汽轮机设备及运行-教学课件(105p)

1、汽轮机设备及运行课件（4）4 汽轮机的工作原理 1、汽轮机的级：是由一组安装在喷嘴汽室或隔板上的静叶栅和一组安装在叶轮上的动叶栅所组成，它是汽轮机作功的最小单元。2、级内能量转换过程：具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在静叶栅通道中得到膨胀加速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。通过冲动和反动两种作用实现。2第一节 级的一般概念 一、汽轮机的级、级内能量转换过程3汽轮机低压转子（含动叶栅）4蒸汽在级中做功的热力过程线53、冲动作用原理(impulse):当汽流通过动叶通道时

2、，由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被称为冲动力。这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于蒸汽微团流进、流出动叶通道时其动能的变化量。4、反动作用原理(reaction):当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向，同时还要膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动力，后者会对叶片产生一个反作用力，即反动力。蒸汽通过这种级，两种力同时作功。6蒸汽对于动叶栅的作用力二、反动度 为了描述蒸汽通过汽轮机某一级时在动叶通道中的膨胀程度大小，通常用反动度来描述。反动度等于蒸汽在动叶通道中膨胀时的焓降和在整个级的理想焓降之比，即7 蒸汽参数随叶高变化，即比焓降也沿叶高变化，

3、因此级的反动度也随叶高变化。一般取叶片根部截面、叶片平均截面、叶片顶部截面为特征截面，相应的反动度为r、m和t。实际上，级的反动度沿叶高是增大的。对于短叶片，一般给出的反动度为级的平均反动度。三、汽轮机级的类型及特点（一）冲动级和反动级 按蒸汽在动叶通道内膨胀程度不同，即反动度的大小不同，轴流式级可分为冲动级和反动级。1、冲动级。 m=0的级叫纯冲动级，蒸汽只在喷管叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向。纯冲动级做功能力大，但效率比较低，现代一般采用带少量反动度（m=0 .050.2）的冲动级。做功能力比反动级大，效率比纯冲动级高。8冲动式汽轮机的结构特点：因为汽流在动叶栅内膨胀量较少

4、，所以动叶栅的截面形状是近似对称的。因为动叶栅前后压力相差较小，没有太大的轴向力作用在转子上，所以冲动式汽轮机可以采用质量轻，结构紧凑的轮盘式转子。同样可以采用较大的径向间隙，从而提高汽轮机运行的灵活性。但是喷嘴叶栅前后存在较大的压力差，为了减少喷嘴叶栅与轴之间间隙的漏汽量，要尽量减小间隙的直径，所以设计为隔板结构，把喷嘴装在隔板的外环上，在隔板的内孔装有汽封片。92、反动级：m0.5。蒸汽在喷管和动叶通道中的膨胀程度相等。做功的力基本上冲动力和反动力各占一半。结构特点：动叶叶型与喷管叶型相同。效率比纯冲动级高，但做功能力较小。1011反动级汽轮机特点：喷嘴叶栅和动叶栅可以采用相同的叶型，构成

5、相似的喷嘴叶栅和动叶栅通道，因而可以降低汽轮机的制造成本。因为在动叶片前后存在较大的压力差，为了减小汽流对转子作用的轴向力，反动式汽轮机采用转鼓式结构，没有叶轮。喷嘴叶片直接安装在汽缸内壁，使级的轴向尺寸减小。但粗大的转鼓式转子质量大，启动时热惯性大，增加了暖机时间而影响到汽轮机运行的机动性。为了减少蒸汽漏泄量应尽量减小径向间隙。为了平衡轴向推力，还设置了平衡活塞。反动级因动叶片前后存在压力差，为了避免过大的级内损失，一般不采用部分进汽，而采用全周进汽。12（二）压力级和速度级 按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程不同，还把汽轮机和级分为压力级和速度级。1、压力级：蒸汽的动能转换为转子机械能的过

6、程在级内只进行一次的级。叶轮上只装一列动叶栅，故又称单列级。可以是冲动级，也可以是反动级。2、速度级：转换过程进行一次以上的级。可以是双列或多列的。只有一列喷管，后面有两列或更多列动叶片。采用最多的是双列速度级，又称复速级。速度级是冲动式的，可以看作是单列冲动级的延伸。做功能力很大，但效率低。常用于单级汽轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。1314（三）调节级和非调节级 按通流面积是否随负荷大小改变，可将汽轮机的级分为调节级(governing stage)和非调节级。1、调节级：通流面积能随负荷改变而改变。如喷管调节汽轮机的第一级。运行时，可通过改变通流面积来控制进气量，达到调节汽轮机负荷的目

7、的。一般中小汽轮机用复速级作为调节级，大型汽轮机常用单列冲动级作为调节级。2、非调节级：通流面积不随负荷改变而改变的级。二者另一个不同点：调节级总是做成部分进汽，而非调节级可以是全周进汽，也可以是部分进汽。15 汽轮机的第一级就是调节级，机组靠改变调速汽门的开度，控制汽室的投入和喷嘴的工作，改变部分进汽度，改变进汽量，以调整负荷。用调节阀调节负荷的机组是节流调节机组，其第一级喷嘴是全部投入的，不起调节作用，当然也不是调节级。当然，也有符合调节的。 调节级是汽缸中温度最高、压力最高、做功量最大的级，又是部分进汽，所以，对其温度、压力要严格监控，防止超标造成危害。另外，监视调节级压力，也可以了解后

8、面各级蒸汽通道的工作情况。16一、基本假设和基本方程式二、蒸汽在喷嘴中的流动过程三、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程17第二节 蒸汽在喷嘴中的能量转换过程 一、基本假设和基本方程式 流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性、非连续性和不稳定三元流的实际流体。为了研究方便，特作假设：1.蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的：即在流动过程中，通道中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变。2.蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时，其参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上不变化。3.蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动：即蒸汽在叶栅通道中流速很快，流动时与外界没有热交换。1819二、蒸汽在喷嘴中的

9、流动过程（一）汽流参数与喷嘴形状的关系根据连续方程式、动量方程式、等熵过程方程，综合可得：M是马赫数(M= c/a )。可以看到，喷嘴截面积的变化规律，不仅和汽流速度有关，同时还和马赫数M有关。（1）当汽流速度小于音速，即M0，则必须dA/dx1时，若要使汽流能继续加速， 即dc/dx0，则必须dA/dx0，即渐扩喷嘴。（3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1， dA/dx =0。表明横截面A不变化，达到最小值。 2021 1、临界速度 在膨胀过程中，到某一截面会出现汽流速度等于当地音速。当汽流速度等于当地音速时，则称此时的流动状态为临界状态。这时的参数为临界参数，用 等表示。临界

10、速度的表达式为： （二）喷嘴中气流的临界状态临界速度只取决于蒸汽的初始参数，与过程无关。22 2，临界压力 临界压力表达式为： 对于等熵膨胀过程来说，有 ，则上式为 上式表明，临界压力只与等熵指数和初压有关。临界压力与初压之比称为临界压力比，用 表示： 对于过热蒸汽（=1.3)则 =0.546;对于饱和蒸汽（ =1.135 )则 =0.577；湿蒸汽=1.035+0.1x，所以 随干度x变化 .23 1，喷嘴出口的汽流理想速度 在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数是已知条件。按等熵过程膨胀，其过程曲线如右图所示。喷嘴出口汽流理想速度表达式为 或者为 蒸汽在喷嘴出口处的速度由喷嘴进口和出口的蒸汽参

11、数决定，并和喷嘴进口的蒸汽速度有关。（二）喷嘴出口汽流速度计算 242，喷嘴出口的汽流实际速度 实际流动是有损失的，汽流实际速度小于汽流理想速度。通常用喷嘴速度系数来考查两者之间的差别(通常取 = 0.97 )。这样，喷嘴出口的汽流实际速度为 3，喷嘴损失 蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称为喷嘴损失，用 表示 ： 喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数，用 表示： 252627 1，喷嘴的理想流量Gt 计算 喷嘴的理想流量Gt 可用下式计算:式中， - 喷嘴出口处截面积; - 喷嘴出口处理想汽流速度; - 喷嘴出口处比容。 还可以写成 当喷嘴前参数和出口面积一定时，理想流量只与压比

12、，或者喷嘴背压有关。(三) 喷嘴流量计算282，喷嘴流量曲线 临界流量为： 式中，只与值有关。对于过热蒸汽（=1.3),=0.667；饱和蒸汽（=1.135) , =0.635。 293，通过喷嘴的实际流量的计算 通过喷嘴的实际流量为： 式中， 称为喷嘴流量系数。对于过热蒸汽，取 n= 0.97；对于饱和蒸汽，取n= 1.02。 考虑了流量系数之后，通过喷嘴的实际流量为： 对于过热蒸汽： 对于饱和蒸汽： 另外还可以用单一的计算公式表示： 其中，称为彭台门系数。对于亚临界流动， 。 这样，汽流从动叶通道中流出的绝对速度的大小和方向可以从图解得到。 、 可用下式求得： 为了方便，通常将动叶进出口速

13、度三角形绘制到一起。 42动叶栅出口汽流相对速度和绝对速度 通过动叶通道的能量方程式可得到动叶栅出口汽流相对理想速度为： 结合右下图，焓降 称为 动叶栅理想焓降，这样， 。其中， , 称为动叶栅的滞止理想焓降。 由于通过动叶栅的流动是有损失的，与喷嘴一样引入动叶速度系数。这样，动叶出口的实际相对速度为43 动叶损失 动叶损失就是蒸汽通过动叶栅的能量损失，由于动叶损失的存在，使动叶出口的焓值由h2t升到h2，则动叶损失为： 动叶损失与理想滞止焓降之比成为动叶栅的能量损失系数，即 在计算时，通常取 = 0.850.95。 44余速损失由速度三角形可知，蒸汽在动叶栅中作功之后，最后以绝对速度 离开动

14、叶，其具有的动能称为余速损失： 在多级汽轮机中，余速损失可以被下一级所利用，其利用程度可用余速利用系数表示，=01之间。 45（二）蒸汽作用在动叶片上的力及轮周功 为求取蒸汽在动叶栅作功大小，必先求取蒸汽对动叶栅的作用力。 1，蒸汽对动叶片的作用力 蒸汽在动叶栅通道中要改变方向、或者还要膨胀加速，其对动叶片的作用力可用下式进行计算： 圆周分力 或者 轴向分力 或者 合力 以上各式中， -单位时间内流过动叶栅的流量； -动叶通道轴向投影面积。 46 2，轮周功和轮周功率 蒸汽通过汽轮机的级在动叶片上所作的有效机械功称为轮周功。而单位时间内作出的轮周功称为轮周功率。轮周功率为圆周分力和圆周速度的乘

15、积： 或者， (J / s ) 用G除以上二式，得到1kg蒸汽所作出的轮周功。轮周功表示作功能力，用 表示： 或者， 结合速度三角形和余弦定理，轮周功还可以用下式表示： ( J / k g ) 级的热力过程线考虑了喷嘴损失、动叶损失和余速损失之后的级焓降称为级的轮周有效焓降，它是用焓降表示的1kg蒸汽所做的轮周功：47小结1、汽轮机级内的能量转换基本假设、基本方程2、静叶（喷嘴）中的能量转换喷嘴出口速度及速度系数、喷嘴损失喷嘴临界状态、喷嘴截面积的变化规律喷嘴流量计算：临界流量理想流量实际流量喷嘴的平均出气角、汽流偏转角3、动叶中的能量转换过程速度三角形c1-uw1+htw2+uc2轮周作用力

16、速度投影轮周功率Fuu轮周功动叶损失系数 余速损失4850 蒸汽在级内所具有的理想能量不能百分之百地转变为轮周功，存在着损失。为了描述蒸汽在汽轮机级内能量转换的完善程度，通常用各种不同的效率来加以说明。 一，轮周效率与速度比 1、轮周效率：蒸汽在汽轮机级内所作出轮周功 与它在级内所具有的理想能量 之比称为级的轮周效率,即 2、级的理想能量：一般来说，级的理想能量是级的理想焓降、进入本级的动能和本级余速动能被下一级所利用部分的代数和，即第四节 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比513，级的理想速度：为了研究方便，这里引入级的理想速度的概念,定义：4，级的轮周效率：或者 式中， 分别为喷嘴损失、动叶损

17、失和余速损失与级的理想能量之比，称其为喷嘴、动叶和余速能量损失系数。 525，速度比：为了提高级的轮周效率，则要求减少喷嘴损失、动叶损失和余速损失。其中，前二项损失与相应的速度系数、有关。如果选定了动静叶栅的叶型， 则系数、就确定了。这样，为了提高轮周效率，就得尽量减少余速损失。通常定义轮周速度与喷管出口速度之比为速度比,简称速比。使c2达到轴向排汽的速度比称为最佳速度比，用 表示。速比是汽轮机级的一个很重要的特性参数。速度比的取值直接影响汽轮机的效率和作功能力。对于不同型式的级，其最佳速度比是不相同的。 5390余速损失不为最小不同速比下纯冲动级速度三角形 w1=w25455二、轮周效率与速

18、比的关系（1）对于不考虑余速利用的纯冲动级： 其最佳速度比是： 或 一般来说， 因此，若取=0.97，则对于反动度不为零的冲动级， ； 当考虑余速利用的中间级， 左右。 （2）对于复速级，其最佳速度比为： 通常，复速级的最佳速度比为： 之间。（3）对于反动级，其最佳速度比为： 若取 则 56小结1、轮周效率定义2、最佳速比 u/c1min(c2)3、轮周效率与速比之间的关系5758三、 叶栅几何尺寸的确定（一）叶栅几何特性1，叶型、型线：叶片截面的形状、周线分别称为叶型、型线；2，等截面叶片和变截面叶片：叶型及面积沿叶高不变的叶片称为等截面叶片，反之为变截面叶片。3，亚音速叶栅、近音速叶栅、超

19、音速叶栅。4，叶栅几何参数：-平均直径；叶高；节距； B叶片宽度； b弦长；59出口边厚度；、 、 进出口宽度。5，无因次几何特性： 相对节距； 相对叶高； 径高比。6，汽流角度：、 喷嘴、动叶进口汽流角；、 喷嘴、动叶出口汽流角；、 喷嘴、动叶叶型进口角；、 喷嘴、动叶叶型出口角；、 喷嘴、动叶叶型安装角。60（二）叶栅形式的选择已知条件：蒸汽流量G，参数 、 、 ；转速 ，初速 ，级的平均直径 ，反动度 。1，喷嘴叶栅型式的选择 喷嘴叶栅型式的选择主要决定于需要得到多大的出口速度。即根据喷嘴前后压力比 来确定：当需要得到小于或等于音速汽流时，即 ，可选用渐缩喷嘴。当喷嘴前后压力比还不大于0

20、.30.4时，即 ，仍然可选用渐缩喷嘴，这时，可利用喷嘴斜切部分继续膨胀加速，以得到超音速汽流。当喷嘴前后压力比小于0.3时，则必须选用缩放喷嘴。612，动叶栅型式的选择 动叶栅型式的选择的方法和静叶栅相似。但动叶栅通道中的流动多为亚音速流动。根据动叶栅的各参数，根据速度三角形，计算 ，查 ；再根据压力比的值和临界压力比相比，是否超临界。623.喷嘴叶栅与动叶栅几个主要参数的选定 （一）叶栅出汽角 和 的选择通常，高压冲动级喷嘴出汽角 ；反动级中、低压冲动级 ；复速级 。动叶栅出气角一般按下列关系选取：冲动级：复速级： （二）部分进汽度的选择：1，一般采用全周进汽（e=1）；小型机采用部分进汽

21、（e1）；2，调节级采用部分进汽（e1），分47组。（三）盖度的选择：通常要求动叶进口高度略大于喷嘴出口高度。6364（四）冲动级内反动度的合理选用： 纯冲动级具有作功能力大的特点，但其效率较低。当适当地选用反动度之后，就可以达到提高效率的目的。这是因为，采用适当的反动度，可以提高动叶的速度系数，以减小动叶损失；也可以减小动叶根部轴向间隙中由于吸汽而产生的附加损失 。1，当根部反动度较大时，则平均反动度会更大，会造成叶顶和平衡孔漏汽，因而产生损失，见下页图a；2，当根部反动度太小或者为负时，会造成叶片根部吸汽，或者使级后蒸汽通过平衡孔回到动叶前，造成损失，见下页图b ；3，当根部反动度 = 0

22、.030.05 时可使动叶根部不发生吸汽和漏汽现象，同时也可以使动叶前后压力差不至太大以至造成大的叶顶漏汽损失，见下页图c 。 65 在进行汽轮机热力设计时，通常是按级的平均直径处的平均反动度进行计算的。但级的反动度沿叶高是变化的，这样，根据选定的根部反动度，平均反动度为： 叶根反动度为： 式中， 为动叶栅的平均直径、叶高。图1-3666确 定 某 一 级 的 反 动 度 ， 除 了 合 理 选 用 动 静 叶 栅 之 叶 型 之 外 ， 主 要 是 靠 通 过 一 定 的 动 静 叶 栅 出 口 面 积 比 f来 实 现 的 。 即 一 定 的 反 动 度 对 应 一 定 的 动 静 叶 栅

23、 出 口 面 积 比 。 面 积 比 随 着 反 动 度 的 增 加 而 减 小 。 汽 轮 机 中 反 动 度 与 动 静 叶 栅 出 口 面 积 比 的 对 应 范 围 为 ： 1 . 直 叶 片压力 级 f = 1.86 1.65 . 2. 扭 叶 片 级 = 0.2 0.4 , f = 1.7 1.4 . 3. 复 速 级 67前述喷嘴损失 、动叶损失 、余速损失 都是级内损失。除此之外，级内损失还包括：叶高损失 、扇形损失 、叶轮摩擦损失 、部分进汽损失 、漏汽损失 、湿汽损失 。当然，不是每一级都同时具有这些损失，要根据具体情况进行分析。如只有在部分进汽的级才有部分进汽损失；叶片较

24、长又不采用扭曲叶片的级中才存在扇形损失；工作在湿蒸汽区的级才有湿汽损失等等。第五节 汽轮机级内损失和级效率 汽轮机级内损失6869一、级内损失1、叶高损失将喷嘴和动叶中与叶高有关的损失称为级的叶高损失，或叫端部损失。当叶片较短（一般说叶高l12时，可采用等截面直叶片。等截面直叶片的设计和加工都比较容易，但存在着扇形损失；当812的短叶片级，可以获得满意的工程效果，计算简便，物理概念清晰。但是随着汽轮机单级功率增大，蒸汽容积流量必然增大，特别是末几级，需要更大的通流面积，因此径高比较小，叶片很长。如仍按等截面直叶片进行设计，将产生很大的附加损失，使级效率显著降低。附加损失表现在：（1）沿叶高圆周

25、速度不同所引起的损失（2）沿叶高相对节距不同所引起的损失（3）轴向间隙中汽流径向流动所引起的损失现代汽轮机对长叶片级普遍采用三维流动设计理论。第六节级的二维和三维热力设计90（1）沿叶高圆周速度不同所引起的损失：从叶根到叶顶，其相应的圆周速度相差很大。（如200MW汽轮机的末级叶片，平均直径为2000mm, 叶高为665mm, 径高比=3，其叶顶的圆周速度为418.6 m/s，而叶根的的圆周速度为209.7m/s，二者相差一半）。由于圆周速度沿叶高增加，使汽流进入动叶通道时的进汽角 沿叶片高逐渐增大，即 。如果仍以平均直径处速度三角形有关参数作为依据来进行设计，并采用等截面直叶片。那么，除了平

26、均直径附近处之外，其余直径处的汽流在进入动叶通道时，都会有不同程度的撞击现象发生，从而造成能量损失。 91（2）沿叶高相对节距不同所引起的损失：叶片是安装在叶轮上的，呈环形，当径高比很小时，节距沿叶高变化很大。而每一种叶型构成的叶栅都有一个最佳相对节距，其对应叶栅的效率最高。只要偏离这一最佳值，都会引起损失，造成效率下降。（3）轴向间隙中汽流径向流动所引起的损失：蒸汽从动、静叶栅通道中流出时，都有一定的圆周速度，因此，在动、静轴向间隙中必然产生离心力作用，而产生径向流动。径向流动就会造成损失。而且，叶片越长，径向流动造成的损失就越大。929394因此，对于长叶片级来说，就不能采用短叶片级的设计

27、方法来进行设计。必须把长叶片级设计成型线沿叶高变化的变截面叶片。考虑到气动特性，绝大多数情况下设计成扭叶片。扭叶片加工困难，制造成本高。长叶片级设计普遍采用径向平衡法，方法的核心问题是确定动、静叶栅轴向间隙汽流的平衡条件。建立径向平衡条件和径向平衡方程式，求解得出汽流参数沿叶高的变化规律。现代设计计算方法已经可以直接数值求解长叶片级的三维气动方程。95因此，对于长叶片级来说，就不能采用短叶片级的设计方法来进行设计。必须把长叶片级设计成型线沿叶高变化的变截面叶片。考虑到气动特性，绝大多数情况下设计成扭叶片。扭叶片加工困难，制造成本高。长叶片级设计普遍采用径向平衡法，方法的核心问题是确定动、静叶栅轴向间隙汽流的平衡条件。建立径向平衡条件和径向平衡方程式，求解得出汽流参数沿叶高的变化规律。现代设计计算方法已经可以直接数值求解长叶片级的三维气动方程。96一 ，简 单 径 向 平 衡 法 简 单 径 向 平 衡 法 是 假 设 动 、 静 叶 栅 轴 向 间 隙 中 汽 流 作 轴 对 称 的 圆 柱 面 流 动 ， 其 径 向 分 速 为 零 ， 子 午 线 曲 线 半 径 无 穷 大 。 求 得 的 简 单 径 向 平 衡 方 程 式 为 ： 喷 嘴 出 口 轴 向 间 隙 ： (1 - 186 )动 叶 出 口 轴 向 间 隙 ：