汽輪機原理講義

汽輪機原理講義第一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機的由來與發(fā)展方向汽輪機的基本概念

汽輪機是一種以蒸汽為工質(zhì)，并將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機械能的一種旋轉(zhuǎn)機械。汽輪機帶動發(fā)電機的同時，將機械能轉(zhuǎn)化成了電能。高壓高溫的蒸汽具有相當(dāng)高的能量，熱力學(xué)上稱之為焓，當(dāng)蒸汽依次通過汽輪機的通流級時，汽輪機的焓逐漸減少，當(dāng)蒸汽從汽輪機排出時，蒸汽所具有的焓已經(jīng)基本不具備作功能力了。在汽輪機級內(nèi)蒸汽減少的焓部分地轉(zhuǎn)變成了機械功。汽輪機的歷史與發(fā)展方向

自從瓦特?zé)_水時發(fā)現(xiàn)蒸汽汽泡具有能量以來，僅過去了短短的百余年。汽輪機設(shè)計與制造技術(shù)已經(jīng)取得了飛躍的發(fā)展。

1883年，瑞典工程師拉伐爾（Laval）創(chuàng)造出第一臺軸流式汽輪機，3.7kW單級沖動式汽輪機；

1884~1894年，英國工程師巴森斯（C.A.Parsons）相繼創(chuàng)造出了軸流式多級反動式汽輪機、輻流式汽輪機、和背壓式汽輪機；

1900年前后，美國工程師寇蒂斯（Curtis）創(chuàng)造出了正在通常所謂的寇蒂斯（復(fù)速級）單級汽輪機；

1903年至1907年間，出現(xiàn)了熱電聯(lián)合生產(chǎn)的汽輪機，即背壓式與調(diào)整抽汽式汽輪機；

1920年左右，隨著蒸汽動力循環(huán)裝置的改進，出現(xiàn)了給水回?zé)崾狡啓C；

1925年，出現(xiàn)了第一臺中間再熱式汽輪機；至此，今天所能見到的電站汽輪機的主要類型差不多已經(jīng)齊備。上世紀(jì)40年代以來，汽輪機發(fā)展特別迅速。各種新技術(shù)與新材料層出不窮。材料科學(xué)的發(fā)展使得汽輪機向高參數(shù)發(fā)展成了可能；計算機技術(shù)的發(fā)展，全三維理論的出現(xiàn)，使得汽輪機通流級效率的提高成了各大制造廠家在市場競爭中制勝的法寶。目前，汽輪機發(fā)展的方向是以提高單機功率為中心線索的。單MW的制造工時與運行成本(汽輪機效率)

在此基礎(chǔ)上各種特型汽輪機也可以很好地占領(lǐng)市場。第二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機的應(yīng)用與分類按熱力作功原理分類

a.沖動式汽輪機

b.反動式汽輪機按進汽參數(shù)分類按用途分類

a.電站汽輪機

b.工業(yè)汽輪機

c.船用汽輪機按熱力特性分類凝汽式汽輪機、調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機、背壓式汽輪機、抽汽背壓式汽輪機、中間再熱式汽輪機、混壓式汽輪機、空冷汽輪機。參數(shù)超臨界亞臨界超高壓高壓次高壓中壓低壓壓力MPa23.5416.6713.248.834.93.431.27溫度℃565535535535435(475)435350第三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日我公司目前正在生產(chǎn)或有可能開發(fā)的

各類型汽輪機概述電站汽輪機是我公司目前主要生產(chǎn)的汽輪機。主要有以下類型：傳統(tǒng)的發(fā)電用汽輪機：凝汽式汽輪機：以發(fā)電為主，進汽參數(shù)越高、功率數(shù)越大，則技術(shù)含量越高，目前國產(chǎn)最大機組為超超臨界1000MW汽輪機；我公司生產(chǎn)最大的為高壓140MW、超高壓150MW汽輪機；各類供熱式汽輪機：供熱式汽輪機是中小型汽輪機的固有特點，以其抽汽靈活、適應(yīng)性強而獲得了大量的生存空間。在傳統(tǒng)汽輪機中，目前比較有市場前景，而各大廠家又開發(fā)得比較小的品種主要有：大功率（50MW及以上）背壓式汽輪機、空冷汽輪機。目前我公司空冷汽輪機全系列已基本形成，應(yīng)大為推廣。余熱發(fā)電式汽輪機余熱利用是國家能源政鼓勵的發(fā)展方向，近年來主要在以下幾個方面發(fā)展：水泥窯余熱利用；鋼鐵廠煉鋼爐余熱利用；化工廠余熱利用。余熱發(fā)電式汽輪機其中比較有技術(shù)難度的是一種叫做飽和蒸汽發(fā)電汽輪機。飽和蒸汽發(fā)電可以說是余熱利用的極致：飽和蒸汽的蒸汽品質(zhì)幾乎可以說是最差的，最不具備作用能力。用飽和蒸汽發(fā)電會遇到以下技術(shù)難題：汽輪機功率很小，但進汽裝置卻可能很大；汽輪機內(nèi)蒸汽濕度大，對汽輪機葉片抗水蝕性能要求特別高。尾氣透平尾汽透平本來屬于工業(yè)汽輪機范疇。由于尾氣透平其熱能利用方式及汽輪機結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)電站汽輪機都非常相似，因此特別適合我公司進行開發(fā)、設(shè)計、制造。一般尾氣透平是不用來發(fā)電的，它一般是化工裝置中作為原動機使用的，利用化工生產(chǎn)線產(chǎn)生的尾氣作功，同時用來拖動化工裝置，其余熱利用的效益十分明顯。蒸汽—燃氣聯(lián)合循環(huán)用汽輪機蒸汽—燃氣聯(lián)合循環(huán)用汽輪機，特指用于聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的一種余熱利用汽輪機。跟一般余熱選用汽輪機相比，有以下幾個特點：1.余熱參數(shù)比較高，且比較穩(wěn)定；2.一般為多壓汽輪機。第四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機的工質(zhì)—水與水蒸汽

水與水蒸汽是熱力工程上應(yīng)用極廣的一種工質(zhì)。水變成水蒸汽的過程稱為“汽化”，汽化有兩種形式：蒸發(fā)與沸騰當(dāng)水在有限的密閉容器內(nèi)汽化時，不僅液體表面有液體分子蒸發(fā)到空間去，而空間的蒸汽分子也會撞擊到液體表面回到液體中。當(dāng)液面上空的蒸氣分子密度達到一定程度時，在單位時間內(nèi)逸出液面與回到液面的蒸汽分子數(shù)量相等，這種處于兩相動平衡的狀態(tài)稱為“飽和狀態(tài)”。水蒸汽的狀態(tài)參數(shù):壓力、溫度、焓、比容。各種狀態(tài)參數(shù)間的相互關(guān)系：焓熵圖（目前有大量電子軟件）汽化潛熱濕飽和蒸汽干飽和蒸汽過熱蒸汽蒸汽的溫度高于其壓力所對應(yīng)的飽和溫度，差值為過熱度。臨界水的壓力越高，水的沸點與比容就越高，另一方面，壓力越高，干蒸汽的比容越小。達到某一壓力時，水在沸點的比容等于干蒸汽的比容。在這一點，水與干飽和蒸汽具有相同的狀態(tài)參數(shù)。這個點稱為臨界點。臨界壓力22.064MPa；臨界溫度374℃；臨界比容0.003106m3/kg;

第五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日熱力發(fā)電廠的基本構(gòu)成第六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日蒸汽動力裝置朗肯循環(huán)及其熱效率工質(zhì)在各設(shè)備中依次發(fā)生狀態(tài)變化而形成一個循環(huán)，這一循環(huán)可理想化為兩個等壓過程與兩個絕熱過程所組成的基本循環(huán)，稱為朗肯循環(huán)。

朗肯循環(huán)的熱效率可表示為：η=蒸汽動力裝置的基本構(gòu)成蒸汽動力裝置由鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、冷凝器及給水泵等四大主要設(shè)備構(gòu)成。屬于汽輪機的主要輔機有：凝汽器：將做完功的蒸汽凝結(jié)成水，并形成高度真空；回?zé)峒訜崞鳎河脕碇鸺壖訜峤o水以提高循環(huán)熱效率；給水泵：保證鍋爐等壓燃燒，并為汽輪機提供規(guī)定壓力；油系統(tǒng)：提供汽輪機及發(fā)電機等軸承潤滑用油及調(diào)節(jié)系統(tǒng)用油，包括油泵、冷油器、油箱等。第七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機級的工作原理級的工作過程

汽輪機級由靜葉與動葉組成。蒸汽在靜葉內(nèi)在前后壓差下加速，將速度由C0增加到出口處的速度C1。加速的過程是壓力下降、比容增加、壓力勢能轉(zhuǎn)化為速度動能的過程。高速流動的蒸汽由噴嘴出口進入動葉時，給予動葉以沖動力，通常蒸汽在動葉通道中繼續(xù)膨脹，表現(xiàn)為壓力下降，并轉(zhuǎn)變方向，當(dāng)蒸汽離開動葉通道時，它給葉片以反動力，這兩個力的合力，推動動葉片，從而最終完成熱能向機械能的轉(zhuǎn)換。流體力學(xué)分析法第八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機級的工作原理級的工作過程

以上分析了蒸汽在級內(nèi)的流動過程。以下從熱力學(xué)的觀點介紹蒸汽在級內(nèi)的熱力膨脹過程。

1余速損失δhc2

2噴嘴損失δhn3動葉損失δhb

以上三項損失之和稱為輪周損失級的反動度

級的反動度Ω是表示蒸汽在動葉通道內(nèi)膨脹程度大小的指標(biāo)。級的反動度等于Δhb/Δht級的類型

純沖動級、反動級、沖動級、復(fù)速級熱力學(xué)分析法第九頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日葉柵的氣動特性葉柵的幾何參數(shù)與汽流參數(shù)

反動式葉柵：噴嘴葉柵反動度較大的動葉柵。葉柵前后有靜壓差，汽道寬度自進口到出口明顯縮小，故汽流通過時除改變方向外還有加速。沖動式葉柵：沖動式動葉柵和導(dǎo)向葉柵。葉柵前后靜壓力近似相等，汽流通過時主要改變方向，基本不加速。實用中采取了一定的反動度。表征葉柵的主要幾何參數(shù)：平均直徑、葉片高度、節(jié)距、葉寬、進口寬度、出口寬度、弦長、出口邊厚度等。葉柵的主要汽流參數(shù)：葉型的幾何進口角、汽流沖角（正沖角與負沖角）葉柵的通流能力

汽輪機級的幾何參數(shù)確定以后，級的通流面積就確定了。通流面積等于：葉高*出口寬度*噴嘴數(shù)。當(dāng)通流面積確定后，則汽輪機級的通流能力只與級前的滯止初參數(shù)有關(guān)。葉柵通過最大流量時前后壓力比稱為臨界壓比，該流量為臨界流量。第十頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機級的級內(nèi)損失級內(nèi)損失

葉型損失附面層中的摩擦損失附面層脫離引起的渦流損失尾跡損失（由于葉型出口邊總有一定的厚度，兩股汽流之間的空檔必然產(chǎn)生渦流）沖波損失（出現(xiàn)超音速汽流時，會產(chǎn)生沖波，使附面層增厚甚至脫離，因而增加了葉型損失）

端部損失（葉高損失）端部損失就是汽流通過汽道時，在汽道上下端面上，由于蒸汽的粘性形成一層很薄的附面層，附面層內(nèi)粘性力損耗汽流的動能，形成了端部附面層中的摩擦損失。

扇形損失汽輪機葉柵成扇形布置（自葉根至葉頂葉柵的相對節(jié)距成正比增加，故相對節(jié)距必然會偏離最佳值，帶來一項額外的流動損失）葉輪摩擦損失

1.葉輪兩側(cè)及圍帶表面的粗糙度引起的摩擦損失

2.子午面內(nèi)的渦流動力引起的損失部分進汽損失鼓風(fēng)損失（發(fā)生在不裝噴嘴的弧段內(nèi)）與斥汽損失（與之相反）

漏汽損失濕汽損失第十一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機內(nèi)效率

汽輪機內(nèi)效率

前面分析了汽輪機級的各項損失，雖然汽輪機的各項損失計算非常復(fù)雜、繁瑣，但由于現(xiàn)代計算機技術(shù)的進步，繁瑣復(fù)雜的計算已經(jīng)不是問題。扣除汽輪機級內(nèi)的各項損失，汽輪機級的內(nèi)效率就很容易計算出來了，汽輪機級的內(nèi)效率最直觀的反映，就是級前后蒸汽參數(shù)。

級的有效焓降與等熵焓降之比稱為級的相對內(nèi)效率，簡稱級效率。它表示級的能量轉(zhuǎn)換的完善程度，是用來衡量級經(jīng)濟性的一個重要指標(biāo)。

提高汽輪機內(nèi)效率的措施

1.合理選用葉型、反動度、速比及葉高；

2.務(wù)使汽輪機通流部分汽道光順、流暢；

3.合理設(shè)計與選用主汽閥、調(diào)節(jié)閥及配汽結(jié)構(gòu)；

4.后汽缸排汽能力與排汽型線的設(shè)計。6MW12MW中壓25MW高壓25MW50MW100MW75-78%77-80%79-82%80-83%82-85%82-86%第十二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機通流部分設(shè)計

汽輪機通流部分設(shè)計，就是我廠通稱的“熱力計算”。應(yīng)該說，汽輪機熱力計算是汽輪機設(shè)計的第一步，它的計算成功與否直接表現(xiàn)在下列方面：

1.汽輪機出力及各項供熱參數(shù)能否滿足用戶需要；

2.系統(tǒng)配置是否合理，是否符合基本的科學(xué)精神；

3.汽輪機軸向推力；

4.各級葉型選型是否合理；

5.是否最有利于組織生產(chǎn)與盡可能地降低生產(chǎn)成本。汽輪機通流部分的設(shè)計一旦完成，應(yīng)該說汽輪機的主要性能就基本確定下來了。

第十三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機熱力計算的基本思路一、計算原始數(shù)據(jù)

1.汽輪機轉(zhuǎn)速為什么定在3000rpm？

2.初參數(shù)

3.終參數(shù)二、整機焓降的確定，估算功率等級估算汽輪機的功率等級，最直接的辦法是按排汽量估算三、整機級數(shù)的確定確定汽輪機的級數(shù)，對于我廠汽輪機來說，多半是參照定型機組根據(jù)汽輪機焓降來確定，值得注意的是，調(diào)節(jié)級的選用問題，究竟是選用單列級還復(fù)速級。級的焓降分配是由級的通流面積來確定的。級的反動度是由一對動靜葉的面積比確定的（面積比為1.5-1.8,反動度分別為0.5-0.05)四、進行詳細的熱力計算以確定每級的通流尺寸、各工況下汽輪機級后各種熱力參數(shù)、汽輪機熱力系統(tǒng)配置情況及轉(zhuǎn)子推力情況。6MW12MW25MW50MW100MW150MW25t/h40t/h75-90t/h130t/h300t/h350t/h第十四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機熱力系統(tǒng)平衡圖第十五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日汽輪機工況圖第十六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日空冷汽輪機及其關(guān)鍵技術(shù)

目前，