自考6(汽輪機設(shè)備及其工作原理)

第一節(jié)汽輪機一般概念第二節(jié)汽輪機本體結(jié)構(gòu)和主要部件第三節(jié)蒸汽在汽輪機級內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換過程第四節(jié)凝汽式汽輪發(fā)電機組的效率及其評價指標(biāo)第五節(jié)汽輪機凝汽設(shè)備及系統(tǒng)汽輪機設(shè)備及其工作原理一、最簡單的單級汽輪機及其基本工作原理熱能轉(zhuǎn)換為機械能的過程分兩部分進(jìn)行：（1）蒸汽在噴嘴流道內(nèi)流動，降壓增速，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成高速汽流的動能；（2）高速汽流進(jìn)入動葉流道，沖擊動葉片，蒸汽流速降低，蒸汽動能轉(zhuǎn)換成汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械能。級：由一列靜葉柵和與它配合的動葉柵組成的汽輪機的基本工作單元。只有一個級的汽輪機，叫單級汽輪機。第一節(jié)汽輪機一般概念二、多級汽輪機的一般概念將多個基本做功單元（級）串聯(lián)布置在同軸的汽缸體內(nèi)，形成壓力多級結(jié)構(gòu)，蒸汽在汽輪機內(nèi)依次連續(xù)流過多個級，逐級降壓、降溫，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機械功。三、汽輪機分類1、按工作原理分類：沖動式汽輪機：由沖動級組成，蒸汽主要在噴嘴中膨脹，在動葉柵內(nèi)隨汽道形狀改變流動方向，產(chǎn)生離心力，稱為用沖動力做功。反動式汽輪機：由反動級組成，蒸汽在噴嘴和動葉柵中膨脹程度相同。在動葉通道內(nèi)不僅改變方向，而且膨脹加速，加速的汽流流出汽道時對動葉柵施加一個與汽流流出方向相反的反作用力。稱為反動力。動葉柵在沖動力和反動力的合力的作用下轉(zhuǎn)動產(chǎn)生機械功。2、按熱力特性分類凝汽式汽輪機：蒸汽在汽輪機中作功后，排汽進(jìn)入凝汽器，凝結(jié)成水。背壓式汽輪機：汽輪機排汽直接用于供熱，沒有凝汽器。2、按熱力特性分類調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機：從汽輪機中間某幾級后抽出部分一定壓力的蒸汽對外供熱。中間再熱式汽輪機：蒸汽在汽輪機膨脹作功過程中被引出，再次加熱后返回汽輪機后面級繼續(xù)膨脹作功。3、按進(jìn)汽參數(shù)分類低壓——主蒸汽壓力小于1.5MPa。中壓——主蒸汽壓力為2～4MPa。高壓——主蒸汽壓力為６～10MPa。超高壓——主蒸汽壓力為12～14MPa。亞臨界——主蒸汽壓力為16～18MPa。超臨界——主蒸汽壓力大于22.15MPa。超超臨界——主蒸汽壓力大于32MPa。四、汽輪機型號N300-16.7/537/537汽輪機類型額定功率（MW)蒸汽參數(shù)變型設(shè)計次序型號中汽輪機型式、蒸汽參數(shù)的表示型式代號參數(shù)表示方法例子凝汽式N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N300-16.7/538/538一次調(diào)整抽汽式C主蒸汽壓力/抽汽壓力二次調(diào)整抽汽式CC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B主蒸汽壓力/背壓B50-8.83/0.98抽汽背壓式CB主蒸汽壓力/抽汽壓力/背壓CB25-8.82/0.98/0.118功率單位為MW；壓力單位MPa；溫度單位為℃第二節(jié)汽輪機本體結(jié)構(gòu)和主要部件汽輪機本體：轉(zhuǎn)動部分(轉(zhuǎn)子)：動葉片、主軸和葉輪（轉(zhuǎn)鼓）、聯(lián)軸器、盤車裝置靜止部分（靜子）：汽缸、隔板、軸承和汽封一、汽缸體、隔板、噴管組1、汽缸體基本結(jié)構(gòu)汽輪機外殼。將蒸汽通流部分與大氣隔開，形成蒸汽能量轉(zhuǎn)換的封閉汽室。沿水平對分成上半缸和下半缸，上、下缸之間通過法蘭螺栓連接。雙層缸結(jié)構(gòu)超高參數(shù)及以上汽輪機，高壓缸多采用雙層結(jié)構(gòu)。采用單層缸,汽缸壁及法蘭都很厚，在汽輪機啟動、停機及工況變化時，汽缸與法蘭、法蘭與螺栓之間將因溫差過大而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，甚至使汽缸變形、螺栓拉斷。采用雙層缸，并在內(nèi)、外缸的夾層中通以一定壓力和溫度的蒸汽。2、汽缸法蘭和螺栓加熱裝置汽缸水平中分結(jié)合面的汽密性要求高，使高中壓缸法蘭寬、厚，螺栓緊固件尺寸大且排列緊密。汽輪機啟停過程中，由溫度差產(chǎn)生的熱應(yīng)力很大，嚴(yán)重時導(dǎo)致缸體變形、振動、裂紋、螺栓拉斷。在機組啟、停過程中對法蘭和螺栓進(jìn)行補充加熱或冷卻，以減小汽缸、法蘭及連接螺栓間的溫差，減小熱應(yīng)力，縮短機組啟、停時間。3、隔板體和噴嘴組作用：固定靜葉片，并將汽缸內(nèi)分隔成若干個汽室。每一個隔板與其后面的葉輪組成一個級。汽輪機進(jìn)汽部分：由蒸汽室到噴嘴室區(qū)域，是汽缸內(nèi)承受蒸汽壓力、溫度最高的部分。為適當(dāng)降低對汽缸體材料的要求，進(jìn)汽部分大多獨立制造。自動主汽門來的蒸汽，經(jīng)蒸氣室中的若干個調(diào)節(jié)汽門（調(diào)節(jié)進(jìn)汽量以調(diào)節(jié)汽輪機功率），分別進(jìn)入對應(yīng)的噴嘴室內(nèi)的噴嘴弧段。該級稱為調(diào)節(jié)級。300MW汽輪機：噴嘴室布置在高壓缸的內(nèi)缸體上，調(diào)節(jié)閥為6個單座球形閥。蒸汽經(jīng)6個調(diào)節(jié)閥的汽室后，導(dǎo)入高壓內(nèi)缸中的6組噴嘴。每個調(diào)節(jié)閥由單獨的油動機控制，調(diào)節(jié)閥由抗燃油壓驅(qū)動開啟，靠壓縮彈簧壓力推動關(guān)閉。每3個調(diào)節(jié)閥與一個主汽閥組成一套調(diào)節(jié)供汽系統(tǒng)，分列于高壓缸兩側(cè)。二、汽輪機主軸、葉輪和動葉片汽輪機由主軸、葉輪、動葉片和聯(lián)軸器組成轉(zhuǎn)動體，稱為汽輪機的轉(zhuǎn)子。汽輪機轉(zhuǎn)子匯集各級動葉柵的機械能并傳遞給發(fā)電機。由軸承支持在汽缸體內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，承受汽流的沖擊力、高速旋轉(zhuǎn)的離心力和扭矩。1、汽輪機主軸和葉輪300MW及以上汽輪機組高、中壓轉(zhuǎn)子普遍采用整鍛型。軸與葉輪體整鍛結(jié)構(gòu)，聯(lián)軸器也與軸整體鍛制。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，強度和剛度較高，消除了軸與葉輪體在熱態(tài)下可能發(fā)生的松動問題。問題：加工精度要求高，工藝復(fù)雜，制造成本高。對生產(chǎn)設(shè)備要求較高，貴重材料消耗大。應(yīng)用：大容量汽輪機高、中壓轉(zhuǎn)子。低壓轉(zhuǎn)子300MW及以上汽輪機組低壓轉(zhuǎn)子：蒸汽壓力低，體積流量大，低壓轉(zhuǎn)子尺寸龐大，受到鑄造工藝、材料性能和加工技術(shù)的制約，多采用焊接轉(zhuǎn)子。一些中低壓汽輪機，由于蒸汽壓力低，溫度低，功率小，多采用套裝型轉(zhuǎn)子。各級葉輪和主軸分別鍛造，然后將加熱的葉輪體逐級套裝在主軸上。某些高壓汽輪機轉(zhuǎn)子或超高壓汽輪機中壓轉(zhuǎn)子，采用組合式轉(zhuǎn)子形式：高壓高溫段采用整鍛結(jié)構(gòu)，中低溫段采用套裝結(jié)構(gòu)。套裝轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速在汽輪發(fā)電機組啟動和停機過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某些數(shù)值時，機組發(fā)生強烈振動，而越過這些轉(zhuǎn)速后，振動便迅速減弱。這些機組發(fā)生強烈振動時的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子有多個臨界轉(zhuǎn)速，分別稱為一階、二階、三階、…臨界轉(zhuǎn)速。機組在共振發(fā)生時，會導(dǎo)致動靜部分摩擦、軸承損壞、主軸彎曲甚至斷裂等重大事故。我國汽輪機的工作轉(zhuǎn)速為n0=3000r/min。剛性轉(zhuǎn)子——正常工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于一階臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子。撓性（或柔性）轉(zhuǎn)子——工作轉(zhuǎn)速接近或超過轉(zhuǎn)子的一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子視為撓性轉(zhuǎn)子。2、動葉片及動葉柵布置作用：構(gòu)成汽流通道按葉型沿葉高的變化規(guī)律，葉片分為：等截面直葉片——截面積和葉型沿葉高相同扭曲葉片——截面積和葉型沿葉高按一定規(guī)律變化，葉片發(fā)生扭轉(zhuǎn)。動葉柵動葉片通過葉根組裝在葉輪體外緣上，承受汽流引起的彎應(yīng)力、振動應(yīng)力和自身重量產(chǎn)生的離心力。短葉片和中長葉片長在葉頂用圍帶連在一起，構(gòu)成葉片組。為增強長葉片的剛度和抗振能力，長葉片每7~9只用高級合金連接件（拉金）串聯(lián)成一組。三、汽輪機軸封和隔板汽封汽輪機靜子和轉(zhuǎn)子之間有間隙，為減小漏汽損失，設(shè)置汽封裝置。1、汽輪機軸端汽封汽輪機轉(zhuǎn)子穿出缸體兩端處的汽封。防止機內(nèi)高壓蒸汽外泄，或外界空氣漏入機內(nèi)。2、隔板汽封做成弧狀汽封塊，嵌裝在隔板體內(nèi)。阻止蒸汽繞過噴嘴到隔板后面而造成能量損失。3、軸封系統(tǒng)為阻止低壓側(cè)空氣漏入汽缸，并回收高壓端泄露的蒸汽和利用漏汽的熱量，汽輪機設(shè)置有軸封系統(tǒng)。機組冷態(tài)啟動時，先用輔助蒸汽向軸封供汽。機組正常運行時，軸封用汽主要靠高中壓缸軸封漏汽供給，多余蒸汽通過溢流閥至汽輪機疏水?dāng)U容器。四、聯(lián)軸器和盤車裝置聯(lián)軸器作用：連接各轉(zhuǎn)子；傳遞轉(zhuǎn)子上的扭矩。形式：按照結(jié)構(gòu)和特性，分為剛性聯(lián)軸器、半撓性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。盤車裝置盤車裝置——在汽輪機不進(jìn)蒸汽時驅(qū)動轉(zhuǎn)子以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備。作用：1）在汽輪機沖轉(zhuǎn)前和停機后使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，避免轉(zhuǎn)子受熱和冷卻不均而產(chǎn)生熱彎曲。2）啟動前盤動轉(zhuǎn)子，用來檢查汽輪機是否具備正常啟動條件。組成：盤車電機、離合器、減速齒輪。布置位置：通常布置在傳動功率最大的汽輪機低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器處的軸承旁。當(dāng)汽輪機啟動時，當(dāng)蒸汽沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超過盤車轉(zhuǎn)速后，盤車自行脫扣，停止工作。五、汽輪機軸承和轉(zhuǎn)子定位汽輪機轉(zhuǎn)子靠軸承安裝定位。支持軸承和推力軸承都是滑動軸承。滑動軸承的工作原理在兩表面間建立穩(wěn)定的油膜。支持軸承和推力軸承1、支持軸承作用：承擔(dān)轉(zhuǎn)子的重量及轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力；確定轉(zhuǎn)子的徑向位置。2、推力軸承作用：承受轉(zhuǎn)子上未平衡的軸向推力，并確定轉(zhuǎn)子的軸向位置。第三節(jié)蒸汽在汽輪機“級”內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換過程汽輪機內(nèi)的蒸汽能量轉(zhuǎn)換，是在軸向串聯(lián)的各個級內(nèi)分別完成的。蒸汽在靜葉柵（噴嘴）和動葉柵內(nèi)的流動規(guī)律和能量轉(zhuǎn)換過程:一、蒸汽在噴管中的能量轉(zhuǎn)換過程級的靜葉片沿圓周向布置在隔板體上。隔板體分上下兩半固定在汽缸內(nèi)壁的環(huán)形槽道內(nèi)。每相鄰兩靜葉片之間形成一個蒸汽通道，即噴嘴。蒸汽在噴管中膨脹的熱力過程由于蒸汽的粘性作用，使蒸汽最終在出口截面上獲得的動能減小。絕熱流動中摩擦產(chǎn)生的熱量重新被蒸汽吸收。蒸汽在出口截面上實際流速偏小，實際焓值偏高。用噴嘴速度系數(shù)來反映噴嘴損失的大小?！獓娮焖俣认禂?shù)

二、蒸汽在動葉槽道內(nèi)的流動特點和能量轉(zhuǎn)換過程1、動葉柵的輪周速度u動葉柵平均直徑上的輪周速度。2、蒸汽在動葉柵進(jìn)出口的速度三角形蒸汽以實際絕對速度C1離開噴嘴，進(jìn)入以輪周速度u旋轉(zhuǎn)著的動葉柵入口。此時蒸汽進(jìn)入動葉通道的相對速度為w1。動葉柵進(jìn)出口速度三角形為：蒸汽以絕對速度c2離開動葉柵，這部分動能在動葉柵中沒有轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，成為損失——余速損失3、級的反動度蒸汽以相對速度w1進(jìn)入動葉柵，在其中流動并改變方向。若動葉通道通流面積不變，則動葉僅靠蒸汽汽流的沖擊力旋轉(zhuǎn)作功。若動葉通道通流面積逐漸減小，蒸汽將象在噴嘴中一樣，壓力、溫度、焓值下降，流速、比體積增加。動葉在蒸汽的沖擊力和反擊力共同作用下工作。蒸汽在動葉通道中膨脹程度的大小，用級的反動度表示。蒸汽在動葉柵中的理想焓降與蒸汽在整個級中的滯止理想焓降之比。根據(jù)反動度大小，汽輪機級的類型：級的反動度反映了蒸汽在動葉柵中膨脹的程度。反動度越大，蒸汽在動葉中的理想焓降越大，則蒸汽對動葉柵的反動力也越大。

沖動級1）純沖動級：=0工作特點：蒸汽只在噴嘴葉柵中膨脹，在動葉柵中不膨脹而只改變其流動方向。結(jié)構(gòu)特點：動葉葉型對稱彎曲。2）帶反動度的沖動級：=0.05~0.2

工作特點：蒸汽的膨脹大部分在噴嘴葉柵中進(jìn)行，只有一小部分在動葉柵中進(jìn)行。反動級

=0.5

工作特點：蒸汽在噴嘴和動葉中的膨脹程度相同。結(jié)構(gòu)特點：動、靜葉片葉型基本相同4、蒸汽在動葉槽道內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換過程對于純沖動級：理想情況下蒸汽在動葉槽道進(jìn)出口的相對速度w1、w2不變。實際上，因蒸汽粘性作用導(dǎo)致的摩擦和擾動，蒸汽在動葉槽道內(nèi)將存在動葉損失。對于反動度>0的級：三、蒸汽作用于動葉柵上的力和級的輪周功率1、蒸汽作用于動葉柵上的力對于反動度>0的級，動葉柵所受的力有：汽流的沖擊力、蒸汽在動葉槽道內(nèi)膨脹加速的反作用力。此兩力的合力，可分解為圓周方向的分力（切向力）和沿轉(zhuǎn)子軸向的分力（軸向力）。切向力使汽輪機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，對外輸出機械功。2、級的輪周功率切向力與動葉柵平均直徑上的輪周速度的乘積，稱為級的輪周功率。是單位時間內(nèi)汽流對動葉片上所做的功。四、級內(nèi)損失和級的相對內(nèi)效率1、級的內(nèi)部損失蒸汽在級內(nèi)的焓降，并不能完全轉(zhuǎn)換成汽輪機的旋轉(zhuǎn)機械功。（1）噴嘴損失：（2）動葉損失：（3）余速損失：除單級汽輪機和多級汽輪機的最末級外，余速損失都能被下一級部分再利用。1、級的內(nèi)部損失（4）級內(nèi)漏汽損失：隔板漏汽——由于隔板前后的壓差、隔板與主軸的間隙而發(fā)生。葉頂漏汽——由于動葉前后的壓差、葉頂與隔板外緣的間隙而發(fā)生（5）葉輪摩擦損失蒸汽與葉輪、蒸汽內(nèi)部摩擦1、級的內(nèi)部損失（6）部分進(jìn)汽損失汽輪機的壓力級為全周進(jìn)汽。調(diào)節(jié)級噴嘴組直接裝在汽缸體上。全部噴嘴出口截面占據(jù)的圓弧長與級的節(jié)圓直徑圓弧之比，稱作級的部分進(jìn)汽度。鼓風(fēng)損失：部分進(jìn)汽的級中葉片在非工作弧段鼓風(fēng)消耗機械能。斥汽損失：產(chǎn)生于裝有噴嘴的進(jìn)汽弧段內(nèi)。1、級的內(nèi)部損失（7）濕汽損失發(fā)生于在濕蒸汽區(qū)工作的級。部分蒸汽凝結(jié)成水珠后，不能膨脹作功；水珠需要高速蒸汽的帶動而耗功；水珠撞擊葉片，對葉輪產(chǎn)生制動。2、級的相對內(nèi)效率蒸汽在實際工況下級內(nèi)的有效焓降與級