第二章多級(jí)汽輪機(jī)

第二章多級(jí)汽輪機(jī)第二章多級(jí)汽輪機(jī)

第一節(jié)多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)第二節(jié)進(jìn)汽阻力損失和排氣阻力損失第三節(jié)汽輪機(jī)及其裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)軸封及其系統(tǒng)第五節(jié)多級(jí)汽輪機(jī)的軸向推力及其平衡第二章多級(jí)汽輪機(jī)§2.1多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)一、優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題(一)優(yōu)點(diǎn)(1)與單級(jí)汽輪機(jī)相比，多級(jí)汽輪機(jī)的比焓降增大很多，相應(yīng)地進(jìn)汽參數(shù)大大提高，排汽壓力也可顯著降低，同時(shí)，由于是多級(jí)，還可采用回?zé)嵫h(huán)和中間再熱循環(huán)，這些都使循環(huán)熱效率大大提高；(2)在全機(jī)總比焓降一定時(shí)，每個(gè)級(jí)的比焓降較小，每級(jí)都可在材料強(qiáng)度允許的條件下，設(shè)計(jì)在最佳速度比附近工作，使級(jí)效率較高；

(3)在相鄰兩級(jí)部分進(jìn)汽度相同，平均直徑變化光滑，噴嘴進(jìn)汽角與上一級(jí)的排汽角相近，級(jí)間軸向間隙較小，兩級(jí)的流量變化不大的條件下，多級(jí)汽輪機(jī)各級(jí)的余速動(dòng)能可以全部或部分地被下一級(jí)所利用，提高了級(jí)的效率；§2.1多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)(4)多級(jí)汽輪機(jī)的大多數(shù)級(jí)可在不超臨界的條件下工作，使噴嘴和動(dòng)葉在工況變動(dòng)條件下仍保持一定的效率。同時(shí)，由于各級(jí)的比焓降較小，速度比一定時(shí)級(jí)的圓周速度和平均直徑也較小，根據(jù)連續(xù)性方程可知，在容積流量相同的條件下，更使得噴嘴和動(dòng)葉的出口高度增大，減小了葉高損失，或使得部分進(jìn)汽度增大，減小了部分進(jìn)汽損失，這都有利于級(jí)效率的提高；(5)由于重?zé)岈F(xiàn)象的存在，多級(jí)汽輪機(jī)前面級(jí)的損失可以部分地被后面各級(jí)利用，使全機(jī)效率提高。此外，多級(jí)汽輪機(jī)的單位功率造價(jià)、材料消耗和占地面積都比單級(jí)汽輪機(jī)明顯減小，機(jī)組容量越大減小越顯著，大大節(jié)省了投資。

(二)存在的問(wèn)題

(1)增加了一些附加損失(2)增加了機(jī)組的長(zhǎng)度和質(zhì)量；

(3)高中壓缸前面若干級(jí)的工作溫度高，對(duì)零部件的金屬材料要求提高了；

(4)級(jí)數(shù)增多，零部件增多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。二、重?zé)岈F(xiàn)象和重?zé)嵯禂?shù)

1.

重?zé)岈F(xiàn)象---在水蒸氣的h-s圖上等壓線是沿著比熵增大的方向逐漸擴(kuò)張的，也就是說(shuō)，等壓線之間的理想比焓降隨著比熵的增大而增大。這樣上一級(jí)的損失(客觀存在)造成比熵的增大將使后面級(jí)的理想比焓降增大，即上一級(jí)損失中的一小部分可以在以后各級(jí)中得到利用，這種現(xiàn)象稱為多級(jí)汽輪機(jī)的重?zé)岈F(xiàn)象。

§2.1

多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)重?zé)嵯禂?shù)重?zé)嵯禂?shù)----各級(jí)理想焓降之和大于整機(jī)理想焓降的增量與整機(jī)理想焓降的比。重?zé)嵯禂?shù)§2.1多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)式中即為多級(jí)汽輪機(jī)的重?zé)崃?，表示前面?jí)的損失中被后面級(jí)利用了的小部分熱量?！?.1多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)需特別指出，重?zé)嶂槐砻鳟?dāng)各級(jí)有損失時(shí)，全機(jī)的效率要比各級(jí)平均的效率好一些，而不是說(shuō)有損失時(shí)全機(jī)的效率比沒(méi)有損失時(shí)全機(jī)的效率高。更不應(yīng)從中簡(jiǎn)單地得出α越大，全機(jī)效率越高的結(jié)論，這是因?yàn)榭诘奶岣呤窃诟骷?jí)存在損失，各級(jí)效率降低的前提下實(shí)現(xiàn)的，重?zé)岈F(xiàn)象的存在僅僅是使多級(jí)汽輪機(jī)能回收其損失的一部分而已。三、多級(jí)汽輪機(jī)各級(jí)段的工作特點(diǎn)

(一)高壓段高壓、高溫，比容小，蒸汽容積流量小。由連續(xù)性方程，為保證噴嘴有足夠的出口高度，減小葉高損失，噴嘴出口汽流方向角αl較小。一般情況下，沖動(dòng)式汽輪機(jī)的αl=11°～14°，反動(dòng)式汽輪機(jī)的αl=14°～20°。在沖動(dòng)汽輪機(jī)的高壓段，級(jí)的反動(dòng)度一般不大。當(dāng)動(dòng)靜葉根部間隙不吸汽也不漏汽時(shí)，根部反動(dòng)度Ωr較小，這樣，雖然沿葉片高度從根部到頂部的反動(dòng)度不斷增大，但由于高壓段各級(jí)的葉片高度總是較小的，因此，平均直徑處的反動(dòng)度仍較小。

§2.1多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)

在高壓段的各級(jí)中，各級(jí)比焓降不大，比焓降的變化也不大。根據(jù)連續(xù)性方程，為增大葉片高度，以減小葉高損失，葉輪的平均直徑就較小，相應(yīng)的圓周速度也較小。同時(shí)，為保證各級(jí)在最佳速度比附近工作，則各級(jí)比焓降不大。高壓各級(jí)的比容變化較小，因而各級(jí)的平均直徑變化也不大，所以各級(jí)比焓降的變化也不大。在高壓各級(jí)中，可能存在的級(jí)內(nèi)損失有：輪周損失、葉高損失、扇形損失、漏汽損失、葉輪摩擦損失、部分進(jìn)汽損失等。高壓級(jí)段蒸汽的比容較小，而漏汽間隙又不可能按比例減小，故漏汽量相對(duì)較大，漏汽損失較大。對(duì)于部分進(jìn)汽的級(jí)，由于不進(jìn)汽的動(dòng)葉弧段成為漏汽的通道，使漏汽損失更有所增大。高壓級(jí)段蒸汽的比容較小，葉輪摩擦損失也相對(duì)較大。此外，高壓級(jí)段葉片高度相對(duì)較小，所以葉高損失也較大。綜上所述可以看出，高壓段各級(jí)的效率相對(duì)較低?！?.1多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)低壓段

低壓級(jí)段的特點(diǎn)是蒸汽的容積流量很大，要求很大的通流面積，葉片高度勢(shì)必很大。為避免葉高過(guò)大，有時(shí)不得不將低壓各級(jí)的噴嘴出口汽流方向角αl取得很大。由于低壓級(jí)段的容積流量很大，因此葉輪直徑較大，級(jí)的圓周速度也比較大。為了保證有較高的級(jí)效率，各級(jí)均應(yīng)在最佳速度比附近工作，則相應(yīng)的理想比焓降將明顯增大。級(jí)的反動(dòng)度在低壓段也明顯增大，其原因有二：一是因?yàn)榈蛪杭?jí)葉片高度很大，為保證葉片根部不出現(xiàn)負(fù)反動(dòng)度，則平均直徑處的反動(dòng)度就必然較大；二是因?yàn)榈蛪杭?jí)的比焓降較大，為避免噴嘴出口汽流速度超過(guò)臨界速度過(guò)多，盡可能利用漸縮噴嘴斜切部分的膨脹，這就要求蒸汽在噴嘴中的比焓降不能太大，而增大級(jí)的反動(dòng)度，保證動(dòng)葉內(nèi)有足夠大的比焓降。蒸汽容積流量很大，而通流面積受到一定限制，余速損失較大；低壓級(jí)一般都處于濕蒸汽區(qū)，存在濕汽損失，而且越往后該項(xiàng)損失越大；由于低壓級(jí)的葉片高度很大，漏汽間隙所占比例很小，同時(shí)低壓級(jí)段的蒸汽比容很大，因此漏汽損失很小；低壓級(jí)的蒸汽比容很大，所以葉輪摩擦損失很?。坏蛪杭?jí)都是全周進(jìn)汽，沒(méi)有部分進(jìn)汽損失?？傊瑢?duì)于低壓級(jí)，由于濕汽損失很大，使效率降低，特別是最后幾級(jí)，效率降低更多?！?.1多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)中壓段中壓級(jí)段處于高壓級(jí)段和低壓級(jí)段之間，其特點(diǎn)是蒸汽比容既不像高壓級(jí)段那樣很小，也不像低壓級(jí)段那樣很大。因此，中壓級(jí)有足夠的葉片高度，葉高損失較小；一般為全周進(jìn)汽，沒(méi)有部分進(jìn)汽損失。此外，中壓級(jí)漏汽損失較小，葉輪摩擦損失也較小，也沒(méi)有濕汽損失。所以，中壓各級(jí)的級(jí)內(nèi)損失較小，效率要比高壓級(jí)和低壓級(jí)都高。為了保證汽輪機(jī)通流部分的通暢，各級(jí)噴嘴和動(dòng)葉的高度沿蒸汽流動(dòng)方向是逐漸增大的，所以中壓各級(jí)的反動(dòng)度一般介于高壓級(jí)和低壓級(jí)之間，且逐漸增大。§2.1多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)§2.1多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)多級(jí)汽輪機(jī)各缸工作特點(diǎn)小結(jié)總體來(lái)看沿蒸汽流程平均直徑和葉片高度增大，反動(dòng)度呈逐級(jí)增大勢(shì)態(tài)。蒸汽比容的減小，漏汽損失的相對(duì)比例呈逐級(jí)下降。葉片的增長(zhǎng)，二次流損失呈下降趨勢(shì)，但葉型損失相對(duì)增大。對(duì)中間再熱機(jī)組，漏汽及二次流損失較大，加上調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽，高壓缸效率最低，中壓缸的工況較好，故效率最高§2.1多級(jí)汽輪機(jī)的優(yōu)越性及其特點(diǎn)§2.2進(jìn)汽阻力損失和排汽阻力損失一、系統(tǒng)特征新蒸汽經(jīng)電動(dòng)主汽門、自動(dòng)主汽門和調(diào)節(jié)汽門進(jìn)入汽輪機(jī)，膨脹作功后由高壓缸排汽回到鍋爐再熱器中加熱，經(jīng)中壓主汽門和中壓調(diào)節(jié)汽門到中、低壓缸中繼續(xù)膨脹作功，再由低壓排汽口排向凝汽器。蒸汽在汽輪機(jī)本體之外流道中的流動(dòng)必然產(chǎn)生損失，將使機(jī)組的效率下降。這些損失歸結(jié)為進(jìn)汽損失和排汽損失兩部分。主要特征是汽流的沿程摩擦、轉(zhuǎn)向和渦流損失三方面。二、進(jìn)汽阻力損失蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)工作級(jí)前必須先經(jīng)過(guò)主汽閥、調(diào)節(jié)閥和蒸汽室。蒸汽通過(guò)這些部件時(shí)就會(huì)產(chǎn)生壓力降，主汽閥和調(diào)節(jié)閥最為嚴(yán)重。由于通過(guò)這些部件時(shí)蒸汽的散熱損失可忽略，因此蒸汽通過(guò)汽閥的熱力過(guò)程是一個(gè)節(jié)流過(guò)程，即蒸汽通過(guò)汽閥后雖有壓力降落，但比焓值不變。如圖所示。從圖中也可看出，如果沒(méi)有汽閥的節(jié)流，則全機(jī)的理想比焓降為，由于汽閥的節(jié)流作用，實(shí)際的理想比焓降為其差值為節(jié)流引起的比焓降損失。稱為汽輪機(jī)進(jìn)汽阻力損失。為計(jì)算方便，通常用壓損占新汽壓力的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，損失的大小取決于汽流速度和主汽門及調(diào)門的空氣特性。對(duì)高壓進(jìn)汽部分壓損

對(duì)于再熱管道及再熱器，壓損對(duì)于中低壓缸連通管，壓損§2.2進(jìn)汽阻力損失和排汽阻力損失三、排汽阻力損失

排氣在排氣管中流動(dòng)時(shí)，由于摩擦，渦流，轉(zhuǎn)向等阻力作用而有壓力下降，這部分沒(méi)做功的壓降損失，稱為汽輪機(jī)的排氣阻力損失。即：末級(jí)動(dòng)葉出口的靜壓與凝汽器喉部靜壓之差為汽輪機(jī)排汽阻力損失汽輪機(jī)理想比焓降由變?yōu)閾p失了。估算式：凝汽式機(jī)cex

≤

100~120m/s，背壓式機(jī)cex

≤

40~60m/s,λ=0.05~0.1.一般情況下：§2.2進(jìn)汽阻力損失和排汽阻力損失

一般情況下，汽輪機(jī)的排汽阻力損失為提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，可通過(guò)擴(kuò)壓的方法把排汽動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓，以補(bǔ)償排汽管中的壓力損失。如果排汽管進(jìn)口馬赫數(shù)Ma≤0.5,則排汽壓損由下式計(jì)算：排汽部分通常做成蝸殼擴(kuò)散式，盡可能使排汽的余速動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，補(bǔ)償流動(dòng)產(chǎn)生的損失，并內(nèi)裝導(dǎo)流環(huán)，使乏汽均勻地布滿整個(gè)排汽通道，保持排汽暢通。由于排氣管中擴(kuò)壓器的位置不同，所以有不同的排氣管形式，如圖表示了兩種不同形式的排氣管。排汽管好壞一般可用能量損失系數(shù)ξex和靜壓恢復(fù)系數(shù)ηex來(lái)衡量。

§2.2進(jìn)汽阻力損失和排汽阻力損失§2.3汽輪機(jī)及其裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)

汽輪機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)中有絕對(duì)效率和相對(duì)效率兩種,以整機(jī)理想焓降為基礎(chǔ)的效率是相對(duì)效率，而以單位質(zhì)量蒸汽在熱力循環(huán)中所吸收熱量為基礎(chǔ)的效率是絕對(duì)效率。一、汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率----有效比焓降與理想比焓降之比相應(yīng)的，汽輪機(jī)的內(nèi)功率

式中，和分別是以和為單位的進(jìn)汽流量機(jī)械效率----汽輪機(jī)的軸端功率與汽輪機(jī)的內(nèi)功率之比，描述了軸承摩擦、主油泵等的功率損耗即：發(fā)電機(jī)效率----發(fā)電機(jī)輸出功率與汽輪機(jī)軸端功率之比汽輪發(fā)電機(jī)組相對(duì)內(nèi)效率即：§2.3汽輪機(jī)及其裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)二、汽輪機(jī)的絕對(duì)內(nèi)效率汽輪機(jī)的絕對(duì)內(nèi)效率----全機(jī)實(shí)際比焓降與整個(gè)循環(huán)中加給1kg蒸汽的熱量之比式中循環(huán)熱效率：絕對(duì)電效率----1kg蒸汽理想比焓降中轉(zhuǎn)換成電能的部分與整個(gè)熱力循環(huán)中加給1kg蒸汽的能量之比§2.3汽輪機(jī)及其裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)三、汽耗率汽耗率----每生產(chǎn)1kw·h電能所消耗的蒸汽量四、熱耗率熱耗率----每生產(chǎn)1kw·h電能所消耗的熱量中間再熱機(jī)組：§2.3汽輪機(jī)及其裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)五、煤耗率機(jī)組發(fā)出1KW·h電量所消耗的標(biāo)煤量(標(biāo)準(zhǔn)煤g/KW·h）。發(fā)電煤耗、供電煤耗。汽輪機(jī)中汽封有隔板汽封，葉根及葉頂汽封、軸端汽封和門桿汽封主要形式：齒形軸封、蜂窩式軸封等。一、齒形軸封齒形軸封分為高低齒軸封(曲徑軸封)和平齒軸封(光軸軸封)兩種。在汽輪機(jī)的高壓段采用曲徑軸封，在低壓段采用光軸軸封?！?.4軸封及其系統(tǒng)工作原理：蒸汽在汽封中的流動(dòng)當(dāng)作絕熱等焓過(guò)程。蒸汽在流經(jīng)汽封片時(shí)節(jié)流加速,然后在腔室中產(chǎn)生渦流，軸封段漏汽量計(jì)算：漏汽量計(jì)算分亞臨界和超臨界兩種工況

對(duì)應(yīng)的流量為§2.4軸封及其系統(tǒng)將汽流動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。隨壓力降低,蒸汽比容增大,故對(duì)相同結(jié)構(gòu)的汽封,汽流速度是逐級(jí)增大。又因膨脹后焓值變小、音速降低,因此在汽封中如果出現(xiàn)超臨界流動(dòng),只能在最后一個(gè)汽封片處出現(xiàn)。（芬諾曲線）二、軸封系統(tǒng)作用：軸封系統(tǒng)由端軸封和與它向連的管道和附屬設(shè)備組成作用是在任何運(yùn)行工況下保證蒸汽不外泄、空氣不內(nèi)漏，同時(shí)回收泄漏蒸汽的熱能（軸封加熱器）和組織汽流冷卻轉(zhuǎn)子的軸端。組成：軸封系統(tǒng)由軸封、供汽母管及均壓箱、軸封調(diào)節(jié)器、軸封加熱器和軸封抽汽器等組成。軸封系統(tǒng)的型式有外供汽式和自密封式兩種，不同制造廠采用不同的軸封系統(tǒng)和軸封汽流組織方式。

軸封分成多段多室，與大氣環(huán)境接近的腔室的壓力由抽汽器或風(fēng)機(jī)維持略低于大氣壓力，緊鄰的腔室壓力由壓力調(diào)節(jié)器維持略高于大氣壓力，從而保證蒸汽不外泄、空氣不內(nèi)漏。高壓缸因壓力較高，軸封的段數(shù)較多，其中高壓段的漏汽被引作回?zé)岢槠?。自密封式軸封系統(tǒng)

軸封主要由三段二室組成。高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，低壓軸封的供汽來(lái)自于高壓軸封的漏汽，高壓漏汽經(jīng)噴水減溫后進(jìn)入低壓軸封；低負(fù)荷時(shí)，軸封汽由外部提供。優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：不能充分冷卻高、中壓缸高溫軸端。§2.4軸封及其系統(tǒng)外供汽式軸封系統(tǒng)

高、中缸高溫端軸封由多(大于3）段多室組成，部分漏汽被引至低壓加熱器。低壓軸封的供汽來(lái)自于輔助蒸汽系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：低溫輔助蒸汽對(duì)高、中壓段高溫軸端起到冷卻作用；缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜。三、軸封系統(tǒng)的特點(diǎn)

1、軸封汽的利用---將漏汽從軸封中間腔室引出加以利用或回收漏汽(含空氣)混合物的熱量以加熱凝結(jié)水；

2、低壓低溫汽源的利用---高壓缸兩端與主軸承靠近，為防止傳出高溫蒸汽使軸承超溫，常向高壓軸封供低壓低溫蒸汽；

3、防止蒸汽由端軸封漏入大氣---防止蒸汽漏入軸承使油質(zhì)惡化、車間濕度增大及汽水損失，通常在高低壓端軸封出口處人為地造成一個(gè)比大氣壓力稍低的壓力，將漏出的蒸汽和漏入的空氣一起抽出，經(jīng)冷卻后排入大氣；

4、防止空氣漏入真空部分---在低壓端軸封中間通入比大氣壓力稍高的蒸汽，沿著主軸向背離汽缸方向流動(dòng)，以阻止外界空氣流入?！?.4軸封及其系統(tǒng)一、軸向推力

在軸流式汽輪機(jī)中，通常是高壓蒸汽由一端進(jìn)入，低壓蒸汽由另一端流出，從整體來(lái)看，蒸汽對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子施加了一個(gè)由高壓端指向低壓端的軸向力，使轉(zhuǎn)子存在一個(gè)向低壓端移動(dòng)的趨勢(shì)，這個(gè)力就稱為轉(zhuǎn)子的軸向推力。軸向推力對(duì)某些類型的汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)是相當(dāng)可觀的，例如對(duì)高壓反動(dòng)式機(jī)組，它的推力可高達(dá)1.96～2.94MN樣大的推力不能只靠推力軸承來(lái)承擔(dān)，必須加以平衡。為此，必須對(duì)轉(zhuǎn)子的軸向推力進(jìn)行計(jì)算，為推力軸承的設(shè)計(jì)提供依椐。確保推力軸承可靠地工作和汽輪機(jī)安全地運(yùn)行。沖動(dòng)式汽輪機(jī)的軸向推力

轉(zhuǎn)子上的軸向推力是各級(jí)軸向推力的總合，包括作用在各級(jí)動(dòng)葉上的軸向推力、作用在葉輪面上的軸向推力和作用在轉(zhuǎn)子凸肩上的軸向推力三部分?！?.5多級(jí)汽輪機(jī)的軸向推力及其平衡軸承、推力軸承１.作用在動(dòng)葉上的軸向推力動(dòng)葉上的軸向推力是由動(dòng)葉前后的靜壓差和汽流在動(dòng)葉中軸向分速度的改變所產(chǎn)生的

引入壓力反動(dòng)度軸向分速度變化很小，上式可寫§2.5多級(jí)汽輪機(jī)的軸向推力及其平衡２.作用在葉輪面上的軸向推力

葉輪上的軸向力決定于葉輪兩側(cè)的壓差。而壓差的大小決定于隔板漏汽、平衡孔漏汽和葉根漏汽的平衡，以及動(dòng)葉根部汽流產(chǎn)生的抽汽效應(yīng)和葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的泵浦效應(yīng)。三者的流量決定于隔板與葉輪空間的壓力。在h-s圖上，同一壓差的等壓線距離越向下越大，即焓降增大，故壓力反動(dòng)度小于焓降反動(dòng)度，用替代計(jì)算軸向偏于安全，故可認(rèn)為正比與?！?.5多級(jí)汽輪機(jī)的軸向推力及其平衡抽氣效應(yīng)----噴嘴中流出的高速汽流在葉根處對(duì)隔板與葉輪間腔室內(nèi)的蒸汽產(chǎn)生抽吸作用，其效應(yīng)相當(dāng)于增大腔室中的壓力。抽氣效應(yīng)的大小可由抽氣效應(yīng)反動(dòng)度表示式中為抽氣效