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汽轮机原理

SteamTurbineTheory

机械学院热能与环境工程研究所绪论汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式机械，主要用作发电原动机，也用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。一、汽轮机的分类1、按工作原理分冲动式汽轮机反动式汽轮机2、按热力特性分凝汽式汽轮机背压式汽轮机抽汽式汽轮机抽汽背压式汽轮机多压式汽轮机3、按主蒸汽压力分汽轮机类别主蒸汽压力（MPa)低压汽轮机0.12~1.5中压汽轮机2~4高压汽轮机6~10超高压汽轮机12~14亚临界压力汽轮机16~18超临界压力汽轮机>22.1超超临界压力汽轮机>32二、汽轮机型号的表示方法汽轮机型号的组成为：ΔXX-XX-XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：N300-16.7/538/538300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为538ºC,再热蒸汽温度538ºC。汽轮机型式代号见下表：代号型式代号型式N凝汽式CB抽汽背压式B背压式CY船用C一次调整抽汽式Y移动式CC两次调整抽汽式HN核电汽轮机第一章汽轮机级的工作原理级是汽轮机中最基本的工作单位级由静叶栅（喷嘴栅）和动叶栅组成本章着重阐述单级汽轮机的工作原理第一节蒸汽在级内的流动基本假设（1）蒸汽在级内的流动是稳定流动（2）蒸汽在级内的流动是一元流动（3）蒸汽在级内的流动是绝热流动基本方程式（1）状态方程——pv=RT（2）等熵过程方程——pvk=常数（3）连续性方程——Gv=Ac（4）能量守恒方程——喷嘴中的热力过程P0,P1分别是喷嘴进出口压力。理想热力过程从0→1。实际热力过程是0→2。0*点是0的滞止参数点。hsh1p112h1t∆hn∆hc00p0P0*0*h0h0*蒸汽滞止和喷嘴出口参数计算喷嘴出口汽流流速度的计算算喷嘴出口的理理想速度c1t为：喷嘴实际出口口速度为：喷嘴速度系数数动能损失为：：喷嘴动能损失失滞止理想比焓焓降喷嘴的能量损损失系数：：与蒸汽之比喷嘴截面积的的变化规律喷嘴中的临界界状态临界压力比只取决于蒸汽汽本身的性质质，与喷嘴的的结构无关。。对于过热蒸汽汽：对于干饱和蒸蒸汽：喷嘴中的蒸汽汽流量（1）理想情情况下，当喷喷嘴前后的压压力比大大于临界压力力比时，由连连续性方程有有：实际流量：称为喷嘴流量量系数，它主主要与蒸汽状状态及蒸汽在在喷嘴中的膨膨胀程度有关关。（2）当喷嘴嘴前后的压力力比小于或等等于临界压力力比时，通过过喷嘴的流量量将保持不变变，即为临界界流量：实际临界流量量：对于过热蒸汽汽，对于饱和蒸汽汽，由以上分析可可知，通过喷喷嘴的最大蒸蒸汽流量（即即临界流量）），在喷嘴出出口面积和蒸蒸汽性质确定定后，只与蒸蒸汽的初参数数有关；只要要初参数已知知，则通过喷喷嘴的临界流流量即为定值值。5、彭台门系系数β当喷嘴进出口口压力比处于于某个数值时时，其相应的的流量Gn与同一初状状态下的临临界流量Gnc之比值称为为流量比，，也称为彭彭台门系数数，记为β。6、蒸汽在在斜切部分分的膨胀p0ptαtct如图所示，，AB为为渐缩喷嘴嘴的出口截截面，即吼吼口截面，，ABC即即为斜切切部分。当当喷嘴出口口压力p1大于临界压压力p1c时，蒸汽在在斜切部分分不发生膨膨胀。但当当p1d<p1<p1c时汽流将在在斜切部分分发生膨胀胀。汽流在斜切切部分膨胀胀时将使汽汽流出口速速度大于音音速，同时时汽流的方方向也将发发生偏转。。p1d为极限压力力：特征线线与AC重重合时的出出口压力。。扰动的等压压线，即汽汽流膨胀的的特征线，，也称马赫赫锥母线。。为马赫角：：特征线与与汽流流动动方向的夹夹角。蒸汽在动叶叶中的流动动蒸汽在喷嘴嘴中从压力力p0膨胀到出口口压力p1，以速度c1流向动叶栅栅。当蒸汽汽通过动叶叶时，一般般还要继续续膨胀，压压力由p1降到p2.如图所示示级的热力力过程，则则此时级的的滞止理想想比焓降Δht*为：sh0*021P0*P0P1P2Δhn*Δht*Δhb’∆hb近似认为与与∆h‘b相等——动叶内理想想比焓降Δhb与级滞止理理想比焓降降Δht*之比，表示示蒸汽在动动叶内的膨膨胀程度。。1、反动度度ΩmΩm=0时称为为纯冲动级级Ωm=0.5时时称为典型型反动级2、动叶出出口的速度度计算由能量平衡衡方程可知知：由于存在不不可逆损失失，则动叶叶出口实际际相对速度度为：动叶速度系系数这样蒸汽流流经动叶时时的能量损损失：其能量损失失系数是：：小结：对蒸汽在喷喷嘴和动叶叶中流动的的分析对整整个汽轮机机原理的学学习来说，，是最基本本同时又是是最重要的的，必须深深刻理解其其热力过程程，牢固掌掌握各个计计算关系式式及其物理理意义。第二节级级的轮周周效率和最最佳速度比比一、速度三三角形u——动叶的圆周速度c1、w1、u构成动动叶栅的进进口速度三三角形，c2、w2、u构成动动叶栅的出出口速度三三角形。则则各个速度度矢量之间间的关系式式为：当蒸汽以速速度c2离开本级时时，蒸汽所所带走的动动能不能本本级利用，，称为该级级余速损失失。在多级汽轮轮机中，前前一级的余余速损失常常可以部分分或全部被被下一级所所利用。用用余速利用用系数μ1表示被利用用的部分，，则为：二、轮周功功率和轮周周功单位时间内内蒸汽推动动叶轮旋转转所做的机机械功，称称为轮周功功率。根据据动量守恒恒，叶片对对蒸汽周向向力为：则轮周功率率为：1kg蒸汽汽产生的有有效功，称称为级的做做功能力，，为：由上式可以以看出：单单位蒸汽流流量在一级级内所做轮轮周功等于于冲动力作作功和反动动力作功之之和。冲动力作功功反动力作功功级的轮周效效率和最佳佳速度比蒸汽在级内内的焓降计计算公式级的有效焓焓降等于级级的做功能能力。轮周效率和和速度比的的定义根据能量平平衡，级的的有效焓降降为单位蒸汽量量流过某级级所产生的的轮周功与与蒸汽在该该级中理想想可用能之之比，称为为该级的轮轮周效率。。速度比x1=u/c1——反映了了余速损失失的大小假想速度比比xa=u/ca,其中假想想速度轮周效率与与喷嘴能量量损失、动动叶能量损损失和余速速损失有关关。能量损失与与速度系数数有关。叶栅确定以以后，速度度系数也就就确定。余速损失最最小，轮周周效率最大大，如下图图。轮周效率与与速度比之之间的关系系纯冲动级的的最佳速度度比反动级的最最佳速度比比所以：则由可可得得：速度级（复复速级）的的最佳速度度比为便于分析析，对速度度级做如下下假设：（1）蒸汽汽只在喷嘴嘴中膨胀（2）在级级中没有能能量损失（3）各个个进出口角角度相等经过同样的的分析可以以得到：最佳假想速速度比为叶栅几何特特性（p49~50)一、部分进进汽度的定定义在确定喷嘴嘴的尺寸之之前，首先先应根据喷喷嘴前后压压力比的大大小确定喷喷嘴的型式式二、流管的的计算截面面、叶高或或宽度1、n>cr2、cr>n>1d3、n<1d三、长叶片片级的设计计1、叶片径径高比和相相对节距的的定义8~10的叶片片就成为长长叶片，其其特点为：：（1）圆周周速度沿叶叶高不同，，气流冲击击背弧或凹凹弧；（2）叶栅栅存在最佳佳相对节距距，大于或或小于（x1）op造成损失；；（3）c1较c0、c2要大得多，，受c1u离心力产生生径向压力力梯度的影影响，p1沿叶高高是增加的的，径向流流动产生损损失；综合以上特特点，可知知长叶片要要按二元或或三元流进进行设计2、二元流流设计（简简单径向平平衡法cr=0）（1）理想想等环量流流型（cz=const→c1ur=const）（2）等1角流型(cos1=c1u/c1=const→c1urcos1=const）3、完全径径向平衡法法（1）三元元流流型（2）可控控涡流型（（反动度沿沿叶高可按按需要进行行控制）第四节级级内各项损损失和级效效率一、级内损损失1、喷嘴能能量损失、、动叶能量量损失和余余速损失喷嘴能量损损失和动叶叶能量损失失又称为叶叶栅损失，，叶栅损失失又可分（1）叶型型边界层的的磨擦损失失（2）边界界层脱离引引起的涡流流损失（3）尾迹迹损失（4）流道中中有超音速时时可能存在激激波损失2、叶高损失失3、撞击损失失4、扇形损失失5、叶轮摩擦擦损失6、部分进汽汽损失（1）鼓风损损失（2）斥汽损损失7、湿汽损失失hx8、漏汽损失失h二、级效率级的有效焓降降第二章多级级汽轮机本章主要讨论论多级汽轮机机中蒸汽的进进、排汽损失失，轴向推力力以及轴封系系统等问题第一节多级级汽轮机的优优越性及其特特点一、多级汽轮轮机的优缺点点1、多级汽轮轮机每级的焓焓降较小，有有可能使速度度比设计在最最佳速度比附附近，同时c1小、u也小，，即直径小，，叶高或部分分进汽度相应应大，这些都都是效率增大大；2、各级余速速动能可以部部分的被利用用；3、多级汽轮轮机可以实现现回热循环和和中间再热循循环；4、由于重热热现象，多级级汽轮机前面面级的损失部部分的被后面面各级所利用用。二、重热现象象和重热系数数ΔhmactΔht’1Δht’2Δht’3Δht’4Δht，2Δht，3Δht，4Δhi，1Δhi，2Δhi，3Δhi，4Δhmaci在h-s图上上，等压线沿沿着比熵增大大的方向是逐逐渐扩张的，，所以，多级级汽轮机中上上一级损失的的一部分可以以在以后各级级中得到利用用的现象。无损失和有损损失时的理想想焓降分别为为：重热系数为：：全机有效比焓焓降则全机的相对对内效率为：：各级平均的相相对内效率：：从以上分析可可知，重热现现象使全机的的相对内效率率高于各级平平均的相对内内效率。但并并不是说α越大，全机机的效率就越越高。因为重重热现象的存存在只不过是是使多级汽轮轮机能回收其其损失的一部部分而已。三、汽轮机装装置的评价指指标蒸汽的热能内功率Pi电功率Pel轴功率Pax1、汽轮机的的相对内效率率2、机械效率率3、发电机效效率则汽轮发电机机组的相对和和绝对电效率率为：4、汽耗率———机组每生生产1KWh电能所消耗耗的蒸汽量5、热耗率———机组每生生产1KWh电能所需需的热量第二节汽轮轮机进汽、排排汽损失和热热力过程线一、进汽损失失进汽速度40~60m/s，进汽压压力损失p0=0.03~0.05p0。优化阀的型线线，使其带扩扩压管，把部部分蒸汽的动动能转化为压压力能。二、排气损失失凝汽机组的cex<100~120m/s，背压机组组cex<40~60m/s。当进入排汽管管的汽流速度度较低，即M<0.3时，可以将蒸蒸汽视为不可可压缩流体，，对其进出口口建立能量平平衡方程：两边同除以，，则有：：静压恢复系数数能量损失系数数当排汽管进口口汽流M>0.3时，就必须考考虑其压缩性性，但仍然有有：三、多级汽轮轮机的热力过过程线（p112~116)第三节多多级汽轮机的的轴向推力及及其平衡反动式汽轮机机的轴向力有有100~200T，冲冲动动式式汽汽轮轮机机的的轴轴向向力力有有40~80T。一、、冲冲动动式式汽汽轮轮机机的的轴轴向向推推力力1、、作作用用在在动动叶叶上上的的轴轴向向推推力力2、、作作用用在在叶叶轮轮轮轮面面上上的的轴轴向向推推力力隔板板轴轴封封漏漏汽汽量量为为通过过平平衡衡孔孔的的漏漏汽汽量量为为动叶叶根根部部轴轴向向间间隙隙处处的的漏漏汽汽量量为为如动动叶叶稍稍有有漏漏气气，，其其流流量量平平衡衡为为(d→pd→Fz,2)3、、作作用用在在轴轴封封凸凸肩肩上上的的轴轴向向推推力力4、、转转子子凸凸肩肩上上的的轴轴向向力力二、、轴轴向向推推力力的的平平衡衡1、、设设置置平平衡衡活活塞塞p1212、、采采用用具具有有平平衡衡孔孔的的叶叶轮轮p1173、、利利用用汽汽轮轮机机分分缸缸的的反反向向平平衡衡p1214、采用用推力轴轴承第四节轴轴封封及其系系统一、轴封封类型1、高低低齿曲径径轴封；；2、平平齿光轴轴轴封。。二、芬诺诺曲线等流量曲曲线芬诺曲线线三、轴封封漏汽量量的计算算1、最后后一个齿齿隙的汽汽流速度度低于临临界速度度2、最后后一个齿齿隙的汽汽流速度度等于临临界速度度第三章汽汽轮轮机在变变工况下下的工作作汽轮机喷喷嘴变工工况级变工况况机组变工工况调节级变变工况一、渐缩缩喷嘴的的变工况况对于渐缩缩喷嘴，，当其初初参数及及出口面面积不变变时，通通过喷嘴嘴的流量量为：ACBGGcrG1PcrP1P1=PcP在流量量与出出口压压力的的关系系曲线线图中中，BC段段近似似于椭椭圆曲曲线，，则：：β即为为彭台台门系系数，，此时时通过过喷嘴嘴的任任意流流量G可表表示为为：当蒸汽汽的参参数发发生改改变时时，喷喷嘴流流量为为：1、当当初压压不变变时2、喷喷嘴前前后压压力同同时变变化时时流量锥锥的概概念在实际际计算算中，，大都都采用用图解解法计计算流流量，，即使使用流流量锥锥或是是流量量网图图。假设最最大初初压为为p0m，相应应的最最大临临界流流量为为G0mm、1、0之间关关系的的三维维显示示为流流量锥锥，二二维表表示为为流量量网图图。（（oad为为等腰腰直角角三角角形））渐缩喷喷嘴流流量锥锥如右右图所所示。。abdc相对初初压相对背背压二、缩缩放喷喷嘴的的变工工况（（极限限压力力p132）1、当当初压压不变变时2、初初终参参数同同时改改变时时三、汽汽轮机机级的的变工工况喷嘴前前、后后压力力发生生变化化引起起流量量的变变化。。反之之，当当流经经喷嘴嘴的流流量变变化时时，喷喷嘴和和动叶叶前后后的压压力也也要随随之变变化，，从而而引起起级内内各个个参数数发生生变化化。本本节主主要研研究级级中诸诸参数数随流流量变变化而而变化化的基基本规规律。。（一））设计计工况况和变变动工工况均均为临临界工工况1、喷喷嘴在在临界界状态态2、动动叶在在临界界状态态若近似似认为为，，则有有：用喷嘴嘴参数数表示示则同同理有有：小结：：当级在在临界界状态态下工工作时时，不不论临临界状状态是是发生生在喷喷嘴中中还是是动叶叶中，，其流流量均均与级级前压压力成成正比比，而而与级级后压压力无无关。。当c0变化不不大（二））设计计工况况及变变工况况均为为亚临临界状状态当级在在亚临临界状状态下下工作作时，，通过过级的的流量量与级级前、、后的的压力力均有有关动叶进进口的的撞击击损失失一、冲冲角（（p50））正冲角角时，，气流流冲击击内弧弧面；；负冲冲角时时，气气流冲冲击动动叶的的背弧弧面。。级负荷荷变化化，是是由于于流量量变化化，压压力和和焓降降随之之发生生变化化。于于是发发生冲冲击损损失。。二、撞撞击损损失（（p139）焓降增增大，，导致致正冲冲角；；焓降减减小，，导致致负冲冲角。。级内反反动度度的变变化设计工工况下下的连连续性性方程程焓降减减小时时的连连续性性方程程，理理论上上有从p139b图图上可可以看看出，，实际际情况况是因此，，级的的反动动度要要增加加。焓降减减小，，速度度比增增大，，级内内反动动度增增大；；焓降增增大，，速度度比减减小，，级内内反动动度减减小；；四、汽汽轮机机级组组的变变工况况（一））机组组前、、后压压力与与流量量的关关系机组可可以看看作一一个当当量喷喷嘴假设最最大初初压为为p0m，相应应的最最大临临界流流量为为G0m级组前压力力的相对值值级组后压力力的相对值值相对流量级组临界压压力比试验证明：：工况变动时时，机组前前后的压力力与流量的的关系可用用斯托多拉拉流量锥表表示，即0、2、m组成流量锥锥；级数越多，，机组的临临界压力比比就越小；；初参数不同同的同一级级组具有相相同的临界界压力比。。无穷级数的的级组中各各级均处于于亚临界时时的流量比比为佛留格格尔公式，，如下亚临界变工工况的流量量与机组前前后压力平平方差的开开方成正比比。级组中的末末级均到达达临界状态态：例如级组由由三级组成成,如图示示P0P1P2P3P4P5P6GⅠⅢⅡ对第二级有有：同理有：（二）机组组压力与流流量公式的的应用条件件1、通过同同一级组中中各级的流流量相等；；2、不同工工况级组中中各级的通通流截面保保持不变；；3、通过各各级的汽流流是一股均均质流；4、佛留格格尔公式只只适用于无无穷级数的的情况，有有限级数时时的精确计计算要考虑虑级组的临临界压力比比。五、汽轮机机的配汽方方式和调节节级的变工工况目前常用的的配汽方式式有：喷嘴配汽和节流配汽。（一）喷嘴嘴配汽333322221G工作过程：：主要特点：：①机组在部部分负荷时时，效率较较高。②机组的高高压部分在在工况变化化时温度变变化很大，，从而引起起较大的热热应力。喷嘴调节级级压力与流流量的关系系分析过程中中，为了突突出调节级级主要变工工况特点首首先对上页页所示的调调节级的工工作过程程作如下假假定：1）忽略调调节级后温温度变化的的影响，调调节级后压压力P2正比于全机机流量；2）各种工工况下级的的反动度都都等于零，，p11=p21；3）四个调调节汽门依依次开启，，没有重叠叠度；4）凡全开开调节汽门门后的喷嘴嘴组前压力力均为p0不变。喷嘴组压力力分配曲线线（158页）喷嘴组流量量分配曲线线调节剂效率率与流量的的关系（160页））调节级、系数数，焓降反反动度、压压力反动度度和轮轴效效率计算（（162~163页页）pG018765432调节级出口口压力线G10.8G0.4GGQULIMKNVJGⅡ简化的调节节级的压力力与流量的的关系（三）节流流配汽工作过程：：进入汽轮轮机的所有有蒸汽都通通过一个调调节汽门，，然后进入入汽轮机。。调节汽门门控制流量量大小。GP0,t0主汽门调节汽门汽轮机hsh0t0p0p”0p’0pc工作特点点：1）机组组在低负负荷时调调节汽门门中节流流损失较较大，使使扣除进进汽机构构节流损损失后的的理想比比焓降减减小得较较多。（（节流效效率ηth）2）没有有调节级级，结构构比较简简单；3）在工工况变动动时，各各级比焓焓降变化化不大，，同时级级前温度度变化也也较小。。9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。1月-231月-23Thursday,January5,202310、雨中中黄叶叶树，，灯下下白头头人。。。02:47:5602:47:5602:471/5/20232:47:56AM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。1月月-2302:47:5602:47Jan-2305-Jan-2312、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。02:47:5602:47:5602:47Thursday,January5,202313、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。1月月-231月月-2302:47:5602:47:56January5,202314、他乡生白发发，旧国见青青山。。05一月20232:47:56上午02:47:561月-2315、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。一月232:47上上午1月-2302:47January5,202316、行动出成果果，工作出财财富。。2023/1/52:47:5602:47:5605January202317、做做前前，，能能够够环环视视四四周周；；做做时时，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿着着以以脚脚为为起起点点的的射射线线向向前前。。。。2:47:56上上午午2:47上上午午02:47:561月月-239、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。1月-231月-23Thursday,January5,202310、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。02:47:5602:47:5602:471/5/20232:47:56AM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。1月-2302:47:5602:47Jan-2305-Jan-2312、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，，留留一一份份不不足足，，可可得得无无限限完完美美。。。。02:47:56