《汽轮机原理》第01-10章

1、1 第一章第一章 概概 述述 第一节第一节 汽轮机的发展汽轮机的发展 一、国外发展情况一、国外发展情况 18841884年，英国人年，英国人Thomas Parsons Thomas Parsons 第一个反动式汽轮机；第一个反动式汽轮机； 18951895年，年，WestingWesting-house-house公司和公司和Allis-ChalmersAllis-Chalmers公司先后买了公司先后买了Parsons Parsons 的的 专利。专利。 WestingWesting-house-house公司于公司于18971897年开始生产第一台年开始生产第一台120KW120KW汽轮机

2、。汽轮机。 19011901年，年，BBCBBC公司在公司在Parsons Parsons 的专利基础上生产了的专利基础上生产了250KW250KW汽轮机，转速为汽轮机，转速为 3000r/min3000r/min，19881988年年BBCBBC与与AseaAsea合并为合并为ABBABB公司。公司。 19001900年，年，GEGE公司开始生产冲动式汽轮机。公司开始生产冲动式汽轮机。 2020世纪世纪3030年代以来，年代以来，汽轮机发展很快：压力：达到超临界或超超临界，最汽轮机发展很快：压力：达到超临界或超超临界，最 高压力达高压力达31MPa31MPa，最高温度达，最高温度达62062

3、0。机组单机容量一般在。机组单机容量一般在6001000MW6001000MW。 2 二、世界主要汽轮机生产厂家：二、世界主要汽轮机生产厂家： GEGE（美国）、（美国）、SiemensSiemens（西门子）、（西门子）、AlstomAlstom（法国）、（法国）、Hitachi-Hitachi-ToshbaToshba （日本）、（日本）、MItsubishiMItsubishi （日本）、（日本）、 LMZ(LMZ(列宁金属工厂）。列宁金属工厂）。 机组最大容量和末级叶高：机组最大容量和末级叶高：3000r/m3000r/m转速单轴机组达转速单轴机组达1200MW1200MW；转速；转速

4、 3600r/m3600r/m达达1000MW1000MW；核电湿蒸汽汽最大容量达；核电湿蒸汽汽最大容量达1550MW(1500r/min,Alstom)1550MW(1500r/min,Alstom)；对；对 于于3000r/min3000r/min机组，末级叶片达机组，末级叶片达1800mm1800mm。 三、我国火电发展情况三、我国火电发展情况 2020世纪世纪2020年代，上海江边电厂有年代，上海江边电厂有AlstomAlstom产汽轮机组运行；产汽轮机组运行； 19551955年，上海汽轮机厂生产第一台年，上海汽轮机厂生产第一台6000KW6000KW的汽轮机组；的汽轮机组； 汽轮机

5、生产厂家：上海汽轮机厂，哈尔滨汽轮机厂，东方汽轮机厂、北汽轮机生产厂家：上海汽轮机厂，哈尔滨汽轮机厂，东方汽轮机厂、北 京重型电机厂等。京重型电机厂等。 机组容量：机组容量：从从6000KW200MW6000KW200MW，近，近3030年来，主要生产年来，主要生产300600MW,1000MW300600MW,1000MW机组。机组。 装机总容量：装机总容量：各类机组总和近各类机组总和近8 8亿亿KWKW（20082008年底）。年底）。到到20102010年底，各类发年底，各类发 电机组装机容量为电机组装机容量为9.69.6亿亿KWKW。 3 第二节第二节 采用汽轮机的发电方式采用汽轮机的

6、发电方式 热力发电是目前主要发电方式，采用的燃料是煤、石油、天然气。热力发电是目前主要发电方式，采用的燃料是煤、石油、天然气。 一、燃煤发电一、燃煤发电 燃煤发电是目前世界上主要的发电形式，也是我国主要的发电形式。燃煤发电是目前世界上主要的发电形式，也是我国主要的发电形式。 我国燃煤电厂站装机总容量的我国燃煤电厂站装机总容量的70%70%。 1. 1. 主机和辅机主机和辅机：三大主机：锅炉、汽轮机、发电机；：三大主机：锅炉、汽轮机、发电机； 主要辅机：主要辅机： 风机、水泵、加热器、冷凝器、除氧器、制粉设备等。风机、水泵、加热器、冷凝器、除氧器、制粉设备等。 2. 2. 生产过程：生产过程：煤

7、粉燃烧将煤粉燃烧将化学能化学能转化为高温烟气的转化为高温烟气的热能热能，热能通过锅炉的，热能通过锅炉的 省煤器、水冷壁、过热器（再热器）使工质水变成过热蒸汽，蒸汽推动汽轮省煤器、水冷壁、过热器（再热器）使工质水变成过热蒸汽，蒸汽推动汽轮 机旋转，将热能转化为旋转机旋转，将热能转化为旋转机械能机械能，以带动发电机发电（，以带动发电机发电（电能电能）。汽轮机的）。汽轮机的 排汽排凝汽器凝结成水；水通过低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器排汽排凝汽器凝结成水；水通过低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器 送锅炉的省煤器，完成闭合循环（图送锅炉的省煤器，完成闭合循环（图1-61-6）。现代先进燃煤电

8、厂热效率可达）。现代先进燃煤电厂热效率可达 42%42%。其参数可达：。其参数可达：35MPa35MPa，700/720700/720C C。 4 二、二、 燃气燃气蒸汽联合循环发电蒸汽联合循环发电 根据热力学基本定律可知，热力循环的理想热效率只取决于循环的根据热力学基本定律可知，热力循环的理想热效率只取决于循环的平均平均 吸热温度吸热温度和和平均放热温度平均放热温度。提高平均吸热温度和降低平均放热温度都可以提。提高平均吸热温度和降低平均放热温度都可以提 高循环的热效率。高循环的热效率。理想的热机的循环热效率理想的热机的循环热效率可表达为：可表达为： 在实际中，一种工质能达较高的平均吸热温度在

9、实际中，一种工质能达较高的平均吸热温度 ，但不一定能达较，但不一定能达较 低的平均放热温度低的平均放热温度 ，反之亦然。为了提高热机的热效率，可以采用多种，反之亦然。为了提高热机的热效率，可以采用多种 工质组成的联合循环装置，从而达到较高的平均吸热温度工质组成的联合循环装置，从而达到较高的平均吸热温度 和较低的和较低的 放热温度放热温度 。燃气轮机装置燃气轮机装置的平均吸热温度较高（一般为的平均吸热温度较高（一般为 11001100 12001200C C ），但其排气温度也较高（一般为），但其排气温度也较高（一般为500500 600600C C ）。在）。在蒸汽动蒸汽动 力循环力循环中，汽

10、轮机的进汽温度不可能很高（一般为中，汽轮机的进汽温度不可能很高（一般为540540 560560C C ）。循环的）。循环的 平均放热温度很低（一般为平均放热温度很低（一般为3030 3838C C ）。把这两种循环联合起来组成）。把这两种循环联合起来组成燃燃 气气蒸汽联合循环蒸汽联合循环，此循环则具有，此循环则具有较高的平均吸热温度较高的平均吸热温度和和 。则根据热力学原理，可使整个循环的热效率大大提高（。则根据热力学原理，可使整个循环的热效率大大提高（60%60%）。）。 1 T 1 2 1 T T t 2 T 2 T 1 T 5 三、核能发电三、核能发电 核裂变和轻核聚变时，都能释放出巨

11、大的热量，即核能。利用核能发核裂变和轻核聚变时，都能释放出巨大的热量，即核能。利用核能发 电的电厂称为核电站。目前作为商业运行的核电都是利用电的电厂称为核电站。目前作为商业运行的核电都是利用铀核裂变铀核裂变释放热能，释放热能， 1kg1kg铀核裂变释放热能，相当于铀核裂变释放热能，相当于2700t2700t标准煤所释放的热能。标准煤所释放的热能。核反应堆（原子核反应堆（原子 炉）相当于火电厂中的锅炉，为最主要的设备，用以生产蒸汽，蒸汽通过汽炉）相当于火电厂中的锅炉，为最主要的设备，用以生产蒸汽，蒸汽通过汽 轮机作功带动发电机发电。轮机作功带动发电机发电。 轻核聚变轻核聚变所释放的热能是十分巨大

12、大，如所释放的热能是十分巨大大，如1kg1kg的氦聚变所释放的热能，的氦聚变所释放的热能， 相当于相当于10000t10000t标准煤所释放的热能标准煤所释放的热能。地球上可用来作为聚变的物质很多，如。地球上可用来作为聚变的物质很多，如 海水中的氘就有海水中的氘就有2525万亿万亿t t，其所释放的热能可供人类使用十亿年之久。但热核，其所释放的热能可供人类使用十亿年之久。但热核 聚变仍处于早期研究阶段。聚变仍处于早期研究阶段。 6 四、地热发电四、地热发电 地球内部所蕴藏的地球内部所蕴藏的热能热能非常巨大，据估计，仅贮藏在地球非常巨大，据估计，仅贮藏在地球表层表层10km10km之之 内内的温

13、度可达的温度可达50005000C C，地热量地热量就有就有10.5 10.5 焦尔，相当于焦尔，相当于99509950万亿吨万亿吨 标煤当量标煤当量，即相当于地球上煤的总储量的，即相当于地球上煤的总储量的1.71.7亿倍，可满足人类亿倍，可满足人类几十万年几十万年能源能源 之用。仅在地面之用。仅在地面3km3km范围内的可开发的地热量，就相当于范围内的可开发的地热量，就相当于2.92.9万亿吨标准煤的万亿吨标准煤的 热量。热量。 人类很早以前开始利用地热，如：开采人类很早以前开始利用地热，如：开采温泉温泉洗澡、取暖等。但直到洗澡、取暖等。但直到2020 世纪，人们才把地热视为一种储量巨大、有

14、经济竞争力的世纪，人们才把地热视为一种储量巨大、有经济竞争力的能源能源，并且可用于，并且可用于 发电。但目前所开发的地热只是浅层地热，蒸汽参数不高。发电。但目前所开发的地热只是浅层地热，蒸汽参数不高。 25 10 7 五、太阳能集热发电五、太阳能集热发电 利用太阳辐射能发电的形式有：太阳能集热发电，光伏电池发电等形式。利用太阳辐射能发电的形式有：太阳能集热发电，光伏电池发电等形式。 太阳能集热发电太阳能集热发电：接收或聚集太阳的辐射能，使之转化为热能，加热工：接收或聚集太阳的辐射能，使之转化为热能，加热工 质成蒸汽去驱动汽轮发电机组发电。目前，其成本较高。但随着科学技术的质成蒸汽去驱动汽轮发电

15、机组发电。目前，其成本较高。但随着科学技术的 发展，大规模利用太阳能是必然趋势，在不久的将来，太阳能发电将成为重发展，大规模利用太阳能是必然趋势，在不久的将来，太阳能发电将成为重 要的发电方式。要的发电方式。 六、水力发电六、水力发电 水力发电是无碳能源。水能资源是人类最早开发的自然能源之一。目水力发电是无碳能源。水能资源是人类最早开发的自然能源之一。目 前水能利用的形式基本上就是水力发电。水能资源的开发仍然具有极其重要前水能利用的形式基本上就是水力发电。水能资源的开发仍然具有极其重要 的价值，水能资源在整个能源构成中具有不可替代的地位。的价值，水能资源在整个能源构成中具有不可替代的地位。 8

16、 煤煤、石油石油等长期、大规模燃烧造成等长期、大规模燃烧造成。 矿物燃料的矿物燃料的储量储量也不能够支撑人类社会的长期发展。也不能够支撑人类社会的长期发展。 风能、太阳能等风能、太阳能等新能源新能源，目前还不能进行大规模的开发。所以水能资源的开，目前还不能进行大规模的开发。所以水能资源的开 发，不仅仅是发，不仅仅是满足经济增长满足经济增长需要的措施，同时也是需要的措施，同时也是保护环境保护环境，实现可持续发，实现可持续发 展的重要措施。展的重要措施。 2.2. 水资源具有多方面的使用价值，水力水资源具有多方面的使用价值，水力发电发电、防洪防洪、灌溉灌溉、供水供水、航运航运、 淡水养殖淡水养殖、

17、改善环境改善环境和和旅游旅游等多方面的效益。等多方面的效益。 3.3. 河流的水资源还可河流的水资源还可梯级开发利用梯级开发利用，上游的水电站发电后，仍然可为下游，上游的水电站发电后，仍然可为下游 各级水电站再用来发电。各级水电站再用来发电。 4.4. 兴建兴建水力发电工程水力发电工程不仅仅是不仅仅是能源能源的开发，而且也是的开发，而且也是水资源水资源的开发。对于的开发。对于 我国这样水资源不足的国家，意义更具重大。我国这样水资源不足的国家，意义更具重大。 9 七、风力发电七、风力发电 风是由风是由太阳辐射太阳辐射所引起的。风力的利用很早以前就所引起的。风力的利用很早以前就 开始了，如风车、灌

18、溉、磨面等。但发展很慢。开始了，如风车、灌溉、磨面等。但发展很慢。 风能的主要应用是风能的主要应用是风力发电风力发电。在。在2020世纪初，丹麦、世纪初，丹麦、 英国就研究英国就研究中小型风力发电机中小型风力发电机。在。在2020世纪世纪6060年代以后，年代以后， 风力发电才得到较快速的发展。当今世界上大约有风力发电才得到较快速的发展。当今世界上大约有 在运行，总发电功率约为在运行，总发电功率约为400400百万百万KWKW，最，最 大的大的。也发展很快，也发展很快， 已投入运行的已投入运行的。 我国我国 河西走廊建河西走廊建1200万万KW风力发电厂。风力发电厂。 常用的水平轴风力发动机常

19、用的水平轴风力发动机 如右图所示，主要有如右图所示，主要有风轮风轮1 1、机头、回转体机头、回转体2 2、尾舵尾舵3 3及及塔架塔架4 4等部件组成。等部件组成。 图11-41 水平轴风力发动机 10 第三节第三节 蒸汽动力循环及系统蒸汽动力循环及系统 一、一、蒸汽动力循环和汽轮机作功过程蒸汽动力循环和汽轮机作功过程 （一）蒸汽动力循环（一）蒸汽动力循环 1.1. 朗肯循环朗肯循环 根据热力学第二定律，根据热力学第二定律，卡诺循环卡诺循环的热效率是最高的。但实际上所采用的热效率是最高的。但实际上所采用 的是最简单的蒸汽动力装置理想循环的是最简单的蒸汽动力装置理想循环朗肯循环朗肯循环。它由。它由

20、 和和所组成，如图所组成，如图1-71-7所示。所示。 锅炉锅炉，煤在炉中燃烧、放热，水在锅炉，煤在炉中燃烧、放热，水在锅炉 中定压吸热、汽化为中定压吸热、汽化为饱和蒸汽饱和蒸汽。 过热器过热器，饱和蒸汽在其中吸热成为，饱和蒸汽在其中吸热成为过热蒸汽过热蒸汽。 汽轮机汽轮机，蒸汽在汽轮机膨胀、作功、乏汽排出。，蒸汽在汽轮机膨胀、作功、乏汽排出。 凝汽器凝汽器，乏汽进入凝汽器并凝结、放出，乏汽进入凝汽器并凝结、放出潜热潜热。 给水泵给水泵，将凝结水提高压力并泵入锅炉，完成一个循环。，将凝结水提高压力并泵入锅炉，完成一个循环。 11 2.2. 回热循环回热循环 在朗肯循环中，造成热效率低的主要原因

21、是工质在朗肯循环中，造成热效率低的主要原因是工质平均吸热温度平均吸热温度。 为了提高蒸汽平均吸热温度，除了为了提高蒸汽平均吸热温度，除了提高蒸汽初参数提高蒸汽初参数之外，最好的办法是采之外，最好的办法是采 用用给水回热给水回热。 就是把汽轮机中作过功的蒸汽，逐级抽出来加热给水，就是把汽轮机中作过功的蒸汽，逐级抽出来加热给水，减少减少 冷源损失冷源损失，同时，同时提高锅炉给水温度提高锅炉给水温度（提高蒸汽平均吸热温度），则（提高蒸汽平均吸热温度），则提高了提高了 循环热效率，如图循环热效率，如图1-81-8、图、图1-61-6所示所示。 12 3. 3. 中间再热循环的采用中间再热循环的采用 提

22、高蒸汽初压，可以提高循环热效率。但是，蒸汽初压的提高，提高蒸汽初压，可以提高循环热效率。但是，蒸汽初压的提高， 将会引起：乏汽的将会引起：乏汽的，对汽轮机的工作产生不利影响。如果同时提高，对汽轮机的工作产生不利影响。如果同时提高 蒸汽的初压和初温，又要受到金属蒸汽的初压和初温，又要受到金属的限制。的限制。 为了解决这一问题，为了解决这一问题，采用蒸汽中间再过热采用蒸汽中间再过热的办法。（图的办法。（图1-91-9） 采用采用中间再热中间再热，就是让新，就是让新蒸汽蒸汽首先进入汽轮机首先进入汽轮机 高压部分高压部分膨胀作功膨胀作功，到某一中间压力时，到某一中间压力时， ，送到锅炉的再热器中，送到

23、锅炉的再热器中再过热再过热，然后再，然后再 送到汽轮机的中、低压部分继续膨胀作功，如送到汽轮机的中、低压部分继续膨胀作功，如 图图11-511-5所示。经再热后，膨胀末了的所示。经再热后，膨胀末了的乏汽的干乏汽的干 度明显增大度明显增大。这样，就避免了提高初压或者同。这样，就避免了提高初压或者同 时提高初压、初温而带来的困难。时提高初压、初温而带来的困难。 13 （二）汽轮机作功过程（二）汽轮机作功过程 图图1-101-10为为300MW300MW汽轮机的结构图，它是由许多级串联组成的，总的内功汽轮机的结构图，它是由许多级串联组成的，总的内功 率为各级内功率之和。率为各级内功率之和。 从从锅炉

24、锅炉来的新蒸汽首先经高压主汽阀、高压调节阀进入来的新蒸汽首先经高压主汽阀、高压调节阀进入高压缸高压缸，逐级作，逐级作 功后排出，送锅炉功后排出，送锅炉再热器再过热再热器再过热；过热后的再热蒸汽经中压主汽阀、中压调；过热后的再热蒸汽经中压主汽阀、中压调 节阀进入节阀进入中压缸作中压缸作功，然后排出，经低压导汽管送功，然后排出，经低压导汽管送低压缸低压缸继续作功，从末级继续作功，从末级 排出后送凝汽器。排出后送凝汽器。 蒸汽通过某蒸汽通过某级级时，首先进入喷嘴通道，在其中膨胀加速，将热能转变为时，首先进入喷嘴通道，在其中膨胀加速，将热能转变为 动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向，或者既改变方向

25、又继续膨胀加动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向，或者既改变方向又继续膨胀加 速，将热能转变为旋转机械能，使叶轮转动作功。速，将热能转变为旋转机械能，使叶轮转动作功。 14 二、汽轮机设备及系统二、汽轮机设备及系统 汽轮机设备及系统包括：汽轮机本体、控制保安系统、辅助设备及系汽轮机设备及系统包括：汽轮机本体、控制保安系统、辅助设备及系 统等。统等。 汽轮机本体汽轮机本体由转动部分（转子）和固定部分（汽缸）组成；由转动部分（转子）和固定部分（汽缸）组成； 控制保安系统控制保安系统包括：主汽阀、调节阀、控制执行机构、信号变送器、包括：主汽阀、调节阀、控制执行机构、信号变送器、 控制油系统、计算机

26、控制系统、安全保护装置等；控制油系统、计算机控制系统、安全保护装置等； 辅助设备及系统辅助设备及系统包括：凝汽器、抽气器、（水环式真空泵）、高、低包括：凝汽器、抽气器、（水环式真空泵）、高、低 压加热器、除氧待压加热器、除氧待 器、给水泵、凝结水泵、凝升水泵、循环水泵等。器、给水泵、凝结水泵、凝升水泵、循环水泵等。 汽轮机重要系统汽轮机重要系统包括：主蒸汽、再热蒸汽系统、给水回热加热系统、包括：主蒸汽、再热蒸汽系统、给水回热加热系统、 凝汽系统、润滑油系统等。凝汽系统、润滑油系统等。 15 第四节第四节 汽轮机基本组成汽轮机基本组成 汽轮机本体由转动部分（转子）和固定部分（汽缸）组成。其中，汽

27、轮机本体由转动部分（转子）和固定部分（汽缸）组成。其中， 转动部分包括主轴、叶轮、动叶片、联轴节等；固定部分包括汽缸、蒸汽室、转动部分包括主轴、叶轮、动叶片、联轴节等；固定部分包括汽缸、蒸汽室、 喷嘴组、隔板、隔板套（或静叶持环）、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销喷嘴组、隔板、隔板套（或静叶持环）、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销 系统等。系统等。 一、汽轮机的级一、汽轮机的级 汽轮机的级由喷嘴叶栅（或静叶栅）汽轮机的级由喷嘴叶栅（或静叶栅） 和与之相对应的动叶栅组成。喷嘴的作用是和与之相对应的动叶栅组成。喷嘴的作用是 让蒸汽在其中流动、加速，将热能转变为动让蒸汽在其中流动、加速，将热能转变为动

28、能，并以一定方向进入动叶通道作功。喷嘴能，并以一定方向进入动叶通道作功。喷嘴 是安装在喷嘴室或隔半板上的，图是安装在喷嘴室或隔半板上的，图1-111-11。 叶片分静叶片和动叶片。静叶片安装在隔板叶片分静叶片和动叶片。静叶片安装在隔板 或汽缸上；动叶片安装在叶轮或转鼓上。或汽缸上；动叶片安装在叶轮或转鼓上。 图1-11 16 二、汽轮机的转子 转自是汽轮机的重要部件，由主轴、轴套、叶轮、叶片、联轴节、转自是汽轮机的重要部件，由主轴、轴套、叶轮、叶片、联轴节、 轴封套（汽封套）等组成，有的转子还带动主油泵和调速器等附加设备。轴封套（汽封套）等组成，有的转子还带动主油泵和调速器等附加设备。 三、汽

29、轮机的汽缸和隔板 汽缸的主要作用是将汽轮机的通流部分与外界隔开，保证蒸汽在其汽缸的主要作用是将汽轮机的通流部分与外界隔开，保证蒸汽在其 中作功。此外，它还支承汽轮机的一些静止部件（隔板、喷嘴室、汽封套中作功。此外，它还支承汽轮机的一些静止部件（隔板、喷嘴室、汽封套 等）。汽缸一般做成具有中分面的对开形式，分别称上汽缸和下汽缸。上下等）。汽缸一般做成具有中分面的对开形式，分别称上汽缸和下汽缸。上下 汽缸在中分面用法兰螺栓连接。但现代大型气轮机也有采用无中分面的结构汽缸在中分面用法兰螺栓连接。但现代大型气轮机也有采用无中分面的结构 形式的。形式的。 多级汽轮机是用隔板将各级分开的，以保证级之间的压

30、差、便于安多级汽轮机是用隔板将各级分开的，以保证级之间的压差、便于安 装静叶片和防止漏汽。隔板是安装在汽缸、隔板套（或静叶持环）上的。隔装静叶片和防止漏汽。隔板是安装在汽缸、隔板套（或静叶持环）上的。隔 板也做成上下两半，便于安装转子。反动式汽轮机没有隔板，其静叶安装在板也做成上下两半，便于安装转子。反动式汽轮机没有隔板，其静叶安装在 转鼓上的。转鼓上的。 17 四、汽封四、汽封 汽轮机运行时，转子和固定部分必须留有一定间隙，防止摩擦。但是汽轮机运行时，转子和固定部分必须留有一定间隙，防止摩擦。但是 有间隙就会漏汽，产生损失，还会影响机组安全。为了减小漏汽和防止空气漏有间隙就会漏汽，产生损失，

31、还会影响机组安全。为了减小漏汽和防止空气漏 入，采用了汽封装置。汽封分入，采用了汽封装置。汽封分端轴封端轴封和和通流部分汽封通流部分汽封。而通流部分汽封又有。而通流部分汽封又有隔隔 板汽封、叶顶汽封板汽封、叶顶汽封和和轴向汽封轴向汽封。反动式汽轮机还有平衡活塞汽封。反动式汽轮机还有平衡活塞汽封。 为了回收漏汽（工质）和热量，通常在轴端汽封加设连接管道、阀门为了回收漏汽（工质）和热量，通常在轴端汽封加设连接管道、阀门 及附属设备，形成轴封供汽系统。及附属设备，形成轴封供汽系统。 五、汽轮机轴承五、汽轮机轴承 汽轮机轴承包括汽轮机轴承包括支持轴承支持轴承和和推力轴承推力轴承。支持轴承是承担转子质量

32、和旋。支持轴承是承担转子质量和旋 转动反力，保证转子的径向位置。推力轴承是承担部分轴向推力，保证转子的转动反力，保证转子的径向位置。推力轴承是承担部分轴向推力，保证转子的 轴向位置，保证通流部分的轴向间隙。推力轴承工作面也是转子的对于静子的轴向位置，保证通流部分的轴向间隙。推力轴承工作面也是转子的对于静子的 相对死点相对死点。 18 六、联轴节六、联轴节 汽轮机的高、中、低转子和发电机转子是用联轴节联结成一起的，形汽轮机的高、中、低转子和发电机转子是用联轴节联结成一起的，形 成轴系。用来传递转矩。成轴系。用来传递转矩。 七、盘车装置七、盘车装置 汽轮机在冲转前和停机后，必须让转子连续运转一段时

33、间，以保证其汽轮机在冲转前和停机后，必须让转子连续运转一段时间，以保证其 均匀受热和冷却，避免产生永久性弯曲。带动转子转动的装置称为盘车装置。均匀受热和冷却，避免产生永久性弯曲。带动转子转动的装置称为盘车装置。 盘车转速分盘车转速分低速（低速（35r/min35r/min）盘车）盘车和和高速（高速（4070r/min4070r/min）盘车）盘车。在盘车期间，。在盘车期间， 采用高压油顶轴装置将转子顶起来。采用高压油顶轴装置将转子顶起来。 八、汽轮机控制与保护系统八、汽轮机控制与保护系统 汽轮机控制系统的主要作用是：当发电机负荷变化时，改变主汽阀、汽轮机控制系统的主要作用是：当发电机负荷变化时

34、，改变主汽阀、 调节阀的开度以改变进汽量，调节机组输出功率，使之与外界负荷相适应，调节阀的开度以改变进汽量，调节机组输出功率，使之与外界负荷相适应， 维持发电机组转速在规定维持发电机组转速在规定 范围内，保证供电频率。范围内，保证供电频率。 汽轮机保护系统的作用是汽轮机保护系统的作用是：当某些参数（转速、轴向位移、低油压、真空等）：当某些参数（转速、轴向位移、低油压、真空等） 超出安全范围时，保护系统动作，关闭所有汽阀，实现紧急停机，避免事故超出安全范围时，保护系统动作，关闭所有汽阀，实现紧急停机，避免事故 发生与扩大，保证机组安全。发生与扩大，保证机组安全。 19 第五节第五节 汽轮机分类和

35、型号表示汽轮机分类和型号表示 20 二、汽轮机的型号二、汽轮机的型号 汽轮机的型号随着厂家的不同而有所不同。一般型号中都包含了形汽轮机的型号随着厂家的不同而有所不同。一般型号中都包含了形 式、容量、新汽、再热汽温度等信息。根据汽轮机的型号可看出其基本特征。式、容量、新汽、再热汽温度等信息。根据汽轮机的型号可看出其基本特征。 我国国产汽轮机的型号一般包含我国国产汽轮机的型号一般包含3 3个信息。最前面的汉语拼音字母表个信息。最前面的汉语拼音字母表 示汽轮机的形式（表示汽轮机的形式（表1-11-1）；接着的数字表示容量；在短横之后分别表示新汽）；接着的数字表示容量；在短横之后分别表示新汽 压力、新

36、汽温度，斜杠后的表示再热汽温度或供汽参数（表压力、新汽温度，斜杠后的表示再热汽温度或供汽参数（表1-21-2）。）。 表表1-11-1 代代 号号N NB BC CCCCCCBCBH HY Y 形式形式凝汽式凝汽式背压式背压式单抽式单抽式双抽式双抽式抽背式抽背式船用船用移动式移动式 21 形形 式式参参 数数 表表 示示 法法示示 例例 凝汽式主蒸汽压力/主蒸汽温度N100-8.83/535 中间再热式主蒸汽压力/主蒸汽温度/再热温度N300-16.6/538/538 抽汽式主蒸汽压力/高压抽汽压力/低压抽汽压力C50-8.3/0.98/0.118 背压式主蒸汽压力/背压B50-8.83/0.

37、98 抽汽背压式主蒸汽压力/抽汽压力/背压CB25-8.83/0.98/0.118 表表1-2 例：例：N100-8.83/535N100-8.83/535，表示表示 CC25-8.83/0.98/0.118CC25-8.83/0.98/0.118, ,表示表示 国外厂家的型号表示：国外厂家的型号表示： 如：日本三菱如：日本三菱（MitsubishiMitsubishi）TC2F-33.5TC2F-33.5，T T表示单轴，表示单轴，C C表示双缸，表示双缸，2F2F表示双排汽，表示双排汽， 33.533.5表示末级叶片高度为表示末级叶片高度为33.533.5英寸（英寸（851mm)851mm

38、)。 法国法国（AlstomAlstom）T2A330-30-2F1044T2A330-30-2F1044，T T表示汽轮机，表示汽轮机，2 2表示表示2 2次过热，次过热，A A表示对称布置，表示对称布置， 330330为为330MW330MW，3030表示转速为表示转速为3000r/min3000r/min， 2F2F表示双排汽，表示双排汽，10441044表示末级叶片高度为表示末级叶片高度为 1024mm1024mm。 22 第二章第二章 汽轮机级内能量转换过程汽轮机级内能量转换过程 第一节第一节 汽轮机级的概念汽轮机级的概念 一、汽轮机的级一、汽轮机的级 ：是由一组安装在喷嘴汽室或隔板

39、上的静叶栅和一组安装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，它是汽轮机在叶轮上的动叶栅所组成，它是汽轮机作功的最小单元作功的最小单元。 汽轮机的级如图汽轮机的级如图2-12-1所示。为了分析方便，取极的所示。为了分析方便，取极的 三个特征面：即喷嘴前的三个特征面：即喷嘴前的0-00-0，喷嘴出口截面，喷嘴出口截面1-11-1和和 级后出口截面级后出口截面2-22-2。 ：具有一定压力、温度的蒸具有一定压力、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，然胀加速，将蒸

40、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。能转变为旋转机械能。 图2-1 23 3. 3. 蒸汽通过汽轮机的级进行能量转换的条件蒸汽通过汽轮机的级进行能量转换的条件：蒸汽必须具有一定的压力和蒸汽必须具有一定的压力和 温度，而且喷嘴前后截面必须具有温度，而且喷嘴前后截面必须具有压差压差。叶栅通道必须具备。叶栅通道必须具备一定的结构形状一定的结构形状。 4.4.蒸汽在级内作功的热力过程曲线（图蒸汽在级内作功的

41、热力过程曲线（图2-22-2） 0 0是级前蒸汽状态点，是级前蒸汽状态点，0 0* *是级前蒸汽滞止状态点。是级前蒸汽滞止状态点。 1 1是喷嘴后的实际状态点，是喷嘴后的实际状态点，2 2是级（即动叶）后的是级（即动叶）后的 实际状态点，实际状态点，1t1t是蒸汽理想等熵膨胀到级后压力是蒸汽理想等熵膨胀到级后压力 状态点。状态点。 是级前滞止压力，是级前滞止压力， 是级前压力，是级前压力， 是喷嘴后的压力，是喷嘴后的压力， 是级后压力。曲线是级后压力。曲线0-10-1是蒸是蒸 汽在喷嘴通道中的膨胀加速过程线，汽在喷嘴通道中的膨胀加速过程线，1-21-2是蒸汽是蒸汽 在动叶通道中的流动过程线。在

42、动叶通道中的流动过程线。 0 0* *-0-1-2-0-1-2为级的为级的 热力过程曲线。热力过程曲线。 为级的滞止理想焓降，为级的滞止理想焓降， 为为 级的理想焓降，级的理想焓降， 为喷嘴的滞止理想焓降，为喷嘴的滞止理想焓降， 为喷嘴的理想焓降，为喷嘴的理想焓降， 为动叶的理想焓降。为动叶的理想焓降。 图图2-2 * 0 p 0 p 1 p 2 p * t ht h * n h b h n h 24 二、级的反动度二、级的反动度 1.1. 蒸汽作用力：蒸汽作用力： 冲动力冲动力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

43、变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被称为被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被称为冲动力冲动力。 反动力反动力：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，者会对叶片产生一个反作用力， 即即反动力反动力。 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。其动能的变化量。 通常，动叶所受到的作用力有冲动力通常，动叶

44、所受到的作用力有冲动力 ，也有，也有 反动力反动力 ，合力为，合力为 。合力可分解为圆周分量。合力可分解为圆周分量 和轴向分量和轴向分量 （图（图2-32-3）。）。 图2-3 i F r F u F a F F 25 2. 2. 反动度反动度：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，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， 通常用反动度通常用反动度 来描述。反动度来描述。反动度 等于蒸汽在动叶通道中膨胀时的焓等于蒸汽在动叶通道中膨胀时的焓 降降 和在整个级的理想焓降和在整个级的理想焓降 之比，即之比，即 称为级的称为级的平均反动度平均反动度，它是指级的平均

45、直径上，它是指级的平均直径上 的反动度。反动度沿叶高是变化的的反动度。反动度沿叶高是变化的 有了反动度之后，显然有：喷嘴的滞止焓降、动有了反动度之后，显然有：喷嘴的滞止焓降、动 叶的焓降可写成：叶的焓降可写成： b h * t h m m m * )1 ( tmn hh * tmb hh * bb m tnb hh hhh (1 1) 26 三、级的分类三、级的分类 根据级的反动度的大小，可分为冲动级和反动级。根据级的反动度的大小，可分为冲动级和反动级。 （一）冲动级：（一）冲动级：在在0 0 0.50.5之间的级称为冲动级。而把反动度之间的级称为冲动级。而把反动度 =0=0的级称为的级称为

46、纯冲动级。把反动度纯冲动级。把反动度 =0=000.2.2的级称为带反动度的冲动级。的级称为带反动度的冲动级。 对于纯冲动级来说，蒸汽只在喷嘴通道中进行膨胀，在动叶中只改变方对于纯冲动级来说，蒸汽只在喷嘴通道中进行膨胀，在动叶中只改变方 向，动叶栅进出口处压力相等，即向，动叶栅进出口处压力相等，即 。 纯冲动级效率比较低。纯冲动级效率比较低。 冲动式汽轮机由于级的反动度较小，叶轮前后压差小，则轮盘上的冲动式汽轮机由于级的反动度较小，叶轮前后压差小，则轮盘上的 轴向推力小，故冲动式汽轮机可采用质量轻、结构紧凑的轮盘式转子；可采轴向推力小，故冲动式汽轮机可采用质量轻、结构紧凑的轮盘式转子；可采 用

47、较大的径向间隙。而喷嘴前后压差大，为了减少轴向漏汽，则可减少漏汽用较大的径向间隙。而喷嘴前后压差大，为了减少轴向漏汽，则可减少漏汽 面积，采用隔板结构，隔板汽封直径较小。面积，采用隔板结构，隔板汽封直径较小。 m m * 12, 0, btn pphhh 27 （二）（二） 通常把反动度通常把反动度 = 0.5= 0.5的级称为反动级。的级称为反动级。对于反动级来说，蒸汽在静叶对于反动级来说，蒸汽在静叶 和动叶通道的膨胀程度相同，即是和动叶通道的膨胀程度相同，即是 ， 。 反动级是在冲动力和反动力同时作用下作功。反动级是在冲动力和反动力同时作用下作功。 反动级的效率比冲动级高，但作功能力小。反

48、动级的效率比冲动级高，但作功能力小。 对于反动级，喷嘴和动叶的膨胀程度相等，故动静叶片可采用相同的叶型对于反动级，喷嘴和动叶的膨胀程度相等，故动静叶片可采用相同的叶型 但动叶前后压差大，为了减少轴向推力，反对示汽轮机的转子采用转鼓形但动叶前后压差大，为了减少轴向推力，反对示汽轮机的转子采用转鼓形 结构，没有叶轮。喷嘴叶片直接安装在汽缸上，动叶安装在转鼓上。结构，没有叶轮。喷嘴叶片直接安装在汽缸上，动叶安装在转鼓上。 但是转鼓质量大，启动热惯性大，需要较长的暖机时间。但是转鼓质量大，启动热惯性大，需要较长的暖机时间。 反动级一般采用全周进汽。反动级一般采用全周进汽。 调节级和压力级：调节级和压力

49、级：通常把一级称为调节级，调节级的进汽面积可以控制。通常把一级称为调节级，调节级的进汽面积可以控制。 其余的级称为压力级，压力级进汽面积不能改变。其余的级称为压力级，压力级进汽面积不能改变。 复速级：复速级：在级的动叶轮上安装有在级的动叶轮上安装有2 2列动叶的级称为复速级，也称速度级。列动叶的级称为复速级，也称速度级。 中小机组用复速级作为调节级。中小机组用复速级作为调节级。 * 2 1 * tnb hhh 21 pp 28 图图2-42-4，图，图2-52-5，图，图2-62-6分别表示冲动级、反动级和复速级做功示意图。分别表示冲动级、反动级和复速级做功示意图。 29 （三）基本假设：（三

50、）基本假设： 为了研究方便，通常作如下基本假设：为了研究方便，通常作如下基本假设： 1. 通过叶栅通道的流动是通过叶栅通道的流动是稳定流动稳定流动：即蒸汽通过叶栅通道时，参数不随时：即蒸汽通过叶栅通道时，参数不随时 间变化；间变化； 2. 通过叶栅通道的流动是通过叶栅通道的流动是绝热流动绝热流动：即蒸汽通过叶栅通道时，与外界没有：即蒸汽通过叶栅通道时，与外界没有 热交换。热交换。 3. 通过叶栅通道的流动是通过叶栅通道的流动是一元流动一元流动：即蒸汽通过叶栅通道时，蒸汽参数只：即蒸汽通过叶栅通道时，蒸汽参数只 沿着流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上不变化。沿着流动方向变化，而在与流动方

51、向相垂直的截面上不变化。 30 第二节第二节 蒸汽在级内的流动过程蒸汽在级内的流动过程 一、蒸汽在喷嘴中的流动过程一、蒸汽在喷嘴中的流动过程 （一）蒸汽参数与喷嘴形状的关系 1. 1. 连续方程式：连续方程式：蒸汽流过图蒸汽流过图2-72-7所示喷嘴时，其连续方程式为：所示喷嘴时，其连续方程式为： 其微分形式：其微分形式： 式中，式中，G G质量流量，质量流量，kg/skg/s， c c汽流速度，汽流速度，m/sm/s； A A通流面积，通流面积， ； 蒸汽密度，蒸汽密度， 。 . cA GcAconst v 2 m 3 /kg m 0 dAdcd Ac (2-5) 31 2. 动量方程式：动

52、量方程式： 适用于一元稳定流动的动量方程式为：适用于一元稳定流动的动量方程式为： 根据（根据（2-52-5）（）（2-62-6）式，有）式，有 根据流体力学有音速：根据流体力学有音速： ，代入（，代入（2-72-7），令），令 可得：可得： 式中，式中， 为马赫数；为马赫数； 喷嘴截面积的变化率；喷嘴截面积的变化率； 汽流速度的变化率。汽流速度的变化率。 0() dp cdccdcvdp 2 1 dAdcc Acdp d 2 adp d/ , a Mc a 2 1 a dAdc M Ac a M /dA A /dc c （2-6） （2-7） （2-8） 32 由（由（2-82-8）可知，喷嘴

53、截面积的变化规律，不仅和汽流速度有关，同时还和）可知，喷嘴截面积的变化规律，不仅和汽流速度有关，同时还和 马赫数马赫数M M的大小有关。即的大小有关。即 （1 1）当汽流速度小于音速）当汽流速度小于音速，即，即 1 0dc/c0，则必须，则必须dAdA/A 0,/A1 1 时，若要使汽流能继续加速，即时，若要使汽流能继续加速，即 dc/c0dc/c0，则必须，则必须dAdA/A0/A0，也就是说喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐增加，即，也就是说喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐增加，即 做成渐扩喷嘴。做成渐扩喷嘴。 （3 3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即

54、，即 =1=1，这时，这时，dAdA/A /A =0=0。表明横截面。表明横截面A A不变化，即不变化，即A A达到最小值。达到最小值。 根据上述分析可知，简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了根据上述分析可知，简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了 达到超音速，除了喷嘴出口蒸汽压力必须小于临界压力外，还必须在喷嘴形达到超音速，除了喷嘴出口蒸汽压力必须小于临界压力外，还必须在喷嘴形 状上加以保证，即作成状上加以保证，即作成缩放喷嘴缩放喷嘴。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴喉部。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴喉部达音速达音速， 然后在渐扩部分达然后在渐扩部分达超音速超音速。 a M a M a M 3

55、3 对于对于渐缩喷嘴渐缩喷嘴: : 当出口汽压降低时，流速逐渐增加；当出口汽压降低时，流速逐渐增加； 当出口汽压降低，到临界压力时，汽流速度达音速；当出口汽压降低，到临界压力时，汽流速度达音速； 当出口汽压继续降低到低于临界压力时，流速仍未临界速度；当出口汽压继续降低到低于临界压力时，流速仍未临界速度； 如果要得到超音速汽流，则应采用缩放喷嘴，汽流在渐扩部分由音速继续如果要得到超音速汽流，则应采用缩放喷嘴，汽流在渐扩部分由音速继续 升速到超音速。升速到超音速。 图2-8 34 之所以有这种结果，是因为在之所以有这种结果，是因为在 11或或 11时，蒸汽的比容时，蒸汽的比容v v和速度和速度 c

56、 c 沿流动方向有不同的变化规律，但必须满足连续方程式。沿流动方向有不同的变化规律，但必须满足连续方程式。 当当 111时，速度时，速度c c的增加比体积（比容）的增加比体积（比容）v v慢慢 ，因此，截面，因此，截面 积积A A要相应增大才能保持每个截面流量要相应增大才能保持每个截面流量G G不变，如图不变，如图2-82-8所示。所示。 35 3. 临界状态、临界参数 由图由图2-82-8可见，蒸汽在喷嘴中膨胀时，汽流速度可见，蒸汽在喷嘴中膨胀时，汽流速度c c逐渐增加，压力逐渐增加，压力p p和焓值和焓值h h 逐渐降低，对应的音速相应减少。蒸汽在喷嘴中膨胀中，在某一截面上达临逐渐降低，对

57、应的音速相应减少。蒸汽在喷嘴中膨胀中，在某一截面上达临 界（汽流速度等于音速）速度，用界（汽流速度等于音速）速度，用 表示。该截面称为表示。该截面称为临界截面临界截面，在临界，在临界 面上面上 =1=1。这时的流动状态称为。这时的流动状态称为临界状态临界状态，相应参数称为，相应参数称为临界参数临界参数，如，如临临 界压力界压力 ，临界温度，临界温度 。 （1 1）临界速度：）临界速度： 临界速度的大小取决于蒸汽初终参数，与过程无关。临界速度的大小取决于蒸汽初终参数，与过程无关。 （2 2）临界压力：）临界压力： （3 3）临界压力比）临界压力比：由（：由（2-92-9）可得，）可得， （2-1

58、0） cr c cr pcr t a M * 0 * 0 2 1 cr cr cr ppk ck k * 0 * 0 2 1 cr cr pp k 1 * 0 2 () 1 k cr k cr p pk （2-9） 36 对于对于过热蒸汽过热蒸汽（k=1.3)k=1.3)则则 =0.546;=0.546; 对于对于饱和蒸汽饱和蒸汽（k =1.135 )k =1.135 )则则 =0.577 .=0.577 . （二）喷嘴出口汽流速度计算 1. 1. 喷嘴出口汽流理想速度喷嘴出口汽流理想速度 在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数 p(p(初速）是已知的条件。按初速

59、）是已知的条件。按 等熵过程膨胀，其过程曲线如图等熵过程膨胀，其过程曲线如图1-71-7所示。根据式能量方程，则喷嘴出口所示。根据式能量方程，则喷嘴出口 汽流理想速度为汽流理想速度为 式中，式中， 喷嘴出口汽流理想速度，喷嘴出口汽流理想速度，m/sm/s； 喷嘴进口汽流初速度，喷嘴进口汽流初速度，m/sm/s； 喷嘴进口汽流的焓值，喷嘴进口汽流的焓值，J/kgJ/kg； 喷嘴出口汽流的焓值，喷嘴出口汽流的焓值，J/kgJ/kg。 cr cr 22 01 01 22 t t cc hh 1t c 0 c 0 h 1t h （2-11） 37 从（从（2-112-11）可得）可得 式中，式中， 喷

60、嘴的理想焓降；喷嘴的理想焓降； 喷嘴的滞止理想焓降。喷嘴的滞止理想焓降。 喷嘴出口汽流理想速度还可以表示为：喷嘴出口汽流理想速度还可以表示为： 式中，式中， 为喷嘴前后压力比，即为喷嘴前后压力比，即 2. 2. 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 度系数度系数 来考查两者之间的差别（通常取来考查两者之间的差别（通常取 ) )。这样，喷嘴出口。这样，喷嘴出口 的汽流实际速度为的汽流实际速度为 （2-15） 22* 10100 2()22 ttnn chhchch