第五章汽轮机工作原理

1、 一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程n喷嘴进口初速度：喷嘴进口初速度：n喷嘴的理想焓降：喷嘴的理想焓降：1、喷嘴出口理想速度：、喷嘴出口理想速度：2、喷嘴出口实际速度：、喷嘴出口实际速度：3、喷嘴损失：、喷嘴损失：2200chc20*chhnn*12nthctcc1122121cchtn级间蒸汽流动示意图 p0* h o* hc0 o p0 t0 h hn n p p1 1 1 1 h ht t 1t 1t h hn n h hb b p p2 2 2 2 hchc2 2 2t 2t h hb b 2t 2t S S 1 1 1 1 2 2 2 2 c c1 1 w w1 1

2、 c c2 2 w w2 2 u uu u p0* h o* hc0 o p0 t0 h hn n p p1 1 1 1 h ht t 1t 1t h hn n h hb b p p2 2 2 2 hchc2 2 2t 2t h hb b 2t 2t S S二、蒸汽在动叶栅中的流动过程二、蒸汽在动叶栅中的流动过程n动叶进口相对速度：动叶进口相对速度：n动叶进口相对速度夹角：动叶进口相对速度夹角：n动叶出口理想相对速度：动叶出口理想相对速度：n动叶出口实际相对速度：动叶出口实际相对速度：n动叶损失：动叶损失：n动叶出口绝对速度：动叶出口绝对速度：n余速损失及夹角：余速损失及夹角：112121co

3、s2uccuw)sinarcsin(1111wcbthww2212tww2222222wwhtb222222cos2uwwuc2222chc)sinarcsin(2222cw三、蒸汽在喷嘴叶栅斜切部分的膨胀三、蒸汽在喷嘴叶栅斜切部分的膨胀：n喷管的作用喷管的作用：n当喷嘴前后压力比小于临界压力比时，加速膨胀；当喷嘴前后压力比小于临界压力比时，加速膨胀；n当喷嘴前后压力比大于临界压力比时，导流作用；当喷嘴前后压力比大于临界压力比时，导流作用；四、汽流对动叶栅所作的轮周功率四、汽流对动叶栅所作的轮周功率：n1kg蒸汽汽流动量变化：蒸汽汽流动量变化：uuuuwwwwmv1212)(1n反作用力：反作

4、用力： 1 2 W1COS1 W2COS2 C1COS1 C2COS2221121coscoswwwwmvuu切向作用力：切向作用力：轴向作用力：轴向作用力：切向作用力所作的机械功：切向作用力所作的机械功：或：或：单位时间内流量为单位时间内流量为G：又称又称轮周功率轮周功率。五、级的轮周效率五、级的轮周效率n1kg蒸汽所作出的轮周功Wu与蒸汽在该级所消耗的理想能量E0之比称为级的轮周效率轮周效率。uuuwwf21zzzwwf21)coscos(2211wwuufWuu)coscos(2211ccuufWuu)coscos(2211ccGuPu p0* h o* hc0 o p0 t0 h hn

5、 n p p1 1 1 1 h ht t 1t 1t h hn n h hb b p p2 2 2 2 hchc2 2 2t 2t h hb b 2t 2t S S轮周效率：轮周效率：Ewuu0hhhEcttcc21*2212000222/)()coscos(22122211ccccauun反作用力：反作用力： 1 2 W1COS1 W2COS2 C1COS1 C2COS2221121coscoswwwwmvuu2)11 (10/ )2210(02*02*20222)222222()221221()221222(221222222221221)22222(21)21221(212cos21co

6、s1cbnEhchbhnhcEuEhchbhnhtEhuuhchbhnhthchbhnhbhncwwtcctwwtctcwwcucwwuccucu p0* h o* hc0 o p0 t0 h hn n p p1 1 1 1 h ht t 1t 1t h hn n h hb b p p2 2 2 2 hchc2 2 2t 2t h hb b 2t 2t S S（一）级的反动度：（一）级的反动度：m=hb/ht*（二）级的分类（二）级的分类1、反动级、反动级；m=0.52、冲动级、冲动级；m=0.050.33、纯冲动级、纯冲动级；m=04、复速级、复速级；m=0*)1 (tmnhhtmbhh六、

7、最佳速度比：六、最佳速度比：速度比：速度比：假想速度比：假想速度比：设：设：1、纯冲动级：、纯冲动级：2、反动级：、反动级：3、复数级（速度级）、复数级（速度级）cxu11hcta*2cxaau2cos11)(xop4cos1cos111)()(xxopopu 与与x1的关系曲线称为的关系曲线称为轮周效率曲线轮周效率曲线；最佳速比最佳速比可使可使余速损失最小余速损失最小，轮周效率最高轮周效率最高。n余速利用对轮周效率和最佳速比的影响：余速利用对轮周效率和最佳速比的影响：1、利用余速可以提高级的轮周效率；、利用余速可以提高级的轮周效率；2、余速利用使速比在实用范围内对轮周效率的、余速利用使速比在

8、实用范围内对轮周效率的影响减弱了；影响减弱了；3、余速利用使最佳速比与余速未利用时相比增、余速利用使最佳速比与余速未利用时相比增大了；大了；4、余速利用使轮周效率曲线失去了相对于最高、余速利用使轮周效率曲线失去了相对于最高效率点的对称性；效率点的对称性； 七、汽轮机的级内损失和效率七、汽轮机的级内损失和效率1 1、喷嘴损失、喷嘴损失hhn n: :2 2、动叶损失、动叶损失hhb b: :3 3、余速损失、余速损失hchc2 2: :4 4、叶高损失、叶高损失hhl l: :又称端部损失。又称端部损失。5 5、扇形损失、扇形损失hh: :6 6、叶轮摩擦损失、叶轮摩擦损失hhf f: :与转速

9、三次方成正比。与转速三次方成正比。7 7、部分进汽损失、部分进汽损失hhe e: :鼓风损失；斥汽损失。鼓风损失；斥汽损失。8 8、漏汽损失、漏汽损失hh: :叶顶漏汽；隔板漏汽；叶顶漏汽；隔板漏汽；盖度盖度。9 9、湿汽损失、湿汽损失hhx x: :八、级的相对内效率和内功率：八、级的相对内效率和内功率：hhhhhhhhhhhhEhctcxeflbntii21*2*0hphpiiiiGD6 . 3一、多级汽轮机出现的原因：一、多级汽轮机出现的原因：1 1、焓降大的条件下，保持最佳速度比；、焓降大的条件下，保持最佳速度比；2 2、提高初参数，降低背压，减小损失；、提高初参数，降低背压，减小损失

10、；3 3、高压级比容小，整锻转子直径小，焓降小；、高压级比容小，整锻转子直径小，焓降小；4 4、增大进汽量，增大比焓降；、增大进汽量，增大比焓降；二、多级汽轮机的优点：二、多级汽轮机的优点：1 1、单级焓降小，速度系数提高，最佳速比；、单级焓降小，速度系数提高，最佳速比；2 2、降低叶片速度，摩擦损失减小，（摩擦损失与叶片速、降低叶片速度，摩擦损失减小，（摩擦损失与叶片速度三次方成正比）；度三次方成正比）；3 3、余速利用；、余速利用；4 4、重热现象；多级汽轮机由于前一级存在损失，使后面、重热现象；多级汽轮机由于前一级存在损失，使后面各级的热力过程线逐渐向右偏移，因为等压线斜率随各级的热力过

11、程线逐渐向右偏移，因为等压线斜率随温度的增大而增大，等压线呈扩散状，后面各级的理温度的增大而增大，等压线呈扩散状，后面各级的理想焓降因而有所增大的现象；想焓降因而有所增大的现象； h h1t h1i h2i h2t h2t Hi h3i h3t h3t h4i h4t h4t S 重热系数重热系数：=0.04=0.040.080.08三、多级汽轮机的损失：三、多级汽轮机的损失：（一）多级汽轮机的外部损失（一）多级汽轮机的外部损失1 1、机械损失、机械损失2 2、轴封漏气损失：、轴封漏气损失：汽缸内压力高于当地大气压时，蒸汽外汽缸内压力高于当地大气压时，蒸汽外泄；低于当地大气压时，空气漏入；泄；

12、低于当地大气压时，空气漏入；（二）多级汽轮机的内部损失（二）多级汽轮机的内部损失1 1、进汽阻力损失：、进汽阻力损失：2 2、排汽阻力损失：、排汽阻力损失：最末级后压力高于排气管出口压力，焓最末级后压力高于排气管出口压力，焓降减小；降减小；排汽管构造：先扩压后转向；先转向后扩压。排汽管构造：先扩压后转向；先转向后扩压。3 3、导汽管和中间再热器的压力损失：、导汽管和中间再热器的压力损失：连接管道，再热器和连接管道，再热器和阀门；阀门；ttHQhq四、汽轮机及其装置的效率：四、汽轮机及其装置的效率：（一）相对效率（一）相对效率1、汽轮机的相对内效率：、汽轮机的相对内效率：2、汽轮机的相对有效效率

13、（轴端效率）：、汽轮机的相对有效效率（轴端效率）： 3、汽轮发电机组的相对电效率：、汽轮发电机组的相对电效率：tiiHHimtiieteeiemppppppppegimgtiieeelteleleelgpppppppppp汽轮发电机组的电功率：汽轮发电机组的电功率：（二）绝对效率（二）绝对效率3600:gmitelgmitelHDpHGp或tgmitelaeltmiteeltiaictthhhhQH效率：汽轮机发电机组绝对电汽轮机绝对电效率：汽轮机绝对内效率：朗肯循环效率：00cot003 3、发电厂净效率、发电厂净效率：4 4、汽耗率、汽耗率5 5、热耗率、热耗率eHgmitpglgmits

14、aelsselCC)/(360010000hkwkghpDdeltelaeleltcchhhhhdq3600)(3600)(00六、多级汽轮机的轴向推力：六、多级汽轮机的轴向推力：1 1、多级汽轮机的轴向推力、多级汽轮机的轴向推力（1 1）作用在动叶上的轴向推力）作用在动叶上的轴向推力（2 2）作用在叶轮面上的轴向推力）作用在叶轮面上的轴向推力（3 3）作用在轮毂上和轴的凸肩上的轴向推力）作用在轮毂上和轴的凸肩上的轴向推力2 2、轴向推力的平衡：、轴向推力的平衡：（1 1）平衡活塞法：）平衡活塞法：（2 2）采用平衡孔的叶轮：）采用平衡孔的叶轮：平衡孔个数为奇数平衡孔个数为奇数（3 3）反向布

15、置法：）反向布置法：（4 4）采用推力轴承：）采用推力轴承：一、汽轮机级和级组的流量与参数的关系：一、汽轮机级和级组的流量与参数的关系：1、变工况前后级或级组均未达到临界状态、变工况前后级或级组均未达到临界状态(未达到当地未达到当地音速）音速）称为：称为：弗留格尔公式弗留格尔公式n对于对于凝汽式机组凝汽式机组：)()()()(22120122200100012212012220010ppppGGTTppppGG忽略温度变化：1001000110010ppGGTTppGG忽略温度变化：2 2、变工况前后级或级组均达到了临界状态、变工况前后级或级组均达到了临界状态(达到当地音达到当地音速）速） ：

16、3 3、弗留格尔公式应用条件：、弗留格尔公式应用条件：1 1）通流面积不变；）通流面积不变；2 2）流量相同（包括回热抽汽）；）流量相同（包括回热抽汽）；3 3）各级为均质流；）各级为均质流；4 4、应用及举例：、应用及举例：（1 1）监视通流部分运行是否正常；监视通流部分运行是否正常；（2 2）推算不同流量下各级前压力，求得各级压差、焓降，推算不同流量下各级前压力，求得各级压差、焓降，从而确定相应的功率、效率及零部件的受力情况。从而确定相应的功率、效率及零部件的受力情况。1001000110010ppGGTTppGG忽略温度变化：负荷负荷给水流量给水流量 调节级后调节级后压力压力 中间再热中

17、间再热后压力后压力 高压缸效高压缸效率率 中压缸效中压缸效率率 - 40%- 40%-36%-36% -42%-42% -44%-44% -1.8%-1.8% -0.4%-0.4% 分析原因：分析原因：1 1）压力突降，压力变小可知流量变小；）压力突降，压力变小可知流量变小；2 2）压力与流量成正比，可知非调节级工作正常，原因在调）压力与流量成正比，可知非调节级工作正常，原因在调节级前或调节级；节级前或调节级；3 3）无机组异常振动可知未出现机械损坏；）无机组异常振动可知未出现机械损坏；4 4）调节级喷嘴、动叶损坏，会使流量增大；叶片断落使第）调节级喷嘴、动叶损坏，会使流量增大；叶片断落使第一

18、非调节级喷嘴堵塞，会使调节级后压力升高，所以以上原一非调节级喷嘴堵塞，会使调节级后压力升高，所以以上原因可排除；因可排除；5 5）开启各个调节汽门，第二调节汽门，开度改变，流量没）开启各个调节汽门，第二调节汽门，开度改变，流量没有变化，说明门杆断裂使汽门关闭；有变化，说明门杆断裂使汽门关闭；n分析原因：分析原因：1 1、功率是稳定速率下降的，不是突降；、功率是稳定速率下降的，不是突降；2 2、调节级后压力上升，而流量未增加，说明非调节级出现、调节级后压力上升，而流量未增加，说明非调节级出现堵塞；堵塞；3 3、堵塞稳定增加，不是机械损坏，可能是结垢；、堵塞稳定增加，不是机械损坏，可能是结垢；n高

19、压缸效率大为下降，说明是高压缸结垢；高压缸效率大为下降，说明是高压缸结垢； 流量流量 功率功率 调节级后压力调节级后压力 高压缸效率高压缸效率 -17.2%-17.2% -16.5%-16.5% +21.2%+21.2% -12.2%-12.2% 故障汽轮机参数变化表（三）故障汽轮机参数变化表（三）n分析原因：分析原因：1 1、呈正比变化，说明调节级或调节级前出现故障；、呈正比变化，说明调节级或调节级前出现故障；2 2、各汽门开度下功率均增加，排除汽门损坏的可能。可、各汽门开度下功率均增加，排除汽门损坏的可能。可能（能（1 1）喷嘴腐蚀；（）喷嘴腐蚀；（2 2）叶片断裂；（）叶片断裂；（3 3

20、）喷嘴弧段漏汽；）喷嘴弧段漏汽；后两种情况将引起高压缸效率大大下降，但并未如此，故后两种情况将引起高压缸效率大大下降，但并未如此，故可初步判定喷嘴腐蚀；可初步判定喷嘴腐蚀；功率功率 调节级后压力调节级后压力 中间再热后压力中间再热后压力 高压缸效率高压缸效率 +11.0%+11.0% +11.0%+11.0% +10.2%+10.2% -1.8%-1.8% 二、变工况时各级的焓降和反动度变化规律：二、变工况时各级的焓降和反动度变化规律：1 1、凝汽式汽轮机各中间级压力比不变，理想焓降不变或、凝汽式汽轮机各中间级压力比不变，理想焓降不变或变化不大（当温度变化不能忽略时）。变化不大（当温度变化不能

21、忽略时）。各级圆周速度不变，各级圆周速度不变，速比不变，级内效率亦不变；各级内功率与流量成正比。速比不变，级内效率亦不变；各级内功率与流量成正比。2 2、喷嘴调节凝汽式汽轮机当流量（负荷）改变时，焓降、喷嘴调节凝汽式汽轮机当流量（负荷）改变时，焓降的变化主要发生在调节级和末级中，而全机的理想焓降基的变化主要发生在调节级和末级中，而全机的理想焓降基本保持不变。本保持不变。例如：当流量增加时，调节级的焓降减小，例如：当流量增加时，调节级的焓降减小，末级的焓降增大；当流量减小时，调节级的焓降增加，末末级的焓降增大；当流量减小时，调节级的焓降增加，末级的焓降减小；背压式汽轮机除调节级外，最后几级的焓级

22、的焓降减小；背压式汽轮机除调节级外，最后几级的焓降也发生变化，而且流量变化越大，受影响级数越多。降也发生变化，而且流量变化越大，受影响级数越多。即：即：调节级第一调节汽门全开、最末级最大流量时均处于最危调节级第一调节汽门全开、最末级最大流量时均处于最危险工况。险工况。3 3、汽轮机变工况运行时，效率要降低。、汽轮机变工况运行时，效率要降低。而且流量（负荷）而且流量（负荷）变化越大，效率降低越多。（变化越大，效率降低越多。（1 1）喷嘴调节的凝汽式汽轮）喷嘴调节的凝汽式汽轮机，其效率下降主要发生在调节级和最末级；（机，其效率下降主要发生在调节级和最末级；（2 2）背压式汽轮机，除调节级外，最后几

23、级的效率都降低；采用背压式汽轮机，除调节级外，最后几级的效率都降低；采用节流调节的汽轮机没有调节级，所以效率降低主要是由于节节流调节的汽轮机没有调节级，所以效率降低主要是由于节流损失增大和最末级效率下降。流损失增大和最末级效率下降。4 4、汽轮机工况变动时，反动度也发生变化。、汽轮机工况变动时，反动度也发生变化。（1 1）工况变化）工况变化时，级内焓降减小，则反动度增大；反之，机内焓降增加，时，级内焓降减小，则反动度增大；反之，机内焓降增加，则反动度减小。（则反动度减小。（2 2）此外，反动度的变化值与原设计值的大）此外，反动度的变化值与原设计值的大小有关，反动度原设计值越小，则焓降改变时引起

24、变动值越小有关，反动度原设计值越小，则焓降改变时引起变动值越大；反之，反动度原设计值越大，则焓降改变时引起变动值大；反之，反动度原设计值越大，则焓降改变时引起变动值越小。工况变化时级内焓降变化而引起的反动度变化，主要越小。工况变化时级内焓降变化而引起的反动度变化，主要发生在冲动级内。发生在冲动级内。三、轴向推力的变化：三、轴向推力的变化：1 1、负荷增大，轴向推力增大；、负荷增大，轴向推力增大；2 2、背压汽轮机：某一中间负荷轴向推力最大；、背压汽轮机：某一中间负荷轴向推力最大；四、汽轮机功率调节方式及调节级变工况四、汽轮机功率调节方式及调节级变工况（一）节流调节：（一）节流调节：（二）喷嘴调

25、节：（二）喷嘴调节：1 1、喷嘴调节：、喷嘴调节：2 2、调节级的变工况、调节级的变工况：最危险工况（调节级第一调节汽门全最危险工况（调节级第一调节汽门全开而第二个调节汽门尚未开启时）开而第二个调节汽门尚未开启时）。（三）滑压运行：（三）滑压运行：所谓滑压运行指的是：在单元制机组中，所谓滑压运行指的是：在单元制机组中，汽轮机的调节阀全开或者基本全开状态下，通过锅炉调整新汽轮机的调节阀全开或者基本全开状态下，通过锅炉调整新蒸汽压力的方法（新蒸汽温度不变），达到改变蒸汽量使其蒸汽压力的方法（新蒸汽温度不变），达到改变蒸汽量使其适应不同负荷的要求。适应不同负荷的要求。1 1、提高机组运行的可靠性和机

26、动性。、提高机组运行的可靠性和机动性。2 2、提高机组在部分负荷下运行的经济性。、提高机组在部分负荷下运行的经济性。高压缸、低压缸、高压缸、低压缸、给水泵。超高压以下机组不宜。给水泵。超高压以下机组不宜。（四）凝汽式汽轮机的工况图：（四）凝汽式汽轮机的工况图：n汽耗特性汽耗特性：汽轮发电机的功率：汽轮发电机的功率p pe e与汽耗量与汽耗量G G之间的关系；之间的关系； D Drel rel rel d d rel D D dDnl d Dnl pe pen喷嘴调节喷嘴调节：nD Dnlnl是空载汽耗量，即空负荷时汽轮机转动需要消耗的功是空载汽耗量，即空负荷时汽轮机转动需要消耗的功率，占设计流

27、量的大约率，占设计流量的大约5%5%10%10%；n随着调节汽门的依次开启，汽耗量随着调节汽门的依次开启，汽耗量D D不断增加，汽耗特性不断增加，汽耗特性线近似为一条直线；线近似为一条直线；n在前三个汽门开启时，相对电效率在前三个汽门开启时，相对电效率relrel不断增加，但当不断增加，但当第四个汽门开启时相对电效率第四个汽门开启时相对电效率relrel反而下降，这是因为三反而下降，这是因为三个汽门全开启时为设计工况，效率最高。个汽门全开启时为设计工况，效率最高。n当负荷高于此工况后，由于偏离设计工况，所以效率下当负荷高于此工况后，由于偏离设计工况，所以效率下降；降；n汽耗率汽耗率d d也类似

28、，前三个汽门开启时，汽耗率也类似，前三个汽门开启时，汽耗率d d不断降低，不断降低，但当第四个汽门开启时汽耗率但当第四个汽门开启时汽耗率d d反而上升；反而上升；n在中高负荷处喷嘴调节汽轮机效率较高，因此可以应用在中高负荷处喷嘴调节汽轮机效率较高，因此可以应用于调峰机组。于调峰机组。节流调节节流调节：nD Dnlnl是空载汽耗量，即空负荷时汽轮机转动需要消耗的功是空载汽耗量，即空负荷时汽轮机转动需要消耗的功率，占设计流量的率，占设计流量的大约大约5%5%10%10%；随着主汽门的开启，汽耗量随着主汽门的开启，汽耗量D D不断增加，汽耗特性线近似不断增加，汽耗特性线近似为一条直线；为一条直线；在

29、主汽门开启时，相对电效率在主汽门开启时，相对电效率relrel不断增加，当主汽门不断增加，当主汽门全开启时相对电效率全开启时相对电效率relrel达到最高，这是主汽门全开启达到最高，这是主汽门全开启时为设计工况，效率最高，当负荷低于此工况时，由于偏时为设计工况，效率最高，当负荷低于此工况时，由于偏离设计工况，所以效率下降；离设计工况，所以效率下降；n汽耗率汽耗率d也类似，主汽门开启增大时，汽耗率也类似，主汽门开启增大时，汽耗率d不断降低，不断降低，当主汽门全开启时汽耗率当主汽门全开启时汽耗率d最低；最低；n在中高负荷处节流调节汽轮机效率下降较快，因此只能在中高负荷处节流调节汽轮机效率下降较快，因此只能用于承担基本负荷的机组，不适宜应用于调峰机组。用于承担基本负荷的机组，不适宜应用于调峰机组。n节流调节节流调节：缺点：低负荷节流损失大，理想焓降降低大；：缺点：低负荷节流损失大，理想焓降降低大；n优点优点：无调节级，结构简单，成本低温度变化小，负荷：无调节级，结构简单，成本低温度变化小，负荷适应性较好；适应性较好