汽轮机第四章

第四章多级汽轮机4.1汽轮机的分级大型汽轮的可用焓降可高达1000kJ/kg以上。如果将其设计成单级的，喷嘴出口气流速度高达1700-2000m/s。若最佳速比为0.65，则平均直径处的圆周速度高达1200-1300m/s。材料问题？大型汽轮机：经济性高，单机容量大。提高经济性：减小各种损失，提高蒸气初参数和降低终参数；提高单机容量：增大汽轮机的进汽量，增大蒸汽在汽轮机内的比焓降。比如：由34CrMo加工成的工作叶片在其平均直径处所允许的圆周速度约为280-350m/s左右。速度分级当级的焓降很大时，为了充分利用余速，将级设计为速度级。这就是所谓的速度分级。速度级作功能力强，但效率很低，一般很少采用3列以上的速度级。一、汽轮机的分级方法一、汽轮机的分级方法压力分级

把整个焓降分配在相互串联的若干个级内逐级膨胀，在每个级内只有不太大的焓降，喷嘴出口气流速度也不是很大，使用目前的结构材料足以使每个级都在最佳速比下工作，轮周效率高。称这种把蒸汽总焓降分配到若干个相互串联的级内进行膨胀做功的分级方法为压力分级。这种相互串联的汽轮机，蒸汽由高压逐级膨胀到低压，比容不断增大，叶片增高。由于受到材料强度的限制，叶片不可能太长，故大型汽轮机都采用多排汽口。如国产300MW汽轮机采用两排汽口。二、多级汽轮机的优点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；每一级可在亚临界条件下工作，减少了级的流动损失；(2)由于各级的比焓降较小，喷嘴出口汽流速度小，根据连续性方程(Gv=Ac)，在容积流量相同的条件下，喷嘴和动叶的出口高度增大，减小叶高损失，或使得部分进汽度增大，减小了部分进汽损失，有利于级效率的提高；(3)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；(4)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后面各级利用，使全机效率提高。(5)与单级汽轮机相比，多级汽轮机的初参数大大提高，终参数显著降低，同时，多级汽轮机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；4.2多级汽轮机设计的若干问题一、余速的利用在多级汽轮机中，除最末级的余速没办法被利用外，第一级和中间各级的余速可以部份或全部被下一级所利用，使得除末级外，其他各级的轮周效率有所提高。以余速利用系数μ表示该级的余速动能被下一级所利用的部分，也就是下一级的可用能量为：在下列情况下，认为前级余速不能被下一级利用：有部分进汽度的级或调节级后的余速不能被下一级所利用；当相邻两级的平均直径发生突跳，前一级的余速也不能被下一级所利用；相邻两级之间的轴向间隙较大时(抽汽、引入蒸汽)，此时前级余速也不能很好的被下一级所利用；一、余速的利用二、重热的利用多级汽轮机的热力过程整个热力过程曲线由三部分所组成：进汽机构的节流过程，各级实际膨胀过程,排汽管道的节流过程。对于多级汽轮机来说，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。重热现象及重热系数汽轮机的理想绝热焓降：汽轮机的实际绝热焓降：由于：则有：重热系数：多级汽轮机由于重热现象的存在提高了汽轮机的效率若各级的效率相等，即则有：因此整机效率和级效率重热系数的大小与下列因素有关：(1)多级汽轮机各级的效率若级效率为1，即各级没有损失，后面的级也就无损失可利用，则重热系数α=0。级效率越低，则损失越大，后面级利用的部分也越多，α值也就越大。(2)蒸汽参数和级数汽轮机的蒸汽参数高而级数多，则上一级的损失被后面级利用的可能性越大，利用的份额也越大,α值将增大。不能误认为α越大越好。因为α增大，是以增加损失为代价的，而重热只能回收损失其中的一小部分。α大会使整机的内效率降低。三、汽轮机转速的选取核电厂用汽轮机的转速是不变的(由于我国交流电的频率为50Hz)，3000r/m或1500r/m。对于大功率汽轮机，为了增加叶片高度来增加机组功率，多采用1500r/m的转速。舰船用汽轮机的转速是可变的，而且用齿轮减速器减速。舰船用汽轮机强调其机动性和灵活性。四、汽轮机的分缸单缸：小型(小功率)汽轮机，舰船用的初参数低，背压较高的汽轮机。多缸：大功率汽轮机，通常分为高压、低压双缸，高、中、低压三缸或多缸。对于大功率的电厂汽轮机，必须分成多缸，而且低压缸用双流路增加排汽口，从而提高机组功率。高压段：参数高、容积流量小、流通面积小、各级焓降不大、各级焓降变化不大、反动度小。低压段：容积流量大、流通面积大、各级焓降大且逐级增加较快、反动度大

。中压段：介于高压和低压之间五、级的结构形式的选取调节级：调节级通过改变喷嘴流通面积的大小而改变进入汽轮机的蒸汽量，达到调节汽轮机功率的作用。一般布置于高压缸内的第一个级。不论是冲动式汽轮机还是反动式汽轮机，调节级都无例外的设计为冲动式的级。对于蒸汽参数较低、功率较小的汽轮机(级的理想焓降小于84-147kJ/kg)，调节级设计为单列冲动式的级；对于高蒸汽参数的汽轮机可用焓降大(167-418kJ/kg)，可采用双列速度级作为调节级。非调节级高压缸多采用冲动式级，而低压缸多采用反动式级。这样高压缸可以设计成局部进汽的级，既可提高级的效率又可减少级数；而低压缸的工作叶片较长而减少径向间隙泄露的影响而提高了级的经济性。同时反动式级内气流速度较低而减轻了低压缸中湿度对效率的影响和对工作叶片的侵蚀作用，提高了级的可靠性。4.3汽轮机的密封原理及密封系统由于结构的要求，汽轮机在运行时有工质的泄露，泄露损失主要包括级内泄露损失和端部泄露损失。级内泄露：主要发生于隔板与转轴之间、动叶顶部与汽缸之间。端部泄露：汽轮机大轴必须从汽缸内向外伸出并支持在轴承座上。这样，大轴和汽缸之间必须留有一定的间隙，造成工质泄露，即端部泄露。(蒸汽外逸和空气内漏)为了减少汽轮机内发生的泄露造成的损失，采用各种密封装置。汽轮机中汽封有隔板汽封，叶根及叶顶汽封、轴端汽封。主要型式：曲径式汽封，平齿汽封、蜂窝式。一、密封原理曲径式轴封的结构现代汽轮机中常见的轴封是曲径式轴封，它是由许多固定在汽缸上的金属片组成。其高低齿与轴或者轴套上的凸肩沟槽相错对应，使两者之间保持一较小的间隙，以形成许多汽封间隙。而两齿之间形成一个环形汽室，如右图所示。间隙+相间的小汽室。一、密封原理轴封的作用是将一个较大的压差分割成若干个减小的压差，从而达到降低漏汽速度，减小漏汽量的作用。这就是齿形轴封的工作原理。齿形轴封的工作原理方诺曲线当漏汽通过轴封时，依次逐个通过这些间隙和环形汽室。通过轴封漏量按续程方程来确定。为了减少漏汽量，可以通过：减少齿隙面积f、汽流速度C和增大比容v等办法来实现。但是：(1)比容是蒸汽流动状态来决定，不可任意改变。(2)而面积分别为轴封直径、间隙。轴封直径d是由轴的强度确定。为了保证安全，间隙不能太小(一般=0.3-0.6mm)。太小，可能使大轴与轴封片摩擦，造成大轴弯曲，引起机组振动。(3)唯一可行的办法就是减小汽流速度C。汽流速度C取决于轴封齿两侧的压力差，所以减小轴封齿两侧的压力差是减少轴封漏汽量的主要措施(增加齿片数)。减少漏汽的途径二、密封系统

前面介绍的密封结构，只能减少泄露，但不能消除泄露。这对布置在汽缸内的内部密封是可以满足的，但对端部密封不能满足需要，这是因为：

(1)外漏：影响工作环境，比如沸水堆、舰船汽轮机。

(2)内漏：造成汽轮机设备的损坏。为阻止蒸汽外漏以减小漏汽损失，或为阻止空气漏入汽轮机低压段而影响机组真空，在汽轮机汽缸两端均安装有曲径轴封。汽缸两端的轴封称为端轴封或外轴封，以便与汽缸内阻止级内漏汽的隔板轴封相区别。端轴封和与它相连的管道和附属设备组成汽封抽汽系统。对于高、中、低压缸，由于其工作压力不同，采取的措施不同。根据密封长度不同，分段密封。压差大，片数多、分段多，段间形成抽汽室和封汽室。系统组成

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。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。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。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。外供汽式轴封系统345-350oC160-170oC0.127-0.147MPa0.095MPa3.抽汽止回阀阀杆汽封

两道汽封接口，第二道汽封接口与汽封供汽母管相通，第一道汽封接至汽封漏汽母管；当阀内压力大于供汽压力时，阀杆漏汽通过第二道接口漏入供汽母管；当阀内压力小于供汽压力时，供汽母管供密封蒸汽，防止空气漏入。自密封式轴封系统4.4多级汽轮机的轴向力和平衡方法

一、作用在转子上的轴向推力蒸汽通过汽轮机通流部分膨胀作功时，对叶片的作用力由圆周分力和轴向分力所组成。其中，圆周分力推动叶轮作功，而轴向分力则对转子产生一个轴向推力。作用在一个冲动级上的轴向推力由4部分所组成：

1、作用在动叶片上的轴向力：

汽流流经动叶作功时在轴向上的分力静压差产生的轴向力2、作用在叶轮面上的轴向力

当叶轮两侧轮毂相等时，则上式为：

其中，为叶轮前的压力。为了，减小和叶根泄露损失，在轮盘上开设平衡孔，此时的大小决定于三个泄露量，即经隔板间隙漏入轮盘前汽室的泄漏量、轴向间隙的泄漏量和平衡孔的泄漏量。由三个泄露量之间的关系得出,利用上式求解。

3、作用在转子凸肩上的轴向力

为任意一个凸肩两侧的压力差。

4、转子倾斜产生的轴向力

为转子倾斜角(转子与水平面的夹角)。这样，多级汽轮机总的轴向推力为各级轴向推力之和。即

轴向推力的平衡方法在多级汽轮机中，总的轴向推力是很大的。特别是反动式汽轮机，其总的轴向推力可达200-300T，冲动式汽轮机，其总的轴向推力可达70-80T。这样大的轴向推力是推力轴承所不能承受的。1.设置平衡活塞在平衡活塞上装有齿形轴封，当蒸汽由活塞的高压侧向低压侧流动时，压力由降为。平衡活塞在压力差作用下，就产生了一个向左的作用力。这个力刚好与流动方向相反，起到了平衡作用。平衡活塞主要应用于反动式汽轮机。3.采用多缸反向布置

采用多缸反向布置，使汽流在不同的汽缸中作反向流动,其轴向力方向相反，达到了平衡的目的。下图为多缸反向布置的示意图。国产125MW、200MW、300MW汽轮机都采用多缸反向布置的办法来平衡轴向力。2.采用平衡孔平衡轴向推力在叶轮上设平衡孔可以减少叶轮两侧的压力差，从而可以减少作用在叶轮上的轴向力。这种平衡方法主要应用冲动式汽轮机的轮盘上，且平衡孔的个数和面积直接影响轴向力的变化。4.推力轴承所承担的轴向推力汽轮机的运行要求推力轴承承担一部分轴向推力，以保证汽轮机运行工况发生变化时，轴向推力方向不变，达到机组稳定运转的目的。4.5多级汽轮机的损失

汽轮机的损失除级内损失(喷嘴损失、动叶损失、余速损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、撞击损失和湿度损失)外，还有一些损失不属于某个级，它们包括进、排汽损失、连接管道内的损失、端部泄露损失和机械损失等。一、工质在传输过程发生的损失1.进汽机构中的节流损失

进汽机构由主汽阀(门)、调节阀(喷嘴阀)、导汽管和蒸汽室组成。蒸汽在进入汽轮机时首先流经进汽机构，由于摩擦阻力的存在有流动损失发生，其压力降成为进汽机构的中的节流损失。2.联通管道中的损失

对于大型汽轮机，高压缸和中压缸之间、中压缸和低压缸之间有导汽管道相连接，则蒸汽流经这些管道时造成的压力损失为3.排汽管中的损失

蒸汽从末级动叶排出，经排汽管到凝汽器或供热管道，蒸汽在其中流动时，因摩擦、涡流等原因，会造成压力损失，即排汽管道的压力损失。若末级动叶出口压力为，凝汽器的压力为，则压力损失为通常在电站机组不受空间限制情况下，把排汽管设计成扩压管。尽量利用汽轮机的排汽动能客服流动阻力，这样可使降低些而减少，增加机组的有效焓降，提高效率。二、端部泄漏损失因端部密封泄漏而损失的轮周功为为密封前的蒸汽状态点到最末级后状态点的理想焓降，即泄漏蒸汽损失的焓降。汽轮机组全部端部泄漏损失，对1kg蒸汽损失的能量为则汽轮机组端部密封泄漏损失的能量系数为三、汽轮机的外部损失1.汽轮机的机械损失

汽轮机在工作时，要克服支持轴承、推力轴承的摩擦阻力，还要带动主油泵和调速系统工作，必然要消耗一部分功率。通常，用机械损失来描述。2.不工作级叶轮的空转损失

对于舰船机组在设计工况下工作时，倒车级和调节级都不参加工作，而有汽轮机转子带动这些级空转消耗机械功，这部分损失对于电站汽轮机是不存在的。3.齿轮减速器的机械损失

对舰船汽轮机，齿轮减速器是必不可少的设备，这部分损失是必然存在的。对于电站机组，汽轮机与发电机直接传动，没有齿轮减速器也就没有这项损失。4.6汽轮机组的效率及动力装置的评价指标一汽轮机组的轮周效率汽轮机组的轮周效率表示汽轮机通流部分设计制造先进性的指标二汽轮机组的内效率汽轮机的内效率是衡量汽轮机内能量转换完善程度的重要指标。它是整机的有效焓降与理想焓降之比，即汽轮机的相对内效率是考虑了机组范围的内部损失，即进出口管道的压力损失和端部泄露损失等。

汽轮机的内功率等于汽轮机的进汽量与有效焓降之乘积。对于无回热加热系统的汽轮机，它的内功率为：对于有回热加热系统的汽轮机，它的内功率为：其中汽轮机内某段的蒸汽流量；汽轮机内某段的蒸汽有效焓降。

三汽轮机组的有效效率

对于电站汽轮机，汽轮机以轴端功率来拖动发电机发电，还要考虑发电机的机械损失和电气损失。用表示发电机的效率(发电机的机械效率和发电效率的乘积)，则汽轮发电机组的相对电效率为：为汽轮机轴承工作所消耗的功率，即机械损失。对于同一台机组，由于转速为常数，所以近似为常数。机械效率

汽轮发电机组的相对有效功率为由于发电机组的热力循环中存在冷凝损失，所以1kg工质在锅炉或蒸汽发生器中所获得的能量要比其在汽轮机内的绝热焓降大，略去水泵的耗功，则装置的循环效率为：式中，为蒸汽的初始焓值；为冷凝器内饱和状态下的凝结水的焓值。则1kg工质在整个热力循环中获得的热量所转变的电能份额成为汽轮发电机组的绝对电效率，是全面表示发电厂热力系统的总经济性性能的指标。其表达式为四汽耗率de和热耗率q

除了用效率表示汽轮发电机组的经济性外，还经常用汽耗率de和热耗率q来表示其经济性。生产1kw.h的电能所需要的蒸汽量称为汽耗率，用de表示。对于电站汽轮机对于同功率的汽轮机组，虽然功率相同，但因蒸汽的初终参数不同，而使得汽耗量不一样。所以，汽耗率de并不宜用来比较不同类型机组的经济性，而是采用反映机组经济性的另一指标热耗率，即发出1kw.h电能所需要热量，用q表示：五电厂的总热效率

：考虑到锅炉效率及厂用电的