汽轮机通流部分面积评价本科毕业论文

1、摘 要汽轮机通流部分是机组能量转换的关键部位，通流部分一旦发生故障将对汽轮机组运行的安全性与经济性产生重要影响。所以，对汽轮机通流部分故障分析和诊断是十分必要的。本论文在参考大量国内外文献的基础上，对汽轮机通流部分的的通流特性进行了细致的研究。本文首先从影响汽轮机相对内效率的因素出发，论证了影响汽轮机相对内效率的因素以及级内各项损失的原因，并对漏汽损失在原理上进行了理论分析，并给出了漏汽损失的公式计算分析。以弗留格尔公式为基础，经过推导演绎，提出了汽轮机级组特征通流面积的新概念，给出了明确的解析式。通过具体实例验证了级组特征通流面积的精度，并指出了级组特征通流面积在机组运行分析、变工况计算、监

2、测与诊断等方面的应用途径。在建立机组通流部分的精确热力性能档案时，除了考虑级组的特征通流面积及其相对于设计工况的偏差率外，还考虑了级组的相对内效率和级组内功率。对汽轮机通流部分结垢现象，从实际出发给予分析，并对汽轮机结垢后，对汽轮机功率和效率的影响从理论上进行了论证。最后，还对结垢后汽轮机前后压力比的变化进行了分析。本论文紧密结合电厂汽轮机通流部分的实际情况进行分析研究。研究成果的应用，可以较好的解决以前单纯的以级组相对内效率为判据所带来的诊断结果受回热系统运行情况和机组“重热现象”影响的弊端，也能为电厂汽轮机通流部分运行监测、故障诊断以及机组的变工况计算提供良好的理论依据。关键字：汽轮机；通

3、流部分；特征通流面积；结垢title turbine flow passage area of evaluation method abstractthe flow passage of steam turbine is the key part of a unit for energy conversion. once faults occur in the flow passage，it will have great impact on the security and economy of a running turbine.thus，it is necessary to study

4、on fault analysis and fault diagnosis of the flow passage of steam turbine. referring to plenty of literatures both in china and abroad，this paper has carried out detailed research on flow characteristic of the flow passage of steam turbine.in this paper，starting from the influence factors of relati

5、ve internal efficiency for steam turbines，demonstrates the influence factors of relative internal efficiency of steam turbines and the reasons for the loss in the level and leakage losses in the theoretical analysis on the principle and calculation and analysis of leakage loss of a formula are given

6、.based on flugel formula，a new concept of characteristic flow area of steam turbines was presented by derivation and deduction，and the definite analytical expression of the characteristic flow area was given in this paper. an illustrative example is provided to verify the precision of characteristic

7、 flow area，and the applied approaches of characteristic flow area in the field of operation analysis，variable condition calculation，monitoring and diagnosis were pointed out.while creating accuracy thermal performance file of flow passage the characteridtic flow area of steam turbine and its rate of

8、 deviation related to design condition，internal efficiency ratio and internal power were considered.the turbine flow passage scaling phenomenon，from reality to give analysis， and after scaling the turbine，the turbine power and efficiency theoretically demonstrated. finally， right before the turbine

9、pressure ratio after scaling changes were analyzed.this paper conducted analysis and researches combined with practical situation of flow passage of steam turbine.the application of research results can solve diagnostic error affected by running condition of regenerative system and“reheat phenomena”

10、 when using internal efficiency ratio as a criteria. meanwhile，the results can also supply favorable theory basis for operational monitoring，fault diagnosis and variable condition calculation of flow passage.key words：steam turbine；flow passage；characteristic flow area；performanceanalysis；fouling目 录

11、摘要iabstractii第1章 绪论- 1 -1.1研究本课题的背景及意义- 1 -1.2本课题国内外发展现状- 2 -1.2.1国外研究现状- 2 -1.2.2国内研究现状- 2 -1.3本课题要研究的内容- 3 -1.3.1本课题研究的目的- 3 -1.3.2 本课题拟进行的工作- 4 -第2章 汽轮机相对内效率的影响因素- 5 -2.1相对内效率的定义- 5 -2.2级内主要损失的分布- 5 -2.2.1叶高损失- 6 -2.2.2扇形损失- 7 -2.2.3叶轮摩擦损失- 7 -2.2.4部分进汽损失- 8 -2.2.5漏汽损失- 8 -2.2.6湿汽损失- 9 -2.3漏汽损失的计

12、算- 10 -2.3.1隔板漏汽损失- 10 -2.3.2叶顶漏汽损失- 11 -2.4间隙变化对相对内效率和功率的影响- 12 -第3章 弗留格尔公式及特征通流面积- 14 -3.1弗留格尔公式的推导- 14 -3.1.1弗留格尔证明法- 14 -3.1.2寇尔顿证明法- 16 -3.2弗留格尔公式的应用- 17 -3.2.1计算精度- 17 -3.2.2级组的划分- 18 -3.3汽轮机级组特征通流面积（cfa）- 19 -3.3.1cfa表达式及其精度分析- 19 -3.3.2湿蒸汽区的处理- 23 -3.4特征通流面积的应用- 25 -3.4.1性能偏离分析- 25 -3.4.2建立机

13、组的精确热力性能档案- 25 -3.4.3机组的运行监测与诊断- 26 -第4章 汽轮机结垢因素研究及诊断- 27 -4.1汽轮机通流部分粗糙的原因分析- 27 -4.1.1通流部分表面结垢- 27 -4.1.2腐蚀- 27 -4.1.3固体颗粒冲蚀- 28 -4.1.4外物冲击和喷砂处理- 28 -4.2通流部分表面变粗糙后对机组功率和效率的影响- 28 -4.3通流部分结垢诊断方法- 31 -4.3.1汽轮机正常运行中的级组前后压力比分析- 31 -4.3.2汽轮机通流部分结垢时级组前后压力比分析- 33 -4.3.3回热系统运行参数对各级组压比影响的修正- 34 -结论- 35 -致谢-

14、 36 -参考文献- 37 -第1章 绪 论1.1研究本课题的背景及意义汽轮机是以蒸汽为工质的将热能转变为机械能的旋转式原动机。与其他热力原动机相比，它具有单机功率大，效率较高、运转平稳、单位功率制造成本低和使用寿命长等一系列有点，因而得到广泛应用。汽轮机不仅是现代火电厂和核电站中普遍采用的发动机，而且还广泛用于冶金、化工、船运等部门用来直接驱动各种从动机械，如各种泵、风机、压缩机和传动螺旋桨等。在使用化石燃料的现代常规火电厂、核电站以及地热发电站中，汽轮机是用来驱动发电机生产电能的，故汽轮机与发电机的组合成为汽轮发电机组。全世界发电总量的80左右是又汽轮发电机组发出的，所以汽轮机是现代化国家

15、中重要的动力机械设备。对于电站汽轮机，如果发生故障，轻则造成停机，重则机毁人亡，这将会给电厂和社会造成巨大的经济损失。随着电力技术的不断进步和发展，现代电厂汽轮发电机组正向高参数和大型化方向发展。但是，随着单机功率的不断增大和蒸汽初参数的不断提高，使电站汽轮机发生故障的概率大大增加。同时，由于汽轮机通流部分其结构的复杂性和运行环境的特殊性，故障率一直居高不下，而且一旦发生故障将对汽轮机机组造成损害，同时给发电企业带来巨大的安全隐患和经济损失。所以对通流部分而言，最好应在故障发生的最初阶段就发现问题，并加以解决，以免造成更大的损失。近年来，与热力参数变化紧密相关的汽轮机通流部分故障，如汽流通道结

16、垢、叶片断裂和汽封脱落等越来越受到重视。通流能力和相对内效率是汽轮机的两大重要的热力性能指标。温度、压力等热力过程参数，在汽轮机通流部分发生故障时，最先产生变化，然后引起机组的相对内效率发生变化2。以相对内效率为判据检测汽轮机运行状况时，首先采集通流部分的运行参数，然后计算出不同工况下相对内效率的值，与基准值进行比较，通过偏差率的大小，就可以判断通流部分运行状态3。但是，对于有回热系统和再热系统的汽轮机组，汽轮机的相对内效率不能准确反映汽轮机通流部分的运行状态，因为当汽轮机回热加热器端差增大而使其理想循环热效率降低时，也将引起回热抽汽量的变化，从而使汽轮机通流部分的流量发生变化，引起汽轮机相对

17、内效率降低。这样，当汽轮机相对内效率降低时，有时很难判断出是由汽轮机本体通流部分故障如通流部分结垢或间隙增大等直接引起的，还是由于回热系统出现经济性下降故障如回热加热器端差增大或抽汽压损增大等间接引起的，这就给汽轮机的相对内效率基准值的确定带来了难度。计算表明，当回热系统出现经济性下降故障如回热加热器端差增大或抽汽压损增大等时，无论故障出现在低压加热器还是高压加热器，对中间各个级组相对内效率的影响很小，中间各个级组的相对内效率基本不变，而对最末级组相对内效率的影响较大17。对于最后一段抽汽与低压缸排汽构成的最末级组，由于其处于湿蒸汽区，目前排汽恰不能准确确定，所以很难确定最末级组相对内效率的应

18、达值。此外，为了积极响应国家节能减排政策的要求，我们必须提高汽轮机组效率、降低能耗，这就要求我们对现有汽轮机组进行改造，提高汽轮机组的性能多方面性能。其中，对汽轮机通流部分的合理改造，不但可以提高汽轮机的相对内效率，还以最少的投入获得最大的效益。同时，合理的对汽轮机通流部分进行评价和研究，能够找到提高机组效率的方法，为将来分析和解决电力生产的实际问题，奠定良好的基础，这是研究本课题的关键所在。1.2本课题国内外发展现状1.2.1国外研究现状最近几十年来，世界各国对汽轮机通流部分的监测和故障诊断技术研究已经相当重视，并有了长足进步，先后开发了以电站汽轮机通流部分为研究对象的故障诊断专家系统22，

19、如美国本特利公司的tdm/ddm/pdm、adre3、trendmaster2000，美国西屋公司和卡内基-梅隆大学合作开发的透平机械、发电机和水化学处理的三个专家系统turbine aid、gen aid及chem aid等系统。但是，这些诊断系统大部分都是以轴系振动量为分析对象来诊断汽轮机机械故障，对于通流部分的故障，如汽封脱落，叶片变形、汽流通道阻塞等故障很少涉及1。只有当故障发展到较为严重的阶段，振动参数才会出现变化，所以这些专家系统的使用，不利于故障的早期诊断。随着“状态检修”的概念越来越被人提及，故障诊断的含义也随之扩大。最好在故障出现之前就能够预知，而不是等机组出现故障了，再去寻

20、找故障原因、提出检修方案等。这样可以减少设备维修费用，增大机组运行安全系数，为机组维修提供科学依据。基于热力参数的汽轮机状态监测和故障诊断由于在故障发生初期就可以发现故障，属于故障早期诊断5。1.2.2国内研究现状对于大型汽轮机组通流部分的故障诊断研究，我国从上个世纪80年代末就开始了。结垢、磨损、损坏、汽封漏汽，是汽轮机通流部分最常见的故障，这些故障发生时总是会引起一些热力参数的变化，因而可以通过监视热力参数的变化，利用热力参数变化与通流部分故障之间的关系，进行汽轮机通流部分的故障诊断。上海交通大学的忻建华，叶春等人，对电站汽轮机通流部分故障特征规律进行了研究，提出了热力参数故障诊断，并分析

21、了热力参数诊断的方法，给出了高压缸通流部分的部分故障与热力参数的对应关系。实现了轴系振动诊断无法取代的汽轮机通流部分的早期故障诊断4。山东电力研究院的牛卫东，对基于热力参数的通流部分监测与诊断作了讨论，得出了电厂负荷改变与汽轮机通流部分的热力参数变化的关系2。并对热力参数变化对内效率及通流部分的安全性影响进行了分析，最后利用计算机编程的方式，进行了通流部分变工况诊断的实例分析。上海发电设备成套设计研究所的史进源等人，在研究汽轮机通流部分的故障诊断模型的基础上，提出了一些故障诊断规则用于汽轮机通流部分的监测3。东北电力大学李勇教授等通过工程实例验证了他们自己提出的通流部分结垢的诊断方法，还提出了

22、对汽轮机相对内效率在线监测的方法。华北电力大学杨勇平教授在1999年提出过一个“当量通流面积”的概念，可以通过监测某级组的”当量通流面积”的变化，诊断出其通流面积的改变。利用“当量通流面积”进行汽轮机通流部分的故障诊断时，可以直接得出到底通流面积是增加(磨损)还是减少(结垢)；并通过一个实例计算了“当量通流面积”的值5-8。中国广东核电集团有限公司的徐大懋院士，结合多年的实践经验，在弗留格尔公式的基础上提出了“特征通流面积”的概念，并提出了如何利用“特征通流面积”的概念去检测和诊断汽轮机故障的设想6。对于这一概念，徐院士在核电汽轮机组的热力性能试验中进行了验证，在机组性能偏离分析方面取得了良好

23、效果。在火电机组方面，徐院士没有验证。综上所述，目前汽轮机通流部分的故障诊断研究主要有两个方向：一是以相对内效率为判据，通过各种计算机技术，实现故障的在线、离线检测与诊断。二是通过特征值来表征汽轮机通流面积的变化，直接判断通流部分的故障情况。但是目前在火电机组方面还没有一个经过验证的可以应用到工程实际的特征值作为机组故障的判据。1.3本课题要研究的内容1.3.1本课题研究的目的汽轮机的通流能力是一个与通流面积密切相关的概念。如果我们能够找到一个表征汽轮机通流能力的表达式，以进行汽轮机通流部分的定量计算分析和故障诊断，将对于汽轮机的故障诊断和运行监测有着重要的现实意义。对汽轮机通流部分的合理改造

24、，不但可以提高汽轮机的相对内效率，还可以以最少的投入获得最大的效益。同时，合理的对汽轮机通流部分进行评价和研究，能够找到提高机组效率的方法，为将来分析和解决电力生产的实际问题，奠定良好的基础，这是研究本课题的关键所在。1.3.2 本课题拟进行的工作（1）对影响汽轮机相对内效率的因素进行分析；（2）对弗留格尔公式进行分析及推导；（3）对汽轮机本体运行过程中相对内效率降低和汽轮机结垢及间隙增大原因进行分析；（4）分析对前汽轮机通流部分存在的问题，并对这些问题找到合适的解决方案。（5）进一步分析和总结对汽轮机通流部分的评价方法，并对未来汽轮机通流部分的研究和改进给以展望。第2章 汽轮机相对内效率的影

25、响因素2.1相对内效率的定义目前，应用最广泛的汽轮机热力性能评价指标就是相对内效率，它的值等于汽轮机某一级组的实际焓降与理想等熵焓降的比值。计算公式如下： （2-1）式中：为级组进口的蒸汽焓值；为级组出口蒸汽实际焓值；为级组出口蒸汽理想焓值。级的相对内效率是衡量级内能量转换完善程度的最终指标，它的大小与所选用的叶型、速比、反动度、叶栅高度等有密切的关系，也与蒸汽的性质、级的结构等因素有关。因此设计时只有合理地确定这些因素才能获得较高的级效率。当汽轮机通流部分出现异常，机组相对内效率会随之降低，所以根据监测到的汽轮机各级组的相对内效率变化，就能初步判断通流部分运行是否正常。机组热力试验时，测量各

26、相关点的温度和压力值，然后通过查水蒸汽性质表确定相关的蒸汽焓值和熵值，再根据上述公式2-1计算出相对内效率。而湿蒸汽区，应该设法求出湿蒸汽的焓值和熵值才能进行诊断。将通过热力试验所得数据计算出的相对内效率，与相对内效率在对应负荷下的基准值进行比较，根据偏差大小，即可判断出发生故障的级组及故障的严重程度17。相对内效率作为热力判据的局限性是：无法判断通流部分到底发生了什么故障，比如通流部分结垢和通流部分叶片断裂，都使相对内效率降低，无法通过相对内效率的变化，区分具体故障原因。另外，相对内效率的变化还受回热系统运行情况的影响，使内效率的变化和通流部分故障的关系变得更加复杂，不利于故障诊断的进行。2

27、.2级内主要损失的分布在实际的能量转换过程中，除了静、动叶栅损失和余速损失外，级内还可能存在叶高损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏汽损失和湿汽损失等。这些损失的存在，使得汽轮机级的有效比焓降减少，效率降低。因此，在进行级内损失的计算之前，首先应根据级的结构和工作条件等分析级内存在的损失，然后再选用适当的公式计算。对此，以张家口电厂n300-6.7/537/537-5型汽轮机为例18-19，在额定工况下计算高压缸某级和中压缸某级级内主要损失的分布情况，该汽轮机是东方汽轮机厂生产的冲动式汽轮机。根据这两个级所处的部位分析，级内主要存在静叶栅损失、动叶栅损失、余速损失、叶高损失、扇形损失

28、、叶轮摩擦损失和漏汽损失。 （a）高压缸某级 （b）中压缸某级图2-1 某冲动级级内主要损失的分布某冲动级内主要损失的分布，如图2-1所示。图2-1中的纵坐标为各项损失占级内总损失的百分数，横坐标1、2、3、4、5、6、7分别表示静、动叶栅损失、余速损失、叶高损失(包含扇形损失)、叶轮摩擦损失、隔板漏汽损失和叶顶漏汽损失。从图2-1中看出，叶顶漏汽损失占整个级内损失相当大的一部分。叶顶漏汽损失和隔板漏汽损失合在一起所占的比例就更大。虽然对于不同的级来说，这个比例不是一个常数，但总的说来，占总损失的份额还是比较大的。在实际运行中，由于汽封的磨损不能监测，普遍存在着间隙比设计值大，因此所引起的漏汽

29、损失就更大，严重影响到级的效率和功率19。另外，对于反动级，由于叶片环汽封直径比隔板汽封直径大，而汽封的齿数又比较少，所以反动级叶片环汽封比冲动级隔板汽封的漏汽量要大。同时，由于反动级的动叶栅前后压差大，动叶顶部的漏汽流量也比冲动级的大。2.2.1叶高损失蒸汽在叶栅通道内做曲线运动时，受到两个力的作用，其一是离心力，其二是由于汽道内，这两个力是平衡的，但是在叶栅汽道上下两个端面蒸汽的离心力较小，从而产生横向流动，这种流动称为二次流7。在靠近端面的背弧上，二次流与主流的附面层相互作用，其结果使两端面上的附面层剧烈增厚，在大多数情况下，形成了局部脱离，加上因端面附近二次流使得主汽流产生横向的补偿流

30、动，在叶片背面与壁面的交界处形成了两个方向相反的旋涡区，从而引起了较大的能量损失，这种损失称为二次流损失。二次流损失与叶片高度密切相关，当叶片较长时，二次流在上下两端面产生的旋涡对主流的影响较弱；反之，当叶片较短时，尤其是lb12mm时，上下两端面的旋涡汇合并充满整个汽道，二次流损失剧增24。因此，二次流损失又称为叶高损失。例如，调节级采用部分进汽，增加叶片高度，就是为了减少叶高损失。另外还可以采用减少叶栅的平均直径的办法，以增加叶片高度，减少叶高损失。2.2.2扇形损失汽轮机级中实际应用的是环列叶栅，它与平面直叶栅相比，有两个特点：一是叶栅的相对节距不是常数而是从内径向外径成正比例增加的。这

31、样除了平均直径截面处的相对节距为最佳值外，其它各圆周截面的相对节距必然偏离最佳值。因此这些截面的叶型损失系数都大于最小值，这就带来了一项额外的流动损失；二是空汽动力学上的特点，叶栅出口汽流在轴向间隙中存在着压力梯度，即由内径向外径静压力逐渐增加，所以会产生径向流动损失。所有这些就构成了扇形损失。2.2.3叶轮摩擦损失叶轮摩擦损失的根本原因，是由于具有黏性的蒸汽造成的。叶轮两侧充满了停滞的蒸汽，当叶轮旋转时，仅贴在叶轮表面的蒸汽以与叶轮相同的速度一起旋转，而紧贴在隔板和汽缸壁的蒸汽速度为零。因此在叶轮两侧到隔板的轴向间隙中，蒸汽形成了层与层之间的速度差，从而产生了摩擦损失，这种摩擦损失包括两方面

32、内容：(1)叶轮两侧及围带表而的粗糙度引起的摩擦损失当叶轮在充满蒸汽的汽室内转动时由于蒸汽的粘性和旋转表面的粗糙度，粘附在叶轮两侧及外缘表面的蒸汽微团被叶轮带着转动，其圆周速度与叶轮表而相应点的圆周速度大致相等，紧贴在汽缸壁或隔板表面的蒸汽微团的圆周速度为零。由叶轮表面至汽缸壁的间距上蒸汽微团的圆周速度是不同的，即存在着速度梯度，因此造成了蒸汽微团之间和蒸汽与壁面之间的摩擦。为了克服摩擦和带动蒸汽质点运动必然要消耗一部分轮周功。(2)子午面内的涡流运动引起的损失紧靠叶轮表面的蒸汽微团随叶轮一起转动，受到离心力的作用，产生向外的径向流动。而靠近汽缸壁或隔板表面的蒸汽微团由于速度小，受到的离心力也

33、小，自然地向中心移动以填补叶轮处径向外流的蒸汽，于是叶轮两侧的子午面内便形成了蒸汽的涡流运动。涡流本身要消耗一部分轮周功，而且还使摩擦阻力增加。叶轮摩擦损失与级的容积流量成反比。汽轮机的高压段，摩擦较大；大型机组低压级的很小，甚至可以忽略不计7。另外，与速比的三次方成正比，表明当增加时，急剧增大。2.2.4部分进汽损失小汽轮机高压级容积流量较小，为了保证喷嘴高度不小于极限相对高度(如窄叶片高度为1215m m)，喷嘴叶栅就不能像动叶栅那样整圈布置，而只是占据部分圆周，这种布置称为部分进汽13。此外，调节级由于配汽方式的需要通常采用部分进汽。常用装有喷嘴的弧段长度（为喷嘴片数）与整个圆周长度的比

34、值来表示部分进汽的程度，称为部分进汽度，由于部分进汽而带来的能量损失称为部分进汽损失，它是由鼓风损失和斥汽损失组成的：(1)鼓风损失发生在不装喷嘴的弧段内。当部分进汽时，动叶通道不是连续地通过工作蒸汽。当旋转着的动叶通过无喷嘴的“死区”弧段时，动叶片就像鼓风机一样，将“死区”中基本处于静止状态的蒸汽由一侧鼓到另一侧，因此要消耗一部分轮周功；同时动叶两侧与充满在轴向间隙中的不工作蒸汽产生摩擦，从而带来了摩擦损失，在数值上比前者还大。可见，部分进汽度越小，鼓风损失越大。为了减少鼓风损失，除合理选择部分进汽度外，还经常采用护罩，把”死区”内的动叶罩住这样可减少鼓动蒸汽量，使鼓风损失减小。(2)斥汽损

35、失与鼓风损失相反，它发生在装有喷嘴的工作弧段内。当动叶栅经过无喷嘴的弧段时，对应的汽道b内被汽室a中的呆滞蒸汽所充满。当动叶进入工作弧段时，除嘴中射出的高速汽流首先必须把汽道中的呆滞蒸汽推出去，并使之加速，从而消耗了工作蒸汽的一部分动能。此外，由于叶轮高速旋转的作用，在喷嘴组出口端a处，喷嘴叶栅与动叶叶栅之间的间隙中将产生漏汽，引起损失；而在喷嘴组的进入端b处却相反，将产生抽汽，将一部分呆滞蒸汽吸入动叶汽道。干扰了主汽流，也会引起损失。这些损失构成了斥汽损失，又因为它是喷嘴弧段两端处的损失，故又称为弧端损失。由于动叶每经过一组喷嘴弧段时就要发生次斥汽损失，所以在相同部分进汽度下。喷嘴沿圆周分布

36、的组数越多，斥汽损失就越大。为了减少斥汽损失，应尽量减少喷嘴组数。2.2.5漏汽损失对于冲动级，隔板前后存在着较大的压差，而隔板和转轴之间又存在着间隙，因此必定有一部分蒸汽，从隔板前通过间隙漏到隔板与本级叶轮之间的汽室内。由于这部分蒸汽不通过喷嘴，所以不参加作功，因而形成了隔板漏汽损失。此外，漏进这一汽室内的蒸汽还有可能通过喷嘴和动叶根部之间的间隙流入动叶。由于这些漏汽不是以正确方向进入动叶的，因此不但不作功，反而扰乱了动叶中的主汽流，造成损失。为了避免隔板漏汽混入动叶中干扰主汽流，一方面在叶轮上开设平衡孔，使隔板漏汽经过平衡孔流到级后，另一方面在动叶根部设置汽封片加以阻挡，并在设计时选取合理

37、的反动度，尽量使动叶根部不出现吸汽或漏汽现象15。在动叶顶部，为了避免转子和汽缸之间的相对膨胀及转子发生振动时产生碰撞，在动叶顶部与隔板和持环之间应有一定的轴向间隙和径向间隙。即使是冲动级，动叶顶部也有较大的反动度，即叶顶前后有较大的压差，这样势必造成从喷嘴出来的一部分蒸汽不通过动叶汽道，而由动叶顶部间隙漏到级后。由于这部分蒸汽未参加作功，因而构成了叶顶漏汽损失。由于漏汽量正比于间隙面积和间隙两侧的压差，故减少漏汽损失应从减小间隙面积和两侧压差这两方而着手。实践证明14，采用高低齿汽封，可同时满足这两个要求。因为高低齿汽封的间隙可以做得很小，而且汽流每通过一个齿就发生一次节流作用，使压力降低一

38、次，故每个齿只承担整个压差的一小部分。由于每个汽封齿中蒸汽的流动情况都大致与蒸汽在渐缩喷嘴中的流动相似，所以漏汽量可以参照喷嘴流量公式计算。对于反动级来说，根据它的基本结构和工作原理不难分析，其漏汽损失比冲动级大，这是因为：(1)内径汽封的漏汽量比冲动级的隔扳漏汽量大，这主要是因为内径汽封直径比隔板汽封直径大，而汽封齿数又比较少。(2)动叶前后的压差较大，所以叶顶漏汽量相当可观。为了减少漏汽损失，应尽量减小径向间隙和，但汽轮机在启动等情况下，静止部分和转动部分受热不均，温差较大，为避免两者摩擦，和又不能过小。因此采用径向和轴向汽封结构，以减少漏汽。对于较长的扭叶片级，在无围带的情况下，往往将动

39、叶顶部削薄，缩短动叶与汽缸(或隔板套)的间隙，从而达到封汽的作用。此外，还应尽量设法减小叶顶反动度，使动叶项部前后压差不致过大。2.2.6湿汽损失饱和蒸汽汽轮机的各级和普通凝汽式汽轮机的最后几级都工作于湿蒸汽区。由于有水分存在、干蒸汽的工作也将受到一定的影响，这种影响主要表现为一种能量损失，这就是所谓的湿汽损失。产生湿汽损失的原因，有以下几个方面：(1)湿蒸汽在喷嘴中膨胀时，一部分蒸汽凝结成水滴，使做功的蒸汽量减少。每kg湿蒸汽中，大约减少（1-x）kg蒸汽量。(2)一般来说，湿蒸汽在膨胀过程中析出的水殊，尤其是聚集在喷嘴出汽边的水膜经汽流粉碎后所形成的较大颗粒的水珠，其速度总比蒸汽的速度低得

40、多。这样，在汽水两相流动中，低速的水珠被高速的蒸汽挟带着流动，从而消耗了汽流的部分动能，称之为挟带损失。(3)在汽流的挟带下，水珠的速度虽有提高，但仍小于汽相的速度。水珠出喷嘴的速度只有蒸汽速度的10%13%左右，而圆周速度u一样，使水珠进动叶的方向角远大于 ，偏离动叶入口方向的水珠撞击在动叶进口处的背孤上，产生了阻止叶轮旋转的制动作用，克服它就要消耗一部分有用功，称之为制动损失。(4)从动叶出来的水珠的相对速度要比蒸汽速度低得多，而圆周速度u是一样的，使远大于，当蒸汽按正确方向进入下一级喷嘴时，水珠将撞击在喷嘴进口处的壁面上，从而扰乱了主汽流，造成损失，称之为扰流损失。(5)在湿蒸汽级中采用

41、的各种捕水装置，当从级内排除部分液相的同时，都不可避免地伴随着一部分蒸汽同时被抽出汽轮机，造成工质损失。湿蒸汽中的水珠打在动叶进口边顶部的背弧上，将使该处受到冲蚀，叶片表面将被冲蚀成许多密集的细毛孔，严重者造成叶片缺损，对汽轮机的安全运行有很大的威胁。随着单机功率不断增大，末级叶高和叶顶圆周速度也不断增大，冲蚀程度就更严重，所以对现代轻汽式汽轮机末级最大可见湿度(在h-s图上查得的湿度)限制在12%14%以内。为了提高湿蒸汽级的效率和防止动叶被冲蚀损坏，一方面可采取有效的去湿方法，另一方面应提高叶片本身的抗冲蚀能力。2.3漏汽损失的计算从图2-1还可看出，叶顶漏汽损失和隔板漏汽损失在高压级所占

42、的份额比中压级大，这说明漏汽损失主要影响高压级的效率和经济性。随着超临界汽轮机的应用，蒸汽压力高和级间蒸汽密度大等因素将导致漏汽损失增加，进而会对机组效率和经济性产生更大的影响。为此，本章通过计算研究了汽轮机通流部分间隙变化对汽轮机相对内效率和功率的影响程度，指出对汽轮机通流部分间隙变化实行状态监测的必要性，为汽轮机通流部分检修和节能提供依据。通常漏汽损失包括隔板漏汽损失和动叶顶部漏汽损失，如图2-2。2.3.1隔板漏汽损失（1）隔板漏汽流量： （2-2）式中：为流经汽封段的漏汽流量与单个汽封齿时(=1)最大漏汽流量的比值，其值可以查随汽封齿数和压比的变化曲线；为汽封流量系数；为隔板汽封的漏汽

43、面积，m2；和为汽封段前后蒸汽的压力，pa；为汽封段前蒸汽的比体积，m3/kg。若为平齿，则应对式2-1进行修正。图2-2 冲动式汽轮机级的径向漏汽示图（2）1kg蒸汽引起的隔板漏汽损失： （2-3） （2-4）式中：为级的蒸汽流量，kg/s；为级的滞止理想比焓降，kj/kg；为不含漏汽损失时级的有效比焓降，kj/kg，、分别为静叶栅损失、动叶栅损失、余速损失和包含扇形损失的叶高损失，kj/kg。2.3.2叶顶漏汽损失（1）叶顶漏汽流量： （2-5）式中：为动叶顶部间隙的流量系数，一般取=0.6；和分别为动叶片直径和高度，m；为动叶顶部反动度；为级后理想状态点的比体积，m3/kg；为式轴向间隙

44、，m；为径向间隙，m；为叶顶汽封齿数。（2）1kg蒸汽引起的动叶顶部的漏汽损失： (2-6)2.4间隙变化对相对内效率和功率的影响以高压级为例，分别计算隔板汽封径向间隙、叶顶汽封径向间隙、静叶栅和动叶栅之间的开式轴向间隙变化时对级的相对内效率和功率的影响。图2-3 通流部分间隙变化对级相对内内效率的影响由图2-3看出，当隔板汽封的径向间隙变化而其它间隙不变时，级的相对内效率随间隙的增大呈线性下降，间隙每变化0.1mm，相对内效率下降0.17%左右;当叶顶汽封的径向间隙变化而其它间隙不变时，级的相对内效率也几乎随间隙的增大呈线性下降，但斜率变小，间隙每变化0.1mm，级的相对内效率下降0.11%

45、左右；当静、动叶栅之间的开式轴向间隙变化而其它间隙不变时，级的相对内效率下降非常缓慢，间隙每变化0.1mm，级的相对内效率下降0.004%左右。这也说明，当有叶顶汽封时，叶顶漏汽流量主要和叶顶汽封径向间隙和汽封齿数有关。由式2-4可知，当没有叶顶汽封时，叶顶漏汽流量与开式轴向间隙成正比变化，此时当开式轴向间隙变化而隔板汽封径向间隙不变时，级的相对内效率也会随间隙的增大呈线性下降。由图2-4可以看出，当隔板汽封的径向间隙变化而其它间隙不变时，隔板漏汽损失几乎随间隙的增大呈线性增加，间隙每变化0.1mm，泄漏损失增加16kw左右；当叶顶汽封的径向间隙变化而其它间隙不变时，叶顶漏汽损失也几乎随间隙的

46、增大呈线性增加，但增加的幅度变小，间隙每变化0.1mm，漏汽损失增加11kw左右；当静、动叶栅之间的开式轴向间隙变化而其它间隙不变时，漏汽损失增加得比较缓慢，间隙每变化0.1mm，漏汽损失增加1kw左右；当没有叶顶汽封时，开式轴向间隙变化而隔板汽封径向间隙不变时，叶顶漏汽损失也会随间隙的增大而呈线性增加。图2-4 通流部分间隙变化对功率的影响第3章 弗留格尔公式及特征通流面积3.1弗留格尔公式的推导反映汽轮机变工况前后通过级组的流量与级组前后参数关系的弗留格尔公式为汽轮机变工况的分析提供了一种有效的方法，在实践中获得了广泛的应用，且当级组级数较多时其具有较高的精确性5。但是，目前对弗留格尔公式

47、的理论证明还没有公认的方法。本章采用弗留格尔证明法和寇尔顿证明法对弗留格尔公式做了分析，从理论上更深入地该公式对该公式进行理解，并提出了该公式的应用条件，论述了其精度和级组划分问题。3.1.1弗留格尔证明法根据喷嘴及动叶出口的流量方程有： (3-1)及能量方程有： (3-2) (3-3)式中：为变工况前级组的流量；为喷嘴出口汽流速度；为动叶出口汽流速度、分别为喷嘴、动叶出口处比容；、分别为喷嘴、动叶出口截面积；、分别为变工况前后级组通流部分面积比；为反动度。则有 （3-4）式中 当级组内级数无穷多时，各级的理想焓降可写成；又因焓降很小，喷嘴和动叶出口处比容可近似认为相等，即将写成，则式3-4可

48、写成 （3-5）级组的实际焓降为= (3-6)又由热力学第一定律及理想汽体的状态方程式可得 =代入式3-5得=令 则有 = (3-7)令 ，则变工况前有 (3-8)变工况后有 (3-9)认为=，=，则有 (3-10)因较小，由式3-7可近似认为=2，故得弗留格尔公式为 (3-11) 1931年弗留格尔首次从理论上证明了弗留格尔公式，但其证明是在一定的假设基础上进行的，因此，存在如下问题20：（1）只有当级组内级数为无穷多时，各级的理想焓降才很小，才有=，=，因此，该假设仅适用于无穷多级，亦即级组内不会出现超临界现象。（2）证明中用了3-6式=，但由相关资料知，n与及k之间的关系为 故3-6式的

49、物理意义是不清楚的。此外，证明中近似认为=，但该假设对式3-6来说仅当=0或=1时才成立，而对蒸汽来说，1，所以，只有=0时才成立。如果将=2的假设代入3-10式，取蒸汽=1.3，则得=1.538，显然这是不可能的。因此，=2的假设是不合理的。（3）因证明中运用了理想汽体状态方程式，所以，仅对理想汽体或高温低压过热蒸汽适用，对湿蒸汽则误差较大，需做蒸汽湿度修正。（4）证明中认为，=，但实际上，当级组内通过的流量不同时，级组内各级的效率将有不同程度地改变，使和变化，且。因此，=。（5）证明中没有考虑流量变化时反动度的变化。3.1.2寇尔顿证明法寇尔顿利用典型反动度（=0.5）的级组导出弗留格尔公

50、式 (3-12)式中 变工况后，认为值不变，有则 (3-13)则 (3-14)寇尔顿证明方法做了如下假定20：（1）各级的焓降很小。反动式汽轮机由于做功能力小，在相同运行条件及功率下机组的级数较冲动式机组要多，从而使反动式级组内各级的焓降较小，故该假设较接近实际情况。（2）变工况前后不变。典型反动级的反动度较大，变工况后，级组的速比变化较小，级组的效率变化较小，故变化较小，该假设近似认为合理。（3）动静叶栅的速度系数相同。典型反动级的动静叶栅型线相同，故汽速度系数亦相等。（4）式3-14若以理想汽体状态方程代入，则得 (3-15)可见，该式不仅考虑了变工况前后级组前稳定的变化，而且还考虑了级组

51、后温度的变化情况，这一点事比较合理的。寇尔顿证明法存在的问题：（1）在级组的直径突变处或级前有抽汽口处=0，该级的焓降要大些，这与各级焓降很小的假设不符合。（2）寇尔顿证明法仅适用于典型反动级组成的级组，且变工况幅度不大。但对于真实反动级或冲动级级组，由于其结构上的差别，该证明方法不适用。(3)对理想汽体或高温低压过热蒸汽适用，对湿蒸汽则误差较大。3.2弗留格尔公式的应用3.2.1计算精度弗留格尔公式严格说仅适用于无穷多级，如果要较精确地计算有限级的压力流量关系，应考虑机组的临界压力比，即 (3-16)式中 当级组内级数无穷多时，则，即通常的弗留格尔公式。因此，弗留格尔公式只是上述公式的特例。

52、当级组内级数少于4级时，弗留格尔公式的误差较大，而考虑级组临界压比的弗留格尔公式误差较小；当级组内级数不少于4级时，二者的精度基本相当，误差均在1左右。3.2.2级组的划分 应用弗留格尔公式时，级组的划分很重要，否则会引起错误的结果。对级组通流部分结垢程度进行诊断时，应将结垢程度大致相同的级划为一个级组，而不应将结垢程度不同甚至将未结垢的级与结垢的级划为一个级组6。在诊断汽轮机通流部分的结垢程度时，将整个压力级作为一个级组，这样 (3-17)在运行过程中可通过监视值的变化来诊断通流部分的结垢程度。但实际上，凝汽式汽轮机的低压级由于汽-液两相的冲刷作用，即使结垢，也很快被冲刷掉，使低压级的结垢很

53、少。因此，不能将整个压力级看作一个级组，才能正确地诊断出结垢程度。例如，某机组设计运行参数如表3-1所示。表3-1 某机组设计运行参数项目级数调节级2345678910流量114.2112.5106.5106.5102.2102.296.696.690.4590.45级后压力，mpa1.1760.8620.6120.4260.2820.1790.1040.0620.03230.0049级后温度，3282882532181791400.9950.9740.9480.884当主蒸汽流量相同时测得的运行参数为：调节级后压力mpa 第2级后压力mpa第6级后压力mpa与表1相比，在相同主蒸汽流量下，调

54、节级和第2级后压力升高，而第6级后压力不变，表明710级没有结垢，可能是36级结垢，故将36级划为一个级组，由公式 (3-18)得，即由于结垢，使36级通流面积减少5。直接以调节级后压力代入式3-18得，即面积仅减少了3，与本文采用的分组计算方法相比，相对误差为40。因此，在诊断机组通流部分的结垢程度时，建议采用本章推荐的分组计算方法。利用本方法还可以大致诊断出结垢的位置。3.3汽轮机级组特征通流面积（cfa）汽轮机的热力性能有两大重要指标：效率和通流能力。效率要求越高越好，而通流能力则要求最佳匹配。效率已有明确的表达式，而通流能力还只是概念，但与通流面积密切相关19。在工程实践中，由于汽轮机通流面积匹配不当而引起性能偏离的现象比较普遍，尤其是核电汽轮机更为明显。一旦产生性能偏离，必然会提出如下问题：性能偏离是由通流面积匹配不当所致，还是效率原因或是二者都有。如果偏离与通流面积匹配有关，应如何改进?所有上述问题的解决要求通流能力特性应有明确的表达式，并且可将其应用于分析和计算。通过长期的实践与研究，本节提出了能反映通流能力的表