汽轮机设备及运行_教学课件(105p).ppt

汽轮机设备及运行汽轮机设备及运行课件课件（4）4 4 汽轮机的工作原理汽轮机的工作原理 1、汽轮机的级：是由一组安装在喷嘴汽室或隔板上的静叶栅和一组安装在叶轮上的动叶栅所组成，它是汽轮机作功的最小单元2、级内能量转换过程：具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在静叶栅通道中得到膨胀加速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能通过冲动和反动两种作用实现2第一节第一节 级的一般概念级的一般概念 一、汽轮机的级、级内能量转换过程3汽轮机低压转子（含动叶栅）4蒸汽在级中做功的热力过程线53、冲动作用原理(impulse):当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被称为冲动力这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于蒸汽微团流进、流出动叶通道时其动能的变化量4、反动作用原理(reaction):当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向，同时还要膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动力，后者会对叶片产生一个反作用力，即反动力蒸汽通过这种级，两种力同时作功。

6蒸汽对于动叶栅的作用力二、反动度 为了描述蒸汽通过汽轮机某一级时在动叶通道中的膨胀程度大小，通常用反动度来描述反动度等于蒸汽在动叶通道中膨胀时的焓降和在整个级的理想焓降之比，即7 蒸汽参数随叶高变化，即比焓降也沿叶高变化，因此级的反动度也随叶高变化一般取叶片根部截面、叶片平均截面、叶片顶部截面为特征截面，相应的反动度为r、m和t实际上，级的反动度沿叶高是增大的对于短叶片，一般给出的反动度为级的平均反动度三、汽轮机级的类型及特点（一）冲动级和反动级 按蒸汽在动叶通道内膨胀程度不同，即反动度的大小不同，轴流式级可分为冲动级和反动级1、冲动级m=0的级叫纯冲动级，蒸汽只在喷管叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向纯冲动级做功能力大，但效率比较低，现代一般采用带少量反动度（m=0.050.2）的冲动级做功能力比反动级大，效率比纯冲动级高8冲动式汽轮机的结构特点：因为汽流在动叶栅内膨胀量较少，所以动叶栅的截面形状是近似对称的因为动叶栅前后压力相差较小，没有太大的轴向力作用在转子上，所以冲动式汽轮机可以采用质量轻，结构紧凑的轮盘式转子同样可以采用较大的径向间隙，从而提高汽轮机运行的灵活性。

但是喷嘴叶栅前后存在较大的压力差，为了减少喷嘴叶栅与轴之间间隙的漏汽量，要尽量减小间隙的直径，所以设计为隔板结构，把喷嘴装在隔板的外环上，在隔板的内孔装有汽封片92、反动级：m0.5蒸汽在喷管和动叶通道中的膨胀程度相等做功的力基本上冲动力和反动力各占一半结构特点：动叶叶型与喷管叶型相同效率比纯冲动级高，但做功能力较小1011反动级汽轮机特点：喷嘴叶栅和动叶栅可以采用相同的叶型，构成相似的喷嘴叶栅和动叶栅通道，因而可以降低汽轮机的制造成本因为在动叶片前后存在较大的压力差，为了减小汽流对转子作用的轴向力，反动式汽轮机采用转鼓式结构，没有叶轮喷嘴叶片直接安装在汽缸内壁，使级的轴向尺寸减小但粗大的转鼓式转子质量大，启动时热惯性大，增加了暖机时间而影响到汽轮机运行的机动性为了减少蒸汽漏泄量应尽量减小径向间隙为了平衡轴向推力，还设置了平衡活塞反动级因动叶片前后存在压力差，为了避免过大的级内损失，一般不采用部分进汽，而采用全周进汽12（二）压力级和速度级 按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程不同，还把汽轮机和级分为压力级和速度级1、压力级：蒸汽的动能转换为转子机械能的过程在级内只进行一次的级叶轮上只装一列动叶栅，故又称单列级。

可以是冲动级，也可以是反动级2、速度级：转换过程进行一次以上的级可以是双列或多列的只有一列喷管，后面有两列或更多列动叶片采用最多的是双列速度级，又称复速级速度级是冲动式的，可以看作是单列冲动级的延伸做功能力很大，但效率低常用于单级汽轮机和中、小型多级汽轮机的第一级1314（三）调节级和非调节级 按通流面积是否随负荷大小改变，可将汽轮机的级分为调节级(governing stage)和非调节级1、调节级：通流面积能随负荷改变而改变如喷管调节汽轮机的第一级运行时，可通过改变通流面积来控制进气量，达到调节汽轮机负荷的目的一般中小汽轮机用复速级作为调节级，大型汽轮机常用单列冲动级作为调节级2、非调节级：通流面积不随负荷改变而改变的级二者另一个不同点：调节级总是做成部分进汽，而非调节级可以是全周进汽，也可以是部分进汽15 汽轮机的第一级就是调节级，机组靠改变调速汽门的开度，控制汽室的投入和喷嘴的工作，改变部分进汽度，改变进汽量，以调整负荷用调节阀调节负荷的机组是节流调节机组，其第一级喷嘴是全部投入的，不起调节作用，当然也不是调节级当然，也有符合调节的调节级是汽缸中温度最高、压力最高、做功量最大的级，又是部分进汽，所以，对其温度、压力要严格监控，防止超标造成危害。

另外，监视调节级压力，也可以了解后面各级蒸汽通道的工作情况16一、基本假设和基本方程式二、蒸汽在喷嘴中的流动过程三、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程17第二节第二节 蒸汽在喷嘴中的能量转换过程蒸汽在喷嘴中的能量转换过程 一、基本假设和基本方程式 流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性、非连续性和不稳定三元流的实际流体为了研究方便，特作假设：1.蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的：即在流动过程中，通道中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变2.蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时，其参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上不变化3.蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动：即蒸汽在叶栅通道中流速很快，流动时与外界没有热交换1819二、蒸汽在喷嘴中的流动过程（一）汽流参数与喷嘴形状的关系根据连续方程式、动量方程式、等熵过程方程，综合可得：M是马赫数(M=c/a)可以看到，喷嘴截面积的变化规律，不仅和汽流速度有关，同时还和马赫数M有关1）当汽流速度小于音速，即M0，则必须dA/dx1时，若要使汽流能继续加速，即dc/dx0，则必须dA/dx0，即渐扩喷嘴3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1，dA/dx=0。

表明横截面A不变化，达到最小值2021 1、临临界界速速度度 在膨胀过程中，到某一截面会出现汽流速度等于当地音速当汽流速度等于当地音速时，则称此时的流动状态为临界状态这时的参数为临界参数，用 等表示临界速度的表达式为：（二）喷嘴中气流的临界状态临界速度只取决于蒸汽的初始参数，与过程无关22 2 2，临界压力，临界压力，临界压力，临界压力 临界压力表达式为：对于等熵膨胀过程来说，有 ，则上式为 上式表明，临界压力只与等熵指数和初压有关临界压力与初压之比称为临界压力比临界压力比，用 表示：对于过热蒸汽（=1.3)则 =0.546;对于饱和蒸汽（=1.135)则 =0.577；湿蒸汽=1.035+0.1x，所以 随干度x变化.23 1，喷嘴出口的汽流理想速度 在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数是已知条件按等熵过程膨胀，其过程曲线如右图所示喷嘴出口汽流理想速度表达式为 或者为 蒸汽在喷嘴出口处的速度由喷嘴进口和出口的蒸汽参数决定，并和喷嘴进口的蒸汽速度有关二）喷嘴出口汽流速度计算 242 2，喷嘴出口的汽流实际速度，喷嘴出口的汽流实际速度，喷嘴出口的汽流实际速度，喷嘴出口的汽流实际速度 实际流动是有损失的，汽流实际速度小于汽流理想速度。

通常用喷嘴速度系数来考查两者之间的差别(通常取=0.97)这样，喷嘴出口的汽流实际速度为 3 3，喷嘴损失，喷嘴损失，喷嘴损失，喷嘴损失 蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称为喷嘴损失，用 表示：喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数，用 表示：252627 1，喷嘴的理想流量Gt 计算 喷嘴的理想流量Gt 可用下式计算:式中，-喷嘴出口处截面积;-喷嘴出口处理想汽流速度;-喷嘴出口处比容还可以写成 当喷嘴前参数和出口面积一定时，理想流量只与压比，或者喷嘴背压有关三)喷嘴流量计算282，喷嘴流量曲线，喷嘴流量曲线 临界流量为：式中，只与值有关对于过热蒸汽（=1.3),=0.667；饱和蒸汽（=1.135),=0.635293，通过喷嘴的实际流量的计算，通过喷嘴的实际流量的计算 通过喷嘴的实际流量为：式中，称为喷嘴流量系数对于过热蒸汽，取 n=0.97；对于饱和蒸汽，取n=1.02考虑了流量系数之后，通过喷嘴的实际流量为：对于过热蒸汽：对于饱和蒸汽：另外还可以用单一的计算公式表示：其中，称为彭台门系数对于亚临界流动亚临界流动，这样，汽流从动叶通道中流出的绝对速度的大小和方向可以从图解得到。

可用下式求得：为了方便，通常将动叶进出口速度三角形绘制到一起42动叶栅出口汽流相对速度和绝对速度动叶栅出口汽流相对速度和绝对速度 通过动叶通道的能量方程式可得到动叶栅出口汽流相对理想速度为：结合右下图，焓降 称为 动叶栅理想焓降，这样，其中，,称为动叶栅的滞止理想焓降由于通过动叶栅的流动是有损失的，与喷嘴一样引入动叶速度系数这样，动叶出口的实际相对速度为43 动叶损失动叶损失 动叶损失就是蒸汽通过动叶栅的能量损失，由于动叶损失的存在，使动叶出口的焓值由h2t升到h2，则动叶损失为：动叶损失与理想滞止焓降之比成为动叶栅的能量损失系数，即 在计算时，通常取=0.850.9544余速损失余速损失由速度三角形可知，蒸汽在动叶栅中作功之后，最后以绝对速度 离开动叶，其具有的动能称为余速损失：在多级汽轮机中，余速损失可以被下一级所利用，其利用程度可用余速利用系数表示，=01之间45（二）蒸汽作用在动叶片上的力及轮周功 为求取蒸汽在动叶栅作功大小，必先求取蒸汽对动叶栅的作用力1，蒸汽对动叶片的作用力，蒸汽对动叶片的作用力 蒸汽在动叶栅通道中要改变方向、或者还要膨胀加速，其对动叶片的作用力可用下式进行计算：圆周分力 或者 轴向分力 或者 合力 以上各式中，-单位时间内流过动叶栅的流量；-动叶通道轴向投影面积。

46 2，轮周功和轮周功率，轮周功和轮周功率 蒸汽通过汽轮机的级在动叶片上所作的有效机械功称为轮周功而单位时间内作出的轮周功称为轮周功率轮周功率为圆周分力和圆周速度的乘积：或者，(J/s)用G除以上二式，得到1kg蒸汽所作出的轮周功轮周功表示作功能力，用 表示：或者，结合速度三角形和余弦定理，轮周功还可以用下式表示：(J /k g )级的热力过程线考虑了喷嘴损失、动叶损失和余速损失之后的级焓降称为级的轮周有效焓降，它是用焓降表示的1kg蒸汽所做的轮周功：47小结1、汽轮机级内的能量转换基本假设、基本方程2、静叶（喷嘴）中的能量转换喷嘴出口速度及速度系数、喷嘴损失喷嘴临界状态、喷嘴截面积的变化规律喷嘴流量计算：临界流量理想流量实际流量喷嘴的平均出气角、汽流偏转角3、动叶中的能量转换过程速度三角形c1-uw1+htw2+uc2轮周作用力速度投影轮周功率Fuu轮周功动叶损失系数 余速损失4850 蒸汽在级内所具有的理想能量不能百分之百地转变为轮周功，存在着损失为了描述蒸汽在汽轮机级内能量转换的完善程度，通常用各种不同的效率来加以说明一，轮周效率与速度比 1 1、轮轮周周效效率率：蒸汽在汽轮机级内所作出轮周功 与它在级内所具有的理想能量 之比称为级的轮周效率,即 2 2、级级的的理理想想能能量量：一般来说，级的理想能量是级的理想焓降、进入本级的动能和本级余速动能被下一级所利用部分的代数和，即第四节第四节 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比汽轮机级的轮周效率和最佳速度比513 3，级的理想速度，级的理想速度：为了研究方便，这里引入级的理想速度的概念,定义：4 4，级的轮周效率，级的轮周效率：或者 式中，分别为喷嘴损失、动叶损失和余速损失与级的理想能量之比，称其为喷嘴、动叶和余速能量损失系数。