熱能與動(dòng)力工程專業(yè)英語全文翻譯-整理版

v1.0可編輯可修改v1.0可編輯可修改PAGEPAGE170v1.0可編輯可修改PAGE第一章熱科學(xué)基礎(chǔ)工程熱力學(xué)基礎(chǔ)勢能（由高度引起）和化學(xué)能（與化學(xué)組成相關(guān)）的形式儲存。不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，而且能量在邊界上可以以熱和功的形式進(jìn)行傳遞。在熱力學(xué)中，我們將推導(dǎo)有關(guān)能量轉(zhuǎn)化和傳遞與物性參數(shù)，如溫度、壓強(qiáng)及密度等關(guān)系間的方程。因此，在熱力學(xué)中，物質(zhì)及其性質(zhì)變得非常重要。許多熱力學(xué)方程都是建立在實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)之上，而且這些實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果已被整理成數(shù)學(xué)表達(dá)式或定律的形式。其中，熱力學(xué)第一定律和第二定律應(yīng)用最為廣泛。 熱力系統(tǒng)和控制體熱力系統(tǒng)是一包圍在某一封閉邊界內(nèi)的具有固定質(zhì)量的物質(zhì)。系統(tǒng)邊界通常是比較明顯的（如氣缸內(nèi)氣體的固定邊界）。然而，系統(tǒng)邊界也可以是假想的（如一定質(zhì)量的流體流經(jīng)泵時(shí)不斷變形的邊界）。系統(tǒng)之外的所有物質(zhì)和空間統(tǒng)稱外界或環(huán)境。熱力學(xué)主要研究系統(tǒng)與外界或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互作用。系統(tǒng)通過在邊界上進(jìn)行能量傳遞，從而與外界進(jìn)行相互作用，但在邊界上沒有質(zhì)量交換。當(dāng)系統(tǒng)與外界間沒有能量交換時(shí)，這樣的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)。在許多情況下，當(dāng)我們只關(guān)心空間中有物質(zhì)流進(jìn)或流出的某個(gè)特定體積時(shí)，分析可以得到簡化。這樣的特定體積稱為控制體。例如泵、透平、充氣或放氣的氣球都是控制體的例子。包含控制體的表面稱為控制表面。因此，對于具體的問題，我們必須確定是選取系統(tǒng)作為研究對象有利還是選取控制體作為研究對象有利。如果邊界上有質(zhì)量交換，則選取控制體有利；反之，則應(yīng)選取系統(tǒng)作為研究對象。 平衡、過程和循環(huán)對于某一參考系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)溫度完全相同。當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部各點(diǎn)的特性參數(shù)均相同且不隨時(shí)間變化時(shí)，則稱系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)邊界某部分的溫度突然上升時(shí)，則系統(tǒng)內(nèi)的溫度將自發(fā)地重新分布，直至處處相同。當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)平衡狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)所經(jīng)歷的一系列由中間狀態(tài)組成的變化歷程稱為過程。若從一個(gè)狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)狀態(tài)的過程中，始終無限小地偏離平衡態(tài)，則稱該過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程，可以把一個(gè)平衡狀態(tài)，則其過程為非平衡過程。當(dāng)系統(tǒng)從一給定的初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列中間過程又回到其初始狀態(tài)，則稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)。循環(huán)結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)中的各參數(shù)又與初始參數(shù)相同。在任一特性參數(shù)名稱前加上前綴iso-，表示該參數(shù)在整個(gè)過程保持不變。等溫（isothermal）過程中溫度保持不變；等壓（isobaric）過程中壓強(qiáng)恒定；等容（isometric）過程中體積保持不變。 純物質(zhì)的氣-液相平衡如圖1-1(a)所示，由活塞和氣缸組成的裝置中裝有1kg水。假定活塞和其上的重物使氣缸內(nèi)壓強(qiáng)維持在1，初始溫度20℃。當(dāng)有熱量開始傳遞給水時(shí)，缸內(nèi)水溫迅速上升，而比容略有增加，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)保持恒定不變。當(dāng)水溫達(dá)到℃時(shí)，如若再增加傳熱量，水將發(fā)生相變，如圖1-1(b)所示。也就是說，一部分水開始?xì)饣優(yōu)檎羝?，在此相變過程中，溫度和壓強(qiáng)始終保持不變，但比容卻有大幅度的增加。當(dāng)最后一滴液體被氣化時(shí)，進(jìn)一步的加熱將使蒸汽溫度和比容均有所增加，如同1-1(c)所示。強(qiáng)是，水的飽和溫度為℃。如果某一工質(zhì)為液態(tài)并處于其飽和溫度和飽和壓強(qiáng)下，則稱該液體為飽和液體。如果液體溫度低于當(dāng)前壓強(qiáng)下的飽和溫度，則稱該液體為過冷液體（表明液體的當(dāng)前溫度低于給定壓強(qiáng)下的飽和溫度）或壓縮液體（表明液體的當(dāng)前壓強(qiáng)大于給定溫度下的飽和壓強(qiáng)）。1-1(b)所示，若蒸汽質(zhì)量為，液體質(zhì)量為，則其干度為或20%。干度只有在飽和狀態(tài)下才有意義。若某一工質(zhì)處于飽和溫度下并以蒸汽形態(tài)存在，則稱該蒸汽為飽和蒸汽（有時(shí)稱為干飽和蒸汽，意在強(qiáng)調(diào)其干度為因?yàn)闇囟壬仙龝r(shí)，壓強(qiáng)可能保持不變。在圖1-2所示的溫度-比容圖上作等壓線，表示水由初壓、初溫20℃被加熱的過程。點(diǎn)A代表初BABC表示飽和蒸汽狀態(tài)，線BC表示等溫過程，即液體氣化轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝倪^程。線CD表示在等壓條件下蒸汽被加熱至過熱的過程，在此過程中，溫度和比容均增大。IJKL表示壓強(qiáng)為10MPa下的等壓線，相應(yīng)的飽和溫度為條件下（線N是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)上，切線斜率為零，通常把N點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。在臨界點(diǎn)處，飽和液體和飽和氣體的狀態(tài)都是相同的。臨界點(diǎn)下的溫度、壓強(qiáng)和比容分別稱為臨界溫度、臨界壓強(qiáng)和臨界比容。一些工質(zhì)的臨界點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1-1所示。熱力學(xué)第一定律通常把熱力學(xué)第一定律稱為能量守恒定律。在基礎(chǔ)物理課程中，能量守恒定律側(cè)重動(dòng)能、勢能的變化以及和功之間的相互關(guān)系。更為常見的能量守恒形式還包括傳熱效應(yīng)和內(nèi)能的變化。當(dāng)然，也包括其它形式的能，如靜電能、磁場能、應(yīng)變能和表面能。歷史上，用熱力學(xué)第一定律來描述循環(huán)過程：凈傳熱量等于循環(huán)過程中對系統(tǒng)所做的凈功。熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律有多種表述形式。在此列舉兩種：克勞修斯表述和凱爾文-普朗克表述。克勞修斯表述：制造一臺唯一功能是把熱量從低溫物體傳給高溫物體的循環(huán)設(shè)備是不可能的。1-3(a)所示。凱爾文-普朗克表述：制造一臺從單一熱源吸熱和做功的循環(huán)設(shè)備是不可能的。2換句話說，制造這樣一臺從某一熱源吸熱并對外做功，而沒有與低溫?zé)嵩催M(jìn)行換熱的熱機(jī)是不可能的。因此，該表述說明了不存在工作效率為100%的熱機(jī)，如圖1-3(b)所示。卡諾循環(huán)卡諾機(jī)是低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩撮g運(yùn)行效率最高的熱機(jī)?？ㄖZ機(jī)是一個(gè)理想熱機(jī)，利用多個(gè)可逆過程組成一循環(huán)過程，該循環(huán)稱為卡諾循環(huán)?？ㄖZ機(jī)非常有用，因?yàn)樗倪\(yùn)行效率為任何實(shí)際熱機(jī)最大可能的效率。因此，如果一臺實(shí)際熱機(jī)的效率要遠(yuǎn)低于同樣條件下的卡諾機(jī)效率，則有可能對該熱機(jī)進(jìn)行一些改進(jìn)以提高其效率。理想的卡諾循環(huán)包括四個(gè)可逆過程，如圖1-4所示：1→2等溫膨脹；2→3絕熱可逆膨脹；3→4等溫壓縮；4→1可逆絕熱壓縮?？ㄖZ循環(huán)的效率為

1TT

(1-1)注意，提高T（提高吸熱溫度）或降低T（降低放熱溫度）均可使循環(huán)效率提高。朗肯循環(huán)我們所關(guān)心的第一類動(dòng)力循環(huán)為電力生產(chǎn)工業(yè)所采用的，也就是說，動(dòng)力循環(huán)按這樣的方式運(yùn)行：工質(zhì)發(fā)生相變，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。最簡單的蒸汽-動(dòng)力循環(huán)是朗肯循環(huán)，如圖1-5(a)所示。朗肯循環(huán)的一個(gè)主要特征是泵耗費(fèi)很少的功就能把高壓水送入鍋爐。其可能的缺點(diǎn)為工質(zhì)在汽機(jī)內(nèi)膨脹做功后，通常進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，形成可能損害汽輪機(jī)葉片的液滴。朗肯循環(huán)是一個(gè)理想循環(huán)，其忽略了四個(gè)過程中的摩擦損失。這些損失通常很小，在初始分析時(shí)可完全忽略。朗肯循環(huán)由四個(gè)理想過程組成，其T-s圖如圖1-5(b)所示：1→2為泵內(nèi)等熵壓縮過程；2→3為爐內(nèi)定壓吸熱過程；3→4為汽輪機(jī)內(nèi)等熵膨脹做功過程；4→1為凝汽器內(nèi)定壓放熱過程。泵用于提高飽和液體的壓強(qiáng)。事實(shí)上，狀態(tài)1和狀態(tài)2幾乎完全一樣，因?yàn)橛?點(diǎn)開始的較高壓強(qiáng)下的吸熱過程線非常接近飽和曲線，圖中僅為了解釋說明的需要分別標(biāo)出。鍋爐（也稱蒸汽發(fā)生器）和凝汽器均為換熱器，它們既不需要功也不產(chǎn)生功。如果忽略動(dòng)能和勢能的變化，輸出的凈功等于T-s圖曲線下面的面積，即圖1-5(b)中1-2-3-4-1所包圍的面積，由用熱力學(xué)第一定律可證明W。循環(huán)過程中工質(zhì)的吸熱量對應(yīng)面積a-2-3-b-a。因此，朗肯循環(huán)的熱效率可表示為面積12341面積a23ba

(1-2)可以通過增大泵出口壓強(qiáng)p，提高鍋爐出口溫度T，或降低汽機(jī)出口壓強(qiáng)p來實(shí)現(xiàn)。再熱循環(huán)對于一個(gè)處于高鍋爐壓強(qiáng)和低凝汽器壓強(qiáng)條件下的朗肯循環(huán)，顯然，很難阻止液滴在汽輪機(jī)低壓部分的形成。由于大多數(shù)金屬不能承受600℃以上的高溫，因此，通常采用再熱循環(huán)來防止液滴的形成。再熱過程如3下：經(jīng)過汽輪機(jī)的部分蒸汽在某中間壓強(qiáng)下被再熱，從而提高蒸汽溫度，直至達(dá)到狀態(tài)5，如圖1-6所示。然濕蒸汽問題，因此，通常汽輪機(jī)分成高壓缸和低壓缸兩部分。雖然再熱循環(huán)不會(huì)顯著影響循環(huán)熱效率，但帶來了顯著的額外的輸出功，如圖1-6中的面積4-5-6-4-4設(shè)備，這些設(shè)備的使用效果必須通過與多增加的輸出功進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析來判定。如果不采用再熱循環(huán)來避免液滴的形成，則凝汽器出口壓強(qiáng)必須相當(dāng)?shù)馗?，因而?dǎo)致循環(huán)熱效率較低。在這種意義上，與無再熱循環(huán)且高凝汽器出口壓強(qiáng)的循環(huán)相比，再熱可以顯著提高循環(huán)效率。流體力學(xué)基礎(chǔ)流體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出多種不同的運(yùn)動(dòng)形式。有些可以簡單描述，而其它的則需要完全理解其內(nèi)在的物理規(guī)律。在工程應(yīng)用中，盡量簡單地描述流體運(yùn)動(dòng)是非常重要的。簡化程度通常取決于對精確度的要求，通?？梢越邮堋?0%左右的誤差，而有些工程應(yīng)用則要求較高的精度。描述運(yùn)動(dòng)的一般性方程通常很難求解，因此，工程師有責(zé)任了解可以進(jìn)行哪些簡化的假設(shè)。當(dāng)然，這需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，更重要的是要深刻理解流動(dòng)所涉及的物理內(nèi)涵。一些常見的用來簡化流動(dòng)狀態(tài)的假設(shè)是與流體性質(zhì)有關(guān)系的。例如，黏性在某些條件下對流體有顯著的影響；而在其它條件下，忽略黏性效應(yīng)的影響可以大大地簡化方程，但并不會(huì)顯著改變計(jì)算結(jié)果。眾所周知，氣體速度很高時(shí)必須考慮其壓縮性，但在預(yù)測風(fēng)力對建筑物的影響程度，或者預(yù)測受風(fēng)力直接影響的其它物理量時(shí)，可以不計(jì)空氣的壓縮性。學(xué)完流體運(yùn)動(dòng)學(xué)之后，可以更明顯地看出采用了哪些恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)。這里，將介紹一些重要的用來分析流體力學(xué)問題的一般性方法，并簡要介紹不同類型的流動(dòng)。拉格朗日運(yùn)動(dòng)描述和歐拉運(yùn)動(dòng)描述描述流場時(shí)，將著眼點(diǎn)放在流體質(zhì)點(diǎn)上是非常方便的。每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都包含了微小質(zhì)量的流體，它由大量分子組成。質(zhì)點(diǎn)占據(jù)很小的體積，并隨流體流動(dòng)而移動(dòng)。對不可壓縮流體，其體積大小不變，但可能發(fā)生形變。對可壓縮流體，不但體積發(fā)生形變，而且大小也將改變。在上述兩種情況下，均將所有質(zhì)點(diǎn)看作一個(gè)整體在流場中運(yùn)動(dòng)。z,t)，V(x,y,z,t)，a(x,y,z,t)，其它相關(guān)參量也可計(jì)算。坐標(biāo)(x,y,z)表示質(zhì)點(diǎn)的起始位置，也是每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的格朗日法跟蹤多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程并考慮質(zhì)點(diǎn)間的相互作用。然而，由于實(shí)際流體包含質(zhì)點(diǎn)數(shù)目巨大，因而采用拉格朗日法研究流體流動(dòng)則非常困難。與分別跟蹤每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)不同的另一種方法是將著眼點(diǎn)放在空間點(diǎn)上，然后觀察質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過每個(gè)空間點(diǎn)時(shí)的質(zhì)點(diǎn)速度，由此可以得到質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)各空間點(diǎn)時(shí)的速度變化率，即V/x，V/y，V/z；還可以判斷某一點(diǎn)上的速度是否隨時(shí)間變化，即計(jì)算V/t。這種描述方法稱為歐拉運(yùn)動(dòng)描述，以萊昂哈德歐拉的名字命名。在歐拉法中，速度等流動(dòng)參數(shù)是空間和時(shí)間的函數(shù)。在直角笛卡兒坐標(biāo)系中，速度表示為V=V(x,y,z,t)。我們所研究的流動(dòng)區(qū)域稱為流場。跡線和流線4可采用兩種不同的流動(dòng)線來幫助我們描述流場。跡線是某一給定質(zhì)點(diǎn)在流場中運(yùn)動(dòng)時(shí)所經(jīng)過的不同空間點(diǎn)形成的軌跡，它記錄了質(zhì)點(diǎn)的“歷史”位置。一定曝光時(shí)間下可以拍得發(fā)亮粒子的運(yùn)動(dòng)跡線。流線是流場中具有這樣特性的線：任一質(zhì)點(diǎn)在流線上某點(diǎn)處的速度矢量與該流線相切，即Vdr=0。這是因?yàn)閂和dr具有相同的方向，而具有相同方向的兩個(gè)矢量的叉乘積等于零。同跡線相比，流線不能直接由相機(jī)拍攝獲得。對于一般的非定常流動(dòng)，根據(jù)大量質(zhì)點(diǎn)的短跡線相片可以推斷出流線的形狀。一維、二維和三維流動(dòng)一般來說，歐拉運(yùn)動(dòng)描述中的速度矢量取決于三個(gè)空間變量和時(shí)間變量，即V=V(x,y,z,t)。這樣的流動(dòng)稱為三維流動(dòng)，因?yàn)樗俣仁噶恳蕾囉谌齻€(gè)空間坐標(biāo)。三維流動(dòng)的求解非常困難，并且也超出了序言的范圍。即y,三維流動(dòng)常常可以近似成二維流動(dòng)。例如，對于一個(gè)很寬的大壩，受壩兩端條件的影響，水流經(jīng)大壩時(shí)的流動(dòng)為三維流動(dòng)；但遠(yuǎn)離壩端的中間部分的流動(dòng)可看作是二維的。一般來說，二維流動(dòng)是指其速度矢量只取決于兩個(gè)空間坐標(biāo)的流動(dòng)。平面流動(dòng)即是如此，速度矢量只依賴于x，y兩個(gè)空間坐標(biāo)，而與z坐標(biāo)無關(guān)（如，V=V(x,y)）。一維流動(dòng)的速度矢量只依賴于一個(gè)空間坐標(biāo)。這類流動(dòng)常發(fā)生在長直管內(nèi)和平行平板間。管內(nèi)流動(dòng)的速度只隨到管軸的距離變化，即u=u(r)。平行平板間的速度也只與y坐標(biāo)有關(guān)，即u=u(y)。即使流動(dòng)為非定常流動(dòng)，如啟動(dòng)時(shí)的情形，u=u(y,t)，但該流動(dòng)仍是一維的。對于完全發(fā)展的流動(dòng)，其速度輪廓線并不隨流動(dòng)方向上的空間坐標(biāo)而改變。這要求研究區(qū)域要遠(yuǎn)離入口處或幾何形狀突然改變的區(qū)域。有許多流體力學(xué)方面的工程問題，其流場可以簡化為均勻流動(dòng)：速度和其它流體特性參數(shù)在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均為常數(shù)。這種簡化只對速度在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均保持不變時(shí)才成立，而且這種情況非常普遍。例如：管內(nèi)的高速流動(dòng)和溪水的流動(dòng)。平均速度可能從一個(gè)斷面到另一個(gè)斷面有所不同，而流動(dòng)條件僅取決于流動(dòng)方向上的空間變量。牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體是指應(yīng)力與變形率關(guān)系曲線為過坐標(biāo)圓點(diǎn)的直線的流體。直線的斜率稱為黏度。用τ=μdu/dy這個(gè)簡單的關(guān)系式來描述牛頓流體的特性。τ為流體施加的切向應(yīng)力，μ為流體的動(dòng)力黏度，du/dy為垂直于切應(yīng)力方向上的速度梯度。如果流體不滿足上述關(guān)系式，則被稱為非牛頓流體，它包括以下幾種類型：聚合物溶液、聚合物熔體、固體懸浮物和高黏度流體。在非牛頓流體中，切向應(yīng)力和變形率成非線性關(guān)系，甚至可能是非定常的，因此不能定義恒定的黏度系數(shù)。但可以定義切向應(yīng)力和變形率的比值(或隨切向應(yīng)力變化的黏度)，這個(gè)概念對不具有時(shí)間相關(guān)性行為的流體非常有用。黏性和非黏性流動(dòng)流體的流動(dòng)可大致分為黏性流動(dòng)和非黏性流動(dòng)。非黏性流動(dòng)是指黏性作用對流動(dòng)的影響很小、可被忽略的流動(dòng)。而在黏性流動(dòng)中，黏度的影響極為重要，不容忽視。5為了模擬分析非黏性流動(dòng)，簡單地讓黏度為零即可，這顯然忽略了一切黏性作用。在實(shí)驗(yàn)室中，制造非黏性流動(dòng)則非常困難，因?yàn)樗械牧黧w（例如水和空氣）都有黏性。然后問題變?yōu)椋菏欠翊嬖谖覀兏信d趣的、且黏性影響微乎其微的流動(dòng)答案是：“存在，只要流動(dòng)中的切向應(yīng)力很小，而且其作用范圍小到不會(huì)顯著影響流場就可以”。當(dāng)然，這種描述非?；\統(tǒng)，需要大量的分析以證明無黏性流動(dòng)假設(shè)是正確的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可以用于模擬非黏性流動(dòng)的基本流動(dòng)為外部流動(dòng)，即存在于物體外部的流動(dòng)。非黏性流動(dòng)對于繞流線型物體的研究非常重要，如繞流機(jī)翼或水翼。任何可能存在的黏性影響只限于薄薄的一層之內(nèi)，稱之為邊界層，它緊貼物體的表面，如圖1-7所示。受黏性的影響，邊界層內(nèi)固定壁面處的速度始終為零。對于許多流動(dòng)情形，邊界層非常薄，當(dāng)研究繞流線型流動(dòng)的總體特征時(shí)，可以忽略邊界層的影響。例如，對繞翼型的流動(dòng)，除了邊界層內(nèi)和可能接近尾緣的區(qū)域之外，非黏性流動(dòng)解與實(shí)際情況非常吻合。管道系統(tǒng)中收縮段的流動(dòng)，以及內(nèi)部流動(dòng)中黏性影響均可忽略不計(jì)的小段區(qū)域都可簡化成非黏性流動(dòng)。內(nèi)流中的很大一部分情形都屬于黏性流動(dòng)，如管道流、暗渠流以及明渠流。在這些流動(dòng)中，黏性作用造成相當(dāng)大的“損失”，以此解釋了管道輸運(yùn)石油和天然氣必定耗費(fèi)大量的能源。無滑移條件使得壁面處的速度為零，由此產(chǎn)生的切應(yīng)力，直接導(dǎo)致這些損失的產(chǎn)生。層流和紊流黏性流動(dòng)可分為層流和紊流。在層流中，流體與周圍流體質(zhì)點(diǎn)無明顯的混合。如果在流動(dòng)中注入染料，除了分子運(yùn)動(dòng)的影響外，流體質(zhì)點(diǎn)不與周圍流體混合，并將在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)保持其狀態(tài)。黏性切應(yīng)力始終影響層流流動(dòng)。層流可以是高度非定常的，也可以是定常的。在紊流中，流體運(yùn)動(dòng)作不規(guī)則地變化，速度和壓強(qiáng)等參數(shù)的大小在時(shí)間和空間坐標(biāo)上呈現(xiàn)隨機(jī)變化，這些物理量往往通過統(tǒng)計(jì)平均值來描述。在這個(gè)意義上，可定義“定常”紊流：即時(shí)均值不隨時(shí)間變化的紊流。注入紊流中的染料在流體質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的作用下，迅速與周圍流體進(jìn)行摻混，染料在此擴(kuò)散過程中很快就會(huì)消散而變得無法識別。層流和紊流可用一個(gè)水龍頭進(jìn)行簡單實(shí)驗(yàn)來觀察其流動(dòng)狀態(tài)。打開水龍頭，這時(shí)的水流正如靜靜的小溪一樣，流動(dòng)得非常緩慢，此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)就是層流；慢慢開大水龍頭，觀察到流動(dòng)逐漸變得紊亂。注意，紊流從相對較小的流量下開始發(fā)展而成。流動(dòng)狀態(tài)依賴于三個(gè)描述流動(dòng)條件的物理參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)是流場的特征長度，如邊界層厚度或管道直徑。如果這個(gè)特征長度尺度足夠大，流動(dòng)中的擾動(dòng)可能會(huì)逐漸增大，從而使得流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌５诙€(gè)參數(shù)是特征速度，如空間平均流速，足夠大的流速將導(dǎo)致紊流的產(chǎn)生。第三個(gè)參數(shù)是運(yùn)動(dòng)黏度，流體的黏性越小，紊流的可能性越大。該參數(shù)為無量綱參數(shù)，定義為Re=VL/，式中，L和V分別為特征長度和特征速度，為運(yùn)動(dòng)黏度。例如，在管道流中，L為管徑，V為平均速度。如果雷諾數(shù)相對較小，流動(dòng)為層流；如果雷諾數(shù)較大，則為紊流。通過定義臨界雷諾數(shù)Re≈2000，這也是最低的臨界雷諾數(shù)，并適用于大多數(shù)工程應(yīng)用。如果管壁極為光滑且無振動(dòng)，由于流動(dòng)中脈動(dòng)水平的減6弱而使臨界雷諾數(shù)可能增大，曾經(jīng)實(shí)測到40000以上的臨界值。采用不同的特征尺寸計(jì)算所得臨界雷諾數(shù)將有所不同，例如，用平均速度和平板之間的距離計(jì)算得到的平行板間流動(dòng)的臨界雷諾數(shù)為1500。對于平板上的邊界層，由于來流為均勻來流，其特征長度隨到前緣點(diǎn)的距離x而變化。計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)采用長度x作為特征長度。在某一特定的x下，Re變?yōu)镽e，流動(dòng)從層流過渡到紊流。處于均勻流中的光滑剛性平板，且自由來流的脈動(dòng)水平較低時(shí)，已觀測到的臨界雷諾數(shù)高達(dá)10。在大多數(shù)工程應(yīng)用中，通常假設(shè)壁面為粗糙壁面，或者自由來流的脈動(dòng)水平較高時(shí)，相應(yīng)的臨界雷諾數(shù)約為3×10。不可壓縮和可壓縮流動(dòng)如果任一流體質(zhì)點(diǎn)在通過流場時(shí)密度保持相對恒定，即D/Dt=0，則該流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)。這并不要求各處的密度值均相等。如果流場中各處的密度值均相等，則很明顯，流動(dòng)是不可壓縮的，但那是一種更加嚴(yán)格的情況。密度發(fā)生變化的不可壓縮流動(dòng)的例子有大氣流動(dòng)，=(z)，z為垂直方向的坐標(biāo)，以及江河流入海洋時(shí)淡水與鹽水相鄰的分層流動(dòng)。RT馬赫的名字命名，定義為M=V/c，V是氣體流速，波的傳播速度為c 。如果M＜，密度的最大變化為3%，此時(shí)流動(dòng)可認(rèn)為不可壓縮的；對于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣，這種情況對應(yīng)的氣體流速低于100m/s。如果RT＞，密度的變化將影響流動(dòng)，則必須考慮流體壓縮性帶來的影響，這樣的流動(dòng)就是可壓縮流動(dòng)。不可壓縮的氣體流動(dòng)包括大氣流動(dòng)、商用飛機(jī)著陸和起飛時(shí)的氣體流動(dòng)、供暖和空調(diào)系統(tǒng)中的氣流、繞流汽車周圍的流動(dòng)、通過散熱器的氣流以及繞流建筑物的氣體流動(dòng)等等，不勝枚舉?？蓧嚎s流動(dòng)包括高速飛行器周圍的氣體流動(dòng)，通過噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體流動(dòng)，電站中通過汽輪機(jī)的蒸汽流動(dòng)，壓縮機(jī)中的氣體流動(dòng)以及內(nèi)燃機(jī)中空氣和燃?xì)饣旌衔锏牧鲃?dòng)。傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)是一門研究在存在溫差的物體間發(fā)生能量傳遞的科學(xué)。熱力學(xué)中將這種方式傳遞的能量定義為熱量。傳熱學(xué)不僅可以解釋熱量傳遞是如何傳遞的，而且可以計(jì)算在特定條件下的傳熱速率。事實(shí)上，傳熱速率正是一個(gè)分析所期望的目標(biāo)，它指明了傳熱學(xué)和熱力學(xué)間的差別。熱力學(xué)處理的是平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)，它可計(jì)算當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)時(shí)所需要的能量，但不能解決系統(tǒng)處于過渡過程的非平衡狀態(tài)時(shí)能量變化的快慢程度。傳熱學(xué)提供了可用于計(jì)算傳熱速率的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，從而對熱力學(xué)第一定律和第二定律進(jìn)行補(bǔ)充。這里，我們介紹熱量傳遞的三種方式和不同型式的換熱器。熱傳導(dǎo)當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度梯度時(shí)，經(jīng)驗(yàn)表明，就有能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。我們說，此時(shí)的能量通過傳導(dǎo)進(jìn)行傳遞，單位面積上的傳熱速率與法向溫度梯度成正比，即q/A~T/x。引入比例系數(shù)，則有qATx

(1-3)其中q是熱流量，T/x是熱流方向上的溫度梯度，正常數(shù)稱為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。方程中插入的負(fù)號表示熱傳7導(dǎo)過程應(yīng)滿足熱力學(xué)第二定律，即熱量必須沿溫度降低的方向傳遞。式(1-3)稱為傅立葉導(dǎo)熱定律，以法國數(shù)理學(xué)家約瑟夫傅立葉的名字命名，傅立葉在導(dǎo)熱的分析處理方面做出了極其重大的貢獻(xiàn)。值得注意的是，式(1-3)也是導(dǎo)熱系數(shù)的定義式，在典型的單位體系中，當(dāng)熱流量q的單位為W時(shí)，的單位為W/(m℃)。對流換熱眾所周知，與熱金屬板放置在靜止的空氣中相比，放置在轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇前的熱金屬板會(huì)更快地冷卻。我們說熱量通過對流進(jìn)行傳遞，稱此類換熱過程為對流換熱。對流這個(gè)術(shù)語給讀者提供了有關(guān)傳熱過程的直觀概念，然而，必須擴(kuò)展這種直觀概念，使我們可以達(dá)到對某一問題進(jìn)行充分的分析和處理。例如，我們知道流過熱平板的空氣速度會(huì)明顯影響其傳熱量，但它是以線性方式影響冷卻的嗎即如果速度增加一倍，傳熱量也會(huì)增加一倍嗎我們猜想，如果用水代替空氣冷卻熱平板，傳熱量可能有所不同，但是，二者的差異會(huì)有多少呢這些問題在了解一些非?；镜姆治龊?，可得以回答。現(xiàn)在，我們來簡要描述對流換熱的物理機(jī)理，并且說明它和傳導(dǎo)過程的聯(lián)系。被加熱的平板如圖1-8所示，平板的溫度為T，流體的溫度為T。速度分布如圖所示，受黏性作用，平板上的速度減小為零。因?yàn)楸诿嫣幜鲃?dòng)薄層的速度為零，因此，在該點(diǎn)上熱量只能以導(dǎo)熱方式傳遞。因此，可以利用式(1-3)，以及壁面上的流體導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度來計(jì)算傳熱量。如果熱量在該層經(jīng)導(dǎo)熱傳遞，那么，為什么我們要談及對流換熱以及需要考慮流體速度的影響呢答案是，溫度梯度依賴于流體帶走熱量的速度，較高的流速將產(chǎn)生較大的溫度梯度。因此，壁面上的溫度梯度依賴于流場的變化，在以后的分析中，我們將建立這二者間的關(guān)系。然而，必須記住，壁面上傳熱的物理機(jī)理是一導(dǎo)熱過程。為描述對流換熱的整體效應(yīng)，應(yīng)用牛頓冷卻定律qhA(TT)

(1-4)這里，熱流量與壁面和流體間的整體溫度差以及表面積Ah對某些傳熱過程，可獲得h的分析表達(dá)式，而復(fù)雜情形下的傳熱系數(shù)必須通過實(shí)驗(yàn)研究來確定。式(1-4)表明，當(dāng)熱流量的單位為W時(shí)，h的單位為W/(m℃)。如果將熱平板置于沒有外部風(fēng)源的房間空氣中，平板附近的密度梯度將造成空氣運(yùn)動(dòng)。我們稱此換熱過程為自然對流，以區(qū)別于風(fēng)扇吹掃平板表面時(shí)形成的強(qiáng)制對流。沸騰和凝結(jié)現(xiàn)象也屬于對流換熱的范疇。輻射換熱對于導(dǎo)熱和對流換熱，其熱量傳遞需要介質(zhì)才得以進(jìn)行，與此不同的是，熱量也可以在完全真空中傳遞，其傳熱機(jī)理是電磁輻射。我們將討論限定在由溫差導(dǎo)致的電磁輻射，即所謂的熱輻射。熱力學(xué)研究表明，對于理想的熱輻射體或黑體，其輻射力正比于物體絕對溫度的四次方及其表面積，因此有qAT

(1-5)式中，為比例系數(shù)，稱為斯忒藩－玻耳茲曼常數(shù)，其值為×10W/(m·K)。式(1-5)稱為熱輻射的斯忒藩8－玻耳茲曼定律，該式僅適用于黑體。值得注意的是，該表達(dá)式僅適用于熱輻射，其它類型的電磁輻射要比該式復(fù)雜得多。式(1-5)只能用于確定單個(gè)黑體的輻射能。兩個(gè)表面間的凈輻射換熱量與其絕對溫度四次方的差成正比，即q(TA

)

(1-6)我們已經(jīng)提到，黑體是按四次方定律輻射能量的物體。因其黑色的表面我們稱之為黑體，如覆蓋炭黑的金屬片，就近似具有這種輻射特性。其它類型的表面，如有光澤的漆面或拋光的金屬板，并不具有黑體那樣大的輻射力，然而，這些物體的輻射力仍大致與成正比。為了考慮這些表面的“灰”特性，在式(1-5)引入另一個(gè)參數(shù)，稱為發(fā)射率ε，發(fā)射率將這些“灰”表面的輻射與理想黑體的表面輻射聯(lián)系起來。此外，我們必須考慮這樣一個(gè)事實(shí)，并非一個(gè)表面發(fā)出的所有輻射都可以到達(dá)到另一個(gè)表面，因?yàn)殡姶泡椛涫茄刂本€傳播的，將有部分能量散失到周圍環(huán)境中。因此，考慮到這兩種情況，式(1-5)引入另外兩個(gè)新的參數(shù)，則有()qFFAT

(1-7)式中，F(xiàn)是發(fā)射率函數(shù)，F(xiàn)是幾何角系數(shù)。此時(shí)，值得提醒讀者的是，式(1-7)中的這兩個(gè)函數(shù)通常并不是相互獨(dú)立的。換熱器的類型最簡單的換熱器是由兩個(gè)不同直徑的同心圓管組成，稱為套管式換熱器。套管換熱器中的一種流體流經(jīng)細(xì)管，另一種流體流經(jīng)兩管間的環(huán)形區(qū)域。套管換熱器中包括兩種不同類型的流動(dòng)方式：一種為順流，即冷、熱流體從同一端進(jìn)入換熱器，并沿同一方向流動(dòng)；另一種為逆流，即冷、熱流體從相反的兩端進(jìn)入換熱器，且沿相反方向流動(dòng)。另一類換熱器，被專門設(shè)計(jì)成單位體積內(nèi)有很大的換熱面積，稱為緊湊式換熱器。換熱器的換熱面積與其體積之比稱為面積密度β。β＞700緊湊式換熱器能實(shí)現(xiàn)小容積內(nèi)兩種流體的高換熱率，通常用于換熱器重量和容積受到嚴(yán)格限制的場合。緊湊式換熱器通過在分離兩種流體的壁面上附加間隔緊密的薄板或波紋翅片來擴(kuò)展其表面。緊湊式換熱器通常用于氣－氣和氣－液（或液－氣）換熱器，通過增加傳熱面積來抵消氣側(cè)低傳熱系數(shù)所帶來的影響。例如，汽車散熱器是水－氣緊湊式換熱器的典型例子，通常管子氣側(cè)表面裝有翅片。工業(yè)應(yīng)用中最常見的換熱器也許是管殼式換熱器，如圖1-9所示。管殼式換熱器外殼里封裝有大量的管束進(jìn)行了熱交換。殼內(nèi)通常布置有擋板，用于使殼側(cè)流體沿殼流動(dòng)以強(qiáng)化傳熱，并保持均勻的管間距。雖然管殼式換熱器應(yīng)用廣泛，但因其相對較大的尺寸和重量，因而并不適用于汽車和航空器領(lǐng)域。注意，管殼式換熱器的管束兩側(cè)開口處的較大流動(dòng)區(qū)域稱為封頭，它位于殼體兩端，管側(cè)流體流入、流出管子前后都在此匯集。管殼式換熱器依據(jù)所含管程和殼程的數(shù)目可進(jìn)一步分類。例如，換熱器殼內(nèi)的所有管束采用一個(gè)U型布置9的稱為單殼程雙管程換熱（12型換熱器同樣地含有雙殼程和四管程的換熱器叫做雙殼程－四管程型換熱器（24型換熱器。一種廣泛使用的新型換熱器是板翅式（或板式）換熱器，它由一系列平板組成，并形成波紋狀的流動(dòng)通道。冷、熱流體在間隔的每個(gè)通道中流動(dòng)，每一股冷流體被兩股熱流體所包圍，因此換熱效果非常好。此外，板式換熱器可通過簡單添加更多的平板來滿足增強(qiáng)換熱的需求。該類型換熱器非常適用于液－液式換熱場合，但需要冷、熱液流的壓強(qiáng)大致相等。另一類冷、熱流體交替通過同一流動(dòng)面積的換熱器為蓄熱式換熱器。靜態(tài)型蓄熱式換熱器基本上由多孔介質(zhì)組成，其熱容量大，如陶瓷鐵絲網(wǎng)。冷、熱流體交替地流經(jīng)這些多孔介質(zhì)，熱量先由流過的高溫流體傳遞到換熱器的換熱基體，再由基體傳遞給接著流過的低溫流體。因此，基體充當(dāng)了臨時(shí)儲熱介質(zhì)的作用。動(dòng)態(tài)型蓄熱式換熱器內(nèi)有轉(zhuǎn)筒，冷、熱流體連續(xù)流動(dòng)通過轉(zhuǎn)筒的不同部分，使得轉(zhuǎn)筒的任一部分周期性地通過熱流體，存儲熱量，再通過冷流體，釋放存儲的熱量。轉(zhuǎn)筒作為熱量從熱流體傳遞到冷流體的媒介。換熱器往往被賦予特定的名稱來反映它們的特定用途。例如，冷凝器是流體流經(jīng)它時(shí)會(huì)發(fā)生冷卻凝結(jié)的一種換熱器。鍋爐是另一類換熱器，流體在其內(nèi)吸熱并汽化?？臻g輻射器是以輻射方式將熱流體的熱量傳遞到周圍空間的換熱器。10第二章 鍋爐簡介1000磅/小時(shí)（s）到大型電廠超過10×10磅/小時(shí)（260k/從一加熱的/in（212（0℃先進(jìn)環(huán)電的4500磅/in（310bar）1100F（593℃）?，F(xiàn)代鍋爐可根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)分類。這些包括最終用途、燃燒方式、運(yùn)行壓力、燃料和循環(huán)方式。大型中心電站的電站鍋爐主要用來發(fā)電。它們經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可達(dá)到最高的熱效率。新機(jī)組的關(guān)鍵特性是利用再熱器提高整個(gè)循環(huán)效率。各種附加的系統(tǒng)也產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電及其他過程應(yīng)用。這些系統(tǒng)常常利用廉價(jià)或免費(fèi)燃料，聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)和過程，以及余熱回收，以減少總費(fèi)用。這些例子包括：余熱并提高熱效率。放降到最低。通過燃?xì)廨啓C(jī)做功。高爐排煙熱量回收：利用高爐余熱產(chǎn)生蒸汽。太陽能蒸汽發(fā)生器：利用集熱器收集太陽輻射熱產(chǎn)生蒸汽?，F(xiàn)代660MW燃煤鍋爐有大約6000噸的壓力部件，包括500千米的受熱面管材，千米連接管與聯(lián)箱和30000個(gè)管接頭焊口。這是經(jīng)過大約50年發(fā)展的結(jié)果，并形成了煤粉在具有蒸發(fā)管束的爐膛燃燒，煙氣然后流經(jīng)對流過熱器和熱回收表面的基本概念并保留至今。蒸汽參數(shù)的提高，機(jī)組容量的增大及燃料燃燒特性的改進(jìn)都要求在材料、制造技術(shù)和運(yùn)行程序上相應(yīng)發(fā)展。二戰(zhàn)后的一些年里，在電廠安裝鍋爐的數(shù)量多于汽輪機(jī)是很常見的，鍋爐提供蒸汽到母管然后到汽機(jī)。這種布置反應(yīng)了鍋爐的可用性低于汽輪機(jī)。四十年代后期，隨著鍋爐可用性的提高，鍋爐和汽機(jī)開始可以相互配套使用。鍋爐和汽機(jī)成套的變化使得再熱成為可行，而且伴隨著高溫鋼材的應(yīng)用，經(jīng)過蒸汽參數(shù)的不斷提高，達(dá)到了當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)2400lbf/in2，568℃和再熱568℃。為充分利用更高的蒸汽參數(shù)和獲得經(jīng)濟(jì)容量，在接下來的15年，機(jī)組容量又增加了20倍。燃料與燃燒大部分鍋爐以煤、天然氣和石油作為燃料。然而，在過去的幾十年里，至少在發(fā)電領(lǐng)域核能開始扮演一個(gè)主要角色。同樣，不斷增加的各種生物質(zhì)和過程副產(chǎn)品也成為蒸汽生產(chǎn)的熱源。這些包括泥煤、木材及木材廢棄物、稻草、咖啡渣、稻谷殼、煤礦廢棄物（煤屑）、煉鋼爐廢熱甚至太陽能。11現(xiàn)代美國中心電站用燃料主要是煤，或是煙煤、次煙煤或是褐煤。雖然天然氣和燃油也許是未來化石燃料電廠的燃料選擇，但煤仍然是今后新的，基本負(fù)荷電站鍋爐的主要燃料。煤的分類 的。中國煤的性質(zhì)如表2-1所示。以煤階進(jìn)行煤的分類是典型的做法。這表現(xiàn)為煤化程度的大?。簭暮置旱截毭骸熋阂约盁o煙煤。煤階表明了煤的地質(zhì)歷史和主要特性?，F(xiàn)在美國應(yīng)用的煤分類標(biāo)準(zhǔn)是由美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）建立的。其分類是通過煤的工業(yè)的商業(yè)使用價(jià)值，并提供關(guān)于煤燃燒特性的基本信息。燃燒系統(tǒng)鍋爐內(nèi)化石燃料燃燒以產(chǎn)生蒸汽的技術(shù)已成熟多年。然而，在過去的二十多年中，為了將大氣排放和污染降到可行的最低程度，燃燒技術(shù)得到了很大程度的提高。油燃燒系統(tǒng)所有的電站鍋爐都燃用油，在燃煤鍋爐中點(diǎn)燃煤粉，在煤進(jìn)入爐膛之前加熱爐膛并升壓，而在燃油鍋爐中則作為主要負(fù)荷燃料。一般地，燃油都是粘度在3500sec到6500sec的殘?jiān)剂嫌?。為了有效的燃燒，這些油必須被加熱到120~130℃并被良好地分散或霧化成很小的微滴燃用渣油，要比一般的餾分油（柴油，汽油等）便宜，但又帶來一些問題：酸性污染物和20世紀(jì)60誕生了一種油燃燒器——“標(biāo)準(zhǔn)燃燒器”，它可以在非常低的過量空氣系數(shù)下減少碳排放。為保為2%。煤燃燒系統(tǒng)（一次風(fēng)）送入燃燒器。同以前相比，在流動(dòng)平衡上的設(shè)計(jì)成果現(xiàn)在已能使鍋爐在較低的過量空氣水平下運(yùn)行，并在不增加飛灰含碳量水平的情況下提高了總的效率煤燃燒系統(tǒng)部件的布置必須根據(jù)經(jīng)濟(jì)因素和煤的性質(zhì)來確定。作為整個(gè)燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能參數(shù)，煤粉細(xì)度、磨煤機(jī)出口溫度、空煤比等都必須達(dá)到要求。低NOx燃燒系統(tǒng)影響NOx生成的因素包括燃料含氮量、火焰峰值溫度、火焰中的可用氧量以及氣流在鍋爐系統(tǒng)中的停留時(shí)間。當(dāng)煤進(jìn)入爐膛其化學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，一些煤中的化合氮就作為揮發(fā)分被釋放出來。由大氣中的氮生成的一氧化氮即“熱力型NOx”可以通過減少煙氣在高溫區(qū)域的停留時(shí)間而得到控制，這樣就會(huì)控制燃燒階段中可用氧量，最后生成的是無害氮而不是NOx。因?yàn)槊涸谌紵齾^(qū)的燃燒需要一定的過量氧氣以便使所有的碳燃盡，且不含氮的煤是難以獲得的，因此NOx的減少必須依靠鍋爐和燃燒器的設(shè)計(jì)來完成。天然氣燃燒系統(tǒng)天然氣曾經(jīng)作為電廠主要燃料。然而一些年來，沒有太多的天然氣可供電廠使用，并且人們沒有正視這樣的事實(shí)，即天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)燃料將會(huì)重新得到大量應(yīng)用。12丙烷常常作為一種點(diǎn)火劑，廣泛地應(yīng)用于燃油鍋爐和燃煤鍋爐中的油燃燒器。流化床燃燒 流化床燃燒是煤粉燃燒方式的一種，采用這種燃燒方式時(shí)煤在空氣中的燃燒發(fā)生在流化床煤粒和石灰石投入到床中，石灰石在床內(nèi)煅燒成石灰。流化床中主要是石灰和少量的煤，煤焦在其中循環(huán)。運(yùn)行中的床溫很低，只有427℃(800℉)，在這個(gè)溫度下的熱力學(xué)環(huán)境有利于減少NOx的形成和捕集SO2，使之與CaO反應(yīng)生成CaSO4。對于煤燃燒，蒸汽循環(huán)可以是亞臨界，也可能是超臨界，它們具有相近的發(fā)電效率。循環(huán)流化高灰分煤和低揮發(fā)分煤，并且在運(yùn)行中可以改變煤種。循環(huán)流化床鍋爐適合與生物質(zhì)共燃，最近就新建了幾臺燃燒褐煤的循環(huán)流化床機(jī)組。如圖2-1所示，目前最常用的流化床技術(shù)是循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。煤和煤焦燃燒的同時(shí)，空氣過對流煙道部分，煙氣把熱量傳給爐管以產(chǎn)生高壓蒸汽。NOx的生SOx排放需要燃燒低硫分煤，并且NOx的排放受燃燒反應(yīng)的限制。是600制粉系統(tǒng)煤粉制備與煤粉燃燒技術(shù)的發(fā)展是同步的。為了使煤在爐膛中有效燃燒，煤在離開燃燒器時(shí)必須被粉碎到一定的大小，這樣才能迅速燃燒，這就意味著煤必須被加工成小顆粒，才能被迅速加熱到著火溫度并和空氣良好混合。 煤機(jī)出來的煤粉直接送去燃燒，就會(huì)對磨煤機(jī)的可靠性有很高的要求。機(jī)提供高于磨煤機(jī)內(nèi)部壓力的密封空氣。方式泄露的空氣量也無法測量，如果達(dá)到高的空/煤比，遇到明火則可能發(fā)生爆炸。中速磨磨輥在一層耐磨層上滾動(dòng)，通過移動(dòng)的磨盤把煤壓碎。磨輥的運(yùn)動(dòng)引起煤粒間的相互運(yùn)動(dòng)同時(shí)磨輥的壓力在煤粒間形成壓力負(fù)荷。一定壓力下在煤粒層上的運(yùn)動(dòng)引起摩擦（煤粒依靠摩擦力破碎），這就是磨煤機(jī)的工作原理。耐磨層具有緩沖作用，雖然降低了磨的效率，但也大大降低了磨輥的磨損。當(dāng)磨煤區(qū)的工作面間距離很近時(shí)，比如到了一個(gè)顆粒大小，三個(gè)部件（磨輥，顆粒，磨盤）間的磨損就會(huì)大大增加，磨損速率會(huì)是正常磨煤機(jī)的100倍。當(dāng)帶有石英的石頭尺寸等于或大于磨層厚度時(shí)，也會(huì)在運(yùn)行中發(fā)生三部件接觸的磨損。13隨著磨煤的進(jìn)行，為了防止過度磨制和降低能耗及磨損，磨好的煤粉從磨煤機(jī)中排出。圖2-2是MPS型中速磨的示意圖，顯示了中速磨煤機(jī)的基本組成。在磨煤機(jī)下部有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的臺面，稱為輥胎的輥?zhàn)釉谂_面上滾動(dòng)。 化并攜帶這些煤粉。流化床形成了第一步的分離。預(yù)熱的空氣同時(shí)干燥煤粉以保證煤粉的有效燃燒。40%也能在中速磨中很好地得到干燥，干燥水空氣煤粉向上流動(dòng)時(shí)，由于流動(dòng)面積增大使流動(dòng)速度降低，大粒徑的煤粒就會(huì)回落到磨盤上。最后的煤粉分離采用磨煤機(jī)上部的粗粉分離器，粗粉分離器是利用離心力的分離裝置。風(fēng)粉混合物以一定角度進(jìn)入，從而發(fā)生旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生離心力。粗一點(diǎn)的煤粉沖擊到分離器的周邊，不再保持懸浮狀態(tài)而回落到磨盤上。風(fēng)粉混合物中的細(xì)煤粉顆粒保持懸浮狀態(tài)，并最終上升進(jìn)入煤粉管。低速磨 筒式鋼球磨是現(xiàn)在仍在使用的最早的磨煤機(jī)。它是一個(gè)臥式的筒體，里面裝有小直徑的鋼球。筒體內(nèi)襯耐磨材料以加強(qiáng)球的滾動(dòng)，球占筒體總?cè)莘e的25%到30%。轉(zhuǎn)速取離心力可以克服重力時(shí)速度的80%，這樣可以使鋼球貼在筒體的內(nèi)壁上。通過筒體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鋼球的碰撞來實(shí)現(xiàn)煤粉的磨制。粗粉分離器布置于磨煤機(jī)的外部，粒徑過大的粗粉被送回到磨煤機(jī)與原煤混合。筒式鋼球磨不具有類似立式磨的流化床特點(diǎn)，同時(shí)由于空氣和煤粉的混合不均勻限制了干燥能力。如果筒式鋼球磨要磨的煤中水分高于20%，就必須使用輔助的干燥裝置，比如破碎干燥機(jī)。對新建鍋爐來說，中速磨已經(jīng)大量的取代了筒式鋼球磨。相對于中速磨，筒式鋼球磨往往需要大的建筑空間和較高的能耗。同時(shí)，筒式鋼球磨難于控制且有較高的磨損速度。但是，筒式鋼球磨能很好的適應(yīng)極具磨損作用的、低水分的難磨燃料，比如石油焦。煤在其中較長的停留時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)有效的磨制。制粉系統(tǒng)從磨煤機(jī)出來的煤粉直接參與燃燒過程，同時(shí)參與的還有空氣、水蒸汽和通入磨煤機(jī)的熱能。中儲式系統(tǒng)把煤粉從空氣、水蒸汽和通入磨煤機(jī)的能量中分離開再去燃燒。儲倉中的煤粉由新的一次風(fēng)輸送到燃燒設(shè)備。目前生產(chǎn)蒸汽的過程中很少采用中儲式制粉系統(tǒng)，但是很多特殊的場合仍然需要，比如煤氣化和高爐投煤。目前在美國運(yùn)行的中速磨大約有1000臺，其中99%以上的是直吹式系統(tǒng)。直吹式系統(tǒng)的主要部件有： (1)給煤機(jī)，通過煤倉調(diào)節(jié)進(jìn)入磨煤機(jī)的給煤量。 (2)熱源，用來預(yù)熱干燥煤粉的一次風(fēng)14 位于磨煤機(jī)之后（負(fù)壓系統(tǒng)） (4)磨煤機(jī)，作為正壓系統(tǒng)或負(fù)壓系統(tǒng)的主體部分。 (5)管路，把煤和一次風(fēng)從磨煤機(jī)輸送到燃燒器 (6)燃燒器，混合煤粉和平衡燃燒空氣 (7)控制和調(diào)節(jié)裝置根據(jù)工程的經(jīng)濟(jì)性，以上部件可以按照不同的形式布置。在正壓系統(tǒng)中，需要做出選擇，是采風(fēng)輸送系統(tǒng)初始投資費(fèi)用較低，因?yàn)椴恍枰囟ǖ目諝饧訜崞?。對大型機(jī)組而言，冷風(fēng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)具有較低的運(yùn)行費(fèi)用，可以補(bǔ)償較高的初始投資。中速磨這個(gè)術(shù)語是指空氣引入到磨煤機(jī)中作為一次風(fēng)用來干燥和輸送煤粉。一次風(fēng)的控制對制粉系統(tǒng)的正常運(yùn)行是非常重要的。不管是直吹式還是中儲式制粉系統(tǒng)，也不管采用熱風(fēng)還是冷風(fēng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)都需要普遍的控制。必須控制一次風(fēng)量和磨煤機(jī)出口溫度，這個(gè)控制由三個(gè)相互聯(lián)系的節(jié)氣閥來實(shí)現(xiàn)。其中的兩個(gè)是熱和冷的節(jié)氣閥，用來調(diào)節(jié)磨煤機(jī)的空氣溫度，這些節(jié)氣閥通常是相互關(guān)聯(lián)的，從而保證一個(gè)開啟另一個(gè)則關(guān)閉。第三個(gè)節(jié)氣閥是獨(dú)立的，用來控制空氣容積。一些生產(chǎn)商只爐膛 爐膛是一個(gè)四周封閉的開口大空間，燃料在其中燃燒，產(chǎn)生的煙氣在進(jìn)入對流煙道前得到冷卻。離開爐膛進(jìn)入管束的煙氣溫度過高則會(huì)導(dǎo)致煙塵微粒沉積在管壁上或使金屬管壁超溫。燃料和燃燒設(shè)備的類型對爐膛的幾何形狀和尺寸影響很大。在這種情況下，磨細(xì)的煤粉被送入爐膛懸浮燃燒。燃燒產(chǎn)物上升穿過爐膛上部。過熱器、再熱器和省煤器等受熱面被特定布置于在現(xiàn)代蒸汽發(fā)生器中，爐膛和對流煙道的爐墻是由碳鋼或低合金鋼的汽冷或水冷壁組成，以維持爐墻的金屬溫度在允許的范圍內(nèi)。這些管子在頂部和底部由聯(lián)箱或母管連接在一起。這些聯(lián)箱用來分配或收集水、蒸汽或汽水混合物。在最現(xiàn)代化的機(jī)組中，爐墻管道也作為主要的產(chǎn)生蒸汽的部件或受熱面。這些管子用鋼條焊接在一起，組成氣密的、連續(xù)的、剛性的膜式墻。這和燃?xì)鈬娙肟凇＿^熱器和再熱器 過熱器和再熱器被專門設(shè)計(jì)成順列管束，用來提高飽和蒸汽的溫度。一般形式下，它們是簡單的單相換熱器，蒸汽在管道內(nèi)流動(dòng)，煙氣從外面經(jīng)過，通常二者是交叉流動(dòng)。由于其較高保持金屬溫度低于其可接受的極限和控制蒸汽流動(dòng)的壓力損失。過熱器和再熱器的主要區(qū)別是蒸汽壓力。在典型的汽包鍋爐中，過熱器的出口壓力為過熱器和有的再熱器經(jīng)常被分為幾段以利于控制蒸汽溫度和優(yōu)化熱量回收。過熱器的類型根據(jù)煙氣側(cè)的傳熱方式，過熱器可分為兩種基本類型。最初的一種是對流過熱器，從煙氣吸收的輻射熱量很小。在這樣的機(jī)組中，蒸汽溫度隨鍋爐負(fù)荷的增加而升高，這是因?yàn)闋t膛吸收單15顯。輻射式過熱器主要吸收來自爐膛的輻射熱，對流傳熱量很少。一般采用較大間距（24英寸或很大的側(cè)邊距）的屏式凝渣管或懸吊屏式過熱器的型式布置于爐膛中。有時(shí)這種過熱器和包墻管組合成一體。因?yàn)闋t膛受熱面吸熱不如鍋爐負(fù)荷增長快，所以隨著鍋爐負(fù)荷的增長輻射式過熱汽溫度反而下降，如圖2-5所示某些情況下，在較大的負(fù)荷范圍內(nèi)，這兩條變化趨勢相反的曲線可由一系列聯(lián)合的輻射、對流過熱器疊加為平緩的過熱曲線，如圖2-5所示。一個(gè)單獨(dú)加熱的過熱器也能產(chǎn)生平緩的過熱曲線。輻射和對流式過熱器的設(shè)計(jì)需要特別注意避免因蒸汽和煙氣流量分配不均而造成的管子超溫。一般過熱器中有100,000到1,000,000lb/hft2(136到1356kg/m2s)或更多的蒸汽質(zhì)量流量。這種設(shè)置是在允許壓降的范圍內(nèi)對管子內(nèi)部進(jìn)行充分的冷卻。質(zhì)量流量的選擇取決于蒸汽的壓力和溫度，還有過熱器的熱負(fù)荷。此外，高速下的高壓損會(huì)改善蒸汽側(cè)流場分布。省煤器和空氣預(yù)熱器省煤器和空氣預(yù)熱器在提高鍋爐總的熱效率方面發(fā)揮著重要作用,它們回收了排入大氣前煙氣爐效率就會(huì)被提高大約強(qiáng)化了多種燃料的燃燒，并保證了穩(wěn)定的著火。省煤器 潔空間和合理的煙氣側(cè)壓損。根據(jù)設(shè)計(jì)，這些管子內(nèi)一般不會(huì)產(chǎn)生蒸汽。會(huì)產(chǎn)生一種高污垢、侵蝕的環(huán)境。相對于如圖2-6的錯(cuò)列布置，這些順列布置的光管就會(huì)盡可種布置的好處必須要結(jié)合它大重量、大空間以及造價(jià)進(jìn)行綜合評估面的清潔能力是一關(guān)鍵因素?？諝忸A(yù)熱器空氣預(yù)熱器是利用經(jīng)過省煤器的鍋爐煙氣攜帶的熱量加熱燃燒空氣，并提供干燥煤粉的熱空氣。在燃煤電廠中，空氣預(yù)熱器的出口溫度受限于磨煤機(jī)的出口溫度和調(diào)溫風(fēng)系統(tǒng)容量，煙氣出口溫度則要考慮傳熱表面的污染和后面設(shè)備的腐蝕情況。在較老的鍋爐中一般采用管式或板式空預(yù)器，體積大，很難清理，而且壞損的傳熱表面不易替換?，F(xiàn)代鍋爐都采用回轉(zhuǎn)式。回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的最大特點(diǎn)是顯著地節(jié)省了空間?；剞D(zhuǎn)式空預(yù)器采用緊密的受熱面布置方式，必須采用性能良好的吹灰器使其保持清潔。受熱面由壓制成特殊形狀的鋼板或考登鋼板組成。這些板子厚到，一般被壓緊并裝16進(jìn)置于支撐結(jié)構(gòu)上的鋼制倉體。這些板子的形狀經(jīng)過優(yōu)化，具有很高的傳熱效率，同時(shí)要在使用吹灰器充分保持清潔的情況下保證壓損最小。一臺660MW500前兩項(xiàng)能被理想的表示為一組無量綱數(shù)：雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù)和斯坦頓數(shù)的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)室規(guī)模試驗(yàn)可以確立每種空氣預(yù)熱器組件的關(guān)系式。這就可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，估算新開發(fā)部件的幾何性能，以及評估由于灰污問題而需使用替代部件的效果。鍋爐在線吹灰是否高效的燃燒化石燃料來生產(chǎn)電力很大程度上取決于蒸汽產(chǎn)生設(shè)備對煤燃燒產(chǎn)物（煤灰）的適應(yīng)性。吹灰器用來吹掃沉積在鍋爐受熱面上的積灰來保證有效地向蒸汽傳熱。在英國吹灰介質(zhì)大部分用蒸汽而在美國一般用空氣。能量守恒 進(jìn)入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)部能量的積累 0，其方程為：進(jìn)入系統(tǒng)的能量=離開系統(tǒng)的能量進(jìn)入系統(tǒng)的能量就是進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量流所攜帶的能量，以及輔助設(shè)備的驅(qū)動(dòng)能量。離開系統(tǒng)的能量就是離開系統(tǒng)的質(zhì)量流所攜帶的能量，以及通過蒸汽發(fā)生器表面?zhèn)鬟f給環(huán)境的能量。 效率為輸出能量和輸入能量的比值，以百分?jǐn)?shù)的形式表示：效率-能量平衡法（反平衡法） 確。例如：如總損失占總輸入能量的10%，則1%的測量誤差僅會(huì)導(dǎo)致%的效率誤差，而在測量燃料流量中1%的誤差將會(huì)導(dǎo)致效率的1%的誤差。析數(shù)據(jù)等試驗(yàn)條件的變化，該方法可以容易的將效率修正到基準(zhǔn)工況或保證工況。效率-輸入-輸出法（正平衡法）根據(jù)輸入－輸出法計(jì)算的效率是基于測定燃料量和計(jì)算輸出能量所必需的鍋爐汽水側(cè)參數(shù)。該方法計(jì)算的效率的不確定度直接與燃料測量、樣本燃料分析和鍋爐輸出能量求取等的不確定度成正比。所以，要獲得可靠的結(jié)果，在精確測量上述各項(xiàng)時(shí)必須格外謹(jǐn)慎。17第三章蒸汽輪機(jī)引言蒸汽輪機(jī)是最重要的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)之一，是發(fā)電領(lǐng)域的主要原動(dòng)機(jī)。本文簡單討論了作為蒸汽輪機(jī)發(fā)電廠部件之一的蒸汽輪機(jī)的作用。對于一個(gè)簡單的蒸汽輪機(jī)發(fā)電廠，第一個(gè)部件就是把蒸汽提高到汽輪機(jī)所需壓力和溫度的蒸汽鍋爐。蒸汽鍋爐接受經(jīng)過不同回?zé)岷蜔峄厥昭b置提高了溫度的給水。在大多數(shù)電廠中，采用了過熱蒸汽；大型電廠中，蒸汽在汽輪機(jī)的一些級中膨脹后，要經(jīng)過一次或兩次再熱。過熱蒸汽經(jīng)過調(diào)節(jié)閥進(jìn)入蒸汽輪機(jī)。蒸汽輪機(jī)總是多級汽輪機(jī)，根據(jù)汽輪機(jī)容量的大小采用一個(gè)或多個(gè)缸。用泵打入鍋爐。蒸汽輪機(jī)的類型蒸汽輪機(jī)可用以下方式分為許多類型。根據(jù)流向?軸向?徑向根據(jù)膨脹過程?沖動(dòng)式?反動(dòng)式?沖動(dòng)反動(dòng)混合式根據(jù)級的個(gè)數(shù)?單級?多級根據(jù)汽輪機(jī)入口結(jié)構(gòu)?全周進(jìn)汽?部分進(jìn)汽根據(jù)汽流個(gè)數(shù)?單流?雙流?單軸或雙軸根據(jù)轉(zhuǎn)速?N=3000rpm,f=50Hz?N=3600rpm,f=60Hz?N=1500rpm?變速機(jī)組根據(jù)應(yīng)用?發(fā)電?工廠用?船用根據(jù)蒸汽參數(shù)?低壓汽輪機(jī)，采用壓力為到的蒸汽;?中壓汽輪機(jī)，蒸汽壓力達(dá)到；?高壓汽輪機(jī)，采用壓力為到或更高壓力，溫度為535℃或更高溫度的蒸汽；?超臨界壓力汽輪機(jī)，采用蒸汽壓力為或大于此壓力。沖動(dòng)式汽輪機(jī)沖動(dòng)式汽輪機(jī)是指在轉(zhuǎn)子中沒有流體靜壓頭改變的汽輪機(jī)。轉(zhuǎn)子葉片僅僅引起能量的傳遞而沒有任何能量的轉(zhuǎn)變。由壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能或動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗艿哪芰哭D(zhuǎn)換僅僅發(fā)生在靜葉片中。如在沖動(dòng)式汽輪機(jī)中，高速流體的動(dòng)能傳遞到轉(zhuǎn)子上僅僅由于作用在轉(zhuǎn)子上的流體沖動(dòng)力。圖3-1給出了典型的沖動(dòng)級速度三角形圖。動(dòng)葉出口蒸汽的相對速度(W)小于動(dòng)葉入口的相對速度18(W)。這表示了在動(dòng)葉中發(fā)生了動(dòng)能向機(jī)械功的轉(zhuǎn)化。由于在沖動(dòng)式汽輪機(jī)中轉(zhuǎn)子葉片通道不會(huì)引起流體的任何加速，在葉片表面由于附面層的增加引起流體分離的機(jī)率要大一些。由此，沖動(dòng)式汽輪機(jī)中轉(zhuǎn)子葉片通道的損失較大，導(dǎo)致了較低的級效率。圖.3-1沖動(dòng)級速度三角形圖 圖.3-2反動(dòng)級速度三角形圖U=動(dòng)葉輪周速度,m/s c=動(dòng)葉入口蒸汽的絕對速度,m/sC=動(dòng)葉出口蒸汽絕對速度,m/s w=動(dòng)葉入口蒸汽的相對速度,m/sw=動(dòng)葉出口蒸汽相對速度,m/s反動(dòng)式汽輪機(jī)渦輪機(jī)械級的反動(dòng)度定義為轉(zhuǎn)子中發(fā)生的壓頭改變與整級的全部壓頭改變之比。在轉(zhuǎn)子葉片通道和靜子葉片通道都有壓頭改變的渦輪機(jī)或級稱作為反動(dòng)式渦輪機(jī)或反動(dòng)級。其中，在靜葉和動(dòng)葉中都有能量的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子上既有能量傳遞又有能量轉(zhuǎn)變。因此在反動(dòng)式汽輪機(jī)中，由于流體的連續(xù)加速及較低的損失，它的效率應(yīng)當(dāng)高一些。反動(dòng)度為50%或一半的渦輪機(jī)有一些特殊的特點(diǎn)。反動(dòng)度為50%的軸流式渦輪機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子上的葉片對稱。對于反動(dòng)度為50%的級，可看出它的出口和入口速度三角形也是對稱的。圖3-2給出了典型的反動(dòng)級的速度三角形。動(dòng)葉出口的蒸汽相對速度(W)大于動(dòng)葉入口的蒸汽相對速度(W)：這是由于動(dòng)葉的焓降導(dǎo)致通過動(dòng)葉的速度增加。多級汽輪機(jī)后面可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)速給定時(shí)，在渦輪機(jī)械的一級中，流體能量水平的改變是有限的。這對于渦輪機(jī)、壓縮機(jī)、泵和吹灰器是一樣的。因此，在能量水平改變很大的應(yīng)用中，采用了多級。在多級汽輪機(jī)中，可僅采用沖動(dòng)級或采用反動(dòng)級或沖動(dòng)級和反動(dòng)級的組合。沖動(dòng)式汽輪機(jī)可采用許多壓力級承擔(dān)大的壓降或許多速度級承擔(dān)高的動(dòng)能。還可同時(shí)采用速度級和壓力級。在一定的壓縮機(jī)中，同一個(gè)機(jī)械上采用了軸向流動(dòng)的級和靜向流動(dòng)的級是有意義的。不同的級可安裝在一個(gè)或多個(gè)軸上。在大型汽輪機(jī)中，鍋爐出口和凝汽器入口的蒸汽壓差非常大。如果汽輪機(jī)中只有一個(gè)級，那么就需要采用一個(gè)高轉(zhuǎn)速的直徑很大的轉(zhuǎn)子，這不僅會(huì)使制造困難，而且會(huì)引起嚴(yán)重的強(qiáng)度和支承問題。一般說來，一個(gè)多級蒸汽輪機(jī)基本由下面幾部分組成：（1）汽缸，為了便于裝配和拆卸，通常汽缸在水平中分面分開為兩半，這兩半由螺栓連接，用于支承靜止葉片系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上有動(dòng)葉片安裝在葉輪上，以及還有葉輪。（3）軸承箱置于汽缸中，用于支承軸（4）調(diào)節(jié)系統(tǒng)19和一組安全裝置（5）聯(lián)軸器用于轉(zhuǎn)子的連接，并與發(fā)電機(jī)相連；（6）管道與汽缸入口蒸汽供給管道、汽缸出口排汽系統(tǒng)相連。汽缸結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)汽缸實(shí)質(zhì)上是一個(gè)壓力容器，在水平中心線的兩端支撐它的重量。設(shè)計(jì)中要求在汽缸的橫斷面上，能承擔(dān)管道的應(yīng)力，而且沿汽缸的長度方向，要有一定的剛性從而維持汽輪機(jī)動(dòng)靜部分準(zhǔn)確的間隙。汽缸由于內(nèi)部通道的需要使得其設(shè)計(jì)復(fù)雜。所有的汽缸都從水平中分面分開，從而使轉(zhuǎn)子能放入汽缸內(nèi)和汽缸裝配為一個(gè)整體。在汽缸的水平結(jié)合面上，設(shè)置了巨大的法蘭和螺栓用以承擔(dān)壓力。相比汽缸的其余部分，相對厚重的法蘭對溫度變化的反應(yīng)較慢，導(dǎo)致了不同的膨脹率，產(chǎn)生了溫度應(yīng)力和變形，盡管這些在汽輪機(jī)中已采用了法蘭加熱蒸汽使其減至最低程度。軸封汽室和蒸汽出入通道使得應(yīng)力進(jìn)一步復(fù)雜。高壓和中壓汽缸都是鑄造結(jié)構(gòu)，并且在橫截面上采用圓形結(jié)構(gòu)從而使得應(yīng)力達(dá)到最小。法蘭、螺栓、蒸汽出入通道和其他特征盡可能布置成對稱結(jié)構(gòu)，從而減少熱不對稱和由此引起的變形。低壓汽缸可以采用裝配結(jié)構(gòu)或裝配與鑄造組合的結(jié)構(gòu)。和所有的壓力容器一樣，汽缸在制造完后要進(jìn)行液壓試驗(yàn)檢查設(shè)計(jì)的完善性，液壓試驗(yàn)要進(jìn)行最高工作壓力150%的壓力試驗(yàn)。高壓汽缸圖3-3高壓缸軸向剖面圖

力超過10MPa并且功率大于100的高壓汽缸。這是因?yàn)楦邏焊准纫袚?dān)熱和壓應(yīng)力，而又能靈活運(yùn)行，這時(shí)設(shè)計(jì)單層缸結(jié)構(gòu)是困難的。對于雙層缸結(jié)構(gòu)，缸間充滿了處于排汽參數(shù)的蒸汽，從而使得每層缸都能設(shè)計(jì)成承擔(dān)小溫差和小壓差的結(jié)構(gòu)。在雙層缸間靠近排汽端設(shè)置了擋板，這個(gè)擋板是內(nèi)缸鑄件的一部分。擋板向外延伸幾乎達(dá)到外缸，但沒有與外缸封住。高壓缸的紊流排汽在擋板的作用下排入排汽管道，避免冷卻內(nèi)缸；這減小了內(nèi)缸進(jìn)汽端的溫差及由此引起的應(yīng)力。從高壓缸進(jìn)汽端內(nèi)缸和轉(zhuǎn)子間軸封泄漏的蒸汽用管子排向高壓缸排汽處，從而使得雙層缸間充滿了處于排汽狀態(tài)的蒸汽，并且通過外缸軸封泄漏在雙層缸間維持小流量的蒸汽流動(dòng)。較小的壓差可以采用較薄的汽缸，這一點(diǎn)以及雙層缸結(jié)構(gòu)的較大的表面積，使得汽輪機(jī)在啟動(dòng)時(shí)能較快的暖機(jī)。另外薄汽缸還易于鑄造，并且可能有較少的缺陷。在一些汽輪機(jī)中，采用了反向流葉片，其中蒸汽在其膨脹過程中的某處，從缸間返回以相反的方向繼續(xù)流過最后的級。這種布置導(dǎo)致了較高的缸間壓力和溫度，在外缸應(yīng)力增加的代價(jià)下減少了熱內(nèi)缸的應(yīng)力。另外這種結(jié)構(gòu)還使得以缸間參數(shù)抽汽的抽汽口結(jié)構(gòu)簡單，并且減少了高壓轉(zhuǎn)子的凈推力。在一些現(xiàn)代汽輪機(jī)中，為了進(jìn)一步減少熱內(nèi)缸的應(yīng)力以及熱變形，采用了三層缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)20相對薄，仍可承擔(dān)（一定的）應(yīng)力。三層缸的這種形式，其中一個(gè)缺點(diǎn)是在裝配和拆卸高壓汽缸時(shí)麻煩。在裝配中，需要把轉(zhuǎn)子裝入內(nèi)、外下缸中，之后把內(nèi)上缸裝配好，然后把轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸一塊吊起，置于一個(gè)特殊的夾具上，使得筒狀汽缸穿過。套好后，放下置于外缸的下半部分上，最后把上半外缸扣上即可。蒸汽進(jìn)汽管道通過外缸，將蒸汽送入到內(nèi)缸的進(jìn)汽部分。進(jìn)汽部分由內(nèi)缸的一部分形成，這樣確保入口蒸汽不直接與轉(zhuǎn)子接觸，而是必須首先流過噴嘴和第一列動(dòng)葉柵。當(dāng)主蒸汽溫度超過538℃時(shí)，有時(shí)會(huì)采用由耐熱合金鋼制造的單獨(dú)噴嘴室結(jié)構(gòu)，這樣可以避免汽缸與最高溫度的蒸汽接觸。這種單獨(dú)噴嘴室結(jié)構(gòu)取代了進(jìn)汽部分，把蒸汽從入口管道送入第一級噴嘴。一些國外機(jī)組采用噴嘴調(diào)節(jié)代替了節(jié)流調(diào)節(jié)。對于噴嘴調(diào)節(jié)，汽輪機(jī)的進(jìn)汽部分分成幾部分，每部分由順序開啟的調(diào)節(jié)閥控制，這樣導(dǎo)致了更加復(fù)雜的鑄造結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求更高的第一級動(dòng)葉片。靜葉片支撐在隔板上，隔板由靠近水平結(jié)合面和垂直中分線的鍵支撐和導(dǎo)向，從而允許同心膨脹。圖3-3中高壓缸的特征包括：雙層缸，葉片支撐在內(nèi)缸的隔板上，兩個(gè)進(jìn)汽管道對稱布置，底部有兩個(gè)抽汽管道，缸間有擋板，缸間靠近排汽端有鍵，外缸的兩端都有立銷，進(jìn)汽管道上有熱襯套，轉(zhuǎn)子汽缸間有軸封。圖3-4中壓缸軸向剖面圖

中壓汽缸現(xiàn)代再熱機(jī)組中，設(shè)計(jì)中壓缸時(shí)考慮的因素和高壓缸相似，進(jìn)入中壓缸的蒸汽溫度和高壓缸相同，壓力卻低于高壓缸壓力。這使得中壓缸可以薄點(diǎn)。一般而言，大于300MW功率的機(jī)組至少有一部分為內(nèi)缸和持環(huán)都減少了作用在外缸上的壓力和溫度，也使得外缸的型線光滑，這使外缸設(shè)計(jì)和制造簡單，熱性能好。持環(huán)（的結(jié)構(gòu)）使得汽缸的設(shè)計(jì)有較大的靈活性，因?yàn)楫?dāng)葉片改變時(shí)，不需要改變主要的汽缸，而且一個(gè)汽缸的設(shè)計(jì)能滿足級的不同布置方式。中壓汽缸常為雙流設(shè)計(jì)，并且在現(xiàn)代大型汽輪機(jī)上常常如此。采用單流還是雙流主要根據(jù)葉片的設(shè)計(jì)和效率來決定，但是雙流汽缸還有取消高壓端軸封的優(yōu)點(diǎn)。和高壓汽缸一樣，中壓汽缸轉(zhuǎn)子在進(jìn)汽處要避免與高溫蒸汽接觸；中壓汽缸上設(shè)有導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流環(huán)將入口蒸汽引至噴嘴，同時(shí)在鄰近轉(zhuǎn)子的導(dǎo)流環(huán)中心還通有溫度較低的高壓缸排汽。導(dǎo)流環(huán)單獨(dú)支撐在內(nèi)缸的鍵上，或支持在第一級噴嘴內(nèi)部。在中壓缸的兩個(gè)反向流中，葉片略有不同，導(dǎo)致兩端的壓力不同，從而部分內(nèi)缸外形成了一股冷卻汽流。這使得內(nèi)缸外和螺栓的溫度較低，從而可以采用小直徑的螺栓。圖3-4中壓缸的特征有：中間采用內(nèi)缸，兩端為持環(huán)結(jié)構(gòu)，外缸上部有四個(gè)排汽口，底部有兩個(gè)抽汽接口，進(jìn)汽管道上設(shè)有熱襯套，保護(hù)轉(zhuǎn)子中心的導(dǎo)流環(huán)支撐在第一級噴嘴上，外缸的兩端設(shè)有立銷，外缸和轉(zhuǎn)子之間有軸封。低壓汽缸低壓汽缸常常是雙層缸結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)缸上有隔板支撐，抽汽和抽水接頭，外缸將排汽引導(dǎo)至凝汽器并且為內(nèi)缸提供結(jié)構(gòu)上的支撐。然而，低壓缸的結(jié)構(gòu)并不常常如此，尤其是背籃式凝21汽器，其對應(yīng)的低壓缸為單層缸結(jié)構(gòu)。形體大的低壓外缸以及它們所承受的低壓負(fù)載使得低壓缸盡可能采用裝配式結(jié)構(gòu)而不是鑄造結(jié)構(gòu)。更加復(fù)雜的內(nèi)缸基于經(jīng)濟(jì)性考慮可采用裝配式或鑄造式。所有汽缸都采用螺栓連接它們的水平結(jié)合面。對于一個(gè)典型的低壓汽缸，它的特征包括：裝配式內(nèi)缸、外缸；內(nèi)缸上有抽汽口，排汽處有導(dǎo)葉，軸封支持在軸承上并且外缸上有膨脹節(jié)連接。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類型在大型汽輪發(fā)電機(jī)組上，采用了四種不同類型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：整鍛轉(zhuǎn)子，其中葉輪和軸由一個(gè)鍛件鍛造而成(圖.3-5(a))。套裝輪盤轉(zhuǎn)子，由分別鍛造好的鋼軸和鋼制輪盤組成，其中鋼制輪盤通過冷縮配合套裝在鋼軸上，并且利用鍵連接和定位(圖.3-5(b))。鼓形轉(zhuǎn)子，由實(shí)心或空心鍛件制造而成(圖.3-5(c)and3-5(d))。焊接輪盤轉(zhuǎn)子，這類轉(zhuǎn)子在英國并不常見，有用于低壓轉(zhuǎn)子上的方式。在國外的應(yīng)用中，包括高壓和中壓轉(zhuǎn)子采用了這種類型。由于各種各樣的原因，四種類型的轉(zhuǎn)子中，優(yōu)先采用整鍛轉(zhuǎn)子，但是當(dāng)鍛件尺寸超過鍛造能力時(shí)，采用了套裝輪盤結(jié)構(gòu)。目前，英國設(shè)計(jì)的660MW機(jī)組全部采用了整鍛轉(zhuǎn)子。為了避免運(yùn)行中的問題和疲勞裂紋，套裝轉(zhuǎn)子在冷縮配合和定位時(shí)需要非常仔細(xì)。雖然輪盤可能便于進(jìn)行無損檢測，但是整鍛轉(zhuǎn)子的無損檢測能力已發(fā)展到能滿足所有要求的程度。對于采用整鍛轉(zhuǎn)子的低壓轉(zhuǎn)子，有更好的剛性，從而有更好的動(dòng)態(tài)性能。660MW機(jī)組幾乎無一例外的采用了這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，并且試驗(yàn)結(jié)果很好。原來在實(shí)踐中，沿著鍛件軸心方向鉆孔得到試驗(yàn)材料，從而可用來驗(yàn)證鍛造質(zhì)量。但是隨著鍛造技術(shù)和材料性能的提高，目前在一些設(shè)計(jì)中已經(jīng)取消了中心孔結(jié)構(gòu)。焊接轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)是鍛件尺寸小，但需要有高的整體焊接技術(shù)，一些缺乏大型鍛造能力的國家采用了焊接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，他們已成功地制成焊接高、中和低壓轉(zhuǎn)子，在英國，只有有限數(shù)量的焊接低壓轉(zhuǎn)子。于660MW機(jī)組的設(shè)計(jì)，中、低壓缸的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是采用雙流設(shè)計(jì)。對于單流高壓缸，在某種程兩端壓降大）需采用面積大的平衡活塞。相反，相比反動(dòng)級設(shè)計(jì)，采用沖動(dòng)級的高壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，它的葉片節(jié)距直徑降低。另外由于軸向推力更小，僅需要非常小的平衡活塞。轉(zhuǎn)子材料22圖3-5汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類型沒有對應(yīng)材料的發(fā)展，蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展是不可能的。高溫下有好的抗蠕變性能的合金鋼的發(fā)展以及有好的機(jī)械及高斷裂韌性的其他合金鋼的發(fā)展，是冶金領(lǐng)域重大成就的一個(gè)方面。另外生產(chǎn)能夠在高溫和低溫下都適用的組件，驗(yàn)證了煉鋼技術(shù)的進(jìn)步。這些組件有很大的物理尺寸，而且有能夠滿足嚴(yán)格的內(nèi)部缺陷要求的一致的材料性能。23高溫轉(zhuǎn)子既要求蠕變強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度，還要求一定的延展性。利用鍛造的鉻鉬釩鋼制造的轉(zhuǎn)子能滿足這些要求。鉻鉬釩合金剛是一種鐵素體材料，能夠提供可能最好的蠕變性能。對于低溫轉(zhuǎn)子，主要的要求是有相對高的伸張強(qiáng)度和高的韌性。由于鎳鉻鉬釩整鍛轉(zhuǎn)子鍛件避免了套裝轉(zhuǎn)子冷縮配合時(shí)的復(fù)雜性，所以目前的轉(zhuǎn)子采用了這種結(jié)構(gòu)。對于套轉(zhuǎn)低壓轉(zhuǎn)子，它的軸和輪盤都采用了鎳含量高達(dá)%的鎳鉻鉬釩合金鋼；對于大型整鍛轉(zhuǎn)子，為了獲得整鍛轉(zhuǎn)子所必需的伸張性能，也首選這種合金鋼材料。對于采用一系列實(shí)心輪盤組成的裝配式低壓轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，需要一定的焊接技術(shù)。這時(shí)對于合金鋼材的需求是矛盾的，一方面是對伸張強(qiáng)度的要求，另一方面是可焊接性的要求。因?yàn)榈蛪恨D(zhuǎn)子可能在不超過周圍環(huán)境溫度很多的溫度下運(yùn)行。這樣，提供防止脆性斷裂的安全裝置是重要的。對于輪盤、葉輪和整鍛轉(zhuǎn)子，使用可能最低的脆性轉(zhuǎn)變溫度的材料，采用嚴(yán)格的無損檢測，以及斷裂力學(xué)的評估都為低壓轉(zhuǎn)子的安全運(yùn)行提供了必要的（框架）保證。%NiCrMoV鋼的FATT值低。在水淬冷和回火條件下，加上對材料成分的仔細(xì)控制，%NiCrMoV鋼的FATT值很好地低于環(huán)境溫度，有高的抗拉性能以及隨之而來的斷裂韌性。超速試驗(yàn)所有大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在制造時(shí)，都規(guī)定要做耐超速20%試驗(yàn)。這樣在轉(zhuǎn)子的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，能夠保證很好的轉(zhuǎn)子平衡。從而在由電網(wǎng)系統(tǒng)擾動(dòng)引起的正常超速和超速螺栓試驗(yàn)中經(jīng)常的10%超速中，能有足夠的余度。另外對轉(zhuǎn)子進(jìn)行超速試驗(yàn)還能驗(yàn)證鍛件，因?yàn)樵诔龠\(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的離心應(yīng)力要大于常規(guī)運(yùn)行中的離心應(yīng)力，由此為衡量防止轉(zhuǎn)子自發(fā)快速斷裂的裕度提供了定量手段。轉(zhuǎn)子平衡在裝配好葉片后，需要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡和靜平衡。對于套裝轉(zhuǎn)子，在裝配前須先對裝好葉片的葉輪單獨(dú)進(jìn)行平衡。靜平衡是指轉(zhuǎn)子重量均勻地置于軸心周圍。將轉(zhuǎn)子置于水平放置的刀刃支撐上，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子可進(jìn)行靜平衡檢測。動(dòng)平衡是指針對任一個(gè)軸承支撐，沿軸向方向轉(zhuǎn)子不平衡重量的動(dòng)量之和達(dá)到零。動(dòng)平衡試驗(yàn)是將轉(zhuǎn)子置于彈性支撐面上，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子同時(shí)測量振動(dòng)，并且通過添加或減少重量一直到振動(dòng)可忽略為止。臨界轉(zhuǎn)速支持在兩個(gè)軸承之間的靜止轉(zhuǎn)子存在一個(gè)自振頻率，自振頻率的大小取決于轉(zhuǎn)子的直徑和軸承間距。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對應(yīng)于它的自振頻率，殘余的不平衡力會(huì)被放大并可能達(dá)到危險(xiǎn)的程度。臨界轉(zhuǎn)速可高于運(yùn)行轉(zhuǎn)速，也可低于運(yùn)行轉(zhuǎn)速，這和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)。如果臨界轉(zhuǎn)速低于運(yùn)行轉(zhuǎn)速，我們稱之為撓性軸。對于這種軸在啟動(dòng)時(shí)需要多加小心，以確保臨界轉(zhuǎn)速盡可能快地通過。著轉(zhuǎn)子直徑的增大，達(dá)到了一定的剛性。大型機(jī)組的轉(zhuǎn)子利用實(shí)心聯(lián)軸器連接，因此可能由幾個(gè)單獨(dú)的轉(zhuǎn)子組成的軸應(yīng)該作為一個(gè)整體來對待。每個(gè)轉(zhuǎn)子都支撐在兩個(gè)軸承上，這些軸承支撐不是簡單的支撐。軸承中的油膜有機(jī)動(dòng)性，這會(huì)大大影響軸的臨界轉(zhuǎn)速。聯(lián)軸器由于鍛造轉(zhuǎn)子長度的有限性和在不同溫度和應(yīng)力條件下，需要采用不同的轉(zhuǎn)子材料，故在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中采用了聯(lián)軸器。大型汽輪發(fā)電機(jī)的多缸結(jié)構(gòu)也需要采用一個(gè)由聯(lián)軸器連接的軸系。聯(lián)軸器實(shí)質(zhì)上是傳遞扭矩的設(shè)備，但是它們也可能不得不允許相對的角不對中，傳遞軸向推力，并且確保軸向定位或允許相對的軸向位移。它們可分為撓性、半撓性和剛性聯(lián)軸器三種。小型汽輪發(fā)電機(jī)上(如，最高達(dá)到120MW)常采用撓性和半撓性聯(lián)軸器，而對于大型機(jī)組，實(shí)際中通常采用剛性聯(lián)軸器。汽輪機(jī)葉片沖動(dòng)級24動(dòng)葉片零部件及結(jié)構(gòu)在沖動(dòng)級中，這種沖動(dòng)級由Rateau專家發(fā)明，大部分焓降發(fā)生在靜葉中，級的驅(qū)動(dòng)力來源于通過動(dòng)葉的蒸汽動(dòng)量的改變。沖動(dòng)級設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是緊湊，而且由于動(dòng)葉中發(fā)生的壓降小，對動(dòng)葉的間隙相對不敏感。然而，動(dòng)葉易于受到噴嘴尾跡擾動(dòng)的影響，所以必須避免共振并維持低的蒸汽彎曲應(yīng)力，而且由于動(dòng)葉中動(dòng)量改變相對高，故要求動(dòng)葉強(qiáng)度高而且可能重。因此在實(shí)際中，經(jīng)常把單獨(dú)制造好的葉片利用叉形葉根安裝到輪盤上，叉形葉根與在輪緣上機(jī)加工出的軸向凸肩相配合。動(dòng)葉的外端留有一個(gè)或多個(gè)凸肩。這些凸肩穿過圍帶上的孔，同時(shí)圍帶依次裝入葉片外機(jī)加工出的槽中。當(dāng)把這些凸肩用鉚釘鉚好后，就能把圍帶固定住。圍帶可用于汽封并且可支撐葉片從而減小振動(dòng)。每一部分圍帶將一小部分葉片連在一起并且可和下一部分連在一起或搭接，從而形成了強(qiáng)度非常高的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵谒袥_動(dòng)級葉片的頂部，反動(dòng)度增加到一定程度，所以在動(dòng)葉圍帶上有與之一體的軸向汽封片。靜葉零部件及結(jié)構(gòu)葉片，由鋼板制成，在澆鑄隔板體時(shí)鑄入葉片，用于溫度低于230℃的場合。在一些最新的機(jī)組上，高壓葉片采用電化學(xué)加工。高壓缸的第一級往往采用沖動(dòng)級，靜葉片可裝于噴嘴室中，從而避免了隔板的壓力密封問題。由于第一級承擔(dān)了比較大的焓降，這種噴嘴室結(jié)構(gòu)降低了蒸汽對高壓轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸的壓力和熱沖擊。由于沖動(dòng)級隔板承擔(dān)的壓降大，所以隔板和葉片的強(qiáng)度都需要很高。盡管沖動(dòng)級隔板在隔板汽封處的直徑相對較小，但其隔板汽封仍需要盡可能地好從而可以承擔(dān)大的壓差。在動(dòng)靜部分發(fā)生軸向位移時(shí)，要確保對徑向汽封的影響不是很大。復(fù)速級汽輪機(jī)的第一個(gè)高壓級，盡可能增大噴嘴葉柵的壓降。它有時(shí)包含有兩個(gè)沖動(dòng)級。這兩個(gè)沖動(dòng)級置于同一個(gè)葉輪上，從而可保護(hù)汽缸和轉(zhuǎn)子免于較高溫度、壓力蒸汽的沖擊。由于這種級的焓降相當(dāng)于四個(gè)沖動(dòng)級，所以盡管會(huì)犧牲一些效率，但小型的便宜的汽輪機(jī)上會(huì)采用這種級。它不再用于帶基本負(fù)荷的大型汽輪機(jī)上。這種級的噴嘴，采用縮放型，會(huì)產(chǎn)生很高的蒸汽動(dòng)能，其中一部分用于動(dòng)葉的第一列葉柵，剩下的經(jīng)過靜止導(dǎo)向葉片改變方向后，用于第二列葉柵。它的動(dòng)葉和噴嘴葉片都由實(shí)心鋼板機(jī)加工而成，要求強(qiáng)度非常高。反動(dòng)級靜葉片和動(dòng)葉片—零部件及結(jié)構(gòu)盡管稱之為“反動(dòng)級”，實(shí)際上反動(dòng)級的沖動(dòng)度和反動(dòng)度相同，導(dǎo)致了動(dòng)葉片和靜葉片的型線相同。這種類型的葉片由CharlesParsons先生設(shè)計(jì)提出，便于利用標(biāo)準(zhǔn)軋制型線進(jìn)行經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。為了獲得好的效率，這種級的速比相對較高，所以每一列葉柵上的焓降小，這也就是說，對于輸出相同的軸功，這種級的級數(shù)較多。對于反動(dòng)級，蒸汽以較低的速度進(jìn)入動(dòng)葉，并且基本上是以軸向方向進(jìn)入的。因此作用在動(dòng)葉上的驅(qū)動(dòng)力基本全部來源于蒸汽通過動(dòng)葉加速流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反動(dòng)力。這樣作用在動(dòng)葉上的力相當(dāng)平穩(wěn)，加上靜葉的噴嘴尾跡產(chǎn)生非常小的擾動(dòng)，故反動(dòng)級的動(dòng)葉片上可有相當(dāng)高的彎曲應(yīng)力，而不存在由于振動(dòng)而引起的疲勞故障風(fēng)險(xiǎn)。由于反動(dòng)級靜葉片兩端的壓差小，故反動(dòng)式汽輪機(jī)不需要隔板，但是為了防止過度的漏汽損失，仍需要保持小的葉頂間隙?，F(xiàn)代的反動(dòng)式汽輪機(jī)在動(dòng)靜部分間，通常既有軸向汽封，也有徑向汽封。這樣在轉(zhuǎn)子葉片的外端，有與葉片形成一體的圍帶，圍帶與汽缸上裝有汽封齒片的汽封體配合形成汽封。靜葉內(nèi)徑上的汽封齒片為靜葉與轉(zhuǎn)子間的間隙提供了汽封。低壓級氣體動(dòng)力學(xué)與機(jī)械限制在早期的機(jī)組上，末幾級低壓動(dòng)葉片是定截面葉片。這種定截面葉片的應(yīng)力從葉頂?shù)礁砍识畏降脑黾?，在葉片連接到葉根的部位應(yīng)力達(dá)到最大。這樣限制了可能運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速的25葉片長度?，F(xiàn)在先進(jìn)的末級葉片截面隨著半徑的平方呈指數(shù)減小。于是由離心應(yīng)力引起的張應(yīng)力在葉片的大部分高度內(nèi)基本不變，從而使得在3000r/min機(jī)組上葉片的高度可達(dá)940mm?，F(xiàn)代的葉片，葉頂直徑通常大約是葉根直徑的兩倍。因此，葉片中部相鄰葉片圓周方向的距離，即葉片的節(jié)距是葉根處節(jié)距的倍。這樣，圓周方向的速度也是葉片底部圓周速度的倍。葉片速度的增加將會(huì)改變蒸汽進(jìn)入動(dòng)葉的相對速度方向。因此動(dòng)葉的入口角應(yīng)設(shè)計(jì)成與蒸汽汽流的方向相一致，這樣動(dòng)葉的截面形狀發(fā)生了變化。這使動(dòng)葉出口角減小，以致動(dòng)葉壓降增加，并在動(dòng)葉出口獲得較大的速度來補(bǔ)償圓周速度的增加從而使蒸汽離開葉片時(shí)產(chǎn)生最小的漩渦。級的根部設(shè)計(jì)反動(dòng)度相當(dāng)?shù)?，因?yàn)殡S著葉高的增加，動(dòng)葉的壓降增加，所以通過靜葉的壓降減少，從而使隨著葉高的增加，級的反動(dòng)度增加。由于離心力產(chǎn)生的徑向拉應(yīng)力和蒸汽汽流變化產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)作用導(dǎo)致了高度扭曲葉片的采用，這種葉片在葉根處強(qiáng)度高，反動(dòng)度低；而葉頂處則強(qiáng)度低，反動(dòng)度高。葉頂連接件長葉片和大葉弦的采用導(dǎo)致了葉片節(jié)距的增加，這樣使得提高葉片強(qiáng)度和減弱振動(dòng)的裝置變得復(fù)雜。為了承擔(dān)離心負(fù)載，圍帶或拉金像跨接在葉片節(jié)距間的橫梁，同時(shí)圍帶和拉筋還必須承擔(dān)由于葉片的徑向彈性伸長和運(yùn)行中葉片有松動(dòng)的趨勢而引起的巨大周向張力。動(dòng)葉葉根固定大型汽輪機(jī)末級葉片在運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幾百噸的離心應(yīng)力，因此需要非常有效的葉根固定。目前葉根固定方式包括：菱形葉根，叉形葉根和直或斜的縱樹形葉根。縱樹形葉根是一種很好的葉根固定方式，因?yàn)樵谶@種方式中，葉片可以依次緊密的排列而且在軸與葉根相連的齒上有最佳的離心力。汽輪機(jī)葉片發(fā)展將來，汽輪機(jī)葉片有望向滿足下面三個(gè)目標(biāo)發(fā)展：降低制造成本整體性能改善提高效率，包括排汽面積增大后的新低壓葉片。葉片設(shè)計(jì)的成本可利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造降至最低。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造中，考慮性能、振動(dòng)和應(yīng)力因素的最佳尺寸可直接輸入到數(shù)控機(jī)床上。為減少應(yīng)力集中進(jìn)行仔細(xì)詳細(xì)設(shè)計(jì)可改善葉片整體性能。減少應(yīng)力集中可通過控制振動(dòng)特性避免在運(yùn)行轉(zhuǎn)速附近共振、減少葉片附件如圍帶拉筋和防腐蝕保護(hù)的使用（或改善性能）來實(shí)現(xiàn)。為了改善整體性能，需在強(qiáng)度高厚截面葉片與高效率及高效率一般具有高葉型比（長弦比）的葉片之間尋求平衡。90%-95%，故再提高的程度不大。汽輪機(jī)制造者已經(jīng)形成了高效的標(biāo)準(zhǔn)葉片系列，它們的效率受汽流入射角的變化的影響小，汽流入射角的變化是由于不同的應(yīng)用情況和不同的運(yùn)行參數(shù)引起的。葉根和葉頂間隙根據(jù)實(shí)際情況盡可能的小，并且根據(jù)設(shè)計(jì)許可有盡可能多的限流裝置，這些限流裝置的詳細(xì)尺寸引起流量系數(shù)的一些減小，這樣，通過這些間隙的漏汽就被減至最低程度。低壓汽輪機(jī)模塊的發(fā)展是一個(gè)代價(jià)高且漫長的過程，不過在其發(fā)展過程中，增加每個(gè)通流這種發(fā)展會(huì)導(dǎo)致低壓缸個(gè)數(shù)的減少；這一點(diǎn)對于節(jié)約成本和減少汽輪機(jī)房的大小是有意義的。就作用在葉片上的蒸汽彎曲應(yīng)力和質(zhì)量高葉片作用在葉片連接到葉輪的部位上的巨大離心應(yīng)力而言，末級和次末級葉片一直是設(shè)計(jì)的瓶頸。3000r/min的機(jī)組末級葉片長度已經(jīng)發(fā)展到高達(dá)12001200mm葉片由鈦合金制造，這種鈦合金可能是制造長葉片最優(yōu)的材料。尤其是這種長葉片的發(fā)展使得在50Hz3000r/min的機(jī)組，盡管采用3600r/min的機(jī)組還很遙遠(yuǎn)。凝汽系統(tǒng)汽輪機(jī)排汽至凝汽器的原因有兩個(gè)。第一2612則大型電站鍋爐的運(yùn)行是不切實(shí)際的。水流過其中一半管束。在凝汽器的另一端，冷卻水反向從而流過另一半管束。相比雙流程設(shè)計(jì)，單流程凝汽器需要的循環(huán)水量大，流阻小。熱力發(fā)電廠只要有可能，就建于鄰近于循環(huán)水量充足的地方，采用單流程凝汽器。表面式凝汽器的循環(huán)水流量大，但是循環(huán)水泵僅需要提供冷卻水流動(dòng)和克服在導(dǎo)管、管道和凝汽器中的流動(dòng)阻力所需的足夠的壓頭。為了清除循環(huán)水中淤泥和其他物質(zhì)的沉淀物，凝汽器冷卻水管的圖3-6單流程表面式凝汽器示意圖

水側(cè)需要定期清洗。在表面式凝汽器設(shè)計(jì)中，應(yīng)使蒸汽能到達(dá)管束的所有部位。如圖3-7所示的徑向流動(dòng)凝汽器，不僅蒸汽能到達(dá)所有冷卻水管，而且還能確保從汽輪機(jī)排汽到抽氣口的壓降最小。通過凝結(jié)水和排汽的交

圖3-7徑向流表面式凝汽器飽和溫度下排出。

叉和逆向流動(dòng)，凝結(jié)水被連續(xù)地再熱，從而使氧氣排出。凝結(jié)水降落到換熱的排汽上，避免了凝結(jié)水的過冷。這樣除去氧的凝結(jié)水在凝汽器壓力對應(yīng)的在電廠系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)的蒸汽/水中含有各種各樣的不凝結(jié)氣體。它們來源于幾個(gè)方面。供以及在壓力低于大氣壓力的部位，不凝結(jié)氣體通過漏氣進(jìn)入系統(tǒng)。這些不凝結(jié)氣體進(jìn)入凝汽器以及汽輪機(jī)排汽，除非連續(xù)的去除，否則會(huì)迅速地在凝汽器中積聚并提高汽輪機(jī)背壓。氣體會(huì)引起傳熱系數(shù)量級的大大減小，范圍為8500-20,000W/m·K。在工廠實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)數(shù)值一般為11,500W/m·K。凝汽器中的不凝結(jié)氣體可利用射汽抽氣器或旋轉(zhuǎn)真空泵除去。為了減少將這些氣體抽至大氣壓力的耗功，抽氣點(diǎn)置于凝汽器的最冷區(qū)域。超臨界蒸汽輪機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀由不同制造商制造的蒸汽輪機(jī)包括高參數(shù)蒸汽輪機(jī)的發(fā)展，都是對于轉(zhuǎn)速為3000r/min和3600r/min的全速汽輪機(jī)。對于單再熱蒸汽輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括高壓和中壓汽輪機(jī)模塊，這種汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)分別為240bar/565oC/565oC和300bar/600oC/600oC，發(fā)電出力有望達(dá)到1100MW。由于高壓缸中增大的通流部分損失，容量達(dá)到250MW機(jī)組的效率不可能達(dá)到更高容量機(jī)組有望達(dá)到的高效率，這些機(jī)組有望仍保持亞臨界參數(shù)。除了單再熱設(shè)計(jì)，超臨界機(jī)組還有兩次再熱設(shè)計(jì)。在兩次再熱機(jī)組中，最高壓汽輪機(jī)被稱作為VHP汽輪機(jī)，接收主蒸汽；之后是一個(gè)高中壓聯(lián)合