汽輪機(jī)的工作原理2

1、電廠汽輪機(jī)原理電廠汽輪機(jī)原理 第一節(jié)概述第一節(jié)概述 汽輪機(jī)以蒸汽為工質(zhì)，將熱能轉(zhuǎn) 變?yōu)闄C(jī)械能，為發(fā)電機(jī)發(fā)電提供 機(jī)械能。 火力發(fā)電廠三大主要設(shè)備之一， 單機(jī)功率大、效率高、運行平穩(wěn)、 使用壽命長 一一. . 汽輪機(jī)的工作原理汽輪機(jī)的工作原理 汽輪機(jī)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換 一定壓力和溫度的蒸汽流經(jīng)固定不動的噴嘴，并在其中膨 脹，蒸汽的壓力、溫度不斷降低，速度不斷增加，使蒸汽 的熱能轉(zhuǎn)化為動能 。 蒸汽熱能蒸汽熱能 氣流的動能氣流的動能 軸的機(jī)械能軸的機(jī)械能 噴嘴噴嘴 動動葉葉 一、汽輪機(jī)的工作原理一、汽輪機(jī)的工作原理 1軸 2葉輪 3動葉柵 4噴嘴 單級沖動式汽輪機(jī)工作原理結(jié)構(gòu)立體圖單級沖動式汽輪機(jī)工作原

2、理結(jié)構(gòu)立體圖 “級”是汽輪機(jī)中最基本的是汽輪機(jī)中最基本的 工作單元。在結(jié)構(gòu)上它是由工作單元。在結(jié)構(gòu)上它是由 靜葉（噴嘴）和對應(yīng)的動葉靜葉（噴嘴）和對應(yīng)的動葉 所組成；一列固定的噴嘴和所組成；一列固定的噴嘴和 與它配合的動葉片構(gòu)成了汽與它配合的動葉片構(gòu)成了汽 輪機(jī)的基本作功單元，稱為輪機(jī)的基本作功單元，稱為 汽輪機(jī)的汽輪機(jī)的“級” （一）沖動作用原理（一）沖動作用原理 p沖動力的定義：沖動力的定義：根據(jù)力學(xué)知識，當(dāng) 一運動物體碰到另一個靜止的物體 或者運動速度低于它的物體時，就 會受到阻礙而改變其速度的大小或 方向，同時給阻礙它的物體的一個 作用力 p特點：特點：蒸汽僅把從噴嘴中獲得的動 能轉(zhuǎn)變

3、為機(jī)械功，蒸汽在動葉通道 中不膨脹，動葉通道不收縮 l 噴嘴出口處：噴嘴出口處：蒸汽以相對速 度w1進(jìn)入動葉通道，由于受到動 葉的阻礙，汽流方向不斷改變， 最后以相對速度w2流出動葉通道， l在流道中蒸汽對動葉產(chǎn)生一個輪 周方向的沖動力F1，該力對動葉 作功使動葉轉(zhuǎn)動 蒸汽流過無膨脹動葉通道時速度的變化 （一）沖動作用原理（一）沖動作用原理 反動力定義：反動力定義：蒸汽在動葉汽道內(nèi)膨脹時 對動葉的作用力。根據(jù)動量守恒定律， 當(dāng)氣體從容器中加速流出時，要對容器 產(chǎn)生個與流動方向相反的力。 基本特點：基本特點：蒸汽在動葉流道中不僅要改 變方向，而且還要膨脹加速，從結(jié)構(gòu)上 看動葉通道是逐漸收縮的。

4、（二）反動作用原理（二）反動作用原理 從作用力方面分析原理從作用力方面分析原理 蒸汽流經(jīng)級時先在噴嘴中膨脹壓力 降低，速度增加一方面通過速度方 向的改變，產(chǎn)生沖動力F1 蒸汽在動葉中繼續(xù)膨脹，壓力降低， 所產(chǎn)生的焓降轉(zhuǎn)化為動能造成動葉 出口的相對速度w2大于進(jìn)口相對速 度w1，使汽流產(chǎn)生了作用于動葉上 的與汽流方向相反的反動力Fr。 在蒸汽的沖動力和反動力合力作用 下推動動葉旋轉(zhuǎn)作功。 動葉通道是逐漸收縮的 基本概念基本概念 級滯止理想焓降：級滯止理想焓降：0點是級前 的蒸汽狀態(tài)點，0*點是汽流被等 熵滯止到初速等于零的狀態(tài)，p1、 p2分別為噴嘴出口壓力和動葉出 口壓力，蒸汽在級內(nèi)從滯止?fàn)顟B(tài)

5、 0*等熵膨脹到p2時的焓降稱為級 的滯止理想焓降 級理想焓降：級理想焓降：蒸汽在級內(nèi)從0 點 等 熵 膨 脹 到 p 2 時 的 焓 降 稱為級的理想焓降。 t h 二、反動度和級的類型二、反動度和級的類型 二、反動度和級的類型二、反動度和級的類型 汽輪機(jī)的反動度 蒸汽在動葉通道內(nèi)膨脹時的理 想焓降hb， 和在整個級的滯止 理想焓降ht* 之比，即 * t b m h h bn b bn b m hh h hh h * * * tmb hh * 1 tmn hh 反動度反動度 反動度：反動度：表示蒸汽在動葉通道內(nèi)膨 脹程度大小的指標(biāo)。 它等于蒸汽在動葉通道中的理想焓 降與噴嘴的滯止理想焓降和

6、動葉通 道中理想焓降之和的比值 級的平直徑處（即1/2葉高處）的 反動度用m表示，其表達(dá)式為： * t b bn b bn b m h h hh h hh h （二）汽輪機(jī)級的類型和特點 1.按反動度的大小進(jìn)行分類 2.按通流面積是否隨負(fù)荷而變分類 3.按蒸汽的動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子機(jī)械能的過程分類 級的類型及特點級的類型及特點 汽輪機(jī)的級可分為沖動級和反動級兩大類 沖動級沖動級 沖動級又分：純沖動級、帶反動度的沖動級速度級 1) 純沖動級：反動度為零的級稱為純沖動級 工作特點：是蒸汽只在噴嘴中膨脹，在動葉通道中不膨脹 結(jié)構(gòu)特點：動葉葉型近似對稱彎曲，作功能力大，但效率 比帶反動度的沖動級低。 現(xiàn)代沖

7、動式汽輪機(jī)中廣泛采用具有一 定反動度的沖動級，簡稱為沖動級 工作特點:蒸汽的膨脹主要噴嘴中進(jìn) 行，在動葉通道中僅有小部分膨脹， 產(chǎn)生的反動力較小，主要利用沖動力 作功 結(jié)構(gòu)特點：作功能力比反動級的大， 效率又比純沖動級高。 帶反動度的沖動級帶反動度的沖動級 定義：蒸汽在級中的理想焓降平均分配 在噴嘴和動葉通道中的級稱為反動級 工作特點：蒸汽在噴嘴和動葉通道中的 膨脹程度相等，作功的力沖動力和反動 力各占一半 結(jié)構(gòu)特點：動葉葉型與噴嘴葉型完全相 同。反動級的效率高于沖動級，但整級 的理想焓降較小。 反動級反動級 調(diào)節(jié)級調(diào)節(jié)級 噴嘴調(diào)節(jié)：多數(shù)汽輪機(jī)采用改變第一級噴嘴面積的方法調(diào)節(jié)進(jìn)汽量，稱 之為噴

8、嘴調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)級：中、小容量汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)級噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的第一級稱為調(diào)節(jié) 級，一般采用復(fù)速級。大容量汽輪機(jī)多采用單列沖動級。 還把汽輪機(jī)的級分為速度級和壓力級兩種。 速度級:為使充分利用余速，在兩列動 葉之間裝設(shè)列導(dǎo)向葉片，排汽經(jīng)過導(dǎo) 向葉片后改變方向，進(jìn)入第二列動葉繼 續(xù)作功。這種級稱為速度級。 復(fù)速級：同一葉輪上裝有兩列動葉片 的雙列速度級，又稱為復(fù)速級。 工作特點：蒸汽主要在噴嘴中膨脹加 速：動葉通道和導(dǎo)向葉片通道中基本不 膨脹，焓降大、效率較低。用于單級汽 輪機(jī)和中、小型多級汽輪機(jī)的第一級。 復(fù)速級復(fù)速級 汽輪機(jī)的分類汽輪機(jī)的分類 按工作原理分按工作原理分 沖動式汽輪機(jī)沖動式汽輪機(jī) 反

9、動式汽輪機(jī)反動式汽輪機(jī) 按熱力特性分按熱力特性分 凝汽式汽輪機(jī)凝汽式汽輪機(jī) 背壓式汽輪機(jī)背壓式汽輪機(jī) 調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī) 中間再熱式汽輪機(jī)中間再熱式汽輪機(jī) 凝汽式汽輪機(jī)凝汽式汽輪機(jī) 特點：在汽輪機(jī)中作功后的排汽，在低于大氣 壓力的真空狀態(tài)下進(jìn)入凝汽器凝結(jié)成水。 火電廠火電廠中普遍采用的專為發(fā)電用的汽輪機(jī)汽輪機(jī)。凝汽設(shè)備主要由凝汽器凝汽器、 循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵和抽氣器組成。汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器，被循環(huán) 水冷卻凝結(jié)為水，由凝結(jié)水泵抽出，經(jīng)過各級加熱器加熱后作為給水 送往鍋爐。 汽輪機(jī)的排汽在凝汽器內(nèi)受冷凝結(jié)為水的過程中，體積驟然縮小， 因而原來充滿蒸汽的密閉空間形成真空，這降低了汽輪

10、機(jī)的排汽壓力， 使蒸汽的理想焓降增大，從而提高了裝置的熱效率。汽輪機(jī)排汽中的 非凝結(jié)氣體(主要是空氣)則由抽氣器抽出,以維持必要的真空度。 汽輪機(jī)最常用的凝汽器為表面式。冷卻水排入冷卻水池或冷卻水 塔降溫后再循環(huán)使用?？拷?、河、湖泊的電廠，如水量充足，可將 由凝汽器排出的冷卻水直接排入江、河、湖泊，稱為徑流冷卻方式。 但這種方式可能對河流湖泊造成熱污染。嚴(yán)重缺水地區(qū)的電廠，可采 用空冷式凝汽器。但它結(jié)構(gòu)龐大，金屬材料消耗多，除列車電站列車電站外， 一般電廠較少采用。老式電廠中，有的采用混合式凝汽器，汽輪機(jī)排 汽與冷卻水直接混合接觸冷卻。但因排汽凝結(jié)水被冷卻水污染，需要 處 理 后 才 能 作

11、 為 鍋 爐 給 水 ， 已 很 少 采 用 。 運行特性凝汽式汽輪機(jī)的排汽壓力對運行經(jīng)濟(jì)性有明顯影響。 影響凝汽器真空度的主要因素是冷卻水進(jìn)口溫度和冷卻倍率。前者與 電廠所在地區(qū)、季節(jié)及供水方式有關(guān)；后者表示冷卻水設(shè)計流量與汽 輪機(jī)排汽量之比。冷卻倍率大，可獲得較高真空度。但冷卻倍率增大 的同時增加了循環(huán)水泵的功耗和設(shè)備投資。一般表面式凝汽器的冷卻 倍率設(shè)計為60120。 由于凝汽式汽輪機(jī)循環(huán)水的需要量很大，水源 條件成為電廠選址的重要條件之一。 v理想情況下表面式凝汽器的凝水溫度應(yīng)與排汽溫度相同，被冷卻水 帶走的熱量僅為排汽的汽化潛熱。但實際運行中，由于排汽流動阻 力及非凝結(jié)氣體的存在，導(dǎo)

12、致凝結(jié)水溫度低于排汽溫度，兩者的溫 差稱為過冷卻度。冷卻水管布置不當(dāng)，運行中凝結(jié)水位過高而浸泡 冷卻水管,均會加大過冷卻度。正常情況過冷卻度應(yīng)不大于12。 排汽壓力與機(jī)組功率降低凝汽式汽輪機(jī)的排汽壓力,雖可提高 熱效率，但因排汽比容增大,汽輪機(jī)末級通流面積和葉片需要相應(yīng)增 大,這加大了制造成本,使加工困難。因此，最佳排汽壓力需通過技術(shù) 經(jīng)濟(jì)綜合分析確定。目前一般凝汽式汽輪機(jī)排汽壓力取為0.004 0.006兆帕。 汽輪機(jī)功率決定于蒸汽流量。凝汽式汽輪機(jī)可通過的最大流量 決定于末級葉片長度。由于葉片越大，離心力越大,這使它受到材料 強(qiáng)度的限制。目前,末級葉片最大長度可達(dá)10001200毫米，葉片

13、頂 端最大允許圓周速度為550650米/秒,單排汽口極限功率約為100 120兆瓦。低壓缸采用分流式結(jié)構(gòu)可提高單機(jī)功率。到80年代末，常 規(guī)火電廠最大凝汽式單機(jī)功率，雙軸機(jī)組為1300兆瓦，單軸機(jī)組為 800兆瓦。 凝汽式機(jī)組設(shè)計為低轉(zhuǎn)速（1500或1800轉(zhuǎn)/分）時，可提高極限 功率，但這又使汽輪機(jī)尺寸及材料消耗增加，因為汽輪機(jī)總重量與 轉(zhuǎn)速的三次方成反比。因此，除核電站核電站為適應(yīng)低參數(shù)、大流量特點， 常采用低速汽輪機(jī)外，中國火力發(fā)電廠均采用3000轉(zhuǎn)/分汽輪機(jī) 背壓式汽輪機(jī)背壓式汽輪機(jī) 特點：是排汽直接用于供熱，沒有凝汽器。當(dāng)排 汽作為其它中低壓汽輪機(jī)的工作蒸汽時，稱為 前置式汽輪機(jī)。

14、抽汽背壓式 排汽壓力大于 0.1兆帕的汽輪機(jī)汽輪機(jī)。排汽可用于供熱或供給原有中、低壓汽 輪機(jī)以代替老電廠的中、低壓鍋爐。后者又稱為前置式汽輪機(jī)，它不但可以 增加原有電廠的發(fā)電能力，而且可以提高原有電廠的熱經(jīng)濟(jì)性。供熱用背壓 式汽輪機(jī)的排汽壓力設(shè)計值視不同供熱目的而定；前置式汽輪機(jī)的背壓常大 于 2兆帕，視原有機(jī)組的蒸汽參數(shù)而定。排汽在供熱系統(tǒng)中被利用之后凝結(jié) 為水，再由水泵送回鍋爐作為給水。一般供熱系統(tǒng)的凝結(jié)水不能全部回收， 需要補(bǔ)充給水。 背壓式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電功率由熱負(fù)荷決定，因而不能同時滿足 熱、電負(fù)荷的需要。背壓式汽輪機(jī)一般不單獨裝置，而是和其他凝汽式汽輪凝汽式汽輪 機(jī)機(jī)并列運行

15、，由凝汽式汽輪機(jī)承擔(dān)電負(fù)荷的變動，以滿足外界對電負(fù)荷的需 要。前置式汽輪機(jī)的電功率由中、低壓汽輪機(jī)所需要的蒸汽量決定。利用調(diào) 壓器來控制進(jìn)汽量，以維持其排汽壓力不變；低壓機(jī)組則根據(jù)電負(fù)荷需要來 調(diào)節(jié)本身的進(jìn)汽量，從而改變前置式汽輪機(jī)的排汽量。因此，不能由前置式 汽 輪 機(jī) 直 接 根 據(jù) 電 負(fù) 荷 大 小 來 控 制 其 進(jìn) 汽 量 。 由于供熱背壓式機(jī)組的發(fā)電量決定于熱負(fù)荷大小，宜用于熱負(fù)荷相對穩(wěn) 定 的 場 合 ， 否 則 應(yīng) 采 用 調(diào) 節(jié) 抽 汽 式 汽 輪 機(jī)抽 汽 式 汽 輪 機(jī) 。 背壓式汽輪機(jī)的排汽壓力高,蒸汽的熱降較小,與排汽壓力很低的凝汽式 汽輪機(jī)相比，發(fā)出同樣的功率，所

16、需蒸汽量為大，因而背壓式汽輪機(jī)每單位 功率所需的蒸汽量大于凝汽式汽輪機(jī)。但是，背壓式汽輪機(jī)排汽所含的熱量 絕大部分被熱用戶所利用，不存在冷源損失，所以從燃料的熱利用系數(shù)來看， 背壓式汽輪機(jī)裝置的熱效率較凝汽式汽輪機(jī)為高。由于背壓式汽輪機(jī)可通過 較大的蒸汽流量，前幾級可采用尺寸較大的葉片，所以內(nèi)效率較凝汽式汽輪 機(jī)的高壓部分為高。 在結(jié)構(gòu)上，背壓式汽輪機(jī)與凝汽式汽輪機(jī)的高壓部分相似。背壓式汽輪 機(jī)多采用噴嘴調(diào)節(jié)配汽方式，以保證在工況變動時效率改變不大。因背壓機(jī) 常用于熱負(fù)荷較穩(wěn)定的場合，一般采用單列沖動級作為調(diào)節(jié)級。 調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)特點：從汽輪機(jī)某級后抽出具有一定 壓力的蒸汽對外供熱，其余排汽

17、仍進(jìn)入凝汽器。 中間再熱式汽輪機(jī)特點：進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽膨脹到某一 壓力后，被全部抽出送往鍋爐的再熱器進(jìn)行再熱，再返 回汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹作功。中間再熱式汽輪機(jī)就是蒸汽在 汽輪機(jī)內(nèi)做了一部分功后，從中間引出，通過鍋爐的再 熱器提高溫度（一般升高到機(jī)組額定溫度），然后再回 到汽輪機(jī)繼續(xù)做功，最后排入凝汽器的汽輪機(jī)。 由汽輪機(jī)汽輪機(jī)中間級抽出一部分蒸汽供給用戶，即在發(fā)電的同時還 供熱的汽輪機(jī)。根據(jù)用戶需要可以設(shè)計成一次調(diào)節(jié)抽汽式或二次 調(diào)節(jié)抽汽式。 一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)又稱單抽汽式汽輪機(jī)。由高壓部分 和低壓部分組成，相當(dāng)于一臺背壓式汽輪機(jī)背壓式汽輪機(jī)與一臺凝汽式汽輪機(jī)凝汽式汽輪機(jī) 的組合。新汽進(jìn)入高壓部

18、分作功，膨脹至一定壓力后分為二股， 一股抽出供給熱用戶，一股進(jìn)入低壓部分繼續(xù)膨脹作功，最后排 入凝汽器。抽汽壓力設(shè)計值根據(jù)熱用戶需要確定，并由調(diào)壓器控 制，以維持抽汽壓力穩(wěn)定。單抽汽式汽輪機(jī)的功率為高、低壓部 分所生產(chǎn)功率之和，由進(jìn)汽量和流經(jīng)低壓部分蒸汽量所決定。調(diào) 節(jié)進(jìn)汽量可以得到不同的功率。因此，在一定范圍內(nèi)，可同時滿 足熱、電負(fù)荷需要。單抽汽式汽輪機(jī)在供熱抽汽量為零時，相當(dāng) 于一臺凝汽式汽輪機(jī)；若將進(jìn)入高壓缸的蒸汽全部抽出供給熱用 戶，則相當(dāng)于一臺背壓式汽輪機(jī)。但實際運行中，為了冷卻低壓 缸，帶走由于鼓風(fēng)摩擦損失所產(chǎn)生的熱量，必須有一定量的蒸汽 流過低壓部分進(jìn)入凝汽器，所需最小流量約為低

19、壓缸設(shè)計流量的 10。 二次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)又稱雙抽汽式汽輪機(jī)。可以 同時滿足不同參數(shù)的熱負(fù)荷。整個汽輪機(jī)分為高、中、低壓 3部 分。新汽進(jìn)入高壓部分作功，膨脹到一定壓力，抽出一部分蒸汽 供給熱用戶；另一部分進(jìn)入中壓部分繼續(xù)膨脹作功后，再抽出一 部 分 供 暖 ， 其 余 蒸 汽 經(jīng) 過 低 壓 部 分 排 入 凝 汽 器 。 雙抽汽式汽輪機(jī)的工況圖是按照一定的典型系統(tǒng)和額定參數(shù) 繪制的。若汽輪機(jī)運行條件不同于繪制工況時，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修正。 調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)各缸均單獨設(shè)置配汽機(jī)構(gòu)，分別控制各缸進(jìn)汽 量。中、低壓缸配汽機(jī)構(gòu)有調(diào)節(jié)閥和旋轉(zhuǎn)隔板兩種形式。功率較 小的抽汽機(jī)組采用旋轉(zhuǎn)隔板形式有利于設(shè)計成

20、單缸結(jié)構(gòu)；高壓缸 則普遍采用噴嘴調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)級多數(shù)為雙列級，以保證有足夠 大的通流能力。 雙抽汽式汽輪機(jī)在高、低壓缸流量均接近設(shè)計值時具有較高 的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性。由于熱負(fù)荷的變化，有時流經(jīng)各缸的流量差別很 大，在某些工況下發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較低。因此，調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)應(yīng) 根據(jù)主要熱負(fù)荷情況進(jìn)行設(shè)計，合理分配各缸流量，以保證長期 運行中有較高經(jīng)濟(jì)性。合理選定抽汽壓力對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性有明顯影 響，在滿足熱用戶前提下，應(yīng)盡量降低抽汽壓力。早期生產(chǎn)的供 暖抽汽機(jī)組，抽汽壓力為0.120.25兆帕，近年已將下限降為 0.07兆帕。 按主蒸汽壓力分按主蒸汽壓力分 汽輪機(jī)類別主蒸汽壓力（MPa) 低壓汽輪機(jī)0.121.5

21、 中壓汽輪機(jī)24 高壓汽輪機(jī)610 超高壓汽輪機(jī)1214 亞臨界壓力汽輪機(jī)1618 超臨界壓力汽輪機(jī)22.1 超超臨界壓力汽輪機(jī)32 XX-XX-XX 變型設(shè)計次序變型設(shè)計次序 蒸汽參數(shù)蒸汽參數(shù)額定功率額定功率 型型 式式 例例：N300-16.7/537/537-2N300-16.7/537/537-2型汽輪機(jī)型汽輪機(jī) 300MW300MW凝汽式汽輪機(jī)凝汽式汽輪機(jī), ,主蒸汽壓力為主蒸汽壓力為16.7MPa16.7MPa，溫度為，溫度為 537537C,C,再熱蒸汽溫度再熱蒸汽溫度537537C,C,中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，屬第二中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，屬第二 次變型設(shè)計次變型設(shè)計 汽輪機(jī)的型號

22、汽輪機(jī)的型號 汽輪機(jī)型式代號見下表汽輪機(jī)型式代號見下表 代號型式代號型式 N凝汽式CB抽汽背壓式 B背壓式CY船用 C一次調(diào)整抽汽式Y(jié)移動式 CC兩次調(diào)整抽汽式HN核電汽輪機(jī) 汽輪機(jī)型號中蒸汽參數(shù)表示法汽輪機(jī)型號中蒸汽參數(shù)表示法 型 式參數(shù)表示方法示例 凝汽式主蒸汽壓力/主蒸汽溫度N100-8.83/535 中間再熱式 主蒸汽壓力/主蒸汽溫度/中間再熱溫 度 N300-16.7/538/538 抽汽式 主蒸汽壓力/高壓抽汽壓力/低壓抽汽 壓力 C50-8.83/0.98/0.118 背壓式主蒸汽壓力/背壓B50-8.83/0.98 抽汽背壓式主蒸汽壓力/抽汽壓力/背壓CB25-8.83/0.9

23、8/0.118 第二節(jié)第二節(jié) 汽輪機(jī)的工作過程汽輪機(jī)的工作過程 對蒸汽在汽輪機(jī)中的流動作以下假設(shè)：略去蒸汽的粘性， 并假定蒸汽在葉柵通道內(nèi)的流動是一元、穩(wěn)定的絕熱流動。 一、可壓縮流體一元流動的基本方程： 連續(xù)性方程： 微分形式： AcG 0 d c dc A dA 運動方程： cdcRdx dp 能量方程： w c hq c h 22 2 1 1 2 0 0 狀態(tài)方程： RTpv 常數(shù) k pv 二、蒸汽在噴嘴中的膨脹過程 蒸汽在噴嘴中的膨脹過程 （一）噴嘴中的汽流速度 1.噴嘴出口汽流的理想速度： 可由能量方程求得 2 0t 10t 1 chh2c 2 0n ch2 * n h2 2. 臨

24、界速度和臨界壓力比 臨界狀態(tài)：汽流速度等于當(dāng)?shù)匾羲俚臓顟B(tài) 臨界壓力比：臨界壓力與滯止初壓之比 即 * 0 p pcr cr 3.噴嘴出口汽流實際速度： c1=c1t -噴嘴速度系數(shù) 噴嘴的動能損失: 噴嘴的能量損失系數(shù): *2 1 nn hh 2 * 1 n n n h h 影響速度系數(shù)的因素有：噴嘴高度、葉型、汽道形狀、 表面粗糙度、前后壓力等。 速度系數(shù)與葉高的關(guān)系曲線如下圖： （二）噴嘴截面積的變化規(guī)律 當(dāng)噴嘴內(nèi)流動為亞音速流動時，M1，汽道的截面積隨 著汽流加速而逐漸增大，稱為漸擴(kuò)噴嘴 當(dāng)噴嘴內(nèi)汽流速度等于當(dāng)?shù)匾羲贂r，M=1，噴嘴截面積 達(dá)最小值，稱為臨界截面積或候部 c dc M A

25、 dA 1 2 （三）噴嘴流量計算（三）噴嘴流量計算 1.噴嘴的理想流量: ttnt cAG 11 * 0 * 0 * 0 * 0 pA RT p AG nncrt 噴嘴的臨界流量噴嘴所能通過的最大流量。 上式中 ： 僅與蒸汽性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，對過熱 蒸汽 =0.667，對飽和蒸汽 =0.635。 k k n k nnt p k k AG 12 * 0 * 0 1 2 式中： * 0 1 p p n t n 1 1 tnG G n 為噴嘴的流量系數(shù)，其大小與噴嘴的幾何參 數(shù)、汽體參數(shù)及汽體物理性質(zhì)等因素有關(guān)，另外還 與噴嘴出口的實際密度與等熵密度之比有關(guān)。 下圖為實驗得到的流量系數(shù)曲線。由圖可知

26、： 過熱蒸汽區(qū)： 97. 0 n 02. 1 n 令 ，則有 濕蒸汽區(qū)： 2.通過噴嘴的實際流量 t t tnn GcAcAG 1 1 1111 考慮了流量系數(shù)后，實際臨界流量公式為： * 0 * 0 648. 0 RT p AG ncr 3.彭臺門系數(shù) 表達(dá)式： crt t cr G G G G 1 1 12 1 2 1 2 k k k k n k n k k 與絕熱指 數(shù)及噴嘴壓力 比有關(guān)，其關(guān) 系式如右。 在亞臨界條件下： 1，在臨界和超臨界條 件下：1 與n的關(guān)系繪成如圖 所示的曲線。計算時，先在圖上查 取 值， 然后利用下式計算： * 0 * 0 648. 0 RT p AGG nc

27、r （四）蒸汽在噴嘴斜切部分中的流動（四）蒸汽在噴嘴斜切部分中的流動 1.蒸汽在斜切部分中的膨脹 在汽輪機(jī)級中，為了保證噴嘴出口對汽流的 良好導(dǎo)向作用，必須在出口截面之外有一段斜切 部分，這種噴嘴稱為斜切噴嘴，如圖所示。 斜切部分對汽流的影響如下： a當(dāng)ncr 時，AB截面上的流速小于或等于 音速，壓力與噴嘴背壓相等，斜切部分不 膨脹。此時 n 11 1 t AB sin AC AB sin b 當(dāng)n cr 時，喉部截面上的流速等于臨界速度， 壓力為臨界壓力，蒸汽在斜切部分繼續(xù)膨脹，從而 獲得超音速汽流。且汽流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 c 縮放噴嘴： A.噴嘴斜切部分膨 脹的極限工況： 最后一條特性線

28、與AC重合時的工況。 B.汽流在斜切部分 偏轉(zhuǎn)的原因：由圖 1-17（b）解釋。 2.斜切部分汽流偏轉(zhuǎn)角的近似計算斜切部分汽流偏轉(zhuǎn)角的近似計算 可利用連續(xù)性方程求解，即通過最小截面的 流量應(yīng)與出口截面的流量相等。 最小截面： 1 11 1 sinsin tt crcr c c 出口截面: crcrnn crcrn ctl cAG 1 sin ttnn ttn ctl cAG 111 11 sin 在實際結(jié)構(gòu)中， lnln，所以： k k n k n k k k k 11 1 1 1 1 1 1 1 1 2 sin sin 對等熵流動，有以下等式成立： k 1 n 1k 1 k 1 n cr k

29、 1 t1 cr t1 cr 1k 2 p p k 1k n t1 cr 11k 1k c c 所以： 3.3.極限壓力計算極限壓力計算 crcr d1d1 1 c a sin d1 d1 1 1 t 1t 1 crcr 1 c a M 1 sin c c sin 或 斜切部分的膨脹達(dá)極限時，馬赫角與汽流角和 偏轉(zhuǎn)角之和相等，于是有： k 1 cr k 1 d1 cr d1 而 k 1k d1 * 0 * 0 d1 d1 cr d1 2 1k p 1k k2 p k c a 所以： 1k k2 1 1k k * 0 d1 d1 sin 1k 2 p p 1 2 1 sin k k cr k 1

30、k d1 * 0 * 0 d1 d1 cr d1 2 1k p 1k k2 p k c a 所以： 1k k2 1 1k k * 0 d1 d1 sin 1k 2 p p 1 2 1 sin k k cr 3.斜切部分的膨脹極限與極限壓力 噴管斜切部分能夠膨脹到的最低壓力稱為噴管 的極限壓力 三、蒸汽在動葉柵中的流動三、蒸汽在動葉柵中的流動 重點：蒸汽動能到葉輪機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。 目標(biāo)：確定蒸汽在動葉通道進(jìn)口和出口的速度變化與所做 功的定量關(guān)系。 一、動葉柵的進(jìn)出口速度三角形 絕對速度c：蒸汽相對于噴嘴的速度； 相對速度w：蒸汽相對于動葉的速度； 圓周速度u：葉輪旋轉(zhuǎn)的圓周速度。 60 nd u

31、m uwc 1.動葉進(jìn)口速度三角形 2.動葉柵出口的汽流相對速度 3.動葉出口速度三角形 一、蒸汽作用在動葉片上的力和輪周功率一、蒸汽作用在動葉片上的力和輪周功率 第三節(jié)第三節(jié) 級的輪周效率與輪周效率級的輪周效率與輪周效率 1.蒸汽作用在動葉片上的力：可由牛頓第三定律和動量方程求得。 如圖所示。將汽流力分解為周向分力Fu 和軸向分力Fz 。則， 2211 coscosccGF u 2211 coscoswwGF u 212211 sinsinppAwwGF zz 212211 sinsinppAccGF zz 或 或 蒸汽對動葉片的總作用力Fb為： 22 zub FFF 2.輪周功率 單位時間

32、內(nèi)圓周力Fu在動葉片上所做的功，它 等于圓周力Fu于動葉圓周速度u的乘積，稱為輪周 功率，其表達(dá)式為： 2211 coscosccGuuFP uu 或 2211 coscoswwGuuFP uu 1Kg蒸汽所作的輪周功，稱為級的作功能力，其大 小為： 22111 coscosccuP u 或 22111 coscoswwuP u 在葉片的進(jìn)出口速度三角形中應(yīng)用余弦定理，即 可得到輪周功率的另一種表達(dá)形式： 2 1 2 2 2 2 2 1 2 wwcc G P u 2 1 2 2 2 2 2 11 2 1 wwccP u 二、級的輪周效率 定義：蒸汽在輪周上所做之功與整個級所消耗 的蒸汽理想能量

33、（級的理想能量）之比，即 0 1 E P u u 222 2 2 1 * 2 2 1 2 0 00 c h c h c E tt E0-級的理想能量，它包括熱能和動能兩部分，其 表達(dá)式為 三、速度比及其與輪周效率的關(guān)系三、速度比及其與輪周效率的關(guān)系 速度比：輪周速度u與噴嘴出口汽流速度c1之比。 用x1表示，即x1=u/c1 。 研究速度比與輪周效率關(guān)系的目的在于根據(jù)不 同級的特點，分析速度比對輪周效率的影響， 并確定最佳速度比。 （一）純沖動級的速度比與輪周效率 1.余速不利用： 對純沖動級， 。， 12 00wwh tbm 余速不利用，則0 10 ，則有 。， tatn cchh 1 輪周

34、效率的表達(dá)式為： 2 1 2211 coscos2 t u c ccu 應(yīng)用速度三角形， 上式變?yōu)椋?1 2 111 2 cos cos 1cos2 xx u 由上式可見： 對 u 的影響最大。提高 和 及 降低1 和 2 均可提高 u 。一旦噴嘴及動葉型線確 定后，這些參數(shù)也就隨之而定，唯有x1可以選擇： （1）當(dāng)x1=0時， u 0。 （2）當(dāng) x1=cos 1 時， u 0 。 （3）所以，當(dāng)x1從零變化到 cos 1 的過程中，必存 在一個使 u 達(dá)最大值的速度比。即最佳速度比。 最佳速度比：輪周效率最高時的速度比。用(x1)op 表示。 求解方法：函數(shù)求極值法和速度三角形法。 a函數(shù)

35、求極值法：將u 的表達(dá)式對x1求導(dǎo)，并令其 為零即可得最佳速度比的值。即 0 cos cos 1cos2 1 2 111 2 11 xx dx d dx d u 2 cos 1 im op1 x 可求得最佳速度比： b 速度三角形法：對純沖動級，2 1 ，w2w1， 則在相同的1 和c1下，改變x1 ，就可作出如圖1-25 所示的速度三角形。 由圖可知：當(dāng)290 時，c2最小，輪周效率最 高，此時的速度比即為最佳速度比。由（b）圖可知： 2 cos 1 1 1 c u x im op 最佳速度比的物理意義為：使動葉出口的絕對速度c2 的方向角 290 ，即軸向排汽，從而使c2值最小， 輪周效率

36、最高時的速度比。 速度比x1與輪周效率 的關(guān)系可繪制成如下圖所示的曲線。 它是一條拋物線。其中： 2 1 n 不隨速度比的變化而變化。 2 1 0 2 2 1 w E b 隨速度比的增大而減小。 0 2 2 2 2 E c c 隨速度比的增大先逐漸減小，達(dá)到最 小值后又逐漸增大。 2.余速利用： 最佳速度比： 余速利用對輪周效率的影響：如圖126所示。 a提高了級的輪周效率。 b中間級效率曲線在最大值附近變化平穩(wěn)。 c使最佳速度比增大。 理想速度比xa： a a c u x Xa與x1的關(guān)系為： ma xx1 1 最佳理想速度比： 2 cos 1 1 opopa xx （二）反動級的速度比與輪

37、周效率的關(guān)系（二）反動級的速度比與輪周效率的關(guān)系 由于反動級的噴嘴葉型和動葉葉 型相同，反動級的余速基本上都 能得到利用，即 0 11 根據(jù)最佳速度比的物理意義可得 反動級在最佳速度比下的速度三 角形如圖127所示。由圖可得 最佳速度比為 1 1 1 cos c u x op uc1uu c1 w2=c1 w1=c2 用解析法求反動級的最佳速度比： 22 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 2 1 0 1 cc wwcc E P a u u 利用速度三角形 簡化為： 2 1 2 1 2 1 2 1 wc wc t u 利用余弦定理 代換得： 111 2 cos2 1 1 1 1 x

38、x u 為得到u 的最大值，須使 11 cos2xx 0 cos2 1 111 dx xdx 得： 11 cos re op x 將 u 與x1、xa的關(guān)系繪成如圖1-28所示的曲線。 對于不同反動度的級，其最佳速度比在不同的余速 利用系數(shù)下隨反動度的變化規(guī)律如圖1-29所示。 最大。令： 圖128 圖129 一、級內(nèi)損失 級內(nèi)損失主要有葉柵損失、余速損失、扇形損失、 葉輪摩擦損失、部分進(jìn)汽損失、漏汽損失、濕汽損失等 （一）葉柵的幾何參數(shù)及葉柵損失 反映葉柵幾何特性的主要參數(shù)有葉柵的平均直徑、 葉片高度、葉柵節(jié)距、葉柵寬度B、葉型弦長、出口邊厚度、 進(jìn)口邊寬度、出口邊寬度等。 第四節(jié)第四節(jié) 汽

39、輪機(jī)的級內(nèi)損失和級效率汽輪機(jī)的級內(nèi)損失和級效率 平面葉柵的汽流流動損失包括：平面葉柵的汽流流動損失包括： 1.1.葉型損失葉型損失 （1 1）附面層中的摩擦損失）附面層中的摩擦損失 （2 2）附面層分離時的渦流損失）附面層分離時的渦流損失 （3 3）尾跡損失）尾跡損失 2.2.沖波損失沖波損失 3.3.葉端損失葉端損失 （1 1）端部附面層中的摩擦損）端部附面層中的摩擦損 失失 （2 2）二次流損失）二次流損失 （二）余速損失 （三）扇形損失 2 c h h 2 )(7 . 0 b b d l 0 Eh （四）葉輪摩擦損失 f h v d u kp f 1 ) 100 ( 23 1 G p h

40、 f f 0 E h f f mnn a t f el dx k p p 1sin 1 3 ( (五五) ) 部分進(jìn)汽損失部分進(jìn)汽損失 如果將噴嘴布置在隔板（或如果將噴嘴布置在隔板（或 蒸汽室）的整個圓周上，使蒸汽室）的整個圓周上，使 蒸汽沿整個圓周進(jìn)汽，這種蒸汽沿整個圓周進(jìn)汽，這種 進(jìn)汽方式稱為全周進(jìn)汽。進(jìn)汽方式稱為全周進(jìn)汽。 為了增高噴嘴的高度，則將為了增高噴嘴的高度，則將 噴嘴布置在部分圓周上，使噴嘴布置在部分圓周上，使 蒸汽沿部分圓弧進(jìn)汽，這種蒸汽沿部分圓弧進(jìn)汽，這種 進(jìn)汽方式稱為部分進(jìn)汽。進(jìn)汽方式稱為部分進(jìn)汽。 e h m nn d tZ e 3 0 )5 . 01 ( 1 acew

41、 xEee e Bh a n n ss xE d S e ch 0 1 swe hhh (六)漏汽損失 h pt n pp t ppp p Zv h A v cA G 1 * 1 1 2 u p p h G G h t tttbbt t ttt t v hlde v cA G 2 * 2 2)( u t t h G G h 0 4 . 1 72. 1E l h b r t ( (七七) )濕汽損失濕汽損失 (1)(1)濕蒸汽在噴嘴中膨脹加速時，濕蒸汽在噴嘴中膨脹加速時， 一部分蒸汽凝結(jié)成水滴，使作功一部分蒸汽凝結(jié)成水滴，使作功 的蒸汽量減少。的蒸汽量減少。 (2)(2)由于水滴本身不膨脹加由于

42、水滴本身不膨脹加 速，所以懸浮在蒸汽中的水滴是速，所以懸浮在蒸汽中的水滴是 依靠蒸汽帶動的，因此主汽流要依靠蒸汽帶動的，因此主汽流要 消耗一部分動能。消耗一部分動能。 x h （3 3）水滴進(jìn)入動葉時正好沖擊在動葉進(jìn)口邊背弧上，阻止）水滴進(jìn)入動葉時正好沖擊在動葉進(jìn)口邊背弧上，阻止 了葉輪的旋轉(zhuǎn)，從而消耗了一部分輪周功去克服這個阻力，了葉輪的旋轉(zhuǎn)，從而消耗了一部分輪周功去克服這個阻力， 造成損失造成損失 (4)(4)濕蒸汽在噴嘴中膨脹時，由于汽態(tài)變化非?？?，蒸汽的濕蒸汽在噴嘴中膨脹時，由于汽態(tài)變化非?？?，蒸汽的 一部分還來不及凝結(jié)成水，汽化潛熱沒有釋放出來，形成了一部分還來不及凝結(jié)成水，汽化潛熱

43、沒有釋放出來，形成了 過飽和蒸汽或稱過冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降減小，形成過飽和蒸汽或稱過冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降減小，形成 過冷損失。過冷損失。 imx hxh)1 ( 為了提高濕蒸汽級的效率和防為了提高濕蒸汽級的效率和防 止動葉被水滴侵蝕損壞，常采止動葉被水滴侵蝕損壞，常采 用下列兩種方法：一是采用去用下列兩種方法：一是采用去 濕裝置，減少濕蒸汽中的水分；濕裝置，減少濕蒸汽中的水分； 二是提高動葉的抗侵蝕能力。二是提高動葉的抗侵蝕能力。 二、汽輪機(jī)級的相對內(nèi)效率和內(nèi)功二、汽輪機(jī)級的相對內(nèi)效率和內(nèi)功 率率 三、級內(nèi)損失對最佳速比的影響三、級內(nèi)損失對最佳速比的影響 級內(nèi)損失使級的相對內(nèi)效率的

44、最大值低于級內(nèi)損失使級的相對內(nèi)效率的最大值低于 輪周效率的最大值，而且還會使最佳速比值減小，輪周效率的最大值，而且還會使最佳速比值減小， 即相對內(nèi)效率最高時的最佳速比小于輪周效率最即相對內(nèi)效率最高時的最佳速比小于輪周效率最 高時的最佳速比。高時的最佳速比。 2 2 1 * * 0ct xeflcbnt i ri hh hhhhhhhhhh E h xeflcbnri )1 (1 1 2 3600 i i hD p 第五節(jié)第五節(jié) 級的熱力設(shè)計原理級的熱力設(shè)計原理 一、葉型的選擇葉型的選擇 二、級的特性參數(shù)的確定 三、級的某些結(jié)構(gòu)因素對效率的影響 1.蓋度 蓋度的采用一方面 能適應(yīng)汽流徑向擴(kuò)散的要 求，使汽流較好地進(jìn)入動 葉通道，減少葉頂漏汽損 失；另一方面防止由于制 造和裝配上的誤差，使動 靜葉錯位而造成噴嘴出口 汽流撞擊在圍帶和葉根上， 產(chǎn)生額外的損失。但是如 果蓋度太大，將使汽流突 然膨脹，以致在動葉頂部 和根部產(chǎn)生很大的徑向分 速度，形成旋渦，降低級 的效率，因此應(yīng)有一個最 佳蓋度。 2動靜葉之間的軸向間隙 從安全、經(jīng)濟(jì)兩方面考慮確 定開式軸向間隙的取值 閉式軸向間隙的增大對級效率 的影響有兩方面，一方面使噴嘴出 汽邊到動葉進(jìn)汽邊之間的軸向距離 增大，可減小噴嘴出口尾跡的影響， 從而使動葉進(jìn)口的汽流趨于均勻，