自考6(汽轮机设备及其工作原理)

第一节汽轮机一般概念第二节汽轮机本体结构和主要部件第三节蒸汽在汽轮机级内的能量转换过程第四节凝汽式汽轮发电机组的效率及其评价指标第五节汽轮机凝汽设备及系统汽轮机设备及其工作原理一、最简单的单级汽轮机及其基本工作原理热能转换为机械能的过程分两部分进行：（1）蒸汽在喷嘴流道内流动，降压增速，蒸汽的热能转换成高速汽流的动能；（2）高速汽流进入动叶流道，冲击动叶片，蒸汽流速降低，蒸汽动能转换成汽轮机转子旋转的机械能。级：由一列静叶栅和与它配合的动叶栅组成的汽轮机的基本工作单元。只有一个级的汽轮机，叫单级汽轮机。第一节汽轮机一般概念二、多级汽轮机的一般概念将多个基本做功单元（级）串联布置在同轴的汽缸体内，形成压力多级结构，蒸汽在汽轮机内依次连续流过多个级，逐级降压、降温，将蒸汽的热能转换成机械功。三、汽轮机分类1、按工作原理分类：冲动式汽轮机：由冲动级组成，蒸汽主要在喷嘴中膨胀，在动叶栅内随汽道形状改变流动方向，产生离心力，称为用冲动力做功。反动式汽轮机：由反动级组成，蒸汽在喷嘴和动叶栅中膨胀程度相同。在动叶通道内不仅改变方向，而且膨胀加速，加速的汽流流出汽道时对动叶栅施加一个与汽流流出方向相反的反作用力。称为反动力。动叶栅在冲动力和反动力的合力的作用下转动产生机械功。2、按热力特性分类凝汽式汽轮机：蒸汽在汽轮机中作功后，排汽进入凝汽器，凝结成水。背压式汽轮机：汽轮机排汽直接用于供热，没有凝汽器。2、按热力特性分类调节抽汽式汽轮机：从汽轮机中间某几级后抽出部分一定压力的蒸汽对外供热。中间再热式汽轮机：蒸汽在汽轮机膨胀作功过程中被引出，再次加热后返回汽轮机后面级继续膨胀作功。3、按进汽参数分类低压——主蒸汽压力小于1.5MPa。中压——主蒸汽压力为2～4MPa。高压——主蒸汽压力为６～10MPa。超高压——主蒸汽压力为12～14MPa。亚临界——主蒸汽压力为16～18MPa。超临界——主蒸汽压力大于22.15MPa。超超临界——主蒸汽压力大于32MPa。四、汽轮机型号N300-16.7/537/537汽轮机类型额定功率（MW)蒸汽参数变型设计次序型号中汽轮机型式、蒸汽参数的表示型式代号参数表示方法例子凝汽式N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/中间再热温度N300-16.7/538/538一次调整抽汽式C主蒸汽压力/抽汽压力二次调整抽汽式CC主蒸汽压力/高压抽汽压力/低压抽汽压力C50-8.83/0.98/0.118背压式B主蒸汽压力/背压B50-8.83/0.98抽汽背压式CB主蒸汽压力/抽汽压力/背压CB25-8.82/0.98/0.118功率单位为MW；压力单位MPa；温度单位为℃第二节汽轮机本体结构和主要部件汽轮机本体：转动部分(转子)：动叶片、主轴和叶轮（转鼓）、联轴器、盘车装置静止部分（静子）：汽缸、隔板、轴承和汽封一、汽缸体、隔板、喷管组1、汽缸体基本结构汽轮机外壳。将蒸汽通流部分与大气隔开，形成蒸汽能量转换的封闭汽室。沿水平对分成上半缸和下半缸，上、下缸之间通过法兰螺栓连接。双层缸结构超高参数及以上汽轮机，高压缸多采用双层结构。采用单层缸,汽缸壁及法兰都很厚，在汽轮机启动、停机及工况变化时，汽缸与法兰、法兰与螺栓之间将因温差过大而产生很大的热应力，甚至使汽缸变形、螺栓拉断。采用双层缸，并在内、外缸的夹层中通以一定压力和温度的蒸汽。2、汽缸法兰和螺栓加热装置汽缸水平中分结合面的汽密性要求高，使高中压缸法兰宽、厚，螺栓紧固件尺寸大且排列紧密。汽轮机启停过程中，由温度差产生的热应力很大，严重时导致缸体变形、振动、裂纹、螺栓拉断。在机组启、停过程中对法兰和螺栓进行补充加热或冷却，以减小汽缸、法兰及连接螺栓间的温差，减小热应力，缩短机组启、停时间。3、隔板体和喷嘴组作用：固定静叶片，并将汽缸内分隔成若干个汽室。每一个隔板与其后面的叶轮组成一个级。汽轮机进汽部分：由蒸汽室到喷嘴室区域，是汽缸内承受蒸汽压力、温度最高的部分。为适当降低对汽缸体材料的要求，进汽部分大多独立制造。自动主汽门来的蒸汽，经蒸气室中的若干个调节汽门（调节进汽量以调节汽轮机功率），分别进入对应的喷嘴室内的喷嘴弧段。该级称为调节级。300MW汽轮机：喷嘴室布置在高压缸的内缸体上，调节阀为6个单座球形阀。蒸汽经6个调节阀的汽室后，导入高压内缸中的6组喷嘴。每个调节阀由单独的油动机控制，调节阀由抗燃油压驱动开启，靠压缩弹簧压力推动关闭。每3个调节阀与一个主汽阀组成一套调节供汽系统，分列于高压缸两侧。二、汽轮机主轴、叶轮和动叶片汽轮机由主轴、叶轮、动叶片和联轴器组成转动体，称为汽轮机的转子。汽轮机转子汇集各级动叶栅的机械能并传递给发电机。由轴承支持在汽缸体内高速旋转，承受汽流的冲击力、高速旋转的离心力和扭矩。1、汽轮机主轴和叶轮300MW及以上汽轮机组高、中压转子普遍采用整锻型。轴与叶轮体整锻结构，联轴器也与轴整体锻制。优点：结构紧凑，强度和刚度较高，消除了轴与叶轮体在热态下可能发生的松动问题。问题：加工精度要求高，工艺复杂，制造成本高。对生产设备要求较高，贵重材料消耗大。应用：大容量汽轮机高、中压转子。低压转子300MW及以上汽轮机组低压转子：蒸汽压力低，体积流量大，低压转子尺寸庞大，受到铸造工艺、材料性能和加工技术的制约，多采用焊接转子。一些中低压汽轮机，由于蒸汽压力低，温度低，功率小，多采用套装型转子。各级叶轮和主轴分别锻造，然后将加热的叶轮体逐级套装在主轴上。某些高压汽轮机转子或超高压汽轮机中压转子，采用组合式转子形式：高压高温段采用整锻结构，中低温段采用套装结构。套装转子转子的临界转速在汽轮发电机组启动和停机过程中，当转速达到某些数值时，机组发生强烈振动，而越过这些转速后，振动便迅速减弱。这些机组发生强烈振动时的转速称为转子的临界转速。转子有多个临界转速，分别称为一阶、二阶、三阶、…临界转速。机组在共振发生时，会导致动静部分摩擦、轴承损坏、主轴弯曲甚至断裂等重大事故。我国汽轮机的工作转速为n0=3000r/min。刚性转子——正常工作转速远低于一阶临界转速的转子。挠性（或柔性）转子——工作转速接近或超过转子的一阶弯曲临界转速的转子视为挠性转子。2、动叶片及动叶栅布置作用：构成汽流通道按叶型沿叶高的变化规律，叶片分为：等截面直叶片——截面积和叶型沿叶高相同扭曲叶片——截面积和叶型沿叶高按一定规律变化，叶片发生扭转。动叶栅动叶片通过叶根组装在叶轮体外缘上，承受汽流引起的弯应力、振动应力和自身重量产生的离心力。短叶片和中长叶片长在叶顶用围带连在一起，构成叶片组。为增强长叶片的刚度和抗振能力，长叶片每7~9只用高级合金连接件（拉金）串联成一组。三、汽轮机轴封和隔板汽封汽轮机静子和转子之间有间隙，为减小漏汽损失，设置汽封装置。1、汽轮机轴端汽封汽轮机转子穿出缸体两端处的汽封。防止机内高压蒸汽外泄，或外界空气漏入机内。2、隔板汽封做成弧状汽封块，嵌装在隔板体内。阻止蒸汽绕过喷嘴到隔板后面而造成能量损失。3、轴封系统为阻止低压侧空气漏入汽缸，并回收高压端泄露的蒸汽和利用漏汽的热量，汽轮机设置有轴封系统。机组冷态启动时，先用辅助蒸汽向轴封供汽。机组正常运行时，轴封用汽主要靠高中压缸轴封漏汽供给，多余蒸汽通过溢流阀至汽轮机疏水扩容器。四、联轴器和盘车装置联轴器作用：连接各转子；传递转子上的扭矩。形式：按照结构和特性，分为刚性联轴器、半挠性联轴器和挠性联轴器。盘车装置盘车装置——在汽轮机不进蒸汽时驱动转子以一定转速旋转的设备。作用：1）在汽轮机冲转前和停机后使转子转动，避免转子受热和冷却不均而产生热弯曲。2）启动前盘动转子，用来检查汽轮机是否具备正常启动条件。组成：盘车电机、离合器、减速齿轮。布置位置：通常布置在传动功率最大的汽轮机低压转子与发电机转子联轴器处的轴承旁。当汽轮机启动时，当蒸汽冲转转速超过盘车转速后，盘车自行脱扣，停止工作。五、汽轮机轴承和转子定位汽轮机转子靠轴承安装定位。支持轴承和推力轴承都是滑动轴承。滑动轴承的工作原理在两表面间建立稳定的油膜。支持轴承和推力轴承1、支持轴承作用：承担转子的重量及转子不平衡质量产生的离心力；确定转子的径向位置。2、推力轴承作用：承受转子上未平衡的轴向推力，并确定转子的轴向位置。第三节蒸汽在汽轮机“级”内的能量转换过程汽轮机内的蒸汽能量转换，是在轴向串联的各个级内分别完成的。蒸汽在静叶栅（喷嘴）和动叶栅内的流动规律和能量转换过程:一、蒸汽在喷管中的能量转换过程级的静叶片沿圆周向布置在隔板体上。隔板体分上下两半固定在汽缸内壁的环形槽道内。每相邻两静叶片之间形成一个蒸汽通道，即喷嘴。蒸汽在喷管中膨胀的热力过程由于蒸汽的粘性作用，使蒸汽最终在出口截面上获得的动能减小。绝热流动中摩擦产生的热量重新被蒸汽吸收。蒸汽在出口截面上实际流速偏小，实际焓值偏高。用喷嘴速度系数来反映喷嘴损失的大小。——喷嘴速度系数

二、蒸汽在动叶槽道内的流动特点和能量转换过程1、动叶栅的轮周速度u动叶栅平均直径上的轮周速度。2、蒸汽在动叶栅进出口的速度三角形蒸汽以实际绝对速度C1离开喷嘴，进入以轮周速度u旋转着的动叶栅入口。此时蒸汽进入动叶通道的相对速度为w1。动叶栅进出口速度三角形为：蒸汽以绝对速度c2离开动叶栅，这部分动能在动叶栅中没有转变为机械功，成为损失——余速损失3、级的反动度蒸汽以相对速度w1进入动叶栅，在其中流动并改变方向。若动叶通道通流面积不变，则动叶仅靠蒸汽汽流的冲击力旋转作功。若动叶通道通流面积逐渐减小，蒸汽将象在喷嘴中一样，压力、温度、焓值下降，流速、比体积增加。动叶在蒸汽的冲击力和反击力共同作用下工作。蒸汽在动叶通道中膨胀程度的大小，用级的反动度表示。蒸汽在动叶栅中的理想焓降与蒸汽在整个级中的滞止理想焓降之比。根据反动度大小，汽轮机级的类型：级的反动度反映了蒸汽在动叶栅中膨胀的程度。反动度越大，蒸汽在动叶中的理想焓降越大，则蒸汽对动叶栅的反动力也越大。

冲动级1）纯冲动级：=0工作特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向。结构特点：动叶叶型对称弯曲。2）带反动度的冲动级：=0.05~0.2

工作特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行，只有一小部分在动叶栅中进行。反动级

=0.5

工作特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度相同。结构特点：动、静叶片叶型基本相同4、蒸汽在动叶槽道内的能量转换过程对于纯冲动级：理想情况下蒸汽在动叶槽道进出口的相对速度w1、w2不变。实际上，因蒸汽粘性作用导致的摩擦和扰动，蒸汽在动叶槽道内将存在动叶损失。对于反动度>0的级：三、蒸汽作用于动叶栅上的力和级的轮周功率1、蒸汽作用于动叶栅上的力对于反动度>0的级，动叶栅所受的力有：汽流的冲击力、蒸汽在动叶槽道内膨胀加速的反作用力。此两力的合力，可分解为圆周方向的分力（切向力）和沿转子轴向的分力（轴向力）。切向力使汽轮机的转子旋转，对外输出机械功。2、级的轮周功率切向力与动叶栅平均直径上的轮周速度的乘积，称为级的轮周功率。是单位时间内汽流对动叶片上所做的功。四、级内损失和级的相对内效率1、级的内部损失蒸汽在级内的焓降，并不能完全转换成汽轮机的旋转机械功。（1）喷嘴损失：（2）动叶损失：（3）余速损失：除单级汽轮机和多级汽轮机的最末级外，余速损失都能被下一级部分再利用。1、级的内部损失（4）级内漏汽损失：隔板漏汽——由于隔板前后的压差、隔板与主轴的间隙而发生。叶顶漏汽——由于动叶前后的压差、叶顶与隔板外缘的间隙而发生（5）叶轮摩擦损失蒸汽与叶轮、蒸汽内部摩擦1、级的内部损失（6）部分进汽损失汽轮机的压力级为全周进汽。调节级喷嘴组直接装在汽缸体上。全部喷嘴出口截面占据的圆弧长与级的节圆直径圆弧之比，称作级的部分进汽度。鼓风损失：部分进汽的级中叶片在非工作弧段鼓风消耗机械能。斥汽损失：产生于装有喷嘴的进汽弧段内。1、级的内部损失（7）湿汽损失发生于在湿蒸汽区工作的级。部分蒸汽凝结成水珠后，不能膨胀作功；水珠需要高速蒸汽的带动而耗功；水珠撞击叶片，对叶轮产生制动。2、级的相对内效率蒸汽在实际工况下级内的有效焓降与级