动力工程-汽轮机

第四章汽轮机12/29/20231动力工程－汽轮机第一节汽轮机的一般概念汽轮机又称“蒸汽透平SteamTurbine”,是一种以水蒸气作为工质的叶轮式发动机。优点：转速高、运行平稳、工作可靠、单机功率大、热经济性高，便于与发电机直接连接等。用途现代火电厂、核电厂、大型船舶等。作用将蒸汽的热能转变为机轴上的机械能。12/29/20232动力工程－汽轮机汽轮机简图12/29/20233动力工程－汽轮机一、汽轮机的工作原理1轴2叶轮3动叶栅4喷嘴单级冲动式汽轮机工作原理结构立体图

“级”是汽轮机中最基本的工作单元。在结构上它是由静叶（喷嘴）和对应的动叶所组成；一列固定的喷嘴和与它配合的动叶片构成了汽轮机的基本作功单元，称为汽轮机的“级”。12/29/20234动力工程－汽轮机一.汽轮机的工作原理汽轮机内的能量转换一定压力和温度的蒸汽流经固定不动的喷嘴，并在其中膨胀，蒸汽的压力、温度不断降低，速度不断增加，使蒸汽的热能转化为动能蒸汽热能气流的动能轴的机械能喷嘴动叶12/29/20235动力工程－汽轮机喷嘴与动叶动画00:0512/29/20236动力工程－汽轮机（一）冲动作用原理冲动力的定义：根据力学知识，当一运动物体碰到另一个静止的物体或者运动速度低于它的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小或方向，同时给阻碍它的物体的一个作用力特点：蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机械功，蒸汽在动叶通道中不膨胀，动叶通道不收缩12/29/20237动力工程－汽轮机基本工作原理视频3:0512/29/20238动力工程－汽轮机从作用力方面分析原理

喷嘴出口处：蒸汽以相对速度w1进入动叶通道，由于受到动叶的阻碍，汽流方向不断改变，最后以相对速度w2流出动叶通道，在流道中蒸汽对动叶产生一个轮周方向的冲动力F1，该力对动叶作功使动叶转动

蒸汽流过无膨胀动叶通道时速度的变化12/29/20239动力工程－汽轮机反动力定义：蒸汽在动叶汽道内膨胀时对动叶的作用力。根据动量守恒定律，当气体从容器中加速流出时，要对容器产生—个与流动方向相反的力。基本特点：蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向，而且还要膨胀加速，从结构上看动叶通道是逐渐收缩的。（二）反动作用原理12/29/202310动力工程－汽轮机从作用力方面分析原理蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力降低，速度增加一方面通过速度方向的改变，产生冲动力F1蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低，所产生的焓降转化为动能造成动叶出口的相对速度w2大于进口相对速度w1，使汽流产生了作用于动叶上的与汽流方向相反的反动力Fr。在蒸汽的冲动力和反动力合力作用下推动动叶旋转作功。动叶通道是逐渐收缩的12/29/202311动力工程－汽轮机12/29/202312动力工程－汽轮机汽轮机的基本作功单元－“级”能量转换的主要部件是一组喷管和一圈动叶，由它们组合而成的工作单元，称为汽轮机的一个“级”。12/29/202313动力工程－汽轮机第二节汽轮机级内的工作过程12/29/202314动力工程－汽轮机级内的汽流12/29/202315动力工程－汽轮机一、蒸汽在喷管内的能量转换蒸汽在喷管内的流动过程，理想情况下是等熵膨胀过程，实际是不可逆的绝热膨胀过程。喷管损失：12/29/202316动力工程－汽轮机二、蒸汽在动叶内的能量转换单级汽轮机速度三角形12/29/202317动力工程－汽轮机12/29/202318动力工程－汽轮机动叶内的损失由于摩擦等损失，动叶内的汽流速度会降低－动叶损失余速损失动叶损失12/29/202319动力工程－汽轮机12/29/202320动力工程－汽轮机反动级反动度为0.5的级。反动级动叶出口的蒸汽理想相对速度12/29/202321动力工程－汽轮机反动级的特点在保持最高效率的前提下，反动级可以转换的蒸汽焓降约为冲动级的一半。因而，同等容量的反动式结构汽轮机总级数要比冲动式结构汽轮机的总级数大致多一倍。反动式汽轮机的特点：级数多、制造工艺要求高、造价高。效率较高。12/29/202322动力工程－汽轮机轮周功率根据动量定理 若蒸汽流量为D

kg/s，则汽流作用于动叶上的圆周力为此圆周力在每秒钟内所作之功，称为“轮周功率”12/29/202323动力工程－汽轮机速度级:为使充分利用余速，在两列动叶之间装设—列导向叶片，排汽经过导向叶片后改变方向，进入第二列动叶继续作功。这种级称为速度级。复速级：同一叶轮上装有两列动叶片的双列速度级，又称为复速级。工作特点：蒸汽主要在喷嘴中膨胀加速：动叶通道和导向叶片通道中基本不膨胀，焓降大、效率较低。用于单级汽轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。3)复速级12/29/202324动力工程－汽轮机第三节多级汽轮机12/29/202325动力工程－汽轮机汽轮机装置现代汽轮机，由于采用越来越高的蒸汽初参数和很低的排汽压力，整机的理想焓降都很大，为了有效利用蒸汽的焓降，汽轮机大都采用多级形式（压力多级、速度多级）。12/29/202326动力工程－汽轮机压力多级汽轮机的应用所谓压力多级汽轮机，就是蒸汽从很高的初压膨胀到很低的终压，是在很多个压力级内分段依次进行的，也就是把蒸汽的总焓降分配给若干个压力级来进行，每个压力级都有自己的喷嘴和动叶，整台汽轮机就像由若干台单级汽轮机串联起来一样。这种压力多级汽轮机的各项损失都比较小，其效率一般要比速度多级汽轮机高得多；因此，现代大、中型汽轮机几乎无所例外地都采用压力多级得结构型式，其级数可根据功率需要确定，一般以10级以上者较为多见。12/29/202327动力工程－汽轮机多级汽轮机的剖面12/29/202328动力工程－汽轮机12/29/202329动力工程－汽轮机12/29/202330动力工程－汽轮机二.汽轮机的分类按工作原理分冲动式汽轮机反动式汽轮机按热力特性分凝汽式汽轮机背压式汽轮机调节抽汽式汽轮机中间再热式汽轮机12/29/202331动力工程－汽轮机凝汽式汽轮机特点：在汽轮机中作功后的排汽，在低于大气压力的真空状态下进入凝汽器凝结成水。12/29/202332动力工程－汽轮机背压式汽轮机特点：是排汽直接用于供热，没有凝汽器。当排汽作为其它中低压汽轮机的工作蒸汽时，称为前置式汽轮机。抽汽背压式12/29/202333动力工程－汽轮机调节抽汽式汽轮机特点：从汽轮机某级后抽出具有一定压力的蒸汽对外供热，其余排汽仍进入凝汽器。中间再热式汽轮机特点：进入汽轮机的蒸汽膨胀到某一压力后，被全部抽出送往锅炉的再热器进行再热，再返回汽轮机继续膨胀作功。12/29/202334动力工程－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>3212/29/202335动力工程－汽轮机ΔXX-XX-XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：N300-16.7/537/537-2型汽轮机

300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为537ºC,再热蒸汽温度537ºC,中间再热凝汽式汽轮机，属第二次变型设计三.

汽轮机的型号12/29/202336动力工程－汽轮机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12/29/202337动力工程－汽轮机汽轮机型号中蒸汽参数表示法型

式参数表示方法示例凝汽式主蒸汽压力/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抽汽式主蒸汽压力/高压抽汽压力/低压抽汽压力C50-8.83/0.98/0.118背压式主蒸汽压力/背压B50-8.83/0.98抽汽背压式主蒸汽压力/抽汽压力/背压CB25-8.83/0.98/0.11812/29/202338动力工程－汽轮机第四节汽轮机的效率和功率12/29/202339动力工程－汽轮机一、汽轮机的内部损失汽轮机运行时，在它的每个级内，都不可避免地有各种级内的能量损失。包括喷管损失动叶损失余速损失叶轮摩擦损失叶片鼓风损失级内漏汽损失湿气损失，等12/29/202340动力工程－汽轮机余速损失中间级的余速可能被下一级加以利用。12/29/202341动力工程－汽轮机叶轮摩擦及叶片鼓风损失叶轮两侧表面与周围的蒸汽（非工作汽流）发生摩擦，消耗一部分机械功。没有工作汽流的叶片，对周围非工作蒸汽鼓风作用，消耗掉的部分机械能。12/29/202342动力工程－汽轮机12/29/202343动力工程－汽轮机12/29/202344动力工程－汽轮机级内漏汽损12/29/202345动力工程－汽轮机12/29/202346动力工程－汽轮机6．湿汽损失湿蒸汽引起的有用功损失，称为湿汽损失。蒸汽由于凝结成水使作功量减少高速的蒸汽带动低速的水珠而消耗一部分动能水珠进入动叶时撞击在进口处的动叶片背弧上，阻止叶轮旋转安全上，动叶会被湿汽冲蚀损坏12/29/202347动力工程－汽轮机12/29/202348动力工程－汽轮机12/29/202349动力工程－汽轮机12/29/202350动力工程－汽轮机级的相对效率通常用级的相对内效率表示蒸汽在某级内膨胀的完善程度12/29/202351动力工程－汽轮机二、汽轮机的各种效率以及功率的确定汽轮机的相对内效率是衡量整台汽轮机内部构造完善程度的指标。它越大，表明损失越小。一般：78～90％12/29/202352动力工程－汽轮机汽轮机的内部功率D—汽轮机的总汽耗量，kg/hP0—汽轮机的理想功率12/29/202353动力工程－汽轮机轴功率&电功率Pe

—轴功率Pel

—电功率12/29/202354动力工程－汽轮机电效率发电机所发出的电功率与汽轮机总的热耗量之比，称为汽轮发电机组的电效率hel12/29/202355动力工程－汽轮机汽轮发电机组的汽耗率汽轮发电机组每发出1kW.h电能所消耗的蒸汽量，称为该汽轮发电机组的汽耗率12/29/202356动力工程－汽轮机第六节汽轮机本体结构实例12/29/202357动力工程－汽轮机一、多级汽轮机概述东方汽轮机厂生产的双缸双排汽300MW汽轮机纵剖面

12/29/202358动力工程－汽轮机哈尔滨汽轮机厂四缸四排汽600MW反功式汽轮机纵剖面12/29/202359动力工程－汽轮机东方汽轮机厂东汽600MW～1000MW系列空冷机组亚临界两排汽机组纵剖面图亚临界四排汽机组纵剖面图12/29/202360动力工程－汽轮机东方汽轮机厂东汽600MW～1000MW系列空冷机组超临界四排汽机组纵剖面图超临界两排汽机组纵剖面图12/29/202361动力工程－汽轮机ALSTOM12/29/202362动力工程－汽轮机三菱重工12/29/202363动力工程－汽轮机东汽超超临界1000MW汽轮机12/29/202364动力工程－汽轮机多级汽轮机的热力过程线汽轮机的相对内效率教材勘误！12/29/202365动力工程－汽轮机（一）多级汽轮机的效率大大提高在设计工况下每一级都在最佳工况附近工作余速动能可以全部或部分的被下一级利用在容积流量相同的条件下由于直径较小因而叶高损失减小，喷嘴流动效率较高蒸汽初参数可大大提高，排汽压力降低，采用回热循环和中间再热循环，所以多级汽轮机的循环热效率高二.多级汽轮机的特点12/29/202366动力工程－汽轮机单机功率大。单位功率汽轮机组的造价、材料消耗和占地面积减小。（二）多级汽轮机单位功率

的投资大大减小12/29/202367动力工程－汽轮机（三）多级汽轮机存在的问题增加了一些附加损失，如隔板漏汽损失；增加了机组的长度和质量；对零件的金属材料要求提高；级数增加，结构更加复杂。总体上讲：多级汽轮机远优于单级汽轮机。多级汽轮机由于具有效率高、功率大、投资小等突出优点而得到广泛应用。12/29/202368动力工程－汽轮机第七节

汽轮机的调节系统及保护装置12/29/202369动力工程－汽轮机汽轮机调节的特点发电厂中的汽轮机主要用来带动交流发电机，交流电不能储存，因此发电厂必须根据用户的需要随时改变自己的电能生产量。当外界负荷变化时，必须及时调节汽轮机的进汽量，使其所发出的功率与外界负荷相适应，从而维持转速不变，保证输出电能的质量（电压、频率）12/29/202370动力工程－汽轮机汽轮机调节系统的任务调节系统任务：保证供电的数量和质量保证机组安全可靠地运行12/29/202371动力工程－汽轮机汽轮机的调节方法现代汽轮机的调节，大都采用喷管调节法。这种调节方法通常是把汽轮机第一级的喷管分成四组，根据负荷的大小，由调节系统依次开闭各个调节阀。采用这种调节法可大大减少汽轮机进汽时的节流损失。12/29/202372动力工程－汽轮机一、汽轮机的调节系统液压调节系统DEH调节系统（DigitalElectro－HydraulicControlSystem）调节系统：机械式→液压式→功频电液→DEH

发展趋势：DEH12/29/202373动力工程－汽轮机汽轮机调节系统简介机械液压调节系统功频电液DEH调节系统DEH系统：也是一种功率——频率调节系统不同的是：给定、比较、PID运算部分在数 字计算机内进行模拟电调—连续控制

DEH———离散控制（采样控制）12/29/202374动力工程－汽轮机各种调节系统的比较DEH具有模拟功频电调的所有优点，此外：采用分散控制，显著提高了可靠性。计算机应用。在：数据处理、系统监控、可靠性分析、性能诊断和运行管理等方面，可充分发挥作用。调节品质高，静、动态特性良好。 此外，系统采用积木式结构→扩展灵活→维修、测试方便 冗余控制：保护措施严密（某一回路故障后亦可运行）有利于实现机组协调控制、厂级控制以至优化控制，这是模拟电调无论如何也不能相比的12/29/202375动力工程－汽轮机二、汽轮机的保护装置汽轮机转子上的各种部件所承受的应力均与转速密切相关，转速过高非但会使某些部件损坏，甚至还可能造成重大事故。为了防止调节系统因故障失灵，和汽轮机突然甩负荷时引起超速危险，近代汽轮机普遍设有超速保护装置。12/29/202376动力工程－汽轮机12/29/202377动力工程－汽轮机12/29/202378动力工程－汽轮机12/29/202379动力工程－汽轮机危急保安器参见火电厂生产过程CAI12/29/202380动力工程－汽轮机汽轮机的其它保护装置汽轮机除危急保安器（超速保护）以外，还有一些其它保护装置，如：自动磁力断路装置、手动危急遮断装置等当转子轴向位移、轴承油压和油温、凝汽器真空等超过规定值时，自动发出信号使磁力断路油门动作，切断进汽，进行强制性停机。12/29/202381动力工程－汽轮机第八节汽轮机的油系统油系统承担两方面的任务：为调节和保护系统提供工作用油向汽轮机各个轴承供应大量的润滑及冷却用油12/29/202382动力工程－汽轮机对油质要求很高，净油装置不断清除油中的杂质和水分。净化后，油中水分小于0.05％ 精密滤网，可滤除粒径2mm以上的杂质油中很小的有害颗粒亦可使轴承受到破坏，导致代价高昂的检修12/29/202383动力工程－汽轮机第九节汽轮机的主要辅助设备12/29/202384动力工程－汽轮机一、凝汽器12/29/202385动力工程－汽轮机凝汽器的作用建立并维持高度真空，使进入汽轮机的蒸汽充分膨胀到尽可能低的背压，从而使汽轮机的理想焓降增大，提高循环效率；将汽轮机的排汽凝结为水，以便回收工质，重新送回锅炉作为给水使用。(目前普遍使用表面式凝汽器，使凝结水在不受到污染的情况下得到回收)12/29/202386动力工程－汽轮机二、抽汽器由于凝汽器或乏汽管等连接处的不严密，势必有空气从外界漏入。为了保持凝汽器中有较高的真空度，必须采用抽气设备将漏入的空气不断抽走。抽汽器的常用种类射汽抽汽器射水抽汽器12/29/202387动力工程－汽轮机射汽抽汽器12/29/202388动力工程－汽轮机射汽抽汽器12/29/202389动力工程－汽轮机射水抽汽器工作介质是由专用水泵供给的具有较高压力的水，结构与原理与射汽抽汽器相仿。射水抽汽器系统的缺点是射水高压泵耗电甚多；系统占地面积较大等。12/29/202390动力工程－汽轮机三、回热加热器回热加热器（简称：加热器）是利用从汽轮机中间级引来的、作过部分功的抽汽来加热主凝结水或给水，可减少乏汽在凝汽器中的热量损失（即冷源损失），从而提高循环热效率。火电厂应用最广泛的是带有管板的表面式回热加热器。12/29/202391动力工程－汽轮机回热加热器种类根据回热加热器所承受的水侧压力是给水泵出口压力，还是凝结水出口压力，把它们分成高压回热加热器和低压回热加热器两种，分别简称为“高加”和“低加”。它们的工作原理与凝汽器相同，都是一种表面式加热器，其中“高加”需用钢管制造。一台汽轮机常常需要配备若干级回热加热器。12/29/202392动力工程－汽轮机表面式加热12/29/202393动力工程－汽轮机四、除氧器锅炉给水中如含有氧和CO2等气体，不仅影响传热，而且还会严重腐蚀各受热面的金属壁面。因此，给水在进入锅炉省煤器之前，必须先经过除氧（实际上不仅是除氧，而是“除气”）火电厂广泛采用加热除氧的方法，即在除氧器内将一定压力下的水加热至该压力下的饱和温度，使原来溶解于水中的各种气体全部从水中迅速逸出，并设法及时予以排除——这就是除氧器所承担的主要任务除氧器在多级回热加热器系统中同时还起着一级加热器的作用。12/29/202394动力工程－汽轮机除氧器的构造12/29/202395动力工程－汽轮机雨淋式除氧器的缺点水与蒸汽的接触面积太小，以致除氧效果受到限制对负荷变动的适应性较差，当汽轮机负荷发生变动时，除氧效果难以保证。12/29/202396动力工程－汽轮机喷雾填料式除氧器该种除氧器可以克服上述除氧器的缺点结构利用若干个喷嘴把进入除氧塔顶部准备除氧的水先喷成雾状，然后使之向下流动；除氧塔中部使用由不锈钢短管组成的一定厚度的填料除氧层，其作用相当于雨淋式装置中的滴水盘。采用喷雾填料式结构，大大增加了水12/29/202397动力工程－汽轮机五、凝结水泵12/29/202398动力工程－汽轮机六、循环水泵12/29/202399动力