1++概述及基本概念-3.ppt

1、2020/8/11,1,汽轮机部分,汽轮机原理，沈士一，中国电力出版社 汽轮机原理，翦天聪，水电出版社 汽轮机与燃气轮机原理及运行，黄庆宏，东南大学出版社 电厂热力设备及运行，盛伟，中国电力出版社,参考教材,2020/8/11,2,第0章 概 述,汽轮机又称“蒸汽透平 Steam Turbine”, 是一种以水蒸气作为工质，将蒸汽的热能转换为机械功的旋转叶轮式发动机。 优点及特点： 转速高、运行平稳、工作可靠、单机功率大、热经济性高，便于与发电机直接连接等。 三高（高温、高压、高转速） 作用 将蒸汽的热能转变为机轴上的机械能。 应用场合 现代火电厂、核电厂、大型船舶等，为人类提供80左右的电能

2、。 新能源（太阳能、生物质等）。,汽 轮 机,2020/8/11,4,汽轮机构造,2020/8/11,5,汽轮机本体包括： 1. 静止部分 汽缸、喷嘴室、隔板、隔板套、静叶栅、汽封、轴承、轴承座、滑销系统等 2. 转子部分 主轴、叶轮（或转鼓）、动叶栅、联轴器等,2020/8/11,6,大机组结构特点,一、高中压缸采用双层缸 将一定压力的蒸汽引入夹层，使蒸汽的总压差、温差分别由内、外壁承担。减小单层汽缸壁厚、法兰厚度，减小热应力 本图是高压缸排汽用作夹层冷却,不同的冷却蒸汽决定了内、外缸的压差和温差,2020/8/11,7,2020/8/11,8,2020/8/11,9,汽轮机工作原理,202

3、0/8/11,10,2020/8/11,11,2020/8/11,12,2020/8/11,13,一般汽缸都是上下缸结构，中间通过法兰螺栓连接 但大机组、尤其是超临界机组高压缸为了减小热应力，采用了一些其它方式。 西门子公司： 外缸为圆筒形结构；内缸有中分面，用螺栓固定；内缸受外缸约束、定位。 石洞口二电厂（ABB）、元宝山电厂等 内缸无法兰螺栓，而采用7只钢套环将上下缸热套紧箍成一圆筒，仅在进汽部分加四只螺栓来加强密封。 同时外缸可采用较薄的法兰和细螺栓，减小对汽机启停的限制。,2020/8/11,14,二、高中压分流合缸 优点： 高温区集中在汽缸中部，夜间停机或周末停机温度衰减慢，启动热应

4、力小，适合两班制运行； 两端的温度、压力均较低，从而减少了对轴承和端部汽封的影响，改善了运行条件； 减少了轴承数，可缩短主轴长度。 缺点： 高中压转子合一而变长、变粗，ncr1降低、汽封漏汽量增大，热耗增大,2020/8/11,15,三、低压缸采用多层缸,2020/8/11,16,汽轮机内的能量转换,工作蒸汽先在喷管内进行膨胀，压力降低而速度增大，形成一股高速汽流，此高速汽流喷射到动叶上，推动转子转动，因而使蒸汽的热能转变为机械能。,蒸汽热能,汽流的动能,机轴上的机械能,喷管内,动叶内,2020/8/11,17,几种原动机比较,汽轮机（蒸汽轮机、透平） 燃气轮机 工质：蒸汽 工质：燃气 作用：

5、热能机械功 作用：热能机械功 方式：旋转式 方式：旋转式 蒸汽机 工质：蒸汽 作用：热能机械功 方式：往复式,2020/8/11,18,汽轮机的发展,公元一世纪时，亚历山大的希罗记述了利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球，又称为风神轮，这是最早的反动式汽轮机的雏形。 1629年意大利的布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮。 1883 ,瑞典拉伐尔（Laval）第一台轴流式3.7kW冲动式汽轮机，转速2600r/min 1884 1894，英国巴森斯（Parsons）相继造出轴流式多级反动式、辐流式、背压式汽轮机 1900前后，美国寇蒂斯（Curtis）创造出现在通用的寇蒂斯（复速级）单级汽轮机

6、同期，法国拉透（Rateau）和瑞士崔利（Zoelly）制造出多级冲动式汽轮机 19031907，出现了热电联产的背压式和调节抽汽式汽轮机 1920左右，给水回热式汽轮机 1925，中间再热式汽轮机 ，现代汽轮机发展的基本方向是以增大单级功率为中心线索的。例如，1980年苏联制造的1200MW单轴汽轮机,2020/8/11,19,发展趋势,采用大容量机组 a.大容量机组，电厂经济性高效率高 b.单位功率机组成本低，单位功率造价低 c.安装周期短，电站数目减少,例如：600MW机组热耗率约7800kJ/(kWh) 125MW机组热耗率约8500kJ/(kWh) 每年可节约大约五万吨标准煤,202

7、0/8/11,20,提高蒸汽初参数 主蒸汽压力、温度 根据卡诺循环、朗肯循环的基本原理，火电机组的循环热效率随主蒸汽压力和温度的上升而提高。 （耐高温和高压金属材料） 亚临界机组：初压16-18MPa，初温535-565 超临界机组：初压22.2-24MPa,发展趋势,2020/8/11,21,采用燃气/蒸汽联合循环、IGCC,发展趋势,2020/8/11,22,提高机组的运行水平 安全性： 在调节系统、保安系统、监控系统中普遍应用计算机技术、计算机网络技术。 经济性： 各种最优化运行方式，如在低负荷范围内的滑压运行、优化操作指导系统。,发展趋势,2020/8/11,23,汽轮机制造企业,美国

8、通用（GE），冲动式，年产能20000MW，世界最大的汽轮机制造企业 美国西屋（WH），反动式，年产能10000MW 瑞士勃朗.鲍维利（BBC），反动式，年产能10000MW 法国阿尔斯通（Alstom），冲动、反动式，年产能10000MW 俄罗斯列宁格勒金属工厂(俄罗斯最大)、哈尔科夫汽轮机厂 日本日立、东芝冲动式（GE专利），三菱反动式（WH专利），年产能40005000MW,哈尔滨汽轮机厂，冲动式，年产能12000MW （2006年数据） 上海汽轮机厂，反动式，1955年试制成功中国第一台6MW汽轮机 ，目前与西门子合资。年产能15000MW（2004年数据），产量和产能双双跃居世界首位

9、 。核心制造能力超过30000MW（2009年） 东方汽轮机厂，冲动式，大型汽轮机国内市场三分之一的份额 ，核心制造能力28000MW （2009年） 北京重型电机厂、青岛、武汉、杭州、南京汽轮机厂,我国东方汽轮机厂、哈尔滨汽轮机有限公司、上海汽轮机有限公司三个制造厂家分别与国外支持方（日立、东芝、西门子）在不同合作方式下设计生产了超超临界1000MW 汽轮机。（2007年）,2020/8/11,24,2汽论机分类：,汽轮机,冲动式汽轮机,反动式汽轮机,凝汽式汽轮机,供热式汽轮机,背压式汽轮机,调节抽汽式汽轮机,低压汽轮机,中压汽轮机,高压汽轮机,超高压汽轮机,亚临界压力汽轮机,超临界压力汽轮

10、机,按作功原理分,按功能分,按参数高低分,2020/8/11,25,汽轮机的分类,2020/8/11,26,汽轮机的分类,2020/8/11,27,汽轮机的分类,2020/8/11,28,汽轮机的分类,2020/8/11,29,汽轮机的分类,2020/8/11,30,汽轮机型号,汽轮机产品型号的表示方法： 类型 形式 N 凝汽式（冷凝式） B 背压式（排汽压力大于大气压） C 一次调节抽汽式（不包括回热抽汽） CC 两次调节抽汽式 CB 抽汽背压式 G 工业用 H 船用 Y 移动式,汽轮机热力特性或用途,蒸汽参数,额定功率 (MW),设计次序,2020/8/11,31,蒸汽参数：初压/初温/再

11、热温度/抽汽压力/背压（压力MPa；温度）,凝汽式机组（N） 新蒸汽压力 / 新蒸汽温度 中间再热式机组(N) 新蒸汽压力 / 新蒸汽温度 / 中间再热温度 抽汽式机组（CN） 新蒸汽压力 / 抽汽压力 抽汽背压式机组(CB) 新蒸汽压力 / 抽汽压力/背压 背压式机组（B） 新蒸汽压力 / 背压,汽轮机型号,例：,表示50MW凝汽式汽轮机蒸汽初压8.82MPa；,表示200MW凝汽式汽轮机，有中间再热蒸汽初压 12.75MPa / 蒸汽初温535 / 中间再热温度535；,表示25MW背压式汽轮机蒸汽初压8.82MPa / 背压 0.98MPa；,表示12MW两次抽汽式汽轮机蒸汽初压3.43

12、MPa / 高压抽汽压力0.98MPa / 低压抽汽压力0.118MPa,2020/8/11,32,第一章 汽轮机级的工作原理,2020/8/11,33,第一节 基本概念,一 汽轮机的级、级内能量转换过程 汽轮机的级：静叶栅动叶栅是汽轮机作功的最小单元。,能量转换的主要部件是一组喷管和一圈动叶，由它们组合而成的工作单元，称为汽轮机的一个“级”。,1-静叶栅（喷嘴） 2-动叶栅 3-隔板 4-叶轮 5-主轴,2020/8/11,34,00截面：喷嘴进口截面； 11截面：喷嘴与动叶之间截面(喷嘴出口、动叶进口)； 22截面：动叶出口截面； 各截面上的参数 分别以下标 0、1、2表示。 如： 喷嘴进

13、口压力； 喷嘴出口温度， 动叶进口温度。,级的组成,2020/8/11,35,2020/8/11,36,2020/8/11,37,汽轮机级内的工作过程,2020/8/11,38,叶片,2020/8/11,39,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。,级内能量转换过程,2020/8/11,40,2020/8/11,41,2020/8/11,42,当汽流通过动叶通道时，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

14、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。而这种级称为冲动级,冲动级,三 级的分类,2020/8/11,43,2020/8/11,44,2020/8/11,45,3. 复 速 级 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，称为复速级。,目的：第一列动叶栅通道流出汽流，其流速还相当大，为了利用这一部分动能，在第一列动叶栅之后装上一列导向叶栅以改变汽流的方向，使之顺利进入第二列动叶栅通道继续作功。,复速级也采用一定的反动度。 复速级具有作功能力大的特点

15、。,2020/8/11,46,2020/8/11,47,2020/8/11,48,归纳对比,2020/8/11,49,速度级：以利用气流的速度为主 ，如复速级 压力级：以利用汽轮机内分配给该级的压力降或焓降为主,如单列冲动级和单列反动级 调节级：随着负荷变化，级内通流面积发生变化的级，如采用喷嘴配气的第一级,2020/8/11,50,四 级的简化一元流动模型和基本方程式,蒸汽在汽轮机中的运动非常复杂 蒸汽有黏性，运动时，密度发生变化，所以，汽轮机中的工质是黏性、可压缩流体； 蒸汽在静叶栅和动叶栅流道中作三元非定常流动，也就是说：流道内任何一点的参数（压力、温度、速度、密度等），不仅是空间的函数

16、，而且是时间的函数。 目前，人们无法完全按照蒸汽的实际流动状况进行级的气动力学计算。因此，在实际计算前，考虑决定蒸汽在汽轮机级内流动的主要因素，略去次要因素，作一些假设。,2020/8/11,51,简化的一元流动模型假设,蒸汽在级内的流动是定常流动（稳定），即任何一点参数（压力、温度、速度、密度等）不随时间的变化。在稳定工况下运行（功率和蒸汽参数变化不大时），可近似认为是定常的。 蒸汽在级内流动是一元的。适用于叶片相对高度较短的叶片 。 蒸汽在级内流动过程是绝热的。即认为级内蒸汽与外界无热交换，这一条件在汽轮机稳定运行时是满足的。 在考虑作用于流体上的力时，略去黏性力，但要考虑计算由于黏性力的

17、存在所造成的速度下降。即：略去黏性力的当地影响，考虑其历史积累的影响。,2020/8/11,52,2020/8/11,53,2020/8/11,54,2020/8/11,55,2020/8/11,56,2020/8/11,57,第二节 喷嘴和动叶中的流动过程,2020/8/11,58,2020/8/11,59,2020/8/11,60,2020/8/11,61,喷嘴高度ln，叶型，汽道形状，叶型表面粗糙度和压差等。,从上试验图得出： 喷嘴速度系数在0.920.98之间，设计时，取 ，另考虑叶高损失。 ln15mm； ln 100 mm时， 值基本上不随ln变化。 在强度允许条件下，尽量采用较窄

18、的喷嘴 。,（3）影响速度系数因素分析：,2020/8/11,62,2020/8/11,63,2020/8/11,64,2020/8/11,65,2020/8/11,66,enc,2020/8/11,67,2020/8/11,68,2020/8/11,69,2020/8/11,70,2020/8/11,71,2020/8/11,72,2020/8/11,73,2020/8/11,74,2020/8/11,75,2020/8/11,76,2020/8/11,77,2020/8/11,78,2020/8/11,79,2020/8/11,80,2020/8/11,81,2020/8/11,82,第三

19、节 级的轮周功率与轮周效率,2020/8/11,83,2020/8/11,84,2020/8/11,85,2020/8/11,86,2020/8/11,87,2020/8/11,88,2020/8/11,89,2020/8/11,90,2020/8/11,91,2020/8/11,92,2020/8/11,93,2020/8/11,94,2020/8/11,95,2020/8/11,96,2020/8/11,97,2020/8/11,98,2020/8/11,99,反动级轮周效率与速比的变化曲线,在最佳速比附近变化平坦，所以在一定范围内偏离最佳值时，不会导致轮周效率的明显下降。适用工况变化较频

20、繁机组，如调峰机组、工业汽轮机组等。 反动级最佳速比大，相同轮周速度前提下，反动级能承担的焓降比冲动级小，也即在相同功率的汽轮机，反动式汽轮机的级数要比冲动式汽轮机的级数要多。,2020/8/11,100,5、复速级结构图,2020/8/11,101,复速级速度三角形,第一列动叶的速度三角形与单列级一样 第二列动叶的速度三角形中各量加上标“ ”表示 转向导叶以下标 “ gb ”表示,2020/8/11,102,2020/8/11,103,2020/8/11,104,速比x1小于x1时，采用复速级才有可能提高效率。 在各自的最佳速比下，复速级的轮周效率一定比单列级的轮周效率低很多。（增加导叶、第

21、二列动叶损失，增大第一列动叶损失） 优点：圆周速度相同时，能够承担比单列级大得多的理想比焓降。（减少级数、承担较多焓降降压降温）,2020/8/11,105,2020/8/11,106,复速级焓熵图,2020/8/11,107,2020/8/11,108,第四节 叶栅的气动特性,2020/8/11,109,2020/8/11,110,喷嘴叶栅的几何特性有： 平均直径 叶高 叶栅节距 t 叶型弦长 b 叶型宽度B 相对叶高 相对节距 出口边厚度 叶栅通道出口宽度 a1,一、叶栅的几何参数和汽流参数喷嘴,喷嘴进汽角 叶型进口角 喷嘴出汽角 叶型出口角 叶栅安装角,2020/8/11,111,一、叶

22、栅的几何参数和汽流参数动叶,动叶叶栅的几何特性有： 平均直径 叶高 叶栅节距 t 叶型弦长 b 叶型宽度B 相对叶高 相对节距 径高比 出口边厚度 叶栅通道进口宽度 a,动叶进汽角 叶型进口角 动叶出汽角 叶型出口角 叶栅安装角,2020/8/11,112,二、叶型损失叶型损失的机理,1、边界层（附面层）摩擦损失 边界层摩擦损失的大小 i）叶型 ii）表面光洁度 iii）叶型表面压力分布,叶型损失是指平面气流绕流叶栅时产生的能量损失,冲动式叶栅摩擦损失大于反动式,圆管,2020/8/11,113,二、叶型损失叶型损失的机理,2、边界层脱离引起的涡流损失,无边界层脱离,边界层脱离,边界层脱离点,

23、2020/8/11,114,二、叶型损失叶型损失的机理,3、尾迹损失,4、冲波损失,出口边厚度 尾迹损失和 /a 成正比,某些地方超音速流动冲波扩压段叶型边界层增厚,冲波损失最终表现为叶型损失,2020/8/11,115,进汽角的影响： 定义： 冲角=叶型进口角汽流进口角 喷嘴： 动叶： 为正时，正冲角 为负时，负冲角 1）冲角等于零时，叶栅损失最小； 2）正冲角的叶栅损失大于负冲角的叶栅损失。 设计工况时，汽流进口角和叶型进口角相等，叶栅损失最小,二、叶型损失主要影响因素,叶栅的前缘半径越小，冲角特别是正冲角所造成的损失越大,2020/8/11,116,相对节距影响： 小，边界层占整个汽道的

24、比重大，叶栅损失大； 大，边界层占整个汽道的比重小，但扩压段增加，边界层易脱离，叶栅损失大。 安装角影响 安装角大小，改变汽道的形状改变叶型的压力分布，影响叶栅损失。 马赫数Ma的影响 当Ma 1时， 冲波损失,二、叶型损失主要影响因素,2020/8/11,117,三、端部损失,一般认为 15mm；否则，端部损失占整个叶型损失的比重就大，速度系数 就低。,端部损失是指端面附面层中的摩擦损失、补偿流动损失和对涡损失的总和，其中对涡损失所占比重最大。,2020/8/11,118,影响端部损失的因素,叶型、相对节距、安装角、进气角等 相对高度,叶片处于相对极限高度时，上下两端旋涡刚好汇合，端部损失最

25、大。 强度许可条件下，尽量采用窄叶片。,2020/8/11,119,第五节 级内损失和相对内效率,2020/8/11,120,一、级内损失,除喷嘴损失 ，动叶损失 ，余速损失 外， 还有：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 。,2020/8/11,121,式中： 系数，单列级 （未包括扇形损失） （包括扇形损失） 复速级 l 叶高 轮周有效焓降,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 l 12 -15mm) 时，叶高损失明显增加 。这时，必须采用部分进汽 。,1、叶高损失,2020/8/11,122,2、扇

26、形损失,由于汽轮机的叶栅是安装在叶轮上的，呈环形。汽流参数和叶片几何参数（节距、进汽角）沿叶高是变化的。在设计时，只有在平均直径处 ，设计条件才能得到满足。而其他截面上 ，由于偏离设计条件将会引起附加损失。 这个附加损失称为扇形损失,2020/8/11,123,实际叶栅不是平面叶栅，而是环形叶栅，其节距 t 、圆周速度 u 随叶高 lb 有所不同，会偏离最佳值。 能量损失系数：,式中： lb 动叶高度 db 动叶平均直径 E0 级理想能量,焓降损失：,采用直叶片,采用扭叶片,径高比,2020/8/11,124,叶轮以3000转/分旋转时 ，与两侧的蒸汽摩擦带来的损失 表面摩擦、涡流运动,式中：

27、 摩擦损失所消耗功率 经验系数 1.0 - 1.3 u 圆周速度 级的平均直径 v 汽室中蒸汽平均比容 焓降损失： 能量损失系数：,3、叶轮摩擦损失,2020/8/11,125,部分进汽度定义： 目的：增加高压级的叶片高度。 鼓风损失；斥汽损失,4、部分进汽损失,鼓风损失，当 时，只有当动叶通过喷嘴弧段时，才有工作蒸汽通过作功。当动叶通过无喷嘴弧段时，不但没有工作蒸汽作功，反而象鼓风机风扇一样，与充满停滞的蒸汽摩擦，产生损失。,式中： 装有护罩所占相对弧长； 系数,2020/8/11,126,式中： 喷嘴组数； 平均直径； 系数,斥汽损失 由于动叶经过不装喷嘴弧段时，已充满停滞的蒸汽。当进入喷

28、嘴段 时，高速汽流要排斥并加速停滞在汽道内的蒸汽，产生损失。,总的部分进汽损失系数： 焓降损失：,2020/8/11,127,冲动级（隔板漏汽损失 、动叶顶部的漏汽损失 ）,5、漏汽损失,2020/8/11,128,式中： 不含漏汽损失时级的有效焓降,式中： 汽封齿数； 汽封流量系数； 汽封间隙面积， v1t喷嘴出口处比容。 焓降损失：,(i)隔板漏汽损失,2020/8/11,129,(ii)动叶顶部的漏汽损失,式中： 动叶顶部间隙的流量系数 动叶顶部反动度 动叶顶部的当量间隙 焓降损失： 总的漏汽损失： 损失系数：,2020/8/11,130,反动级 反动级漏汽量要比冲动级漏汽量大。 (i)

29、内径汽封直径比隔板汽封直径大，轴封齿数相对较少，使内径处漏汽量大； (ii)动叶前后压差较大，使叶顶漏汽量大。,2020/8/11,131,损失产生原因： 过饱和损失 （过冷损失） 挟带损失 制动损失 扰流损失 工质损失,6、湿汽损失,2020/8/11,132,湿气损失焓降： 损失系数：,式中： 级内平均干度， ， x1、x2级进、出口处干度 未考虑湿汽损失时级的有效焓降 经济性 湿蒸汽的影响 安全性,现代凝气式汽轮机末级湿度限制在1214,2020/8/11,133,常用去湿方法及防护措施 捕水装置 空心喷嘴 镀硬质合金,2020/8/11,134,损失分析,例 全周进气的级没有部分进气损

30、失 采用转鼓的反动式汽轮机不考虑叶轮摩擦损失 过热蒸汽区工作地级没有湿气损失 采用扭叶片的级不存在扇形损失,并非各级都同时存在以上各项损失,2020/8/11,135,二、级的相对内效率和内功率,表示1kg蒸汽所具有的理想能量中最后转变为轴上有效功的那部分能量,有效焓降,2020/8/11,136,式中：D、G级的进汽流量 ，,二、级的相对内效率和内功率,级的相对内效率（级效率）：,级内功率：,2020/8/11,137,三、级内损失对最佳速比的影响,衡量级内能量转换完善程度的最终经济指标是级的相对内效率而不是轮周效率。 因此最佳速比是要保证级的相对内效率最大。,2020/8/11,138,第六节 扭叶片简介,2020/8/11,139,叶片设计思想,前面讨论级的气动特性和几何参数时，都是以一元流动模型为理论依据，以级的平均直径截面上的参数作为代表来进行研究和计算的。按这种计算方法设计的叶片，称为等截面直叶片，即叶片的几何参数沿叶高不变。显然，这种设计方法计算方便，叶片加工简单。 但是，对于汽轮机低压部分的级来说，蒸汽比容变化快，容积流量大，级的平均直径大，叶片长，径高比很小。汽动参数沿叶高变化大。在这种情况下，如果仍按等截面直叶片进行设计，则级的实际轮