汽轮机设备及运行课件

绪论电力工业在国民经济中的地位：是国民经济的一项基础产业，也是国民经济发展的先行行业。电力生产的形式：a：火力发电汽轮发电机组 b：水利发电水轮机 c：核能发电汽轮发电机组 d：其 他生物能、风能、潮汐能绪论火电厂基本概念 （一）能量转换过程 燃料化学能蒸汽热能机械能电能 （二）火电厂三大主机 锅 炉：将燃料的化学能转变为热能 汽轮机：将锅炉产生的蒸汽热能转变为转子 的旋转机械能 发电机：将旋转机械能转变为电能绪论汽轮机的概念：是一种将蒸汽热能转变为机械能的外燃式高速旋转原动机汽轮机特点：单机功率大、效率高、运转平稳、寿命长 汽轮机的用途：发电厂的原动机；驱动泵、风机、压气机一、汽轮机装置在电厂中的地位 锅 炉汽轮机发 电 机 蒸 汽化学能(燃料)热能机械能电能 一、汽轮机装置在电厂中的地位 二、汽轮机的发展概述世界第一台汽轮机诞生 a.1883年，拉瓦尔（瑞典）这是一台单机功率仅为 3.7kw的汽轮机。b.多级汽轮机、辐流式汽轮机、背压汽轮机国外汽轮机制造企业 a.美国通用电气公司冲动式 b.美国西屋公司反动式 c.法国阿尔斯通-大西洋公司反动式、冲动式 二、汽轮机的发展概述国内汽轮机制造企业 a.三大动力设备厂：哈气、上汽、东汽 b.工业汽轮机：杭州汽轮机厂 c.燃气轮机：南京汽轮机厂 二、汽轮机的发展概述发展趋势 （1）增大单机功率 （2）提高蒸汽参数 （3）采用中间再热 （4）提高机组的运行水平 三、汽轮机的分类1、按工作原理分冲动式汽轮机反动式汽轮机2、按热力特性分凝汽式汽轮机背压式汽轮机抽汽式汽轮机抽汽背压式汽轮机多压式汽轮机3、按主蒸汽压力分汽轮机类别主蒸汽压力（MPa)低压汽轮机0.121.5中压汽轮机24高压汽轮机610超高压汽轮机1214亚临界压力汽轮机1618超临界压力汽轮机22.1超超临界压力汽轮机32 汽轮机型号的表示方法汽轮机型号的组成为：XX-XX-XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：N300-16.7/538/538 300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为538C,再热蒸汽温度538C。汽轮机型式代号见下表：代号型式代号型式N凝汽式CB抽汽背压式B背压式CY船用C一次调整抽汽式Y移动式CC两次调整抽汽式HN核电汽轮机 四、汽轮机有关功率的定义电力行业对汽轮机发电机组功率的定义：（1）额定功率（TRL，铭牌功率）额定蒸发量 （2）最大连续功率（TMCR）额定蒸发量 （3）热耗率验收功率（THC）（4）阀门全开功率（VWO）锅炉最大连续出力 （5）最经济连续功率（ECR）五、现代汽轮机的结构1、转动部分：主轴、叶轮、动叶片、联轴器2、静止部分：汽缸、隔板、静叶、轴承 六、本书的内容：内容原理（第一章）结构运行（第五、六章）本体（第二章）辅机凝汽设备（第四章）调节保护（第三章）第一章 汽轮机级的工作原理级是汽轮机中最基本的工作单位级由静叶栅（喷嘴栅）和动叶栅组成本章着重阐述单级汽轮机的工作原理第一节概述一、汽轮机通流部分结构1、通流部分：蒸汽流动做功的通道2、通流部分的结构：级：是汽轮机中最基本的工作单元。在结构上它是由静叶（喷嘴）和对应的动叶所组成；一列固定的喷嘴和与它配合的动叶片构成了汽轮机的基本作功单元，称为汽轮机的级。1轴2叶轮3动叶栅4喷嘴二、冲动作用原理和反动作用原理（一）冲动作用原理v冲动力的定义：冲动力的定义：根据力学知识，当一运动物体碰到另一个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的大小或方向，同时给阻碍它的物体的一个作用力v特点：特点：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（一）冲动作用原理v 喷嘴出口处：喷嘴出口处：蒸汽以相对速度w1进入动叶通道，由于受到动叶的阻碍，汽流方向不断改变，最后以相对速度w2流出动叶通道，v在流道中蒸汽对动叶产生一个轮周方向的冲动力F1，该力对动叶作功使动叶转动（二）反动作用原理v反动力定义：反动力定义：蒸汽在动叶汽道内膨胀时对动叶的作用力。根据动量守恒定律，当气体从容器中加速流出时，要对容器产生个与流动方向相反的力。v基本特点：基本特点：蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向，而且还要膨胀加速，从结构上看动叶通道是逐渐收缩的。从作用力方面分析原理v蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力降低，速度增加一方面通过速度方向的改变，产生冲动力F1v蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低，所产生的焓降转化为动能造成动叶出口的相对速度w2大于进口相对速度w1，使汽流产生了作用于动叶上的与汽流方向相反的反动力Fr。v在蒸汽的冲动力和反动力合力作用下推动动叶旋转作功。动叶通道是逐渐收缩的 基本概念基本概念v级滞止理想焓降：级滞止理想焓降：0点是级前的蒸汽状态点，0*点是汽流被等熵滞止到初速等于零的状态，p1、p2分别为喷嘴出口压力和动叶出口压力，蒸汽在级内从滞止状态0*等熵膨胀到p2时的焓降称为级的滞止理想焓降v级理想焓降：级理想焓降：蒸汽在级内从0点等熵膨胀到p2时的焓降 称为级的理想焓降。三、反动度和级的类型二、反动度和级的类型汽轮机的反动度 蒸汽在动叶通道内膨胀时的理想焓降hb，和在整个级的滞止理想焓降ht*之比，即反动度v反动度：反动度：表示蒸汽在动叶通道内膨胀程度大小的指标。v它等于蒸汽在动叶通道中的理想焓降与喷嘴的滞止理想焓降和动叶通道中理想焓降之和的比值v级的平直径处（即1/2叶高处）的反动度用m表示，其表达式为：（二）汽轮机级的类型和特点1.按反动度的大小进行分类2.按通流面积是否随负荷而变分类3.按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程分类级的类型及特点汽轮机的级可分为冲动级和反动级两大类冲动级冲动级冲动级又分：纯冲动级、带反动度的冲动级速度级 1)纯冲动级：反动度为零的级称为纯冲动级v工作特点：是蒸汽只在喷嘴中膨胀，在动叶通道中不膨胀v结构特点：动叶叶型近似对称弯曲，作功能力大，但效率比带反动度的冲动级低。v现代冲动式汽轮机中广泛采用具有一定反动度的冲动级，简称为冲动级v工作特点:蒸汽的膨胀主要喷嘴中进行，在动叶通道中仅有小部分膨胀，产生的反动力较小，主要利用冲动力作功v结构特点：作功能力比反动级的大，效率又比纯冲动级高。带反动度的冲动级v定义：蒸汽在级中的理想焓降平均分配在喷嘴和动叶通道中的级称为反动级v工作特点：蒸汽在喷嘴和动叶通道中的膨胀程度相等，作功的力冲动力和反动力各占一半v结构特点：动叶叶型与喷嘴叶型完全相同。反动级的效率高于冲动级，但整级的理想焓降较小。反动级调节级喷嘴调节：多数汽轮机采用改变第一级喷嘴面积的方法调节进汽量，称之为喷嘴调节。调节级：中、小容量汽轮机的调节级喷嘴调节汽轮机的第一级称为调节级，一般采用复速级。大容量汽轮机多采用单列冲动级。还把汽轮机的级分为速度级和压力级两种。v速度级:为使充分利用余速，在两列动叶之间装设列导向叶片，排汽经过导向叶片后改变方向，进入第二列动叶继续作功。这种级称为速度级。v复速级：同一叶轮上装有两列动叶片的双列速度级，又称为复速级。v工作特点：蒸汽主要在喷嘴中膨胀加速：动叶通道和导向叶片通道中基本不膨胀，焓降大、效率较低。用于单级汽轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。复速级第二节 蒸汽在级内的流动基本假设（1）蒸汽在级内的流动是稳定流动（2）蒸汽在级内的流动是一元流动（3）蒸汽在级内的流动是绝热流动v 一、可压缩流体一元流动的基本方程：连续性方程：微分形式：v运动方程：能量方程：状态方程：v二、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程 蒸汽在喷嘴中的膨胀过程 （一）喷嘴中的汽流速度 1.喷嘴出口汽流的理想速度：可由能量方程求得 sh1p112h1thnhc00p0P0*0*h0h0*v2.临界速度和临界压力比v 临界状态：汽流速度等于当地音速的状态v 临界压力比：临界压力与滞止初压之比v即3.喷嘴出口汽流实际速度：c1=c1t -喷嘴速度系数 喷嘴的动能损失:喷嘴的能量损失系数:v 影响速度系数的因素有：喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度、前后压力等。v 速度系数与叶高的关系曲线如下图：v（二）喷嘴截面积的变化规律v 当喷嘴内流动为亚音速流动时，M1，汽道的截面积随着汽流加速而逐渐增大，称为渐扩喷嘴v 当喷嘴内汽流速度等于当地音速时，M=1，喷嘴截面积达最小值，称为临界截面积或候部喷嘴中的热力过程vP0,P1分别是喷嘴进出口压力。v理想热力过程从01。v实际热力过程是02。v0*点是0的滞止参数点。hsh1p112h1thnhc00p0P0*0*h0h0*蒸汽滞止和喷嘴出口参数计算喷嘴出口汽流速度的计算 喷嘴出口的理想速度c1t为：喷嘴实际出口速度为：喷嘴速度系数动能损失为：喷嘴动能损失滞止理想比焓降喷嘴的能量损失系数 ：与蒸汽之比喷嘴截面积的变化规律喷嘴中的临界状态临界压力比 只取决于蒸汽本身的性质，与喷嘴的结构无关。对于过热蒸汽：对于干饱和蒸汽：喷嘴中的蒸汽流量（1）理想情况下，当喷嘴前后的压力比 大于临界压力比时，由连续性方程 有：实际流量：称为喷嘴流量系数，它主要与蒸汽状态及蒸汽在喷嘴中的膨胀程度有关。（2）当喷嘴前后的压力比小于或等于临界压力比时，通过喷嘴的流量将保持不变，即为临界流量：实际临界流量：对于过热蒸汽，对于饱和蒸汽，由以上分析可知，通过喷嘴的最大蒸汽流量（即临界流量），在喷嘴出口面积和蒸汽性质确定后，只与蒸汽的初参数有关；只要初参数已知，则通过喷嘴的临界流量即为定值。5、彭台门系数 当喷嘴进出口压力比处于某个数值时，其相应的流量Gn与同一初状态下的临界流量Gnc之比值称为流量比，也称为彭台门系数，记为。6、蒸汽在斜切部分的膨胀p0pttct 如图所示，AB为渐缩喷嘴的出口截面，即吼口截面，ABC 即为斜切部分。当喷嘴出口压力p1大于临界压力p1c时，蒸汽在斜切部分不发生膨胀。但当p1dp1 cr2、cr n 1d3、n1d三、长叶片级的设计1、叶片径高比和相对节距的定义810的叶片就成为长叶片，其特点为：（1）圆周速度沿叶高不同，气流冲击背弧或凹弧；（2）叶栅存在最佳相对节距，大于或小于（x1）op造成损失；（3）c1较c0、c2要大得多，受c1u离心力产生径向压力梯度的 影响，p1沿叶高是增加的，径向流动产生损失；综合以上特点，可知长叶片要按二元或三元流进行设计2、二元流设计（简单径向平衡法cr=0）（1）理想等环量流型（cz=constc1ur=const）（2）等1角流型(cos 1=c1u/c1=constc1urcos 1=const）3、完全径向平衡法（1）三元流流型（2）可控涡流型（反动度沿叶高可按需要进行控制）第四节 级内各项损失和级效率一、级内损失 1、喷嘴能量损失、动叶能量损失和余速损失 喷嘴能量损失和动叶能量损失又称为叶栅损失，叶栅损失又可分（1）叶型边界层的磨擦损失（2）边界层脱离引起的涡流损失（3）尾迹损失（4）流道中有超音速时可能存在激波损失 2、叶高损失3、撞击损失4、扇形损失5、叶轮摩擦损失6、部分进汽损失（1）鼓风损失（2）斥汽损失7、湿汽损失hx8、漏汽损失h二、级效率 级的有效焓降第二章 多级汽轮机本章主要讨论多级汽轮机中蒸汽的进、排汽损失，轴向推力以及轴封系统等问题第一节 多级汽轮机的优越性及其特点一、多级汽轮机的优缺点1、多级汽轮机每级的焓降较小，有可能使速度比设计在最佳速度比附近，同时c1小、u也小，即直径小，叶高或部分进汽度相应大，这些都是效率增大；2、各级余速动能可以部分的被利用；3、多级汽轮机可以实现回热循环和中间再热循环；4、由于重热现象，多级汽轮机前面级的损失部分的被后面各级所利用。二、重热现象和重热系数hmactht1ht2ht3ht4ht，2ht，3ht，4hi，1hi，2hi，3hi，4hmaci 在h-s图上，等压线沿着比熵增大的方向是逐渐扩张的，所以，多级汽轮机中上一级损失的一部分可以在以后各级中得到利用的现象。无损失和有损失时的理想焓降分别为：重热系数为：全机有效比焓降则全机的相对内效率为：各级平均的相对内效率：从以上分析可知，重热现象使全机的相对内效率高于各级平均的相对内效率。但并不是说越大，全机的效率就越高。因为重热现象的存在只不过是使多级汽轮机能回收其损失的一部分而已。第二节 汽轮机进汽、排汽损失和热力过程线一、进汽损失 进汽速度4060m/s，进汽压力损失p0=0.030.05p0。优化阀的型线，使其带扩压管，把部分蒸汽的动能转化为压力能。二、排气损失 凝汽机组的cex100120m/s，背压机组cex4060m/s。当进入排汽管的汽流速度较低，即M0.3时，就必须考虑其压缩性，但仍然有：三、多级汽轮机的热力过程线（p112116)三、汽轮机装置的评价指标蒸汽的热能内功率Pi电功率Pel轴功率Pax1、汽轮机的相对内效率2、机械效率3、发电机效率则汽轮发电机组的相对和绝对电效率为：4、汽耗率机组每生产1KWh电能所消耗的蒸汽量5、热耗率机组每生产1 KWh电能所需的热量第三节 多级汽轮机的轴向推力及其平衡 反动式汽轮机的轴向力有100200T，冲动式汽轮机的轴向力有4080T。一、冲动式汽轮机的轴向推力 1、作用在动叶上的轴向推力2、作用在叶轮轮面上的轴向推力隔板轴封漏汽量为通过平衡孔的漏汽量为动叶根部轴向间隙处的漏汽量为如动叶稍有漏气，其流量平衡为(d pdFz,2)3、作用在轴封凸肩上的轴向推力4、转子凸肩上的轴向力二、轴向推力的平衡 1、设置平衡活塞p121 2、采用具有平衡孔的叶轮p117 3、利用汽轮机分缸的反向平衡p121 4、采用推力轴承第四节 轴封及其系统一、轴封类型 1、高低齿曲径轴封；2、平齿光轴轴封。二、芬诺曲线 等流量曲线芬诺曲线三、轴封漏汽量的计算 1、最后一个齿隙的汽流速度低于临界速度2、最后一个齿隙的汽流速度等于临界速度第三章 汽轮机在变工况下的工作v汽轮机喷嘴变工况v级变工况v机组变工况v调节级变工况一、渐缩喷嘴的变工况 对于渐缩喷嘴，当其初参数及出口面积不变时，通过喷嘴的流量为：ACBGGcrG1PcrP1P1=PcP 在流量与出口压力的关系曲线图中，BC段近似于椭圆曲线，则：即为彭台门系数，此时通过喷嘴的任意流量G可表示为：当蒸汽的参数发生改变时，喷嘴流量为：1、当初压不变时2、喷嘴前后压力同时变化时流量锥的概念 在实际计算中，大都采用图解法计算流量，即使用流量锥或是流量网图。假设最大初压为p0m，相应的最大临界流量为G0m m、1、0之间关系的三维显示为流量锥，二维表示为流量网图。（oad为等腰直角三角形）渐缩喷嘴流量锥如右图所示。abdc相对初压相对背压二、缩放喷嘴的变工况（极限压力p132）1、当初压不变时2、初终参数同时改变时三、汽轮机级的变工况 喷嘴前、后压力发生变化引起流量的变化。反之，当流经喷嘴的流量变化时，喷嘴和动叶前后的压力也要随之变化，从而引起级内各个参数发生变化。本节主要研究级中诸参数随流量变化而变化的基本规律。（一）设计工况和变动工况均为临界工况1、喷嘴在临界状态2、动叶在临界状态若近似认为 ，则有：用喷嘴参数表示则同理有：小结：当级在临界状态下工作时，不论临界状态是发生在喷嘴中还是动叶中，其流量均与级前压力成正比，而与级后压力无关。当c0变化不大（二）设计工况及变工况均为亚临界状态 当级在亚临界状态下工作时，通过级的流量与级前、后的压力均有关动叶进口的撞击损失一、冲角（p50）正冲角时，气流冲击内弧面；负冲角时，气流冲击动叶的背弧面。级负荷变化，是由于流量变化，压力和焓降随之发生变化。于是发生冲击损失。二、撞击损失（p139）焓降增大，导致正冲角；焓降减小，导致负冲角。级内反动度的变化设计工况下的连续性方程焓降减小时的连续性方程，理论上有从p139b图上可以看出，实际情况是因此，级的反动度要增加。焓降减小，速度比增大，级内反动度增大；焓降增大，速度比减小，级内反动度减小；四、汽轮机级组的变工况（一）机组前、后压力与流量的关系 机组可以看作一个当量喷嘴 假设最大初压为p0m，相应的最大临界流量为G0m级组前压力的相对值级组后压力的相对值相对流量级组临界压力比试验证明：工况变动时，机组前后的压力与流量的关系可用斯托多拉流量锥表示，即0、2、m组成流量锥；级数越多，机组的临界压力比就越小；初参数不同的同一级组具有相同的临界压力比。无穷级数的级组中各级均处于亚临界时的流量比为佛留格尔公式，如下亚临界变工况的流量与机组前后压力平方差的开方成正比。级组中的末级均到达临界状态：级组中的末级均到达临界状态：例如级组由三级组成,如图示P0P1P2P3P4P5P6G对第二级有：同理有：（二）机组压力与流量公式的应用条件 1、通过同一级组中各级的流量相等；2、不同工况级组中各级的通流截面保持不变；3、通过各级的汽流是一股均质流；4、佛留格尔公式只适用于无穷级数的情况，有限级数时的精确计算要考虑级组的临界压力比。五、汽轮机的配汽方式和调节级的变工况目前常用的配汽方式有：喷嘴配汽和节流配汽。（一）喷嘴配汽333322221G工作过程：主要特点：机组在部分负荷时，效率较高。机组的高压部分在工况变化时温度变化很大，从而引起较大的热应力。喷嘴调节级压力与流量的关系 分析过程中，为了突出调节级主要变工况特点首先对上页所示的调节级的工作 过程作如下假定：1）忽略调节级后温度变化的影响，调节级后压力P2正比于全机流量；2）各种工况下级的反动度都等于零，p11=p21；3）四个调节汽门依次开启，没有重叠度；4）凡全开调节汽门后的喷嘴组前压力均为p0不变。喷嘴组压力分配曲线（158页）喷嘴组流量分配曲线调节剂效率与流量的关系（160页）调节级、系数，焓降反动度、压力反动度和轮轴效率计算（162163页）pG018765432调节级出口压力线G10.8G0.4GGQULIMKNVJG简化的调节级的压力与流量的关系（三）节流配汽工作过程：进入汽轮机的所有蒸汽都通过一个调节汽门，然后进入汽轮机。调节汽门控制流量大小。GP0,t0主汽门调节汽门汽轮机hsh0t0p0p”0p0pc工作特点：1）机组在低负荷时调节汽门中节流损失较大，使扣除进汽机构节流损失后的理想比焓降减小得较多。（节流效率th）2）没有调节级，结构比较简单；3）在工况变动时，各级比焓降变化不大，同时级前温度变化也较小。基本方程式（1）状态方程 pv=RT（2）等熵过程方程pvk=常数（3）连续性方程 Gv=Ac（4）能量守恒方程 更多精品资请访问更多精品资请访问 更多品资源请访问更多品资源请访问