第一章_汽輪機(jī)的工作原理

1、電廠汽輪機(jī)第一節(jié)概述v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。v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(yùn)行平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)一. 汽輪機(jī)的工作原理汽輪機(jī)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換v一定壓力和溫度的蒸汽流經(jīng)固定不動(dòng)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(dòng)能 。蒸汽熱能蒸汽熱能 氣流的動(dòng)能氣流的動(dòng)能軸的機(jī)械能軸的機(jī)械能噴嘴噴嘴動(dòng)動(dòng)葉葉一、汽輪機(jī)的工作原理1軸2葉輪3動(dòng)葉柵4噴嘴單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)工作原理結(jié)構(gòu)立體圖單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)工作原理結(jié)構(gòu)立體圖 “級(jí)級(jí)”是汽輪機(jī)中最基本的工作單元。在結(jié)構(gòu)上它是由靜葉（噴嘴）和對(duì)應(yīng)的動(dòng)葉所組成；一列固定的噴

2、嘴和與它配合的動(dòng)葉片構(gòu)成了汽輪機(jī)的基本作功單元，稱為汽輪機(jī)的“級(jí)級(jí)” （一）沖動(dòng)作用原理p沖動(dòng)力的定義：沖動(dòng)力的定義：根據(jù)力學(xué)知識(shí)，當(dāng)一運(yùn)動(dòng)物體碰到另一個(gè)靜止的物體或者運(yùn)動(dòng)速度低于它的物體時(shí)，就會(huì)受到阻礙而改變其速度的大小或方向，同時(shí)給阻礙它的物體的一個(gè)作用力p特點(diǎn)：特點(diǎn)：蒸汽僅把從噴嘴中獲得的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，蒸汽在動(dòng)葉通道中不膨脹，動(dòng)葉通道不收縮l 噴嘴出口處：噴嘴出口處：蒸汽以相對(duì)速度w1進(jìn)入動(dòng)葉通道，由于受到動(dòng)葉的阻礙，汽流方向不斷改變，最后以相對(duì)速度w2流出動(dòng)葉通道，l在流道中蒸汽對(duì)動(dòng)葉產(chǎn)生一個(gè)輪周方向的沖動(dòng)力F1，該力對(duì)動(dòng)葉作功使動(dòng)葉轉(zhuǎn)動(dòng) 蒸汽流過(guò)無(wú)膨脹動(dòng)葉通道時(shí)速度的變化（一）沖

3、動(dòng)作用原理v反動(dòng)力定義：反動(dòng)力定義：蒸汽在動(dòng)葉汽道內(nèi)膨脹時(shí)對(duì)動(dòng)葉的作用力。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，當(dāng)氣體從容器中加速流出時(shí)，要對(duì)容器產(chǎn)生個(gè)與流動(dòng)方向相反的力。v基本特點(diǎn)：基本特點(diǎn)：蒸汽在動(dòng)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(dòng)葉通道是逐漸收縮的。（二）反動(dòng)作用原理從作用力方面分析原理v蒸汽流經(jīng)級(jí)時(shí)先在噴嘴中膨脹壓力降低，速度增加一方面通過(guò)速度方向的改變，產(chǎn)生沖動(dòng)力F1v蒸汽在動(dòng)葉中繼續(xù)膨脹，壓力降低，所產(chǎn)生的焓降轉(zhuǎn)化為動(dòng)能造成動(dòng)葉出口的相對(duì)速度w2大于進(jìn)口相對(duì)速度w1，使汽流產(chǎn)生了作用于動(dòng)葉上的與汽流方向相反的反動(dòng)力Fr。v在蒸汽的沖動(dòng)力和反動(dòng)力合力作用下推動(dòng)動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)作功。動(dòng)葉通道是

4、逐漸收縮的 基本概念基本概念v級(jí)滯止理想焓降：級(jí)滯止理想焓降：0點(diǎn)是級(jí)前的蒸汽狀態(tài)點(diǎn)，0*點(diǎn)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(dòng)葉出口壓力，蒸汽在級(jí)內(nèi)從滯止?fàn)顟B(tài)0*等熵膨脹到p2時(shí)的焓降稱為級(jí)的滯止理想焓降v級(jí)理想焓降：級(jí)理想焓降：蒸汽在級(jí)內(nèi)從0點(diǎn)等熵膨脹到p2時(shí)的焓降 稱為級(jí)的理想焓降。th二、反動(dòng)度和級(jí)的類型二、反動(dòng)度和級(jí)的類型汽輪機(jī)的反動(dòng)度 蒸汽在動(dòng)葉通道內(nèi)膨脹時(shí)的理想焓降hb， 和在整個(gè)級(jí)的滯止理想焓降ht* 之比，即*tbmhhbnbbnbmhhhhhh*tmbhh*1tmnhh反動(dòng)度v反動(dòng)度：反動(dòng)度：表示蒸汽在動(dòng)葉通道內(nèi)膨脹程度大小的指標(biāo)。v它等于蒸

5、汽在動(dòng)葉通道中的理想焓降與噴嘴的滯止理想焓降和動(dòng)葉通道中理想焓降之和的比值v級(jí)的平直徑處（即1/2葉高處）的反動(dòng)度用m表示，其表達(dá)式為：*tbbnbbnbmhhhhhhhh（二）汽輪機(jī)級(jí)的類型和特點(diǎn)1.按反動(dòng)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(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子機(jī)械能的過(guò)程分類級(jí)的類型及特點(diǎn)汽輪機(jī)的級(jí)可分為沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí)兩大類沖動(dòng)級(jí)沖動(dòng)級(jí)沖動(dòng)級(jí)又分：純沖動(dòng)級(jí)、帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)速度級(jí) 1) 純沖動(dòng)級(jí)：反動(dòng)度為零的級(jí)稱為純沖動(dòng)級(jí)v工作特點(diǎn)：是蒸汽只在噴嘴中膨脹，在動(dòng)葉通道中不膨脹v結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：動(dòng)葉葉型近似對(duì)稱彎曲，作功能力大，但效率比帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)低。v現(xiàn)代沖動(dòng)式汽輪機(jī)中廣泛采

6、用具有一定反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)，簡(jiǎn)稱為沖動(dòng)級(jí)v工作特點(diǎn):蒸汽的膨脹主要噴嘴中進(jìn)行，在動(dòng)葉通道中僅有小部分膨脹，產(chǎn)生的反動(dòng)力較小，主要利用沖動(dòng)力作功v結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：作功能力比反動(dòng)級(jí)的大，效率又比純沖動(dòng)級(jí)高。帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)v定義：蒸汽在級(jí)中的理想焓降平均分配在噴嘴和動(dòng)葉通道中的級(jí)稱為反動(dòng)級(jí)v工作特點(diǎn)：蒸汽在噴嘴和動(dòng)葉通道中的膨脹程度相等，作功的力沖動(dòng)力和反動(dòng)力各占一半v結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：動(dòng)葉葉型與噴嘴葉型完全相同。反動(dòng)級(jí)的效率高于沖動(dòng)級(jí)，但整級(jí)的理想焓降較小。反動(dòng)級(jí)調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴調(diào)節(jié)：多數(shù)汽輪機(jī)采用改變第一級(jí)噴嘴面積的方法調(diào)節(jié)進(jìn)汽量，稱之為噴嘴調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)級(jí)：中、小容量汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的第一級(jí)稱為調(diào)節(jié)級(jí)，一

7、般采用復(fù)速級(jí)。大容量汽輪機(jī)多采用單列沖動(dòng)級(jí)。還把汽輪機(jī)的級(jí)分為速度級(jí)和壓力級(jí)兩種。v速度級(jí):為使充分利用余速，在兩列動(dòng)葉之間裝設(shè)列導(dǎo)向葉片，排汽經(jīng)過(guò)導(dǎo)向葉片后改變方向，進(jìn)入第二列動(dòng)葉繼續(xù)作功。這種級(jí)稱為速度級(jí)。v復(fù)速級(jí)：同一葉輪上裝有兩列動(dòng)葉片的雙列速度級(jí)，又稱為復(fù)速級(jí)。v工作特點(diǎn)：蒸汽主要在噴嘴中膨脹加速：動(dòng)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(jí)汽輪機(jī)和中、小型多級(jí)汽輪機(jī)的第一級(jí)。復(fù)速級(jí)汽輪機(jī)的分類按工作原理分按工作原理分沖動(dòng)式汽輪機(jī)沖動(dòng)式汽輪機(jī)反動(dòng)式汽輪機(jī)反動(dòng)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

8、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)v特點(diǎn)：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。v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(guò)各級(jí)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(guò)程中，體積驟然縮小，因而原來(lái)充滿蒸汽的密閉空間形成真空，這降低了汽輪機(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

9、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(duì)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，需要處理后才能作為鍋爐給水，已很少采用。 運(yùn)行特性 凝汽式汽輪機(jī)的排汽壓力對(duì)運(yùn)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

10、卻水設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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?jī)H為排汽的汽化潛熱。但實(shí)際運(yùn)行中，由于排汽流動(dòng)阻力及非凝結(jié)氣體的存在，導(dǎo)致凝結(jié)水溫度低于排汽溫度，兩者的溫差稱為過(guò)冷卻度。冷卻水管布置不當(dāng)，運(yùn)行中凝結(jié)水位過(guò)高而浸泡冷卻水管,均會(huì)加大過(guò)冷卻度。正常情況過(guò)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

11、容增大,汽輪機(jī)末級(jí)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(guò)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0.0040.006兆帕。 汽輪機(jī)功率決定于蒸汽流量。凝汽式汽輪機(jī)可通過(guò)的最大流量決定于末級(jí)葉片長(zhǎng)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(jí)葉片最大長(zhǎng)度可達(dá)10001200毫米，葉片頂端最大允許圓周速度為550650米/秒,單排汽口極限功率約為100120兆瓦。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(jì)為低轉(zhuǎn)速（1500

12、或1800轉(zhuǎn)/分）時(shí)，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?yàn)槠啓C(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(diǎn)，常采用低速汽輪機(jī)外，中國(guó)火力發(fā)電廠均采用3000轉(zhuǎn)/分汽輪機(jī) 背壓式汽輪機(jī)v特點(diǎn)：是排汽直接用于供熱，沒(méi)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(shí)，稱為前置式汽輪機(jī)。抽汽背壓式v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(jì)值視不同供熱目的而定；前置式汽輪

13、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(shí)滿足熱、電負(fù)荷的需要。背壓式汽輪機(jī)一般不單獨(dú)裝置，而是和其他凝汽式汽輪凝汽式汽輪機(jī)機(jī)并列運(yùn)行，由凝汽式汽輪機(jī)承擔(dān)電負(fù)荷的變動(dòng)，以滿足外界對(duì)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(lái)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(lái)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(lái)控制其進(jìn)

14、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(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)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(lái)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(guò)較大的蒸汽流量，前幾級(jí)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

15、機(jī)多采用噴嘴調(diào)節(jié)配汽方式，以保證在工況變動(dòng)時(shí)效率改變不大。因背壓機(jī)常用于熱負(fù)荷較穩(wěn)定的場(chǎng)合，一般采用單列沖動(dòng)級(jí)作為調(diào)節(jié)級(jí)。 v調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)特點(diǎn)：從汽輪機(jī)某級(jí)后抽出具有一定壓力的蒸汽對(duì)外供熱，其余排汽仍進(jìn)入凝汽器。v中間再熱式汽輪機(jī)特點(diǎn)：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(guò)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(jí)抽出一部分蒸汽供給用戶，即在發(fā)電的同時(shí)還供熱的汽輪機(jī)。根據(jù)用戶需要可以設(shè)計(jì)成一次

16、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(tái)背壓式汽輪機(jī)背壓式汽輪機(jī)與一臺(tái)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(jì)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(shí)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(shí)，相當(dāng)于一臺(tái)凝汽式汽輪機(jī)；若將進(jìn)入高壓缸的蒸汽全部抽

17、出供給熱用戶，則相當(dāng)于一臺(tái)背壓式汽輪機(jī)。但實(shí)際運(yùn)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(guò)低壓部分進(jìn)入凝汽器，所需最小流量約為低壓缸設(shè)計(jì)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)?？梢酝瑫r(shí)滿足不同參數(shù)的熱負(fù)荷。整個(gè)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(guò)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(yùn)行條件不同于繪制工況時(shí)，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(dú)設(shè)置配汽機(jī)構(gòu)，分別

18、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(jì)成單缸結(jié)構(gòu)；高壓缸則普遍采用噴嘴調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)級(jí)多數(shù)為雙列級(jí)，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(jì)值時(shí)具有較高的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性。由于熱負(fù)荷的變化，有時(shí)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(jì)，合理分配各缸流量，以保證長(zhǎng)期運(yùn)行中有較高經(jīng)濟(jì)性。合理選定抽汽壓力對(duì)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

19、。 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(jì)次序變型設(shè)計(jì)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

20、熱凝汽式汽輪機(jī)，屬第二次變型設(shè)計(jì)次變型設(shè)計(jì)汽輪機(jī)的型號(hào)汽輪機(jī)型式代號(hào)見(jiàn)下表汽輪機(jī)型式代號(hào)見(jiàn)下表代號(hào)型式代號(hào)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(dòng)式CC兩次調(diào)整抽汽式HN核電汽輪機(jī)汽輪機(jī)型號(hào)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CB25-8.83/0.98/0.118第二

21、節(jié) 汽輪機(jī)的工作過(guò)程v 對(duì)蒸汽在汽輪機(jī)中的流動(dòng)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(dòng)是一元、穩(wěn)定的絕熱流動(dòng)。v 一、可壓縮流體一元流動(dòng)的基本方程： 連續(xù)性方程： 微分形式：AcG0dcdcAdAv運(yùn)動(dòng)方程：cdcRdxdp 能量方程：wchqch22211200 狀態(tài)方程：RTpv 常數(shù)kpvv二、蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)程 蒸汽在噴嘴中的膨脹過(guò)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 20t10t1chh2c20nch2 *nh2 v2. 臨界速度和臨界壓力比v 臨界狀態(tài)：汽流速度等于當(dāng)?shù)匾羲俚臓顟B(tài)v 臨界壓力比：臨界壓力與滯止初壓之比v即*0

22、ppcrcr3.噴嘴出口汽流實(shí)際速度： c1=c1t -噴嘴速度系數(shù) 噴嘴的動(dòng)能損失: 噴嘴的能量損失系數(shù):*21nnhh2*1nnnhhv 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。v 速度系數(shù)與葉高的關(guān)系曲線如下圖：v（二）噴嘴截面積的變化規(guī)律v 當(dāng)噴嘴內(nèi)流動(dòng)為亞音速流動(dòng)時(shí)，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v 當(dāng)噴嘴內(nèi)汽流速度等于當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)，M=1，噴嘴截面積達(dá)最小值，稱為臨界截面積或候部cdcMAdA12（三）噴嘴流量計(jì)算1.噴嘴的理想流量:ttntcAG11*0*0*0*0pARTpAGnncrt 噴嘴的臨界流量噴嘴所能通過(guò)的最大流量

23、。上式中 ： 僅與蒸汽性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，對(duì)過(guò)熱蒸汽 =0.667，對(duì)飽和蒸汽 =0.635。kknknntpkkAG12*0*012式中：*01ppntn11tnGG 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(shí)際密度與等熵密度之比有關(guān)。 下圖為實(shí)驗(yàn)得到的流量系數(shù)曲線。由圖可知： 過(guò)熱蒸汽區(qū)： 97. 0n02. 1n令，則有濕蒸汽區(qū)：2.通過(guò)噴嘴的實(shí)際流量tttnnGcAcAG111111考慮了流量系數(shù)后，實(shí)際臨界流量公式為：*0*0648. 0RTpAGncr3.彭臺(tái)門(mén)系數(shù) 表達(dá)式：crttcrGGGG11121212kkkknknkk

24、 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：1v與n的關(guān)系繪成如圖 所示的曲線。計(jì)算時(shí)，先在圖上查 取 值，然后利用下式計(jì)算： *0*0648. 0RTpAGGncr（四）蒸汽在噴嘴斜切部分中的流動(dòng)（四）蒸汽在噴嘴斜切部分中的流動(dòng)1.蒸汽在斜切部分中的膨脹 在汽輪機(jī)級(jí)中，為了保證噴嘴出口對(duì)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。v斜切部分對(duì)汽流的影響如下：a當(dāng)ncr 時(shí)，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(shí)n111tABsinACABsin b 當(dāng)n cr 時(shí)，喉部截

25、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： 最后一條特性線與AC重合時(shí)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(jì)算斜切部分汽流偏轉(zhuǎn)角的近似計(jì)算可利用連續(xù)性方程求解，即通過(guò)最小截面的流量應(yīng)與出口截面的流量相等。最小截面：1111sinsinttcrcrcc出口截面:crcrnncrcrnctlcAG1sinttnnttnctlcAG11111sin在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，lnln，所以：kknknkkkk11111111112sinsin對(duì)等熵流動(dòng)，

26、有以下等式成立：k1n1k1k1ncrk1t1crt1cr1k2pp k1knt1cr11k1kcc所以：3.極限壓力計(jì)算crcrd1d11casin d1d111t1t1crcr1caM1sinccsin 或斜切部分的膨脹達(dá)極限時(shí)，馬赫角與汽流角和偏轉(zhuǎn)角之和相等，于是有：k1crk1d1crd1 而k1kd1*0*0d1d1crd121kp1kk2pkca 所以： 1kk211kk*0d1d1sin1k2pp 121sinkkcrk1kd1*0*0d1d1crd121kp1kk2pkca 所以： 1kk211kk*0d1d1sin1k2pp 121sinkkcr3.斜切部分的膨脹極限與極限壓

27、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(dòng)葉柵中的流動(dòng)v重點(diǎn)：蒸汽動(dòng)能到葉輪機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。v目標(biāo)：確定蒸汽在動(dòng)葉通道進(jìn)口和出口的速度變化與所做功的定量關(guān)系。v一、動(dòng)葉柵的進(jìn)出口速度三角形v絕對(duì)速度c：蒸汽相對(duì)于噴嘴的速度；v相對(duì)速度w：蒸汽相對(duì)于動(dòng)葉的速度；v圓周速度u：葉輪旋轉(zhuǎn)的圓周速度。60ndumuwcv1.動(dòng)葉進(jìn)口速度三角形v2.動(dòng)葉柵出口的汽流相對(duì)速度v3.動(dòng)葉出口速度三角形一、蒸汽作用在動(dòng)葉片上的力和輪周功率第三節(jié) 級(jí)的輪周效率與輪周效率1.蒸汽作用在動(dòng)葉片上的力：可由牛頓第三定律和動(dòng)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，22

28、11coscosccGFu2211coscoswwGFu212211sinsinppAwwGFzz212211sinsinppAccGFzz或或 蒸汽對(duì)動(dòng)葉片的總作用力Fb為：22zubFFF2.輪周功率 單位時(shí)間內(nèi)圓周力Fu在動(dòng)葉片上所做的功，它等于圓周力Fu于動(dòng)葉圓周速度u的乘積，稱為輪周功率，其表達(dá)式為：2211coscosccGuuFPuu或2211coscoswwGuuFPuu1Kg蒸汽所作的輪周功，稱為級(jí)的作功能力，其大小為：22111coscosccuPu或22111coscoswwuPu 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： 2122222

29、12wwccGPu 21222221121wwccPuv二、級(jí)的輪周效率v定義：蒸汽在輪周上所做之功與整個(gè)級(jí)所消耗的蒸汽理想能量（級(jí)的理想能量）之比，即01EPuu222221*2212000chchcEttE0-級(jí)的理想能量，它包括熱能和動(dòng)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v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 。v研究速度比與輪周效率關(guān)系的目的在于根據(jù)不同級(jí)的特點(diǎn)，分析速度比對(duì)輪周效率的影響，并確定最佳速度比。v（一）純沖動(dòng)級(jí)的速度比與輪周效率v1.余速不利用：對(duì)純沖動(dòng)級(jí)，。，1200wwhtbm余速不利用，則010，則有。，tatnc

30、chh1輪周效率的表達(dá)式為：212211coscos2tucccu應(yīng)用速度三角形，上式變?yōu)椋?21112coscos1cos2xxu 由上式可見(jiàn)： 對(duì) 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(dòng)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(shí)， u 0。（2）當(dāng) x1=cos 1 時(shí)， u 0 。（3）所以，當(dāng)x1從零變化到 cos 1 的過(guò)程中，必存在一個(gè)使 u 達(dá)最大值的速度比。即最佳速度比。v最佳速度比：輪周效率最高時(shí)的速度比。用(x1)op 表示。v求解方法：函數(shù)求極值法和速度三角形法。a函數(shù)求極值法：將u 的表達(dá)式對(duì)x1求導(dǎo)，并令

31、其為零即可得最佳速度比的值。即0coscos1cos212111211xxdxddxdu 2cos1imop1x可求得最佳速度比：b 速度三角形法：對(duì)純沖動(dòng)級(jí)，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(shí)，c2最小，輪周效率最高，此時(shí)的速度比即為最佳速度比。由（b）圖可知： 2cos111cuximop最佳速度比的物理意義為：使動(dòng)葉出口的絕對(duì)速度c2的方向角 290 ，即軸向排汽，從而使c2值最小，輪周效率最高時(shí)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：21n不隨速度比的變化而

32、變化。210221wEb隨速度比的增大而減小。02222Ecc隨速度比的增大先逐漸減小，達(dá)到最小值后又逐漸增大。v2.余速利用：v最佳速度比：v余速利用對(duì)輪周效率的影響：如圖126所示。a提高了級(jí)的輪周效率。b中間級(jí)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：aacux Xa與x1的關(guān)系為：maxx11最佳理想速度比： 2cos11opopaxx（二）反動(dòng)級(jí)的速度比與輪周效率的關(guān)系v由于反動(dòng)級(jí)的噴嘴葉型和動(dòng)葉葉型相同，反動(dòng)級(jí)的余速基本上都能得到利用，即 0 11v根據(jù)最佳速度比的物理意義可得反動(dòng)級(jí)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 111cos

33、cuxopuc1uuc1w2=c1w1=c2用解析法求反動(dòng)級(jí)的最佳速度比： 222122122122222101ccwwccEPauu 利用速度三角形簡(jiǎn)化為：21212121wcwctu 利用余弦定理代換得：1112cos21111xxu為得到u 的最大值，須使11cos2xx0cos21111dxxdx得： 11cosreopx將 u 與x1、xa的關(guān)系繪成如圖1-28所示的曲線。對(duì)于不同反動(dòng)度的級(jí)，其最佳速度比在不同的余速利用系數(shù)下隨反動(dòng)度的變化規(guī)律如圖1-29所示。最大。令：圖128圖129一、級(jí)內(nèi)損失一、級(jí)內(nèi)損失v 級(jí)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

34、、漏汽損失、濕汽損失等 v （一）葉柵的幾何參數(shù)及葉柵損失v 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(zhǎng)、出口邊厚度、進(jìn)口邊寬度、出口邊寬度等。第四節(jié) 汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)損失和級(jí)效率v平面葉柵的汽流流動(dòng)損失包括：平面葉柵的汽流流動(dòng)損失包括：v1.葉型損失葉型損失 （1）附面層中的摩擦損失）附面層中的摩擦損失 （2）附面層分離時(shí)的渦流損失）附面層分離時(shí)的渦流損失 （3）尾跡損失）尾跡損失v2.沖波損失沖波損失v3.葉端損失葉端損失 （1）端部附面層中的摩擦損失）端部附面層中的摩擦損失 （2）二次流損失）二次流損失v（二）余速損失v（三）扇形損失2chh2)(7

35、 . 0bbdl0Ehv（四）葉輪摩擦損失 fh vdukpf1)100(231Gphff0Ehffmnnatfeldxkpp1sin13 v(五五) 部分進(jìn)汽損失部分進(jìn)汽損失v 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(gè)圓周上，使蒸汽室）的整個(gè)圓周上，使蒸汽沿整個(gè)圓周進(jìn)汽，這種蒸汽沿整個(gè)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。v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。 ehmnndtZe30)5 . 01 (

36、1acewxEeeeBhannssxEdSech01swehhhv(六)漏汽損失 hptnpptppppZvhAvcAG1*112upphGGhttttbbttttttvhldevcAG2*22)(utthGGh04 . 172. 1Elhbrtv(七七)濕汽損失濕汽損失 v (1)濕蒸汽在噴嘴中膨濕蒸汽在噴嘴中膨脹加速時(shí)，一部分蒸汽脹加速時(shí)，一部分蒸汽凝結(jié)成水滴，使作功的凝結(jié)成水滴，使作功的蒸汽量減少。蒸汽量減少。v (2)由于水滴本身不由于水滴本身不膨脹加速，所以懸浮在膨脹加速，所以懸浮在蒸汽中的水滴是依靠蒸蒸汽中的水滴是依靠蒸汽帶動(dòng)的，因此主汽流汽帶動(dòng)的，因此主汽流要消耗一部分動(dòng)能。要消

37、耗一部分動(dòng)能。 xhv（3）水滴進(jìn)入動(dòng)葉時(shí)正好沖擊在動(dòng)葉進(jìn)口邊）水滴進(jìn)入動(dòng)葉時(shí)正好沖擊在動(dòng)葉進(jìn)口邊背弧上，阻止了葉輪的旋轉(zhuǎn)，從而消耗了一背弧上，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(gè)阻力，造成損失部分輪周功去克服這個(gè)阻力，造成損失 v (4)濕蒸汽在噴嘴中膨脹時(shí)，由于汽態(tài)變化非濕蒸汽在噴嘴中膨脹時(shí)，由于汽態(tài)變化非?？欤羝囊徊糠诌€來(lái)不及凝結(jié)成水，汽?？欤羝囊徊糠诌€來(lái)不及凝結(jié)成水，汽化潛熱沒(méi)有釋放出來(lái)，形成了過(guò)飽和蒸汽或化潛熱沒(méi)有釋放出來(lái)，形成了過(guò)飽和蒸汽或稱過(guò)冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降減小，形稱過(guò)冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降減小，形成過(guò)冷損失。成過(guò)冷損失。imxhxh)1 (v

38、為了提高濕蒸汽級(jí)的效為了提高濕蒸汽級(jí)的效率和防止動(dòng)葉被水滴侵率和防止動(dòng)葉被水滴侵蝕損壞，常采用下列兩蝕損壞，常采用下列兩種方法：一是采用去濕種方法：一是采用去濕裝置，減少濕蒸汽中的裝置，減少濕蒸汽中的水分；二是提高動(dòng)葉的水分；二是提高動(dòng)葉的抗侵蝕能力?？骨治g能力。二、汽輪機(jī)級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率和內(nèi)功率v 三、級(jí)內(nèi)損失對(duì)最佳速比的影響三、級(jí)內(nèi)損失對(duì)最佳速比的影響v 級(jí)內(nèi)損失使級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率的最大值低于輪周級(jí)內(nèi)損失使級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率的最大值低于輪周效率的最大值，而且還會(huì)使最佳速比值減小，即相效率的最大值，而且還會(huì)使最佳速比值減小，即相對(duì)內(nèi)效率最高時(shí)的最佳速比小于輪周效率最高時(shí)的對(duì)內(nèi)效率最高時(shí)的最佳速比小于

39、輪周效率最高時(shí)的最佳速比。最佳速比。221*0ctxeflcbntirihhhhhhhhhhhhEhxeflcbnri)1 (1123600iihDp第五節(jié) 級(jí)的熱力設(shè)計(jì)原理v一、葉型的選擇葉型的選擇 v二、級(jí)的特性參數(shù)的確定三、級(jí)的某些結(jié)構(gòu)因素對(duì)效率的影響三、級(jí)的某些結(jié)構(gòu)因素對(duì)效率的影響v 1.蓋度v 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(dòng)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(dòng)靜葉錯(cuò)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(dòng)葉頂部和根部產(chǎn)生很大的徑向分速度，形成旋渦，降低級(jí)的效率，因此

40、應(yīng)有一個(gè)最佳蓋度。 v2動(dòng)靜葉之間的軸向間隙v 從安全、經(jīng)濟(jì)兩方面考慮確定開(kāi)式軸向間隙的取值 v 閉式軸向間隙的增大對(duì)級(jí)效率的影響有兩方面，一方面使噴嘴出汽邊到動(dòng)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(dòng)葉進(jìn)口的汽流趨于均勻，這有利于級(jí)效率的改善；另一方面使汽流運(yùn)動(dòng)的距離增長(zhǎng)，因而增加了汽流與汽道上下端面之間的摩擦，這不利于級(jí)效率的提高。因此，閉式間隙存在一個(gè)較佳的范圍 v3徑向間隙v4葉片寬度v5平衡孔v6拉筋四、噴嘴和動(dòng)葉主要尺寸的確定四、噴嘴和動(dòng)葉主要尺寸的確定v 當(dāng)葉型確定后，便可根據(jù)連續(xù)方程來(lái)確定動(dòng)靜葉的出口截面和葉片高度。v （一）噴嘴葉柵尺寸的確定v 1漸縮斜切噴嘴 v（1）當(dāng) 時(shí) crntntncGvA111sinnnnnltZA 1111