透平机械原理教学课件

第二章 多级汽轮机第一节多级汽轮机的工作原理流量增加，叶片高度增加，受强度受到限制，则通流面积受到限制。焓降增加，会使ca增加，若保持最佳速比，则u增加。u增加受叶轮、叶片强度的限制。增加汽轮机单机功率的途径，为采用多级汽轮机。外高桥900 MW汽轮机为超临界单轴、一次再热、四缸四排汽(高、中、低、低)，其技术参数如下(100额定负荷)：额定出力 900 MW 最大连续出力 980 MW 主汽门前额定压力 23.96MPa 主汽门前额定温度 538 主蒸汽流量 2537th 高压缸排汽压力 5.495MPa 再热汽门前额定温度 566 再热蒸汽流量 2264th 背压 4.9kPa 低压缸末级叶片长度 1146mm 热耗 7602kJ/(kW.h)本机为反动式机组。高压缸为单流型，共17级;高压缸总重(包括连体的主汽阀及调节汽阀)达170t，在制造厂内组装后整体运至现场。中压缸为分流型，共213级，也是整体组装出厂，总重197t。采用水平中分面窄法兰外缸。低压缸为分流型，共26级。汽轮机总长28.5m机组总长为48.2m。多级冲动式汽轮机 多级反动式汽轮机 1一转鼓；2、3一动叶；4、5一导叶；6一汽缸；7新汽汽室；8平衡活塞；9新汽联通管热力过程线 Hi=hi，Ht=h t图示多级冲动级热力过程线多级汽轮机的优点 1、整机功率较大；2、效率高（1）每级承担的焓降较小，各级可在最佳速比下工作；（2）各级焓降小，可采用渐缩喷嘴；（3）利用重热现象（回收利用总损失中的一小部分）和余速利用（4）可设计成回热式和中间再热式，以提高汽轮机相对内效率。（5）各级焓降小，级的平均直径减小，动静叶栅高度科适当增加，减少叶栅的端部损失。多级汽轮机的缺点多级汽轮机结构复杂零部件多机组尺寸及重量大造价高有级间的漏汽损失和湿汽损失等第二节 重热现象与重热系数(1)重热现象水蒸汽hs图上的等压线是沿着熵增的方向逐渐扩张的，即等压线之间的理想比焓降随着熵的增大而增大。前一级损失造成的熵增大使后面级的理想比焓降增大，这种现象称为“多级汽轮机的重热现象”。重热系数：由于重热现象而增加的理想焓降占汽轮机理想焓降的百分比。一般=4%8%当级的相对内效率为当各级的平均相对内效率为越大，整机的相对内效率越低。一般用半经验公式估算重热系数（2-14），一般=4%8%。某50MW汽轮机全机理想比焓降为1428.6kJ/kg，各级的理想焓降之和为1514.57kJ/kg，求该汽轮机的重热系数为多少？解：根据重热系数的定义：各级的理想焓降之和/全机理想比焓降 所以该多级汽轮机的重热系数为：第三节 焓降分配与级数的确定多级汽轮机中，任意级的焓降：当n和xa不变，则级的焓降正比于d2。对于高参数大容量的大功率汽轮机，膨胀比大（23.96/0.0049=4890），容积流量变化剧烈，为使通流部分平滑变化，分组制造。冲动式汽轮机级的节圆直径dm一般总是由高压向低压增大。反动式汽轮机，由于高压级必须全周进汽，因而dm必须小。流量参数：质量流量G kg/s或t/h容积流量容积流量Gv m3/h喷嘴 Gv=Dmlnc1sin1动叶 Gv=Dmlbw2sin 2GvzGv1只有使Dm、ln、c1增大，保证Gv增大。高压级：Gv变化较小，叶片高度较低，叶高损失占的比重大，效率不会太高。中压级：以Gv为标准划分，效率最高。低压级：湿蒸汽损失，效率也不会太高。第一级喷嘴出口截面上的连续方程：G=d1e1l111tc1tsin1c1t=c1/=(d1n)/(60 x1)第一级的平均直径：末级动叶出口截面上Gz=dzl2z2zc2zsin2z=dz/lz末级的平均直径：D1/dz0.6机组的级数：第四节 多级汽轮机的损失多级汽轮机的损失分为两类：1.外部损失：不直接影响蒸汽状态的损失；外部漏气损失机械损失2.内部损失：直接影响蒸汽状态的损失；汽轮机进汽机构的节流损失排气管损失一、前后端轴封漏汽损失及其漏汽量计算轴封系统（汽封系统）：正压轴封（防止高压端蒸汽外漏）负压轴封（阻止空气漏入低压端）在汽轮机两端均安装齿形轴封，称为轴端轴封或曲径轴封。轴端轴封和与它相连的管道及附属设备组成轴封系统。国产300Mw汽轮机轴封系统示意图东方汽轮机厂三缸两排汽口200MW汽轮机的自密封轴封系统。（一）齿形汽封的工作原理（1）齿形汽封的工作原理：漏汽量要减少漏汽量，则应减小漏汽面积、降低流速、但不能随意改变。P0p1pzH0=h1=hz蒸汽通过汽封是一个节流过程，压力不断降低，将总压差分成多份，分配在每一片汽封齿上，使每一汽封片两侧的压差很小，减少了漏汽量。（2）芬诺曲线：漏汽在汽封齿中流动时满足c=const的曲线，反映蒸汽通过汽封齿的热力过程。=0.30.6mm曲径轴封及其热力过程(二)轴封漏汽量的计算 假设：1)理想气体；2)蒸汽流过齿尖时相当于流过收缩喷嘴的流动情况；3)通过每个齿尖后的速度全部在后一个汽室中损失（计算中加以修正）；4)漏气过程看成节流过程；5)当视为理想气体时，t=const;6)齿数很多。（适用于隔板漏气量计算）即：已知p0、t0、pz、齿数z、漏气面积Fl，计算Gl。1最后一个齿隙低于临界速度时Gl=Flcltlt dl=(d1+d2)/22最后一个齿隙达到临界速度时对过热蒸汽k=1.3，pz/pz-1=0.5463、临界状态的判别式临界点计算的结果不一致，轴封片数愈少，二者的差别愈大；其次，在应用轴封漏汽里的基本计算公式时，必须先判别在轴封段的最末一片中是否达到临界速度，因而带来不便。高低齿及平齿轴封流量系数试验值1曲径轴封；2光轴轴封漏汽量基本计算公式的缺陷Gl=l Gl不同轴封齿形对应的流量系数光轴轴封及修正系数 4计算轴封漏汽量的单一表达式光轴轴封流量系数比曲径轴封流量系数高出2035。轴封漏汽量可以用单一表达式进行计算：二、汽轮机进汽机构中的节流损失和排汽管中的压力损失(一)汽轮机进汽机构中的节流损失汽轮机进汽机构中的节流损失1.由于节流作用引起的焓降损失Ht（Ht=HtH”t）称为进汽机构中的节流损失。Ht与管道的长短、阀门的型线、蒸汽的流速等因素有关。p0=p0-p0=(0.030.05)p02.汽 缸 导 汽 管 之 间 的 阻 力 损 失：ps=(0.020.03)ps(二)排汽管中的压力损失由于损失的存在，使末级后压力高于凝汽器内的压力=0.050.1凝汽式汽轮机cex=80100m/s背压式汽轮机cex=4060m/s一般：pc=（0.020.06）pc(a)是诽汽先扩压后转向，图(b)是排汽先转向后扩压一般用排汽缸进口能量与损失的比值来评价排汽缸的质量（由能量方程）：ex 静压恢复系数，表示进口动能变成静压头的分额，越大越好；ex动能损失系数，表示汽缸中能量损失占进口动能的分额，越小越好。当当 M0.3 时 压缩性影响对静压恢复系数ex的修正系数；压缩性影响对动能损失系数ex的修正系数。当 ex1 时，ex 0,p2p1当 ex=1 时，ex=0,p2=p1当 ex 0,p2p1当设计时，应使 ex1。三、机械损失机械损失（pax）：机组拖动主油泵、调节系统及克服轴承摩擦所造成的损失。机械效率：Pax：有效功率（轴端功率）Pi：内功率Pax在一定转速下为常数，Pi增加，ax增加，因此大功率机组的ax高。第五节 多级汽轮机的轴向推力及其平衡计算一、多级汽轮机的轴向推力一、多级汽轮机的轴向推力在轴流式汽轮机中，通常是高压蒸汽由一端进入，低压蒸汽由另一端流出，从整体看，蒸汽对汽轮机转子施加了一个由高压端指向低压端的轴向力，使汽轮机转子有向低压端移动的趋势，这个力就称为转于的轴向推力。整个转子上的轴向推力主要是各级轴向推力的总和。一、多级汽轮机的轴向推力一、多级汽轮机的轴向推力1、作用于动叶片上的轴向力FZ12、叶轮两侧的压力差产生的轴向力FZ23、轴封凸肩上的轴向力FZ34、轮毂或转子凸肩上的轴向力FZ4单级所受的轴向推力：Fi=FZ1+FZ2FZ3+FZ4汽轮机所受的总轴向推力FZ=FZi （有围带时，考虑围带部分产生的轴向推力）1、作用于动叶片上的轴向力FZ1=G(c1sin1-c2sin2)+dblb(p1-p2)压力反动度FZ1=G(c1sin1-c2sin2)+dblbp(p0-p2)G(c1sin1-c2sin2)+dblbm(p0-p2)冲动级各处汽压分布图对长叶片，可以分段沿叶高求解。对直叶片（短叶片）最好计算沿叶高的变化。（原则：r0.030.05；喷嘴中不出现超音速；适用于r0.1时（4、5、p的选取很困难；A5、Ap在运行中是变化的；在轮面上pd分布式不均匀的）三、多级汽轮机的轴向推力的平衡方法三、多级汽轮机的轴向推力的平衡方法1、设置平衡活塞（常用于反动时汽轮机）；2、叶轮上开平衡孔；3、汽缸的反向布置；4、加装推力轴承。多级冲动式汽轮机 1.不开平衡孔时，根部是吸气，pdp1，轴向推力增大。2.后几级不开平衡孔，长叶片级上叶轮应力很大，保证强度。3.止推轴承上的力不能为零，否则会发生串轴。保证不大的力作用到止推轴承上。第六节 汽轮机的极限功率和提高单机容量的途径（一）汽轮机的极限功率在一定的蒸汽初终参数和转速下，单排汽口凝汽式汽轮机所能发出的最大功率。el=riaxg接近常数，因此Pel取决于D，而D又取决于末级叶片的尺寸，l受叶片强度的限制，则单排汽口汽轮机功率受到一定的限制。G=dmlb2c2sin21)290（余量不大）2)c2经济性降低，目前，末级c2220290m/s；c22/2/Ht1.52.5%3)背压（0.0040.005）流量25%4)Dmu（材料）5)lb=Dm/lb2.42nuca ht 1980年苏联制造了目前世界上最大的五缸六排汽口1200Mw单轴超临界汽轮机，该机组单排汽口极限功率达200MW，该机具有钛合金（比重4.5）的1200mm高的末级叶片。（二）提高单机功率的途径多缸、多排汽口、双轴、提高初温和初压1、提高新蒸汽参数（初参数）；2、提高背压；3、采用双层叶片；4、末级叶片采用高强度、低密度的合金材料；5、采用多排汽口（6个排汽口）；6、采用低转速，原子能电站用；7、采用给水回热系统。（鲍曼级）第七节 汽轮机及其装置的效率汽轮机及其装置的效率装置效率：输出能量/输入能量装置：汽轮级+辅助设备绝对效率：将发电厂热力系统作为研究对象，输入能量为每千克蒸汽在锅炉中的吸热量。相对效率ri：将汽轮机组为研究对象，输入能量为汽轮机的理想焓降。（一）相对效率1、汽轮机的相对内效率riri=Pi/Pt=Hi/Ht常态值：ri=78%90%（是衡量汽轮机中能量转换过程完善程度的指标）。2、内功率Pia)无回热抽汽时b)有回热抽汽时c)有效功率（轴端功率）Pax：d)电功率（发电机出线端功率）Pel：Pel=GHtgaxri=D0Htgaxri/3600d)=Pigaxe)3、发电机效率g：g=Pel/Paxg=97%99%4、汽轮发电机机组的相对电效率r.elr.el=Pel/Pt=(Pel/Pax)/(Pax/Pi)/(Pi/Pt)=gaxri相对电效率为1kg蒸汽所具有的热能转变为电能的份额，相对电效率是衡量汽轮发电机组工作完善程度的指标。（二）绝对效率循环效率：a)无回热抽汽时b)有回热抽汽时任一绝对效率等于同一相对效率与循环效率的乘积。a.el=elt=triaxg汽轮发电机组的经济指标汽轮发电机组的经济指标（一）汽耗率d（kg/kw.h）汽轮发电机组每发一度电所消耗的蒸汽量。（二）热耗率q(kJ/kw.h)汽轮发电机组每发一度电所消耗的热量。发电厂热效率（净效率）：s.el=Csa.elCs=0.80.85考虑锅炉效率、管道效率和厂用电。毛效率：el=tbpriaxgb90%；p99.5%厂用电率6%通常s.el=3035%（40%）第八节 多级汽轮机的热力设计设计：热力、强度、结构、工艺一、基本参数的确定（给定参数、已知条件）(一)汽轮机的容量(二)汽轮机的蒸汽初参数(三)汽轮机排汽参数(四)汽轮机的转速二、凝汽式汽轮机的设计确定机组的效率、汽耗量和通流部分的主要尺寸。其主要步骤如下：(1)回热系统的初步热平衡计算和热力过程线的初步拟定；(2)汽轮机各级型式的选择；(3)中间各级组的焓降分配及各级的详细计算；(4)对计算结果进行必要的修正。xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！