率,1.2.1级的轮周效率,38,如右图所示：余速损失最小，轮周效率最大,1.2.1级的轮周效率,39,1.2.2级的轮周效率与最佳速度比,最佳速比速比轮周速度与喷嘴出口汽流速度之比，即最佳速比使轮周效率达到最大时所对应的速比假想速度假想级理想焓降全部在喷嘴中膨胀的喷嘴出口速度，即假想速比轮周速度与级假想速度之比，即,40,1.2.2级的轮周效率与最佳速度比,（1）冲动级的最佳速度比假想速比,41,1.2.2级的轮周效率与最佳速度比,（2）反动级的最佳速度比则由可得：,42,1.2.2级的轮周效率与最佳速度比,（3）速度级（复速级）的最佳速度比为便于分析，对速度级做如下假设：1）蒸汽只在喷嘴中膨胀2）在级中没有能量损失3）各个进出口角度相等复速级的轮周功率：,43,1.2.2级的轮周效率与最佳速度比,（3）速度级（复速级）的最佳速度比经过同样的分析可以得到：最佳假想速度比为复速级的热力过程线蒸汽流经：喷嘴、第列动叶、导叶、第列动叶热力过程线及相关公式：pp27,44,1.2.2级的轮周效率与最佳速度比,余速不用时反动度与最佳速比及汽流角关系,45,最佳速比随反动度增大而增大，冲动级的最佳速比小于反动级最佳速比时，动叶中汽流转角随反动度增大而减小最佳速比时，动叶绝对出口角在90度附近随反动度增大而减小在相同轮周速度下，纯冲动级的理想焓降约为反动级的1.68倍,1.2.2级的轮周效率与最佳速度比,46,1.2.2级的轮周效率与最佳速度比,余速利用时反动度与最佳速比及汽流角关系,47,1.2.2级的轮周效率与最佳速度比,余速利用，提高了轮周效率，且曲线平坦课本：图1-23最佳速比增大，增幅随反动度增大而减小低反动度时，最佳速比对应的动叶排汽角过大，余速不利于被后级使用,48,1.1-1.2小结,基本概念轮周效率、理想能量、喷嘴损失系数、动叶损失系数、余速损失系数、速比、假想速比、最佳速比流量系数、临界压比、最大流量、流量比系数(即彭台门系数)基本公式理想能量、轮周效率、流量公式、最大流量强化掌握流量计算、最佳速比的影响因素、反动与冲动级的最佳速比基于问题的学习1.已知级初参数p0、t0、c0终参数p2，如何计算通过喷嘴或动叶的蒸汽量。2.基于速度三角形和喷嘴、动叶及余速损失的关系，分析速比是影响轮周效率的重要因素和存在着使轮周效率达到最大的速比。3.对比分析冲动级和反动级在轮周效率与速比变化关系和最佳速比的特征。,49,Ch1汽轮机级的工原理,1.3叶栅几何参数设计通流部分主要尺寸的确定,50,1.3叶栅几何参数设计,几个主要参数的选择叶栅出口汽流角和的选择根据叶栅型线部分进汽度：工作喷嘴所占的圆周长度与全圆周长度之比，即盖度：动叶与喷嘴的高度差，包括叶顶盖度和叶根盖度。,51,1.3叶栅几何参数设计,喷嘴主要尺寸的确定ncrncr缩放喷嘴,52,1.3叶栅几何参数设计,喷嘴主要尺寸的确定最小喷嘴高度叶高过小，叶顶和叶根的边界层和漏汽影响很大，效率很低，通常要求喷嘴高度不小于1115mm。增大叶高措施减小喷嘴出口角、降低喷嘴出口速度和采用部分进汽。动叶尺寸设计渐缩、多半为亚临界流动,53,1.3叶栅几何参数设计,反动度的实现原理膨胀的大小决定于流道的形状，面积缩小、膨胀增大。动、静叶出口面积比是实现反动度的主要因素。冲动级喷嘴、动叶出口参数相近，因故面积比与反动度,54,1.3叶栅几何参数设计,冲动级的反动度确定反动度沿叶高的变化动、静叶间隙中汽流切向运动产生的离心力，使叶顶处的静压力高于叶根处，反动度沿叶高增大。近似地db为动叶平均直径；h为自叶根的高度。冲动级叶根处反动度数值：0.030.05；叶根处处于微漏汽状态，防止隔板漏汽干扰动叶进口的主流场冲动级的平均反动度随叶高增大而增大,55,动、静叶栅几何参数,平均直径，叶片高度l，叶栅节距t，叶栅宽度B，叶栅通道进口宽度a,出口宽度a1和a2，叶型弦长b和出口边厚度，出口汽流一般地，在1117；在2030；通常设计情况下，比略大24。在非设计工况下，和将随工况而变。动静叶面积比直叶片：1.851.65扭叶片：1.71.4复速级：1:(1.61.45):(2.62.35):(43.2),56,Ch1汽轮机级的工原理,1.4汽轮机级内损失和级效率,57,1.4.1汽轮机级内损失,级内损失概述总损失平面叶栅损失非平面叶栅损失平面叶栅损失叶型损失和余速损失非平面叶栅损失叶高损失叶根、叶顶端部边界扇形损失叶根、叶顶不同径叶轮摩擦损失叶轮高速旋转摩擦耗功部分进汽损失喷嘴不均匀进汽产生损失漏汽损失静叶(或隔板）、动叶端部间隙蒸汽泄漏湿汽损失湿蒸汽区水滴产生的损失撞击损失进口汽流角偏离几何进口角,58,1.4.1汽轮机级内损失,叶高损失端面摩擦损失和二次流损失端面损失相关因素：端面粗糙度与叶片高度二次流蒸汽在叶片通道内弯曲流动产生的离心力，形成内弧指向背弧压力场，内弧压力高于两端部，在此压差驱动下形成内弧中部向两端部流动。,59,1.4.1汽轮机级内损失,扇形损失沿叶高轮周速度不一致产生偏离最佳速比影响因素及大小径高比，很小叶轮摩擦损失叶轮高速旋转带动蒸汽流动，在其两侧腔室形成涡流产生损失影响因素及大小叶轮面积和转速的三次方，很小部分进汽损失鼓风与斥汽损失鼓风损失喷嘴非工作弧段，动叶鼓风产生的能耗斥汽损失进入喷嘴工作弧段，排斥动叶内停滞蒸汽的能耗,60,1.4.1汽轮机级内损失,漏汽损失动、静间隙的前、后压差造成蒸汽泄漏泄漏点隔板与转子、静叶与动叶根部、动叶顶部损失及大小作功介质减少和扰乱流场，约占总损失的30%措施减小间隙，研发新型汽封，如可调汽封、刷型汽封、叶片型柔性接触式等,61,62,1.4.1汽轮机级内损失,湿汽损失湿蒸汽中的水滴运动产生的损失湿汽级火电机组排汽湿度随主蒸汽压力升高而增大，末级或末二级为湿汽级；核电机组为湿蒸汽汽轮机，高压和低压末数级为湿汽级。湿汽损失剥离水膜和加速水滴；水滴撞击叶片产生制动；水滴破