汽轮机原理(第一章)ppt课件

精选,第一章汽轮机级的工作原理,第一节汽轮机级的概述级的概念：由一列喷嘴叶栅和紧邻其后的一列动叶栅所组成的热能到机械能转换的基本单元。多级汽轮机是由在同一轴上的若干个级串联组合而成。,精选,国产600MW汽轮机,精选,汽轮机隔板结构,精选,600MW汽轮机下汽缸隔板,精选,蒸汽的热能动能机械能电能（锅炉）（喷嘴）（动叶）（发电机）喷嘴是静止的部分：作用是将蒸汽的热能转变成蒸汽的动能。动叶栅是运动部分：作用是将蒸汽的动能转变成轴旋转的机械能。机械能主要利用蒸汽通过动叶栅时，发生动量变化对该叶栅产生冲力，使动叶栅转动而获得。,精选,一、蒸汽的冲动原理和反动原理,精选,冲动力：当蒸汽在动叶栅汽道内不膨胀加速而只随汽道形状改变流动方向，汽流改变流动方向对汽道所产生的离心力。反动力：当蒸汽在动叶栅汽道内随汽道形状改变流动方向的同时继续膨胀加速，即汽流不仅改变方向而且因膨胀使其速度也有较大的增加，则加速的汽流出汽道时对动叶栅将施加一个与汽流流出方向相反的反作用力。,精选,二、级的反动度,蒸汽的滞止状态和滞止参数滞止状态：汽流被等熵滞止到初速为零的状态。滞止参数：滞止状态下所对应的参数。如图12所示。,图12级的热力过程线,精选,式中m级的平均反动度，“m”指平均直径处；hb蒸汽在动叶中的理想焓降；h*t蒸汽在级中的滞止理想焓降。,级的反动度的定义体现蒸汽在动叶中膨胀程度大小的量，定义为：蒸汽在动叶中的理想焓降与级的滞止理想焓降之比，即,精选,三、级的类型,（一）按反动度分1.纯冲动级m0的级，hb0,h*n=h*t，做功能力较大，但效率较低，如图13所示。2.冲动级（带反动度的冲动级）m0.050.20的级，hb0,但hbhn，做功能力和效率介于纯冲动级和反动级之间。,精选,图13纯冲动级中蒸汽压力和速度的变化示意,图14反动动级中蒸汽压力和速度的变化示意,精选,（二）按能量转换过程分1.速度级以利用蒸汽流速为主的级，有双列和多列之分。双列速度级又称复速级，如图15所示。,3.反动级m0.5的级，hbhn，动、静叶型相同，做功能力较小，但效率高，如图14所示。,精选,复速级是由一列喷嘴叶栅和装在同一叶轮上的两列动叶栅以及第一列动叶栅后的固定不动的导向叶栅所组成。蒸汽在喷嘴中膨胀，在第一列动叶栅中作一部分功，在固定的导向叶栅中改变蒸汽流动方向，在第二列动叶栅内继续作功。复速级做功能力比单列冲动级大，但效率低。,2.压力级以利用级组中合理分配的压力降（焓降）为主的级，又称单列级。做功能力较小，但效率高。,精选,（三）按负荷变化时通流面积是否改变分1.调节级喷嘴调节的汽轮机的第一级，负荷变化时，其通流面积是改变的。调节级可以是复速级，也可以是单列级。通常中、小型机组采用复速级为调节级，大机组采用单列级作调节级。2.非调节级负荷改变时，级的通流面积不变。,精选,四、级的工作过程的研究方法,（一）基本假设（1）一元流动，也称轴对称流动。（2）定常流动，也称稳定流动。（3）绝热流动。,精选,（二）基本方程1.连续方程,式中G蒸汽质量流量；A汽道内任一横截面积；c垂直于截面A的蒸汽流速；截面A上的蒸汽密度。微分形式程,精选,2.动量方程,式中R作用在单位质量汽流上的摩擦阻力，若流动是无损失的等熵流动，则R0,于是,精选,3.能量方程,式中h0、h1蒸汽进入和流出系统的比焓值；c0、c1蒸汽进入和流出系统的速度；q1kg蒸汽通过系统时从外界吸入的热量；w1kg蒸汽通过系统时对外界所做的机械功。,上式对有损失的流动和无损失的流动均适用。,精选,4.状态方程,式中p气体绝对压力；气体密度；R通用气体常数，R=461.76J/（kg.K)；T热力学温标。,（1）理想气体状态方程,（2）蒸汽等熵膨胀过程方程,精选,式中k等熵指数，对于蒸汽而言：过热蒸汽k=1.3；湿蒸汽k=1.035+0.1x(x为膨胀过程初态的蒸汽干度）。,对绝热有损失过程,式中n多变过程指数。,精选,一、蒸汽在喷嘴中的流动,（一）喷嘴出口汽流的计算,第二节汽轮机级的工作过程,图16蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,精选,1.喷嘴出口汽流理想速度,在上图中的0点和1t点应用能量方程得,因为蒸汽在喷嘴流动过程中，q=0,w=O.,上式通常用于实际计算。,精选,此公式常用于理论分析。,另外，若将蒸汽看作理想气体，则有,精选,2.喷嘴出口汽流实际速度,引入喷嘴速度系数，则,精选,图17喷嘴速度系数随叶高的变化曲线，上面一条线代表喷嘴宽度Bn=55mm,下面一条线代表喷嘴宽度Bn=80mm。,精选,（）临界条件。在喷嘴中，当蒸汽作等比熵膨胀到某一状态时，汽流速度就和当地音速相等，即c1t=a，则称这时蒸汽达到临界状态，此时马赫数Ma=c1ta=1，这一条件称为临界条件。临界条件下的所有参数均称为临界参数。,.,.喷嘴损失,.喷嘴中的临界条件和临界状态,精选,（）临界压力比。,精选,（二）喷嘴流量的计算,1.喷嘴理想流量,可导出,精选,分析：,如图8所示，曲线BO不符合实际，实际流量曲线应为ABC.,图8渐缩喷嘴的流量曲线,精选,对过热蒸汽，,2.喷嘴实际流量,分析：,对饱和蒸汽，,式中n流量系数，可查图9。,精选,图9喷嘴和动叶的流量系数,精选,实际临界流量：,不论是过热蒸汽，还是饱和蒸汽，考虑流量系数后，均有：,可见，通过喷嘴的最大蒸汽流量(即临界流量)，在喷嘴出口面积和蒸汽性质确定后，只与蒸汽的初参数有关；只要蒸汽初参数已知，通过喷嘴的临界蒸汽流量即为确定值。,精选,3.彭台门系数,当喷嘴进出口压力比n=p1p0处于某个数值时，其相应的流量G与同一初状态下的临界流量Gcr之比值称为流量比，用表示，也称为彭台门系数，即,精选,从上式可知，的大小与喷嘴的压力比n和蒸汽的绝热指数k有关。如果蒸汽的进口状态已知，那么，在亚临界压力的情况下，只是喷嘴出口压力p1的单值函数；而在临界压力和超临界压力的情况下，达最大值(=1)，并不再随出口压力p1的变化而变化。对于过热蒸汽，在不同压力比n下的值，可由图1-10查得。,引入彭台门系数的目的：只要知道的值，就不必判断蒸汽的流动状态，即可计算流量。,精选,图10渐缩喷嘴的曲线(k=1.3),精选,由渐缩部分加上斜切部分（ABC)组成，如图1所示。,.渐缩斜切喷嘴的组成,（三）蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀,图11带有斜切部分的渐缩喷嘴,精选,保证汽流顺利地进入动叶做功，并获超音速汽流。,（）当喷嘴出口断面上的压力比大于或等于临界压力比时，即,时，蒸汽仅在渐缩部分膨胀，,.斜切部分的作用,.斜切部分的膨胀特点,在斜切部分不膨胀，斜切部分仅起导流作用，此时,。,（）当喷嘴出口断面上的压力小于临界压力比时，即,时，蒸汽不仅在渐缩部分膨胀，在斜切,也膨胀。蒸汽在渐缩部分达临界，在斜切部分继续膨胀，,精选,出口获超音速汽流，且出口汽流方向发生偏转，,此时,如图2所示。,，,精选,首先判断蒸汽的流动状态，只有超临界时才计算偏转角。,.汽流偏转角的计算,精选,要计算蒸汽的作用力和所做的功，必须要知道动叶进出口汽流速度的大小和方向。,1.动叶进口速度三角形,任务：已知或间接已知,二、蒸汽在动叶栅中的流动和能量转换过程,（一）动叶进出口速度三角形,对现代汽轮机的级,圆周速度,式中n转速，r/min；dm级的平均直径。,如图3所示。,精选,c,汽流绝对参数；w,汽流相对参数。,图13动叶栅进出口速度三角形,图14动叶栅进出口速度三角形,精选,由余弦定理得,.动叶出口速度三角形,如图3所示。,任务：已知或间接已知,精选,对冲动级,对反动级,由余弦定理得,为了便于分析问题，常将动叶进出口速度三角形画在同一个顶点上，如图4所示。,精选,蒸汽在动叶中的膨胀过程如图5所示。,图5蒸汽在动叶栅中的热力过程,在理想情况下，蒸汽从动叶进口状态(即喷嘴出口状态)p1、h1，等熵膨胀至动叶出口压力p2。由于在流动过程中存在能量损失，因此，蒸汽在动叶通道中实际的膨胀过程是按熵增曲线进行的。与喷嘴相似，此时动叶栅出口汽流的理想相对速度为,（二）蒸汽在动叶中的膨胀,1.动叶出口汽流理想速度,精选,式中动叶速度系数，与动叶高度、反动度、叶型、动叶表面粗糙度等因素有关，特别与叶高和反动度关系更为密切。一般.850.95。,.动叶出口汽流实际速度,实际应用中，可查图6。,图6动叶速度系数与m和w2t的关系曲线,精选,.动叶损失,如图5所示。,（）纯冲动级,.动叶进出口速度w1、w2大小比较,精选,（）冲动级,（）反动级,（因为反动度已很大）,（三）蒸汽作用在动叶上的力和轮周功率,.蒸汽作用在动叶上的力,精选,总的推导思路：先根据动量定理求出动叶对蒸汽的作用力，再根据作用力与反作用力原理求出蒸汽对动叶的作用力。列动量方程时，要注意方向问题。,图17蒸汽通过动叶栅的汽流,精选,（）周向力（也叫切向力，或轮周力）,相对参数的形式更常用。如何得到？,（）轴向力,（3）合力,精选,。,上式中G=kg/s时，称为级的做功能力，即,.轮周功率,分析：冲动级，,值较小（因动叶进出口转折,较大），所以级的做功能力较大。,精选,（）余速损失,蒸汽在动叶中做功以后，以一定的速度c2流出，则,对反动级，,值较大（因动叶进出口转折,较小），所以级的做功能力较小。,.余速损失及余速利用系数,余速损失为,（）余速损失利用系数,精选,多级汽轮机中，上级的余速可以被下级部分或全部利用，因而引入余速利用系数，。,为了分析问题方便，常将分为和；表示本级利用上级余速动能份额；表示下级利用本级余速动能份额。,.级的热力过程线,精选,级的热力过程线如图8所示。,由图8可看出，实际热力过程线为，级的轮周有效焓降为,精选,精选,一、级的轮周效率,.定义式,单位蒸汽量流过某级时所产生的轮周功Pu1与蒸汽在该级中所具有的理想能量E0之比，即,式中E0蒸汽在该级具有的理想能量。,第三节级的轮周效率与最佳速度比,精选,.具体表达式,（）汽流参数形式,式中,（将整级看作一个当量喷嘴。）,（）能量平衡形式,精选,或,式中,分别为喷嘴损失系数、动叶损失系数和余速损失系数。,分析：,提高轮周效率的途径为降低各项损失或提高余速利用系数。,说明：,（）汽流参数形式，一般用于分析轮周效率与速度比的关系。,（）能量平衡形式，用于分析各种损失所占的比例较为方便。,（）热力计算中两个公式均可采用。,精选,二、级的速度比与最佳速度比,.级的速度比,如前所述，影响轮周效率的因素主要有三项损失。而在喷嘴和动叶选型后，喷嘴和动叶速度系数就基本确定了。所以影响轮周效率的主要因素是余速损失，也即c2的大小。而c2的大小，直接与u/c1的比值有关。,速度比：级的圆周速度u与喷嘴出口速度c1或与级的假想出口速度ca的比值,即,精选,如图9所示，即对应余速损失最小的速度比。,.级的最佳速度比,对应轮周效率最高点的速度比。,精选,三、级的轮周效率与最佳速度比的关系,.纯冲动级（m=0),(1)不考虑余速利用（=0),定性分析,图20不同速度比下，纯冲动级的速度三角形,精选,图20中，哪个位置c2最小？,(b)图中c2最小，因而对应的轮周效率最高，此位置所对应的速度比即为最佳速度比。,由图（b）可看出，,精选,结论：对应,（轴向排汽）时，余速损失最小，,轮周效率最高，此时的速度比即为最佳比。,定量分析,对纯冲动级，,则，,精选,分析：,对上式求偏导，并令其等于零，得,如图9所示。,精选,对纯冲动级，m=0，所以,x1与xa的关系推导：,精选,（）考虑余速利用,。,在前面讨论轮周效率与速度比的关系时，是假定级的余速全部损失掉，即是在=0的条件下求得的。实际上，在汽轮机的很多级中，一级的余速经常全部或部分被下一级所利用。在此条件下，级的轮周效率与速度比的关系将有所改变。如图21所示。,精选,结论：,余速利用使最佳速度比增大；,余速利用使轮周效率提高；,余速利用使轮周效率最高点出现平坦区（优点：变工况时效率高）,.反动级,（）特点,喷嘴与动叶的叶型相同，动叶进出口速度三角形对称全等，且。,如图2所示。,图1-2反动级的叶栅汽道与速度三角形(a)叶栅汽道；(b)速度三角形,精选,轴向排汽时,（）定性分析,图123反动级最佳速度比下的速度三角形,如图3所示，,精选,（）定量分析,在速度系数,不变的情况下，为求,只需求,的极值即可。,精选,为此令,反动级轮周效率和速度比之间的关系曲线，如图4所示。,图4反动级轮周效率与速比x1和xa的关系,反动级效率曲线最高点附近有一个较大的平坦区，所以变工况时效率高（为什么？）,精选,.冲动级,由于冲动级具有一定的反动度，,所以最佳速度比应介于纯冲动级与反动级之间，即,介于,之间。,经验公式：,结论：,最佳速度比随反动度的增大而增大。,精选,.复速级,（）复速级的结构,由一列喷嘴、两列动叶、一列导叶组成，如图5所示。,图5复速级的通流部分结构和速度三角形,（）采用复速级的目的,做功能力大，可简化汽轮机结构，减小级数。,可节约贵重金属。,缺点：效率低。,精选,（）最佳速度比,可导出：,精选,精选,第四节级通流部分主要尺寸的确定,一、叶栅的型式及几何参数,.叶栅的型式,分环型叶栅和直列叶栅两类。汽轮机级中的采用的叶栅均为环型叶栅。,.叶栅的几何参数,如图6所示。,B叶片宽度；b叶片弦长；t叶片节距。,精选,叶型几何进口角前缘点切线与叶栅前额线之间的夹角。,叶型几何出口角后缘点切线与叶栅后额线之间的夹角。,安装角叶栅额线与弦线之间的夹角。,冲角叶栅几何进口角与汽流进口角差。,图6叶栅参数：（a）喷嘴叶栅；（b）动叶栅,精选,.部分进汽度,（）定义,工作喷嘴所占的弧段长度与整个圆周长之比。即,分析：e1,部分进汽；e1,全周进汽。,图7喷嘴在圆周上的分布,精选,（2）部分进汽的目的,减小叶高损失。,如图所示，当喷嘴高度,喷嘴速度系数,急骤下降，当选取部分进汽时，,就可以增大。,.盖度,（）定义,动叶进口高度与喷嘴高度之差。即,如图8所示。,图8级通流部分示意图,精选,（）作用,使汽流顺利进入动叶做功，减少叶顶漏汽损失。防止汽流与动叶顶部和根部发生碰撞。,二、喷嘴和动叶主要尺寸的确定,.渐缩喷嘴,对于渐缩喷嘴，出口截面就是指最小截面，出口高度就是指最小截面高度；而渐缩斜切喷嘴的高度一般可认为和最小截面处相同。,（）喷嘴流动为亚临界或临界,此时，,，斜切部分不膨胀，其出口面积为,精选,如图9所示，又有,喷嘴出口高度,图9喷嘴汽道示意图,精选,（）喷嘴流动为超临界,此时，,，喷嘴喉部为临界状态，超音速,发生在斜切部分，出口汽流方向发生偏转，应计算偏转角。,此时喷嘴喉部截面积和喷嘴高度可分别按下式计算,精选,三、冲动级内反动度的选择,反动度是汽轮机级的一个主要参数，对汽轮机的级效率有很大的影响。一般先选定根部反动度r，然后计算出平均反动度m和叶顶反动度t。,.根部反动度较大时,产生根部漏汽损失，如图30（a）所示。,精选,2.根部反动度很小或为负值时,产生根部吸汽损失，如图30（b）所示。,3.根部反动度r=0.030.05时,能使根部既不吸汽也不漏汽，效率高，如图30（c）所示。,精选,第五节汽轮机级内损失及级效率,一、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焓降。实际上由于级内存在着各种各样的损失，蒸汽的理想焓降不可能全部转变为机械功。凡是级内与流动时能量转换有直接联系的损失，称之为汽轮机级的内部损失。否则，则称为汽轮机的外部损失。,汽轮机级的内部损失除了喷嘴损失、动叶损失、余速损失外，还有其他一些损失。在下面的讨论中，将着重说明这些损失的成因和影响其大小的因素、计算方法，以及减小损失的措施。,精选,.喷嘴损失、动叶损失、余速损失,见前面相关章节的叙述内容,.叶高损失,也称端部损失，本质上仍是喷嘴和动叶的流动损失，只不过工程上为了方便，将叶高影响此项损失单独计算而已。如图131所示。,（）叶高损失产生的原因,上、下端面的摩擦损失；上、下端面的汽流产生横向流动，产生二次流损失。汽流产生横向流动的原因：内弧压力大于背弧压力。,精选,图31叶栅汽道内二次流示意图(a)双涡流示意图；(b)附面层和压力分布示意图1内弧；2背弧；3压力图；4附面层增厚区；5双涡流动,精选,只有上、下两端面的汽流产生横向流动，中间汽流是不产生横向流动的。（为什么？）,（）叶高损失的计算,精选,（）减小叶高损失的方法,调节级采取部分进汽方式，保证叶片高度大于mm;强度允许的条件下，尽量采用窄型叶片。,.扇形损失,（）扇形损失产生的原因,叶栅沿叶高各断面的节距、圆周速度和进汽角均偏离平均直径处的设计值；如图32所示。,等截面级的轴向间隙中产生径向流动。,何谓等截面叶片和变截面叶片？,精选,（）扇形损失的计算,图32叶栅示意图(a)环形叶栅；(b)直列叶栅,精选,（）减小扇形损失的方法,当径高比时，采用变截面的扭叶片。,分析：越大，叶片越短；越小，叶片越长。,.叶轮摩擦损失,（）叶轮摩擦损失产生的原因,如图33所示。,图33叶轮摩擦损失示意图,精选,叶轮两侧蒸汽微团间的摩擦，以及蒸汽与壁面间的摩擦；,叶轮两子午面内形成漩涡区。,（）叶轮摩擦损失的计算,精选,则叶轮摩擦损失为,分析：,精选,（）减小叶轮摩擦损失的方法,尽量减小叶轮与隔板间距离；,制造和检修时，应使叶轮和隔板表面具有较高的光洁度。,精选,.部分进汽损失,（）部分进汽损失产生的原因及计算,部分进汽损失由鼓风损失和斥汽损失两部分组成。,鼓风损失,出现在非工作弧段。图134所示。,a.产生的原因,摩擦：动叶两侧与非工作弧段轴向间隙中停滞蒸汽的摩擦；,鼓风：,将蒸汽从一侧带到另一侧。,图34喷嘴在圆周上的分布,精选,则鼓风损失为,鼓风损失系数,b.计算,精选,斥汽损失,出现在工作弧段。,a.产生的原因,如图35所示，,冲动停滞在动叶内的蒸汽耗功；弧段间吸漏汽，干扰主蒸流。,图35部分进时斥汽损失示意图,b.计算,精选,斥汽损失系数,则斥汽损失为,精选,部分进汽损失,（）减小部分进汽损失的方法,除合理选取部分进汽度外，可设置护罩，如图6所示。,图6部分进汽时采用护罩的示意图动叶片；护罩，叶轮：汽缸,尽可能减少喷嘴组数。,精选,.漏汽损失,（）漏汽损失产生的原因,隔板漏汽,动叶顶部漏汽,如图7所示。,图7级漏汽损失示意图,（）漏汽损失产生的计算,隔板漏汽损失,隔板漏汽量,精选,精选,隔板漏汽损失,动叶顶部漏汽损失,动叶顶部漏汽量,精选,动叶顶部漏汽损失,对反动级,总漏汽损失,精选,（）减小漏汽损失产生的方法,在动静部分的间隙处安装汽封片。如图7所示。,在叶轮上开平衡孔，并选取合理的叶根反动度。,精选,.湿汽损失,（）湿汽损失产生的原因,使参与做功的蒸汽量减少。若蒸汽的干度为x，通过级的蒸汽量为G，则有（x）G蒸汽不参与做功，只有xG蒸汽参与做功。,蒸汽拖动水珠流动，消耗一部分蒸汽能量。水珠流速c1x=（0.10.13）c1,水珠对喷嘴和动叶产生撞击损失。,如图8所示，动叶进口处，水珠撞击在动叶的背弧，且产生制动作用；动叶出口处，水珠撞击在下级喷嘴进口。,精选,产生过冷损失，使蒸汽的理想焓降减少。如图9所示,图8水珠撞击动、静叶示意图,图9h-s图上损失示意图,精选,（）湿汽损失的计算,（）水珠的冲蚀作用,损伤部位：动叶进口边的背弧处，特别是叶顶背弧处冲蚀的更严重（？）,危害性：缩短叶片的使用寿命，并使其工作的可靠性降低。,（）减少湿汽损失和湿汽冲蚀的方法,精选,采用中间再热循环。,采用去湿装置。如图40所示。,图1-40级内捕水装置示意图1一捕水口槽道；2一捕水室；3一疏水通道,采用具有吸水缝的空心喷嘴。如图41所示。,图1-41具有吸水缝的空心喷嘴,精选,采取措施，提高叶片的抗冲蚀能力。如：在动叶进汽边的背弧处上部镶焊硬质合金、镀铬、氮化、电火花硬化等。如图42所示。,图1-42焊有贴边的动叶,精选,二、级的相对内效率和内功率,.级的相对内效率,级的有效焓降与级的理想能量之比。即,意义：衡量级内热力过程（能量转换）完善程度的最终指标。,.级的热力过程线,如图43所示。,精选,图43级的热力过程线,精选,.级的内功率,三、级内损失对最佳速度比的影响,图44级内损失对最佳速度比的影响,结论：级内损失的存在，不仅使效率降低，而且使最佳速度比减小。如图44所示。,所以设计汽轮机时，应按此速度比设计，这样不仅保证效率高，而且级数少。,精选,四、影响级效率的结构因素,.动、静叶之间的轴向间隙,如图45所示。,分析：,精选,精选,.径向间隙,径向间隙的存在，使级效率下降。装设径向汽封与不装设汽封相比，效率可提高约。如图45所示。,.盖度,见前面所述有关内容。,.叶片宽度,有一个最佳宽度。在强度允许的条件下，应尽量采用窄型叶片。,精选,.围带、拉金,（）围带,用在短叶片中，装在叶片的顶部，一般分组。,围带的作用：减少叶顶漏汽；改善叶片的振动特性。,（）拉金,用在较长的叶片中，安装在叶片的中间某一部位（？）,拉金的作用：改善叶片的振动特性。,但拉金的存在使级效率下降。从对经济性的影响来讲，椭圆型拉金要比圆型拉金好。,精选,.平衡孔,如图46所示，