汽輪機(jī)ppt課件

1、汽輪機(jī)原理Steam Turbine Theory,機(jī)械學(xué)院 熱能與環(huán)境工程研究所,1,緒論,汽輪機(jī)是以蒸汽為工質(zhì)的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械，主要用作發(fā)電原動(dòng)機(jī)，也用來直接驅(qū)動(dòng)各種泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和船舶螺旋槳等。,2,一、汽輪機(jī)的分類,1、按工作原理分,沖動(dòng)式汽輪機(jī) 反動(dòng)式汽輪機(jī),2、按熱力特性分,凝汽式汽輪機(jī) 背壓式汽輪機(jī) 抽汽式汽輪機(jī) 抽汽背壓式汽輪機(jī) 多壓式汽輪機(jī),3,3、按主蒸汽壓力分,二、汽輪機(jī)型號(hào)的表示方法,汽輪機(jī)型號(hào)的組成為：,4, XX - XX - XX,變型設(shè)計(jì)次序,蒸汽參數(shù),額定功率,型式,例：N300-16.7/538/538 300MW凝汽式汽輪機(jī),主蒸汽壓力為16.7MPa，溫度

2、為538C,再熱蒸汽溫度538C。,汽輪機(jī)型式代號(hào)見下表：,5,第一章 汽輪機(jī)級(jí)的工作原理,級(jí)是汽輪機(jī)中最基本的工作單位 級(jí)由靜葉柵（噴嘴柵）和動(dòng)葉柵組成 本章著重闡述單級(jí)汽輪機(jī)的工作原理,6,第一節(jié) 蒸汽在級(jí)內(nèi)的流動(dòng),基本假設(shè) （1）蒸汽在級(jí)內(nèi)的流動(dòng)是穩(wěn)定流動(dòng) （2）蒸汽在級(jí)內(nèi)的流動(dòng)是一元流動(dòng) （3）蒸汽在級(jí)內(nèi)的流動(dòng)是絕熱流動(dòng),7,基本方程式,（1）狀態(tài)方程 pv=RT,（2）等熵過程方程pvk=常數(shù),（3）連續(xù)性方程 Gv=Ac,（4）能量守恒方程,8,噴嘴中的熱力過程,P0,P1分別是噴嘴進(jìn)出口壓力。 理想熱力過程從01。 實(shí)際熱力過程是02。 0*點(diǎn)是0的滯止參數(shù)點(diǎn)。,h,s,h1,p

3、1,1,2,h1t,hn,hc0,0,p0,P0*,0*,h0,h0*,9,蒸汽滯止和噴嘴出口參數(shù)計(jì)算,10,噴嘴出口汽流速度的計(jì)算 噴嘴出口的理想速度c1t為：,噴嘴實(shí)際出口速度為：,噴嘴速度系數(shù),動(dòng)能損失為：,11,噴嘴動(dòng)能損失,滯止理想比焓降,噴嘴的能量損失系數(shù) ：,與蒸汽,之比,12,噴嘴截面積的變化規(guī)律,13,噴嘴中的臨界狀態(tài),14,臨界壓力比 只取決于蒸汽本身的性質(zhì)，與噴嘴的結(jié)構(gòu)無關(guān)。 對于過熱蒸汽： 對于干飽和蒸汽：,15,噴嘴中的蒸汽流量 （1）理想情況下，當(dāng)噴嘴前后的壓力比 大于臨界壓力比時(shí)，由連續(xù)性方程 有：,實(shí)際流量：,16,稱為噴嘴流量系數(shù)，它主要與蒸汽狀態(tài)及蒸汽在噴嘴

4、中的膨脹程度有關(guān)。,（2）當(dāng)噴嘴前后的壓力比小于或等于臨界壓力比時(shí)，通過噴嘴的流量將保持不變，即為臨界流量：,實(shí)際臨界流量：,對于過熱蒸汽， 對于飽和蒸汽，,17,由以上分析可知，通過噴嘴的最大蒸汽流量（即臨界流量），在噴嘴出口面積和蒸汽性質(zhì)確定后，只與蒸汽的初參數(shù)有關(guān)；只要初參數(shù)已知，則通過噴嘴的臨界流量即為定值。,5、彭臺(tái)門系數(shù) 當(dāng)噴嘴進(jìn)出口壓力比處于某個(gè)數(shù)值時(shí)，其相應(yīng)的流量Gn與同一初狀態(tài)下的臨界流量Gnc之比值稱為流量比，也稱為彭臺(tái)門系數(shù)，記為。,18,6、蒸汽在斜切部分的膨脹,p0,pt,t,ct,如圖所示， AB為漸縮噴嘴的出口截面，即吼口截面，ABC 即為斜切部分。當(dāng)噴嘴出口壓力

5、p1大于臨界壓力p1c時(shí)，蒸汽在斜切部分不發(fā)生膨脹。但當(dāng)p1dp1p1c時(shí)汽流將在斜切部分發(fā)生膨脹。,汽流在斜切部分膨脹時(shí)將使汽流出口速度大于音速，同時(shí)汽流的方向也將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 p1d為極限壓力：特征線與AC重合時(shí)的出口壓力。,19,擾動(dòng)的等壓線，即汽流膨脹的特征線，也稱馬赫錐母線。 為馬赫角：特征線與汽流流動(dòng)方向的夾角。,20,蒸汽在動(dòng)葉中的流動(dòng),蒸汽在噴嘴中從壓力p0膨脹到出口壓力 p1，以速度c1流向動(dòng)葉柵。當(dāng)蒸汽通過動(dòng)葉時(shí)，一般還要繼續(xù)膨脹，壓力由p1降到p2.如圖所示級(jí)的熱力過程，則此時(shí)級(jí)的滯止理想比焓降ht*為：,s,h,0*,0,2,1,P0*,P0,P1,P2,hn*,ht*,

6、hb,hb,近似認(rèn)為與hb相等,21,動(dòng)葉內(nèi)理想比焓降hb與級(jí)滯止理想比焓 降ht*之比，表示蒸汽在動(dòng)葉內(nèi)的膨脹程度。,1、反動(dòng)度m,m=0時(shí)稱為純沖動(dòng)級(jí) m=0.5時(shí)稱為典型反動(dòng)級(jí),2、動(dòng)葉出口的速度計(jì)算,由能量平衡方程可知：,由于存在不可逆損失，則動(dòng)葉出口實(shí)際相對速度為：,動(dòng)葉速度系數(shù),22,這樣蒸汽流經(jīng)動(dòng)葉時(shí)的能量損失：,其能量損失系數(shù)是：,小結(jié)： 對蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉中流動(dòng)的分析對整個(gè)汽輪機(jī)原理的學(xué)習(xí)來說，是最基本同時(shí)又是最重要的，必須深刻理解其熱力過程，牢固掌握各個(gè)計(jì)算關(guān)系式及其物理意義。,23,第二節(jié) 級(jí)的輪周效率和最佳速度比,一、速度三角形,u動(dòng)葉的 圓周速度,c1、w1、u構(gòu)成動(dòng)

7、葉柵的進(jìn)口速度三角形，c2、w2、u構(gòu)成動(dòng)葉柵的出口速度三角形。則各個(gè)速度矢量之間的關(guān)系式為：,24,當(dāng)蒸汽以速度c2離開本級(jí)時(shí)，蒸汽所帶走的動(dòng)能不能本級(jí)利用，稱為該級(jí)余速損失。,在多級(jí)汽輪機(jī)中，前一級(jí)的余速損失?？梢圆糠只蛉勘幌乱患?jí)所利用。用余速利用系數(shù)1表示被利用的部分，則為：,25,二、輪周功率和輪周功,單位時(shí)間內(nèi)蒸汽推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)所做的機(jī)械功，稱為輪周功率。根據(jù)動(dòng)量守恒，葉片對蒸汽周向力為：,26,則輪周功率為：,1kg蒸汽產(chǎn)生的有效功，稱為級(jí)的做功能力，為：,由上式可以看出：單位蒸汽流量在一級(jí)內(nèi)所做輪周功等于沖動(dòng)力作功和反動(dòng)力作功之和。,沖動(dòng)力作功,反動(dòng)力作功,27,級(jí)的輪周效率和最

8、佳速度比,蒸汽在級(jí)內(nèi)的焓降計(jì)算公式,28,級(jí)的有效焓降等于級(jí)的做功能力。 輪周效率和速度比的定義,根據(jù)能量平衡，級(jí)的有效焓降為,單位蒸汽量流過某級(jí)所產(chǎn)生的輪周功與蒸汽在該級(jí)中理想可用能之比，稱為該級(jí)的輪周效率。,29,速度比x1=u/c1反映了余速損失的大小,假想速度比xa=u/ca,其中假想速度,輪周效率與噴嘴能量損失、動(dòng)葉能量損失和余速損失有關(guān)。 能量損失與速度系數(shù)有關(guān)。 葉柵確定以后，速度系數(shù)也就確定。 余速損失最小，輪周效率最大，如下圖。,30,31,輪周效率與速度比之間的關(guān)系,純沖動(dòng)級(jí)的最佳速度比,32,反動(dòng)級(jí)的最佳速度比,所以：,則由 可得：,33,速度級(jí)（復(fù)速級(jí)）的最佳速度比,為

9、便于分析，對速度級(jí)做如下假設(shè)：,（1）蒸汽只在噴嘴中膨脹 （2）在級(jí)中沒有能量損失 （3）各個(gè)進(jìn)出口角度相等,經(jīng)過同樣的分析可以得到：,最佳假想速度比為,34,葉柵幾何特性（p4950),一、部分進(jìn)汽度的定義,在確定噴嘴的尺寸之前，首先應(yīng)根據(jù)噴嘴前后壓力比的大小確定噴嘴的型式,35,二、流管的計(jì)算截面、葉高或?qū)挾?1、n cr,2、 cr n 1d,3、n1d,36,三、長葉片級(jí)的設(shè)計(jì),1、葉片徑高比和相對節(jié)距的定義,810的葉片就成為長葉片，其特點(diǎn)為： （1）圓周速度沿葉高不同，氣流沖擊背弧或凹?。?（2）葉柵存在最佳相對節(jié)距，大于或小于（x1）op造成損失； （3）c1較c0、c2要大得多

10、，受c1u離心力產(chǎn)生徑向壓力梯度的 影響，p1沿葉高是增加的，徑向流動(dòng)產(chǎn)生損失；,37,綜合以上特點(diǎn)，可知長葉片要按二元或三元流進(jìn)行設(shè)計(jì),2、二元流設(shè)計(jì)（簡單徑向平衡法cr=0）,（1）理想等環(huán)量流型（cz=constc1ur =const） （2）等1角流型(cos 1=c1u/c1 =constc1urcos 1 =const） 3、完全徑向平衡法 （1）三元流流型 （2）可控渦流型（反動(dòng)度沿葉高可按需要進(jìn)行控制）,38,第四節(jié) 級(jí)內(nèi)各項(xiàng)損失和級(jí)效率,一、級(jí)內(nèi)損失 1、噴嘴能量損失、動(dòng)葉能量損失和余速損失 噴嘴能量損失和動(dòng)葉能量損失又稱為葉柵損失，葉柵損失又可分 （1）葉型邊界層的磨擦損失

11、 （2）邊界層脫離引起的渦流損失 （3）尾跡損失 （4）流道中有超音速時(shí)可能存在激波損失 2、葉高損失,39,3、撞擊損失,4、扇形損失,5、葉輪摩擦損失,6、部分進(jìn)汽損失 （1）鼓風(fēng)損失 （2）斥汽損失,40,7、濕汽損失hx 8、漏汽損失h,二、級(jí)效率 級(jí)的有效焓降,41,第二章 多級(jí)汽輪機(jī),本章主要討論多級(jí)汽輪機(jī)中蒸汽的進(jìn)、排汽損失，軸向推力以及軸封系統(tǒng)等問題,42,第一節(jié) 多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn),一、多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 1、多級(jí)汽輪機(jī)每級(jí)的焓降較小，有可能使速度比設(shè)計(jì)在最佳速度比附近，同時(shí)c1小、u也小，即直徑小，葉高或部分進(jìn)汽度相應(yīng)大，這些都是效率增大； 2、各級(jí)余速動(dòng)能可以部分

12、的被利用； 3、多級(jí)汽輪機(jī)可以實(shí)現(xiàn)回?zé)嵫h(huán)和中間再熱循環(huán)； 4、由于重?zé)岈F(xiàn)象，多級(jí)汽輪機(jī)前面級(jí)的損失部分的被后面各級(jí)所利用。 二、重?zé)岈F(xiàn)象和重?zé)嵯禂?shù),43,hmact,ht1,ht2,ht3,ht4,ht，2,ht，3,ht，4,hi，1,hi，2,hi，3,hi，4,hmaci,在h-s圖上，等壓線沿著比熵增大的方向是逐漸擴(kuò)張的，所以，多級(jí)汽輪機(jī)中上一級(jí)損失的一部分可以在以后各級(jí)中得到利用的現(xiàn)象。 無損失和有損失時(shí)的理想焓降分別為：,重?zé)嵯禂?shù)為：,44,全機(jī)有效比焓降,則全機(jī)的相對內(nèi)效率為：,各級(jí)平均的相對內(nèi)效率：,從以上分析可知，重?zé)岈F(xiàn)象使全機(jī)的相對內(nèi)效率高于各級(jí)平均的相對內(nèi)效率。但并不是

13、說越大，全機(jī)的效率就越高。因?yàn)橹責(zé)岈F(xiàn)象的存在只不過是使多級(jí)汽輪機(jī)能回收其損失的一部分而已。,45,三、汽輪機(jī)裝置的評價(jià)指標(biāo),蒸汽的熱能,內(nèi)功率Pi,電功率Pel,軸功率Pax,1、汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率,2、機(jī)械效率,3、發(fā)電機(jī)效率,則汽輪發(fā)電機(jī)組的相對和絕對電效率為：,46,4、汽耗率機(jī)組每生產(chǎn)1KWh電能所消耗的蒸汽量,5、熱耗率機(jī)組每生產(chǎn)1 KWh電能所需的熱量,47,第二節(jié) 汽輪機(jī)進(jìn)汽、排汽損失和熱力過程線,一、進(jìn)汽損失 進(jìn)汽速度4060m/s，進(jìn)汽壓力損失p0=0.030.05p0。 優(yōu)化閥的型線，使其帶擴(kuò)壓管，把部分蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。 二、排氣損失 凝汽機(jī)組的cex100120m

14、/s，背壓機(jī)組cex4060m/s。 當(dāng)進(jìn)入排汽管的汽流速度較低，即M0.3時(shí)，可以將蒸汽視為不可壓縮流體，對其進(jìn)出口建立能量平衡方程：,48,兩邊同除以 ，則有：,靜壓恢復(fù)系數(shù),能量損失系數(shù),當(dāng)排汽管進(jìn)口汽流M0.3時(shí)，就必須考慮其壓縮性，但仍然有：,三、多級(jí)汽輪機(jī)的熱力過程線（p112116),49,第三節(jié) 多級(jí)汽輪機(jī)的軸向推力及其平衡,反動(dòng)式汽輪機(jī)的軸向力有100200T，沖動(dòng)式汽輪機(jī)的軸向力有4080T。 一、沖動(dòng)式汽輪機(jī)的軸向推力 1、作用在動(dòng)葉上的軸向推力,2、作用在葉輪輪面上的軸向推力,50,隔板軸封漏汽量為,通過平衡孔的漏汽量為,動(dòng)葉根部軸向間隙處的漏汽量為,如動(dòng)葉稍有漏氣，其

15、流量平衡為(d pdFz,2),51,3、作用在軸封凸肩上的軸向推力,4、轉(zhuǎn)子凸肩上的軸向力,二、軸向推力的平衡 1、設(shè)置平衡活塞p121 2、采用具有平衡孔的葉輪p117 3、利用汽輪機(jī)分缸的反向平衡p121 4、采用推力軸承,52,第四節(jié) 軸封及其系統(tǒng),一、軸封類型 1、高低齒曲徑軸封；2、平齒光軸軸封。 二、芬諾曲線 等流量曲線,53,芬諾曲線,54,三、軸封漏汽量的計(jì)算 1、最后一個(gè)齒隙的汽流速度低于臨界速度,2、最后一個(gè)齒隙的汽流速度等于臨界速度,55,第三章 汽輪機(jī)在變工況下的工作,汽輪機(jī)噴嘴變工況 級(jí)變工況 機(jī)組變工況 調(diào)節(jié)級(jí)變工況,56,一、漸縮噴嘴的變工況,對于漸縮噴嘴，當(dāng)其

16、初參數(shù)及出口面積不變時(shí)，通過噴嘴的流量為：,A,C,B,G,Gcr,G1,Pcr,P1,P1=Pc,P,在流量與出口壓力的關(guān)系曲線圖中，BC段近似于橢圓曲線，則：,57,即為彭臺(tái)門系數(shù)，此時(shí)通過噴嘴的任意流量G可表示為：,當(dāng)蒸汽的參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，噴嘴流量為：,1、當(dāng)初壓不變時(shí),2、噴嘴前后壓力同時(shí)變化時(shí),流量錐的概念,在實(shí)際計(jì)算中，大都采用圖解法計(jì)算流量，即使用流量錐或是流量網(wǎng)圖。,假設(shè)最大初壓為p0m，相應(yīng)的最大臨界流量為G0m,58,m、1、 0之間關(guān)系的三維顯示為流量錐，二維表示為流量網(wǎng)圖。（oad為等腰直角三角形） 漸縮噴嘴流量錐如右圖所示。,a,b,d,c,相對初壓 相對背壓,59,

17、二、縮放噴嘴的變工況（極限壓力p132）,1、當(dāng)初壓不變時(shí),60,2、初終參數(shù)同時(shí)改變時(shí),61,三、汽輪機(jī)級(jí)的變工況,噴嘴前、后壓力發(fā)生變化引起流量的變化。反之，當(dāng)流經(jīng)噴嘴的流量變化時(shí)，噴嘴和動(dòng)葉前后的壓力也要隨之變化，從而引起級(jí)內(nèi)各個(gè)參數(shù)發(fā)生變化。本節(jié)主要研究級(jí)中諸參數(shù)隨流量變化而變化的基本規(guī)律。,（一）設(shè)計(jì)工況和變動(dòng)工況均為臨界工況,1、噴嘴在臨界狀態(tài),2、動(dòng)葉在臨界狀態(tài),62,若近似認(rèn)為 ，則有：,用噴嘴參數(shù)表示則同理有：,小結(jié)： 當(dāng)級(jí)在臨界狀態(tài)下工作時(shí)，不論臨界狀態(tài)是發(fā)生在噴嘴中還是動(dòng)葉中，其流量均與級(jí)前壓力成正比，而與級(jí)后壓力無關(guān)。,當(dāng)c0變化不大,63,（二）設(shè)計(jì)工況及變工況均為亞

18、臨界狀態(tài),當(dāng)級(jí)在亞臨界狀態(tài)下工作時(shí)，通過級(jí)的流量與級(jí)前、后的壓力均有關(guān),64,動(dòng)葉進(jìn)口的撞擊損失,一、沖角（p50）,正沖角時(shí)，氣流沖擊內(nèi)弧面；負(fù)沖角時(shí)，氣流沖擊動(dòng)葉的背弧面。 級(jí)負(fù)荷變化，是由于流量變化，壓力和焓降隨之發(fā)生變化。于是發(fā)生沖擊損失。 二、撞擊損失（p139） 焓降增大，導(dǎo)致正沖角； 焓降減小，導(dǎo)致負(fù)沖角。,65,級(jí)內(nèi)反動(dòng)度的變化,設(shè)計(jì)工況下的連續(xù)性方程,焓降減小時(shí)的連續(xù)性方程，理論上有,從p139b圖上可以看出，實(shí)際情況是,因此，級(jí)的反動(dòng)度要增加。,66,焓降減小，速度比增大，級(jí)內(nèi)反動(dòng)度增大； 焓降增大，速度比減小，級(jí)內(nèi)反動(dòng)度減?。?67,四、汽輪機(jī)級(jí)組的變工況,（一）機(jī)組前、

19、后壓力與流量的關(guān)系 機(jī)組可以看作一個(gè)當(dāng)量噴嘴 假設(shè)最大初壓為p0m，相應(yīng)的最大臨界流量為G0m,級(jí)組前壓力的相對值,級(jí)組后壓力的相對值,相對流量,級(jí)組臨界壓力比,68,試驗(yàn)證明： 工況變動(dòng)時(shí)，機(jī)組前后的壓力與流量的關(guān)系可用斯托多拉流量錐表示，即0、2、m組成流量錐； 級(jí)數(shù)越多，機(jī)組的臨界壓力比就越?。?初參數(shù)不同的同一級(jí)組具有相同的臨界壓力比。,無窮級(jí)數(shù)的級(jí)組中各級(jí)均處于亞臨界時(shí)的流量比為佛留格爾公式，如下,69,亞臨界變工況的流量與機(jī)組前后壓力平方差的開方成正比。 級(jí)組中的末級(jí)均到達(dá)臨界狀態(tài)： 例如級(jí)組由三級(jí)組成,如圖示,P0,P1,P2,P3,P4,P5,P6,G,對第二級(jí)有：,70,同理有：,（二）機(jī)組壓力與流量公式的應(yīng)用條件 1、通過同一級(jí)組中各級(jí)的流量相等； 2、不同工況級(jí)組中各級(jí)的通流截面保持不變； 3、通過各級(jí)的汽流是一股均質(zhì)流； 4、佛留格爾公式只適用于無窮級(jí)數(shù)的情況，有限級(jí)數(shù)時(shí)的精確計(jì)算要考慮級(jí)組的臨界壓力比。,71,五、汽輪機(jī)的配汽方式和調(diào)節(jié)級(jí)的變工況,目前常用