汽轮机的工作原理

1、汽轮机的基本工作原理授课人 ：卢廷环汽轮机基本概念 汽轮机是将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械。来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。蒸汽在汽轮机中，以不同方式进行能量转换，便构成了不同工作原理的汽轮机。一、冲动式汽轮机1.冲动式汽轮机 冲动作用原理 由力学可知，当一运动物体碰到另一静止的或运动速度较低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度，同时给阻碍它的物体一个作用力，这个作用力称为冲动力。根据冲量定律，冲动力的大小取决于运动物体的质量和速度变化，质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力也越大。若阻碍运动的物体在此力作用下

2、产生了速度变化，则运动物体就做了机械功。 例如：将高速汽流冲击在一个静止的小车上，则汽流的速度发生变化，对小车产生冲动作用力，使小车向前移动而作功，小车所做的功为汽流动能的变化 在汽轮机中（图）,蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。高速汽流流经动叶片3时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮2旋转作功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。这种利用冲动力作功的原理，称为冲动作用原理。 现以半图形叶片为例，说明高速流流经动叶栅时，对叶片产生冲动力的原理喷嘴中流出的高速汽流，以的速度进入叶片，然后以与方向相反的的速度流出，由于汽流沿图形叶片壁面不断改变方向作圆周运动，故

3、每一个汽流微团都产生一个离心力作用在叶片上，图中ab、Fc分别表示作用在叶片a、b、c各点的离心力， a点的离心力a可分解成水平方向的力a1和垂直方向的力 a2，c点处的离心力也可分解成水平方向的Fc1和垂直方向的Fc2， 同理，其他各点的离心力都可以分解成水平方向的分力和垂直方向的分力，假定汽流在流动过程中没有损失，则对应点a点与c点及其它各对应点的离心力相等，即对应点处的垂直方向分力大小相等，而方向相反互相抵消（a2+ Fc2=O ），因而所有水平方向的分力的合力就是作用在叶片上圆周方向的作用力来推动叶轮旋转做功，因此蒸汽对动叶片做了机械功，力1称为冲动力，这就是汽轮机的冲动作用原理。 单

4、级冲动式汽轮机 图所示为单级冲动式汽轮机工作原理图。蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力由p0降至p1，流速从c0增至c1，将蒸汽的热能转变为动能。蒸汽进入动叶棚后，改变流动方向，产生了冲动作用力使叶轮旋转作功，将蒸汽动能转变为转子的机械能。蒸汽离开动叶栅的速度降至c2。由于蒸汽在动叶栅中不膨胀，所以动叶栅前后压力相等，即p1=p2。什么叫汽轮机的级？ 由一列喷嘴和一列动叶栅组成的汽轮机最基本 的工作单元叫汽轮机的级。 什么叫调节级和压力级？ 当汽轮机采用喷嘴调节时，第一级的进汽截面积随负荷的变化在相应变化，因此通常称喷嘴调节汽轮机的第一级为调节级。其它各级统称为非调节级或压力级。压力级是以利用级组中合

5、理分配的压力降或焓降为主的级，是单列冲动级或反动级。速度级（两列）汽轮机 在单级汽轮机中，当喷嘴中比焓降较大时，喷嘴出口的蒸汽速度很高，从而使蒸汽离开动叶栅的速度c2也很大，这将产生很大的损失，降低了汽轮机的经济性。为了减小这部分损失，可如图那样，在第一列动叶栅后安装一列导向叶栅7，使蒸汽在导向叶栅内改变流动方向后再进入装在同一叶轮上的第二列动叶栅6中继续作功。这样，从第一列动叶栅流出的汽流所具有的动能又在第二列动叶栅中加以利用，使动能损失减小。如果流出第二列动叶的汽流还具有较大的动能，还可以再装第二列导向叶栅和第三列动叶栅。这种将蒸汽在喷嘴中膨胀产生的动能分几次在动叶栅中利用的级，称为速度级

6、。通常把蒸汽动能在两列动叶栅中加以利用的级称为二列速度级，在三列动叶栅中加以利用的级称为三列速度级 图还表示出蒸汽在速度级中压力和速度的变化规律。蒸汽在动叶栅中和导向叶栅中都不发生膨胀，因而第二列动叶栅后的压力等于喷嘴后的压力。多级冲动式汽轮机 由若干个冲动级依次叠置而成的多级汽轮机，称为多级冲动式汽轮机。随着汽轮机向高参数、大功率和高效率方向发展，单级汽轮机便不能适应需要，从而产生了多级汽轮机 图所示为一种具有三个冲动级的多级冲动式汽轮机。整个汽轮机的比焓降分别由三个冲动级加以利用。蒸汽进入汽缸后，在第一级喷嘴2中发生膨胀，压力由p0降至p1，汽流速度由co增至c1，然后进入第一级动叶栅3中

7、作功,作功后流出动叶栅的汽流速度降至c2，由于蒸汽在动叶栅中不发生膨胀，动叶栅后的压力（即第一级后压力）即等于喷嘴后的压力p1，从第一级流出的蒸汽，再依次进入其后的两级并重复上述作功过程，最后从排汽管中排出。图中还表示出蒸汽在各级中压力及速度的变化情况。汽轮机主要部件的构造 喷嘴是由两个相邻静叶片构成的不动汽道，是一个把蒸汽的热能转变为动能的结构元件。装在汽轮机第一级前的喷嘴成若干组，每组由一个调节汽门控制。 隔板是汽轮机各级的间壁，用以固定静叶片，并将整个汽缸内隔成若干个汽室。它是组成一个工作级的重要部件之一，各级的隔板均分为上下两半，分别嵌装在上下汽缸的凹槽内，有时也可把相邻几级的隔板装在

8、一个隔板套里，然后再将隔板固定在汽缸体上，在隔板中心主轴穿过的圆孔内，应装有隔板汽封，借以减少由此处环状间隙泄漏到后级内的漏气量，由于隔板圆周上承受着气流的反作用力，为了防止其转动，必须用特殊的销钉将隔板外缘固定在上、下汽缸的环形凹槽内。 静叶是指固定在隔板上静止不动的叶片。 隔板套的作用 是汽轮机各级的隔板通常不固定在汽缸上，而是固定在隔板套上，隔板套再固定在汽缸上。采用隔板套可是级间不受和少受抽汽口的影响，从而可以减小汽轮机的轴向尺寸，简化汽缸形状，有利启动及负荷变化汽缸是汽轮机的外壳。 汽缸的作用主要是将汽轮机的通流部分（喷嘴、隔板、转子等）与大气隔开，保证蒸汽在汽轮机内完成做功过程。此

9、外，它还支撑汽轮机的某些静止部件（隔板、喷嘴室、汽封套等），承受他它们的重量，还要承受由于沿汽缸轴向、径向温度分布不均而产生的热应力。为了便于安装，汽缸一般沿着水平中分面分为上汽缸和下汽缸两部分，上下汽缸通过水平法兰用螺栓连接。为了合理利用材料和便于加工，汽缸常按缸内压力沿轴向分为几段垂直结合面亦采用法兰连接。 轴封及隔板汽封 汽轮机高压端轴封称为高压轴封，也称前轴封，低压端轴封为低压轴封，也称后轴封。 装在隔板汽封槽中的汽封称为隔板汽封，因其阻汽原理一样，轴封和隔板汽封统称为汽封。 1、汽封的种类及工作原理 在现代汽轮机中最常用的是弹性齿形汽封它由许多尖齿和两齿之间的环形汽室所组成，如下图：

10、 汽封弹簧片 弹性汽封在完成阻汽的过程中，弹簧片起着重要的作用，它使汽封块在活动范围内向轴心靠拢，保证汽封齿有一最佳间隙。另外，弹簧片可使汽封块的燕尾紧贴在内壁上，增加燕尾槽的严密性。再者，一旦汽封和轴套相碰，汽封块可以做经向移动，减轻动静间的摩擦。汽封弹簧片要有适度的刚性，太软或太硬，都不能保证上述功能的实现。 采用销子与汽封块连接的弹簧片如下图1、2， 为了增加弹簧片自身的强度，改变弹簧片和汽封块的连接方式，将弹簧片做成十字形，如图3， 将弹簧片弯出一个圆角，嵌在汽封块后的圆槽里，实现弹簧片和汽封块的连接，如图4。 轴承汽轮机的轴承按其受力的方式可分为两种：1、支持轴承 支承汽轮机的转子，

11、保持动静中心一致，保证动静间的辐向间隙2、推力轴承 用来平衡转子的轴向推力。确立转子膨胀的死点，保证轴向间隙1）支持轴承的润滑 支持轴承采用压力供油方式进行润滑，对油质及油温都有一定的要求。润滑油除了能在轴颈和轴瓦间形成油膜，建立液体摩擦外，还能对轴颈进行冷却。 转子转动后，覆着在轴颈上的油被带到轴颈和轴承之间，当转子达到一定转速后，轴颈和轴承间出现了稳定的、具有一定厚度的润滑油膜，这时，轴颈和轴承就处于液体摩擦状态。 由于轴颈比轴承内经小，轴颈静止时落在轴承的最下方，这时轴颈和轴承间形成一个楔形间隙。当汽轮机转起来后，由于油有粘性，贴在轴颈上的油便和轴一起同速转动，这层油又牵扯下层油一起旋转

12、，油被层层带动旋转起来，油不断被带到楔形底部，楔形底部的油不断增多，油压也升高，当油压浮力大于轴颈的荷重时，轴颈被抬起，实现了轴颈与轴承间的液体摩擦。2）支持轴承的结构 支持轴承最常见的是圆筒形和椭圆形轴承，椭圆形轴承在其上部和下部，形成两个对称的油楔，压力油膜相互作用，油膜稳定性较好，使垂直方向抗振性能增加。 轴颈与轴承的接触角度一般为60度左右，轴颈与轴承的接触面积一般要求不小于75%，且成点状均匀分布接触。 支持轴承的外形图如下所示：3）推力轴承的结构 在单缸汽轮机中，推力轴承和支持轴承多制成一体，称为经向止推联合轴承。 汽轮机在工作中，轴向推力是通过推力盘传至推力轴承的工作瓦片上另一侧的非工作瓦片只是承担偶然发生的反向推力。推力瓦块接触面浇有乌金，厚度一般在左右，推力瓦块的块数在816块工作瓦块较大，其块数较非工作瓦块少当推力盘紧贴在工作瓦块上时，推力盘和非工作瓦块之间应有一定的间隙，中小型汽轮机间隙一般为，间隙过小，会使推力瓦块温度升高，润滑不良，乌金出现磨痕间隙过大，负荷突然变化时，会造成推力盘反弹，冲击非推力瓦块）推力轴承的润滑 经向止推联合轴承的供油是从下方油孔进入经向轴承的，并通过11进入推力轴承中，冷却推力瓦块的油从内经方向流入，沿径向流出，润滑油充满推力瓦块的周围。