蒸汽透平机培训资料

蒸汽透平机培训资料汽轮机是用蒸汽来作功的旋转是原动机。来自锅炉或热网的蒸汽，经脱扣节流阀或是事故切断阀、调速阀进入汽轮机，一次高速流经一系列环形配置的喷嘴（或静叶栅）和动叶栅而膨胀做功推动汽轮机转子旋转，将蒸汽的动能转换成机械能。这便是汽轮机简单的工作原理。汽轮机可按工作原理分为：冲动式、反动式、冲动与反动式的组合式汽轮机。首先，我们对这几类汽轮机的工作原理作一下介绍。汽轮机的工作原理⑴冲动式汽轮机冲动式汽轮机的最简单的结构是叶轮上装配一圈动叶片与喷嘴配合在一起，构成一个做功的简单的机械。我们把有喷嘴和与其配合的动叶片构成的汽轮机做功的单元称级。由一个级组成的汽轮机叫单极汽轮机。喷嘴又叫静叶片。它是一个截面形状特殊且不断变化的通道。蒸汽进入喷嘴后发生膨胀，消耗了蒸汽的压力能，即消耗了蒸汽的热能，蒸汽的压力及温度都下降了，而蒸汽的流速却增加了，获得了高速气流。喷嘴的作用就是将蒸汽的热能转变为动能。动叶片又称工作叶片。在叶轮的外圆周上装满了一整圈叶片，常叫动叶栅。由喷嘴流出的高速气体流至动叶片时，其速度的大小及方向是一定的，之后气流由于受到动叶片的阻碍（作用力），改变其原来的速度的大小及方向，这时候气流必然给动叶片一个反作用力，推动叶片运动，将一部分动能转换成叶轮旋转的机械功。由上述可知，在汽轮机连续工作过程中有两次能量转换，即：热能蒸汽能转子机械能。为了更好的理解汽轮机的工作原理，下面分析一下冲动式汽轮机的动叶片形式。如果我们用一个直立的平板，让高速气流冲击到它的表面上，平板由于受到气流的冲击作用而发生运动。但因在平板的表面附近产生了很大的扰动和涡流损失，使蒸汽中大量的有用能量不能得到很好的利用以至造成浪费。所以经过大量的实践改进，现在汽轮机的动叶片做成弯曲形。如果要产生最大的作用力，就要使蒸汽的喷射方向与动叶片的运动方向一致，然后再转一个180℃而离开动叶片，这是动叶片收到的冲击力。气流以C1的速度流向曲面，它相当于汽轮机的动叶片，并能沿平行于气流的方向移动。气流进入弯曲流道内弧所构成的气道后，便沿着内弧逐步改变其流动方向，最后流出汽道时的速度为C2方向恰与C1方向相反。当气流流过曲面时，实际上作圆周运动，因此组成气流的每一个蒸汽微团都受到叶片所作用给它的一个向心力，同时叶片受到气流给它一个大小相等、方向相反的反作用力。假如气流微团的离心力用向量表示。在1点处的离心力p1可分解成轴向分力p12及运动方向上的分力p13,在2点处的离心力p2也可分解成p21和p23，轴向分离p12和p23恰好相互抵消，因为此二力大小相等，方向相反，且共同作用在一个叶片的同一条支线上。同样，其他点的轴向分离也相互抵消，因此气流的离心力在轴向上的分力之和为零，既p12+p23+……=0在弯曲面运动方向上的分力之和等于p，即p12+p23+……=0在这个p力的作用下，弯曲面（叶片）向右运动，通过叶轮及轴产生旋转运动。若带动压缩机和泵、风机等机械，就可以输出机械功。这就是冲动式汽轮机的工作原理。实际上，由于机械机构等方面的限制，从喷嘴流出来的气流不能与动叶片的运动方向完全相同，而成一个夹角。动叶片也不是一个半圆弧，而是由好几段曲线组成，一般是圆弧和抛物线弧。⑵速度级和压力级前面已经介绍级的概念，从结构上看，汽轮机的一个级是由喷嘴（几个或整个圆周布置的喷嘴）和一列动叶片组合起来的装置，从动作原理来看，就是能造成高速气流，能将速度能转换成机械能，并产生推力对外做功的基本单元。级可以分成压力级和速度级，简单介绍如下。压力级在可以利用的蒸汽能量很大的情况下，只有一个级不能充分利用这些能量。这时，我们把由喷嘴和动叶片组成的级串联在同一根轴上，将蒸汽的能量分别在若干个级中加以利用。从结构来看，就是一列喷嘴和一列动叶片，其后又是一列喷嘴和一列动叶片，这样逐次排列下去。在第一列喷嘴进口处的蒸汽压力最高，以后逐级降低，这就是常见的多级汽轮机的结构形式，其中的每个级，都叫做压力级。速度级压力级外，在有些汽轮机上还设有速度级。速度级又叫复速度级或寇蒂斯级。速度级比压力级在结构上复杂一点。双列速度级的单级冲动式汽轮机，比单级冲动式汽轮机对蒸汽能量的利用更充分一点，由轴、叶轮、双列动叶片等构成转子；由喷嘴、导向叶轮、汽缸、排气气管等组成的静子部分。如果冲动式级在工作时，离开动叶片的气流速度人仍很大，这说明还没有充分利用蒸汽的动能来作功。为了利用这部分能量，在同一叶轮的轮级上再要装设第二动叶栅，使蒸汽流过两列转动的叶栅，第一列动叶栅通道中蒸汽能量一部分转换为机械能，而其余的蒸汽能则由第二列动叶栅继续将能量转换成机械能。为了使蒸汽流以一定的方向流入第二动叶栅，在第一、第二列动叶栅之间装一列固定的叶片，起导向作用，称之为导向叶片，它是装在气缸上的。速度级与冲动式压力级的工作原理是一样的，不同的就是整齐的速度在第一、第二列动叶栅中分别加以利用。除双列速度级以外,还有三列速度级，但常用的是双列速度级。经常用它做成小功率的汽轮机，带动风机及其他各种泵等，也可以用它做多级汽轮机的第一级。⑶反动式汽轮机反动式汽轮机是利用反作用力与冲击力将蒸汽的速度能转化成机械能的。反动式汽轮机的工作原理同样是基于惯性定律和作用力与反作用力定律的。反动式汽轮机的机构是动叶片安装在转鼓上，轴、平衡活塞及转鼓组成了转子。静叶片安装在气缸上，与进、排气管组成静子反动式的级仍然是由一列静叶栅和一列动叶栅组成。它的工作原理是：在静叶栅中气流与经过喷嘴时相似，压力降低，容积膨胀，速度增加；而它的动叶栅叶做成截面渐收缩的气道，气流在动叶栅中进一步降压，膨胀加速。根据惯性定律可知，运动的物体如果不受外力的作用的话，则一定按照原俩的速度大小和方向运动下去。气流既然在动叶栅中获得了加速度，那必然有外力作用在其气流上，这个力是由于在动叶栅中降低了气流的压力和温度，即气流的热能转换为动能所获得的。在动叶栅中进一步使气流降压，增速并以高速离开，这时气流必然给动叶栅一个大小相等，方向相反的作用力，使动叶栅转动带动轴旋转的对外做功。这就是反动式汽轮机的工作原理。⑷冲动反动组合式汽轮机这类汽轮机的前一级或前几级为冲动式，后面的级为反动式。汽轮机的结构及用途汽轮机的实现能量转换，主要是通过喷嘴把热能转换为动能，通过动叶栅把动能转换成机械能。因此，喷嘴一般做成静止零件，用各种不同的方法固定在气缸上，形成汽轮机的静止部分。所以汽轮机主要是由转子，静子两大部分组成。⑴转子部分也就是汽轮机的转动部件，靠固定与气缸上的前后两个轴承支撑，由主轴、叶轮、叶片组成，并通过联轴器与被驱动机械相连。转子做高速旋转，把蒸汽作用到叶片上力矩传递给驱动机械，达到对外做功的目的。转子的性能要求：为使转子能安全可靠的运行，必须满足下列条件：必然有一定的强度，以满足支持自身重量和传递转矩的要求。必然经过严格的动平衡，以免高速旋转时产生过大的离心力引起汽轮机震动或损毁。必须使汽轮机的临界转速和运行转速避开一定距离，以免发生共振。必须安装平衡盘，推力盘和轴套，用以平衡转子的轴向推力并确定转子在轴向定位。转子结构形式，一般有整锻式、套装式、组合式、焊接式、转鼓式等。转子的轴向推力及其平衡：蒸汽在汽轮机的通流部分膨胀做功时，转子上受两部分力，一部分叫做轮周力，是产生转矩对外做功的有益力；另一部分沿叶轮轴向从高压端指向低压端，企图推动转子向其流方向运动，所有叶轮轴向力之代数和，就是整个转子的轴向推力。转子的轴向推力一般要采取措施平衡掉大部分，剩余的部分由推力轴承承担。如果推力过大，就会影响轴承寿命，严重时会烧坏轴瓦，引起转子上动静部分碰撞，一支损坏机器，因此，在运行中必须严密监视转子轴向推力变化，确保机组安全运行。一般来说，作用于汽轮机转子的轴向推力来源于以下几种因素：A叶轮两侧的压力差B动叶片上的轴向力C轴上各处直径不同引起的受力。汽轮机转子所受轴向推力很大，高压汽轮机（反动式）可达到几百吨，为确保机组的安全运行，一般采取下列措施平衡轴向力。A使用推力轴承。目的是固定转子在气缸中的轴向位置，承受转子上的少部分轴向推力。B使用平衡活塞或平衡盘。在转子通流部分对侧，将转子做成阶梯形，已产生相反的轴向推力，此阶梯凸台就叫平衡活塞。其右侧为高压蒸汽，左侧与汽室相通，受低压蒸汽作用，因而产生相左的轴向力，以平衡部分轴向力。对冲动式汽轮机因其总的轴向推动力不大，一般将高压汽封套直径座大些，也可以起到类似的作用。C开平衡孔。由于汽轮机叶片两侧的压力差，在轮盘上开有贯通两侧的小孔，即平衡孔，可减少轮盘上的轴向推力。平衡孔一般开5-7个奇数孔，以免再也轮同一直径上形成对称孔，影响也轮强度。另外开奇数孔对减轻也轮轮震动也有好处，但此方式汽轮机效率有所降低。D采用相反流向布置。使蒸汽在高低压缸或个区域内流向相反，而产生反方向的轴向推力，以相互抵消而达平衡。（2）静子部分即汽轮机的静止部分，包括气缸，前后支撑轴承，推力轴承，喷嘴组，隔板，支撑与润滑系统，气封等。A气缸（机壳）气缸的作用是支撑转子，容纳并通过蒸汽，将汽轮机通流部分（喷嘴，转子，隔板等）与大气隔开，保证蒸汽在其机内完成做功过程。在运行中，汽缸会承受蒸汽与大气压力差，轴向拉应力，部件重量，震动冀热应力等多种作用，一般作为薄壳双层，既要可靠的固定在基座上，又要有一定的自由膨胀裕度。B支撑与润滑系统目的是承受气缸重量，并使气缸在受热状况下按一定方向进行膨胀。C碰嘴组和隔板喷嘴作用如前所述，它是将蒸汽热能转化为动能的重要部件；隔板侧使各组叶轮在单独的蒸汽室内运行，达到热能的充分利用。D气封装置在气缸两端，叶轮和隔板处，为避免动静部分碰撞而留有间隙。由于这些间隙前后压力差存在，主轴通过间隙处必然有漏气，从而降低机组运行性并造成损失。汽封装置作用是减少漏气，确保机组安全运行。轴端漏气不但造成部分蒸汽性能的浪费，影响汽轮机的经济性，还会破坏润滑，造成油中带水，轴承润滑不良等后果。另外，汽缸后侧漏入空气，对排气温度和凝气设备的真空建立有一定危害。汽轮机的汽封装置有多种形式，最常用的是迷宫式气封，通过蒸汽的截流降低密封齿前后的流动压差和流速，从而减少漏气量，达到密封的目的。E轴承按其所起的作用可分为支撑轴承（又叫径向轴承）和推力轴承。支持轴承的作用是承受径向力，保持主轴与气缸中心线一致，确保转速正常运转。推力轴承则是用来承受转子轴向力，限制转子轴向串动，保持转子轴向位置。目前汽轮机和离心式压缩机绝大多数采用的是油润滑动压轴承，通过建立油膜压力承受载荷。汽轮机的功率和效率汽轮机的功率我们知道，汽轮机的功是热能转换而来的，而功率则表示单位时间的功。在汽轮机运行管理工作中，将接触到以下几种功率：A理想功率表示不考虑任何损失，蒸汽在汽轮机中作理想膨胀，单位间内将全部热能转换为功。1公斤蒸汽具有的能量可用热量表示：g=io–i排=HtG公斤蒸汽具有的能量表示热量：Q=G(io-i排)=GHt式中：io–在入口状态参数下的新蒸汽焓。I排---排气压力，温度下的蒸汽焓。Ht------理想焓降在理想情况下，蒸汽能量都转化为机械功应为：L=427Q=427GHt在实际工作中，知道每小时的重量流量，就可相应算出相应理想功率。B内功率从理想功率中扣除内部损失后得到的功率叫做内功率。他表示汽轮机通流部分可以发出的功率。（所谓通流部分就是流经汽轮机的蒸汽，流经各级喷嘴和动叶栅的流道完成二次能源的转换。这条通道叫通流部分）。C功率从内功率中扣除外部损失消耗后的功率，叫做轴功率，他表示汽轮机轴端输出功率时可以被利用的功率，所以也叫有效功率。D汽轮机的效率效率是衡量经济性的重要指标，由于汽轮机实际工作中各有损失，所以热能并不能全部转变为功。实际发出的功率理论上应发出的功率之笔，就使汽轮机的效率，叫做相对效率。相对内效率：内效率与理想效率之比较叫做相对内效率，它说明内部损失的大小。相对有效效率：汽轮机的轴功与理想功之比叫做有效效率。有效效率表明汽轮机内部及外部损失大小，表示汽轮机的综合性经济性指标，汽轮机的功率越大，有效功率就越大，有效效率就越大，实际工作中还有实际有效气耗率表示汽轮机的经济性，他表示单位轴功率所消耗的蒸汽量。实际汽轮机气耗率是用实验或计算的方法求得的。汽轮机的机械效率反映了汽轮机在机械方面的工作效能，它是轴功率和内功率之比，一般为0.96—0.995汽轮机的辅助系统⑴汽轮机的凝汽系统凝汽系统的作用和组成凝汽系统的作用是建立和维持给定有力的排气压力，增大蒸汽的可用焓降，并将派出蒸汽冷凝结成水，作为锅炉给水循环利用。凝汽系统一般由表面凝汽器、循环水回路、凝结水泵和抽气器等组成。抽气器作用：是将蒸汽中带入的空气或由于处在真空系统下工作的设备及其工作管线、法兰等处结合不严密而漏入的空气从凝汽器中抽出，以维持凝汽器的经济真空。当然除抽气器外，还有抽气冷凝器。其作用是将抽气器抽出的蒸汽与空气混合物中的蒸汽凝结成水，回收再利用。⑵机组油系统概述：机组油系统包括油箱、油泵、管路和阀门、冷却器、过滤器等。油系统对设备润滑