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1、第二章第二章 多級汽輪機多級汽輪機l第一節(jié) 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點l第二節(jié) 進汽阻力損失和排氣阻力損失l第三節(jié) 汽輪機及其裝置的評價指標(biāo)l第四節(jié) 軸封及其系統(tǒng)l第五節(jié) 多級汽輪機的軸向推力及其平衡第二章第二章 多級汽輪機多級汽輪機2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點一、一、 優(yōu)點及存在的問題優(yōu)點及存在的問題 (一)優(yōu)點優(yōu)點(1)與單級汽輪機相比,多級汽輪機的比焓降增大很多,相應(yīng)地進汽參數(shù)大大提高,排汽壓力也可顯著降低,同時,由于是多級,還可采用回?zé)嵫h(huán)和中間再熱循環(huán),這些都使循環(huán)熱效率大大提高; (2)在全機總比焓降一定時,每個級的比焓降較小,每級都可在材料強度允許

2、的條件下,設(shè)計在最佳速度比附近工作,使級效率較高; (3)在相鄰兩級部分進汽度相同,平均直徑變化光滑,噴嘴進汽角與上一級的排汽角相近,級間軸向間隙較小,兩級的流量變化不大的條件下,多級汽輪機各級的余速動能可以全部或部分地被下一級所利用,提高了級的效率;2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點 (4)多級汽輪機的大多數(shù)級可在不超臨界的條件下工作,使噴嘴和動葉在工況變動條件下仍保持一定的效率。同時,由于各級的比焓降較小,速度比一定時級的圓周速度和平均直徑也較小,根據(jù)連續(xù)性方程 可知,在容積流量相同的條件下,更使得噴嘴和動葉的出口高度增大,減小了葉高損失,或使得部分進汽度增大,減

3、小了部分進汽損失,這都有利于級效率的提高;(5)由于重?zé)岈F(xiàn)象的存在,多級汽輪機前面級的損失可以部分地被后面各級利用,使全機效率提高。 此外,多級汽輪機的單位功率造價、材料消耗和占地面積都比單級汽輪機明顯減小,機組容量越大減小越顯著,大大節(jié)省了投資。 (二二)存在的問題存在的問題 (1)增加了一些附加損失 (2)增加了機組的長度和質(zhì)量; (3)高中壓缸前面若干級的工作溫度高,對零部件的金屬材料要求提高了; (4)級數(shù)增多,零部件增多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高。二、重?zé)岈F(xiàn)象和重?zé)嵯禂?shù)二、重?zé)岈F(xiàn)象和重?zé)嵯禂?shù) 1. 重?zé)岈F(xiàn)象-在水蒸氣的h-s圖上等壓線是沿著比熵增大的方向逐漸擴張的,也就是說,等壓線之間的

4、理想比焓降隨著比熵的增大而增大。這樣上一級的損失(客觀存在)造成比熵的增大將使后面級的理想比焓降增大,即上一級損失中的一小部分可以在以后各級中得到利用,這種現(xiàn)象稱為多級汽輪機的重?zé)岈F(xiàn)象。 2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點 重?zé)嵯禂?shù)重?zé)嵯禂?shù)重?zé)嵯禂?shù)-各級理想焓降之和大于整機理想焓降的增量與整機理想焓降的比。重?zé)嵯禂?shù)2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點1macmacttttmacthhhhh即( + )式中 即為多級汽輪機的重?zé)崃?,表示前面級的損失中被后面級利用了的小部分熱量。m actthh 2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機的優(yōu)越性

5、及其特點需特別指出,重?zé)嶂槐砻鳟?dāng)各級有損失時,全機的效率要比各級平均的效率好一些,而不是說有損失時全機的效率比沒有損失時全機的效率高。更不應(yīng)從中簡單地得出越大,全機效率越高的結(jié)論,這是因為口的提高是在各級存在損失,各級效率降低的前提下實現(xiàn)的,重?zé)岈F(xiàn)象的存在僅僅是使多級汽輪機能回收其損失的一部分而已。 三、三、 多級汽輪機各級段的工作特點多級汽輪機各級段的工作特點 (一)高壓段 高壓、高溫,比容小,蒸汽容積流量小。由連續(xù)性方程,為保證噴嘴有足夠的出口高度,減小葉高損失,噴嘴出口汽流方向角l較小。一般情況下,沖動式汽輪機的l=1114,反動式汽輪機的l=1420。 在沖動汽輪機的高壓段,級的反動度

6、一般不大。當(dāng)動靜葉根部間隙不吸汽也不漏汽時,根部反動度r較小,這樣,雖然沿葉片高度從根部到頂部的反動度不斷增大,但由于高壓段各級的葉片高度總是較小的,因此,平均直徑處的反動度仍較小。 2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點在高壓段的各級中,各級比焓降不大,比焓降的變化也不大。根據(jù)連續(xù)性方程,為增大葉片高度,以減小葉高損失,葉輪的平均直徑就較小,相應(yīng)的圓周速度也較小。同時,為保證各級在最佳速度比附近工作,則各級比焓降不大。高壓各級的比容變化較小,因而各級的平均直徑變化也不大,所以各級比焓降的變化也不大。 在高壓各級中,可能存在的級內(nèi)損失有:輪周損失、葉高損失、扇形損失、漏汽

7、損失、葉輪摩擦損失、部分進汽損失等。高壓級段蒸汽的比容較小,而漏汽間隙又不可能按比例減小,故漏汽量相對較大,漏汽損失較大。對于部分進汽的級,由于不進汽的動葉弧段成為漏汽的通道,使漏汽損失更有所增大。高壓級段蒸汽的比容較小,葉輪摩擦損失也相對較大。此外,高壓級段葉片高度相對較小,所以葉高損失也較大。綜上所述可以看出,高壓段各級的效率相對較低。 2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點低壓段低壓段 低壓級段的特點是蒸汽的容積流量很大,要求很大的通流面積,葉片高度勢必很大。為避免葉高過大,有時不得不將低壓各級的噴嘴出口汽流方向角l取得很大。 由于低壓級段的容積流量很大,因此葉輪直

8、徑較大,級的圓周速度也比較大。為了保證有較高的級效率,各級均應(yīng)在最佳速度比附近工作,則相應(yīng)的理想比焓降將明顯增大。 級的反動度在低壓段也明顯增大,其原因有二:一是因為低壓級葉片高度很大,為保證葉片根部不出現(xiàn)負(fù)反動度,則平均直徑處的反動度就必然較大;二是因為低壓級的比焓降較大,為避免噴嘴出口汽流速度超過臨界速度過多,盡可能利用漸縮噴嘴斜切部分的膨脹,這就要求蒸汽在噴嘴中的比焓降不能太大,而增大級的反動度,保證動葉內(nèi)有足夠大的比焓降。 蒸汽容積流量很大,而通流面積受到一定限制,余速損失較大;低壓級一般都處于濕蒸汽區(qū),存在濕汽損失,而且越往后該項損失越大;由于低壓級的葉片高度很大,漏汽間隙所占比例很

9、小,同時低壓級段的蒸汽比容很大,因此漏汽損失很??;低壓級的蒸汽比容很大,所以葉輪摩擦損失很?。坏蛪杭壎际侨苓M汽,沒有部分進汽損失??傊?,對于低壓級,由于濕汽損失很大,使效率降低,特別是最后幾級,效率降低更多。2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點 中壓段中壓段 中壓級段處于高壓級段和低壓級段之間,其特點是蒸汽比容既不像高壓級段那樣很小,也不像低壓級段那樣很大。因此,中壓級有足夠的葉片高度,葉高損失較小;一般為全周進汽,沒有部分進汽損失。此外,中壓級漏汽損失較小,葉輪摩擦損失也較小,也沒有濕汽損失。所以,中壓各級的級內(nèi)損失較小,效率要比高壓級和低壓級都高。 為了保證汽輪機

10、通流部分的通暢,各級噴嘴和動葉的高度沿蒸汽流動方向是逐漸增大的,所以中壓各級的反動度一般介于高壓級和低壓級之間,且逐漸增大。2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點多級汽輪機各缸工作特點小結(jié)多級汽輪機各缸工作特點小結(jié) 蒸汽 參數(shù) 汽缸 汽缸 受力 容積 流量 葉片 型式 平均 直徑 級 焓降 反 動度 主 要損失 效率 功率 高 壓 缸 高溫 高壓 多層缸 較厚 壓力 熱應(yīng) 力 小 較短 直葉 微彎 小 小 較小 葉高 漏汽 部分 較低 不足 1/3 中 壓 缸 高溫 中壓 多層 較薄 壓力 熱應(yīng) 力 中 扭葉 較

11、長 中 中 中等 漏汽 較高 大于 1/3 低 壓 缸 低溫 低壓 多層 薄 壓力 熱應(yīng) 力 大 扭葉 長 大 大 較大 濕汽 稍低 近 1/3 總體來看沿蒸汽流程平均直徑和葉片高度增大,反動度呈逐級增大勢態(tài)。蒸汽比容的減小,漏汽損失的相對比例呈逐級下降。葉片的增長,二次流損失呈下降趨勢,但葉型損失相對增大。對中間再熱機組,漏汽及二次流損失較大,加上調(diào)節(jié)級部分進汽,高壓缸效率最低,中壓缸的工況較好,故效率最高2845272344331832500%20%40%60%80%100%高壓缸 中 壓 缸 低壓 缸ABB 汽輪機各汽缸損失分布葉型損失二次流損失泄漏損失2.1 多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點

12、多級汽輪機的優(yōu)越性及其特點2.2 進汽阻力損失和排汽阻力損失進汽阻力損失和排汽阻力損失一、系統(tǒng)特征一、系統(tǒng)特征 新蒸汽經(jīng)電動主汽門、自動主汽門和調(diào)節(jié)汽門進入汽輪機,膨脹作功后由高壓缸排汽回到鍋爐再熱器中加熱,經(jīng)中壓主汽門和中壓調(diào)節(jié)汽門到中、低壓缸中繼續(xù)膨脹作功,再由低壓排汽口排向凝汽器。蒸汽在汽輪機本體之外流道中的流動必然產(chǎn)生損失,將使機組的效率下降。這些損失歸結(jié)為進汽損失和排汽損失兩部分。主要特征是汽流的沿程摩擦、轉(zhuǎn)向和渦流損失三方面。二、進汽阻力損失 蒸汽進入汽輪機工作級前必須先經(jīng)過主汽閥、調(diào)節(jié)閥和蒸汽室。蒸汽通過這些部件時就會產(chǎn)生壓力降,主汽閥和調(diào)節(jié)閥最為嚴(yán)重。由于通過這些部件時蒸汽的散

13、熱損失可忽略,因此蒸汽通過汽閥的熱力過程是一個節(jié)流過程,即蒸汽通過汽閥后雖有壓力降落,但比焓值不變。如圖所示。從圖中也可看出,如果沒有汽閥的節(jié)流,則全機的理想比焓降為 ,由于汽閥的節(jié)流作用,實際的理想比焓降為 其差值 為節(jié)流引起的比焓降損失。 稱為汽輪機進汽阻力損失。為計算方便,通常用壓損占新汽壓力的百分?jǐn)?shù)來表示,損失的大小取決于汽流速度和主汽門及調(diào)門的空氣特性。對高壓進汽部分壓損 對于再熱管道及再熱器,壓損對于中低壓缸連通管,壓損macth()macth()macmacmactthhh 2.2 進汽阻力損失和排汽阻力損失進汽阻力損失和排汽阻力損失0000.03 0.05opppp00(0.1

14、2 0.15)rpps(0.02 0.03)spp三、三、 排汽阻力損失排汽阻力損失 排氣在排氣管中流動時,由于摩擦,渦流,轉(zhuǎn)向等阻力作用而有壓力下降,這部分沒做功的壓降損失,稱為汽輪機的排氣阻力損失。即:末級動葉出口的靜壓 與凝汽器喉部靜壓 之差 為汽輪機排汽阻力損失 汽輪機理想比焓降由 變?yōu)?損失了 。 估算式: 凝汽式機cex 100120m/s ,背壓式機cex 4060m/s,=0.050.1.一般情況下:cpcpcccpppmacthmachmacth2.2 進汽阻力損失和排汽阻力損失進汽阻力損失和排汽阻力損失2100excccpp(0.02 0.06)ccpp 一般情況下,汽輪機

15、的排汽阻力損失為提高機組的經(jīng)濟性,可通過擴壓的方法把排汽動能轉(zhuǎn)化為靜壓,以補償排汽管中的壓力損失。如果排汽管進口馬赫數(shù)Ma0.5,則排汽壓損由下式計算: 排汽部分通常做成蝸殼擴散式,盡可能使排汽的余速動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?,補償流動產(chǎn)生的損失,并內(nèi)裝導(dǎo)流環(huán),使乏汽均勻地布滿整個排汽通道,保持排汽暢通。由于排氣管中擴壓器的位置不同,所以有不同的排氣管形式,如圖表示了兩種不同形式的排氣管。 排汽管好壞一般可用能量損失系數(shù)ex和靜壓恢復(fù)系數(shù)ex來衡量。 2.2 進汽阻力損失和排汽阻力損失進汽阻力損失和排汽阻力損失2222111ccccexGpppAf 2.3 汽輪機及其裝置的評價指標(biāo)汽輪機及其裝置的評價指

16、標(biāo) 汽輪機性能評價指標(biāo)中有絕對效率和相對效率兩種,以整機理想焓降為基礎(chǔ)的效率是相對效率,而以單位質(zhì)量蒸汽在熱力循環(huán)中所吸收熱量為基礎(chǔ)的效率是絕對效率。一、一、 汽輪機的相對內(nèi)效率汽輪機的相對內(nèi)效率汽輪機的相對內(nèi)效率汽輪機的相對內(nèi)效率-有效比焓降與理想比焓降之比相應(yīng)的,汽輪機的內(nèi)功率汽輪機的內(nèi)功率 式中, 和 分別是以 和 為單位的進汽流量ma ciima cthhip003.6macmactiitiDhpGh0D0G/ t h/kg su機械效率機械效率-汽輪機的軸端功率與汽輪機的內(nèi)功率之比,描述了軸承摩擦、主油泵等的功率損耗/meiPP即:003.6macmactimemitimDhPPGh

17、 ePu發(fā)電機效率發(fā)電機效率-發(fā)電機輸出功率 與汽輪機軸端功率之比/ge lePPelPu汽輪發(fā)電機組相對內(nèi)效率汽輪發(fā)電機組相對內(nèi)效率elimg 即:003.6m acm acteleltelDhPGh 2.3 汽輪機及其裝置的評價指標(biāo)汽輪機及其裝置的評價指標(biāo)二、二、 汽輪機的絕對內(nèi)效率汽輪機的絕對內(nèi)效率汽輪機的絕對內(nèi)效率汽輪機的絕對內(nèi)效率-全機實際比焓降與整個循環(huán)中加給1kg蒸汽的熱量之比式中循環(huán)熱效率:循環(huán)熱效率:,0m a ciaitichhh 0m a cttchhh絕對電效率絕對電效率-1kg蒸汽理想比焓降中轉(zhuǎn)換成電能的部分與整個熱力循環(huán)中加給1kg蒸汽的能量之比.0mactela

18、elteltimgchhh 2.3 汽輪機及其裝置的評價指標(biāo)汽輪機及其裝置的評價指標(biāo)三、三、 汽耗率汽耗率汽耗率汽耗率-每生產(chǎn)1kwh電能所消耗的蒸汽量01 0 0 03 6 0 0m a ce lte lDdPh四、四、 熱耗率熱耗率熱耗率熱耗率-每生產(chǎn)1kwh電能所消耗的熱量00.36003600ccmactela elhhqd hhh中間再熱機組:00rcrrDqhhhhD 2.3 汽輪機及其裝置的評價指標(biāo)汽輪機及其裝置的評價指標(biāo)hkwkJhkwkJhkwkJ五、煤耗率五、煤耗率 機組發(fā)出1KWh電量所消耗的標(biāo)煤量(標(biāo)準(zhǔn)煤g/KWh)。發(fā)電煤耗、供電煤耗。汽輪機中汽封有隔板汽封,葉根及葉

19、頂汽封、軸端汽封和門桿汽封主要形式:主要形式:齒形軸封、蜂窩式軸封等。一、齒形軸封一、齒形軸封齒形軸封分為高低齒軸封(曲徑軸封)和平齒軸封(光軸軸封)兩種。在汽輪機的高壓段采用曲徑軸封,在低壓段采用光軸軸封。2.4 軸封及其系統(tǒng)軸封及其系統(tǒng)工作原理:工作原理:蒸汽在汽封中的流動當(dāng)作絕熱等焓過程。蒸汽在流經(jīng)汽封片時節(jié)流加速,然后在腔室中產(chǎn)生渦流,軸封段漏汽量計算漏汽量計算 :漏汽量計算分亞臨界和超臨界兩種工況 對應(yīng)的流量為2.4 軸封及其系統(tǒng)軸封及其系統(tǒng)將汽流動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。隨壓力降低,蒸汽比容增大,故對相同結(jié)構(gòu)的汽封,汽流速度是逐級增大。又因膨脹后焓值變小、音速降低,因此在汽封中如果出現(xiàn)超臨界

20、流動,只能在最后一個汽封片處出現(xiàn)。(芬諾曲線)二、二、 軸封系統(tǒng)軸封系統(tǒng)作用:作用:軸封系統(tǒng)由端軸封和與它向連的管道和附屬設(shè)備組成作用是在任何運行工況下保證蒸汽不外泄、空氣不內(nèi)漏,同時回收泄漏蒸汽的熱能(軸封加熱器)和組織汽流冷卻轉(zhuǎn)子的軸端。組成:軸封系統(tǒng)由軸封、供汽母管及均壓箱、軸封調(diào)節(jié)器、軸封加熱器和軸封抽汽器等組成。軸封系統(tǒng)的型式有外供汽式和自密封式兩種,不同制造廠采用不同的軸封系統(tǒng)和軸封汽流組織方式。 軸封分成多段多室,與大氣環(huán)境接近的腔室的壓力由抽汽器或風(fēng)機維持略低于大氣壓力,緊鄰的腔室壓力由壓力調(diào)節(jié)器維持略高于大氣壓力,從而保證蒸汽不外泄、空氣不內(nèi)漏。高壓缸因壓力較高,軸封的段數(shù)較

21、多,其中高壓段的漏汽被引作回?zé)岢槠自密封式軸封系統(tǒng)自密封式軸封系統(tǒng) 軸封主要由三段二室組成。高負(fù)荷運行時,低壓軸封的供汽來自于高壓軸封的漏汽,高壓漏汽經(jīng)噴水減溫后進入低壓軸封;低負(fù)荷時,軸封汽由外部提供。優(yōu)點:系統(tǒng)簡單;缺點:不能充分冷卻高、中壓缸高溫軸端。2.4 軸封及其系統(tǒng)軸封及其系統(tǒng)u外供汽式軸封系統(tǒng)外供汽式軸封系統(tǒng) 高、中缸高溫端軸封由多(大于3)段多室組成,部分漏汽被引至低壓加熱器。低壓軸封的供汽來自于輔助蒸汽系統(tǒng)。優(yōu)點:低溫輔助蒸汽對高、中壓段高溫軸端起到冷卻作用;缺點:系統(tǒng)復(fù)雜。三、軸封系統(tǒng)的特點三、軸封系統(tǒng)的特點 1、軸封汽的利用-將漏汽從軸封中間腔室引出加以利用或回收漏汽

22、(含空氣)混合物的熱量以加熱凝結(jié)水; 2、低壓低溫汽源的利用-高壓缸兩端與主軸承靠近,為防止傳出高溫蒸汽使軸承超溫,常向高壓軸封供低壓低溫蒸汽 ; 3、防止蒸汽由端軸封漏入大氣-防止蒸汽漏入軸承使油質(zhì)惡化、車間濕度增大及汽水損失,通常在高低壓端軸封出口處人為地造成一個比大氣壓力稍低的壓力,將漏出的蒸汽和漏入的空氣一起抽出,經(jīng)冷卻后排入大氣; 4、防止空氣漏入真空部分-在低壓端軸封中間通入比大氣壓力稍高的蒸汽,沿著主軸向背離汽缸方向流動,以阻止外界空氣流入。 2.4 軸封及其系統(tǒng)軸封及其系統(tǒng)一、一、 軸向推力軸向推力 在軸流式汽輪機中,通常是高壓蒸汽由一端進入,低壓蒸汽由另一端流出,從整體來看,

23、蒸汽對汽輪機轉(zhuǎn)子施加了一個由高壓端指向低壓端的軸向力,使轉(zhuǎn)子存在一個向低壓端移動的趨勢,這個力就稱為轉(zhuǎn)子的軸向推力。 軸向推力對某些類型的汽輪機來說是相當(dāng)可觀的,例如對高壓反動式機組,它的推力可高達(dá)1.962.94MN樣大的推力不能只靠推力軸承來承擔(dān),必須加以平衡。為此,必須對轉(zhuǎn)子的軸向推力進行計算,為推力軸承的設(shè)計提供依椐。確保推力軸承可靠地工作和汽輪機安全地運行。 沖動式汽輪機的軸向推力沖動式汽輪機的軸向推力 轉(zhuǎn)子上的軸向推力是各級軸向推力的總合,包括作用在各級動葉上的軸向推力、作用在葉輪面上的軸向推力和作用在轉(zhuǎn)子凸肩上的軸向推力三部分。zzzzFFFF2.5 2.5 多級汽輪機的軸向推力

24、及其平衡多級汽輪機的軸向推力及其平衡軸承軸承、推力軸承推力軸承. .作用在動葉上的軸向推力作用在動葉上的軸向推力 動葉上的軸向推力是由動葉前后的靜壓差和汽流在動葉中軸向分速度的改變所產(chǎn)生的 112212sinsinzm bFG ccd l pp引入壓力反動度1202ppppp 軸向分速度變化很小,上式可寫02zmbpFd lpp2.5 多級汽輪機的軸向推力及其平衡多級汽輪機的軸向推力及其平衡zF. .作用在葉輪面上的軸向推力作用在葉輪面上的軸向推力 葉輪上的軸向力決定于葉輪兩側(cè)的壓差。而壓差的大小葉輪上的軸向力決定于葉輪兩側(cè)的壓差。而壓差的大小決定于隔板漏汽、平衡孔漏汽和葉根漏汽的平衡,以及動

25、決定于隔板漏汽、平衡孔漏汽和葉根漏汽的平衡,以及動葉根部汽流產(chǎn)生的抽汽效應(yīng)和葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的泵浦效應(yīng)。葉根部汽流產(chǎn)生的抽汽效應(yīng)和葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的泵浦效應(yīng)。三者的流量決定于隔板與葉輪空間的壓力三者的流量決定于隔板與葉輪空間的壓力 。zF在在h-sh-s圖上,同一壓差的等壓線距離越向下越大,即焓降圖上,同一壓差的等壓線距離越向下越大,即焓降增大,故壓力反動度小于焓降反動度,用替代計增大,故壓力反動度小于焓降反動度,用替代計算軸向偏于安全,故可認(rèn)為正比與算軸向偏于安全,故可認(rèn)為正比與 。mpmp02mpp2.5 2.5 多級汽輪機的軸向推力及其平衡多級汽輪機的軸向推力及其平衡zF22024zmbdFdldppcl抽氣效應(yīng)抽氣效應(yīng)-噴嘴中流出的高速汽流在葉根處對隔板與葉輪間腔室內(nèi)的蒸汽產(chǎn)生抽吸作用,其效應(yīng)相當(dāng)于增大腔室中的壓力。抽氣效應(yīng)的大小可由抽氣

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