汽輪機工作原理

汽輪機原理

任課教師：張丁旺聯(lián)系電話：021-5474808413501860320E-mail：zdw@11/27/20231第一章汽輪機工作原理

概述汽輪機——一種將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的旋轉(zhuǎn)式原動機優(yōu)點——單機功率大，熱經(jīng)濟性高，運行平穩(wěn)可靠，使用壽命長，單位功率造價低，能使用各種廉價燃料等。缺點——體積龐大、變負荷能力差，必須配套有鍋爐、凝汽器、水泵、給水處理等大型設(shè)備以及給水回?zé)岬葟?fù)雜的熱力系統(tǒng)。因而機動性差，不便用于移動式裝備中。

用途：現(xiàn)代火力發(fā)電廠和核電廠的主要原動機可作為大型船舶及軍艦的推進動力冶金、化工等部門用以驅(qū)動各種大型工作機供熱式汽輪機還可滿足生產(chǎn)和生活用汽、用熱的需要，實現(xiàn)高效益的熱電聯(lián)合生產(chǎn)。11/27/20232汽輪機發(fā)展史

第一臺軸流式汽輪機由瑞典工程師拉伐爾(DeLaval)1883年創(chuàng)造

沖動式，容量3.7kW，轉(zhuǎn)速26000r/min，輪周速度475m/s。拉伐爾解決了等強度輪盤，撓性軸和縮放噴嘴等較復(fù)雜的技術(shù)問題。第一臺多級反動式汽輪機由英國工程師查爾斯·帕森斯(CharlesParsons)1884年設(shè)計1903年至1907年間，出現(xiàn)了熱能電能聯(lián)合生產(chǎn)的汽輪機，即背壓式及調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機；1920年左右，出現(xiàn)了給水回?zé)崾狡啓C；1925年，生產(chǎn)出第一臺中間再熱式汽輪機20世紀70年代，美國生產(chǎn)了最大單機功率為1300MW的雙軸汽輪機，1980年前蘇聯(lián)制造的1200MW五缸六排汽一次中間再熱超臨界單軸汽輪機投入運行1955年，上汽廠制造了中國第一臺功率為6MW的汽輪機，此后我國分別設(shè)計制造出了50MW、100MW、125MW、200MW和300MW等容量的凝汽式汽輪機及不同容量和型式的供熱式汽輪機。80年代，我國引進消化技術(shù)，自行制造出了300MW及600MW亞臨界凝汽式機組。目前我國已具備生產(chǎn)百萬級機組的能力。上汽廠、哈汽廠和東方廠——北重、青汽和武——杭汽、南汽等美國的通用電氣公司(GE)，西屋電氣公司(WH)。瑞士ABB、法國的阿爾斯通——大西洋公司(AA)。俄羅斯的列寧格勒金屬工廠(ЛМ3)。日本的三大企業(yè)：日立、東芝及三菱等。11/27/202331.1預(yù)備知識

1.

狀態(tài)及過程方程式1.1.1熱力學(xué)及流體力學(xué)的一些基本公式理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體的定壓比熱式中k—等熵指數(shù)。對于過熱蒸汽k=1.3；對干飽和蒸汽k=1.135;

對濕蒸汽k=1.035+0.1x，x表示膨脹過程初態(tài)蒸汽干度

R—氣體常數(shù)。R=

R/

=8410/

[J/(kg?K)]

R為通用氣體常數(shù)=8410J/(kmol?K)，

為氣體分子量。對水蒸汽

=18.016，R=461.26[J/(kg?K)]。理想氣體的焓等熵膨脹過程方程11/27/202342.

連續(xù)性方程

即質(zhì)量平衡方程:連續(xù)性方程的微分形式:表明了穩(wěn)定流動中通流截面與汽流速度及蒸汽比容之間的變化關(guān)系

——蒸汽流動變化與作用于流體上的力的關(guān)系式?對等熵流動，R=0，則式中負號說明在無損失的流動過程中，壓力和速度的變化方向相反3.運動方程式

微元段上的力:壓力p及阻力dR，重力垂直流動方向，在運動方向上的分量為零或11/27/202354.能量方程式對于穩(wěn)定流動，進入系統(tǒng)的能量必然等于離開系統(tǒng)的能量。若忽略汽流進出系統(tǒng)的勢能變化，則系統(tǒng)的能量方程可寫為：研究氣體的流動經(jīng)常用到臨界概念，因此必須首先給出音速表達式。音速實際上就是壓力波的傳播速度。根據(jù)小壓力擾動理論，音速a可以表示為：將等熵過程微分方程式

M=1時的氣流狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)，此時氣流速度c稱為臨界速度ccr，參數(shù)都稱為臨界參數(shù)，如pcr，vcr等。5.音速與馬赫數(shù)M

代入上式得

音速標志了工質(zhì)可壓縮性的大小，是流體的一個狀態(tài)參數(shù)

對理想氣體，k=cp/cv只是溫度的函數(shù)，故音速也只是溫度的函數(shù)流體的速度c與當?shù)匾羲賏的比值叫作馬赫數(shù)M。即11/27/202361.1.2促使流動變化的條件

1.力學(xué)條件(速度變化與壓力變化之關(guān)系)

將運動方程式代入等熵過程分方程式有由運動方程式

知：在氣體流動中，如果流速是增加的，則壓力必然降低，如果壓力升高，則流速必然降低。

2.幾何條件(截面變化與流速之間的關(guān)系)代入連續(xù)性方程有可見，c↑時A應(yīng)擴大還是縮小取決于M?1?①當M<1(亞音速),即c<a時，dA與dc符號相反。膨脹(c↑):面積應(yīng)漸縮.擴壓(p↑c↓):面積應(yīng)漸擴。②當M>1(超音速),即c>a時，dA與dc符號相同。膨脹(c↑):面積應(yīng)漸擴.擴壓(p↑c↓):面積應(yīng)漸縮?？梢?，若要使汽流從亞音速變?yōu)槌羲?膨脹加速)，管道(噴管)的形狀應(yīng)先漸縮—再漸擴[稱為縮放噴嘴或拉伐爾(Delaval)噴嘴]。③當M=1，即c=a時，稱為臨界。

dA=0，最小截面。因此，速度的變化需兩個條件：①壓差—力學(xué)條件；②通道形狀變化—幾何條件11/27/202371.2汽輪機基本工作原理及級的概念汽輪機是利用蒸汽的熱能來作功的旋轉(zhuǎn)機械，因此它的工作原理是基于熱能轉(zhuǎn)換為機械能的理論。級——噴嘴和與其配合的動葉柵所構(gòu)成的汽輪機基本作功單元。

單級汽輪機與多級汽輪機11/27/202381.2.1

級的作功原理與反動度

級的作功原理沖動作用原理——當一運動物體碰到另一靜止的或運動速度比它低的物體時，就會受到阻礙而改變其速度的大小及方向，同時給阻礙它運動的物體一作用力，這個力稱為沖動力，其大小取決于運動物體的質(zhì)量和它的速度變化。在汽輪機中，從噴嘴流出的高速蒸汽通過動葉汽道時，其流動方向改變，因而對葉片產(chǎn)生一沖擊力，推動葉輪運動，作出機械功。這就是沖動作用原理。反動作用原理——反動力是由原來靜止或運動速度較小的物體，在離開或通過另一物體時，聚然獲得一個較大的速度而產(chǎn)生的。在汽輪機中，當蒸汽在動葉片構(gòu)成的汽道內(nèi)膨脹加速時，汽流必然對動葉作用一個由于加速而產(chǎn)生的反動力，推動葉輪運動，作出機械功。這就是反動作用原理。

沖動作用原理的特點是汽流在動葉汽道中不膨脹加速而只改變方向；反動作用原理的特點是汽流在動葉汽道內(nèi)不僅改變方向，而且還進行膨脹加速。11/27/20239

級的反動度Ωm

定義：蒸汽在動葉汽道內(nèi)膨脹時的理想焓降?hb與整個級的滯止理想焓降?ht*之比

Ωm表示了蒸汽在動葉汽道內(nèi)的膨脹程度。實際上，Ωm沿直徑是增加的。下標m為平均直徑。當級的理想滯止焓降及反動度確定后，便可根據(jù)上式來確定噴嘴和動葉的理想焓降，即11/27/2023101.2.2

級的分類和特點

按反動度分

分為純沖動級，反動級，帶反動度的沖動級三種純沖動級：按照Ωm=0的條件設(shè)計的級叫作純沖動級。在純沖動級中，熱能到動能的轉(zhuǎn)換在噴嘴中進行，而在動葉中只有動能到(機械能)輪周功的轉(zhuǎn)換。

純沖動級的特點是：

*動葉通流截面沿流道不變

*

Ωm=0*

*11/27/202311反動級按照Ωm=0.5的條件設(shè)計的級叫作反動級。在反動級中，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿倪^程，不僅發(fā)生在噴嘴葉柵中，也發(fā)生在動葉柵中，而且這種轉(zhuǎn)變在噴嘴和動葉中大約各完成一半。

反動級的特點是：

*噴嘴通道及動葉通道都為漸縮型動、靜葉片型狀相同，反向安裝

*Ωm=0.5

*

*11/27/202312帶反動度的沖動級純沖動級的作功能力大，而反動級的效率高。因此實際中的沖動級將反動度選在0

0.5之間，一般取Ωm=0.05~0.20。習(xí)慣上講這種級稱為沖動級。這種級的特點是：蒸汽的膨脹大部分發(fā)生在噴嘴葉柵中，只有小部分在動葉柵中發(fā)生，故其動葉通道也稍有收縮。這種級具有純沖動級及反動級的共同優(yōu)點現(xiàn)代大型汽輪機中，為了獲得盡可能高的效率，更普遍地采用了反動級。11/27/202313三種級的比較11/27/202314

按結(jié)構(gòu)分單列級與雙列復(fù)速級

雙列復(fù)速級簡稱復(fù)速級，由美國工程師寇蒂斯(Curtis)于1900年前后創(chuàng)造。實際上是沖動級的一種延伸。作功能力比單列沖動級的大；常用于單級汽輪機或中小型汽輪機的第一級；以利用蒸汽的速度為主，也稱其為速度級；為提高級效率，通常選取(5

10%)的反動度。

其他分類按級的工作特性將其分為調(diào)節(jié)級和壓力級采用噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機的通流面積隨負荷變化而變化的第一級稱為調(diào)節(jié)級中小容量機組的調(diào)節(jié)級一般采用復(fù)速級末級與中間級孤立級調(diào)節(jié)級及末級的余速動能通常不能被利用11/27/2023151.2.3葉柵幾何特性汽輪機葉柵是由許多相同葉片以同樣的間距和安裝角度排列在某一幾何面上而形成的柵型汽流通道。葉片的橫截面形狀稱為葉型,其周線稱為型線

若葉片型線沿葉高不變，則稱為等截面葉片,若葉片型線沿葉高變化,則為變截面葉片。葉片高度?(噴嘴高度?n及動葉高度?b)平均直徑dm(dn及db)11/27/2023161.3汽輪機的分類及型號

1.3.1汽輪機的分類按工作原理：①沖動式汽輪機；②反動式汽輪機按熱力過程：①凝汽式汽輪機；②背壓式汽輪機；③調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機④抽汽背壓式汽輪機；⑤多壓式汽輪機等按用途：①電站汽輪機；②工業(yè)汽輪機；③船用汽輪機等按新汽壓力：①低壓汽輪機(

1.5MPa)②中壓汽輪機(2

4MPa，我國定型產(chǎn)品為3.43MPa)③高壓汽輪機(6

10MPa，我國定型產(chǎn)品為8.83MPa)④超高壓汽輪機(12

14MPa，我國定型12.75及13.24MPa)⑤亞臨界壓力汽輪機(16

18MPa，我國定型16.18及16.67MPa)⑥超臨界壓力汽輪機(

22.6MPa)按結(jié)構(gòu)特點：①單缸、雙缸或多缸汽輪機；②單軸、雙軸汽輪機等還可按功率大小、汽流方向等進行劃分11/27/2023171.3.2汽輪機型號

Δ

×××-××-×

變型設(shè)計序數(shù)

蒸汽參數(shù)(不同型式有不同含義)

額定功率(MW)

汽輪機型式代號代號型式代號型式N凝汽式

CB抽汽背壓式

B背壓式

CY船用

C一次調(diào)節(jié)抽汽式

Y移動式

CC兩次調(diào)節(jié)抽汽式

HN核電汽輪機國產(chǎn)汽輪機型式代號11/27/202318汽輪機型號示例⑴N100-8.83(90)/535

凝汽式汽輪機，額定功率100MW，初壓8.83MPa，初溫535℃⑵N300-16.67(170)/538/538

(一次中間再熱)凝汽式汽輪機，額定功率300MW,初壓16.67MPa,初溫538℃，再熱汽溫538℃⑶CC25-8.83/1.27(13)/0.226(2.3)-3

兩次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機，額定功率25MW,初壓8.83MPa,高壓調(diào)節(jié)抽汽壓力1.27MPa,低壓調(diào)節(jié)抽汽壓力0.226MPa,第3次變形設(shè)計⑷B25-8.83/0.98

背壓式汽輪機，額定功率25MW，初壓8.83MPa，背壓0.98MPa⑸CB25-8.83/1.47/0.49

抽汽背壓式汽輪機，額定功率25MW，初壓8.83MPa，抽汽壓力1.47MPa，背壓0.49MPa11/27/2023191.4蒸汽在級中的能量轉(zhuǎn)換則或噴嘴出口氣流速度的計算理想速度c1t式中Δhn=h0-h1t稱為噴嘴的理想焓降(J/kg)將汽流等熵地滯止到速度為零的假想狀態(tài)點0*的狀態(tài)參數(shù)稱為滯止參數(shù),在各參數(shù)符號上加一上標“*”

?對理想氣體1.4.1蒸汽在噴管中的膨脹過程研究級的工作過程，實際上就是研究蒸汽在噴嘴葉柵及動葉柵中的流動規(guī)律、能量轉(zhuǎn)換以及流動中產(chǎn)生損失的原因等。εn=p1/p0*——噴嘴壓比，即噴嘴后靜壓與進口滯止壓力之比11/27/202320實際速度c1

噴嘴出口實際速度c1要比理想速度c1t小。一般用噴嘴的速度系數(shù)

來考慮這種損失速度系數(shù)φ

與噴嘴高度、葉型、汽道形狀、壓比及表面光潔度等因素有關(guān),其中?n對

的影響最大噴嘴損失δhn

值一般在0.95~0.98之間，取=0.97,而把其中與葉高有關(guān)的損失抽出來另用經(jīng)驗公式計算

11/27/2023211.4.2蒸汽在動葉柵中的能量轉(zhuǎn)換

(m/s)，n為汽輪機轉(zhuǎn)速(r/min),db為動葉柵平均直徑(m)由三角形基本定律可得：右圖為按基元級展開的動靜葉柵剖面圖。相對速度

應(yīng)為絕對速度與圓周速度(牽連速度)的向量差：在討論葉輪的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系時，只需了解葉片通道進出口的速度變化便可。

w1求得后，便可利用能量平衡方程求出w2。然后由三角形基本定理求出其他參數(shù)。另由余弦定理得：cu與u方向一致時取正值，相反時取負值。

動葉柵進出口速度三角形11/27/202322

動葉柵出口速度及輪周有效焓降

1.動葉柵出口速度動葉柵的進口相對速度w1可根據(jù)進口速度Δ由余弦定理求得，類比c1t求解過程，可得出動葉柵出口理想相對速度：——動葉柵的滯止理想焓降動葉的能量損失為:求得w2可根據(jù)速度三角形求出c2等。11/27/202323動葉速度系數(shù)ψ和噴嘴葉柵的速度系數(shù)φ一樣，動葉柵的速度系數(shù)ψ與許多因素有關(guān)，如?b、β1、β2、Ωm、w2t、葉型、表面光潔度等，其中?b、Ωm和w2t影響最大。為了熱力計算方便起見，通常將值中隨?b變化的有關(guān)損失作為葉高損失，并用半經(jīng)驗公式單獨計算,而ψ值僅考慮隨Ωm及w2t的變化關(guān)系。11/27/202324

2.輪周有效焓降余速損失δhc2輪周有效焓降δhu11/27/202325

蒸汽作用在動葉片上的力葉片對蒸汽的作用力:蒸汽對該級動葉的周向作用力:同理可得，蒸汽對該級動葉的軸向作用力:蒸汽對該級動葉的總作用力:蒸汽在動葉柵汽道內(nèi)轉(zhuǎn)向和加速是由于汽流受到下列作用引起的：(1)汽流受到動葉柵汽道壁的作用力；(2)充滿于汽道內(nèi)的汽流還受到汽流兩側(cè)壓力差(p1-p2)的作用。如果用F'b表示動葉片作用于汽流上的合力，則汽流對動葉片的作用力Fb與F'b大小相等方向相反。更關(guān)心Fu和Fz。

對圓周方向：11/27/202326

輪周功率與輪周效率1kg蒸汽所產(chǎn)生的輪周功Pu1=Pu/qm單位時間內(nèi)汽流對動葉所作的有效功稱為輪周功率。它等于圓周力Fu和圓周速度u的乘積。即利用速度三角形和余弦定律可將上式改寫為：第一項可看作噴嘴焓降作功部分,第二項可看作動葉焓降作功部分單位質(zhì)量流體對渦輪級所作的功Pu1表示了單位質(zhì)量工質(zhì)在級中由熱能轉(zhuǎn)化為機械功的量，在數(shù)值上等于級的輪周有效焓降Δhu。每千克蒸汽在某級作出的輪周功與蒸汽在該級所具有的理想能量之比，稱為級的輪周效率。即：其中，μ——余速動能利用系數(shù)，μ=0~1。μ0表示本級對上級余速動能利用的程度；μ1表示下級對本級余速動能利用的程度。11/27/2023271.5級的最佳速度比習(xí)慣上把圓周速度u與噴嘴出口速度c1的比值u/c1稱為速度比x1。實踐證明，速比x直接影響c2的大小和方向，因而也就直接影響著輪周效率的大小。通常把對應(yīng)最大輪周效率時的速比稱為最佳速比,以(x1)op表示。不同類型的級的有不同最佳速比。1.5.1純沖動級的輪周效率與最佳速度比不考慮余速利用時，μ0=μ1=0。對純沖動級Ωm=0,故,w2=ψw2t=ψw1令于是11/27/202328純沖動級最佳速比的幾何求法對于純沖動級，β1=β2、w1≈w2。顯見，當α2=90o即軸向排氣時，余速損失最小。而此時

c1cosα1=2ux1=u/c1=cosα1/2，即x1恰好為最佳速比。11/27/202329純沖動級輪周效率與速比的關(guān)系曲線11/27/2023301.5.2反動級的輪周效率與最佳速度比在反動級中，動、靜葉采用同一葉型，它們互為鏡內(nèi)映射葉片。所以反動級的靜葉和動葉中的焓降大致相等，即Δhn=Δhb。因此，反動級的進、出口速度三角形對稱,α1=β2，α2=β1及φ1≈ψ，c1≈w2,c2=w1=c0。顯見，欲使c2達到最小即α2=90o，必然u/c1=cosα1

故反動級的最佳速比為：(x1)op=cosα111/27/2023311.6級內(nèi)損失與級效率1.6.1級內(nèi)損失噴管損失δhn，動葉損失δhb，余速損失δhc2，葉高損失δh?，扇形損失δhθ，葉輪摩擦損失δhf，部分進汽損失δhe，漏汽損失δhδ和濕汽損失δhx。

1.葉高損失δh?工程上為方便計算將其單獨分出來。而在計算噴嘴損失時取φ=0.97，動葉速度系數(shù)ψ用圖中的曲線查取。葉高損失實際上是噴嘴和動葉汽道上下端壁附面層內(nèi)的摩擦和二次流所造成的損失，其大小與葉高有著密切的關(guān)系，當葉片高度較大時,二次流對主流的影響較弱，這時葉高損失就較??；反之葉高損失就較大。

當葉高小于12~15mm時，葉道根部與頂部的雙旋渦將匯合，充滿了整個汽道，嚴重地擾亂了主流，使葉高損失急劇增大。

11/27/202332

2.扇形損失δhθ平均直徑以外的其它截面上的節(jié)距、圓周速度和進汽角等偏離最佳值而產(chǎn)生的流動損失等截面直葉片級的軸向間隙中存在的由內(nèi)徑向外徑逐漸增加壓力梯度產(chǎn)生徑向流動損失

3.葉輪(包括圍帶)摩擦損失δhf圓柱面上的速度梯度引起的摩擦損失子午面內(nèi)的渦流運動引起的損失扇形損失的大小與徑高比θ有密切的關(guān)系(與θ

2成反比)。θ越小，扇形損失就越大。一般當θ較大(如>8~12)而又采用等截面直葉片時存在扇形損失。采用扭葉片雖加工較困難，但卻避免了扇形損失。11/27/202333

4.

部分進汽損失δhe鼓風(fēng)損失鼓風(fēng)損失發(fā)生在與不裝噴嘴的弧段對應(yīng)的動葉通道內(nèi)。當旋轉(zhuǎn)著的動葉通過無噴嘴的“死區(qū)”弧段時，動葉片就象鼓風(fēng)機一樣，將“死區(qū)”中基本處于靜止狀態(tài)的蒸汽從一側(cè)鼓到另一側(cè),因此需消耗一部分輪周功。部分進汽度e越小,非工作區(qū)弧段越長，此項損失也就越大。斥汽損失斥汽損失發(fā)生在裝有噴嘴的弧段內(nèi)。當動葉由非工作段進入工作弧段時,噴嘴中射出的高速汽流須推出汽道中的停滯蒸汽，從而消耗了工作蒸汽的一部分動能。由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)的作用,在噴嘴組出口端A處產(chǎn)生漏汽引起損失。并且反動度越大，這種漏汽越嚴重；而在噴嘴組進入端B則產(chǎn)生抽汽，將一部分停滯蒸汽吸入動葉汽道，干擾了主流引起損失。

由于動葉每經(jīng)過一組噴嘴弧段時就要發(fā)生一次斥汽損失。所以在相同部分進汽度下，噴嘴沿圓周分布組數(shù)越多，斥汽損失就越大。

11/27/202334

5.

漏汽損失δhδ沖動級反動級反動級采用轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)，其漏汽損失比沖動級大。內(nèi)徑汽封的漏汽量比沖動級的隔板漏汽量大，原因是汽封直徑較大而汽封齒數(shù)卻較少由于動葉前后的壓差較大，所以葉頂漏汽量也相當可觀。隔板漏汽損失葉頂漏汽損失減小措施：設(shè)置汽封輪盤上開設(shè)平衡孔選取合理的反動度，盡量使葉根處不吸不漏11/27/202335

6.濕汽損失δhx濕蒸汽凝結(jié)成水減少了作功蒸汽量；

濕蒸汽中的水珠還會使葉片頂部進汽邊背弧受到?jīng)_蝕

高速蒸汽挾帶低速水珠需消耗部分動能；水珠進入動葉時將撞擊在動葉進口處的背弧上，從而產(chǎn)生了撞擊損失；水珠進入下級時也要撞擊在噴嘴進口處的背弧上，從而擾亂了主流，形成損失；捕水裝置不可避免地抽出了一部分蒸汽造成工質(zhì)損失。11/27/2023361.6.2級的相對內(nèi)效率和內(nèi)功率熱力過程線級的內(nèi)焓降(或有效焓降)Δhi:1kg蒸汽所具有的理想能量中最后轉(zhuǎn)變成輪軸上有效功的那部分焓降。級效率(相對內(nèi)效率)ηsi

級的內(nèi)焓降與級的理想能量之比稱為級的相對內(nèi)效率，簡稱級效率。汽輪機的內(nèi)功率Psi

D,qm—級的進汽量,單位分別為:kg/h,kg/s；Δhi—級的內(nèi)焓降(kJ/kg)11/27/2023371.7汽輪機相對內(nèi)效率內(nèi)部損失與外部損失：內(nèi)部損失是指汽輪機中與蒸汽能量形態(tài)轉(zhuǎn)換有關(guān)的損失,包括級內(nèi)損失、進排汽機構(gòu)損失等；外部損失是指那些與蒸汽作功狀態(tài)無關(guān)的損失，包括機械損失和軸封漏汽損失等。1.7.1汽輪機進汽機構(gòu)中的節(jié)流損失

一般在設(shè)計上要求流過主汽閥、調(diào)節(jié)閥及蒸汽室的蒸汽速度不大于40~60m/s。在此情況下：

連通管壓損：

1.7.2排汽管中的阻力損失

λ—與排汽管的結(jié)構(gòu)形式和汽流速度有關(guān)的阻力系數(shù)，一般=0.05~0.1(速度高時取偏大值)；

cex—排汽管中的汽流速度，通常對凝汽式汽輪機取=80~100m/s，背壓式汽輪機可取=40~60m/s。11/27/2023381.7.3機械損失汽輪機運行時，克服徑向軸承和推力軸承的摩擦阻力以及帶動調(diào)速器和主油泵所消耗的功率δPm，稱為機械損失。

Pef—汽輪機內(nèi)功率Pi減去機械損失δPm后用以帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子的功率，稱為有效功率或軸端功率。對同一臺汽輪機，在一定轉(zhuǎn)速下，機械損失δPm在不同負荷下近似為一常數(shù)，因而汽輪機的機械效率是隨著負荷的增大而增大的。對于不同容量的機組，其調(diào)速器、主油泵所耗功率以及軸承摩擦損失并不隨容量成正比地增大，所以大容量機組的機械效率比小容量機組的高。11/27/2023391.7.4汽輪機相對內(nèi)效率及內(nèi)功率全機有效焓降ΔHi與理想焓降ΔHt之比稱為汽輪機相對內(nèi)效率(簡稱內(nèi)效率)，即汽輪機內(nèi)功率汽輪機有效功率發(fā)電功率

ηg——發(fā)電機效率。一般小功率發(fā)電機ηg=90~95%,大功率機組ηg=97~99%——相對電效率。11/27/2023401.8軸向推力及其平衡1.8.1軸向推力Fz

蒸汽在軸流式汽輪機的通流部分中膨脹作功時，除了對轉(zhuǎn)子作用一個切向力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩對外作功之外，還對轉(zhuǎn)子施加了一個由高壓端指向低壓端的軸向力，這個力使轉(zhuǎn)子有一個向低壓端移動的趨勢，通常就稱這個力為軸向推力。作用在沖動式汽輪機轉(zhuǎn)子上的軸向推力是由作用在全部動葉上的軸向力、作用在葉輪面上的軸向力、作用在隔板汽封凸肩以及轉(zhuǎn)子凸肩上的軸向力組成的。反動式汽輪機的軸向推力，比同容量的沖動式汽輪機大得多，這主要是因為各級動葉上的蒸汽壓力差比沖動式汽輪機中大得多。反動式汽輪機的軸向推力由兩部分組成：

①作用在動葉上的軸向推力；②作用在轉(zhuǎn)鼓錐形面上及轉(zhuǎn)子階梯上的軸向推力。11/27/2023411.8.2軸向推力的平衡方法

在多級汽輪機中，總的軸向推力往往是很大的，在反動式汽輪機中可以達到2~3MN。在一般情況下，軸向推力總是超過推力軸承能安全承受的推力。因此，必須采取措施平衡掉一部分，以便推力軸承能長期安全的工作。常見的平衡方法有：

(1)采用具有平衡孔的葉輪

(2)設(shè)置平衡活塞

(3)采用汽缸對置及對稱分流布置11/27/2023421.9汽輪機功率的調(diào)節(jié)方式

不論汽輪機的用途如何，它所帶的負荷總是在不斷變化的。為了使汽輪機的出力與外界經(jīng)常變動的負荷相適應(yīng)，必須隨時調(diào)節(jié)汽輪機的功率。從電功率方程式：可以看出，為了調(diào)節(jié)出力，可以調(diào)節(jié)進入汽輪機的蒸汽量D0，也可以調(diào)節(jié)蒸汽在汽輪機中的作功能力ΔHt

。實際上，對一個量進行調(diào)節(jié)時,另一個量也會跟著改變,只是改變的程度不同而已。目前常用的調(diào)節(jié)方法有：噴嘴調(diào)節(jié)、節(jié)流調(diào)節(jié)、滑壓調(diào)節(jié)及旁通調(diào)節(jié)。旁通調(diào)節(jié)主要用在船艦汽輪機上，核電廠中也不常用滑壓調(diào)節(jié)。本節(jié)將簡單介紹的噴嘴調(diào)節(jié)、節(jié)流調(diào)節(jié)及滑壓調(diào)節(jié)。11/27/2023431.9.1噴嘴調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)級的結(jié)構(gòu)及工作原理噴嘴調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如左圖所示。采用噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機的第一級，因其通流面積隨負荷而變，也就是說，其噴嘴參與了負荷調(diào)節(jié)，故稱之為調(diào)節(jié)級。11/27/202344調(diào)節(jié)級的結(jié)構(gòu)及工作原理

(1)汽輪機運行時主汽閥處于全開位置，而各調(diào)節(jié)閥的開啟情況則取決于汽輪機負荷的大小。在汽輪機投入運行及升負荷時，各閥依照規(guī)定的次序(一般不是位置的排列順序)開啟；減負荷以及停機過程中則依相反的次序關(guān)閉。

(2)各調(diào)節(jié)閥前的壓力p'0都相同。隨著D0的增加，p'0雖然有所降低，但降低幅度很小。這是因為汽輪機運行時，主汽閥始終保持最大開度，節(jié)流作用很小。

(3)各調(diào)節(jié)閥后，亦即各閥所控制的噴嘴組之前的蒸汽壓力p0I、p0II…等是變動的，取決于各閥的開啟程度。對于全開閥，閥后壓力近似等于p'0，部分開啟閥所通過的蒸汽相應(yīng)地受到此閥的節(jié)流作用，閥后壓力低于p'0。

(4)噴嘴之后的蒸汽壓力p1對各組噴嘴都相同。因為噴嘴之后的環(huán)形空間并不分開而是完全相通的。若某一個調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，它所控制的噴嘴組中及閥后充滿著基本靜止的、壓力p1為的蒸汽。調(diào)節(jié)級之后(調(diào)節(jié)級汽室)的壓力p2對整個級也是相同的，這里的蒸汽室較其他級間大得多。

(5)各個調(diào)節(jié)閥開啟時所能通過的最大流量(在相同的p'0之下)通常不相等。這一方面是由于每個閥所控制的噴嘴數(shù)不一定相等，另一方面是因為各閥開啟過程中級后壓力是變化的。由此可知，調(diào)節(jié)級的部分進汽度必然小于1，且在任何工況下，只有通過尚未完全開啟的調(diào)節(jié)閥的那部分蒸汽才受到節(jié)流作用，所以噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機在部分負荷時其經(jīng)濟性較好。11/27/202345噴嘴調(diào)節(jié)的特點噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機在工況變動時,調(diào)節(jié)級始終為部分進汽，因此，調(diào)節(jié)級存在部分進汽損失。盡管如此,由于在任一工況下,只有通過尚未完全開啟調(diào)節(jié)閥的那部分蒸汽才受到節(jié)流作用，所以在部分負荷時噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機的效率仍較高。噴嘴調(diào)節(jié)使機組的高壓部分(尤其是調(diào)節(jié)汽室中)在工況變動時溫度變化較大，從而引起較大的熱應(yīng)力。因此這種機組在調(diào)節(jié)級汽室處的汽缸壁可能產(chǎn)生的熱應(yīng)力常常成為限制這種機組迅速改變負荷的重要因素。調(diào)節(jié)級的焓降是隨工況變動而變化的。當汽輪機的蒸汽流量減小時，調(diào)節(jié)級的焓降增大。并且在第一閥單獨控制流量時達最大值。因此當?shù)谝婚y全開而第二閥尚未開啟時級前后壓比最大，壓差最大且部分進汽度最小。所以進行調(diào)節(jié)級動葉片強度較核時，最危險的工況不是汽輪機的最大負荷工況，而是當?shù)谝徽{(diào)節(jié)閥剛?cè)_時的工況。11/27/2023461.9.2節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)流調(diào)節(jié)汽輪機采用一個調(diào)節(jié)閥(大功率汽輪機采用幾個同時開啟的閥門)，對進入汽輪機的全部蒸汽量進行調(diào)節(jié)（上圖a），隨著負荷的增加，調(diào)節(jié)閥逐漸開啟，當汽輪機發(fā)出最大功率時調(diào)節(jié)閥完全開啟。顯然，這種調(diào)節(jié)方式在小于最大負荷的情況下，調(diào)節(jié)閥是部分開啟的，這時蒸汽在調(diào)節(jié)閥中受到了節(jié)流作用，壓力降低，使汽輪機的理想焓降減小，如上圖b中，由ΔHt'減小到ΔHt"。所以在采用節(jié)流調(diào)節(jié)時，不僅蒸汽量D隨閥門開度的變化而改變，理想焓降ΔHt也同時變化。因此，節(jié)流調(diào)節(jié)有時也稱質(zhì)量調(diào)節(jié)。11/27/202347節(jié)流調(diào)節(jié)的特點采用節(jié)流調(diào)節(jié)的凝汽式汽輪機沒有調(diào)節(jié)級，第一級的通流面積在工況變動時不變，同時由于節(jié)流過程中的蒸汽溫度變化很小，因此，除最后一、二級外，各級的進汽壓力基本上正比于流量而變。節(jié)流調(diào)節(jié)汽輪機的優(yōu)點為：結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、負荷變化時級前溫度變化較小(與噴嘴調(diào)節(jié)相比),對負荷變動的適應(yīng)性較好。另外，與噴嘴調(diào)節(jié)相比。節(jié)流調(diào)節(jié)汽輪機在滿負荷時有更好的經(jīng)濟性，并且對大功率的汽輪機，若采用節(jié)流調(diào)節(jié)則避免了部分進汽損失。節(jié)流調(diào)節(jié)的缺點是在部分負荷下工作時，由于節(jié)流損失使效率下降較多，經(jīng)濟性較差。因此，節(jié)流調(diào)節(jié)方式的應(yīng)用受到限制。目前節(jié)流調(diào)節(jié)只用于輔助性的小功率汽輪機以及承擔基本負荷的大型凝汽式汽輪機。11/27/2023481.9.3