《能源动力装置基础》04a

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,能源与动力装置基础,：,刘 华 堂,2009年2月,1,涡轮机又称,透平机,，它是,汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机,等旋转叶轮动力机械的总称，是输出动力的,原动机,。 其中，,汽轮机,在火电厂、核电厂用作拖动发电机发电的原动机，现代大型火力发电机组给水泵的动力，也用汽轮机。,水轮机,通常用作水电厂的动力。,燃气轮机,用作燃气电厂的动力，也作为航空飞机、轮船的动力机械。,透平膨胀机,用作能量回收和低温制冷领域之中。,第四章 涡轮机,2,第 一 节 概 述,汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机,的工质都是气体，高温、高压气体在通流部分膨胀做功，对外输出机械功率。,我国目前火电厂主要是燃煤电厂。在燃煤电厂中，汽轮机就是利用高温、高压气体在通流部分膨胀做功，使转轮旋转，从而拖动发电机发电,。,燃气轮机发电机组在以石油为主要能源的国家发展也很快。,近年来，我国也开始建造,燃气,蒸汽联合循环,发电厂。,3,汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机,的,工质,都是气体，都是,高温高压气体,膨胀成,低温低压气体,，同时对外输出机械功，气体涡轮机的主要结构形式有径流式和轴流式，它们的结构尽管有很大不同，但是其基本工作原理是相同的。,本章以,轴流汽轮机为主,，介绍其工作原理,。,汽轮机是电厂三大主机之一,4,汽轮机分类,（1）按,作功原理,分类可分为,冲动式、反动式汽轮机,。,（2）按,汽轮机功能,分类可分为,凝汽式、供 热式汽轮机,（3）按蒸汽,参数高低,分类可分为,低压、中压、高压、超高压、亚临界压力、 超临界压力汽轮机,。,此外，还有,单缸、多缸汽轮机,；按汽轮机轴的个数多少又分为,单轴、双轴汽轮机,。,5,6,一、汽轮机级的工作原理,1, 汽轮机的级：,级,由一组,静叶栅,和一组,动叶栅,所组成 。为汽轮机,最小作功单元,图41,7,8,具有一定压力、温度的蒸汽首先在静,叶栅通道,中,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,，完成利用,蒸汽热能作功的任务。,2, 级的工作原理,9,级中总的理想焓降：,h,t,*,反动度：,级的平均反,动度为蒸汽在,动叶,通道,中膨胀时的,焓降,h,b,和,在,整个级,的,理想焓降,h,t,*,之比，,即：,(4-1),级的热力过程曲线,（如图,42,）,图42,10,蒸汽对动叶片产生的作用力,冲动力,：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，因而产生离心力，离心力作用于叶片内弧上，被称为,冲动力,。,反动力：,当汽流通过动叶通道时，要,膨胀加速,，会对叶片产生一个反,作用力，即,反动力,。,11,二、冲动级和反动级,1. 冲动级的形式,1） 纯冲动级：,通常把反动度,m,等于零的级称为纯冲动级。对于纯冲动级来说，p,1,= p,2,、,h,b,=0、,h,t,*,= h,s,*,=,h,n,*,，,余速损失：,蒸汽流出动叶的速度c,2,具有一定的动能1/2 c,2,2,未被利用而损失，称这种损失为余速损失，用 表示,。,2) 带反动度的冲动级：,为了提高级的效率，通常使冲动级也带有一定的反动度（,m,=0.05,0.20），这种级称为带反动度的冲动级，它具有作功能力大、效率高的特点。,12,3）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。,* 蒸汽在复速级中的作功过程：,* 为了提高复速级的效率，也采用一定 的,反动度,。,* 复速级具有作功能力大的特点，在 中小型汽轮机中，通常用复速级作 为,调节级,。,13,2反动级：,在汽轮机中通常把反动度,m,=0.5的级称为反动级。,1),对于反动级，蒸汽在,静叶,和,动叶,通道的,膨胀程度相同,，即，,反动级是在冲动力和反动力同时作用下作功。,2),反动级的效率比冲动级高，但作功能力小。,3),调节级,和,压力级,： 采用喷嘴调节功率大小的汽轮机，它的第一级通常称为调节级，其余的级统称为压力级。,14,作业与思考,1，叙述汽轮机级的工作原理；,2，汽轮机的分类；,3,，解释专业名词：级，反动度，冲动级，反动级，复速级；,4，画出级的热力过程曲线。,15,第 二 节 级内能量转换过程及效率,叶栅通道中流动具有,三元流动,特性，但是，为了研究方便，忽略蒸汽的粘性，并,假设,：,1蒸汽在叶栅通道的流动是,稳定的,即在流动过程中，通道中任意一点的蒸汽参数不随时间变化而改变。,2. 蒸汽在叶栅通道的流动是,一元流动,即蒸汽在叶栅通道中流动时，其参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上不变化。,3蒸汽在叶栅通道的流动是,绝热流动,即蒸汽在叶栅通道中流动时与外界没有热交换。,16,基本方程式,在汽轮机热力计算中，要用到可压缩气体的一元流动基本方程式有：,连续方程式：,能量方程式：,状态及过程方程式：,动量方程式：,气动方程式：,17,一、蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程,喷嘴的作用,：是让蒸汽在其中流动时得到膨胀加速，将热能转变为动能。喷嘴是,固定不动,的，蒸汽流过时，,不对外作功,，W=0；同时与外界,无热交换,，q=0。,根据能量方程式，则,(4-2),上式可写成：,(4,3),18,（,一）喷嘴出口汽流速度计算,1喷嘴出口的汽流理想速度,已知条件,：喷嘴前的参数 p,0,t,0,h,0,c,0,。按等熵过程膨胀（图43）。根据式（42），则,喷嘴出口汽流理想速度,为,（4-4）,19,图4-3 蒸汽在喷嘴中的膨胀过程曲线,在焓熵图中表示为右图：,其中，,称为,喷嘴的理想焓降,，,称为,喷嘴滞止焓降,。,20,利用滞止点0,*,的,滞止参数,分别代入式(44) ，则,（45）,2喷嘴出口的汽流实际速度,由于流动是有损失的，汽流实际速度小于理想速度。这样，喷嘴出口的汽流实际速度为,(46),其中，为,喷嘴速度系数,，通常取,=0.97。,21,3喷嘴损失,喷嘴损失,：蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称为喷嘴损失，用,h表示：,(47),喷嘴能量损失系数,喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比，用,表示,：,(4-8),22,(二)喷嘴中汽流的临界状态,1临界速度,汽流音速,：,当用0,*,点的滞止参数表示时，代入音速公式，则有,(49),临界状态、临界参数,、临界速度,当蒸汽在喷嘴通道中膨胀时，速度逐渐增加，压力和焓值逐渐降低，音速也降低，如图44所示。到某一截面会出现汽流速度等于,当地音速,。当汽流速度等于当地音速时，则称此时的流动状态为,临界状态,。这时的参数为,临界参数,。,则,临界速度,为,：,(4-10),23,2临界压力,根据(310),临界压力为： (4-11),对于等熵膨胀过程，则上式为,(4-12),上式表明：,临界压力只与蒸汽指数 k 和初压有关,。,临界压力比,： 临界压力与初压之比称为临界压力比,(4-13),过热蒸汽,（k=1.3）则 =0.546；,饱和蒸汽,（k=1.135）则,= 0.577.,24,（三）喷嘴截面积的变化规律,根据,连续性方程式,的微分形式、,动量方程式,和,等熵,过程方程式、马赫数,可推出下式：,(4-14),上式可看到，喷嘴截面积的变化，不仅和汽流速度有关，同时还和马赫数M的大小有关：根据上式进行分析：,（1）,当汽流速度小于音速，即M1时,：若要使汽流能继续加速，则喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐增加，即做成渐扩喷嘴。,（3）,当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1,：表明横截面A达到最小值，即喉部截面。,25,简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了使喷嘴中的汽流达到超音速，除了喷嘴出口,蒸汽压力必须小于临界压力,外，还必须在,喷嘴形状上加以保证,，即作成,缩放喷嘴,。缩放喷嘴是由渐缩和渐扩喷嘴组合而成的。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴喉部达音速，然后在渐扩部分达超音速。,根据上述分析可知,：,26,（四）喷嘴流量计算,1喷嘴的理想流量q,mth,计算,喷嘴的理想流量q,mth,可用下式计算:,(4-15),式中， 喷嘴出口处截面积，(m)；,喷嘴出口处理想汽流速度，(m/s)；,喷嘴出口处比容，（m/kq）。,2喷嘴流量曲线,喷嘴理想流量（ ）也可用下式计算,（416）,式中， 称为,喷嘴前后压力比,27,用式(4,16)来计算通过喷嘴的流量可得出：,当喷嘴前的,参数,和喷嘴,出口截面积,（ ）一定时，通过喷嘴的,流量,只取决于,喷嘴前后压力比,（ ）。它们的关系如图4-5中ABC曲线所示。即：,图 4-5,28,当压力比,=1,时，喷嘴前后压力,相等,，则流量,=0,；,当压力比（ ）从,1,逐渐缩小时（ ）， 流量逐渐增加；,当喷嘴前后压力比（ ）,等于临界压力,比（ ）， 达最大值，如,B,点所示。这时的流量称为,临界流量,，用 表示。,当喷嘴前后压力比（ ）,小于,临界压力比（ ）时，流量保持最大值不变，如,AB,所示，其值为：,(4 -17),式中，,只与,k,值有关。,对于,过热蒸汽，,（,k=1.3,）,=0.667,；,对于,饱和蒸汽,（,k=1.135,）,=0.635,。,29,3通过喷嘴的实际流量的计算,通过喷嘴的实际流量为：,(4,18),式中： 称为,喷嘴流量系数,。,对于,过热蒸汽,，取 = 0.97；,饱和蒸汽,，取,=1.02,。,30,(五）蒸汽在喷嘴斜切部分的流动,图46 带,斜切部分,的喷嘴,为了使喷嘴中流出的汽流顺利进入动叶通道，在喷嘴出口处必须有一段,斜切部分,如图4-6所示。实际喷嘴由,两部分,所组成：一部分是渐缩部分,ABDE,，AB为最小截面处；另一部分为斜切部分,ABC,。,图46,31,1,当斜切压力等于背压（ ）时，汽流只在渐缩部分膨胀加速，而,在斜切部分ABC处不膨胀,，斜切部分只起,导向作用,。,2,当喷嘴出口压力（背压）小于临界压力时，汽流在AB截面上,达临界状态,，汽流在斜切部分要,继续膨胀加速,，蒸汽压力由临界压力下降为 ，,汽流速度由,临界速度,到,大于音速，并且由于垂,直于汽流方向的压力不,平衡，气流发生了,偏转,，,如图47所示。,分析,：,32,二、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程,1，,动叶进、出口速度三角形,汽轮机级的动叶进、出口速度三角形如图48所示。,其中， 为喷嘴出口汽流速度， 为喷嘴,出汽角， 为动叶进口相对速度， 为动叶进汽方向角，u为圆周速度。,其动叶进口,相对速度,和,方向角,为：,(419),(420,),33,蒸汽最后以,相对速度,和,方向角,流出动叶通道。对于冲动级来说， 比 小, 的大小取决于反动度的大小，一般来说， 。C,2,和可用下式求得：,其动叶,出口绝对速度,和,方向角,（421）,（422）,2，动叶栅出口汽流相对理想速度为,因,则有：,34,3，,动叶出口的,实际相对速度,w,2,动叶中的,热力过程曲线,如右图48,35,4，轮周功和轮周功率,轮周功:,蒸汽通过汽轮机的级在动叶片上所作的有效机械功称为,轮周功,。,轮周功率:,而单位时间内作出的轮周功称为,轮周功率,。每1kq蒸汽所作出的轮周功Wu：,或者,一般来说，,冲动级,的 比,反动级,的小，所以冲动级的作功能力比反动级大。,轮周功Wu,也可以用下式表示：,36,动叶栅的能量损失系数,定义为,通常取,=0.85-0.95。,6，余速损失:,蒸汽在动叶栅中作功之后，最后以绝对速度C离开动叶，其具有的动能称为余速损失：,在多级汽轮机中，余速可以被下一级所利用，其利用程度用,余速利用系数,= 01表示。,5， 动叶损失：,37,7，级的过程曲线,考虑了喷嘴损失、动叶损失和余速损失之后，汽轮机的级在h-s图上的过程曲线如图411所示。,8，级的轮周有效焓降,：,=,38,三、级的轮周效率和速度比,为了描述蒸汽在级内能量转换的完善程度，通常用各种不同的效率来加以说明。,1,级的轮周效率,蒸汽在汽轮机级内所作出,轮周功,Wu,与它在级内所具有的,理想能量,E,0,之比称为,级的轮周效率,即,(431),2，级的理想能量,一般来说，级的理想能量是级的理想焓降、进入本级的动能和本级余速动能被下一级所利用部分的代数和，即,39,为了研究方便，这里引入一个级的理想速度,这样，,级的轮周效率,可用下式表示：,或者,式中，,分别称其为喷嘴、动叶和余速能量损失系数,，它们分别为喷嘴损失、动叶损失和余速损失与级的理想能量之比。,3，级的理想速度,40,为了提高轮周效率，则应减少喷嘴损失、动叶损失和余速损失。如果选定了动、静叶栅的叶型，系数,、,就确定了。则只能减少余速损失（ 使C,2,最小）。由,速度三角形,(图410)可以知道，图b中速度C,2,刚好为,轴向排汽,，其余速损失最少。因此，只要u/ C,1,选用合理，就能做到轴向排汽。,（图4,10） 不同速度比下纯冲动级的速度三角形,（图b） 为轴向排汽,4，最佳速度比,41,而图a、b中的u/ C,1,都不可能使C,2,轴向排汽,，就不可能使余速损失最少。而能使C,2,达到轴向排汽的,速度比u/ C,1,称为,最佳速度比,，用 表示。级的速度比通常用,X 表示。,不同级的最佳速度比,：,纯冲动级,（435）,复速级,(436),反动级,(4,37),42,四、级内损失和级效率,（一）级内损失,前面提到的,喷嘴损失,、,动叶损失,、,余,速损失,都是级内损失。除此之外，还存在着其他方面的损失。当然，不是每一个级都同时具有这所有损失，而是根据具体情况而定。下面简单地介绍这些损失及产生原因。,1，叶高损失:,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，通常用,h,l,表示。它是由汽道上下端面附面层内的,摩擦损失,和端部的,二次流涡流,所引起的。试验证明，,叶高损失与高度有密切关系,，当叶片较长时，二次涡流对主汽的影响较少，故叶高损失小。相反，当叶片较短（叶高l12-15mm)时，叶高损失明显增加。这时，必须采用部分进汽，以增加叶高，减小叶高损失。,43,由于汽轮机的叶栅是呈,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。叶片越长，诸参数变化越大。在进行汽轮机设计时，通常以级的平均直径处的各种参数作为依据的。对于叶高不太长的级，其计算结果的误差不大。但对于叶片较长的级，其计算结果的误差就会很大，不能满足设计要求。这是因为，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,，通常用,h,表示。为了减少扇形损失，对于,径高比,1215mm,设计时，就得采用部分进汽以减小叶高损失。但采用部分进汽，又产生了部分进汽损失。部分进汽损失是由,鼓风损失,和,斥汽损失,所组成的。鼓风损失发生在没有喷嘴叶片的弧段内。斥汽损失发生在安装有喷嘴叶片的弧段内。另外，如图4-13由于叶轮作高速旋转，这样，在喷嘴出口端的A点存在着,漏汽,；而在B点又存在着,抽吸,作用，将一部分蒸汽吸入动叶道，干扰主流。这样就形成了斥汽损失,。,4，部分进汽损失,h,e,图 4,13 部分进汽时蒸汽 流动示意图,46,隔板漏汽损失,（,h,p,）,。,汽轮机动静之间有间隙。由于压差的作用，蒸汽就会漏过间隙，如图413所示。在隔板前后有很大的压差，又有间隙。就必然有一部分蒸汽通过隔板间隙流到级后。这部分蒸汽,不作功,，减少了作功蒸汽量。另外漏汽不是从喷嘴中以正确方向流入动叶通道，它不但不做功，反而要,干扰主流,，,就形成了,隔板漏汽损失,（,h,p,）,。,为了减少部分进汽损失，则部分进汽度,e,不宜太大；,但在有些级中，,为了减小叶高损失,，,部分进汽度,e,又不宜太小。因此，二者应综合考虑。,5,，漏汽损失,（两部分组成）,47,叶顶损失,（,h,t,）,另外，由于反动度，,动叶前后有压力差,。蒸汽必然有一部分漏汽不通过动叶通道而从叶顶间漏到级后。这部分蒸汽也,不作功,，形成了,叶顶损失,（,h,t,）,。,图4,13,48,为了减少漏汽损失，就应该减小间隙面积和蒸汽压力差。通常采用,齿形轴封,。蒸汽每通过一个齿就有一次,节流过程,，压力降低一次，从而减小了漏汽速度，从而减小了漏汽量。,6，湿汽损失,h,k,蒸汽在汽轮机中最后几级时便进入,湿蒸汽区,，将产生湿汽损失（,h,k,）。,湿汽损失的原因,：,（1）一部分蒸汽凝结成水滴，减少了作功蒸汽量,（2）水滴不作功，反而要为高速汽流所夹带前进，要消耗一部分轮周功；,（3）由于水滴前进速度低于蒸汽速度。,齿形轴封的采用,49,水滴冲蚀叶片,这样，从速度三角形上分析：,水滴从喷嘴中流出时，正好,打击动叶背弧,，阻止动叶前进，减小了有用功；,而水滴从动叶流出之后又,打击下一级喷嘴的背弧,。,水滴长期冲蚀叶片，形成,麻点,，严重时会打穿叶片。,去湿措施,采用去湿装置，如,捕水槽、捕水室,等，以减少蒸汽中的水分。,提高叶片本身的抗湿能力，主要是设法增强叶片进汽边背弧的抗湿性能。如，在动叶片进汽边背弧,加焊硬质合金、电火花处理,等。,50,（二）级的相对内效率和内功率,根据前面的分析，级内存在着许多损失。因此，进入级的蒸汽所具有的,理想能量,就不可能百分之百地转化为,有效功,。由于损失的存在，损失又转换为热能，反过来加热蒸汽本。从而，使动叶出口,排汽焓值,升高。,考虑了各种损失之后级的,实,际热力过程曲线,如图416所示。,0点为级前滞止状态点，3为有,余速利用时的下一级级前进口,状态点。 为级的,有效焓降,。,51,式中， 级内各项损失之和。,级效率是衡量级内能量转换完善成度的最后指标。在进行汽轮机热力设计时，只有合理地选用叶型、速度比、反动度、进汽度、叶高和有关结构才能得到较高的级效率。,级的内功率为,：,(kw) (4,55),式中， -级的蒸汽量，(kg/h)；,-级的有效焓降，,(kJ/Kg)。,=,级的相对内效率（级效率）,52,五、长叶片级,（一）长叶片的采用,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。这种计算方法对于叶片高度不太长的级来说，所引起的误差是不太大的。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。,53,如果长叶片级仍然按等截面直叶片进行设计，则级的实际轮周效率比计算值要低得多。其原因就在于：,1， 圆周速度相差很大造成的损失,从叶根到叶顶，其相应的,圆周速度,相差很大。 如果仍以平均直径处的速度三角形有关参数作为依据来进行设计，并采用等截面直叶片。那么，除了平均直径附近处之外，其余直径处的汽流在进入动叶通道时，都会有,撞击现象,发生，在小于平均直径的地方，汽流将,撞击动叶背弧,，而在大于平均直径的地方，汽流将,撞击动叶内弧,。这样都会造成损失。,2，节距沿叶高变化很大造成的损失,由于叶片是安装在叶轮上的，呈环形，径高比很小时,节距沿叶高变化很大。根据叶栅试验得知，每一种叶栅都有一个,最佳的相对节距,。当相对节距为最佳值时其叶栅的效率最高。只要偏离这一最佳值，都会引起损失，造成效率下降。,按等截面叶片设计长叶片级所造成的损失,54,3，径向流动造成损失,蒸汽从动、静叶栅通道中流出后，在动、静轴向间隙中必然产生离心力作用。有离心力，就会产生,径向流动,。径向流动就会造成损失。而且，叶片越长，径向流动造成的损失就越大。,综合上述分析，对于长叶片级来说，就不能采用短叶片级的来进行设计。为了得到效率较高的长叶片级，就必须把长叶片级设计成型线沿叶高变化的,变截面叶片,，即,扭叶片,。扭叶片加工困难，制造成本高。,55,（二）,长叶片级的设计方法,长叶片级的设计普遍采用,径向平衡法,。其核心问题就是确定动、静叶栅轴向间隙汽流的平衡条件（径向平衡条件），建立径向平衡方程式，然后求解径向平衡方程式。由此得出汽流参数沿叶高的变化规律。径向平衡法有,简单径向平衡法,和,完全径向平衡法,。,简单径向平衡法是假设动、静叶栅轴向间隙中汽流作,轴对称的圆柱面流动,，其径向分速为零，子午线曲线半径无穷大。完全径向平衡法认为，在动、静叶栅轴向间隙中，圆周方向的流面是一个,轴对称的任意回转面,。,56,57,作业与思考,写出喷嘴出口速度计算式：喷嘴出口理想速度，喷嘴出口实际速度，临界速度；,写出流量计算式：喷嘴理想流量，实际流量；,写出喷嘴损失、动叶损失、余速损失的计算式；,画出动叶进出口速度三角形；,画出渐缩喷嘴的流量曲线；,画出级的实际热力过程曲线；,叙述蒸汽在喷嘴斜切部分的流动规律；,叙述喷嘴截面积变化规律；,叙述汽轮机级内各种损失产生的原因,.,58,第 三 节 多 级 汽 轮 机,多级汽轮机的示意图,一、多级汽轮机的特点和工作过程,1，多级汽轮机的采用,为了提高功率，就必须增加进汽量和理想焓降。从经济、安全考虑，只有一个级的汽轮机是不可能有效地利用很大的理想焓降的。,为了,有效地利用理想焓降，提高功率,，采用多级汽轮机。每一级只利用总焓降中的一部分。这样，,59,（1）使每一级都能在,最佳速度比,附近工作，以提高效率。,（2）只有采用多级汽轮机，,才能把做成多排汽口，,实现提高新蒸汽的参数（,提高理想焓降,），,增加机组总进汽量,，达到提高汽轮机,单机功率,的目的。,多级汽轮机的分类,：,有,冲动式,和,反动式,两种。,国产100MW、125MW、 200MW汽轮机都是冲动式多级汽轮机；,国产300MW汽轮机有冲动和反动式汽轮机两种（但是反动式汽轮机的第一级为冲动级）。,调节级与压力级：,多级汽轮机通常采用,喷嘴调节,（控制进汽量），故称这种汽轮机的第一级为,调节级,，而把其余的级称为,压力级,。对于中小型汽轮机，通常采用,双列级,作为调节级，大功率汽轮机多用,单列级,作调节级。,60,2，多级汽轮机的工作过程,蒸汽进入汽轮机后，,依次通过各级膨胀作功,，压力和温度逐级降低，比容不断增加。通流部分尺寸是逐级增大的，特别是在低压部分，平均直径增加很快。即叶片的高度越来越长。,由于受到材料强度的限制，叶片不可能太长，故大型汽轮机都采用,多排汽口：,如国产200MW汽轮机，原设计为,三排汽口,，后改为,两排汽口,；,国产300MW汽轮机采用,两排汽口,。,61,62,3，多级汽轮机的,热力过程曲线,进汽机构的,节流损失,排汽机构的,压力损失,级实际膨胀过程,总的,理想焓降,整机的,有效焓降,余速动能有效地利用,63,二、多级汽轮机的损失,（一）前后端轴封的漏汽损失,1，前后端轴封的采用,由于结构要求，大轴必须从汽缸内向外伸出，使汽轮机支持在轴承座上。有,间隙,存在。汽缸的高压端，蒸汽,向外泄漏,。减少了作功蒸汽量，降低了机组的经济性。在排汽端，缸内为,真空,，空气将通过间隙流入汽缸内，,破坏真空,，也会降低机组的经济性。,为了防止或减小这种漏进、漏出现象，在汽轮机的两端漏气（汽）处装设汽封。这种汽封称为,前后端轴封,。,高压端的汽封称为,前轴封,，作用是减少蒸汽向外泄漏；,低压端的汽封称为,后轴封,，作用是防止外界空气漏向汽缸，保证汽缸内的,真空度,。,64,2 ， 齿 形轴封,汽轮机中常见的端轴封是齿 形轴封，它是由许多固定在汽缸上的金属片组成。其高低齿与轴或者轴套上的,凸肩,、,沟槽,相错对应，使两者之间保持一较小的间隙,，以形成许多,汽封齿隙,。,图4,19,65,轴 封 两齿之间为一环形汽室，如图419所示。漏汽依次通过各,齿隙,和,环形汽室,。为了减少漏汽量，这里借用喷嘴流量公式,可以减少齿隙,面积A,、,汽流速度C,和增大,比容,。但，,比容,是由蒸汽流动状态来决定，不可任意改变。,而,面积,决定于轴封直径、间隙，它们是由大轴的强度确定。间隙,不能太小（一般取,=0.30.6mm ），太小可能摩擦，大轴弯曲，机组振动。,这样，唯一可行的办法是减小,汽流速度,C,。C取决于轴封齿两侧的压力差。,3，减少漏汽量的办法,66,从图419可看到，蒸汽通过第一环形齿隙时，由于通道面积小，汽流速度增加，压力降低。但进入小汽室时，通道面积突然增加，汽流速度大为减小。由于涡流和碰撞，蒸汽的动能被消耗而转变为热能，蒸汽焓值又回升到原值。也就是说，,蒸汽通过轴封的热力过程为,一,节流过程,。其后，每通过一齿隙，都重复这一节流过程，压力不断降低，一直降到轴封后的压力为止。 所以，,轴封的作用,是让蒸汽通过时，逐级节流到最低的压力，将一个较大的压力差，分割为许多较小的压力差。从而达到降低漏汽速度，,减少漏汽量,的目的。这就是齿形轴封的,工作原理,。,4，齿形轴封的工作原理,67,（二）汽轮机进、排汽机构的压力损失,为了使蒸汽进入汽轮机作功，必须有,进汽机构,。而在汽轮机中作过功的蒸汽，又必须从排汽管中排出。汽轮机进汽机构由主汽阀、调节阀、导汽管和蒸汽室组成。汽轮机的,排汽机构,是一个扩散形的排汽管所构成。蒸汽通过汽轮机进、排汽机构时，由于摩擦和涡流的存在，会使压力降低，形成损失。,1进汽机构中的压力损失,由于摩擦和涡流，蒸汽,通过,进汽管道,有压降。压力,降低不作功，是一损失。,图4,21,68,进汽机构中由于,节流,所引起的,压力损失,对于大型汽轮机（如国产200MW、300MW汽轮机），中、低压缸之间有,低压导汽管，其压力损失为：,69,2排汽管道中的压力损失,作过功的乏汽由汽轮机的末级动叶排出，经排汽管到凝汽器或者供热管道。也因摩擦和涡流等原因，造成压力损失，即排汽管道中的,压力损失,式中，,阻力系数,，一般取,=0.050.1；,C,排汽管道中的汽流速度,，对于凝汽机，C=80120m/s；对于背压机，C=4060m/s。,70,（三）机械损失,汽轮机在工作时，要克服支持轴承、推力轴承的,摩擦,，带动,主油泵,和,调速系统,工作，要,消耗功率,。通常用,机械损失,来描述。考虑了机械损失之后，汽轮机联轴节端的输出功率将小于汽轮机的内功率。汽轮机的机械损失一般用,机械效率,来计算。这样，,式中， _分别为汽轮机的轴端功率、内功率；,_为机械损失。,71,三、汽轮机装置的效率和功率,火力发电厂的生产过程，要经过一系列的能量转换之后，最后才能将矿物燃料的化学能转变为电能。在这些转换过程中，要用各种效率来描述整个能量转换过程中的完善成度。,1汽轮机的相对内效率,汽轮机的,相对内效率,是衡量汽轮机内能量转换完善程度的重要指标。它是整机的,有效焓降,与,理想焓降,之比，即,72,汽轮机的,内功率,等于汽轮机的,进汽量,与,有效焓降,之乘积。,对于,无回热加热系统,的汽轮机，它的内功率为：,对于,有回热加热系统,的汽轮机，它的内功率为：,3汽轮机的轴端功率,对于无回热加热系统的汽轮机，它的轴端功率为：,2汽轮机的内功率,73,汽轮机以轴端功率来拖动发电机发电，还要考虑发电机的,机械损失,和,电气损失,。用 表示发电机的效率，则在发电机的出线端所获得的电功率为：,其中， ，称为,相对电效率,。它表示每kg蒸汽所具有的理想焓降中最后转变为电能的份额，是衡量汽轮发电机组经济性的一项重要指标。,4，电功率,74,四、多级汽轮机的轴向推力,1，轴向推力的组成,蒸汽对叶片的作用力由,圆周分力,和,轴向分力,所组成。圆周分力推动叶轮作功，轴向分力产生轴向推力。轴向推力由4部分所组成：,1.,作用在,动叶片上,的轴向力；,2.,作用在,叶轮面上,的轴向力；,3.,作用在,轮毂上,或者,转子凸肩,上的轴向力；,4.,作用在,轴封凸肩,上的轴向力。,这样多级汽轮机,总的轴向推力,为各级轴向推力之和。即,75,2，轴向推力平衡办法,在多级汽轮机中，总的轴向推力是很大的。特别是反动式汽轮机，其总的推力可达200300T；冲动式汽轮机，其总的轴向推力可达4080T。这样大的轴向推力是推力轴承所不能承受的。因此，必须设法对汽轮机总的轴向推力应加与平衡。,常见的轴向推力平衡办法有：,（1）采用平衡孔平衡轴向推力,在叶轮上开设平衡孔可以,减少,叶轮两侧的压力差,，从而可以减,少作用在叶轮上的轴向力。,76,（,2）设置平衡活塞,由于平衡活塞上装有齿形轴封，当蒸汽由活塞的高压侧向低压侧流动时，,压力由 降为,。在压力差作用下，就产生了一个向左的作用力。这个力刚好与方向相反，起到了平衡轴向了的作用。,（3）采用多缸反向布置,对于多缸汽轮机，可以,采用多缸反向布置，汽流,作反向流动,其轴向力方向,相反，达到了相互平衡的,目的。,77,（4）推力轴承所承担的轴向推力,通常，汽轮机的运行要求,推力轴承,承担一部分轴向推力，以保证汽轮机运行工况发生变化时，轴向推力方向不变，使汽轮机不发生,窜轴现象,，达到机组稳定运转的目的。,78,五、提高汽轮机单机容量,（一）单缸单排汽汽轮机的极限功率,一般来说，凝汽式汽轮机的功率可用下式表示：,其中，,整机的焓降,取决于,初终参数,。在常见条件下，,=10001500kJ/kg左右；,而三个效率 的变化也不大；,所以，汽轮机最大功率就决定于进汽量D。,79,而最大流量又决定于,末级叶片的几何尺寸,。在汽轮机中，蒸汽膨胀到末级时，其,容积流量,达最大值。要求通流面积也最大。因此，,末级动叶片,必须做得,很长,。,由于汽轮机转子作高速旋转，长叶片将产生,巨大的离心力,。叶片材料的强度是有限的，因此，末级叶片的叶高将受到限制。这就是说，单缸单排汽的汽轮机的功率是有限的，其最大功率称为汽轮机的,极限功率,。通常，单缸单排汽的汽轮机的极限功率可达,100MW,（对于高压机组而言）。,80,（二）提高汽轮机单机功率的措施,由于单缸单排汽汽轮机受到极限功率的限制，为了得到更大的功率，就必须采取其他措施，常用的办法有：,1. 提高新蒸汽的参数,提高新蒸汽的参数可以增大整机的理想焓降，再加上中间再热，就能较大地提高单机功率；,81,由于汽轮机单机功率受到末级叶片材料强度的限制（离心力太大），故末级叶片不可能做得很长，通流面积有限。采用高强度低重度的合金材料制造末级叶片，则可以在同样叶高条件下减少叶片质量、减少离心力。反过来说，就可以在保证叶片强度的条件下，采用,高强度低重度,的合金材料，则可以增长末级叶片的高度，即增大通流面积，从而达到增加进汽量、增大汽轮机单机功率的目的。,3.采用多排汽口,采用多排汽口，就是对汽轮机的低压缸进行,分流,。这是当前提高汽轮机单机功率最有效的办法。另外，采用多排汽口反向布置还可以起,平衡轴向推力,的作用。,2.采用高强度低重度的合金材料,82,从汽轮机中逐级抽出部分蒸汽用来加热给水，,一方面可以,减少排汽量,，,同时,可增大进汽量,，增大高压部分几何尺寸（进汽度和叶高）。,增大进汽量，减少排汽量，则减小,冷源损失,，达到提高汽轮机热效率，起了一举两得的作用。,以上是提高汽轮机单机容量的主要办法。此外，还可以通过：,提高背压，,采用双层叶片，,采用低转速,等办法。,4.采用给水回热加热系统,83,六、中间再热式汽轮机,1、中间再热循环的采用：,为了提高机组容量、效率，应提高蒸汽初参数。,单一提高压力,，膨胀到末了时会使湿度增大，增加了湿汽损失，冲蚀叶片，影响安全；,同时提高压力、和温度,，但温度达一定值时，金属材料机械性能明显下降，不能保证强度和安全。,采用中间再热循环,，是解决这一问题的最好办法,84,中间再热对循环热效率是有影响的。如果,附加循环,比,基本循环,效率高，则可以使总的循环效率高。反之，则下降。如果:,再热循环压力,较高,，则可以使效率提高；,如果再热循环 压力,过低,，则会使效率降低。,如果再热循环压力,太高,，附加循环的吸热量占整个循环吸热量的,份额,将减少，这样对整个循环的作用不大。这里存在着一个,最有利的中间再热压力值,。根据设计和运行的经验，取中间再热压力初压的(2030)%范围内，使中间再热循环的热效率提高最多，一般约为(45)%。,2，中间再热对循环热效率的影响,85,采用中间再热循环可以提高机组的经济性，,但也带来以下一些问题：,汽轮机,结构复杂,，本体,造价有所提高,；,系统复杂,，,管道布置复杂,；,汽轮机、锅炉,运行方式复杂,，,调节系统要求高,；,因此，只有大型机组才采用中间再热循环系统，并且，一般只采用一次中间再热循环。,86,87,七、供热式汽轮机,能同时对外,供电、供热,的汽轮机称为供热式汽轮机(或者称,热电联产,汽轮机)。安装有供热式汽轮机的电厂称为,热电厂,。有:,背压式汽轮机,和,调节抽汽式汽轮机,两大类。,供热式汽轮机的供热参数一般有两种，即:,工业用汽;,采暖用汽,。,工业用汽的压力一般为0.81.3Mpa(813ata)；,采暖用汽压力为一般0.050.12Mpa(0.51.2ata)。,88,在动力循环中，不可避免地有,冷源损失,，使,循环热效率,降低。这一部分,低位热能,，数量是相当可观的。为1kg蒸汽的凝结放热量，一般有2200kJ/kg（小机组有2300kJ/kg)。这个数字比机组的整机理想焓降还要大。如国产200MW汽轮机，整机理想焓降为1720.7kJ/kg，,小于冷源损失,。如果能,充分利用,其中一部分热能，则可以大大提高火电厂的循环热效率。,凝汽式汽轮机的,循环热效率为：,(4,66),其中，W为汽轮机发出的电能， 为蒸汽在锅炉中的吸热量。,（一）供热式汽轮机的经济性,89,供热式汽轮机,，,同时发电和供热，其热效率为：,(467),式中， 称为供热机,热电比,。由于（1+ )1，因此，,这就表明，,供热机的热效率比凝汽机高,。目前，大机组的热效率约40%。但实行,热电联产后,，由于（ )0，热效率提高。对于背压机，,热电比,可达68，可使整机热效率达85%左右。而调节抽汽机组，由于保留了冷源损失装置，其热效率高于凝汽机而低于背压机组，约为（4085）%之间。,由于热电联产之后可以实现,集中供热,，既能提高,燃料利用率,，又可以减少大量的工业锅炉，这就,减少了污染,，保护了环境。因此，热电联产、集中供热日益广泛地得到推广应用。,90,（二）背压式汽轮机,背压式汽轮机的,主要任务,是给热用户提供一定参数的蒸汽量，并发出一定的电能。没有回热抽汽，也没有凝汽器。排汽全部送到热用户。其热经济性是最好的。,图423,91,背压机由于,排汽参数高，故整机理想焓降小,。采用喷嘴调节。调节级形式多为双列级。,由于背压式汽轮机整机理想焓降小，对于同功率大小的凝汽机来说，背压机的,流量大,，,各级几何尺寸就大，叶高长、部分进汽度大,。,背压机的,初参数一般不高,，多为中参数。排汽压力要根据热负荷的性质而定。,工业用汽,，其排汽压力一般为0.81.3Mpa；,采暖用汽,，排汽压力一般为0.120.25Mpa。,新蒸汽进入背压机1膨胀作功后，排汽送到热用户4。由于背压机无回热抽汽，进汽量等于排汽量。所以，当热负荷增大时，进汽量增大，发电功率增大；反之亦然。,背压式汽轮机不能同时满足热、电两负荷的要求,。,1，背压机的特点,92,因此，背压式汽轮机常常和凝汽式汽轮机,并列,运行（如图423所示）。凝汽式汽轮机2承担电负荷的变化。另外，当背压式汽轮机出故障或者需要检修时，由,减温减压器,3向热用户供汽。,93,（三）调节抽汽式汽轮机,1，调节抽汽式汽轮机的特点,调节抽汽式汽轮机同时发电和对外供热，并能,同时满足热、电两负荷的要求,。即，当发电功率不变时，供热抽汽量可以在所在范围内任意变动；当供热量不变时，发电功率可以在所在范围内任意变动。,图4,24 一次调节抽汽式汽轮机的工作原理和热力过程曲线,94,图424为一次调节抽汽式汽轮机的,工作原理,和,热力过程曲线,示意图。它由高压部分和低压部分所组成。从锅炉出来的蒸汽，经主汽阀、调节阀后先在高压缸膨胀作功。先在高压缸膨胀作功之后，汽流分为两股：其中一股从高压缸抽出送到热用户；另一股经低压调节阀5进入低压缸继续膨胀作功，作功后的乏汽最后排入凝汽器。一次调节抽汽式汽轮机有,高、低压两个调节阀,（有的机组的低压调节装置是旋转隔版），由机组本身的调节系统的,调速器和调压器控制。,2，工作原理和热力过程曲线,95,对于一次调节抽汽式汽轮机，其,流量,和,功率,可用下式来表示：,(4,68),(4,69),其中， -分别为机组的进汽量、抽汽,量、凝汽量；,-分别为机组的功率、高、低缸,功率。,3，流量和功率,96,八、汽轮机的凝汽系统及设备,1，凝汽系统的作用,凝汽系统及设备是汽轮机组的重要组成部分。它工作的好坏对汽轮机组的经济性和安全性有很大的影响。从本章第二节知道，汽轮机装置的,循环热效率,为：,(470),其中， -整机理想焓降； -蒸汽初焓； -凝结水（饱和水）焓值；( )-为每kg蒸汽在锅炉中的吸热量。,从上式可以看到，为了提高动力循环的,热效率，就应该增大新蒸汽的理想焓降。,提高,新蒸汽的参数,和降低,排汽压力,可以,增大理想焓降。,97,本节所要讨论的问题是如果通过降低排汽压力，来提高火电厂循环热效率。一般来说，排汽压力每降低2kpa，循环热效率就可以提高约3.5%。所以，,降低排汽压力对提高火电厂循环热效率是一个非常有效的措施。,2，凝汽设备的工作原理,降低排汽压力,最有效的办法,是将汽轮机的乏汽送入凝汽器中，用水或者空气作为冷却工质，,将排汽凝结成水,。当蒸汽凝结成水时，其体积突然缩小很多（如在0.005Mpa压力下凝结，体积可缩小约28000倍），这样，在凝汽器内就形成了一个,高度真空,。同时，再用抽气器或者真空泵不断地将漏入机内的空气抽出，以,维持凝汽器内的高度真空,。在凝结中生成的凝结水，经汇集以后，又重新送入锅炉作为给水，,反复循环使用,。这就是凝汽设备的工作原理,98,凝汽设备的任务,：,（1）在汽轮机的排汽口,建立并维持高度真空,；,（2）将排汽凝结成洁净的凝结水，作为,锅炉的给水。,最有利真空：,降低排汽压力，增大整机,的理想焓降，可以提高循环,热效率。但并不是排汽压力,越低越好。而是有一个最佳,范围（一般为0.0030.007Mpa之间）。,图425,凝汽系统,99,3，凝汽设备原则性系统图,（图425）,及 其 主 要 设 备,其主要设备有,凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵,等 。,凝汽器,：是使排汽凝结成水，形成高度真空。,循环水泵：,把冷却水送入凝汽器的铜管中，带走凝结 汽化潜热；,凝结水泵：,是把凝结水抽出，送给水回热 系统；,抽气器,：是把漏入空气抽出，维持高度真空 。,100,作业与思考,1，多级汽轮机的损失有哪些？,2，定义（或用公式表示）：汽轮机的相对内效率，汽轮机的内功率，汽轮机的轴端功率，汽轮机的电功率；,3，叙述汽轮机轴向推力产生原因及平衡方法；,4，提高汽轮机单机容量的措施；,5，叙述汽轮机凝汽系统的工作原理。,6, 画出最简单的凝汽系统图。并叙述各主要部件的作用。,7，为什么说供热式汽轮机的热效率比凝汽式汽轮机高？,101,第四节 汽轮机自动调节,一、汽轮机液压调节系统的工作原理,(一)汽轮机调节系统的任务,1，保证供电数量、质量的要求,由于电网中各用户的电负荷随时间是变化的。发电量必须适应用户的数量要求。除了,数量,之外，还必须保证一定的,质量,(,频率,和,电压,)要求。其中,电压可通过变压实现，,而频率则取决于汽轮机的转速。转速高，则频率高；转速低，则频率低。因此，汽轮机必须具备,调速（节）系统,，以保证用户,数量,、,质量,的要求，并保证电网频率稳定在一定范围之内。,102,2，机组,自身的安全,所需要,汽轮机工作时，转子、叶轮、叶片自重产生巨大的离心力，一旦超速，是十分危险的，严重时，会产生安全事故，造成巨大的经济损失。,因此，汽轮机调节系统的,任务,是：,保证足够的、合格的电力供应；,保证机组始终维持在额定转速附近运行；,除了调节系统之外，汽轮机还必须具备保护系统，如：超速保护，轴向位移保护等,。,103,（二）汽轮机液压调节系统的基本工作原理,1，汽轮机调速系统的工作原理,汽轮机工作时，作用在转子上的力矩有三个：蒸汽,主力矩,、发电机,反力矩,和,摩擦力矩,。在稳定工况下，这三个力矩的代数和等于零，即,(471),通常，摩擦力矩很小，可忽略不计，则上式为,(471a),在运行中，只要主力矩和反力矩不平衡，转子就会产生,角加速度,，即转速会上升或者下降。,104,图426中，曲线1和1 和曲线2和2表示主力矩、反力矩随转速的变化。,主力矩,是进汽量和转速的函数，当进汽量不变、转速增加，主力矩减小。曲线1和2的交点A是两力矩,平衡状态点,。当外界负荷减小，,反力矩,曲线由2变为2，而主力矩仍是曲线1，工作点就由A移到B，机组在B点达,新的平衡,。,图4,26,105,汽轮机调速系统的作用,转速由A点对应的 增加到B点所对应的 。转速增加了许多，不能满足供电质量要求，同时机组安全也受到威胁。因此，在外界负荷变化时，为了使机组转速不变，或者变化不大，,则应减小进汽量,，使工作曲线由1变为1。机组工作点由B移到C点，转速由 移到 。相对于 来说，机组转速变化就很小了。,这就是说，当外界负荷变化时，通过,改变进汽量,，使机组在转速变化不大的情况,下达到新的平衡，这就是汽轮机调速系统,的重要任务。,106,图427是一种最简单的具有一级,中间放大的间接调速系统示意图。,2，最简单的汽轮机调速系统,当外界负荷变化引起转速改变时，,调速器1,首先感受到转速变化，并带动,滑环A,移动，通过,杠杆,带动,滑阀（错油门）2,离开中间平衡位置，打开油口a、b，使高压油进入,油动机,上（下）油室，,油动机活塞,在油压差作用下上（下）移动，开大（关小）调节阀，改变进汽量，使机组功率与外界负荷相适应。,图427,107,在油动机活塞上下移动的同时，又通过杠杆带动滑阀回 到中间平衡位置，并堵住通往油动机的油口a、b，油动机停止移动，调速系统达到新的平衡。,由于滑阀上下移动打开油口a、b而使油动机活塞产生位移，而油动机活塞上下移动反过来又通过杠杆带动滑阀重新回到中间平衡位置，这种功能称为,反馈,。,反馈,是调速系统不可缺少的组成部分，反馈的作用就在于使调速系统稳定。汽轮机调节系统中所用的,反馈有,机械反馈,和,液压反馈,。,108,3，调速系统的组成,汽轮机的液压调速系统是由,转速感受元件,、,传动放大机构,和,配汽机构,所组成的。其中：,（1）,转速感受元件,其作用是测量汽轮机转速的变化，并将其转换 成位移或油压的变化信号而送到下一环节。,（2）,传动放大机构,由于转速感受元件,输出信号的功率小，不足以开启调节阀，需要进行放大。因此，传动放大机构的作用就是将转速感受元件,输出信号加以放大，并输送给下一环节。,（3）,配汽机构,其功能是接受放大信号，改变调节阀的开度，调节进汽量，即改变汽轮机的功率。,另外，,同步器,也是汽轮机调速系统,的重要部件，它是机组,功率给定元件,。,109,4，汽轮机的保护装置,为了保证汽轮机安全运行，汽轮机还必需具备保护系统。,保护系统的作用,：是当机组调速系统发生故障或者运行工况危急到机组安全时，保护系统动作，实现紧急停机。汽轮机的主要保护系统有超速保护、轴向位移保护、低油压保护和低真空保护等。,超速保护,的作用是当汽轮机的转速超过一定安全范围（一般为额定转速的10%12%）时，危急遮断器动作，使安全油泄压，主汽门自动关闭，实现紧急停机。,110,轴向位移保护,的作用是汽轮机运行时，动静两部分必需保持一定的间隙，当轴向位移或差胀超过一定安全范围时，通过危急遮断系统动作，实现紧急停机。,