汽轮机设备及运行 第二章 汽轮机的工作原理.ppt

1、汽轮机设备及运行,宋彦萍 哈尔滨工业大学 2011年11月,内容安排,绪论 汽轮机的工作原理 汽轮机的变工况 汽轮机本体结构 汽轮机凝汽设备及运行 汽轮机的调节系统 汽轮机的运行,汽轮机的工作原理,汽轮机级的基本工作原理 蒸汽在喷嘴中的能量转换过程 蒸汽在动叶中的能量转换过程 级的轮周效率和最佳速比 级内损失和级的内效率 长叶片级 多级汽轮机的工作,汽轮机级的基本工作原理,级的概念及工作原理 反动度和级的类型,汽轮机的级,一列固定的喷嘴叶栅/静叶栅和与它 相配合的动叶栅构成了汽轮机的基本 做功单元汽轮机的级,叶栅：由相同叶片按相同的节距 和相同的安装角在同一回转面构成 汽流流道的组合体,叶型：

2、叶片的横截面形状，其周线称为型线,冲角：0=0g-0 1=1g-1,级的基本工作原理,冲动作用原理,当一运动物体碰到另一静止的物体或者 运动速度低于它的物体时，就会受到阻 碍而改变其速度大小或方向，同时给阻 碍它的物体一个作用力，称为冲动力,若在冲动力作用下，阻碍运动物体的速 度改变，则运动物体就做出了机械功， 机械功等于运动物体能量的变化值,利用冲动力做功的原理冲动作用原理,蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机械功， 蒸汽在动叶通道中不膨胀，动叶通道不收缩,反动作用原理,当气体从容器中加速流出时，要对容器产生一个与流动方向相反的力， 称为反动力,利用反动力做功的原理反动作用原理,蒸汽进入动叶，

3、一方面通过 速度方向的改变产生冲动力Fi,蒸汽冲动力和反动力的合力的轮周分力Fu推动动叶旋转做功,另一方面蒸汽在动叶中继续膨胀， 压力能转换为动能，w2w1，速度 增加使汽流产生作用于动叶上与 汽流方向相反的反动力Fr,蒸汽在动叶通道中不仅改变方向，还要膨胀，动叶通道逐渐收缩,反动度,反动度m：表示蒸汽在动叶通道内 膨胀程度大小的指标,-级的滞止理想比焓降,-喷嘴的滞止理想比焓降,-动叶的理想比焓降,级的类型及特点,根据蒸汽在级中的流动方向 轴流式：电站汽轮机大多采用 辐流式 按照蒸汽在动叶通道内的膨胀程度 冲动级：纯冲动级、带反动度冲动级、复速级 反动级,纯冲动级：反动度m=0的级,蒸汽只在

4、喷嘴中膨胀 蒸汽在动叶通道内不膨胀 不考虑损失时： 动叶进出口压力相等 p1=p2 动叶进出口相对速度相等 w1=w2 hb=0，hn*=ht* 动叶叶型近似对称弯曲 做功能力大，效率较低,带反动度的冲动级：反动度m=0.050.2,蒸汽的膨胀主要在喷嘴中进行 蒸汽在动叶通道仅小部分膨胀 p1p2，hnhb 反动力较小，利用冲动力做功 动叶通道有一定收缩 做功能力比反动级大 效率较纯冲动级高,复速级：一列喷嘴+两列动叶,级比焓降大，排汽余速大，仍有一定做功能力 在同一叶轮上的第一列动叶后加装一列动叶 两列动叶间加一列固定在汽缸上的导向叶片 主要在喷嘴中膨胀 效率低，用于单级汽轮机和中、小型多级

5、汽轮机的第一级,余速损失,蒸汽在级中的理想比焓降平均分配在喷嘴和动叶通道中 p1p2，hn=hb=0.5ht 动叶中膨胀大，反动力大 冲动力和反动力做功各占一半 动叶叶型与喷嘴叶型相同 效率高于冲动级，级的理想比焓降较小,反动级,几点补充,速度级：一列喷嘴+两/多列动叶片的级 汽轮机的级分为速度级和压力级，速度级可以是双列(复速级)和多列的，而单列冲动级和反动级为压力级 多数汽轮机采用改变第一级喷嘴面积的方法调节进汽量，即喷嘴调节，喷嘴调节汽轮机的第一级为调节级 中、小容量汽轮机的调节级一般采用复速级，大容量汽轮机采用单列冲动级,蒸汽在喷嘴中的能量转换过程,蒸汽在喷嘴中流动的热力过程 蒸汽在喷

6、嘴中实现能量转换的基本规律 蒸汽在喷嘴中的流动速度 喷嘴的流量计算 蒸汽在斜切喷嘴的膨胀过程,0喷嘴进口的蒸汽状态 1喷嘴出口的蒸汽状态 1t不考虑损失时，喷嘴出口蒸汽状态,蒸汽在喷嘴中的实际膨胀过程（01）,滞止状态：假想喷嘴入口的汽流被等熵滞止到初速度为零的状态,滞止参数：假在滞止状态下的参数,蒸汽在喷嘴中流动的热力过程,蒸汽在喷嘴中实现能量转换的基本规律 蒸汽流速与压力之间的变化关系(力学条件),理想气体,等熵过程,喷嘴出口蒸汽理想速度,过热蒸汽：k =1.3 干饱和蒸汽：k =1.135 n：喷嘴压力比,蒸汽流速与喷嘴截面积之间的变化关系(几何条件),亚声速 Ma0 亚声速汽流经过渐缩

7、喷嘴，出口气流速度最大为Ma=1， 若继续增大流速，必使dA0，喷嘴截面为渐扩形式 超声速 Ma1，流过渐扩喷嘴dA0，速度增加dc0 汽流速度等于当地声速 Ma=1，dA=0，为临界状态 汽流在喷嘴中由亚声速变为超声速，必采用缩放喷嘴， 在最小截面Amin/喉部截面，汽流达到临界状态,临界速度,临界压比,只与蒸汽性质有关,喷嘴背压 pb：喷嘴后蒸汽压力,喷嘴背压比：,亚声速汽流在渐缩喷嘴中膨胀加速到出口，p1=pb，c1t ccr,亚声速汽流在渐缩喷嘴出口达到临界状态，p1=pcr，c1t=ccr,亚声速汽流在渐缩喷嘴出口达到临界状态，由pcr到pb在出口外完成,亚声速汽流在缩放喷嘴喉部达到

8、临界状态，在扩张部分获得超声速,临界状态的汽流速度,蒸汽在喷嘴出口的理想速度,1D稳定流动能量方程,蒸汽吸收热量,蒸汽对外做功,绝热流动 q=0；喷嘴不动，对外不做功，w=0,喷嘴能量方程,喷嘴出口理想速度,喷嘴理想比焓降,喷嘴滞止理想比焓降,无损失,蒸汽在喷嘴出口的实际速度,速度系数,喷嘴出口实际速度c1 c1t, 损失,ln1215mm，,Bn=55mm,Bn=80mm,小流量调节级和高压级喷嘴高度15mm,强度允许时，尽量采用窄喷嘴,简单计算：=0.97,喷嘴出口实际速度c1,喷嘴损失hn：每千克蒸汽在喷嘴中流动的能量损失,由实验确定速度系数通常=0.920.98,喷嘴的理想流量Gt,1

9、D稳定流动连续方程,等熵过程,流量保持不变，BA,出口汽流达到声速,汽流在最小截面达到临界状态,临界流量,背压不改变临界状态,背压与流量的关系为曲线ABC,喷嘴的理想临界流量(Gt)cr,喷嘴理想临界流量,喷嘴的理想流量,过热蒸汽：k=1.3，cr=0.546,渐缩喷嘴：蒸汽最低膨胀到临界压力，喉部达声速，流量为临界流量 缩放喷嘴：膨胀到低于临界压力，达到超声速，喉部保持声速，流量为临界流量,饱和蒸汽：k=1.135，cr=0.577,喷嘴的实际流量Gn,损失存在，GnGt,喷嘴的流量系数,由实验确定流量系数,喷嘴在过热区工作,喷嘴在湿蒸汽区工作,凝结滞后的过冷现象温度低,喷嘴的实际临界流量G

10、cr,过热蒸汽：,饱和蒸汽：,喷嘴实际临界流量,适用于过热蒸汽和饱和蒸汽,膨台门系数,通过喷嘴的流量G与临界流量Gcr之比,喷嘴流量,k=const 亚声速: 和n有关 超声速: =1,预先绘制n曲线，根据n查，计算G,计算流量时无需判断喷嘴内流动状态(亚/超声),斜切喷嘴：为使汽流顺利进入动叶通道，喷嘴出口有段斜切部分-abc 直喷嘴：出口截面与汽流方向垂直的喷嘴-ab00,蒸汽在斜切喷嘴的膨胀过程,渐缩斜切喷嘴,渐缩部分：ab00 斜切部分：abc,蒸汽仅在ab00膨胀，在最小截面ab达到pb，获得亚声速或声速汽流 蒸汽在abc不膨胀，压力不变，起导流作用，以1=1g的方向流出,渐缩斜切喷

11、嘴,蒸汽在ab00膨胀，在最小截面ab达到临界状态，压力pcr，速度声速 蒸汽在abc继续膨胀，压力从pcr降到pb，汽流加速，速度超声速 汽流方向偏转，以1=1g+ 的方向流出， 为汽流的偏转角,nL：极限压比 p1L：极限压力,bc侧压力ad 侧压力,汽流向ad 侧偏转,渐缩部分：ab00 斜切部分：abc,渐缩斜切喷嘴,蒸汽在最小截面ab达到临界状态，在abc继续膨胀，但有一定限度 当出口截面ac处压力降到p1L，蒸汽在abc中膨胀达到极限 继续降低pb，汽流将在abc外膨胀，增加损失，应避免,渐缩部分：ab00 斜切部分：abc,nL：极限压比 p1L：极限压力,缩放斜切喷嘴,最小截面

12、：ab 直喷嘴出口截面：ab,直喷嘴：ab00 斜切部分：abc,蒸汽在缩放斜切喷嘴的膨胀特点：,ab截面上的设计压力：p1s,蒸汽在ab处膨胀到pcr，ab截面膨胀到pb 蒸汽在abc内压力不变，不膨胀，仅导流,蒸汽在ab处膨胀到pcr，ab截面膨胀到p1s 蒸汽在abc内膨胀到pb，汽流加速且偏转,情况较为复杂，在变工况中讨论,汽流偏转角的计算,ln，l1分别为Amin和An截面处的高度；tn为喷嘴的节距,通过喷嘴最小截面Amin蒸汽流量 = 通过渐缩喷嘴出口截面An流量,忽略气流扩散 现象，lnl1,贝尔公式,不考虑斜切部分损失，等熵流动,稳定流动的连续方程,喷嘴斜切部分的膨胀极限,蒸汽

13、在喷嘴斜切部分能够膨胀到的最低压力-喷嘴极限压力p1L,极限压力比,过热蒸汽，cr=0.546，k=1.3,1022,极限压力,最大偏转角nL,蒸汽在动叶中的能量转换过程,蒸汽在动叶中流动的热力过程 动叶的速度三角形 进、出口速度三角形和余速动能及损失 蒸汽对动叶的轮周功率 蒸汽对动叶的作用力 轮周功率与轮周功,1动叶进口的蒸汽状态 2动叶出口的蒸汽状态 2t不考虑损失时，动叶出口蒸汽状态,蒸汽在动叶中的实际膨胀过程（12）,滞止状态：假想动叶入口的汽流被等熵 滞止到初速度为零的状态,滞止参数：假在滞止状态下的参数,蒸汽在动叶中流动的热力过程,动叶进、出口三个速度矢量间的关系,动叶中蒸汽的绝对

14、速度 c,动叶中蒸汽的相对速度 w,动叶的圆周速度 u,动叶的平均直径 db，m,汽轮机的转速 n，r/min,动叶的速度三角形,动叶进口的速度三角形,动叶进口不发生汽流撞击,动叶出口的速度三角形,由c2、w2和u之间的矢量关系，按比例作图,动叶出口蒸汽的理想相对速度w2t,动叶进出口能量方程,将动叶看做旋转的喷嘴 不考虑动叶内的流动损失,动叶出口蒸汽的理想相对速度：,动叶速度系数,与多种因素有关，由实验确定，通常 =0.850.95,动叶内存在流动损失,动叶高度lb,动叶出口蒸汽的实际相对速度w2,蒸汽在斜切口不膨胀,纯冲动级,冲动级,反动级,蒸汽在斜切口膨胀,计算方法与斜切喷嘴相同,动叶损

15、失hb,动叶损失：每千克蒸汽在动叶中流动的动能损失,动叶出口蒸汽的绝对速度c2,余速动能和余速损失,余速动能：蒸汽以速度c2离开本级时，所带走的动能,单级：余速动能未利用，全部成为该级的余速损失,蒸汽对动叶的作用力,流经动叶通道，蒸汽受到动叶的作用力,动叶通道的壁面对蒸汽的作用力,动叶通道进、出口压力差对蒸汽的作用力,反作用于动叶，动叶受到蒸汽的作用力,沿动叶运动方向的圆周分力周向力Fu,与动叶运动方向垂直的轴向分力-轴向力Fz,推动叶轮旋转产生轮周功,产生轴向推力，引起轴向位移,周向力Fu,时间 内，有质量为m的蒸汽流经动叶,动量定理：汽流在圆周方向的 动量变化等于动叶对蒸汽在圆周 方向的冲

16、量,动叶运动方向为正,-动叶对汽流的周向作用力，N,-每秒通过动叶的质量流量，kg/s,根据牛顿第三定律：,-动叶受到的周向力，N,轴向力Fz,动量定理：汽流在轴向方向的动量变化等于动叶对蒸汽在轴向方向的冲量,蒸汽沿轴向流动方向为正,-动叶对汽流的轴向作用力，N,-动叶通道进、出口汽流的压差产生的轴向作用力，N,根据牛顿第三定律：,-动叶受到的轴向力，N,时间 内，有质量为m的蒸汽流经动叶,蒸汽对动叶的总作用力Fb,轮周功率Pu,蒸汽对动叶的周向力作用在叶轮上，推动叶轮旋转做功，汽流的周向力在单位时间内对动叶所做的功，为轮周功率=周向力圆周速度,蒸汽带入和带出动叶通道的动能差值,蒸汽在动叶通道

17、中因焓降低而引起的实际动能的增加,轮周功Wu,每千克蒸汽对动叶所做的功，为轮周功,用热量表示轮周功，为轮周有效比焓降hu,级的轮周效率u：每千克蒸汽在级内所做的轮周功Wu与该级的理想能量 E0之比,本级可以利用上级的余速动能,本级的余速动能中为下级利用,n-喷嘴损失系数：喷嘴损失与级的理想能量之比 b-动叶损失系数：动叶损失与级的理想能量之比 c2-余速损失系数：余速损失与级的理想能量之比,级的轮周效率,余速利用系数：,减小 c2 的方法,与汽流速度 c1 和 w1 的大小有关,喷嘴和动叶的叶型选定,轮周效率,与速度系数 和 的大小有关,汽流速度c1 和 w1的变化将影响c2的大小,速度系数

18、和 将基本确定,余速损失成为影响轮周效率的主要因素,提高下级的余速利用系数 1,减小本级余速c2,余速c2的大小和方向取决于速度比 x1,直接影响级的轮周效率和做功能力,最佳速比 x1op：对应于轮周效率 最高时的速比,不同类型的级最佳速比不同,轮周效率与速比的关系,c2 余速损失,纯冲动级的最佳速比,m=0 w1=w2，1=2,流经动叶的蒸汽只是改变了方向，c2与c1大小相等，方向不同,全部的动能都变成了本级的余速损失,x1=0时速度三角形,w1和w2大小相等，方向与动叶运动方向垂直，1=2=90,动叶为等截面通道，c1=c2，全部的动能都变成了本级的余速损失,蒸汽不会对动叶产生周向力,x1

19、=cos1时速度三角形,动叶出口汽流轴向排汽,纯冲动级的最佳速比,喷嘴损失n不随速比x1变化 动叶损失b随速比x1而 余速损失c2随速比x1变化大 余速损失对轮周效率影响最大,反动级的最佳速比,m=0.5 2=1,w2=c1,w1=c2,1=2,余速损失最小,2=90,反动级与纯冲动级速比的比较,反动级比焓降低，做功能力小；比焓降相同时，级数多,最佳速比下， 反动级轮周效率高,蒸汽在动叶中膨胀，动叶损失小 反动级级间间距小，余速被下级利用条件好,反动级的效率曲线在最大值附近有一较大的平坦区,反动级的速比在一定范围内偏离最佳时，不会引起轮周效率明显下降,反动级变工况时效率波动小，运行经济性稳定,

20、冲动级 反动级,纯冲动级的效率 纯冲动级变工况特性,冲动级最佳速比介于纯冲动级和反动级之间,冲动级采用一定反动度m=0.050.20,保证反动级效率较高 反动级级数,速度级的提出及其特点,汽轮机级在最佳速比下工作具有较高的轮周效率,材料强度限制，u400500m/s,一般u=180300m/s,c1/ht不能过大，对小型单级汽轮机不利,ht-理想比焓降,Q：如何增大级的比焓降而又不使轮周效率下降过多？,ht增大而x1偏小时，轮周效率降低的主要原因是余速损失的剧烈增大,有效利用余速，可减少u降低的程度,在同一叶轮上放置多列动叶，利用余速,速度级为单级,速度级的速度三角形,双列速度级：速度级由两列

21、动叶构成,分别画出两列动叶进出口速度三角形,速度级的轮周功率Pu,定义：蒸汽在每列动叶上产生的轮周功率之和,双列速度级,蒸汽在双列速度级产生的总轮周功率：,速度级的轮周功Wu,每千克蒸汽在速度级中产生的轮周功:,速度级无上下级余速利用的问题：,速度级的轮周比焓降：,第二列动叶损失，kJ/kg,导叶损失，kJ/kg,余速动能，kJ/kg,速度级的损失,No.1动叶b,导叶n,No.2动叶b,速度级动/导叶有5%15%反动度,喷嘴理想比焓降,No.1动叶理想比焓降,导叶理想比焓降,No.2动叶理想比焓降,喷嘴损失,第一列动叶损失,导叶损失,第二列动叶损失,余速损失,速度级的轮周效率u,轮周比焓降h

22、u与各项损失之间的关系,导叶损失系数,No.2动叶损失系数,余速损失系数,速度级的最佳速比,最佳速比为对应余速损失为最小时的速比,动/导叶无损失，No.1动叶、导叶和No.2动叶的m=0，则1=2，w1=w2，2 =1，c2=c1，1=2，w1=w2,单列级的最佳速比,n列速度级的最佳速比,速度级与单列级的比较-比焓降,若速度级和纯冲动级的u、 和1均相同，都在最佳速比下工作，且反动度均为零，则,速度级与反动级的比焓降：,速度级的做功能力是纯冲动级的4倍,速度级的做功能力是反动级的8倍,采用速度级使汽轮机总级数减少，结构紧凑,速度级与单列级的比较-轮周效率,动/导叶m=0,双列速度级：of 单

23、列纯冲动级：cc,最佳速比下，单列级u0.75，双列速度级u0.64，三列速度级u0.55,速度级No.1动叶损失大，增加了导叶和No.2动叶损失；三列速度级又增加No.2导叶和No.3动叶损失,级的比焓降大时，即速比较低时，采用双列速度级才是合理的,适用于单级汽轮机和多级汽轮机的调节级，要求承担较大比焓降,级内损失及级效率,级内损失： 喷嘴损失、动叶损失、余速损失、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 级的热力过程 级的相对内效率与内功率 级内损失对最佳速比的影响,叶高损失 hl,蒸汽流过叶栅时在其通道的顶部和根部产生的二次流损失,在叶栅两端，离心力和叶片内/背

24、弧间的压差不平衡,蒸汽由内弧向背弧横向流动，称为二次流,上下背弧上有对称的、方向相反的旋涡区，引起较大能量损失，称为二次流损失,叶片高度较大,l 15mm or 部分进汽,叶高损失半经验计算公式：,a：试验系数 l：叶栅高度,a=1.2，单列级，未包括扇形损失 a=1.6，单列级，包括扇形损失 a=2.0，双列级,单列级l为喷嘴高度ln ；双列级为各级叶栅平均高度,叶顶和叶根对主汽流影响小,hl小,容积流量小的调节级和前几级压力级叶高l12mmhl,试验系数a与级的形式有关,扇形损失 h,叶栅通道的断面呈扇形，t、u及蒸汽参数沿叶高变化，l 越大越显著 偏离平均半径处设计值，损失增加；轴向间隙

25、内的径向流动引起损失,扇形损失半经验计算公式：,lb:动叶高度 db:动叶平均直径 :径高比 =db/ lb,812时，动叶较短，扇形损失可忽略，为加工方便，采用等截面直叶片,812时，动叶较长，扇形损失大，为减小损失，采用变截面扭叶片,叶轮摩擦损失 hf,叶轮两侧蒸汽流动的速度差引起的摩擦损失 叶轮两侧蒸汽的涡流运动引起的损失,叶轮摩擦损失消耗的功率半经验计算公式：,k1:经验系数 k1=1.01.3 d:级的平均直径，m v:汽室内蒸汽的平均比体积，m3/kg,叶轮摩擦损失计算公式：,由两部分组成,影响机组的安全性，运行时应注意监视,叶轮摩擦损失计算公式,高压级计算时考虑该损失,从高压级到

26、低压级，该损失逐渐增加，但小于Gv的影响,低/空负荷运行时，G，hf 损失产生的热量使排汽温度升高,叶轮两侧汽室容积，即叶轮与隔板轴向间隙 叶轮和隔板表面粗糙度，避免采用汽室壁有肋结构,减小措施,小功率汽轮机计算时考虑该损失,部分进汽损失 he,部分进汽：喷嘴叶栅不是整圈布置，而是占据部分圆周,部分进汽度,zn:喷嘴组数 tn:喷嘴节距，m zntn:装有喷嘴的弧段长度,中小容量汽轮机的高压级容积流量小，喷嘴高度低,喷嘴高度1215mm,部分进汽,降低叶高损失,部分进汽损失：由于采用部分进汽所引起的附加损失,部分进汽损失,鼓风损失,斥汽损失,鼓风损失 hw,当旋转动叶进入无喷嘴的非工作区域内时

27、，把该段内停滞的蒸汽从叶轮前侧鼓向叶轮后侧，消耗一部分有用功，这部分损失为鼓风损失-动叶两侧表面与非工作区域内蒸汽产生摩擦而形成的损失,鼓风损失半经验计算公式,ec:装有护罩的弧段长度与整个圆周之比 Be:与级形式有 关的系数 单0.15/双0.55列级 xa:假想速比,合理选择 e,护罩装置：在没有装喷嘴的弧段内把动叶两侧用护罩罩起来，动叶在护罩内少量蒸汽中转动，鼓风损失大为减少,冲动式汽轮机，鼓风损失发生在不装喷嘴的弧段内,斥汽损失 hs,动叶经过无喷嘴弧段时，汽室中停滞蒸汽充满动叶通道，当进入喷嘴弧段时，喷嘴中射出的汽流排斥停滞蒸汽并使其加速，消耗功,喷嘴出口端 A处，在叶轮高速旋转和压

28、力差作用下，喷嘴汽流偏向u向，部分蒸汽不通过动叶而从 A处间隙泄漏,喷嘴出口端 B处，产生抽吸作用，吸入间隙内停滞蒸汽，干扰动叶内主流,构成斥汽损失,与鼓风损失相反，发生在装有喷嘴的工作弧段,斥汽损失半经验计算公式,ce:与级形式有关的系数 单0.012/双0.0120.018列级，一般取0.016 Sn:喷嘴组数，若两组间只隔一个喷嘴节距，则为一组,全周进汽的级：,部分进汽损失,减小斥汽损失措施,合理的进汽度,喷嘴组数,动叶每经过一个喷嘴弧段就要发生一次斥汽损失,漏汽损失 h 汽轮机通流部分中，隔板中心孔与主轴之间，动叶顶部与汽缸之间，在转鼓结构的反动级静叶与转鼓之间存在间隙 间隙前后的蒸汽

29、存在压力差，因而进入级内的蒸汽总有一部分不通过动叶通道，而从间隙中漏过造成漏汽损失 漏汽损失与级的结构形式和热力过程有关，隔板前后的压差越大，动叶的反动度越大，上述各处的间隙越大，则漏汽损失越大 不同的级漏汽情况不同，冲动级有隔板漏汽和叶顶漏汽，反动级有静叶内径漏汽和叶顶漏汽,冲动级隔板漏汽损失 hp,隔板和主轴之间存在径向间隙 p，且隔板前后压差较大，部分蒸汽不经喷嘴，不参与主流做功，形成隔板漏汽损失,隔板漏汽经隔板与叶轮间的轴向间隙流入动叶通道根部，由于未经喷嘴膨胀加速，所以不能对动叶做功，反而扰乱主流，引起附加损失,隔板漏汽损失,Ap:隔板汽封间隙的环形面积 dp:隔板汽封间隙的平均直径

30、 zp:汽封高低齿齿数,平齿汽封/主轴上无凸台汽封,z:平齿汽封片数,冲动级叶顶漏汽损失 hbt,在动叶顶部，为满足转子和汽缸间的相对膨胀，以及避免转子振动时产生碰撞，动叶顶部与汽缸和隔板间有径向间隙 r和轴向间隙 z,0的级，动叶前后存在压差，部分蒸汽不通过动叶通道，不参与主流做功，形成叶顶漏汽损失,=0的纯冲动级，动叶前后没有压差，常忽略叶顶漏汽损失,叶顶漏汽损失,t:叶顶部分反动度 m:级的反动度 t:叶顶当量间隙 zr:围带汽封数,反动级静叶内径漏汽损失 hp,在静叶内径与转鼓之间存在径向间隙 p，部分蒸汽不经喷嘴，不参与主流做功，造成损失,静叶与动叶叶根之间存在轴向间隙，从径向间隙

31、p泄露的蒸汽重新进入动叶，扰乱主流，引起损失,静叶内径漏汽损失相当于冲动级的隔板漏汽损失,静叶内径漏汽损失的计算方法与隔板漏汽损失相同,反动级叶顶漏汽损失 hbt,在动叶顶部与汽缸之间的间隙 r中存在漏汽，引起叶顶漏汽损失,反动级比冲动级的叶顶漏汽损失大： 静叶内径的漏气量比冲动级的隔板漏气量大，原因是转鼓结构的反动级内径汽封的直径比隔板汽封的直径大，而汽封齿数又比较少 反动级的发动度m较大，动叶前后压差大，动叶顶部漏汽引起的损失可观,叶顶漏汽损失 m=0.5,减少漏汽损失的措施 在保证动静叶部分充分膨胀的前提下，尽量减小动静间隙的尺寸 减少隔板漏汽损失 隔板与主轴之间装设隔板汽封，一般采用梳

32、齿形汽封结构 在动叶根部进汽边加工若干个凸齿作为轴向汽封，以减少隔板漏汽进入动叶通道 在叶轮上开设若干平衡孔，使隔板漏汽从平衡孔流到级后，避免这部分汽流干扰主流,在动叶根部选择适当的反动度，使叶根处既无吸汽现象（隔板漏汽流入通流部分），也无漏汽现象（蒸汽由通道部分漏到隔板与叶轮之间）,减小叶顶漏汽损失 对于高压部分的直叶片级，由于叶片高度较小，叶顶相对漏汽量较大，故多采用径向和轴向汽封结构 在叶顶部分装设围带，使叶片构成封闭通道，同时可装设围带汽封，减少叶顶漏汽损失 对于无围带的较长扭叶片，往往将动叶顶部削薄，减小动叶与汽缸的间隙，以达到叶顶汽封的作用 尽量设法减小叶片顶部的反动度，使动叶顶部

33、前后压力差不致过大,湿汽损失 hx产生的原因,湿蒸汽中水滴不能在喷嘴中膨胀加速，减少了做功的蒸汽量；水珠的速度低，需要高速蒸汽流带动加速，消耗动能,水滴撞击动叶进口边的背弧，阻碍叶轮旋转，消耗有用功,水滴撞击下一级喷嘴静叶片的背弧，扰乱主流，造成损失,在喷嘴中膨胀加速快，汽化潜热未释放，成过饱和蒸汽，理想比焓降减小，速度降低，造成过冷损失,水滴速度,动叶出口处,湿汽损失 hx的计算,湿度,湿汽损失,hi:未计湿汽损失时级的有效比焓降 xm:级内蒸汽干度的平均值,湿蒸汽对低压级的冲蚀 冲蚀是蒸汽对喷嘴、动叶表面的一种机械性破坏，在动叶进汽边缘处显著，受离心力的影响，叶片顶部背弧最严重 冲蚀程度较

34、轻时，叶片表面暗淡无光，甚至变毛；严重时冲蚀成密集的细毛孔 冲蚀现象在汽轮机运行的开始阶段发展较快，以后发展较慢，经过一段时间冲蚀，表面密集小孔内充满水，再冲击时发生弹性碰撞，冲蚀现象减弱，不应将动叶表面因冲蚀而形成的粗糙面打磨光滑,减少湿蒸汽损失及防止冲蚀的措施,限制多级汽轮机末级的排汽湿度(12%15%)；保持在额定的蒸汽参数下运行；超高参数及以上汽轮机，采用中间再热,采取各种去湿装置捕水装置,1-捕水口,3-疏水通道,2-捕水室,离心力作用下，水滴经1进入2，由3流往低压加热器或凝汽器,应用广泛，捕水效率达20%30%,采取各种去湿装置具有吸水缝的空心静叶,空心静叶出气边喷汽：破坏水珠形

35、成条件，使水珠雾化以减轻危害,吸水缝开在静叶出汽边上；将空心静叶与压力比它低的低压加热器或凝汽器联通而形成负压，将叶片表面凝结水膜吸走；吸气缝在静叶顶部附近去湿效果最好,缺点：部分蒸汽被吸走，减少做功量,采取各种去湿装置提高动叶表面抗冲蚀能力,目前大型机组常用的方法是在动叶顶部进汽边的背弧表面镶焊硬度较高的司太立合金薄片或进行高频淬火使其硬化,对末几级动叶采用耐冲蚀性强的材料：钛合金、镍铬钢、不锈锰钢等,将多级汽轮机的最后几级动叶顶部进汽边的背弧表面加焊硬质合金、局部淬硬、表面镀铬、电火花强化及氮化等措施,0本级进口状态点 1喷嘴出口实际状态点 2考虑喷嘴、动叶损失后本级出口状态点 4本级余速

36、不为下级利用，考虑级内所有损失后本级出口实际状态点 4本级余速部分为下级利用，考虑级内所有损失后本级出口实际状态点，即下级进口状态点,除喷嘴损失、动叶损失和余速损失之外的其他各项损失之和,级的热力过程,级的相对内效率ri：级的有效比焓降与级的理想能量之比,反映级能量转换过程的完善程度，衡量汽轮机级经济性的重要指标,级的内功率Pi,G、D分别为级的质量流量，kg/s，kg/h,级的相对内效率与内功率,衡量级内能量转换过程完善程度的最终指标是级的相对内效率而不是轮周效率,保证获得级的最大相对内效率的速比才是真正的最佳速比,在轮周效率曲线基础上扣除级内其他各项损失之后可得到rix1曲线,摩擦损失和部

37、分进汽损失与速比有关,级内损失对最佳速比的影响,长叶片级-工作特点,汽轮机高压级，蒸汽容积流量小，径高比大，叶片短，设计成等截面直叶片，易于加工，制造成本低。通流部分分析计算以平均直径处数值为基准，用一元流动方法进行分析 汽轮机低压级，蒸汽容积流量大，径高比小，叶片长，若仍以一元流动理论为基础，以平均直径处参数为依据，设计成等截面直叶片，则与实际情况差别太大，产生附加损失，使效率降低,沿叶高圆周速度不同引起的损失,东汽N300-16.7/537/537末级叶片,假定c1和1沿叶高是相同的,叶顶汽流撞击叶背，叶根汽流撞击叶片内弧，造成能量损失，级效率降低，影响叶片安全，叶片寿命缩短,等截面直叶片

38、进口角1g按1m设计,沿叶高圆周速度不同引起的损失,汽流在动叶出口处发生扭曲现象，使下级进口流动条件恶化，产生附加能量损失，引起效率降低,动叶出口c2的大小和方向2沿叶高发生很大变化,等截面直叶片的最佳速比是按平均直径处的参数确定，长叶片的叶顶和叶根部分由于圆周速度不同，速比将偏离最佳值，从而使效率下降,沿叶高相对节距不同引起的损失,每种叶栅都有一个最佳相对栅距，此时效率最高,若采用等截面直叶片，除平均直径处的相对节距保持最佳值外，其他截面处的相对节距均偏离了最佳值，叶型损失增加，效率降低,汽轮机叶片的通流断面是扇形 ,国产N200-12.75/535/535末级动叶片, ，损失 ,轴向间隙中

39、汽流径向流动引起的损失,蒸汽在喷嘴和动叶间的轴向间隙内将受到离心力的作用，叶顶大，叶根小，叶片越长，相差越大,汽流在轴向间隙中发生径向流动，造成损失，降低级效率,蒸汽流动存在圆周方向的分速度c1u和c2u,沿叶高离心力不同，压力亦不同，叶顶高，叶根低,沿叶高级的比焓降、反动度不同，叶片越长，相差越大，若以平均直径处参数代表整个叶高参数，会使效率下降,长叶片级-变截面扭叶片,在 812的长叶片级中，不同叶高处汽流流动状态与平均直径处相差较大 为了获得较高级效率，需将长叶片设计成型线和截面均沿叶高变化的叶片，即变截面叶片 由于变截面叶片绕各横截面的形心连线发生扭转，又称为扭曲叶片 目前大功率汽轮机

40、的高中低压部分已普遍采用扭叶片，甚至有些机组已经全部采用弯扭联合成型叶片,变截面扭叶片： 适应圆周速度和汽流参数沿叶高变化的规律 保持汽流在级的轴向间隙中的径向平衡 使级后的汽流参数分布均匀 保证较高的级效率,与直叶片比： =8时，级效率提高1%1.5%； =6时，提高3%4%； =4时，提高7%8.5% 截面由叶根到叶顶逐渐减小，可使叶片满足等强度体的工作条件，叶根/危险截面应力减小,多级汽轮机,现代发电用汽轮机常采用提高蒸汽初参数和降低排汽压力的方法提高循环的热效率，同时增大了汽轮机的理想比焓降，是增大机组功率的有效措施 由于最佳速比的限制，大的理想比焓降在单级汽轮机内无法实现 多级汽轮机

41、相当许多单级汽轮机的串联，蒸汽依次在各级膨胀做功，各级均按照最佳速比选择适当的理想比焓降，既有大的理想比焓降，有保证较高的级效率 功率稍大的汽轮机都做成多级汽轮机,高压缸10级(1个单列冲动级为调节级，其余9个为压力级)； 中压缸6级；低压缸内为对称分流，布置62个压力级,结构上28级，热力过程特点上22级,多级汽轮机的热力过程,No.1级双列速度级 其余4级压力级,多级汽轮机的热力过程线 0 - 0 - 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 5,0-0进汽机构的节流过程,0-5各级的实际膨胀过程,5-5排汽管的节流过程,0主汽阀前的蒸汽状态 0经主汽阀和调节阀后的，考虑节流损失的蒸汽状态

42、1、2、3、4、5各级出口蒸汽状态 5经排汽管道后，考虑压力损失，进入凝汽器的蒸汽状态,Ht :理想比焓降 Hi:有效比焓降 hij:各级有效比焓降,多级汽轮机的优点 效率高 级数多，整机理想比焓降分配在每级利用，各级理想比焓降小，材料强度允许条件下，可以工作在最佳速比附近 提高高压部分各级的效率：各级理想比焓降 级的平均直径，一定容积流量下，喷嘴和动叶高度，高压级叶高损失小；级的平均直径 部分进汽的高压级的部分进汽度，部分进汽损失 级的平均直径，由于鼓风摩擦损失正比于直径的五次方 叶轮摩擦损失；级的部分进汽度 鼓风损失 多级汽轮机的余速能被下一级利用，余速损失小,存在重热现象：前面级损失变成

43、热量，使后面级的比焓，使后面级各级的理想比焓降 各级理想比焓降较小，便于采用渐缩喷嘴，结构简单、加工方便，设计/非设计工况时效率较高 便于设计成回热式和中间再热式：某些级后抽汽，回热或再热，提高循环热效率和机组内效率 单机容量大 单级汽轮机在保证级效率的前提下，级的理想比焓降不大，限制汽轮机的容量 采用多级汽轮机，在保证各级效率较高时，增大汽轮机的理想比焓降，提高单机容量,多级汽轮机的缺点 结构复杂、零部件多、机组尺寸及重量大、需要较多的优质合金材料 由于结构和工作过程的特点，会产生一些单级汽轮机所没有的损失，例如级内漏汽损失，最后几级的湿汽损失等，会降低汽轮机效率,从总的方面看，多级汽轮机的

44、优点与缺点相比要显著得多，特别是多级汽轮机具有效率高、容量大等突出优点，在工业上得到了广泛的应用,多级汽轮机的重热现象 多级汽轮机的各级在做功过程中都存在级内损失，损失使级的出口温度升高，出口状态点向熵增方向移动 前面级的损失会使以后级的理想比焓降增大，即前面级的部分损失可以在以后的级中得到利用,前面各级均没有损失时，第 j 级的理想比焓降,前面任何一级有损失时，第 j 级的理想比焓降,ht2、ht3、ht4:第24级在前面级没有损失时的理想比焓降 ht2、ht3、ht4:第24级在前面任何一级有损失时的理想比焓降,无损失时各级理想比焓降之和Ht,有损失时各级理想比焓降之和htj,由于汽轮机的

45、级内损失能够转换成热能并重新为蒸汽所吸收，使多级汽轮机各级的理想比焓降之和大于汽轮机整机的理想比焓降，称为多级汽轮机的重热现象,ht1:第1级理想比焓降,无损失时各级理想比焓降之和Ht,有损失时各级理想比焓降之和htj,H:由于重热现象而增加的理想比焓降,由于重热现象而增加的理想比焓降占汽轮机理想比焓降的百分比,重热系数,重热现象对相对内效率的影响,假定汽轮机各级的平均内效率为rim,多级汽轮机整机的内效率为ri,重热系数，是由于各级损失使各级的平均内效率rim造成的 重热作用只能回收损失中的一部分，弥补不了由于级的热损失而引起的汽轮机整机内效率的 重热系数越大，汽轮机各级平均内效率越低，汽轮

46、机的内效率也越低,并不意味重热系数越大，内效率越高,重热系数的影响因素,多级凝汽式汽轮机的重热系数=4%8%，其大小与下列因素有关：,与多级汽轮机的级数有关,级数多，损失被后面级利用程度大,与多级汽轮机各级的级效率有关,无损失，效率100%，为零,与工作蒸汽的状态有关,过热蒸汽区的比湿蒸汽区的大,余速利用对多级汽轮机热力过程线的影响,第1级的理想排汽状态,第1级的进汽状态,第1级的余速动能,余速动能全部损失,第1级的热力过程线为abcd 汽轮机的最终排汽状态为e点 整机的有效比焓降为Hi,余速动能全部利用,第1级的热力过程线为abc 汽轮机的最终排汽状态为e点 整机的有效比焓降为Hi,余速利用

47、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,余速利用对汽轮机相对内效率的影响,各级余速未被利用时，汽轮机的相对内效率 ri为：,当除末级外的其他各级余速全部利用时，汽轮机的相对内效率ri为：,汽轮机的余速利用使整个汽轮机的相对内效率有所提高,余速利用对级效率的影响,级相对内效率,本级余速不能被下一级利用时，1=0，级的理想能量 E0=,汽轮机的余速利用使级的相对内效率得到提高,除余速损失外的其他各项级内损失,级相对内效率,本级余速被下一级利用时，10，级的理想能量 E0=,级相对内效率,实现余速利用的条件 相邻两级的平均直径接近相等，蒸汽从前一级流向后一级时没有较大

48、的径向方向变化，过渡平滑 后一级喷嘴的进汽方向应与前一级动叶的排汽方向一致。变工况运行时，动叶排汽方向变化，喷嘴进汽边加工成圆角，以适应进汽角度在较大范围内的变化 相邻两级间的轴向间隙应尽可能小，使两级间的蒸汽流量没有较大的变化 相邻两级的部分进汽度相同,不能满足余速利用的级 调节级部分进汽，之后压力级为全周进汽；调节级直径大于其后的压力级 级后有抽汽口的级：相邻两级间轴向间隙大；由于抽汽，两级的蒸汽流量发生变化，余速不能利用 末级后面没有级，余速动能全部损失,多级汽轮机的损失 内部损失：直接影响蒸汽状态的损失 级内损失 进汽节流损失 排汽管的压力损失 中间再热蒸汽管道的压力损失 外部损失：不

49、直接影响蒸汽状态的损失 外部漏汽损失 机械损失,进汽节流损失,定义：从锅炉来的新蒸汽在进入汽轮机No.1级喷嘴之前，首先要进过主汽阀、调节汽阀和蒸汽室，蒸汽流经这些进汽机构时要产生节流，蒸汽压力降低而比焓保持不变，蒸汽在进汽机构中由于压力降低会引起损失,0主汽阀前的蒸汽状态 0No.1级喷嘴前的蒸汽状态,无节流时理想比焓降Ht,有节流时理想比焓降Ht,进汽节流损失,H1,阀门全开时汽流速度4060m/s,流动特性良好的阀门,进汽机构节流引起的压力损失是新蒸汽压力的3%5%,排汽管的压力损失,定义：汽轮机的排汽从末级动叶排出后，由排汽管道引至凝汽器。蒸汽在排汽管道中流动时，存在摩擦、撞击和涡流等

50、项损失，使压力降低，这部分压降用于克服排汽管道的流动阻力，未参与做功，为压力损失,pc汽轮机末级动叶后压力 pc凝汽器压力,压降/压力损失,排汽管压力损失引起的比焓降损失,排汽管压力损失计算公式,：阻力系数，0.050.1；cn：排汽管中蒸汽的速度：凝汽式(80120)m/s，背压式(4060)m/s,H2排汽管为喇叭型扩压管，动能变压力能，弥补压力损失,中间再热蒸汽管道的压力损失,定义：蒸汽流经中间再热器及其管道阀门和中压主/调节汽阀后所产生的压力损失，约为再热压力的8%12%,中间再热蒸汽管道压力损失：高压缸排汽压力与中压缸进汽压力prh之差,高压缸进汽节流损失：新蒸汽压力p0与高压缸No

51、.1级前压力p0之差,中压缸连通管压力损失：中压缸排汽压力与低压缸进汽压力之差,排汽管压力损失：末级级后压力pc与凝汽器压力pc之差,外部漏汽损失 汽轮机主轴与汽缸之间有径向间隙，汽缸内外压差较大，高压端有蒸汽从里向外漏出，未做功，能量损失；低压端有空气由外向内漏入，真空下降，理想比焓降减少 外部漏汽损失亦称轴端漏汽损失 为减小外部漏汽损失，采用汽轮机轴封系统： 在汽轮机轴端的间隙部位安装轴端汽封/轴封，以及设置防止轴封漏汽的蒸汽密封系统,齿形/曲径轴封的工作原理,由许多依次排列的环形薄金属片组成，作为高、低齿固定在汽缸上，与主轴(或轴套)上的凸肩相错对应，二者之间形成许多较小的径向环形间隙，

52、每两个间隙间形成一个环形汽室,蒸汽经过间隙，通道面积，速度，压力，然后流入突然扩大的汽室，产生涡流和碰撞，动能消耗转换为热能，加热汽室内蒸汽使其比焓恢复到原来数值，通过轴封为节流过程，压力依次降低,轴封漏汽量,Ap:间隙面积 c:流过间隙汽流速度,=0.30.6mm/0.250.45mm(高精度) 齿数，间隙压差，c，Gp,轴封后压力pzpcr,齿形轴封的漏汽量计算,轴封中流动类似渐缩喷嘴，出现两种情况,求最后1个齿隙的临界压力pcr，判断是否达到临界状态,当轴封漏汽在最后1个齿未达到临界状态,p0:轴封前蒸汽压力 z:轴封片数,轴封后压力pzpcr,当轴封漏汽在最后1个齿达到临界状态,1:

53、轴封间隙的漏汽流量系数，由实验确定,Ap:轴封间隙漏汽面积 dp: 轴封间隙平均直径,所有齿隙中的流动速度均小于临界速度 最后1个齿隙中汽流速度达到临界速度，其余均小于临界速度,汽轮机的轴封系统 按供汽方式汽轮机轴封系统分为外来汽源供气方式和自密封供汽两种形式 不同机组的轴封系统各不相同，主要由汽轮机的进汽参数、回热系统的连接方式和轴封结构等因素决定 引进型300MW、600MW机组常用自密封供汽的轴封系统,特点： 高、中压缸轴封与低压缸轴封通过母管连接起来，在机组正常运行时，可实现两者之间的自身平衡蒸汽密封,启动初期，辅助蒸汽供汽，高压缸轴封10%负荷时自密封，中压缸25%负荷自密封 轴封供

54、汽联箱表压力2935032980Pa时，冷再热蒸汽供汽，75%负荷高中压缸轴封漏汽满足低压缸轴封供汽量要求，轴封系统达到自密封 负荷75%，联箱表压力32980Pa时，高中压轴封漏汽除向低压轴封供汽外，通过溢流调节阀将多余蒸汽排往凝汽器 主蒸汽常用于跳闸和甩负荷后的启动或当无冷再热供汽时,机械损失,定义：多级汽轮机运行时，用于克服支持轴承和推力轴承的机械摩擦阻力，以及带动主油泵、调节系统设备等所消耗的功率Pm,有效功率/汽轮机轴端功率Pe：汽轮机转子通过联轴器传递给发电机转子的输出功率，小于汽轮机内功率 Pi，Pe=Pi-Pm,机械效率,汽轮机的机械效率一般为96%99%；大功率汽轮机m=98

55、%99% 各种工况下，Pmconst，m随内功率Pi而变 负荷，m,多级汽轮机的相对内效率ri,蒸汽在汽轮机的能量转换过程中存在损失，理想比焓降Ht没有全部转换为汽轮机的有用功，只有有效比焓降Hi转换为有用功,相对内效率,理想功率,内功率,有回热抽汽时的内功率,各抽汽段的流量,各抽汽段的有效比焓降,一般汽轮机ri=78%90% 国产大功率汽轮机ri87% 600MW以上ri90%,多级汽轮机的相对有效效率e,汽轮机的理想功率Pt考虑内部损失得到内功率Pi，内功率Pi 再考虑机械损失得到有效功率Pe,相对有效效率,发电机效率g,发电机将有效功率Pe转换成电功率P时，还要克服机械损失和电气损失-发

56、电机损失Pg，发电机输出的电功率P=Pe-Pg,发电机效率,中小型机组采用空气冷却g=92%98% 大功率机组采用氢冷却或水冷却g98%,汽轮发电机组的相对电效率el,发电机输出的电功率P与汽轮机的理想功率Pt之比为汽轮发电机组的相对电效率,相对电效率,1kg新蒸汽所具有的理想比焓降Ht转换成电能的份额，反映了发电机组的工作完善程度,蒸汽的热能经汽轮发电机组转换成电能时，存在着汽轮机损失和发电机损失，因此汽轮发电机组输出的电功率P为：,汽轮发电机组的绝对电效率ael,在整个循环中加给每千克蒸汽的热量所转变成为电能的份额，称为汽轮发电机组的绝对电效率,绝对电效率,汽轮发电机组的热经济指标-汽耗率d,汽耗率,汽轮发电机组每生产1kwh的电能所消耗的蒸汽量-汽耗率,汽轮发电机组的热经济指标-热耗率q,热耗率,汽轮发电机组每生产1kwh的电能所消耗的热量热耗率,机组采用一次中间再热,Q0:汽轮发电机组的热耗量；Dr:再热蒸汽量 hr、h