汽轮机级工作原理与过程等

2018/12/7,1,第四章 汽轮机设备,2018/12/7,2,第一节 汽轮机概述,汽轮机以蒸汽为工质，将热能转变为机械能，为发电机发电提供机械能。 火力发电厂三大主要设备之一，单机功率大、效率高、运行平稳、使用寿命长,2018/12/7,3,一、汽轮机的工作原理,1轴,2叶轮,3动叶栅,4喷嘴,单级冲动式汽轮机工作原理结构立体图,“级”是汽轮机中最基本的工作单元。在结构上它是由静叶（喷嘴）和对应的动叶所组成；一列固定的喷嘴和与它配合的动叶片构成了汽轮机的基本作功单元，称为汽轮机的“级”,2018/12/7,4,一. 汽轮机的工作原理,汽轮机内的能量转换 一定压力和温度的蒸汽流经固定不动的喷嘴，并在其中膨胀，蒸汽的压力、温度不断降低，速度不断增加，使蒸汽的热能转化为动能,蒸汽热能,气流的动能,轴的机械能,喷嘴,动叶,2018/12/7,5,（一）冲动作用原理,冲动力的定义：根据力学知识，当一运动物体碰到另一个静止的物体或者运动速度低于它的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小或方向，同时给阻碍它的物体的一个作用力 特点：蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机械功，蒸汽在动叶通道中不膨胀，动叶通道不收缩,2018/12/7,6,从作用力方面分析原理,喷嘴出口处：蒸汽以相对速度w1进入动叶通道，由于受到动叶的阻碍，汽流方向不断改变，最后以相对速度w2流出动叶通道， 在流道中蒸汽对动叶产生一个轮周方向的冲动力F1，该力对动叶作功使动叶转动,蒸汽流过无膨胀动叶通道时速度的变化,2018/12/7,7,反动力定义：蒸汽在动叶汽道内膨胀时对动叶的作用力。根据动量守恒定律，当气体从容器中加速流出时，要对容器产生个与流动方向相反的力。 基本特点：蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向，而且还要膨胀加速，从结构上看动叶通道是逐渐收缩的。,（二）反动作用原理,2018/12/7,8,从作用力方面分析原理,蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力降低，速度增加一方面通过速度方向的改变，产生冲动力F1 蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低，所产生的焓降转化为动能造成动叶出口的相对速度w2大于进口相对速度w1，使汽流产生了作用于动叶上的与汽流方向相反的反动力Fr。 在蒸汽的冲动力和反动力合力作用下推动动叶旋转作功。,动叶通道是逐渐收缩的,2018/12/7,9,（三）反动度和级类型,基本概念 级滞止理想焓降：0点是级前的蒸汽状态点，0*点是汽流被等熵滞止到初速等于零的状态，p1、p2分别为喷嘴出口压力和动叶出口压力，蒸汽在级内从滞止状态0*等熵膨胀到p2时的焓降称为级的滞止理想焓降 级理想焓降：蒸汽在级内从0点等熵膨胀到p2时的焓降 称为级的理想焓降。,2018/12/7,10,1. 反动度,反动度：表示蒸汽在动叶通道内膨胀程度大小的指标。 它等于蒸汽在动叶通道中的理想焓降与喷嘴的滞止理想焓降和动叶通道中理想焓降之和的比值 级的平直径处（即1/2叶高处）的反动度用m表示，其表达式为：,2018/12/7,11,2. 级的类型及特点,汽轮机的级可分为冲动级和反动级两大类 (1)、冲动级 冲动级又分：纯冲动级、带反动度的冲动级速度级 1) 纯冲动级：反动度为零的级称为纯冲动级 工作特点：是蒸汽只在喷嘴中膨胀，在动叶通道中不膨胀 结构特点：动叶叶型近似对称弯曲，作功能力大，但效率比带反动度的冲动级低。,2018/12/7,12,现代冲动式汽轮机中广泛采用具有一定反动度的冲动级，简称为冲动级 工作特点:蒸汽的膨胀主要喷嘴中进行，在动叶通道中仅有小部分膨胀，产生的反动力较小，主要利用冲动力作功 结构特点：作功能力比反动级的大，效率又比纯冲动级高。,2) 带反动度的冲动级,2018/12/7,13,冲动式汽轮机,2018/12/7,14,速度级:为使充分利用余速，在两列动叶之间装设列导向叶片，排汽经过导向叶片后改变方向，进入第二列动叶继续作功。这种级称为速度级。 复速级：同一叶轮上装有两列动叶片的双列速度级，又称为复速级。 工作特点：蒸汽主要在喷嘴中膨胀加速：动叶通道和导向叶片通道中基本不膨胀，焓降大、效率较低。用于单级汽轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。,3) 复速级,2018/12/7,15,定义：蒸汽在级中的理想焓降平均分配在喷嘴和动叶通道中的级称为反动级 工作特点：蒸汽在喷嘴和动叶通道中的膨胀程度相等，作功的力冲动力和反动力各占一半 结构特点：动叶叶型与喷嘴叶型完全相同。反动级的效率高于冲动级，但整级的理想焓降较小。,4) 反动级,2018/12/7,16,反动式汽轮机,2018/12/7,17,调节级,2018/12/7,18,第二节 汽轮机的基本作功原理,近代大功率汽轮机都是由若干个级构成的多级汽轮机，由于级的工作过程在一定程度上反映了整个汽轮机的工作过程，所以对汽轮机工作原理的讨论一般总是从汽轮机“级”开始的，有助于理解和掌握全机的内在规律性。,2018/12/7,19,一、级的作功原理,级是汽轮机中最基本的工作单位 级由静叶（喷嘴）和对应的动叶组成 工质的热能在喷嘴中先转变为工质的动能，然后在动叶中使能转变为机械能,喷嘴汽道示意图,2018/12/7,20,引用热力学第一定律导出的能量方程，方程可表示为 蒸汽进入和流出叶栅的比焓值，焦耳/公斤； 蒸汽进入和流出叶栅的速度，米/秒。,2018/12/7,21,二、级内损失和级效率,(一)级的内部损失：在汽轮机通流部分中与流动、能量转换有直接联系的损失称为汽轮机级的内部损失 级内的损失主要有叶栅损失、余速损失、部分进汽损失、叶轮摩擦损失、漏汽损失和湿汽损失等,2018/12/7,22,1叶栅损失,叶栅损失包括：喷嘴损失和动叶损失。 从产生原因看，它由：叶型损失、叶端损失和冲波损失所组成。,2018/12/7,23,叶型损失,指蒸汽流过叶型表面时所产生的能量损失，由附面层中的摩擦损失、附面层分离时的涡流损失及尾迹损失组成。,2018/12/7,24,叶端损失,蒸汽在通道的顶部和根部附面层产生的摩擦损失以及产生的由内弧向背弧的横向流动（称为二次流）。,2018/12/7,25,超音速飞机遇到的冲波,冲波损失是指叶栅中汽流在跨音速及超音速范围内流动时，在某一截面产生冲波（激波）引起的能量损失。,2018/12/7,26,2. 余速损失,蒸汽离开动叶栅时带走的余速动能称为余速损失。,2018/12/7,27,3叶轮摩擦损失,2018/12/7,28,4部分进汽损失,由于部分进汽造成的能量损失称为部分进汽损失。 由鼓风损失和斥汽损失组成。 在不装喷喷的弧段内把动叶栅罩住，可减少鼓风损失。,2018/12/7,29,5漏汽损失,汽轮机通流部分中，隔板与转轴之间，动叶顶部与汽缸之间都存在间隙，且间隙前后蒸汽存在压力差，这样蒸汽就有一部分不通过动叶通道，而经间隙漏到后面，造成损失，称为漏汽损失。 减小漏汽损失的措施是安装汽封等,2018/12/7,30,6湿汽损失,湿蒸汽引起的有用功损失，称为湿汽损失。 蒸汽由于凝结成水使作功量减少 高速的蒸汽带动低速的水珠而消耗一部分动能 水珠进入动叶时撞击在进口处的动叶片背弧上，阻止叶轮旋转 安全上，动叶会被湿汽冲蚀损坏,2018/12/7,31,2018/12/7,32,2018/12/7,33,（二） 级的相对内效率,级的相对内效率表示级的能量转换的完善程度，是用来衡量级经济性的一个重要指标，它与级的类型、叶型、反动度、速比、叶高、蒸汽的性质、级的结构特点等有关。,2018/12/7,34,第三节 多级汽轮机,2018/12/7,35,一、多级汽轮机概述,东方汽轮机厂生产的双缸双排汽300 MW汽轮机纵剖面,2018/12/7,36,哈尔滨汽轮机厂四缸四排汽600 MW反功式汽轮机纵剖面,2018/12/7,37,东方汽轮机厂,东汽600MW1000MW系列空冷机组,亚临界四排汽机组纵剖面图,2018/12/7,38,东方汽轮机厂,东汽600MW1000MW系列空冷机组,超临界四排汽机组纵剖面图,超临界两排汽机组纵剖面图,2018/12/7,39,ALSTOM,2018/12/7,40,三菱重工,2018/12/7,41,东汽超超临界1000MW汽轮机,2018/12/7,42,多级汽轮机的热力过程线,汽轮机的相对内效率,教材勘误！,2018/12/7,43,（一）多级汽轮机的效率大大提高 在设计工况下每一级都在最佳工况附近工作 余速动能可以全部或部分的被下一级利用 在容积流量相同的条件下由于直径较小因而叶高损失减小，喷嘴流动效率较高 蒸汽初参数可大大提高，排汽压力降低，采用回热循环和中间再热循环，所以多级汽轮机的循环热效率高,二. 多级汽轮机的特点,2018/12/7,44,单机功率大。单位功率汽轮机组的造价、材料消耗和占地面积减小。,（二）多级汽轮机单位功率的投资大大减小,教材勘误！,2018/12/7,45,（三）多级汽轮机存在的问题,增加了一些附加损失，如隔板漏汽损失； 增加了机组的长度和质量； 对零件的金属材料要求提高； 级数增加，结构更加复杂。 总体上讲：多级汽轮机远优于单级汽轮机。多级汽轮机由于具有效率高、功率大、投资小等突出优点而得到广泛应用。,2018/12/7,46,三多级汽轮机的轴向推力及其平衡,1. 轴向推力 汽轮机在运行时，转子需要承受很大的轴向推力。 对于反动式汽轮机轴向推力可达几百吨 冲动式汽轮机轴向推力也达到几十吨之多 转子的轴向推力，由每一级产生的轴向推力迭加而成。每一级的轴向推力由以下三项组成： 1动叶片上的轴向推力； 2作用在叶轮轮面上的轴向推力； 3作用在轴肩上的轴向推力。,2018/12/7,47,2. 轴向推力的平衡,平衡的方法除了在叶轮轮面上开平衡孔外，主要采用下列两种方法： 1平衡活塞法； 2相反流动布置法。,2018/12/7,48,第四节 汽轮机本体,汽轮机本体包括静止和转动两大部分。 静止部分：汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承和滑销系统等； 转动部分：主轴、叶轮和叶片等组成的转子。 通流部分：汽轮机本体中作功汽流的通道称为汽轮机的通流部分 包括主汽门、调节汽门、导管、进汽室、各级喷嘴和动叶及汽轮机的进汽管。,2018/12/7,49,一. 汽轮机本体的基本特点,1、采用多汽缸结构 级数和转子的长度增加使转子刚性降低，将转子分成若干段，采用多汽缸结构 2、采用多排汽口 提高汽轮机单机功率的途径 3、采用双轴系结构 为解决大功率汽轮机排汽口增多使转子过长的困难，可以设计成双轴系结构。,2018/12/7,50,4.高中压缸采用分流合缸方式 当一次再热机组的功率不是很大时，可把高压、中压通流部分配置在一个共同的汽缸内，采用此种布置的优点是： 1高温区集中在汽缸中部，两端温度压力较低，从而减少了对轴承和端部汽封的影响； 2与分缸设计相比，可缩短主轴长度，减少轴封漏气； 3可部分平衡轴向推力。,一. 汽轮机本体的基本特点(续),2018/12/7,51,高中压缸合缸,2018/12/7,52,5、采用单独阀体结构 把蒸汽室和调节阀从高压缸的缸体上分离出去 布置在汽轮机两侧，使汽缸具有良好的对称性，温度分布均匀，减少热应力和热变形。 6、多层汽缸结构 太厚的汽缸壁会产生过大的热应力 7、加长低压级叶片长度 提高单机功率的有效途径,一. 汽轮机本体的基本特点(续),2018/12/7,53,单独阀体结构,2018/12/7,54,多层汽缸结构,2018/12/7,55,旧型,新型,加长低压级叶片长度,2018/12/7,56,二. 汽轮机的静止部分,（一）汽缸 汽轮机的外壳，是汽轮机的重要静止部件之一。根据汽缸进口处蒸汽参数的不同，可以将汽缸分成高压缸、中压缸和低压缸。,2018/12/7,57,汽缸的作用,1将高温、高压的蒸汽与大气隔开，形成能量转换的环境； 2内部包容隔板、喷嘴叶栅及转子部件，共同构成汽轮机的通流部分； 3承受安装在内部各零件的重量，管道的安