汽轮机原理第二章

1、第二章多级汽轮机，讲师：张丽萍，第二章多级汽轮机，第一节多级汽轮机的优点和特点，第二节进气阻力损失和排气阻力损失，第三节汽轮机及其设备的评价标准，第四节轴封及其系统，第五节多级汽轮机的轴向推力和平衡，第六节单排气口凝汽式汽轮机的极限功率，第一节多级汽轮机的优点和特点， 多级汽轮机的优点和问题多级汽轮机的效率大大提高了多级汽轮机的循环热效率，多级汽轮机的相对内部效率明显提高，多级汽轮机每级的比焓降较小，当速比不变时，每级的周向速度和平均直径较小，叶片高度损失减小，喷嘴流量效率较高。 多级汽轮机的上一级损失可部分被下一级利用，从而提高了整机的相对内部效率。多级汽轮机的单位功率投资大大减少了多级汽轮

2、机存在的问题，增加了一些附加损失。例如，由于多级隔膜泄漏损失，装置的长度和质量相应增加。随着新蒸汽和再热蒸汽温度的提高，对零件金属材料的要求提高，零件数量增加。多级汽轮机结构更加复杂，整机成本相应增加。然而，就单位功率的制造成本而言，多级汽轮机远低于单级汽轮机，前一级的一小部分损失可用于后一级。这种现象被称为“多级汽轮机的再热现象”。(2)再热系数多级汽轮机的相对内部效率在公式中，称为再热系数，始终为正值。重新获得热量是为了使整个汽轮机的相对内部效率大于每一级的平均相对内部效率，即，第四级汽轮机的简化热力学过程线，1。高压段位于多级汽轮机的高压段，工作蒸汽压力和温度高，比容小，因此流经该级的蒸

3、汽体积小，所需的循环面积也小。对于小容量汽轮机，有必要确保有足够的喷嘴高度，以减少端部损失和提高喷嘴效率。在高压段的每一级，可能的级内损失包括喷嘴损失、转子叶片损失、剩余速度损失、叶片高度损失、风扇类型损失、蒸汽泄漏损失、叶轮摩擦损失、部分入口蒸汽损失等。2.低压段低压段的特点是蒸汽流量大，这就要求低压段各级有很大的循环面积，所以叶片高度必然很大。由于蒸汽体积流量大，流通面积有限，剩余速度损失大，但每一级损失的动能一般可用于下一级；低压段位于湿蒸汽区，湿蒸汽损失较大。叶片高度很大，而漏汽间隙的比例很小，所以漏汽损失和叶片高度也很小；蒸汽比容大，所以叶轮的摩擦损失很小；采用全日制录取，因此不存在

4、部分录取损失。3.中压段的情况介于高压段和低压段之间。该段蒸汽比容不如高压段小，因此蒸汽泄漏损失小，叶轮摩擦损失小；叶高的损失小于第二叶高的损失。一级的剩余动能通常可以被下一级利用。可以看出，中压段各级的级内损失较小，效率高于高压段和低压段。1.进汽阻力损失(附图)在进入汽轮机第一级之前，蒸汽必须经过主阀、调节阀和蒸汽室，这将产生压降，其中主阀和调节阀的压降最大。如果蒸汽p的散热损失一般情况下，设计要求蒸汽流经主阀和管道的速度应小于或等于4060米/秒，蒸汽入口压降应控制在以下公式内：(2.2.1)、和回流；2.排气阻力损失(附图)进入汽轮机的蒸汽工作结束后，将通过排气管从末级动叶片排出。当废

5、气在排气管中流动时，它将由摩擦和涡流引起。排气管阻力系数，单位为千帕(2 . 2 . 2)；排气管中的气体流速；对于冷凝装置，排气管出口压力是冷凝器等待压力。冷凝装置和背压装置排气管中的蒸汽流速。阻力系数变化范围大。对于冷凝机组，冷凝器一般布置在汽轮机下方，排气管内的气流方向需要改变90，造成很大的损失。正常情况下，汽轮机排气阻力损失。对于大功率凝汽式汽轮机，末级蒸汽流量相对较大，因此总流量相当大。为了提高机组的经济性，可以通过扩散的方法将乏汽的动能转化为静压，以补偿排气管中的压力损失，使排气管不仅是排气通道，而且是扩散管。在这种情况下，如果排气管的进气马赫数，即不考虑压缩性的影响，排气阻力损

6、失可由以下公式计算：(2.2.3)其中：、由于冷凝式汽轮机排气管中扩散器的位置不同，排气管类型也不同。如图2.2.3所示，图中显示了两种不同的排气管形式。不同之处在于，在图a中，废气蒸汽首先扩散然后转向，而在图b中，废气蒸汽首先转向然后扩散。前者蜗壳内的排汽量小，附加损失小，但轴向尺寸大；在后一种情况下，排汽在蜗壳内有一个大转弯，附加损失较大，但轴向尺寸较小。一般来说，排气管的质量可以用能量损失系数和静压恢复系数来衡量，这也是汽轮机热力设计的依据之一。当蒸汽进入排气管的速度较低时，即马赫数为0.3时，可以将排气视为不可压缩流体，并在排气管的进出口处建立能量平衡方程：(2.2.4):排气管进出口

7、处的蒸汽静压；排气管进出口蒸汽密度；排气管进出口蒸汽流速；蒸汽流过排气管的压力损失。在图2.2.3中，排气管出口每立方米蒸汽的流动能量实际上是损失的，因为它不改变排气管中的静压，所以等式2.2.4可以写成(2.2.4a)，这是排气管中蒸汽的总损失。将(2 . 2 . 4)改为(2 . 2 . 4)，称为静压恢复系数；阶，称为能量损失系数，给出了(2.2.4c)，蒸汽通过排气管进入冷凝器的过程可分为三种情况：1)排气管的入口和出口压力相等。扩散器恢复的静压头等于克服排气管阻力所消耗的静压头。2)排气管的出口压力高于入口压力。如果排气管压力(即凝汽器喉部压力)不变，显然排气管入口压力(即汽轮机末级

8、出口压力)将会降低，即低于凝汽器喉部压力，这将增加汽轮机的有效比焓降，提高机组效率。因此，降低能量损失系数和提高静压恢复系数是排气管设计的目标。3)排气管的出口压力低于入口压力。此时，排气管的阻力损失非常大，蒸汽流通过排气管时回收的势能不足以补偿损失，需要消耗一部分静压头来克服排气管的阻力。这种情况可能是由于扩散器效果不佳或排气管阻力过大造成的。当然，未设计成扩散器的排气管的能量损失系数总是大于1。第三部分对汽轮机及其装置进行了评估和估算。对于没有回热抽汽、前后轴封和阀杆泄漏的纯凝汽式汽轮机，该比值称为汽轮机相对内部效率。(2.3.1)和在整个热力循环中添加到1kg蒸汽中的热量之间的比率称为汽

9、轮机的绝对内部效率，其由公式(2.3.2)中新蒸汽进入汽轮机的比焓表示；对于纯凝汽式汽轮机，凝结水的比焓，即汽轮机排汽压力下的饱和水的比焓和末级高压加热器出口给水的比焓由回热抽汽式改变。当机组水泵耗电，蒸汽动力装置按朗肯循环运行时，忽略循环热效率。在汽轮发电机组中，效率可分为两类：基于整机理想比焓降的效率称为相对效率；通过在整个循环中增加到1kg蒸汽中的热量来测量，它被称为绝对效率。汽轮机的内部效率为(2.3.3)，即汽轮机入口流量，单位分别为t/h和kg/s。为了克服径向轴承和推力轴承的摩擦阻力，驱动主油泵和调速器，汽轮机运行时需要消耗一定的功率。这三个功率消耗的总和称为汽轮机的机械损失。扣

10、除机械损失后，汽轮机的轴端功率小于内部功率。如果汽轮机的机械效率用(2.3.4)表示，考虑到发电机的机械损耗和电气损耗，发电机出口端的发电机功率小于汽轮机的轴端功率。为了表示涡轮发电机组的发电机效率和相对内部效率，那么(2.3.5)、和(2.3.6)，那么公式(2.3.5)可以写成(2.3.5a)，在1kg蒸汽的理想比焓降中转换成电能的部分被加到整个热力循环中，即(2.3.7)每1kw.h电能的蒸汽消耗被称为蒸汽消耗率，其被表示为d: kg/kw.h (2.3.8)，和t/h；再热蒸汽流量，t/h。再热蒸汽的初始比焓，kj/kg；高压缸排汽比焓，kJ/kg。第4节轴封及其系统齿形轴封广泛应用于

11、汽轮机中，以阻止各处的空气泄漏，从而提高汽轮机的效率。弧形轴封常用于汽轮机高压段。光轴封常用于汽轮机低压段。齿轴密封齿轴密封分为高低速齿轮轴密封(也称为迷宫式轴封)和平面齿轮轴密封(也称为光轴轴封)。(1)迷宫式轴封的工作原理图2.4.1(a)是迷宫式轴封的通用示意图。如果大致认为每个轴封孔的环形蒸汽泄漏面积相等，并且通过每个孔的蒸汽流量相同，则每个孔在依次流过每个轴封件时都有或(2.4.4)蒸汽持续膨胀，蒸汽密度持续降低。在恒定条件下，从公式2.4.4可以看出，蒸汽流量将不可避免地增加。(2)齿形轴封1的蒸汽泄漏计算。曲线轴封漏汽量的基本计算公式(1)最后一个轴封孔处的流速还没有达到临界速度

12、，那么蒸汽流孔处的流速就在公式中，即环形蒸汽室x处的蒸汽密度。通过该孔的漏汽量可以根据连续方程计算，其中它是轴封孔的漏汽面积；是轴封孔口的蒸汽泄漏系数。(2)最后一片轴封孔处的流速已达到临界流速。根据喷嘴临界流量公式，当最后一片轴封口的流速达到临界速度时，轴封漏汽量为、因此，当最后一片轴封口的流速达到临界速度时，取k=1.3，当最后一片轴封口的流速达到过街速度时，轴封漏汽量为、2迷宫式轴封漏汽量的流量系数。蒸汽通过轴封孔的速度由锥形喷嘴的速度公式计算，但事实上，轴封孔和锥形喷嘴之间存在一些差异。因此，轴封漏汽流量系数应通过实验计算，以修正上述计算。试验得到的套筒密封孔流量系数与轴封齿的形状和几

13、何参数有关，见图2.4.2。从图中可以看出，轴封齿在进汽侧不应做成弧形或斜面状，泵送密封齿的锐边应保留，此时流量系数较小。然而，在汽轮机运行期间，轴封齿的锋利边缘将被摩擦钝化。此时，流动情况接近喷嘴，并且流动系数将增加到接近1。如上所述，为了防止蒸汽泄漏以减少蒸汽泄漏的损失或防止空气泄漏到汽轮机的低压部分并影响机组的真空，在汽轮机汽缸的两端安装了齿形轴封。汽包两端的轴封称为端轴封或外轴封，以区别于防止汽包蒸汽泄漏的隔离轴封。端轴封及其连接的管道和辅助设备构成轴封系统。图2.4.7为国产300Mw凝汽式汽轮机轴封系统示意图。从图中可以看出，高压缸的前轴封甲由七段六室组成，后轴封乙由五段四室组成；中压缸的前轴封有六段五室，后轴封有三段两室；低压缸的端轴密封件e、f、g和h由三个部分和两个腔室组成。第5节多级汽轮机1的轴向推力和平衡。轴向推力在轴流式汽轮机中，通常高压蒸汽从一端进入，低压蒸汽从另一端流出。总的来说，蒸汽对汽轮机转子施加从高压端到低压端的轴向力，使汽轮机转子趋向于向低压端移动。这个力被称为转子的轴向推力。(1)冲击式汽轮机的轴向推力整个转子