汽轮机级的工作原理（汽轮机设备运行课件）

010203蒸汽的冲动作用原理蒸汽的反动作用原理多级汽轮机温故知新03页汽轮机的级蒸汽动能转子机械能蒸汽热能喷嘴nozzle动叶栅blade温故知新04页单列级：一列静叶（喷嘴）+一列动叶喷嘴单列级动叶单列隔板01蒸汽冲动作用原理05页（1）冲力理论的提出公元14世纪法国哲学家布里丹、阿尔伯特等人提出“推动者在推动一物体运动时，便对它施加某种冲力或某种动力，速度越大，冲力越大，冲力耗尽时，物体停止下来。”布里丹01蒸汽冲动作用原理06页（2）冲动力的产生当物体碰到另一个静止的或速度较低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度，同时给阻碍它运动的物体一个作用力，这个力称为冲动力。01蒸汽冲动作用原理07页（3）蒸汽的冲动作用原理从喷嘴中获得的动能的蒸汽，进入动叶通道，对动叶施加了一个作用力，在这个力的作用下动叶旋转做功。1-主轴，2-叶轮3-叶片，4-喷管01蒸汽冲动作用原理08页（4）冲动作用原理汽道特点蒸汽只在喷嘴中膨胀（喷嘴通道收缩）；蒸汽在动叶中不膨胀（动叶通道不收缩）无膨胀动叶汽道内蒸汽的流动情况01蒸汽冲动作用原理09页（4）冲动作用原理汽道特点动量定理：物体动量的增量等于它所受合外力的冲量即Ft=mΔv主要取决于单位时间内流过动叶通道蒸汽的流量及蒸汽速度的变化，蒸汽流量越大，速度变化越大，冲动力越大。冲动作用原理01蒸汽冲动作用原理10页（6）冲动作用原理利用冲动力做功的原理称为冲动作用原理，利用冲动力做功的级称为冲动级，冲动式汽轮机主要由冲动级组成。冲动式汽轮机02蒸汽反动作用原理11页（1）反动力的产生本质：原来静止或运动速度较小的物体，在离开或通过另一物体时，骤然获得一个较大的速度增加而产生的。F=ma,F反=-F火箭发射过程02蒸汽反动作用原理12页（2）蒸汽反动作用原理从喷嘴中出来的高速汽流，进入动叶通道给动叶施加了冲动力后继续膨胀，高速汽轮在离开动叶通道时给动叶施加了一个反作用力，在冲动力和反动力的共同作用下动叶旋转做功。蒸汽反动作用原理反动力冲动力02蒸汽反动作用原理13页反动作用原理特点反动力的大小特点：蒸汽不仅在喷嘴中膨胀，在动叶中也膨胀利用冲动力和反动力做功的原理称为反动作用原理依靠冲动力和反动力推动做功的级称为反动级。主要取决于单位时间内流过动叶通道蒸汽的流量及其在动叶中的膨胀程度，即加速度的大小。03多级汽轮机14页反动式汽轮机：主要由反动级组成,依靠冲动力、反动力和做功且二者基本相等.冲动式汽轮机：主要由冲动级组成，主要是冲动力做功。03多级汽轮机15页冲动式汽轮机的动叶片装在叶轮上，喷嘴安装在隔板上；由于反动式的动叶前后压差大，为减小轴向推力，不采用叶轮，动叶片直接装在转鼓上，喷嘴安装在持环上。内容小结16页0102级的反动度级的分类01级的反动度03页（1）蒸汽在级内热力过程

01t1

2hs2t

0－0截面：喷嘴进口截面；1－1截面：喷嘴与动叶之间截面(喷嘴出口、动叶进口)；2－2截面：动叶出口截面；蒸汽在级内热力过程线01级的反动度04页（2）汽轮机级的反动度定义：反映了蒸汽在动叶通道内膨胀程度的大小.蒸汽在级内热力过程线反动度直观地反映了蒸汽在动叶中的压力降占整个级中压力降的比例，间接反映出反动力的大小。

hbht*

02汽轮机级的分类05页汽轮机按照蒸汽在动叶内不同的膨胀程度，可将轴流式级可分为冲动级和反动级级的分类轴流式级冲动级反动级02汽轮机级的分类06页冲动级按照蒸汽在动叶内不同的膨胀程度，可分为纯冲动级、带反动度的冲动级和复速级冲动级复速级（双列速度级）纯冲动级带反动度的冲动级级的分类02汽轮机级的分类07页1.冲动级纯冲动级中蒸汽压力和速度的变化情况特点：蒸汽在喷嘴叶棚中膨胀，在动叶栅中不膨胀，只改变方向。动叶叶型近似对称弯曲，P1=P2，w1=w2，△hb,=0，效率低、做功能力大应用情况：应用很少（1）冲动级——纯冲动级（Ωm=0）02汽轮机级的分类08页1.冲动级冲动级中蒸汽压力和速度的变化情况特点：蒸汽膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行，只有一小部分在动叶栅中进行。P1>p2，W1<w2,△hn>△hb应用：冲动式汽轮机（2）带反动度的冲动级（Ωm=0.05~0.20）02汽轮机级的分类09页1.冲动级复速级中蒸汽压力和速度的变化情况特点：由一组静叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅及一组介于第一、二列动叶栅之间、固定在汽缸上的导向叶栅所组成的级，做功能力大，效率低。应用：小型汽轮机第一级（3）复速级1-喷嘴叶栅2—动叶栅3—导向叶栅4—动叶栅02汽轮机级的分类10页1.冲动级（3）复速级双列级：一列喷嘴+二列动叶+一列导向叶片双列级动叶片02汽轮机级的分类11页2.反动级（Ω=0.5）特点：对于反动级来说，蒸汽在静叶和动叶通道的膨胀程度相同，效率比冲动级小，做功能力大，p1>P2，w1<w2,△hb,=△h*n=0.5△h*t，动叶叶型与喷嘴叶型完全相同应用：反动式汽轮机反动级中蒸汽压力和速度的变化情况02汽轮机级的分类12页按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程分类：压力级和速度级按通流面积是否随负荷而变分类：调节级和非调节级（1）压力级：蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程在级内只进行一次的级。（2）速度级：蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程在级内进行一次以上的级。（1）调节级：通流面积能随负荷改变的级，如喷管调节的第一级。（2）非调节级：通流面积能不随负荷改变的级，可以全周进汽，也可以部分进汽。内容小结13页010203蒸汽在级内流动的概况蒸汽在喷嘴中的热力过程蒸汽在喷嘴中能量转换规律01蒸汽在级内的流动概况03页基本假设01蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的0203蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动01蒸汽在级内的流动概况04页基本方程式

方程式名称

表达式

连续方程式

能量方程式

气动方程式

动量方程式

状态及过程方程式

cdc=-vdppvk=conts02蒸汽在喷嘴中的热力过程05页（1）喷嘴内能量转换过程主轴叶轮动叶喷嘴冲动式汽轮机工作原理图降压升速蒸汽热能蒸汽动能蒸汽动能转子机械能蒸汽热能喷嘴内能量转换过程02蒸汽在喷嘴中的热力过程06页（2）蒸汽在喷嘴中流动相关说明·0－0截面：喷嘴进口截面；1－1截面：喷嘴与动叶之间截面(喷嘴出口、动叶进口)；2－2截面：动叶出口截面；滞止状态（0*状态）喷嘴进口状态（0状态）喷嘴出口状态（动叶进口状态，1状态）动叶出口状态（2状态）相关约定02蒸汽在喷嘴中的热力过程07页（3）蒸汽在喷嘴中的热力过程分析

01t1hs

蒸汽在喷嘴内流动热力过程线

“0”点喷嘴进口的蒸汽状态点，对应的压力是po、比含是ho“1t”点喷嘴出口蒸汽的理想状态点，压力是p1、比含是h1t“1”点喷嘴出口蒸汽的实际状态点，压力是p1、比含是h1"“0”点初速度为零的滞止状态点，对应的压力是p*0、比含是h*0典型点"0-0*”喷嘴进口蒸汽等嫡滞止到初速度为零的过程"0-1t”蒸汽在喷嘴中理想膨胀过程"0-1”蒸汽在喷嘴中实际膨胀过程典型过程03蒸汽在喷嘴中能量转换规律08页（1）力学条件式中负号说明流动过程中，压力和速度是相反方向变化的。也就是说，要使汽流的速度增加，就必须使汽流在适当的条件下膨胀以降低其压力。

喷嘴压力比，表示喷嘴出口压力与喷嘴进口滞止压力之比，当蒸汽性质和蒸汽初始滞止参数一定时，喷嘴出口理想速度取决于喷嘴压力比。dc

c

03蒸汽在喷嘴中能量转换规律09页（2）几何条件蒸汽流速与喷嘴截面的关系

=

03蒸汽在喷嘴中能量转换规律10页（2）几何条件当亚声速（Ma<1）汽流流过渐缩喷嘴时，蒸汽流速随喷嘴截面积的逐渐减小而增大，出口汽流速度最大只能等于当地声速。

=

03蒸汽在喷嘴中能量转换规律11页（2）几何条件当超声速（Ma>1）汽流流过渐扩喷嘴时，蒸汽流速随喷嘴截面积的逐渐增加而增大

=

亚声速汽流经过缩放喷嘴可变为超声速汽流，当汽流速度等于当地声速（Ma=1）时，喷嘴截面积变化率为零，这时的蒸汽状态为临界状态，状态参数为临界参数，临界参数下标加cr，如临界压力表示为pcr。03蒸汽在喷嘴中能量转换规律12页（2）几何条件

=

03蒸汽在喷嘴中能量转换规律13页（3）超音速的形成A.缩放喷嘴B.在现代大型汽轮机中，绝大部分喷嘴为渐缩喷嘴，对于在出口带斜切部分的渐缩喷嘴，汽流在斜切部分可达到超声速。03蒸汽在喷嘴中能量转换规律14页（4）临界速度

与当地声速相等的汽流速度称为临界速度，用ccr此时汽流所处的状态称为临界状态，汽流的参数称为临界参数03蒸汽在喷嘴中能量转换规律15页（5）临界压力比

临界压力比是一个比较重要的数值，可以判断喷嘴出口截面蒸汽的流动状态。03蒸汽在喷嘴中能量转换规律16页（6）喷嘴背压比

内容小结17页010203级的轮周效率最佳速比纯冲动级的最佳速比

=-

--

=

01级的轮周效率03页定义：每千克蒸汽在级内所做的轮周功Wu与该级所理想能量E0之比称为级的轮周效率。动叶损失系数余速损失系数喷嘴损失系数轮周效率结论：轮周效率的高低取决于喷嘴损失、动叶损失和余速损失的大小，影响轮周效率最重要的因素时余速损失的大小，要提高轮周效率，设法减小余速损失。02级的最佳速比04页（1）速比的定义研究发现，余速c2的大小和方向取决于动叶的轮周速度u与喷嘴出口汽流速度c1的比值，这个比值定义为速度比，简称速比，用x1表示，即

=

速比动叶圆周速度喷嘴出口汽流速度速比反映了喷嘴出口汽流与动叶结构的匹配程度，匹配的好，喷嘴的动能能充分地转化为机械能，余速损失就好，轮周效率就高。02级的最佳速比05页(2)最佳速比通常把对应于轮周效率为最高时的速比，称为最佳速比，用（x1）op表示最佳速度比的物理意义为：使动叶出口的绝对速度c2的方向角

2＝90，即轴向排汽，从而使c2值最小，轮周效率最高时的速度比。动叶进出口速度三角形c203纯冲动级的最佳速比06页（1）纯冲动级速度三角形分析（w1=w2）

03纯冲动级的最佳速比06页（1）纯冲动级速度三角形分析（w1=w2）

03纯冲动级的最佳速比07页（1）纯冲动级速度三角形分析（w1=w2）

OCBD

uu03纯冲动级的最佳速比08页（2）纯冲动级轮周效率与速度比之间的关系纯冲动级级的轮周效率和速度比的关系结论1：喷嘴损失系数随着速比的增加基本变化不大结论2：动叶损失系数随着速比的增加而减小线2线3线4结论3：余速损失系数随着速比的增加先减小后增大，余速损失系数达最小时轮周效率达最大，此时的速比是最佳速比，余速损失对轮周效率的影响比喷嘴损失和动叶损失大的多。线1内容小结09页0102级内损失概述喷嘴损失、动叶损失030405叶高损失、扇形损失叶轮摩擦损失部分进汽损失01级内损失概述03页二次流损失漏汽损失漏汽损失摩擦损失01级内损失概述04页凡是级内与流动时能量转换有直接联系的损失，称之为级内损失。级内损失喷嘴损失动叶损失湿汽损失漏汽损失部分进汽损失叶轮摩擦损失扇形损失叶高损失定义蒸汽在级内流动过程是不可逆过程。产生原因02喷嘴损失和动叶损失05页叶型损失摩擦损失尾迹损失涡流损失蒸汽流经叶栅时，在叶栅表面形成一附面层，在附面层内蒸汽流速不同，产生摩擦，形成损失尾迹中汽流的相互作用而产生的能量损失附面层分离时的涡流损失03叶高损失和扇形损失06页（1）叶高损失叶高损失也就是叶片的端部损失，本质上汽流在喷嘴和动叶栅的根部和顶部形成涡流所造成的损失（二次流损失，横向流动）叶栅中汽流二次流损失实质03叶高损失和扇形损失07页（1）叶高损失叶高损失主要取决于叶高，叶片高度较小时，叶高损失大叶栅中汽流二次流损失影响因素设计叶片高度大于15mm（采用部分进汽）采取措施03叶高损失和扇形损失08页（2）扇形损失汽轮机中实际应用的是环列叶栅，各截面偏离最佳值，带来了流动损失环形叶栅通道的断面示意图产生原因03叶高损失和扇形损失09页（2）扇形损失扇形损失与径高比的平方成反比，径高比越大，则扇形损失越小。扭叶片影响因素短叶片，径高比大，扇形损失小，长叶片，径高比小，扇形损失大，采用变截面扭叶片采取措施04叶轮摩擦损失10页叶轮两侧蒸汽的涡流运动引起的损失，涡流消耗轮周功，还使摩擦阻力增加。克服摩擦和带动蒸汽质点运动，要消耗轮周功。产生原因叶轮04叶轮摩擦损失11页叶轮摩擦损失与级的容积流量成反比。高压段容积流量较小，叶轮摩擦损失较大。大机组低压级叶轮摩擦损失很小，甚至可以忽略不计。影响因素在汽轮机低负荷运行时，级的容积流量小，叶轮摩擦损失大，引起排汽温度上升，影响机组的安全。注意05部分进汽损失12页（1）定义如果将喷嘴布置在隔板（或蒸汽室）的整个圆周上，使蒸汽沿整个圆周进汽，这种进汽方式称为全周进汽。为了增高喷嘴的高度，则将喷嘴布置在部分圆周上，使蒸汽沿部分圆弧进汽，这种进汽方式称为部分进汽。全周进汽部分进汽05部分进汽损失13页（1）定义部分进汽度e：装有喷嘴的弧段长度与整个圆周长度的比值表示部分进汽的程度,e=1,全周进汽。小汽机高压级和调节级需要采用部分进汽，喷嘴调节汽轮机部分进汽。部分进汽示意图喷嘴组示意图喷嘴组05部分进汽损失14页（2）组成斥汽损失示意图非工作弧段鼓出蒸汽而耗功工作弧段推动呆滞蒸汽消耗的机械能部分进汽损失鼓风损失斥汽损失05部分进汽损失15页（3）影响因素部分进汽损失与部分进汽度e有关，部分进汽度e越大则部分进汽损失越小，反动式汽轮机，全周进汽没有叶轮，鼓风损失和斥汽损失为0。全周进汽的级部分进汽损失为零。相关概念内容小结16页级内损失损失种类原因影响因素采取措施喷嘴损失、动叶损失附面层摩擦、尾迹形成涡流附面层厚度、出口边厚度叶型设计优化叶高损失叶片根部、顶部二次流叶片高度设计叶片高度大于15mm扇形损失环形叶栅引起的径高比采用变截面扭叶片叶轮摩擦损失叶轮两侧蒸汽的涡流运动叶轮带动蒸汽旋转级的容积流量叶轮表面设计光滑部分进汽损失喷嘴叶栅部分进汽部分进汽度采用合适的部分进汽度010203多级汽轮机概述多级汽轮机的热力过程多级汽轮机的特点01多级汽轮机概述03页（1）生产多级汽轮机的原因用电需求量大，需要大容量机组满足节能降耗要求满足环保要求多级汽轮机工作过程01多级汽轮机概述04页（2）多级汽轮机的定义及种类多级汽轮机是按工作压力高低顺序排列的若干级组成的。定义常见的多级汽轮机有两种，即多级冲动式汽轮机和多级反动式汽轮机。种类01多级汽轮机概述05页（2）多级汽轮机的定义及种类多级冲动式汽轮机多级反动式汽轮机02多级汽轮机的热力过程06页HPIPLPG锅炉高压缸中压缸凝汽器再热器主汽阀调节阀低压缸中压主汽阀中压调节阀过热器LP02多级汽轮机的热力过程07页主蒸汽再热蒸汽高压缸排汽中压缸排汽低压缸排汽低压缸进汽高压缸中压缸低压缸02多级汽轮机的热力过程08页五级凝汽式汽轮机的热力过程

hs

02多级汽轮机的热力过程09页五级凝汽式汽轮机的热力过程

hs

前一级的排汽状态点，就是下一级的进汽状态点。把各点连接起来，就是多级汽轮机的热力过程曲线。整个热力过程曲线由三部分所组成：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。03多级汽轮机的特点10页1多级汽轮机的循环热效率大大提高234多级汽轮机的相对内效率明显提高单位功率的投资和运行成本降低便于新技术的采用5增加了一些附加的能量损失、结构复杂内容小结11页60102多级汽轮机的重热现象多级汽轮机的余速利用01多级汽轮机的重热03页（1）重热现象产生的原因在h-s图上，在过热区内，随着温度增加，等压线是呈扩散形。因此，在h-s图上的两条等压线之间的距离（焓降）是随着熵的增加而增加的。这样一来，前一级的损失造成的熵增，能使后一级的理想焓降增加。即前一级的损失，加热了蒸汽本身，使后一级的进汽温度升高，即在后一级得到了利用——这就是多级汽轮机的重热现象。s五级凝汽式汽轮机的热力过程

h01多级汽轮机的重热04页（2）重热现象的本质

前一级的损失造成的熵增，能使后一级的理想焓降增加。即前一级的损失，在后一级得到了利用。01多级汽轮机的重热05页（3）重热系数五级凝汽式汽轮机的热力过程

0hs

01多级汽轮机的重热06页（4）重热现象对相对内效率的影响

1）整机的内效率大于各级平均内效率2）决不能误认为α越大越好。因为α增大，是以增加损失为代价的，而重热只能回收损失其中的一小部分。α大会使整机的内效率降低。3）提高汽轮机效率的根本途径是提高各级的相对内效率。结论02多级汽轮机的余速利用07页（1）余速利用对多级汽轮机热力过程线的影响余速利用后使汽轮机级的热力过程曲线向左侧偏移，使汽轮机的有效比焓降增大，效率提高结论余速利用对多级汽轮机热力过程线的影响02多级汽轮机的余速利用08页（2）余速利用对汽轮机相对内效率的影响余汽轮机级的余速利用能够使整个汽轮机的相对内效率有所提高。结论余速利用对多级汽轮机热力过程线的影响02多级汽轮机的余速利用09页（3）实现余速利用的条件（1）相邻两级的部分进汽度相同（2）相邻两级的通流部分过渡平滑（3）相邻两级之间的轴向间隙要小，流量变化不大（4）前一级的排汽角α2应与后一级喷管的进汽角α0g一致综上所述，多级汽轮机的中间级基本上都能充分地利用前一级的余速动能。02多级汽轮机的余速利用10页（4）余速不能利用的级（1）调节级（2）级后有抽汽口的级（3）末级内容小结11页60102多级汽轮机的效率汽轮发电机组的热经济性指标01多级汽轮机的效率03页（1）相关概念绝对效率相对效率以单位质量蒸汽在热力循环中所吸收热量为基础的效率是绝对效率以整机理想焓降为基础的效率是相对效率汽轮机性能评价指标01多级汽轮机的效率04页（2）汽轮机的相对内效率

输入输出

内部损失01多级汽轮机的效率05页（3）汽轮机的相对有效效率定义：有效功率Pe与理想功率Pt之比Pe输出输入

内部损失外部损失

01多级汽轮机的效率06页（4）发电机效率

输入PeP输出GP发电机输出的电功率Pe汽轮机轴端功率发电机效率定义：发电机输出的电功率与汽轮机输入的轴功率的比值发电机损失

01多级汽轮机的效率07页（5）汽轮机发电机组的相对电效率定义：发电机输出的电功率P与汽轮机的理想功率Pt之比输入PtP输出G内部损失外部损失发电机损失

01多级汽轮机的效率08页（6）汽轮机发电机组的绝对电效率定义：在整个热力循环中加给1kg蒸汽的热量所转变为电能的份额称为汽轮发电机组的绝对电效率输入Q0P输出内部损失外部损失发电机损失冷源损失

锅炉损失管道损失02汽轮发电机组的热经济性指标0