《能源与动力装置》04 涡轮机

第4章涡轮机

第9章锅炉

第11章发电厂系统及其他动力装置系统：发电厂设备：涡轮机锅炉能源的转换与利用B：锅炉S：锅炉过热器T：汽轮机C：冷凝器P：水泵STCPB火力发电厂示意我国的能源状况一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，为世界第二大能源消费国一次能源产量为13.87亿吨标准煤煤炭产量13.8亿吨，居世界第1位原油1.67亿吨，居世界第5位天然气产量326.6亿m3，居世界第16位发电装机容量3.57亿kw，居世界第2位2002年我国能源状况目前：发电装机容量超过4亿千瓦，居世界第2位其中：水电占25%

火电占72%多

核电等约3%世界能源发展趋势（续）化石燃料峰值在2030年左右2060年可再生能源接近总能源消费量的一半PVPOWERPLANTLOWPOWERDENSITY!!!PVPOWERPLANT世界能源发展趋势（续）05,00010,00015,00020,00025,00019601970197519801985199019951999美元/人美国（人均PPP）日本韩国中国0.002.004.006.008.0010.0012.00吨标煤/人美国（人均能源消费）日本韩国中国未来我国能源需求预测2020年，我国一次能源需求值在25~33亿吨标煤之间，均值是29亿吨标煤煤炭：21~29亿吨石油：4.5~6.1亿吨天然气：1400~1600亿立方米发电装机容量：8.6~9.5亿千瓦，其中水电2.0~2.4亿千瓦2050年要达到目前中等发达国家水平，人均能源消耗应达3.0吨标煤以上，能源需求总量约为50亿吨标煤13我国能源面临的矛盾与挑战1、能源供需矛盾突出2、能源安全，尤其是石油安全问题凸现3、能源利用效率低下，节能任务十分艰巨4、环境污染严重，可持续发展面临较大压力能源形势对火力发电厂的要求经济：效率费用安全：稳定保护可靠环保：减排发电厂基本数据900MW机组日发电量=2160万度上网电价0.22元，日产值475.2万元使用电价0.5元，日销售额1080万元按10%利润额计，日利润108万日燃煤量：3240吨第四章

涡轮机涡轮机透平机汽轮机透平膨胀机燃气轮机水轮机火电厂的原动机驱动工作机火电厂的原动机船舶、飞机发动机能量回收制冷低温领域水电厂的原动机涡轮机构成图示本章内容（HIDE）：第一节概

述第二节级内能量转换过程及效率第三节多级汽轮机第四节汽轮机自动调节第五节燃气轮机第六节水轮机第一节概述一、火电厂基本概念（一）能量转换过程燃料化学能→蒸汽热能→机械能→电能（二）火电厂三大主机

锅炉：将燃料的化学能转变为蒸汽的热能

汽轮机：将锅炉生产蒸汽热能转化为转子旋转机械能

发电机：将旋转机械能转化为电能

第一节概述（三）汽轮机的分类按热力特性分类（即汽轮机型式）

凝汽式、背压式、调整抽汽式按主蒸汽参数分类低压汽轮机：小于1.47Mpa；中压汽轮机：1.96~3.92Mpa；高压汽轮机：5.88~9.81Mpa；

超高压汽轮机：为11.77~13.93Mpa；

临界压力汽轮机：15.69~17.65Mpa；超临界压力汽轮机：大于22.15Mpa；超超临界压力汽轮机：大于32Mpa

第一节概述二、汽轮机级的工作原理1、级的组成静叶栅动叶栅2、级的工作原理汽轮机低压转子（含动叶栅）汽轮机高压上缸（含静叶栅）3、级的通流部分热力过程曲线第一节概述0*0'1sh2p2p1p0*p0Δht*Δhn*Δh’bΔhb4、级的反动度5、蒸汽对动叶片产生的作用力冲动力、反动力冲动级、反动级第一节概述6、冲动级和反动级

纯冲动级

Ωm=0冲动级带反动度的冲动级

Ωm

=0.05~0.20

复速级反动级Ωm=0.5作业与思考（HIDE）

1.叙述汽轮机级的工作原理；

2.汽轮机的分类3.解释专业名词：级，反动度，冲动级，反动级，复速级；

4.画出级的热力过程曲线。

第一节概述第二节

级内能量转换过程及效率假设

蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动

蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动

本节内容蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程级的轮周效率和速度比级内损失和级效率第二节级内能量转换过程及效率一、蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程过程特点喷嘴固定不动蒸汽不对外作功与外界无热交换能量方程式h0*=h0

+0.5c02

=h1+0.5c12=h1*或h10*02shp1p0*p0Δhn*ΔhnΔhC0h0*h1t1h01、喷嘴出口汽流速度计算喷嘴出口的汽流理想速度第二节级内能量转换过程及效率喷嘴出口的汽流实际速度

0*02p1p0*p0h1Δhn*ΔhnΔhC0h0*h1t1h0喷嘴损失

喷嘴能量损失系数

2、喷嘴中汽流的临界状态临界状态：汽流速度等于当地音速时的流动状态能量方程式理想气体音速公式第二节级内能量转换过程及效率第二节级内能量转换过程及效率临界速度临界压力临界压力比:临界压力与初压之比AC1apρ3、喷嘴截面积的变化规律

喷嘴截面积与汽流速度c和马赫数Ma有关：第二节级内能量转换过程及效率汽流能够在喷嘴中加速的条件：（1）Ma<1：渐缩喷嘴（2）Ma>1：渐扩喷嘴（3）Ma=1：缩放喷嘴4、喷嘴流量计算喷嘴理想流量第二节级内能量转换过程及效率kg/s喷嘴流量曲线qmthqmcrεn=εcr

εn=1ACB喷嘴前后压力比临界流量喷嘴实际流量kg/s喷嘴流量系数:第二节级内能量转换过程及效率4、喷嘴流量计算喷嘴理想流量喷嘴流量曲线5、蒸汽在喷嘴斜切部分的流动第二节级内能量转换过程及效率ABD

ECFABCDEα1δ1p0p1(1)p1=p1b,p1>pcr斜切部分：导向(2)p1<pcr斜切部分：膨胀加速，汽流发生偏转蒸汽在级中的流动过程示意二、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程1、动叶进出口速度三角形进口相对速度：进汽角：α1β*2α*2β1c2uuc1w1w2β2α2二、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程1、动叶进出口速度三角形出口绝对速度：出口方向角：α1β*2α*2β1c2uuc1w1w2β2α22、动叶栅出口汽流相对理想速度p21*12shp1*p1Δhb*Δhbh1*h2t2‘h13、动叶出口相对实际速度动叶速度系数ψ：

经验系数，0.75-0.9轮周功:蒸汽通过级在动叶片上所作的有效机械功,wu轮周功率:单位时间内作出的轮周功,Pu1kg蒸汽的轮周功：4、轮周功和轮周功率5、动叶损失1*12shp2p1*p1Δhb*Δhbh1*h2t2‘h1动叶栅的能量损失系数点击看图HIDE4、动叶损失动叶栅的能量损失系数余速利用系数(=0~1)5、余速损失6、轮周功和轮周功率轮周功:蒸汽通过级在动叶片上所作的有效机械功,wu轮周功率:单位时间内作出的轮周功,Pu1kg蒸汽的轮周功：7、级的热力过程曲线级的轮周有效焓降0*01sh2p2p1p0*p0ΔhtΔhbδhbΣδhc2δhnΔh´u三、级的轮周效率和速度比1、级的轮周效率级的理想能量E0级的理想速度ca定义轮周功Wu或或提高ηu的关键:减少余速损失，即减小c2α1c2uc1w1=w2α2uc2α1uc1w1=w2α2uc2α1uc1w1=w2α2u2、级的速度比定义或不同级的最佳速度比:纯冲动级复速级反动级最佳速度比:使c2达到轴向排汽的速度比,四、级内其它损失和效率1、级内损失（1）叶高损失（端部损失）

定义喷嘴和动叶中与叶高有关的损失产生原因由汽道上下端面附面层内的摩擦损失和端部的二次流涡流所引起。（2）扇形损失产生原因：设计时以平均直径处参数为依据，而各种参数沿叶高是变化的。（3）叶轮摩擦损失

产生原因：摩擦；叶轮两侧汽室中的涡流运动。

（4）部分进汽损失‘鼓风’损失：无喷嘴弧段（摩擦引起）‘斥汽’损失：有喷嘴弧段（高速汽流排斥并加速停滞蒸汽引起）减少部分进汽度（5）漏汽损失隔板漏汽损失：隔板间隙叶顶漏汽损失：叶顶间隙

产生原因：压力差和间隙存在。（6）湿汽损失部分蒸汽凝结成水滴，减少作功蒸汽量水滴不作功，被高速汽流夹带前进，消耗轮周功水滴前进速度低于蒸汽速度，击打动叶及喷嘴背弧去湿措施齿形轴封各项损失比例新型叶片2、级的相对内效率和内功率实际热力过程曲线相对内效率内功率Go0*0'1sh2p2p1p0*p0Δht*ΔhnΔh’bΔhbδhbΣδhΣδhc2δhnΔhi级的有效焓降五、长叶片级等截面直叶片：一元流动模型长叶片（型线沿叶高变化的变截面叶片）：径向平衡法全三维设计‘弯扭叶片’长叶片不能按等截面直叶片进行设计：圆周速度相差很大造成的损失节距沿叶高变化很大造成的损失径向流动造成损失长叶片1（末级叶片实例）长叶片2第二节作业与思考(hide)写出喷嘴出口速度计算式：理想速度，实际速度，临界速度；叙述喷嘴截面积变化规律；写出喷嘴流量计算式：理想流量，实际流量；画出渐缩喷嘴的流量曲线；叙述蒸汽在喷嘴斜切部分的流动规律；画出动叶进出口速度三角形；写出喷嘴损失、动叶损失、余速损失的计算式；叙述级的轮周效率和速度比的关系；叙述汽轮机级内各种损失产生的原因；画出级的实际热力过程曲线；汽轮机的长叶片为什么必需采用扭叶片？第三节多级汽轮机一、多级汽轮机的特点内效率高每一级都能在最佳速度比附近工作单机功率大

可做成多排汽口，实现提高新蒸汽的参数，增加机组总进汽量。分类：冲动式、反动式现代多级汽轮机二、多级汽轮机的工作过程汽轮机动画演示三、中间再热式汽轮机1、采用中间再热循环的原因湿汽损失水滴侵蚀叶片排汽湿度增加新蒸汽参数提高2、中间再热的概念再热器3、中间再热对循环热效率的影响可提高或降低循环热效率最有利的中间再热压力：初压的(20~30)%

4、中间再热的不利影响汽轮机结构复杂，本体造价有所提高；系统复杂，管道布置复杂；汽轮机、锅炉运行方式复杂，调节系统要求高；四、多级汽轮机的损失1、前后端轴封的漏汽损失前后端轴封的采用：减少漏汽损失齿形轴封结构齿形轴封工作原理减少漏汽量的措施：减少齿隙面积A减少汽流速度C增大比容轴封示意图2、汽轮机进、排汽机构的压力损失进汽机构中的节流损失

进汽机构：主汽阀、调节阀、导汽管和蒸汽室进汽机构中节流所引起的压损中低压导汽管道的压损：排汽机构中的压力损失再热管道的压损：

123prp’0p’rp0pzrpcp’c考虑了进、排汽机构压损的再热机组热力过程线再热器3、机械损失定义：克服支持轴承、推力轴承的摩擦，带动主油泵和调速系统工作，消耗的功率

机械效率：机械损失五、汽轮机装置的效率和功率1、汽轮机的相对内效率、理想内效率p0p’0pcp’cΔhtΔhi2、汽轮机内功率无回热：有回热：3、汽轮机的轴端功率发电机输出功率：六、多级汽轮机的轴向推力1、轴向推力的构成作用在动叶片上的轴向力；作用在叶轮面上的轴向力；作用在轮毂上或者转子凸肩上的轴向力；作用在轴封凸肩上的轴向力。p0p1p2pd反动式：200～300T冲动式：40～80T2、轴向推力的平衡措施采用平衡孔设置平衡活塞采用多缸反向布置推力轴承所承担的轴向推力p0p1p2pd再热器七、提高汽轮机单机容量凝汽式汽轮机的功率:汽轮机的极限功率:单缸单排汽的汽轮机的最大功率

提高汽轮机单机容量的措施:提高新蒸汽的参数采用高强度低重度的合金材料采用多排汽口采用给水回热加热系统提高背压、采用双层叶片、采用低转速再热器600MW四缸四排汽汽轮机组BHPIP给水回热加热LP八、供热式汽轮机定义：能同时对外供电、供热的汽轮（热电联产）1、背压式汽轮机BG热用户特点：排汽参数高,整机理想焓降小进汽量等于排汽量(无回热)不能同时满足热电负荷要求（与凝汽式汽轮机并列运行）2、调节抽汽式汽轮机BTCG热用户特点：能同时满足热、电两负荷的要求流量及功率：D0DcDe3、供热式汽轮机的经济性汽轮机内效率对比：凝汽式：45%Q0Wi△QC(Qh)GT背压式：100%

调节抽汽式：45~100%视调整抽汽供热量定。Wi+Qh全厂效率分别为:40%,85%,40~85%九、汽轮机的凝汽系统及设备1、凝汽设备的作用

提高动力循环的热效率

循环热效率：提高ηth

的途径：提高Δht：

提高新蒸汽参数降低排汽压力排汽压力每降低2kpa，

循环热效率就可以提高约3.5%2、凝汽设备的组成及工作原理（水冷）凝汽器凝结水泵抽气器循环水泵GT3、最有利真空汽轮机功率增加与循环水泵耗功增加之差值最大时对应的机组真空0.003~0.007Mpa4、空冷机组排汽压力：0.01Mpa（水冷：0.005Mpa）冷却塔图示自然通风双曲线型冷却塔（滴水式）1－人字形支柱；2－风筒；3－淋水装置；4－储水池作业与思考1.多级汽轮机的损失有哪些？

2.叙述齿形轴封的工作原理；

3.定义(或用公式表示)：汽轮机的相对内效率，汽轮机的内功率，汽轮机的轴端功率，汽轮机的电功率；

4.叙述汽轮机轴向推力产生原因及平衡方法；

5.提高汽轮机单机容量的措施；

6.为什么要采用中间再热汽轮机？

7.为什么供热汽轮机的热效率比凝汽式汽轮机好？

8.叙述汽轮机凝汽系统的工作原理?

HIDE第四节汽轮机自动调节一、汽轮机调节系统需求任务：提供合格电力保护电厂自身安全

手段：蒸汽阀门控制要求：全工况控制：蒸汽参数和电网频率符合要求时，保证机组从空负荷到满负荷稳定运行变负荷响应：保证机组负荷变动的控制响应符合要求控制稳定性：满足负荷和频率控制稳定性极限工况控制：甩负荷时控制转速飞升量数量：负荷质量：电压、频率力矩M转速n蒸汽力矩Mt发电机反力矩M

enAnCnBACB

力矩与转速关系任务：提供合格电力——功、频控制转子运动方程牛顿第二定律ω—

汽轮机角速度Mt—蒸汽主力矩Me—发电机反力矩汽轮机外特性发电机外特性功频控制：移动汽轮机外特性，在一定转速下满足负荷要求(蒸汽力矩与电磁力矩平衡）二、汽轮机液压调节系统基本工作原理第四节汽轮机自动调节机械离心调速器长期连续稳定运行的要求很高。世界上最好的离心调速器是美国科罗拉多州的伍德沃德调控器公司(WoodwordGovernorCo.)的产品。汽轮机调速系统的构成（1）转速感受元件：离心调速器（2）传动放大机构：滑阀油动机（3）配汽机构同步器控制单元计算机液压系统控制执行液压机构控制对象汽轮机反馈液压反馈数字反馈出力给定同步器配汽机构示意图主蒸汽主汽门调节汽门喷嘴组汽轮机保护系统作用：

当机组调速系统发生故障或者运行工况危急到机组安全时，保护系统动作，实现紧急停机。组成：超速保护轴向位移保护低油压保护低真空保护三、液压调节系统的静态特性速度变动率（不等率）迟缓率（灵敏度）静态特性曲线的平移——同步器的作用单机运行：

零负荷调节、控制转速并网运行：二次调频机组启动：改变进汽量，调整空转转速同步器三、汽轮机数字电液调节系统(DEH)简介调节系统的发展过程液压（机械液压）调节系统功率—-频率模拟电液调节系统数字电液调节系统DEH简介

DigitalElectro-HydraulicControlSystem

两大新成果：计算机系统、高压抗燃油系统

特点：尺寸小、结构紧凑、调节质量大大提高

1、DEH调节系统的组成电子控制器：计算机、混合数模插件、接口和电源设备等

给定、接受反馈信号、逻辑运算发出控制指令操作系统：操作盘、图象站的显示器和打印机等提供运行信息、监督、人机对话和操作等服务

油系统：

EH油系统、润滑油系统执行机构：伺服放大器、电液转换器和具有快关、隔离、逆止装置的单侧油动机组带动高中压主汽阀、高中压调节阀保护系统：

6个电磁阀

关闭高中压调节阀；危急遮断和手动停机其他：测量元件等实物图DEH调节系统图示2、DEH调节系统的功能

汽轮机自动程序控制（ATC）功能优化启停

汽轮机的负荷自动调节功能调节阀调节汽轮机自动保护功能

超速保护（OPC）：3030rpm

危机遮断控制（ETS）：3030~3300rpm机械超速保护和手动脱扣：>3300rpm

机组和DEH系统的监控功能CRT画面3、DEH调节系统的运行方式（1）二级手动

模拟系统控制方式，最低级的运行方式备用

（2）一级手动

开环运行方式，由运行人员按键控制阀门开度

二级手动一级手动操作员自动汽轮机自动(ATC)互相跟踪、无扰切换。硬手操

3、DEH调节系统的运行方式（3）操作员自动DEH调节系统的最基本的运行方式

设有完全相同的A和B双机系统，双机容错目标转速和目标负荷及其速率，均由操作员给定

（4）汽轮机自动（ATC）

最高一级运行方式。转速和负荷及其速率，都是由计算机程序或外部设备进行控制。4、DEH调节系统的控制模式主汽阀（TV）控制模式

主汽阀自动方式

(数字系统控制方式)主汽阀手动方式模拟系统控制方式主汽阀自动控制ATC操作员自动控制OA

4、DEH调节系统的控制模式调节阀（GV）控制模式调节阀自动方式(数字系统控制方式)操作员自动控制方式（OA）

汽轮机自动控制方式（ATC）

遥控方式（REMOTE）

电厂计算机控制方式（PLANTCOMP）

电厂限制控制方式调节阀手动方式(模拟控制方式)

两种控制方式的应用:主汽阀控制模式:冷态启动开始阶段(转速达96%额定转速之前)调节阀控制模式:冷态启动后期(96%额定转速之后)并网带负荷阶段第五节燃气轮机一、燃气轮机简述构成：

进气道、压气机、燃烧室、动力输出机构

辅助系统燃气发生器1、航空燃气轮机动力输出方式：尾喷管输出方式（1）涡轮喷气发动机（2）涡轮风扇发动机（3）涡轮螺旋桨发动机涡轮冲压发动机2、地面燃气轮机动力输出方式：涡轮轴功率输出方式分类：单轴、双轴用途：发电、船舶、机车、汽车、坦克;石油、天然气加压站的动力机械直生飞机3、燃气轮机的特点与内燃机相比：优点：单机功率较大重量轻、体积小；启动快；排气污染小；缺点：油耗高制造成本高与汽轮机相比：优点：装置简单、紧楱、重量轻、体积小；启动快，带负荷快；不需大量冷却水缺点：单机功率较小效率较低运行寿命短。二、简单燃气轮机装置和热力循环等压循环布雷顿循环12‘3‘4‘234理想：1-2‘-3’-4‘-1实际：1-2-3-4-1二、简单燃气轮机装置和热力循环整个理想循环单位质量工质所作的功

等熵膨胀功与等熵压缩功之差简单燃气机循环热效率ε=p2/p1—增压比K—等