第二章多级汽轮机

1、第二章第二章 多级汽轮机多级汽轮机 l第一节 多级汽轮机的优越性及其特点 l第二节 进汽阻力损失和排气阻力损失 l第三节 汽轮机及其装置的评价指标 l第四节 轴封及其系统 l第五节 多级汽轮机的轴向推力及其平 衡 第二章第二章 多级汽轮机多级汽轮机 2.1 多级汽轮机的优越性及其特点多级汽轮机的优越性及其特点 一、一、 优点及存在的问题优点及存在的问题 (一)优点优点 (1)与单级汽轮机相比，多级汽轮机的比焓降增大很多，相应地 进汽参数大大提高，排汽压力也可显著降低，同时，由于是 多级，还可采用回热循环和中间再热循环，这些都使循环热 效率大大提高； (2)在全机总比焓降一定时，每个级的比焓降较

2、小，每级都可在 材料强度允许的条件下，设计在最佳速度比附近工作，使级 效率较高； (3)在相邻两级部分进汽度相同，平均直径变化光滑，喷嘴进汽 角与上一级的排汽角相近，级间轴向间隙较小，两级的流量 变化不大的条件下，多级汽轮机各级的余速动能可以全部或 部分地被下一级所利用，提高了级的效率； 2.1 多级汽轮机的优越性及其特点多级汽轮机的优越性及其特点 (4)多级汽轮机的大多数级可在不超临界的条件下工作，使 喷嘴和动叶在工况变动条件下仍保持一定的效率。同时， 由于各级的比焓降较小，速度比一定时级的圆周速度和 平均直径也较小，根据连续性方程 可知，在容积流量相 同的条件下，更使得喷嘴和动叶的出口高度

3、增大，减小 了叶高损失，或使得部分进汽度增大，减小了部分进汽 损失，这都有利于级效率的提高； (5)由于重热现象的存在，多级汽轮机前面级的损失可以部 分地被后面各级利用，使全机效率提高。 此外，多级汽轮机的单位功率造价、材料消耗和占地面 积都比单级汽轮机明显减小，机组容量越大减小越显著， 大大节省了投资。 (二二)存在的问题存在的问题 (1)增加了一些附加损失 (2)增加了机组的长度和质量； (3)高中压缸前面若干级的工作温度高，对零部件的金属材 料要求提高了； (4)级数增多，零部件增多，结构复杂，制造成本高。 二、重热现象和重热系数二、重热现象和重热系数 1. 重热现象-在水蒸气的h-s图

4、上等压线是沿着 比熵增大的方向逐渐扩张的，也就是说，等压线 之间的理想比焓降随着比熵的增大而增大。这样 上一级的损失(客观存在)造成比熵的增大将使后 面级的理想比焓降增大，即上一级损失中的一小 部分可以在以后各级中得到利用，这种现象称为 多级汽轮机的重热现象。 2.1 多级汽轮机的优越性及其特点多级汽轮机的优越性及其特点 重热系数重热系数 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。重热系数 2.1 多级汽轮机的优越性及其特点多级汽轮机的优越性及其特点 1 mac mac tt tt mac t hh hh h 即（ + ） 式中 即为多级汽轮机的重热量， 表示前面级

5、的损失中被后面级利用了的小部分热量。 m ac tt hh 2.1 多级汽轮机的优越性及其特点多级汽轮机的优越性及其特点 需特别指出，重热只表明当各级有损失时，全机的效率要 比各级平均的效率好一些，而不是说有损失时全机的效率 比没有损失时全机的效率高。更不应从中简单地得出越 大，全机效率越高的结论，这是因为口的提高是在各级存 在损失，各级效率降低的前提下实现的，重热现象的存在 仅仅是使多级汽轮机能回收其损失的一部分而已。 三、三、 多级汽轮机各级段的工作特点多级汽轮机各级段的工作特点 (一)高压段 高压、高温，比容小，蒸汽容积流量小。由 连续性方程，为保证喷嘴有足够的出口高度，减 小叶高损失，

6、喷嘴出口汽流方向角l较小。一般 情况下，冲动式汽轮机的l=1114，反动 式汽轮机的l=1420。 在冲动汽轮机的高压段，级的反动度一般不 大。当动静叶根部间隙不吸汽也不漏汽时，根部 反动度r较小，这样，虽然沿叶片高度从根部到 顶部的反动度不断增大，但由于高压段各级的叶 片高度总是较小的，因此，平均直径处的反动度 仍较小。 2.1 多级汽轮机的优越性及其特点多级汽轮机的优越性及其特点 在高压段的各级中，各级比焓降不大，比焓降的变化 也不大。根据连续性方程，为增大叶片高度，以减小叶高 损失，叶轮的平均直径就较小，相应的圆周速度也较小。 同时，为保证各级在最佳速度比附近工作，则各级比焓降 不大。高

7、压各级的比容变化较小，因而各级的平均直径变 化也不大，所以各级比焓降的变化也不大。 在高压各级中，可能存在的级内损失有：轮周损失、 叶高损失、扇形损失、漏汽损失、叶轮摩擦损失、部分进 汽损失等。高压级段蒸汽的比容较小，而漏汽间隙又不可 能按比例减小，故漏汽量相对较大，漏汽损失较大。对于 部分进汽的级，由于不进汽的动叶弧段成为漏汽的通道， 使漏汽损失更有所增大。高压级段蒸汽的比容较小，叶轮 摩擦损失也相对较大。此外，高压级段叶片高度相对较小， 所以叶高损失也较大。综上所述可以看出，高压段各级的 效率相对较低。 2.1 多级汽轮机的优越性及其特点多级汽轮机的优越性及其特点 低压段低压段 低压级段的

8、特点是蒸汽的容积流量很大，要求很大的通流面积， 叶片高度势必很大。为避免叶高过大，有时不得不将低压各级的喷嘴 出口汽流方向角l取得很大。 由于低压级段的容积流量很大，因此叶轮直径较大，级的圆周速 度也比较大。为了保证有较高的级效率，各级均应在最佳速度比附近 工作，则相应的理想比焓降将明显增大。 级的反动度在低压段也明显增大，其原因有二：一是因为低压级 叶片高度很大，为保证叶片根部不出现负反动度，则平均直径处的反 动度就必然较大；二是因为低压级的比焓降较大，为避免喷嘴出口汽 流速度超过临界速度过多，尽可能利用渐缩喷嘴斜切部分的膨胀，这 就要求蒸汽在喷嘴中的比焓降不能太大，而增大级的反动度，保证动

9、 叶内有足够大的比焓降。 蒸汽容积流量很大，而通流面积受到一定限制，余速损失较大；低 压级一般都处于湿蒸汽区，存在湿汽损失，而且越往后该项损失越大； 由于低压级的叶片高度很大，漏汽间隙所占比例很小，同时低压级段 的蒸汽比容很大，因此漏汽损失很小；低压级的蒸汽比容很大，所以 叶轮摩擦损失很小；低压级都是全周进汽，没有部分进汽损失。总之， 对于低压级，由于湿汽损失很大，使效率降低，特别是最后几级，效 率降低更多。 2.1 多级汽轮机的优越性及其特点多级汽轮机的优越性及其特点 中压段中压段 中压级段处于高压级段和低压级段之间，其 特点是蒸汽比容既不像高压级段那样很小，也不 像低压级段那样很大。因此，

10、中压级有足够的叶 片高度，叶高损失较小；一般为全周进汽，没有 部分进汽损失。此外，中压级漏汽损失较小，叶 轮摩擦损失也较小，也没有湿汽损失。所以，中 压各级的级内损失较小，效率要比高压级和低压 级都高。 为了保证汽轮机通流部分的通畅，各级喷嘴 和动叶的高度沿蒸汽流动方向是逐渐增大的，所 以中压各级的反动度一般介于高压级和低压级之 间，且逐渐增大。 2.1 多级汽轮机的优越性及其特点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多级汽轮机的优越性及其特点 多级汽轮机各缸工作特点小结多级汽轮机各缸工作特点小结 蒸汽 参数 汽缸 汽缸 受力 容积 流量 叶片 型式 平均 直径 级 焓

11、 降 反 动 度 主 要 损失 效率 功率 高 压 缸 高温 高压 多层缸 较厚 压力 热应 力 小 较短 直叶 微弯 小 小 较小 叶高 漏汽 部分 较低 不足 1/3 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 大于 1/3 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 稍低 近 1/3 总体来看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

12、部分进汽，高压缸效率最低，中压缸的工况较好，故效率最高 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多级汽轮机的优越性及其特点 2.2 进汽阻力损失和排汽阻力损失进汽阻力损失和排汽阻力损失 一、系统特征一、系统特征 新蒸汽经电动主汽门、自动主汽门和调节汽门进入汽轮机， 膨胀作功后由高压缸排汽回到锅炉再热器中加热，经中压主汽门 和中压调节汽门到中、低压缸中继续膨胀作功，再由低压排汽口 排向凝汽器。蒸汽在汽轮机本体之

13、外流道中的流动必然产生损失， 将使机组的效率下降。这些损失归结为进汽损失和排汽损失两部 分。主要特征是汽流的沿程摩擦、转向和涡流损失三方面。 二、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。为计算方便，

14、通常用压损占新汽压力的百分数来 表示，损失的大小取决于汽流速度 和主汽门及调门的空气特性。对高 压进汽部分压损 对于再热管道及再热器，压损 对于中低压缸连通管，压损 mac t h () mac t h () macmacmac tt hhh 2.2 进汽阻力损失和排汽阻力损失进汽阻力损失和排汽阻力损失 000 0.03 0.05 o pppp 00 (0.12 0.15) r pp s (0.02 0.03) s pp 三、三、 排汽阻力损失排汽阻力损失 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，这部分没做功的压降损失，称 为汽轮机的排气阻力损失。即：末级 动叶出

15、口的静压 与凝汽器喉部静压 之差 为汽轮机排汽阻力损失 汽轮机理想比焓降由 变为 损失了 。 估算式： 凝汽式机cex 100120m/s ，背压式 机cex 4060m/s,=0.050.1. 一般情况下： c p c p ccc ppp mac t h mac h mac t h 2.2 进汽阻力损失和排汽阻力损失进汽阻力损失和排汽阻力损失 2 100 ex cc c pp (0.02 0.06) cc pp 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。如果排汽管进口马赫数Ma0.5,则排汽 压损由下式计算： 排汽

16、部分通常做成蜗壳扩散式，尽可能使排汽的余速动 能转变为压力能，补偿流动产生的损失，并内装导流环，使 乏汽均匀地布满整个排汽通道，保持排汽畅通。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。 排汽管好坏一般可用能量损失系数ex和静压恢复系数 ex来衡量。 2.2 进汽阻力损失和排汽阻力损失进汽阻力损失和排汽阻力损失 2 2 22 1 1 1 c cccex G ppp Af 2.3 汽轮机及其装置的评价指标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

17、热量为基础的效率是绝对效率。 一、一、 汽轮机的相对内效率汽轮机的相对内效率 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，汽轮机的内功率汽轮机的内功率 式中， 和 分别是以 和 为单位的进汽流量 ma c i i ma c t h h i p 0 0 3.6 mac mac ti iti Dh pGh 0 D 0 G / t h /kg s u机械效率机械效率-汽轮机的轴端功率与汽轮机的内功 率之比，描述了轴承摩擦、主油泵等的功率损耗 / mei PP 即： 0 0 3.6 mac mac tim emitim Dh PPGh e P u发电机效率发电机效率-发电

18、机输出功率 与汽轮机轴 端功率之比 / ge le PP el P u汽轮发电机组相对内效率汽轮发电机组相对内效率 elimg 即： 0 0 3.6 m ac m ac tel eltel Dh PGh 2.3 汽轮机及其装置的评价指标汽轮机及其装置的评价指标 二、二、 汽轮机的绝对内效率汽轮机的绝对内效率 汽轮机的绝对内效率汽轮机的绝对内效率-全机实际比焓降与整个循环中加给1kg 蒸汽的热量之比 式中循环热效率：循环热效率： , 0 m a c i aiti c h hh 0 m a c t t c h hh 绝对电效率绝对电效率-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

19、1kg蒸汽的能量之比 . 0 mac tel a elteltimg c h hh 2.3 汽轮机及其装置的评价指标汽轮机及其装置的评价指标 三、三、 汽耗率汽耗率 汽耗率汽耗率-每生产1kwh电能所消耗的蒸汽量 0 1 0 0 03 6 0 0 m a c e lte l D d Ph 四、四、 热耗率热耗率 热耗率热耗率-每生产1kwh电能所消耗的热量 0 0 . 3600 3600c c mac tela el hh qd hh h 中间再热机组： 0 0 r crr D qhhhh D 2.3 汽轮机及其装置的评价指标汽轮机及其装置的评价指标 hkwkJ hkwkJ hkwkJ 五、煤

20、耗率五、煤耗率 机组发出1KWh电量所消耗的标煤量(标准煤g/KWh）。 发电煤耗、供电煤耗。 汽轮机中汽封有隔板汽封，叶根及叶顶汽封、轴端汽封和门 杆汽封 主要形式：主要形式：齿形轴封、蜂窝式轴封等。 一、齿形轴封一、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 轴封及其系统轴封及其系统 工作原理：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 ：漏汽量计算分亚临界和超临界两种 工况 对应的流量为 2.4 轴封

21、及其系统轴封及其系统 将汽流动能转变为热能。随压力降低,蒸汽比容 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） 二、二、 轴封系统轴封系统 作用：作用：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）和组织汽流冷却转子的轴端。 组成：轴封系统由轴封、供汽母管及均压箱、轴封调节器、轴封加热器 和轴封抽汽器等组成。轴封系统的型式有外供汽式和自密封式两种，不 同制造厂采用不同的轴封系统和轴封汽流组织方式。

22、 轴封分成多段多室，与大气环境接近的腔室的压力由抽汽器或风机维 持略低于大气压力，紧邻的腔室压力由压力调节器维持略高于大气压力， 从而保证蒸汽不外泄、空气不内漏。高压缸因压力较高，轴封的段数较 多，其中高压段的漏汽被引作回热抽汽。 u自密封式轴封系统自密封式轴封系统 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 轴封及其系统轴封及其系统 u外供汽式轴封系统外供汽式轴封系统 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

23、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。 三、轴封系统的特点三、轴封系统的特点 1、轴封汽的利用-将漏汽从轴封中间腔室引出加以利用或 回收漏汽(含空气)混合物的热量以加热凝结水； 2、低压低温汽源的利用-高压缸两端与主轴承靠近，为防 止传出高温蒸汽使轴承超温，常向高压轴封供低压低温蒸汽 ； 3、防止蒸汽由端轴封漏入大气-防止蒸汽漏入轴承使油质 恶化、车间湿度增大及汽水损失，通常在高低压端轴封出口处 人为地造成一个比大气压力稍低的压力，将漏出的蒸汽和漏入 的空气一起抽出，经冷却后排入大气； 4、防止空气漏入真空部分-在低压端

24、轴封中间通入比大气 压力稍高的蒸汽，沿着主轴向背离汽缸方向流动，以阻止外界 空气流入。 2.4 轴封及其系统轴封及其系统 一、一、 轴向推力轴向推力 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。 轴向推力对某些类型的汽轮机来说是相当可观的，例如对高压反动式 机组，它的推力可高达1.962.94MN样大的推力不能只靠推力轴承来承 担，必须加以平衡。为此，必须对转子的轴向推力进行计算，为推力轴 承的设计提供依椐。确保推力轴承可靠地工作和汽轮机安

25、全地运行。 冲动式汽轮机的轴向推力冲动式汽轮机的轴向推力 转子上的轴向推力是各级轴向推力的总合，包括作用在各 级动叶上的轴向推力、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。 zzzz FFFF 2.5 2.5 多级汽轮机的轴向推力及其平衡多级汽轮机的轴向推力及其平衡 轴承轴承、推力轴承推力轴承 . .作用在动叶上的轴向推力作用在动叶上的轴向推力 动叶上的轴向推力是由动 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 112212 sinsin zm b FG ccd l pp 引入压力反动度 12 02 p pp pp 轴向分速度变化很小，上式可写 02zmbp F

26、d lpp 2.5 多级汽轮机的轴向推力及其平衡多级汽轮机的轴向推力及其平衡 z F . .作用在叶轮面上的轴向推力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。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间的压力三者的流量决定于隔板与叶轮空间的压力 。 z F 在在h-sh-s图上，同一压差的等压线距离越向下越大，即焓降图上，同一压差的等压线距离越向下越大，即焓降 增大，故压力反动度小于焓降反动度，用替代计增大，故压力反动度小于焓降反动度，用替代计 算轴向偏于安全，故可认为正比与算轴向偏于安全，故可认为正比与 。 m p m p 02m pp 2.5 2.5 多级汽轮机的轴向推力及其平衡多级汽轮机的轴向推力及其平衡 z F 2 2 02 4 zmbd Fdldpp c l抽气效应抽气效应-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