叶轮机械原理西安交大.ppt

1、王新军，Xi交通大学能源与动力工程学院热能动力工程系，热力涡轮机原理，4.5湿蒸汽级能量转换(多级蒸汽轮机专题4)，湿蒸汽：干蒸汽和水滴的混合物。湿蒸汽轮机(级):在湿蒸汽区工作的蒸汽轮机(级)。包括：多级汽轮机、地热汽轮机、核电汽轮机(压水堆：饱和蒸汽)和核电汽轮机的末级。湿气对汽轮机(级)的运行有两个影响：(1)湿蒸汽的损失；(2)动叶片和气缸材料磨损；并且水分会在一定程度上影响干燥蒸汽的运行。涡轮(级)效率降低。水滴高速撞击转子叶片和气缸表面，导致叶片或气缸材料表面脱落和腐蚀。(1)汽轮机内湿蒸汽的流动过程及湿蒸汽损失的原因；(1)在湿蒸汽流动过程中，蒸汽根据等熵过程方程定律膨胀，并始终

2、处于热力学平衡状态；随着膨胀，湿度应不断增加，这与i-s图一致；然而，将蒸汽分子凝结成水滴的过程需要一定的条件；当两个或两个以上的气体分子偶然接触在一起时，它们可能形成一定半径的热力学平衡凝聚核；这样，蒸汽在膨胀蒸汽流中的冷凝需要一定的时间；因此，膨胀喷嘴中每个点的实际状态不能对应于i-s图上的bc点。当自发产生的凝结核数量足够大时，其他蒸汽分子可以以此为核心迅速大量凝结；也就是说，当过热很少的蒸汽膨胀到喷嘴中的湿蒸汽区域时，如果蒸汽非常干净，蒸汽不会立即冷凝产生水分；蒸汽仍然按照过热蒸汽的膨胀规律膨胀，这叫做过饱和。蒸汽状态称为过饱和状态或过冷状态，这是热力学中的不平衡状态。蒸汽中发生自发冷

3、凝(几乎突然)，并返回到热力学平衡状态；当过饱和蒸汽继续膨胀到过饱和极限点(湿度约为3.54%)时，蒸汽会突然冷凝，产生冷凝水。水滴直径约为0.01米，蒸汽在湿蒸汽平衡状态下等熵膨胀。c点的湿度对应于d点的湿度。2)湿蒸汽损失的原因。湿蒸汽的流动过程相当复杂，涉及到蒸汽的过饱和、自发凝结以及水滴的运动学和动力学。水滴的产生过程和损失原因如下：过饱和和过饱和损失。当蒸汽在涡轮级叶栅通道中膨胀到湿蒸汽区时，会出现过饱和现象。由于过饱和，在给定的压力范围()内，理想焓降减小()，功能力也相应减小。代表能量损失过饱和损失。随着水滴的形成和增长，蒸汽从亚平衡过饱和状态迅速转变为热力学平衡湿蒸汽状态。水滴

4、的温度非常接近蒸汽的温度，水滴和蒸汽之间有恒定的热量和质量传递。一方面，部分水滴又迅速蒸发成蒸汽；另一方面，蒸汽继续凝结在水滴上，形成更大的水滴。这个过程被称为水滴生长。蒸汽凝结形成水滴的过程非常快，可以认为是一种瞬时现象；而水滴的生长过程需要很长时间。生长后，水滴的直径在0.011.0米之间，第一次出现雾滴。运动中的水滴可能会碰撞。水滴的表面张力会合并成一个更大的水滴，这将减少水滴的数量。水滴的运动和沉积，第一雾滴在级联通道中随蒸汽流一起运动，并且由于水滴的惯性和扩散，水滴或水滴在不同程度上与蒸汽分离。大直径水滴惯性力大，保持水滴原始运动方向的能力强，且与蒸汽流过早分离，导致水滴撞击并惯性沉

5、积在叶片表面；一些直径较小的水滴随着主蒸汽流向叶栅下游移动；另一部分在蒸汽涡旋的影响下靠近边界层，通过布朗运动穿过边界层，碰撞沉积在叶片表面进行扩散沉积；一次水滴在内弧沿叶高的相对沉积量，二次水滴在内弧沿轴向位置的相对沉积量，二次水滴在后弧沿叶高的相对沉积量，二次水滴在内弧沿叶高、后弧沿叶高、内弧沿轴向位置、后弧沿轴向位置的相对沉积量，水膜的移动和撕裂以及二次水滴的形成， 从蒸汽流中分离出来的水滴撞击并沉积在叶片表面，形成厚度为10，300米的水膜； 沉积在静叶表面的水膜在蒸汽剪切应力的作用下向静叶出口边缘移动，并在静叶出口边缘附近撕裂形成大分散的粗水滴(d10m)，其最大直径可达毫米级粗水滴

6、(二次水滴)。沉积在动叶片上的水膜被甩到筒壁上，靠离心力排出；图4.12汽轮机中水和摩擦阻力损失的图形。一般来说，汽轮机中的水滴可分为两类：大部分是由蒸汽自发凝结和增长形成的水滴。直径d1m。小部分是由静止叶片出口处的水膜撕裂形成的大水滴，直径d=5500米；水滴的运动速度低于蒸汽(水滴直径越大，速度越低)。低速运动的水滴会对高速运动的蒸汽产生一种摩擦阻力，因此蒸汽消耗的动能称为摩擦阻力损失。制动损失，定子叶片出口边缘水膜撕裂形成直径较大的粗水滴。蒸汽流加速时间短，所以水滴的运动速度远低于蒸汽流。大水滴不能顺利进入转轮，而是冲击在转子叶片后弧的进口部分。在流动过程中产生直径较小的水滴(d1m)

7、，其运动速度接近蒸汽速度，惯性力也较小，可以随蒸汽流顺利通过运动的叶栅通道；图4.13蒸汽和二次水滴的速度三角形，导致两个问题：图4.14汽轮机转子叶片水蚀、疏水损失、转子叶片、定子叶片和汽缸表面沉积水膜，通过疏水装置排出汽轮机级。它属于流动损失，减少工作介质的工作称为疏水损失。(2)湿蒸汽损失计算：湿蒸汽损失发生在汽轮机级湿蒸汽流动过程中，造成损失的原因有四个：1)过饱和现象过饱和损失；2)水滴运动摩擦阻力损失。3)水滴冲击转子叶片后弧-制动损失，4)疏水-疏水损失，特点：这四种损失不能准确直接计算；它不能直接测量。湿蒸汽损失功率的简单计算公式：考虑湿蒸汽损失后的级内功率：考虑湿蒸汽损失后的

8、级内效率：其中：y蒸汽湿度；蒸汽质量。蒸汽干度(湿度)的选择方法：该级入口蒸汽状态为湿蒸汽状态，合理的方式是取入口y0和出口y2之间的中间点m；几何平均值：如果取ym作为计算的湿度值；算术平均值：选择，该级的进汽状态为过热蒸汽状态，排气点在湿蒸汽区，根据进汽状态的湿度值(y0=0)计算，几何平均值：make，则取ym作为计算的湿度值；算术平均：选择，第三，防止动叶片水蚀的方法，1)采用中间再加热；2)转子叶片顶部硬化，加入钨铬钴合金护条，选用高合金叶片钢；图4.15，增加防护叶片，3)各种除湿装置和措施，如排水孔/环、外水分离器、内置汽水分离器、带除湿间隙的空心定子叶片、空心定子叶片内部加热、

9、空心定子叶片间隙加热和吹扫；图4.17带齿叶片示意图，轴向推力的定义：在轴流式汽轮机中，通常高压蒸汽从汽轮机的一端进入；低压蒸汽从另一端离开汽轮机。总的来说，蒸汽对汽轮机转子施加了从高压端到低压端的轴向力，这使得转子趋向于向低压端移动。这个力叫做轴向推力。4.6轴向推力及其平衡(多级汽轮机的第五个特殊问题)，轴向推力的影响：单级汽轮机：多级汽轮机：高蒸汽参数，多级，相当大的轴向推力(23 MN)。推力轴承不能单独承受，所以必须采取其他一些平衡措施。轴向推力小，完全可以由推力轴承承受，问题不突出；1。冲击式汽轮机轴向推力的三个组成部分：图4.19冲击级轴向推力计算示意图，动叶片受蒸汽流作用，轴向

10、、周向、轴向蒸汽力作用在所有动叶片上，全循环进汽级、部分进汽级、双排复合速度级、轮盘两侧压差产生的轴向力、全循环进汽级部分进汽级：在进汽口和轮盘的整个圆周上设有平衡孔： 并且转子在膜片压盖处的轴向力假定如下：1)膜片压盖孔的数量是2)每个孔的压差是相同的，有：每个涡轮级的轴向推力是：整个转子的轴向推力是平衡的，平衡的目的是减小转子的轴向推力，以便第二，转子上的推力及其平衡，平衡方法：在涡轮的高压端安装一个平衡活塞； 打开平衡孔；多缸汽轮机可采用特殊布置；使用推力轴承来承受多余的轴向推力。平衡活塞安装在涡轮机的高压端，目的是产生反向推力(低压和高压)，以部分抵消转子的轴向推力。打开平衡孔的目的是

11、减小轮盘的受力面积。图4.21转子平衡孔照片显示多缸汽轮机可采用特殊(反向)布置。目的：部分抵消每个转子的轴向力，1-高压缸；2-中压缸；3-低压缸图4.22高、中压缸分体布置示意图，图4.23中进汽(低压缸)两侧排汽图1，图4.23中进汽(低压缸)两侧排汽图2，采用推力轴承承受多余轴向推力，图4.24中进汽(低压缸)两侧排汽图，4.7热力设计原理(多级汽轮机特殊问题6)z系列；每级的类型和主要尺寸()要满足汽轮机功率和效率的要求。主要指汽轮机通流部分的设计(气动参数和几何参数)。1.热力设计要求和内容：1)设计要求和安全性：确保汽轮机在所有工况下都具有高度的安全性和可靠性；经济性：要求汽轮机

12、在设计条件/其他运行条件下具有较高的内部效率；结构：结构紧凑，系统简单，尽可能零件系列化和通用化。2)设计内容，确定汽轮机的基本参数(包括：初始蒸汽压力p0、初始温度t0、功率ne、转速N)；汽轮机的重量、长度和材料消耗，成本比较；汽轮机零件概况分析；汽轮机设计水平的分析和比较；汽轮机详细方案图、流道图和纵剖面图。汽轮机系列z、级型、叶片高度l1和l2、内部效率等。3)基本参数、入口蒸汽参数(p0、t0):电站汽轮机蒸汽参数已系列化(目前也有非标准参数)，低压系列为：1.27 MPa/3402.35 MPa/390，对应功率：750kW、1500kW，对应功率：1500/3000/4500 k

13、W，中压系列为3.43MPa/435对应功率：6000/12000/5000 超临界系列：初始压力22.2 MPa，初始温度565，超超临界系列：初始压力25 MPa，初始温度600，排汽参数(pz):分为几个选择范围，主要有热力系统与给水温度有关，热力系统：与蒸汽初始参数、机组容量和抽汽系列有关。 提取阶段和给水温度：分为几个范围(参考相应的标准)。转速：发电机汽轮机n=3000 r/min；或：n=1500 r/min(双极发电机)；或：n=5600 r/min(带齿轮箱)。在满足汽轮机功率要求的前提下，有许多热力设计方案，但技术经济性(如相对内部效率等)较差。)和制造成本是不同的，因此有

14、必要对这些方案进行比较。根据实际驱动对象确定驱动汽轮机；或者采用变速汽轮机。2.主要参数之间的关系在多级汽轮机热力设计过程中，需要考虑的因素很多，这些参数相互关联，相互影响。有必要分析这些参数之间的关系。(1)速度与涡轮重量的关系，它与速度的m次方成反比：(1)涡轮重量越轻，材料消耗越少，制造成本越低；2)可以适当减少涡轮级的数量Z和平均直径dm。随着叶片高度l和部分进气角e的增加，汽轮机效率提高。汽轮机设计的第一原则：在多级汽轮机的设计中，选择高转速有利于提高方案的经济性。速度选择的限制：速度选择还取决于外部负荷的影响，发电用汽轮机受发电机工作特性的限制。涡轮转速n=3000r转/分钟。核电

15、汽轮机：叶片高度大(为保证通流面积、流量和功率)，可采用半速n=1500 r/min(两对发电机电极);小功率汽轮机：为了减小尺寸，采用更高的转速n=5600 r/min或n=900010000 r/min，但需要一个减速器将转速降低到n=3000 r/min才能与发电机连接。由于受驱动负荷的工作特性曲线的影响，驱动汽轮机有多种选择。大型舰船用汽轮机转速可达n=60008000 r/min。2)级数与平均直径的关系：根据现代汽轮机的设计实践，级数与平均直径的比值应保持在一定的速度。原因：如果z系列超过一定限度，就会带来：转子细长，强度和振动不合适。比率增加，需要更多扭曲的叶片；如果级数z太小，平均直径就会增加。这将导致：(1)叶片高度l和部分进气度e大大降低，严重影响涡轮效率；叶轮(叶片)的离心力增加，并受到材料的限制。3)各级平均直径之间的关系，等内径整体锻造转子，用途：主要用于绝热焓降小的背压式汽轮机。特点：流道内径相同，每级平均