汽轮机 第二章

1、,2,多级汽轮机,?,第一节,多级汽轮机的优越性及其特点,?,第二节,进汽阻力损失和排气阻力损失,?,第三节,汽轮机及其装置的评价指标,?,第四节,轴封及其系统,?,第五节,多级汽轮机的轴向推力及其平衡,?,第六节,单排气口凝汽式汽轮机的极限功,率,2,多级汽轮机,2.1,多级汽轮机的优越性及其特点,2.1.1,性能特点,?,循环效率提高蒸汽参数提高、焓降增大、实现抽汽,回热和中间再热。,?,相对内效率提高合理分配各级焙降使之在最佳速比,附近工作；大多数级的余速得到利用；平均焓降减,小，可使级的平均直径减小，提高叶片高度；因存,在重热现象，前级产生的损失部分地被下级利用。,?,单位功率的投资减

2、小。,2.1.2,重热现象和重热系数,重热现象,-,上一级损失中的一小部分在以后各级中得,到应用，即各级理想比焓降之和大于整级理想比焓降。,1.,重热现象,2.1,多级汽轮机的优越性及其特点,右图所示为一具有四个级的热力,过程线，为讨论方便，略去了汽,轮机的进排汽节流损失。若第一,级没有损失，则第二级的初始蒸,汽参数为,。当将蒸汽作为,理想气体处理时，第二级的理想,比焓降为：,1,2,T,p,、,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,k,k,t,p,p,RT,k,k,h,1,2,3,1,2,1,1,但第一级总是有损失存在的，因,此第一级排汽

3、的比熵和温度将增,加，使第二级进口温度不再是,而是,，此时第二级的理想比,焓降变为：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,k,k,t,p,p,RT,k,k,h,1,2,3,1,2,1,1,比较上两式，可以看出，由于,，故,，也,就是在前一级有损失的情况下，本级进口温度升高，,级的理想比焓降稍有增大，这就是重热现象。,2.,重热系数,为讨论方便，假设汽轮机中各级的相对内效率,都,相等，则有,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,2,1,1,t,i,t,i,lev,i,h,h,h,h,?,也就是,把这些等式相加，,可得：,?,?,?,?

4、,?,?,?,?,?,，,，,2,2,1,1,t,lev,i,i,t,lev,i,i,h,h,h,h,?,?,重热系数,-,各级理想焓降之和大于整机理想焓降的增,量与整机理想焓降的比。,2.1,多级汽轮机的优越性及其特点,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,t,mac,i,lev,i,t,lev,i,mac,i,t,lev,i,t,t,lev,i,i,i,h,h,h,h,h,h,h,h,h,?,?,?,?,或,2,1,2,1,上两式中，,是汽轮机全机有效比焓降。,另一方面，整个多级汽轮机的相对内效率为：,mac,t

5、,mac,i,mac,i,h,h,?,?,?,?,式中，,是多级汽轮机全机理想比焓降。,将上两式相除，可得：,mac,t,t,mac,i,mac,t,t,mac,i,lev,i,mac,i,h,h,h,h,h,h,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,由于重热现象，故,，,，,，,4,4,3,3,2,2,t,t,t,t,t,t,h,h,h,h,h,h,?,?,?,?,?,?,?,?,?,因此,，,mac,t,t,h,h,?,?,?,?,上式可,2.1,多级汽轮机的优越性及其特点,mac,t,t,mac,t,h,h,h,?,?,?,?,?,?,?,式中,即为多级汽轮机的重热量，表示前,

6、面级的损失中被后面级利用了的小部分热量。重获热,量使整个汽轮机的相对内效率,大于各级的平均内,效率,mac,t,t,h,h,?,?,?,?,mac,i,?,lev,i,?,?,?,1,mac,lev,i,i,?,?,?,?,?,即：,注：,越大整级内效率越小，因为重热系数的很少量,增大是在级效率降低较多的前提下实现的。,?,2.1,多级汽轮机的优越性及其特点,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,mac,t,mac,t,t,lev,i,mac,i,h,h,h,上式中，,称为重热系数，永远是一个,正值,2.1.3,多级汽轮机各级段的工作特点,蒸汽在多级汽轮机中膨胀作功，压力和温

7、度降低、比,容增大，导致沿蒸汽膨胀流程的通流面积增大，使汽,轮机通流部分的结构和工作特征沿蒸汽流程发生很大,变化。沿蒸汽流程平均直径和叶片高度增大，反动度,呈逐级增大势态。蒸汽比容的减小，漏汽损失的相对,比例呈逐级下降。叶片的增长，二次流损失呈下降趋,势，但叶型损失相对增大。,对中间再热机组，漏汽及,二次流损失较大，加上调,节级部分进汽，高压缸效,率最低，中压缸的工况较,好，故效率最高。,2.1,多级汽轮机的优越性及其特点,蒸汽,参数,汽缸,汽缸,受力,容积,流量,叶片,形式,平均,直径,级比,焓降,反动,度,主要,损失,效,率,功,率,高,压,缸,高温,高压,多层,较厚,压力,热应,力,小,

8、较短,直叶,微弯,小,小,较小,叶高,漏汽,部分,较,低,中,压,缸,高温,中压,多层,较薄,压力,热应,力,中,扭叶,较长,中,中,中等,漏汽,较,高,低,压,缸,低温,低压,多层,薄,压力,热应,力,大,扭叶,长,大,大,较大,湿汽,较,低,2.1,多级汽轮机的优越性及其特点,28,45,27,23,44,33,18,32,50,0%,20%,40%,60%,80%,100%,高压缸 中压缸 低压缸,ABB 汽轮机各汽缸损失分布,叶型损失,二次流损失,泄漏损失,2.1,多级汽轮机的优越性及其特点,2.1,多级汽轮机的优越性及其特点,(,作业,),1.,描述多级汽轮机的性能与特点。,2.,解

9、释重热现象和重热系数。,2.2,进汽阻力损失和排汽阻力损失,2.2.1,汽轮机的主要损失,：,1,：级内损失（九种）,2,：进汽阻力损失,3,：排汽阻力,损失,4,：轴封漏汽损失,5,：机械摩擦损失,2.2.2,进汽阻力损失,：,蒸汽进入汽轮机工作级前必须先经过主汽阀、调节阀,和蒸汽室。蒸汽通过这些部件时就会产生压力降，主,汽阀和调节阀最为严重。由于通过这些部件时蒸汽的,散热损失可忽略，因此蒸汽通过汽阀,的热力过程是一个节流过程，即蒸汽,通过汽阀后虽有压力降落，但比焓值,不变。,?,如图所示。从图中也可看出，,如果没有汽阀的节流，则全机,的理想比焓降为,，由于汽,阀的节流作用，实际的理想比,焓

10、降为,其差值,为,节流引起的比焓降损失。,称为,汽轮机进汽阻力损失。,通常进汽压力降落,为：,降低进汽阻力损失的主要方法,改善蒸汽在气门中的流动特性,mac,t,h,?,(,),mac,t,h,?,(,),mac,mac,mac,t,t,h,h,h,?,?,?,?,?,0,p,?,2.2,进汽阻力损失和排汽阻力损失,?,?,0,0,0,05,.,0,03,.,0,p,p,p,p,o,?,?,?,?,2.2.3,排汽阻力损失：,排气在排气管中流动时，由,于摩擦，涡流，转向等阻力,作用而有压力下降，这部分,没做功的压将损失，称为汽,轮机的排气阻力损失。,即：末级动叶出口的静压,与凝汽器喉部静压,之

11、差,为汽轮机排汽,阻力损失。汽轮机理想比焓,降由,变为,损失了,c,p,c,p,c,c,c,p,p,p,?,?,?,?,?,mac,t,h,?,?,?,mac,t,h,?,?,?,mac,t,h,?,2.2,进汽阻力损失和排汽阻力损失,一般情况下，汽轮机的排汽阻力损失,为提高机组的,经济性，可通过扩压的方法把排汽动能转化为静压，,以补偿排汽管中的压力损失。一般由于排气管中扩压,器的位置不同，所以有不同的排气管形式，,如图,：表,示了两种不同形式的排气管。,?,能量损失系数：,排汽通道总损失与末级动叶出口,蒸汽动能之比。,即：,2,1,1,1,2,ex,c,?,?,?,?,?,静压恢复系数：,排

12、汽通道出口、进口静压差与末级,动叶出口蒸汽动能之比。,即：,2,1,2,1,1,1,2,ex,p,p,c,?,?,?,?,2.2,进汽阻力损失和排汽阻力损失,由,可知：,?,当,回收压头正好补偿流动损失压,头；,0;,1,ex,ex,?,?,?,?,1,ex,ex,?,?,?,?,0;,1,ex,ex,?,?,?,?,?,当,1,;,0,ex,ex,?,?,?,?,余速动能全部转化为,静压头,0;,1,ex,ex,?,?,?,?,?,当,部分气流动能转化为,压力能,0;,1,ex,ex,?,?,?,?,?,当,扩压回收压力不足以弥补沿程阻力损失,2.2,进汽阻力损失和排汽阻力损失,2.2,进汽

13、阻力损失和排汽阻力损失（作业）,1.,汽轮机高、中、低压缸的主要损失有哪几种？,2.,解释进汽阻力损失和排气阻力损失，并在,h-s,图上表示出来。,2.3,汽轮机及其装置的评价指标,汽轮机性能评价指标中有绝对效率和相对效率两种,以,整机理想焓降为基础的效率是相对效率，而以单位质,量蒸汽在热力循环中所吸收热量为基础的效率是绝对,效率。,2.3.1,汽轮机的相对内效率,汽轮机的相对内效率,-,有效比焓降与理想比焓降之比,相应的，,汽轮机的内功率,式中，,和,分别是以,和,为单位的进汽流量,mac,i,i,mac,t,h,h,?,?,?,?,i,p,0,0,3.6,mac,mac,t,i,i,t,i

14、,D,h,p,G,h,?,?,?,?,?,?,0,D,0,G,/,t,h,/,kg,s,?,机械效率,-,汽轮机的轴端功率,与汽轮机的内功率,之比，其描述了轴承摩擦、主油泵等的功率损耗,/,m,e,i,P,P,?,?,即：,0,0,3.6,mac,mac,t,i,m,e,m,i,t,i,m,D,h,P,P,G,h,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,e,P,?,发电机效率,-,发电机输出功率,与汽轮机轴端功,率之比，,/,g,el,e,P,P,?,?,el,P,?,汽轮发电机组相对内效率,el,i,m,g,?,?,?,?,?,即：,0,0,3.6,mac,mac,t,el,el,t,el,

15、D,h,P,G,h,?,?,?,?,?,?,2.3,汽轮机及其装置的评价指标,2.3.2,汽轮机的绝对内效率,汽轮机的绝对内效率,-,有效比焓降与循环热效率之,比,式中,循环热效率：,0,mac,i,a,i,t,i,c,h,h,h,?,?,?,?,?,?,?,0,mac,t,t,c,h,h,h,?,?,?,?,?,绝对电效率,-1kg,蒸汽理想比焓降,中转换成电,能的部分,与整个热力循环中加给,1kg,蒸汽的能,量之比,mac,t,h,?,mac,t,el,h,?,?,.,0,mac,t,el,a,el,t,el,t,i,m,g,c,h,h,h,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2.

16、3,汽轮机及其装置的评价指标,2.3.3,汽耗率,汽耗率,-,每生产,1kw,h,电能所消耗的蒸汽量,0,1000,3600,mac,el,t,el,D,d,P,h,?,?,?,?,2.3.4,热耗率,热耗率,-,每生产,1kw,h,电能所消耗的热量,?,?,?,?,0,0,.,3600,3600,c,c,mac,t,el,a,el,h,h,q,d,h,h,h,?,?,?,?,?,?,?,?,对于中间再热机组：,?,?,?,?,0,0,r,c,r,r,D,q,h,h,h,h,D,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2.3,汽轮机及其装置的评价指标,h,kw,kJ,?,h,kw,kJ,?,h

17、,kw,kJ,?,2.3,汽轮机及其装置的评价指标（作业与思考）,1.,解释汽轮机的相对内效率、汽轮发电机组的,相对内效率、汽轮机的绝对内效率、绝对电,效率。,2.,解释汽耗率及热耗率，并写出定义式。,轴封,：,在汽缸两端转子穿出处,转子与汽缸间的汽封。,作用：,减小漏汽损失,防止蒸汽外逸和空气内漏。,主要形式：,齿形轴封、蜂窝式轴封,2.4.1,齿形轴封,齿形轴封分为高低齿轴封,(,曲径轴封,),和平齿轴封,(,光轴,轴封,),两种。在汽轮机的,高压段,采用曲径轴封，在,低,压段,采用光轴轴封。,2.4,轴封及其系统,工作原理：,蒸汽在汽封,中的流动当作绝热等焓,过程。蒸汽在流经汽封,片时节

18、流加速,然后在腔,室中产生涡流，,轴,封,段,漏汽量计算,：,漏汽量计算分亚临界和超临界两种工况,1.,亚临界：,亚临界工况的漏汽量采用不可压缩,流动方程，,汽流通过孔口的流速为,2,x,x,p,c,?,?,?,对应的流量为,1,2,2,l,l,l,x,x,l,l,x,l,l,x,G,A,c,A,p,A,p,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,0,1,0,2,l,x,l,l,G,p,p,A,p,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,由于等焓线上压力与比容之商为常数，从而求得腔室,压力与前后压差的关系,2.4,轴封及其系统,将汽流动能转变为热能。随压力降低,蒸汽比容

19、增大,故,对相同结构的汽封,汽流速度是逐级增大。又因膨胀后,焓值变小、音速降低,因此在汽封中如果出现超临界流,动,只能在最后一个汽封片处出现。（,芬诺曲线,）,2.,临界：,临界工况时，将最后一个孔口当作喷嘴。由临界流量,计算公式得通过最后一个孔口的漏汽量为,因最后道汽封前均为亚临界，由前亚临界漏汽量计算,公式求得末道前压力,判定是否临界的准则,因而，漏汽量,1,1,0.6672,l,c,l,l,z,z,G,A,p,?,?,?,?,?,?,1,0,1,1,0.445(,1),z,p,p,z,?,?,?,?,0,0,1.25,l,c,l,l,p,G,A,z,?,?,?,?,?,1,0,0.82,

20、0.546,1.25,z,z,p,p,p,z,?,?,?,?,2.4,轴封及其系统,?,?,2,2,0,0,0,z,l,l,l,p,p,G,A,zp,?,?,?,?,?,由递推关系，得亚临界时通过汽封的蒸汽量,轴封孔口流量系数,蒸汽通过轴封孔口的流速是用渐,缩喷嘴的流速公式计算的，其与,实际有一定的差异，由实验求取,流量系数,，其与轴封齿的形状,及几何参数有关，右图可查得：,光轴轴封漏汽量修正系数,与曲径轴封的区别是蒸汽进入下,一空口前还有一定的初速，故漏,汽量增大，其计算结果只需在曲,径轴封的计算结果上乘一修正系,数,，,可由光轴轴封尺寸,和,轴封片数,z,查得，,图：,l,?,l,k,l,

21、k,/,s,?,2.4,轴封及其系统,不同轴封齿形对应的流量系数,基本计算公式分析与统一,公式缺陷：,临界点计算结果不一致。,计算时必须,先判别在轴封段的最末一片中是否达到临界速度,计算曲径轴封的漏汽量时，,也可用单一表达式,0,0,0.667,l,l,l,l,G,A,p,?,?,?,?,?,可根据,z,与,查得：,右图：,若算平齿式光轴轴封的轴,封漏汽量，则需再乘上修,正系数,。,l,?,0,/,z,p,p,l,k,2.4,轴封及其系统,2.4.2,轴封系统,轴封系统由端轴封和与它向连的管道和附属设备组成,作用是在任何运行工况下保证蒸汽不外泄、空气不内,漏，同时回收泄漏蒸汽的热能（轴封加热器

22、）和组织,汽流冷却转子的轴端。,1.,自密封式轴封系统,轴封主要由三段二室组成。高负荷运行时，低压轴封,的供汽来自于高压轴封的漏汽，高压漏汽经喷水减温,后进入低压轴封；低负荷时，轴封汽由外部提供。优,点：系统简单；缺点：不能充分冷却高、中压缸高温,轴端。,2.4,轴封及其系统,2.,外供汽式轴封系统,高、中缸高温端轴封由多,(,大于,3,）段多室组成，部分,漏汽被引至低压加热器。低压轴封的供汽来自于辅助,蒸汽系统。优点：低温辅助蒸汽对高、中压段高温轴,端起到冷却作用；缺点：系统复杂。,2.4,轴封及其系统,2.4,轴封及其系统（作业与思考）,1.,简述轴封概念、作用及主要形式。,2.,简述轴封

23、系统的组成及作用。,3.,轴封漏汽量在亚临界和超临界两种工况时,的计算公式。,2.5.1,轴向推力,在轴流式汽轮机中，通常是高压蒸汽由一端进入，低,压蒸汽由另一端流出，从整体来看，蒸汽对汽轮机转,子施加了一个由高压端指向低压端的轴向力，使转子,存在一个向低压端移动的趋势，这个力就称为转子的,轴向推力。,?,冲动式汽轮机的轴向推力,转子上的轴向推力包括作用在动叶上的轴向推力、,作用在叶轮面上的轴向推力和作用在转子凸肩上的,轴向推力三部分。,z,z,z,z,F,F,F,F,?,?,?,?,?,?,2.5,多级汽轮机的轴向推力及其平衡,轴承,、,推力轴承,.,作用在动叶上的轴向推力,动叶上的轴向推力

24、是由动叶前,后的静压差和汽流在动叶中轴,向分速度的改变所产生的,?,?,?,?,1,1,2,2,1,2,sin,sin,z,m,b,F,G,c,c,d,l,p,p,?,?,?,?,?,?,?,?,压力反动度,1,2,0,2,p,p,p,p,p,?,?,?,?,上式可写为,?,?,0,2,z,m,b,p,F,d,l,p,p,?,?,?,?,?,2.5,多级汽轮机的轴向推力及其平衡,.,作用在叶轮面上的轴向推力,叶轮上的轴向力决定于叶轮两侧的压差。而压差的大,小决定于隔板漏汽,、平衡孔漏汽,和叶根漏汽,的平,衡，以及动叶根部汽流产生的抽汽效应和叶轮旋转产,生的泵浦效应。三者的流量决定于隔板与叶轮空

25、间的,压力,。,11,G,12,G,13,G,d,p,?,叶轮反动度,2,0,2,d,d,p,p,p,p,?,?,?,?,在,h-s,图上，同一压差的焓降随压力降低而增大，故压,力反动度,小于焓降反动度,，用,替代,计算轴向,偏于安全，故可认为,正比与,m,?,p,?,m,?,p,?,z,F,?,?,?,0,2,m,p,p,?,?,2.5,多级汽轮机的轴向推力及其平衡,?,漏汽量计算,1,1,0,1,2(,),l,d,l,d,A,p,p,G,v,z,?,?,?,隔板漏汽量,-,其计算按汽封漏汽计算公式计算,即,平衡孔漏汽量,-,计算采用不可压缩流体的流量计,算公式计算,即,2,2,2,2,2(

26、,),d,l,l,d,p,p,G,A,v,?,?,?,3,0.4,l,?,?,动叶根部漏汽量,-,按不可压缩流体流量计算公式,计算,即,3,3,3,2,r,l,l,d,p,G,A,v,?,?,?,为动叶根部轴向间隙静压、抽汽、泵浦效应的等效压差,r,p,?,2.5,多级汽轮机的轴向推力及其平衡,3,.,1,8,.,0,1,?,l,?,45,.,0,3,.,0,2,?,l,?,c,?,?,抽气效应,-,喷嘴中流出的高速汽流在叶根处对隔板,与叶轮间腔室内的蒸汽产生抽吸作用，其效应相当于,增大腔室中的压力。抽气效应的大小可由抽气效应反,动度,表示,0,2,c,c,p,p,p,?,?,?,?,式中,为抽气效应产生的压差，一般情况,c,p,?,?,泵浦效应,-,高速旋转的叶轮带动周围蒸汽旋转运动，,离心力使部分蒸汽产生指向叶根的径向运动，增大了,叶根两侧的压差,。泵浦效应的大小可有泵浦效应,反动度,表示,一般情况,0,2,b,b,p,p,p,?,?,?,?,b,?,c,p,?,2.5,多级汽轮机的轴向推力及其平衡,02,.,0,01,.,0,?,?,c,02,.,0,01,.,0,?,?,b,从而有,1,r,r,d,c,b,p,p,p,p,p,?,?,?,?,?,?,?,即,0,2,(,)(,),r,r,d,c,b,p,p,p,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,通过流