汽轮机原理综述

1汽轮机原理

Principleofsteamturbine广东工业大学能源工程系

GDUT

Dept.ofEnergyEngineering2第三章多级汽轮机3-1多级汽轮机的工作过程3-2多级汽轮机的损失及汽轮机装置效率3-3多级汽轮机的轴向推力3第三章多级汽轮机本章主要讨论多级汽轮机中蒸汽的进、排汽损失，轴向推力以及轴封系统等问题。4汽轮机采用多级的原因运行经济性要求：降低损失、提高效率；提高单机功率。制造方面要求：生产成本；安全。5673-1多级汽轮机的优越性及其特点1．多级汽轮机的循环热效率大大提高2．多级汽轮机的相对内效率明显提高（1）级汽轮每一级承担的焓降不大，各级都在最佳速比附近工作。（2）余速动能可以全部或部分地被下一级利用。（3）当级的焓降较小时，根据最佳速比的要求，可减小级的平均直径，增加叶栅高度，减小叶端部损失。（4）多级汽轮机具有重热现象。3．多级汽轮机单位功率的投资大大减小一、多级汽轮机的特点82-1多级汽轮机的优越性及其特点（1）增加了一些附加的能量损失，如隔板漏汽损失、湿汽损失等。（2）由于级数多，相应地增加了机组的长度和质量。（3）由于新蒸汽和再热蒸汽温度的提高，多级汽轮机高中压缸前面若干级的工作温度较高，故对零部件的金属材料要求高了。（4）级数增加，零部件增多，使多级汽轮机的结构更为复杂。

二、多级汽轮机存在的问题

然而，多级汽轮机的优越性远大于其存在的不足，故在工业中得到了广泛的应用。9三、重热现象和重热系数

在h—s图上的两条等压线之间的距离（焓降）是随着熵的增加而增加的。这样一来，前一级的损失造成的熵增，能使后一级的理想焓降增加。即前一级的损失，加热了蒸汽本身，使后一级的进汽温度升高，即在后一级得到了利用——这就是多级汽轮机的重热现象。重热现象x＝１pvThsx10ΔhmactΔht’1Δht’2Δht’3Δht’4Δht，2Δht，3Δht，4Δhi，1Δhi，2Δhi，3Δhi，4Δhmaci三、重热现象和重热系数无损失和有损失时的理想焓降分别为：11三、重热现象和重热系数由于重热现象而增加的理想焓降占汽轮机理想焓降的比例称为重热系数。对于凝汽式汽轮机，为0.04～0.08之间。12三、重热现象和重热系数重热系数的影响因素：1)级数：级数多，α大；2)各级内效率有关：级内效率低，则α大；3)各级的初参数：过热区α大，湿汽区α小。这里，决不能误认为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。ΔhmactΔht’1Δht’2Δht’3Δht’4Δht，2Δht，3Δht，4Δhi，1Δhi，2Δhi，3Δhi，4Δhmaci13三、重热现象和重热系数全机有效比焓降：则全机的相对内效率为：各级平均的相对内效率：从以上分析可知，重热现象使全机的相对内效率高于各级平均的相对内效率。但并不是说α越大，全机的效率就越高。ΔhmactΔht’1Δht’2Δht’3Δht’4Δht，2Δht，3Δht，4Δhi，1Δhi，2Δhi，3Δhi，4Δhmaci14四、多级汽轮机各级段的工作特点1．高压段 工作蒸汽的压力、温度很高，比体积较小，通过该级段的蒸汽容积流量较小，所需的通流面积也较小。要求1小。 在冲动式汽轮机的高压段，级的反动度一般不大，各级焓降不大，焓降的变化也不大。 可能存在的级内损失有：喷嘴损失、动叶损失、余速损失、叶高损失、扇形损失、漏汽损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失等。 综上所述可以看出，高压段各级的效率相对较低。15四、多级汽轮机各级段的工作特点2．低压段

容积流量大，通流面积大，叶片高度大。α1取得大。级的反动度大：以保证叶片根部不出现负反动度；低压级的比焓降较大，尽可能利用渐缩喷嘴斜切部分的膨胀，增大级的反动度，保证动叶内有足够大的比焓降。低压级段叶轮直径大，圆周速度大。为了保证有较高的级效率，各级均应在最佳速度比附近工作，则相应的理想比焓降将明显增大。余速损失大、湿汽损失大、漏汽损失小、叶轮摩擦损失小、没有部分进汽损失。16四、多级汽轮机各级段的工作特点3．中压段

蒸汽比容适中，有足够的叶片高度，叶高损失较小；一般为全周进汽，没有部分进汽损失。漏汽损失较小，叶轮摩擦损失也较小，也没有湿汽损失。 中压各级的级内损失较小，效率要比高压级和低压级都高。173-2多级汽轮机损失和装置效率一、进汽阀门节流损失二、排汽管阻力损失三、多级汽轮机的热力过程线四、漏汽损失18

汽轮机必须有进汽机构和排汽管道。进汽机构由主汽阀、调节阀、导汽管和蒸汽室组成。排汽机构是一个扩散形的排汽管所构成。蒸汽通过汽轮机进、排汽机构时，由于摩擦和涡流的存在，会使压力降低，形成损失。19一、进汽阀门节流损失

进入汽轮机工作级前必须先经过主汽阀、调节阀和蒸汽室。蒸汽通过这些部件时就会产生压力降，主汽阀和调节阀最为严重。蒸汽通过汽阀的热力过程是一个节流过程，即蒸汽通过汽阀后虽有压力降落，但比焓值不变。20一、进汽阀门节流损失

损失与汽流速度、阀门型式、汽阀型线以及汽室形状等因素有关。 设计时一般总让蒸汽流过主汽阀、蒸汽管道等的速度小于40～60m/s，使其压力损失控制在p0=p0-p‘0=(0.03-0.05)p0。对于设计良好的机组，此值可小于0.03。为了减小进汽阀门节流损失，限制蒸汽流速是一个办法，但还不是根本的办法。近代汽轮机普遍采用带扩压管的单座阀。21二、排汽管阻力损失

蒸汽在排汽管中流动时，由于存在摩擦、涡流等产生的阻力，造成蒸汽的压力降落。这部分蒸汽压降并没有做功，形成损失，称为排汽管阻力损失。22二、排汽管阻力损失

排汽管阻力损失pc的大小取决于排汽管中的汽流速度，排汽部分的结构型式，以及排汽管的型线好坏等，一般可用下式估算：式中λ——排汽管的阻力系数；cex——排汽管中的汽流速度，m/s；pc——凝汽器内的蒸汽压力，kPa。23二、排汽管阻力损失三种情况：排汽管有扩压作用阻力系数为负值；蒸汽在排汽管中有较大的损失，此种情况下λ为正值；特例，即最末级级后压力等于凝汽器压力，蒸汽在排汽管中压力既没有回升，也没有损失，阻力系数λ等于零。24二、排汽管阻力损失25多

级

汽

轮

机

的

热

力

过

程

线26四、轴封及其漏汽损失汽轮机级内漏气部位： 隔板和主轴的间隙处； 动叶顶部与汽缸(或隔板套)的间隙处； 高压端或高中压缸的两端； 主轴穿出汽缸处； 外界气体漏入低压缸内。漏气危害： 使汽轮机的效率降低； 增大凝结水损失； 主轴穿出汽缸处有空气漏人汽缸使机组真空恶化，增大抽气器的负荷。27四、轴封及其漏汽损失防止漏气措施： 采用齿形曲径轴封。 高压段(或高中压缸)常采用高低齿曲径轴封； 低压段(或低压缸)常采用平齿光轴轴封。28一、曲径轴封(一)曲径轴封的工作原理轴封形状 可看成是由许多狭小通道及相间的小室串联而成，从侧面看上去，即为许多环形孔口和环状汽室。29芬诺曲线芬

诺

曲

线30(一)曲径轴封的工作原理

减小轴封漏汽间隙方可减小漏汽量，提高机组效率。但轴封间隙占又不能太小，以免转子和静子受热或振动引起径向变形不一致时，轴封片与主轴发生碰摩，造成局部发热和变形。轴封间隙方一般取0.3～0.6mm，精密度高的机组可取为0.25～0.45mm。31(二)曲径轴封漏汽量计算2、假定轴封各齿隙的面积都相同。 蒸汽在轴封间隙中的最大速度是临界速度，这一速度只可能在轴封最后一齿中达到。这样，蒸汽在轴封间隙中的流动可能产生两种情况：两个假设：1、蒸汽在封间隙中流动和简单渐缩喷嘴流动相似；（1）蒸汽在轴封各齿隙中的流动均小于临界速度；（2）蒸汽在轴封最后一齿隙中达到临界速度，而在以前各齿中其汽流速度均小于临界速度。321.最后一片轴封孔口处流速未达临界速度

现在来考察任一轴封间隙，环形孔口前后的压差用Δp表示，由于Δp很小，蒸汽通过孔口时比容变化不大，因此可近似地作为不可压缩流体来考虑，则通过其间隙的漏汽量为式中：Al为轴封孔口漏汽面积；ρx为环形汽室工处的蒸汽密度；μl为轴封孔口漏汽流量系数。芬诺曲线331.最后一片轴封孔口处流速未达临界速度341.最后一片轴封孔口处流速未达临界速度

考虑到通过每片轴封的流量Gl相等，环形孔口的面积Al相同，同时，环形汽室中的蒸汽状态在一条等比焓线上，根据伯努利方程，对于环形汽室则有：Px-1越低，则Δp大，Δh大，结论与基本原理一致。35当有z片轴封时

则通过环形孔口的漏汽量为（适用于环形空口间隙未达临界速度）：1.最后一片轴封孔口处流速未达临界速度积分zzz362.最后一片轴封孔口处的流速已达临界速度

在轴封孔口处如果有达到临界速度的地方，那么必定是在轴封最后一片孔口处。

根椐喷嘴临界流量公式，当最后一片轴封孔口流速达到临界速度时，轴封漏汽量Gl.c为（假设进口流速为0）：372.最后一片轴封孔口处的流速已达临界速度

对于最后一片轴封孔口以前的各片孔口，应按亚临界条件下计算公式计算（2-45）：由连续性条件得：382.最后一片轴封孔口处的流速已达临界速度

由于多片轴封孔口的节流作用，蒸汽在曲径轴封的出口处，一般总是过热的，故可将k＝1.3代人上式得：392.最后一片轴封孔口处的流速已达临界速度若最后一片轴封孔口的流速达到临界速度，则其压力比为：在最后一片轴封是否出现临界状态的判别式：402.最后一片轴封孔口处的流速已达临界速度当最后一片轴封孔口流速达到临界速度时：

当轴封前蒸汽状态p0、ρ0，轴封后压力pz，轴封片数z，轴封环形孔口面积A1以及轴封流量系数μ1已知时，就可进行曲径轴封漏汽量的计算。41漏汽量计算公式汇总最后轴封孔口未达到临界状态最后轴封孔口达到临界状态z423.轴封孔口流量系数

在曲径轴封漏汽量计算的讨论中，蒸汽通过轴封孔口的流速是用渐缩喷嘴的流速公式来计算的，但实际上轴封孔口和渐缩喷嘴有一定的差异，因此，应通过试验求取轴封孔口漏汽的流量系数μ1，以便对上述计算进行修正。 试验所得的轴封孔口流量系数μ1与轴封齿的形状及几何参数有关，可由图查得。433.轴封孔口流量系数平齿光轴轴封修正在平齿光轴轴封漏汽量计算中，要在前述曲径轴封漏汽量计算结果的基础上，乘上一个修正系数k1、k1之值可根据光轴轴封尺寸δ/s和轴封片数z由图查得。444.计算曲径轴封漏汽量的单一表达式曲径轴封漏汽量也可用一种单一表达式来表示（类似于1-22a的经验公式），即：ΔG‘1.c≠ΔG1.c,ΔG‘1.c=0.667μ1A1sqrt（p0ρ0），p0、ρ0表示整个轴封前的蒸汽压力与密度，β1称为轴封漏汽量比。454.计算曲径轴封漏汽量的单一表达式当轴封最后一片孔口处流速未达临界速度时，由2-45得轴封漏汽量比β1为当轴封最后一片孔口处流速达临界速度时，β1值只与轴封片数z有关，其值为：464.计算曲径轴封漏汽量的单一表达式根据以上两个公式，绘出β1与z、pz/p0的关系曲线，通过查图β1

，即可直接计算轴封漏气量而不必事先判断。47五、轴封系统1.轴封系统实例48二、轴封系统2.轴封系统的功能特点(1)轴封汽的利用(2)低压低温汽源的应用(3)防止蒸汽由端轴封漏入大气(4)防止空气漏入真空部分49五、汽轮机装置的评价指标1、汽轮机的相对内效率

在汽轮机中，由于能量转换存在损失，只有蒸汽的有效比焓降降himac转换成有用功，而有效比焓降himac小于理想比焓降htmac，两者之比称为汽轮机的相对内效率:相应地，汽轮机的内功率Pi为式中：D0和G0是分别以t/h和kg/s为单位的汽轮机进汽流量50五、汽轮机装置的评价指标2、机械效率

汽轮机在运行中，需克服径向轴承和推力轴承的摩擦阻力，同时还要带动主油泵和调速器，这些都要消耗一部分功率，统称为汽轮机的机械损失。考虑了机械损失后，汽轮机联轴器端的输出功率(轴端功率)Pe显然要小于汽轮机的内功率Pi，两者之比即为汽轮机的机械效率ηm，可表示为:51五、汽轮机装置的评价指标3、发电机效率 Pg为发电机损失，包括发电机的机械损失(机械摩擦和鼓风等)和电气损失(电气方面的励磁、铁心损失和线圈发热等)。

考虑了发电机的机械损失和电气损失后，发电机出线端的功率Pel要小于汽轮机的轴端功率Pe，两者之比即为发电机效率ηg，可表示为52五、汽轮机装置的评价指标4、汽轮发电机组的相对电效率

在lkg蒸汽所具有的理想比焓降中有多少能量最终被转换成电能，称为汽轮发电机组的相对电效率。53五、汽轮机装置的评价指标5、汽轮发电机组的绝对电效率

对加给每千克蒸汽的热量最终转变成电能的份额称为绝对电效率：

当考虑发电厂整个热力循环时，若以蒸汽热量作为输入能量，以汽轮发电机组发电功率作为输出能量所得到的一组效率称为绝对效率。当以汽轮机的理想焓降为输出能量时，所得到的效率称为循环热效率：546、汽耗率—机组每生产1KWh电能所消耗的蒸汽量

对于初终参数不同的汽轮机，即使功率相同，但它们消耗的蒸汽量却不同，所以就不能用汽耗率来比较其经济性，对于供热式汽轮机更是如此。也就是说，汽耗率不适宜用来比较不同类型机组的经济性，而只能对同类型同参数汽轮机评价其运行管理水平。五、汽轮机装置的评价指标557、热耗率——机组每生产1KWh电能所需的热量对于中间再热机组，热耗率q[kJ/(kW.h)]为式中D0--汽轮机组的新蒸汽流量，t/h；

Dr----再热蒸汽流量，t/h；

h'r----再热蒸汽初比焓，kJ/kg；

hr----高压缸排汽比焓，kJ/kg。五、汽轮机装置的评价指标56

从上述可知，热耗率q和绝对电效率ηel都是衡量汽轮发电机组经济性的主要指标，一个以热量形式表示，另一个以效率形式表示。额定功率(MW)ηiηmηgηeld[kg/(kW.h)]q[kJ/(kW.h)]0.75～60.76～0.820.965～0.9850.93～0.960.284.91298012～250.82～0.850.985～0.990.965～0.9750.30～0.334.7～4.12140～1088050～1000.85～0.87～0.990.98～0.9850.37～0.393.7～3.59630～9210125～2000.87～0.880.990.985～0.990.42～0.433.2～3.08500～8370300～6000.885～0.900.990.985～0.990.44～0.463.2-2.98100～7810600≥0.900.990.985～0.990.463.278007、热耗率五、汽轮机装置的评价指标573-3多级汽轮机的轴向推力一、多级汽轮机的轴向推力

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。在一般情况下，作用在一个冲动级上的轴向推力由4部分所组成：58一、多级汽轮机的轴向推力1、作用在动叶上的轴向推力Gl1592、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，Pd为叶轮前的压力。

计算的关键是确定Pd(漏汽平衡方程)：动叶根部既不漏汽也不吸汽:Gl2=Gl1动叶根部漏汽：Gl2=Gl1+Gl3动叶根部吸汽:Gl2=Gl1-Gl3Gl160一、多级汽轮机的轴向推力3、转子凸肩上的轴向力一般很小。总的轴向推力：611.采用平衡孔平衡轴向推力

在叶轮上开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。

2.设置平衡活塞

如图所示，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P0

降为Px。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Fz

方向相反，起到了平衡作用。二、轴向推力的平衡方法在多级汽轮机中，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40~80T。这样大的轴向推力是推力轴承所不能承受的。常见的轴向推力平衡办法有：624.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。推力轴承所承担的轴向推力为：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。为了安全起见，核算推力轴承时，其安全系数应大于1.5~1.7。

5.反动式转鼓63概念：轴承是汽轮机的一个重要组成部件，承受转子的重量和未平衡的轴向推力。有支持轴承和推力轴承两种类型。支持轴承作用：支持转子的重量并确定转子在汽缸中的径向位置；推力轴承作用：承担转子上未平衡的轴向推力并确定转子在汽缸中的轴向位置。汽轮机的轴承都采用以液体摩擦为理论基础的轴瓦式滑动轴承。轴承646566676869思考