能源与动力专业英语及年工程力学复习题加答案

共52页第32页1.1工程热力学基础热力学是一门研究能量储存、转换及传递的科学。能量以内能（与温度有关）、动能（由物体运动引起）、势能（由高度引起）和化学能（与化学组成相关）的形式储存。不同形式的能量可以相互转化，而且能量在边界上可以以热和功的形式进行传递。在热力学中，我们将推导有关能量转化和传递与物性参数，如温度、压强及密度等关系间的方程。因此，在热力学中，物质及其性质变得非常重要。许多热力学方程都是建立在实验观察的基础之上，而且这些实验观察的结果已被整理成数学表达式或定律的形式。其中，热力学第一定律和第二定律应用最为广泛。1.1.1热力系统和控制体? 热力系统是一包围在某一封闭边界内的具有固定质量物质的系统。系统边界通常是比较明显的（如气缸内气体的固定边界）。然而，系统边界也可以是假想的（如一定质量的流体流经泵时不断变形的边界）。? 系统之外的所有物质和空间统称外界或环境。热力学主要研究系统与外界或系统与系统之间的相互作用。系统通过在边界上进行能量传递，从而与外界进行相互作用，但在边界上没有质量交换。当系统与外界间没有能量交换时，这样的系统称为孤立系统。? 在许多情况下，当我们只关心空间中有物质流进或流出的某个特定体积时，分析可以得到简化。这样的特定体积称为控制体。例如泵、透平、充气或放气的气球都是控制体的例子。包含控制体的表面称为控制表面。? 因此，对于具体的问题，我们必须确定是选取系统作为研究对象有利还是选取控制体作为研究对象有利。如果边界上有质量交换，则选取控制体有利；反之，则应选取系统作为研究对象。1.1.2平衡、过程和循环? 对于某一参考系统，假设系统内各点温度完全相同。当物质内部各点的特性参数均相同且不随时间变化时，则称系统处于热力学平衡状态。当系统边界某部分的温度突然上升时，则系统内的温度将自发地重新分布，直至处处相同。? 当系统从一个平衡状态转变为另一个平衡状态时，系统所经历的一系列由中间状态组成的变化历程称为过程。若从一个状态到达另一个状态的过程中，始终无限小地偏离平衡态，则称该过程为准静态过程，可以把其中任一个中间状态看作为平衡状态。准静态过程可近似视为许多过程的叠加结果，而不会显著减小其精确性，例如气体在内燃机内的压缩和膨胀过程。如果系统经历一系列不平衡状态（如燃烧），从一个平衡状态转变为另一个平衡状态，则其过程为非平衡过程。? 当系统从一给定的初始状态出发，经历一系列中间过程又回到其初始状态，则称系统经历了一个循环。循环结束时，系统中的各参数又与初始参数相同。在任一特性参数名称前加上前缀iso-，表示该参数在整个过程保持不变。等温（isothermal）过程中温度保持不变；等压（isobaric）过程中压强恒定；等容（isometric）过程中体积保持不变。1.1.3纯物质的气-液相平衡? 如图1-1(a)所示，由活塞和气缸组成的装置中装有1kg水。假定活塞和其上的重物使气缸内压强维持在0.1Mpa，初始温度20℃。当有热量开始传递给水时，缸内水温迅速上升，而比容略有增加，气缸内压强保持恒定不变。当水温达到99.6℃时，如若再增加传热量，水将发生相变，如图1-1(b)所示。也就是说，一部分水开始气化变为蒸汽，在此相变过程中，温度和压强始终保持不变，但比容却有大幅度的增加。当最后一滴液体被气化时，进一步的加热将使蒸汽温度和比容均有所增加，如同1-1(c)所示。? 在给定压强下发生气化的温度称为饱和温度，压强称为给定温度下的饱和压强。因此，99.6℃水的饱和压强是0.1MPa，0.1MPa水的饱和温度为99.6℃。? 如果某一工质为液态并处于其饱和温度和饱和压强下，则称该液体为饱和液体。如果液体温度低于当前压强下的饱和温度，则称该液体为过冷液体（表明液体的当前温度低于给定压强下的饱和温度）或压缩液体（表明液体的当前压强大于给定温度下的饱和压强）。? 在给定压强下发生气化的温度称为饱和温度，压强称为给定温度下的饱和压强。因此，99.6℃水的饱和压强是0.1MPa，0.1MPa水的饱和温度为99.6℃。? 如果某一工质为液态并处于其饱和温度和饱和压强下，则称该液体为饱和液体。如果液体温度低于当前压强下的饱和温度，则称该液体为过冷液体（表明液体的当前温度低于给定压强下的饱和温度）或压缩液体（表明液体的当前压强大于给定温度下的饱和压强）。? 若某一工质在饱和温度下以液、气共存的形式存在，则称蒸汽质量与总质量之比为干度。因此，如图1-1(b)所示，若蒸汽质量为0.2kg，液体质量为0.8kg，则其干度为0.2或20%。干度只有在饱和状态下才有意义。? 若某一工质处于饱和温度下并以蒸汽形态存在，则称该蒸汽为饱和蒸汽（有时称为干饱和蒸汽，意在强调其干度为100%）。当蒸汽温度高于其饱和温度时，则称之为过热蒸汽。过热蒸汽的压强和温度是彼此独立的，因为温度上升时，压强可能保持不变。在图1-2所示的温度-比容图上作等压线，表示水由初压0.1MPa、初温20℃被加热的过程。点A代表初始状态，点B为饱和液态（99.6℃），线AB表示液体由初始温度被加热至饱和温度所经历的过程。点C表示饱和蒸汽状态，线BC表示等温过程，即液体气化转变为蒸汽的过程。线CD表示在等压条件下蒸汽被加热至过热的过程，在此过程中，温度和比容均增大。类似地，线IJKL表示压强为10MPa下的等压线，相应的饱和温度为311.1℃。但是，在压强为22.09MPa条件下（线MNO），不存在等温蒸发过程。相反，点N是个转折点，在该点上，切线斜率为零，通常把N点称为临界点。在临界点处，饱和液体和饱和气体的状态都是相同的。临界点下的温度、压强和比容分别称为临界温度、临界压强和临界比容。一些工质的临界点数据如表1-1所示。1.1.4热力学第一定律? 通常把热力学第一定律称为能量守恒定律。在基础物理课程中，能量守恒定律侧重动能、势能的变化以及和功之间的相互关系。更为常见的能量守恒形式还包括传热效应和内能的变化。当然，也包括其它形式的能，如静电能、磁场能、应变能和表面能。? 历史上，用热力学第一定律来描述循环过程：净传热量等于循环过程中对系统所做的净功。1.1.5热力学第二定律? 热力学第二定律有多种表述形式。在此列举两种：克劳修斯表述和凯尔文-普朗克表述。? 克劳修斯表述：制造一台唯一功能是把热量从低温物体传给高温物体的循环设备是不可能的。以冰箱（或热泵）为例，不可能制造一台不用输入功就能把热量从低温物体传给高温物体的冰箱，如图1-3(a)所示。? 凯尔文-普朗克表述：制造一台从单一热源吸热和做功的循环设备是不可能的。? 换句话说，制造这样一台从某一热源吸热并对外做功，而没有与低温热源进行换热的热机是不可能的。因此，该表述说明了不存在工作效率为100%的热机，如图1-3(b)所示。1.1.6卡诺循环? 卡诺机是低温热源和高温热源间运行效率最高的热机。卡诺机是一个理想热机，利用多个可逆过程组成一循环过程，该循环称为卡诺循环。卡诺机非常有用，因为它的运行效率为任何实际热机最大可能的效率。因此，如果一台实际热机的效率要远低于同样条件下的卡诺机效率，则有可能对该热机进行一些改进以提高其效率。理想的卡诺循环包括四个可逆过程，如图1-4所示：1→2等温膨胀；2→3绝热可逆膨胀；3→4等温压缩；4→1可逆绝热压缩。卡诺循环的效率为:注意，提高TH（提高吸热温度）或降低TL（降低放热温度）均可使循环效率提高。1.1.7朗肯循环? 我们所关心的第一类动力循环为电力生产工业所采用的，也就是说，动力循环按这样的方式运行：工质发生相变，由液态变为气态。最简单的蒸汽-动力循环是朗肯循环，如图1-5(a)所示。朗肯循环的一个主要特征是泵耗费很少的功就能把高压水送入锅炉。其可能的缺点为工质在汽机内膨胀做功后，通常进入湿蒸汽区，形成可能损害汽轮机叶片的液滴。? 朗肯循环是一个理想循环，其忽略了四个过程中的摩擦损失。这些损失通常很小，在初始分析时可完全忽略。朗肯循环由四个理想过程组成，其T-s图如图1-5(b)所示：1→2为泵内等熵压缩过程；2→3为炉内定压吸热过程；3→4为汽轮机内等熵膨胀做功过程；4→1为凝汽器内定压放热过程。? 泵用于提高饱和液体的压强。事实上，状态1和状态2几乎完全一样，因为由2点开始的较高压强下的吸热过程线非常接近饱和曲线，图中仅为了解释说明的需要分别标出。锅炉（也称蒸汽发生器）和凝汽器均为换热器，它们既不需要功也不产生功。如果忽略动能和势能的变化，输出的净功等于T-s图曲线下面的面积，即图1-5(b)中1-2-3-4-1所包围的面积，由用热力学第一定律可证明。循环过程中工质的吸热量对应面积a-2-3-b-a。因此，朗肯循环的热效率可表示为即，热效率h等于输出能量除以输入能量（所购能量）。显然，通过增大分子或减小分母均可以提高热效率。这可以通过增大泵出口压强p2，提高锅炉出口温度T3，或降低汽机出口压强p4来实现。1.1.8再热循环? 对于一个处于高锅炉压强和低凝汽器压强条件下的朗肯循环，显然，很难阻止液滴在汽轮机低压部分的形成。由于大多数金属不能承受600℃以上的高温，因此，通常采用再热循环来防止液滴的形成。? 再热过程如下：经过汽轮机的部分蒸汽在某中间压强下被再热，从而提高蒸汽温度，直至达到状态5，如图1-6所示。然后这部分蒸汽进入汽轮机低压缸，而后进入凝汽器（状态6）。? 再热循环方式可以控制或者完全消除汽轮机中的湿蒸汽问题，因此，通常汽轮机分成高压缸和低压缸两部分。虽然再热循环不会显著影响循环热效率，但带来了显著的额外的输出功，如图1-6中的面积4-5-6-4￠-4所示。当然，再热循环需要一笔可观的投资来购置额外的设备，这些设备的使用效果必须通过与多增加的输出功进行经济性分析来判定。如果不采用再热循环来避免液滴的形成，则凝汽器出口压强必须相当地高，因而导致循环热效率较低。在这种意义上，与无再热循环且高凝汽器出口压强的循环相比，再热可以显著提高循环效率。1.2流体力学基础? 流体运动表现出多种不同的运动形式。有些可以简单描述，而其它的则需要完全理解其内在的物理规律。在工程应用中，尽量简单地描述流体运动是非常重要的。简化程度通常取决于对精确度的要求，通常可以接受±10%左右的误差，而有些工程应用则要求较高的精度。描述运动的一般性方程通常很难求解，因此，工程师有责任了解可以进行哪些简化的假设。当然，这需要丰富的经验，更重要的是要深刻理解流动所涉及的物理内涵。一些常见的用来简化流动状态的假设是与流体性质有关系的。例如，黏性在某些条件下对流体有显著的影响；而在其它条件下，忽略黏性效应的影响可以大大地简化方程，但并不会显著改变计算结果。众所周知，气体速度很高时必须考虑其压缩性，但在预测风力对建筑物的影响程度，或者预测受风力直接影响的其它物理量时，可以不计空气的压缩性。学完流体运动学之后，可以更明显地看出采用了哪些恰当的假设。这里，将介绍一些重要的用来分析流体力学问题的一般性方法，并简要介绍不同类型的流动。1.2.1拉格朗日运动描述和欧拉运动描述描述流场时，将着眼点放在流体质点上是非常方便的。每个质点都包含了微小质量的流体，它由大量分子组成。质点占据很小的体积，并随流体流动而移动。对不可压缩流体，其体积大小不变，但可能发生形变。对可压缩流体，不但体积发生形变，而且大小也将改变。在上述两种情况下，均将所有质点看作一个整体在流场中运动。? 质点力学主要研究单个质点，质点运动是时间的函数。任一质点的位移、速度和加速度可表示为s(x0,y0,z0,t)，V(x0,y0,z0,t)，a(x0,y0,z0,t)，其它相关参量也可计算。坐标(x0,y0,z0)表示质点的起始位置，也是每个质点的名字。这就是拉格朗日运动描述，以约瑟夫×Ｌ×拉格朗日的名字命名，该描述方法通常用于质点动力学分析。拉格朗日法跟踪多个质点的运动过程并考虑质点间的相互作用。然而，由于实际流体包含质点数目巨大，因而采用拉格朗日法研究流体流动则非常困难。与分别跟踪每个流体质点不同的另一种方法是将着眼点放在空间点上，然后观察质点经过每个空间点时的质点速度，由此可以得到质点流经各空间点时的速度变化率，即?V/?x，?V/?y，?V/?z；还可以判断某一点上的速度是否随时间变化，即计算?V/?t。这种描述方法称为欧拉运动描述，以莱昂哈德×欧拉的名字命名。在欧拉法中，速度等流动参数是空间和时间的函数。在直角笛卡儿坐标系中，速度表示为V=V(x,y,z,t)。我们所研究的流动区域称为流场。1.2.2迹线和流线? 可采用两种不同的流动线来帮助我们描述流场。迹线是某一给定质点在流场中运动时所经过的不同空间点形成的轨迹，它记录了质点的“历史”位置。一定曝光时间下可以拍得发亮粒子的运动迹线。? 流线是流场中具有这样特性的线：任一质点在流线上某点处的速度矢量与该流线相切，即V′dr=0。这是因为V和dr具有相同的方向，而具有相同方向的两个矢量的叉乘积等于零。同迹线相比，流线不能直接由相机拍摄获得。对于一般的非定常流动，根据大量质点的短迹线相片可以推断出流线的形状。1.2.3一维、二维和三维流动? 一般来说，欧拉运动描述中的速度矢量取决于三个空间变量和时间变量，即V=V(x,y,z,t)。这样的流动称为三维流动，因为速度矢量依赖于三个空间坐标。三维流动的求解非常困难，并且也超出了序言的范围。即使假设流动为定常的（如，V=V(x,y,z)），该流动仍为三维流动。? 三维流动常常可以近似成二维流动。例如，对于一个很宽的大坝，受坝两端条件的影响，水流经大坝时的流动为三维流动；但远离坝端的中间部分的流动可看作是二维的。一般来说，二维流动是指其速度矢量只取决于两个空间坐标的流动。平面流动即是如此，速度矢量只依赖于x，y两个空间坐标，而与z坐标无关（如，V=V(x,y)）。? 一维流动的速度矢量只依赖于一个空间坐标。这类流动常发生在长直管内和平行平板间。管内流动的速度只随到管轴的距离变化，即u=u(r)。平行平板间的速度也只与y坐标有关，即u=u(y)。即使流动为非定常流动，如启动时的情形，u=u(y,t)，但该流动仍是一维的。对于完全发展的流动，其速度轮廓线并不随流动方向上的空间坐标而改变。这要求研究区域要远离入口处或几何形状突然改变的区域。有许多流体力学方面的工程问题，其流场可以简化为均匀流动：速度和其它流体特性参数在整个区域内均为常数。这种简化只对速度在整个区域内均保持不变时才成立，而且这种情况非常普遍。例如：管内的高速流动和溪水的流动。平均速度可能从一个断面到另一个断面有所不同，而流动条件仅取决于流动方向上的空间变量。1.2.4牛顿流体和非牛顿流体? 牛顿流体是指应力与变形率关系曲线为过坐标圆点的直线的流体。直线的斜率称为黏度。用τ=μdu/dy这个简单的关系式来描述牛顿流体的特性。τ为流体施加的切向应力，μ为流体的动力黏度，du/dy为垂直于切应力方向上的速度梯度。如果流体不满足上述关系式，则被称为非牛顿流体，它包括以下几种类型：聚合物溶液、聚合物熔体、固体悬浮物和高黏度流体。在非牛顿流体中，切向应力和变形率成非线性关系，甚至可能是非定常的，因此不能定义恒定的黏度系数。但可以定义切向应力和变形率的比值(或随切向应力变化的黏度)，这个概念对不具有时间相关性行为的流体非常有用。1.2.5黏性和非黏性流动? 流体的流动可大致分为黏性流动和非黏性流动。非黏性流动是指黏性作用对流动的影响很小、可被忽略的流动。而在黏性流动中，黏度的影响极为重要，不容忽视。? 为了模拟分析非黏性流动，简单地让黏度为零即可，这显然忽略了一切黏性作用。在实验室中，制造非黏性流动则非常困难，因为所有的流体（例如水和空气）都有黏性。然后问题变为：是否存在我们感兴趣的、且黏性影响微乎其微的流动？答案是：“存在，只要流动中的切向应力很小，而且其作用范围小到不会显著影响流场就可以”。当然，这种描述非常笼统，需要大量的分析以证明无黏性流动假设是正确的。根据经验，发现可以用于模拟非黏性流动的基本流动为外部流动，即存在于物体外部的流动。非黏性流动对于绕流线型物体的研究非常重要，如绕流机翼或水翼。任何可能存在的黏性影响只限于薄薄的一层之内，称之为边界层，它紧贴物体的表面，如图1-7所示。受黏性的影响，边界层内固定壁面处的速度始终为零。对于许多流动情形，边界层非常薄，当研究绕流线型流动的总体特征时，可以忽略边界层的影响。例如，对绕翼型的流动，除了边界层内和可能接近尾缘的区域之外，非黏性流动解与实际情况非常吻合。管道系统中收缩段的流动，以及内部流动中黏性影响均可忽略不计的小段区域都可简化成非黏性流动。内流中的很大一部分情形都属于黏性流动，如管道流、暗渠流以及明渠流。在这些流动中，黏性作用造成相当大的“损失”，以此解释了管道输运石油和天然气必定耗费大量的能源。无滑移条件使得壁面处的速度为零，由此产生的切应力，直接导致这些损失的产生。1.2.6层流和紊流? 黏性流动可分为层流和紊流。在层流中，流体与周围流体质点无明显的混合。如果在流动中注入染料，除了分子运动的影响外，流体质点不与周围流体混合，并将在相当长的一段时间内保持其状态。黏性切应力始终影响层流流动。层流可以是高度非定常的，也可以是定常的。在紊流中，流体运动作不规则地变化，速度和压强等参数的大小在时间和空间坐标上呈现随机变化，这些物理量往往通过统计平均值来描述。在这个意义上，可定义“定常”紊流：即时均值不随时间变化的紊流。注入紊流中的染料在流体质点随机运动的作用下，迅速与周围流体进行掺混，染料在此扩散过程中很快就会消散而变得无法识别。层流和紊流可用一个水龙头进行简单实验来观察其流动状态。打开水龙头，这时的水流正如静静的小溪一样，流动得非常缓慢，此时的流动状态就是层流；慢慢开大水龙头，观察到流动逐渐变得紊乱。注意，紊流从相对较小的流量下开始发展而成。? 流动状态依赖于三个描述流动条件的物理参数。第一个参数是流场的特征长度，如边界层厚度或管道直径。如果这个特征长度尺度足够大，流动中的扰动可能会逐渐增大，从而使得流动转变为紊流。第二个参数是特征速度，如空间平均流速，足够大的流速将导致紊流的产生。第三个参数是运动黏度，流体的黏性越小，紊流的可能性越大。上述三个参数可以整理成一个参数，用于预测流动状态。这个参数就是雷诺数，以奥斯本×雷诺的名字命名，该参数为无量纲参数，定义为Re=VL/n，式中，L和V分别为特征长度和特征速度，n为运动黏度。例如，在管道流中，L为管径，V为平均速度。如果雷诺数相对较小，流动为层流；如果雷诺数较大，则为紊流。通过定义临界雷诺数Recrit，可更加精确地进行表述，当Re<Recrit，流动为层流。例如，粗糙管内的流动，其Recrit≈2000，这也是最低的临界雷诺数，并适用于大多数工程应用。如果管壁极为光滑且无振动，由于流动中脉动水平的减弱而使临界雷诺数可能增大，曾经实测到40000以上的临界值。采用不同的特征尺寸计算所得临界雷诺数将有所不同，例如，用平均速度和平板之间的距离计算得到的平行板间流动的临界雷诺数为1500。对于平板上的边界层，由于来流为均匀来流，其特征长度随到前缘点的距离x而变化。计算雷诺数时采用长度x作为特征长度。在某一特定的xT下，Re变为Recrit，流动从层流过渡到紊流。处于均匀流中的光滑刚性平板，且自由来流的脉动水平较低时，已观测到的临界雷诺数高达106。在大多数工程应用中，通常假设壁面为粗糙壁面，或者自由来流的脉动水平较高时，相应的临界雷诺数约为3×105。1.3传热学基础传热学是一门研究在存在温差的物体间发生能量传递的科学。热力学中将这种方式传递的能量定义为热量。传热学不仅可以解释热量传递是如何传递的，而且可以计算在特定条件下的传热速率。事实上，传热速率正是一个分析所期望的目标，它指明了传热学和热力学间的差别。热力学处理的是平衡状态下的系统，它可计算当系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态时所需要的能量，但不能解决系统处于过渡过程的非平衡状态时能量变化的快慢程度。传热学提供了可用于计算传热速率的实验关联式，从而对热力学第一定律和第二定律进行补充。这里，我们介绍热量传递的三种方式和不同型式的换热器。1.3.1热传导? 当物体内部存在温度梯度时，经验表明，就有能量从高温区向低温区传递。我们说，此时的能量通过传导进行传递，单位面积上的传热速率与法向温度梯度成正比，即q/A~?T/?x。引入比例系数，则有（1-3）其中q是热流量，?T/?x是热流方向上的温度梯度，正常数l称为材料的导热系数。方程中插入的负号表示热传导过程应满足热力学第二定律，即热量必须沿温度降低的方向传递。式(1-3)称为傅立叶导热定律，以法国数理学家约瑟夫×傅立叶的名字命名，傅立叶在导热的分析处理方面做出了极其重大的贡献。值得注意的是，式(1-3)也是导热系数的定义式，在典型的单位体系中，当热流量q的单位为W时，l的单位为W/(m×℃)。1.3.2对流换热? 众所周知，与热金属板放置在静止的空气中相比，放置在转动的风扇前的热金属板会更快地冷却。我们说热量通过对流进行传递，称此类换热过程为对流换热。对流这个术语给读者提供了有关传热过程的直观概念，然而，必须扩展这种直观概念，使我们可以达到对某一问题进行充分的分析和处理。例如，我们知道流过热平板的空气速度会明显影响其传热量，但它是以线性方式影响冷却的吗？即如果速度增加一倍，传热量也会增加一倍吗？我们猜想，如果用水代替空气冷却热平板，传热量可能有所不同，但是，二者的差异会有多少呢？这些问题在了解一些非常基本的分析后，可得以回答。现在，我们来简要描述对流换热的物理机理，并且说明它和传导过程的联系。? 被加热的平板如图1-8所示，平板的温度为Tw，流体的温度为T∞。速度分布如图所示，受黏性作用，平板上的速度减小为零。因为壁面处流动薄层的速度为零，因此，在该点上热量只能以导热方式传递。因此，可以利用式(1-3)，以及壁面上的流体导热系数和温度梯度来计算传热量。如果热量在该层经导热传递，那么，为什么我们要谈及对流换热以及需要考虑流体速度的影响呢？答案是，温度梯度依赖于流体带走热量的速度，较高的流速将产生较大的温度梯度。因此，壁面上的温度梯度依赖于流场的变化，在以后的分析中，我们将建立这二者间的关系。然而，必须记住，壁面上传热的物理机理是一导热过程。如果将热平板置于没有外部风源的房间空气中，平板附近的密度梯度将造成空气运动。我们称此换热过程为自然对流，以区别于风扇吹扫平板表面时形成的强制对流。沸腾和凝结现象也属于对流换热的范畴。1.3.3辐射换热对于导热和对流换热，其热量传递需要介质才得以进行，与此不同的是，热量也可以在完全真空中传递，其传热机理是电磁辐射。我们将讨论限定在由温差导致的电磁辐射，即所谓的热辐射。2.2DevelopmentofUtilityBoiler现代660MW燃煤锅炉有大约6000吨的压力部件，包括500千米的受热面管材，3.5千米连接管与联箱和30000个管接头焊口。这是经过大约50年发展的结果，并形成了煤粉在具有蒸发管束的炉膛燃烧，烟气然后流经对流过热器和热回收表面的基本概念并保留至今。蒸汽参数的提高，机组容量的增大及燃料燃烧特性的改进都要求在材料、制造技术和运行程序上相应发展。二战后的一些年里，在电厂安装锅炉的数量多于汽轮机是很常见的，锅炉提供蒸汽到母管然后到汽机。这种布置反应了锅炉的可用性低于汽轮机。四十年代后期，随着锅炉可用性的提高，锅炉和汽机开始可以相互配套使用。锅炉和汽机成套的变化使得再热成为可行，而且伴随着高温钢材的应用，经过蒸汽参数的不断提高，达到了当前的标准循环2400lbf/in2(165.5bar)，568℃和再热568℃。为充分利用更高的蒸汽参数和获得经济容量，在接下来的15年，机组容量又增加了20倍。2.3燃料与燃烧大部分锅炉以煤、天然气和石油作为燃料。然而，在过去的几十年里，至少在发电领域核能开始扮演一个主要角色。同样，不断增加的各种生物质和过程副产品也成为蒸汽生产的热源。这些包括泥煤、木材及木材废弃物、稻草、咖啡渣、稻谷壳、煤矿废弃物（煤屑）、炼钢炉废热甚至太阳能。现代美国中心电站用燃料主要是煤，或是烟煤、次烟煤或是褐煤。虽然天然气和燃油也许是未来化石燃料电厂的燃料选择，但煤仍然是今后新的，基本负荷电站锅炉的主要燃料。2.3.1煤的分类? 由于煤是一种不均匀的物质，且其组成和特性变动很大，所以建立煤的分类系统是很必要的。中国煤的性质如表2-1所示。以煤阶进行煤的分类是典型的做法。这表现为煤化程度的大小：从褐煤到贫煤、烟煤以及无烟煤。煤阶表明了煤的地质历史和主要特性。现在美国应用的煤分类标准是由美国材料试验学会（ASTM）建立的。其分类是通过煤的工业分析所确定的挥发分和固定碳的含量以及煤的发热量作为分类标准。这套系统目的在于确定煤的商业使用价值，并提供关于煤燃烧特性的基本信息。2.3.2燃烧系统锅炉内化石燃料燃烧以产生蒸汽的技术已成熟多年。然而，在过去的二十多年中，为了将大气排放和污染降到可行的最低程度，燃烧技术得到了很大程度的提高。油燃烧系统所有的电站锅炉都燃用油，在燃煤锅炉中点燃煤粉，在煤进入炉膛之前加热炉膛并升压，而在燃油锅炉中则作为主要负荷燃料。一般地，燃油都是粘度在3500sec到6500sec的残渣燃料油。为了有效的燃烧，这些油必须被加热到120~130℃并被良好地分散或雾化成很小的微滴? 燃用渣油，要比一般的馏分油（柴油，汽油等）便宜，但又带来一些问题：酸性污染物和粉尘的排放。酸性污染问题是由石油中的硫产生的，硫分的含量有时可高达3%。在20世纪60年代早期，人们对油燃烧器设计进行了深入研究和开发，目的在于解决燃油的排放问题。由此诞生了一种油燃烧器——“标准燃烧器”，它可以在非常低的过量空气系数下减少碳排放。为保证锅炉中每个燃烧器获得同样多的空气也做了大量的工作。目前油燃烧过量空气系数运行水平为2%。煤燃烧系统煤燃烧器的发展模式同油燃烧器类似，而且重点放在准确控制每只燃烧器煤和油的供给量。实际中所有的燃煤锅炉都是燃烧煤粉（由磨煤机生产），这些煤粉经过很好的粉碎，然后由空气流（一次风）送入燃烧器。同以前相比，在流动平衡上的设计成果现在已能使锅炉在较低的过量空气水平下运行，并在不增加飞灰含碳量水平的情况下提高了总的效率煤燃烧系统部件的布置必须根据经济因素和煤的性质来确定。作为整个燃烧系统设计的性能参数，煤粉细度、磨煤机出口温度、空煤比等都必须达到要求。低NOx燃烧系统影响NOx生成的因素包括燃料含氮量、火焰峰值温度、火焰中的可用氧量以及气流在锅炉系统中的停留时间。当煤进入炉膛其化学结构被破坏时，一些煤中的化合氮就作为挥发分被释放出来。由大气中的氮生成的一氧化氮即“热力型NOx”可以通过减少烟气在高温区域的停留时间而得到控制，这样就会控制燃烧阶段中可用氧量，最后生成的是无害氮而不是NOx。因为煤在燃烧区的燃烧需要一定的过量氧气以便使所有的碳燃尽，且不含氮的煤是难以获得的，因此NOx的减少必须依靠锅炉和燃烧器的设计来完成。天然气燃烧系统天然气曾经作为电厂主要燃料。然而一些年来，没有太多的天然气可供电厂使用，并且人们没有正视这样的事实，即天然气作为一种优质燃料将会重新得到大量应用。丙烷常常作为一种点火剂，广泛地应用于燃油锅炉和燃煤锅炉中的油燃烧器。2.3.3流化床燃烧? 流化床燃烧是煤粉燃烧方式的一种，采用这种燃烧方式时煤在空气中的燃烧发生在流化床中，典型的是循环流化床。循环流化床最适合于燃烧低成本废弃燃料、低品质或低热量煤。将煤粒和石灰石投入到床中，石灰石在床内煅烧成石灰。流化床中主要是石灰和少量的煤，煤焦在其中循环。运行中的床温很低，只有427℃(800℉)，在这个温度下的热力学环境有利于减少NOx的形成和捕集SO2，使之与CaO反应生成CaSO4。对于煤燃烧，蒸汽循环可以是亚临界，也可能是超临界，它们具有相近的发电效率。循环流化床技术的最大的优点是它在床中捕捉SO2的能力和它对煤质的广泛适应性，其中包括低热量煤、高灰分煤和低挥发分煤，并且在运行中可以改变煤种。循环流化床锅炉适合与生物质共燃，最近就新建了几台燃烧褐煤的循环流化床机组。如图2-1所示，目前最常用的流化床技术是循环流化床燃烧技术。煤和煤焦燃烧的同时，空气携带煤、煤焦、煤灰和脱硫剂通过炉膛。固体材料通过旋风分离器从烟气中分离出来，然后通过对流烟道部分，烟气把热量传给炉管以产生高压蒸汽。另一部分蒸汽是由流化床中的高温固体在返回炉膛前放出热量产生的。炉膛内固体快速运动会引起过量的磨损，因此炉膛底部不安装炉管。通过低燃烧温度和空气分级燃烧来控制NOx的生成。SOx排放通过床中石灰脱硫剂控制。这些为烟气净化节省了大笔的投资，但是低的SOx排放需要燃烧低硫分煤，并且NOx的排放受燃烧反应的限制。极低的排放需要额外的烟气净化设备，同时会增加相应的维护成本。在中国最大的流化床锅炉是330MWe，设计最大的锅炉是600MWe，但是还没有投建。2.4制粉系统煤粉制备与煤粉燃烧技术的发展是同步的。为了使煤在炉膛中有效燃烧，煤在离开燃烧器时必须被粉碎到一定的大小，这样才能迅速燃烧，这就意味着煤必须被加工成小颗粒，才能被迅速加热到着火温度并和空气良好混合。? 磨煤机的工作就是把煤磨碎到符合上述要求的合适的大小。较早的系统使用筒式球磨机磨煤粉，并且在燃烧前利用储仓暂时储存煤粉。如果对该技术进行改进，去掉中间储仓而将从磨煤机出来的煤粉直接送去燃烧，就会对磨煤机的可靠性有很高的要求。正压制粉系统中，提供煤粉输送介质的一次风机位于磨煤机前，因而它运送的是清洁空气，不会像排粉风机一样受到侵蚀磨损。这是正压磨煤系统的主要优点。然而，磨煤机需要由单独风机提供高于磨煤机内部压力的密封空气。正压磨煤机的一个缺点是它必须完全由空气密封以避免煤粉泄露到大气中。相对来说，负压磨煤机的密封标准并不需要这样高，但也不允许漏入过多空气，因为冷空气难以干燥湿煤。这种方式泄露的空气量也无法测量，如果达到高的空/煤比，遇到明火则可能发生爆炸。2.4.1中速磨磨辊在一层耐磨层上滚动，通过移动的磨盘把煤压碎。磨辊的运动引起煤粒间的相互运动同时磨辊的压力在煤粒间形成压力负荷。一定压力下在煤粒层上的运动引起摩擦（煤粒依靠摩擦力破碎），这就是磨煤机的工作原理。耐磨层具有缓冲作用，虽然降低了磨的效率，但也大大降低了磨辊的磨损。当磨煤区的工作面间距离很近时，比如到了一个颗粒大小，三个部件（磨辊，颗粒，磨盘）间的磨损就会大大增加，磨损速率会是正常磨煤机的100倍。当带有石英的石头尺寸等于或大于磨层厚度时，也会在运行中发生三部件接触的磨损。随着磨煤的进行，为了防止过度磨制和降低能耗及磨损，磨好的煤粉从磨煤机中排出。图2-2是MPS型中速磨的示意图，显示了中速磨煤机的基本组成。在磨煤机下部有一个转动的台面，称为辊胎的辊子在台面上滚动。? 原煤由上部的磨煤机给入，然后在磨辊和转动的磨盘间经过，磨辊下的煤就被磨碎了。离心力加上磨辊对煤层的沉降力共同作用，将部分磨好的煤粉挤出磨盘边缘，由上升的空气流流化并携带这些煤粉。空气进入点一般称为进风环，喷嘴环或者喉部。上升的空气流与煤粒混合在进风环上面产生流化的颗粒床。空气的流速很低，以至于只能携带少部分的煤粒通过床层过滤。空气和煤粒离开流化床形成了第一步的分离。预热的空气同时干燥煤粉以保证煤粉的有效燃烧。立式中速磨是有效的干燥装置。即使煤中水分到40%也能在中速磨中很好地得到干燥，干燥水分再高些的煤粉也是可能的，但是需要的一次风温度则要求使用特殊材料，并且增加了磨煤机着火的可能。实际运行的水分最大值是40%（质量），此时要求一次风温高达750℉。? 空气煤粉向上流动时，由于流动面积增大使流动速度降低，大粒径的煤粒就会回落到磨盘上。最后的煤粉分离采用磨煤机上部的粗粉分离器，粗粉分离器是利用离心力的分离装置。风粉混合物以一定角度进入，从而发生旋转并产生离心力。粗一点的煤粉冲击到分离器的周边，不再保持悬浮状态而回落到磨盘上。风粉混合物中的细煤粉颗粒保持悬浮状态，并最终上升进入煤粉管。2.4.2低速磨? 筒式钢球磨是现在仍在使用的最早的磨煤机。它是一个卧式的筒体，里面装有小直径的钢球。筒体内衬耐磨材料以加强球的滚动，球占筒体总容积的25%到30%。转速取离心力可以克服重力时速度的80%，这样可以使钢球贴在筒体的内壁上。通过筒体转动时钢球的碰撞来实现煤粉的磨制。筒式钢球磨有单进单出和双进双出两种。对于单进单出型，空气和煤从一端进入从另一端流出。双进双出型磨煤机是空气和原煤从两端进入，磨好的干燥的煤粉从两端流出。对于这两种类型，粗粉分离器布置于磨煤机的外部，粒径过大的粗粉被送回到磨煤机与原煤混合。筒式钢球磨不具有类似立式磨的流化床特点，同时由于空气和煤粉的混合不均匀限制了干燥能力。如果筒式钢球磨要磨的煤中水分高于20%，就必须使用辅助的干燥装置，比如破碎干燥机。对新建锅炉来说，中速磨已经大量的取代了筒式钢球磨。相对于中速磨，筒式钢球磨往往需要大的建筑空间和较高的能耗。同时，筒式钢球磨难于控制且有较高的磨损速度。但是，筒式钢球磨能很好的适应极具磨损作用的、低水分的难磨燃料，比如石油焦。煤在其中较长的停留时间可以实现有效的磨制。2.4.3制粉系统磨煤机只是庞大的制粉系统的一部分，制粉系统一般有直吹式和中储式两种。在直吹式系统中，从磨煤机出来的煤粉直接参与燃烧过程，同时参与的还有空气、水蒸汽和通入磨煤机的热能。中储式系统把煤粉从空气、水蒸汽和通入磨煤机的能量中分离开再去燃烧。储仓中的煤粉由新的一次风输送到燃烧设备。目前生产蒸汽的过程中很少采用中储式制粉系统，但是很多特殊的场合仍然需要，比如煤气化和高炉投煤。目前在美国运行的中速磨大约有1000台，其中99%以上的是直吹式系统。直吹式系统的主要部件有：? (1)给煤机，通过煤仓调节进入磨煤机的给煤量。? (2)热源，用来预热干燥煤粉的一次风? (3)一次风机，典型的情况是作为鼓风机布置于磨煤机之前（正压系统），或作为排粉风机位于磨煤机之后（负压系统）? (4)磨煤机，作为正压系统或负压系统的主体部分。? (5)管路，把煤和一次风从磨煤机输送到燃烧器? (6)燃烧器，混合煤粉和平衡燃烧空气? (7)控制和调节装置根据工程的经济性，以上部件可以按照不同的形式布置。在正压系统中，需要做出选择，是采用热一次风风机（每个磨一个风机），还是采用冷风风机（布置在特定的空气加热器前面）。热风输送系统初始投资费用较低，因为不需要特定的空气加热器。对大型机组而言，冷风风机系统具有较低的运行费用，可以补偿较高的初始投资。中速磨这个术语是指空气引入到磨煤机中作为一次风用来干燥和输送煤粉。一次风的控制对制粉系统的正常运行是非常重要的。不管是直吹式还是中储式制粉系统，也不管采用热风还是冷风风机系统都需要普遍的控制。必须控制一次风量和磨煤机出口温度，这个控制由三个相互联系的节气阀来实现。其中的两个是热和冷的节气阀，用来调节磨煤机的空气温度，这些节气阀通常是相互关联的，从而保证一个开启另一个则关闭。第三个节气阀是独立的，用来控制空气容积。一些生产商只采用两个节气阀，但是缺乏稳定性，而变负荷时的低反应能力抵消了初投资的减少带来的好处。2.5.1炉膛? 炉膛是一个四周封闭的开口大空间，燃料在其中燃烧，产生的烟气在进入对流烟道前得到冷却。离开炉膛进入管束的烟气温度过高则会导致烟尘微粒沉积在管壁上或使金属管壁超温。燃料和燃烧设备的类型对炉膛的几何形状和尺寸影响很大。在这种情况下，磨细的煤粉被送入炉膛悬浮燃烧。燃烧产物上升穿过炉膛上部。过热器、再热器和省煤器等受热面被特定布置于锅炉围墙内部的水平或垂直烟道内（对流烟道）。在现代蒸汽发生器中，炉膛和对流烟道的炉墙是由碳钢或低合金钢的汽冷或水冷壁组成，以维持炉墙的金属温度在允许的范围内。这些管子在顶部和底部由联箱或母管连接在一起。这些联箱用来分配或收集水、蒸汽或汽水混合物。在最现代化的机组中，炉墙管道也作为主要的产生蒸汽的部件或受热面。这些管子用钢条焊接在一起，组成气密的、连续的、刚性的膜式墙。这些管道通常预制成可装运的膜板，并且板上留有燃烧器口、观察孔、吹灰器口（锅炉清洁设备）和燃气喷入口。2.5.2过热器和再热器? 过热器和再热器被专门设计成顺列管束，用来提高饱和蒸汽的温度。一般形式下，它们是简单的单相换热器，蒸汽在管道内流动，烟气从外面经过，通常二者是交叉流动。由于其较高的运行温度，这些关键的部件一般用合金钢制造。典型的布置通常有利于控制出口蒸汽的温度，保持金属温度低于其可接受的极限和控制蒸汽流动的压力损失。? 过热器和再热器的主要区别是蒸汽压力。在典型的汽包锅炉中，过热器的出口压力为2700psi（186bar），而再热器的出口压力为580psi（40bar）。受热面的结构设计和布置取决于所要求的出口温度、吸热量、燃料的灰分特性和清洁设备。这些受热面可以呈水平或垂直布置。过热器和有的再热器经常被分为几段以利于控制蒸汽温度和优化热量回收。过热器的类型根据烟气侧的传热方式，过热器可分为两种基本类型。最初的一种是对流过热器，从烟气吸收的辐射热量很小。在这样的机组中，蒸汽温度随锅炉负荷的增加而升高，这是因为炉膛吸收单位输入热量的百分比下降。这导致过热器吸收了更多的热量。因为对流传热速率几乎与烟气流率即锅炉负荷成直线关系，因此，过热器中每磅蒸汽的总吸热量以及蒸汽的温度都会随锅炉负荷而增长（见图2-5）。过热器布置得离炉膛越远，进入过热器的烟气温度越低，这种效果越明显。辐射式过热器主要吸收来自炉膛的辐射热，对流传热量很少。一般采用较大间距（24英寸或很大的侧边距）的屏式凝渣管或悬吊屏式过热器的型式布置于炉膛中。有时这种过热器和包墙管组合成一体。因为炉膛受热面吸热不如锅炉负荷增长快，所以随着锅炉负荷的增长辐射式过热汽温度反而下降，如图2-5所示某些情况下，在较大的负荷范围内，这两条变化趋势相反的曲线可由一系列联合的辐射、对流过热器叠加为平缓的过热曲线，如图2-5所示。一个单独加热的过热器也能产生平缓的过热曲线。辐射和对流式过热器的设计需要特别注意避免因蒸汽和烟气流量分配不均而造成的管子超温。一般过热器中有100,000到1,000,000lb/hft2(136到1356kg/m2s)或更多的蒸汽质量流量。这种设置是在允许压降的范围内对管子内部进行充分的冷却。质量流量的选择取决于蒸汽的压力和温度，还有过热器的热负荷。此外，高速下的高压损会改善蒸汽侧流场分布。2.5.3省煤器和空气预热器省煤器和空气预热器在提高锅炉总的热效率方面发挥着重要作用,它们回收了排入大气前烟气中的低品位热量，也就是低温热量。烟气被省煤器或空气预热器冷却每40℉（22℃），总的锅炉效率就会被提高大约1%。省煤器吸热加热锅炉给水，空气预热器则是加热燃烧空气。热空气强化了多种燃料的燃烧，并保证了稳定的着火。省煤器? 省煤器是一种逆流布置的热交换器，在流过过热器或再热器（如果使用）的烟气中获取能量。它提高了汽包进水的温度。其管束布置是一种典型的平行水平蛇形管束，水在管内流动而烟气在外侧反方向（逆流）流动。管子间尽量紧密以强化传热，同时要求有足够的管子表面清洁空间和合理的烟气侧压损。根据设计，这些管子内一般不会产生蒸汽。最普通、最可靠的省煤器设计就是光管、顺列、交叉流省煤器（如图2-6）。煤燃烧后，飞灰就会产生一种高污垢、侵蚀的环境。相对于如图2-6的错列布置，这些顺列布置的光管就会尽可能减少飞灰粘附、侵蚀的可能性。这也是通过吹灰器保持清洁的最简单的几何形状。然而，这种布置的好处必须要结合它大重量、大空间以及造价进行综合评估为减少投资，大多数锅炉省煤器应用了各种鳍片以强化烟气侧的传热效率。鳍片是廉价的非承压物件，它可减少省煤器的总尺寸和造价。然而，成功的应用对于烟气环境是非常敏感的。表面的清洁能力是一关键因素。空气预热器空气预热器是利用经过省煤器的锅炉烟气携带的热量加热燃烧空气，并提供干燥煤粉的热空气。在燃煤电厂中，空气预热器的出口温度受限于磨煤机的出口温度和调温风系统容量，烟气出口温度则要考虑传热表面的污染和后面设备的腐蚀情况。在较老的锅炉中一般采用管式或板式空预器，体积大，很难清理，而且坏损的传热表面不易替换。现代锅炉都采用回转式。回转式空气预热器的最大特点是显著地节省了空间。回转式空预器采用紧密的受热面布置方式，必须采用性能良好的吹灰器使其保持清洁。受热面由压制成特殊形状的钢板或考登钢板组成。这些板子厚0.5到0.8mm，一般被压紧并装进置于支撑结构上的钢制仓体。这些板子的形状经过优化，具有很高的传热效率，同时要在使用吹灰器充分保持清洁的情况下保证压损最小。一台660MW的单元机组配有两台空气预热器，每台直径14.6m，重约500吨。传热元件的表面积总共约100,000平方米。燃煤电厂典型的温度应是烟气进口335℃，出口120℃，空气进口32℃，出口290℃。空气预热器的性能主要表现在传热效率、压损以及空气对烟气侧的泄漏上。? 前两项能被理想的表示为一组无量纲数：雷诺数、普朗特数和斯坦顿数的关系。通过实验室规模试验可以确立每种空气预热器组件的关系式。这就可以进行优化设计，估算新开发部件的几何性能，以及评估由于灰污问题而需使用替代部件的效果。2.6锅炉在线吹灰是否高效的燃烧化石燃料来生产电力很大程度上取决于蒸汽产生设备对煤燃烧产物（煤灰）的适应性。吹灰器用来吹扫沉积在锅炉受热面上的积灰来保证有效地向蒸汽传热。在英国吹灰介质大部分用蒸汽而在美国一般用空气。2.7能量守恒? 由热力学第一定律，蒸汽发生器系统的能量平衡如下所述：进入系统的能量－离开系统的能量=系统内部能量的积累? 因为蒸汽发生器应在稳态下检测，这样积累的能量就为0，其方程为：进入系统的能量=离开系统的能量进入系统的能量就是进入系统的质量流所携带的能量，以及辅助设备的驱动能量。离开系统的能量就是离开系统的质量流所携带的能量，以及通过蒸汽发生器表面传递给环境的能量。? 效率为输出能量和输入能量的比值，以百分数的形式表示：当输入能量定义为燃料释放的所有能量时，所得的效率通常称为燃料效率2.7.1效率-能量平衡法（反平衡法）? 在能量平衡法中，采用能量损失和外来热量来计算效率。能量平衡法是确定效率的首选方法。因为测量误差仅影响着各项损失而不影响总能量，所以它一般情况下比输入－输出法更精确。例如：如总损失占总输入能量的10%，则1%的测量误差仅会导致0.1%的效率误差，而在测量燃料流量中1%的误差将会导致效率的1%的误差。能量平衡法的另一个优点就是可以确认两次效率测试结果不同的原因，另外，对于诸如燃料分析数据等试验条件的变化，该方法可以容易的将效率修正到基准工况或保证工况。2.7.2效率-输入-输出法（正平衡法）根据输入－输出法计算的效率是基于测定燃料量和计算输出能量所必需的锅炉汽水侧参数。该方法计算的效率的不确定度直接与燃料测量、样本燃料分析和锅炉输出能量求取等的不确定度成正比。所以，要获得可靠的结果，在精确测量上述各项时必须格外谨慎。第三章蒸汽轮机3.1引言蒸汽轮机是最重要的涡轮发动机之一，是发电领域的主要原动机。本文简单讨论了作为蒸汽轮机发电厂部件之一的蒸汽轮机的作用。对于一个简单的蒸汽轮机发电厂，第一个部件就是把蒸汽提高到汽轮机所需压力和温度的蒸汽锅炉。蒸汽锅炉接受经过不同回热和热回收装置提高了温度的给水。在大多数电厂中，采用了过热蒸汽；大型电厂中，蒸汽在汽轮机的一些级中膨胀后，要经过一次或两次再热。过热蒸汽经过调节阀进入蒸汽轮机。蒸汽轮机总是多级汽轮机，根据汽轮机容量的大小采用一个或多个缸。在汽轮机中膨胀后的蒸汽在凝汽器中以低压凝结（0.0035到0.007MPa）。凝结水以及抽汽用泵打入锅炉。3.1.1蒸汽轮机的类型蒸汽轮机可用以下方式分为许多类型。根据流向•轴向•径向根据膨胀过程•冲动式•反动式•冲动反动混合式根据级的个数•单级•多级根据汽轮机入口结构•全周进汽•部分进汽根据汽流个数•单流•双流•单轴或双轴根据转速•N=3000rpm,f=50Hz•N=3600rpm,f=60Hz•N=1500rpm•变速机组根据应用•发电•工厂用•船用根据蒸汽参数•低压汽轮机，采用压力为0.12到0.2MPa的蒸汽;•中压汽轮机，蒸汽压力达到0.2MPa；•高压汽轮机，采用压力为0.2到16.8MPa或更高压力，温度为535℃•超临界压力汽轮机，采用蒸汽压力为22.2MPa或大于此压力。3.1.2冲动式汽轮机冲动式汽轮机是指在转子中没有流体静压头改变的汽轮机。转子叶片仅仅引起能量的传递而没有任何能量的转变。由压能转变为动能或动能转变为压能的能量转换仅仅发生在静叶片中。如在冲动式汽轮机中，高速流体的动能传递到转子上仅仅由于作用在转子上的流体冲动力。图3-1给出了典型的冲动级速度三角形图。动叶出口蒸汽的相对速度(W2)小于动叶入口的相对速度(W1)。这表示了在动叶中发生了动能向机械功的转化。由于在冲动式汽轮机中转子叶片通道不会引起流体的任何加速，在叶片表面由于附面层的增加引起流体分离的机率要大一些。由此，冲动式汽轮机中转子叶片通道的损失较大，导致了较低的级效率。uCuC1w1w2C2uuC1w1w2C2u图.3-1冲动级速度三角形图图.3-2反动级速度三角形图U=动叶轮周速度,m/sc1=动叶入口蒸汽的绝对速度,m/sC2=动叶出口蒸汽绝对速度,m/sw1=动叶入口蒸汽的相对速度,m/sw2=动叶出口蒸汽相对速度,m/s3.1.3反动式汽轮机涡轮机械级的反动度定义为转子中发生的压头改变与整级的全部压头改变之比。在转子叶片通道和静子叶片通道都有压头改变的涡轮机或级称作为反动式涡轮机或反动级。其中，在静叶和动叶中都有能量的转换。转子上既有能量传递又有能量转变。因此在反动式汽轮机中，由于流体的连续加速及较低的损失，它的效率应当高一些。反动度为50%或一半的涡轮机有一些特殊的特点。反动度为50%的轴流式涡轮机和压缩机转子和静子上的叶片对称。对于反动度为50%的级，可看出它的出口和入口速度三角形也是对称的。图3-2给出了典型的反动级的速度三角形。动叶出口的蒸汽相对速度(W2)大于动叶入口的蒸汽相对速度(W1)：这是由于动叶的焓降导致通过动叶的速度增加。3.1.4多级汽轮机后面可以看到，当转速给定时，在涡轮机械的一级中，流体能量水平的改变是有限的。这对于涡轮机、压缩机、泵和吹灰器是一样的。因此，在能量水平改变很大的应用中，采用了多级。在多级汽轮机中，可仅采用冲动级或采用反动级或冲动级和反动级的组合。冲动式汽轮机可采用许多压力级承担大的压降或许多速度级承担高的动能。还可同时采用速度级和压力级。在一定的压缩机中，同一个机械上采用了轴向流动的级和静向流动的级是有意义的。不同的级可安装在一个或多个轴上。在大型汽轮机中，锅炉出口和凝汽器入口的蒸汽压差非常大。如果汽轮机中只有一个级，那么就需要采用一个高转速的直径很大的转子，这不仅会使制造困难，而且会引起严重的强度和支承问题。一般说来，一个多级蒸汽轮机基本由下面几部分组成：（1）汽缸，为了便于装配和拆卸，通常汽缸在水平中分面分开为两半，这两半由螺栓连接，用于支承静止叶片系统。（2）转子，转子上有动叶片安装在叶轮上，以及还有叶轮。（3）轴承箱置于汽缸中，用于支承轴（4）调节系统依靠控制蒸汽流量，调节汽轮机转速和出力，还有用于轴承润滑的油系统和一组安全装置（5）联轴器用于转子的连接，并与发电机相连；（6）管道与汽缸入口蒸汽供给管道、汽缸出口排汽系统相连。3.2汽缸结构汽轮机汽缸实质上是一个压力容器，在水平中心线的两端支撑它的重量。设计中要求在汽缸的横断面上，能承担管道的应力，而且沿汽缸的长度方向，要有一定的刚性从而维持汽轮机动静部分准确的间隙。汽缸由于内部通道的需要使得其设计复杂。所有的汽缸都从水平中分面分开，从而使转子能放入汽缸内和汽缸装配为一个整体。在汽缸的水平结合面上，设置了巨大的法兰和螺栓用以承担压力。相比汽缸的其余部分，相对厚重的法兰对温度变化的反应较慢，导致了不同的膨胀率，产生了温度应力和变形，尽管这些在汽轮机中已采用了法兰加热蒸汽使其减至最低程度。轴封汽室和蒸汽出入通道使得应力进一步复杂。高压和中压汽缸都是铸造结构，并且在横截面上采用圆形结构从而使得应力达到最小。法兰、螺栓、蒸汽出入通道和其他特征尽可能布置成对称结构，从而减少热不对称和由此引起的变形。低压汽缸可以采用装配结构或装配与铸造组合的结构。和所有的压力容器一样，汽缸在制造完后要进行液压试验检查设计的完善性，液压试验要进行最高工作压力150%的压力试验。3.2.1高压汽缸图3-3高压缸轴向剖面图许多现代汽轮机，蒸汽压力超过10MPa并且功率大于图3-3高压缸轴向剖面图较小的压差可以采用较薄的汽缸，这一点以及双层缸结构的较大的表面积，使得汽轮机在启动时能较快的暖机。另外薄汽缸还易于铸造，并且可能有较少的缺陷。在一些汽轮机中，采用了反向流叶片，其中蒸汽在其膨胀过程中的某处，从缸间返回以相反的方向继续流过最后的级。这种布置导致了较高的缸间压力和温度，在外缸应力增加的代价下减少了热内缸的应力。另外这种结构还使得以缸间参数抽汽的抽汽口结构简单，并且减少了高压转子的净推力。在一些现代汽轮机中，为了进一步减少热内缸的应力以及热变形，采用了三层缸结构，内缸置于一个没有水平结合面的筒状套筒中，（这种）内缸应力小，可以做得相对薄，这样法兰也不厚，而包着它的筒状汽缸应力相对高。然而，由于筒状汽缸没有法兰，厚度均匀，因此即使相对薄，仍可承担（一定的）应力。三层缸的这种形式，其中一个缺点是在装配和拆卸高压汽缸时麻烦。在装配中，需要把转子装入内、外下缸中，之后把内上缸装配好，然后把转子和内缸一块吊起，置于一个特殊的夹具上，使得筒状汽缸穿过。套好后，放下置于外缸的下半部分上，最后把上半外缸扣上即可。蒸汽进汽管道通过外缸，将蒸汽送入到内缸的进汽部分。进汽部分由内缸的一部分形成，这样确保入口蒸汽不直接与转子接触，而是必须首先流过喷嘴和第一列动叶栅。当主蒸汽温度超过538℃一些国外机组采用喷嘴调节代替了节流调节。对于喷嘴调节，汽轮机的进汽部分分成几部分，每部分由顺序开启的调节阀控制，这样导致了更加复杂的铸造结构和强度要求更高的第一级动叶片。静叶片支撑在隔板上，隔板由靠近水平结合面和垂直中分线的键支撑和导向，从而允许同心膨胀。图3-3中高压缸的特征包括：双层缸，叶片支撑在内缸的隔板上，两个进汽管道对称布置，底部有两个抽汽管道，缸间有挡板，缸间靠近排汽端有键，外缸的两端都有立销，进汽管道上有热衬套，转子汽缸间有轴封。3.2.2中压汽缸现代再热机组中，设计中压缸时考虑的因素和高压缸相似，进入中压缸的蒸汽温度和高压缸相同，压力却低于高压缸压力。这使得中压缸可以薄点。一般而言，大于300MW功率的机组至少有一部分为双层缸支承前几级，之后的级由持环支持。内缸和持环都减少了作用在外缸上的压力和温度，也使得外缸的型线光滑，这使外缸设计和制造简单，热性能好。持环（的结构）使得汽缸的设计有较大的灵活性，因为当叶片改变时，不需要改变主要的汽缸，而且一个汽缸的设计能满足级的不同布置方式。图3-4图3-4中压缸轴向剖面图在中压缸的两个反向流中，叶片略有不同，导致两端的压力不同，从而部分内缸外形成了一股冷却汽流。这使得内缸外和螺栓的温度较低，从而可以采用小直径的螺栓。图3-4中压缸的特征有：中间采用内缸，两端为持环结构，外缸上部有四个排汽口，底部有两个抽汽接口，进汽管道上设有热衬套，保护转子中心的导流环支撑在第一级喷嘴上，外缸的两端设有立销，外缸和转子之间有轴封。3.2.3低压汽缸低压汽缸常常是双层缸结构，其中内缸上有隔板支撑，抽汽和抽水接头，外缸将排汽引导至凝汽器并且为内缸提供结构上的支撑。然而，低压缸的结构并不常常如此，尤其是背篮式凝汽器，其对应的低压缸为单层缸结构。形体大的低压外缸以及它们所承受的低压负载使得低压缸尽可能采用装配式结构而不是铸造结构。更加复杂的内缸基于经济性考虑可采用装配式或铸造式。所有汽缸都采用螺栓连接它们的水平结合面。对于一个典型的低压汽缸，它的特征包括：装配式内缸、外缸；内缸上有抽汽口，排汽处有导叶，轴封支持在轴承上并且外缸上有膨胀节连接。3.3汽轮机转子和联轴器3.3.1转子结构类型在大型汽轮发电机组上，采用了四种不同类型的转子结构：整锻转子，其中叶轮和轴由一个锻件锻造而成(图.3-5(a))。套装轮盘转子，由分别锻造好的钢轴和钢制轮盘组成，其中钢制轮盘通过冷缩配合套装在钢轴上，并且利用键连接和定位(图.3-5(b))。鼓形转子，由实心或空心锻件制造而成(图.3-5(c)and3-5(d))。焊接轮盘转子，这类转子在英国并不常见，有用于低压转子上的方式。在国外的应用中，包括高压和中压转子采用了这种类型。由于各种各样的原因，四种类型的转子中，优先采用整锻转子，但是当锻件尺寸超过锻造能力时，采用了套装轮盘结构。目前，英国设计的660MW机组全部采用了整锻转子。为了避免运行中的问题和疲劳裂纹，套装转子在冷缩配合和定位时需要非常仔细。虽然轮盘可能便于进行无损检测，但是整锻转子的无损检测能力已发展到能满足所有要求的程度。对于采用整锻转子的低压转子，有更好的刚性，从而有更好的动态性能。660MW机组几乎无一例外的采用了这种结构的转子，并且试验结果很好。原来在实践中，沿着锻件轴心方向钻孔得到试验材料，从而可用来验证锻造质量。但是随着锻造技术和材料性能的提高，目前在一些设计中已经取消了中心孔结构。焊接转子的优点是锻件尺寸小，但需要有高的整体焊接技术，一些缺乏大型锻造能力的国家采用了焊接转子结构，他们已成功地制成焊接高、中和低压转子，在英国，只有有限数量的焊接低压转子。由中空柱体制成的高温鼓形转子，与短轴连接，易于产生不同的蠕变。在现在的设计中已由整锻鼓形转子取代。受末级叶片设计的限制，双流汽缸取代了高压缸所采用的单流设计。对于660MW机组的设计，中、低压缸的标准设计是采用双流设计。对于单流高压缸，在某种程度上，需要采用平衡活塞来平衡轴向推力，从而减少推力轴承负荷，尤其是反动式机组（动叶两端压降大）需采用面积大的平衡活塞。相反，相比反动级设计，采用冲动级的高压汽轮机转子，它的叶片节距直径降低。另外由于轴向推力更小，仅需要非常小的平衡活塞。3.3.2转子材料图图3-5汽轮机转子结构类型没有对应材料的发展，蒸汽轮机设计领域的发展是不可能的。高温下有好的抗蠕变性能的合金钢的发展以及有好的机械及高断裂韧性的其他合金钢的发展，是冶金领域重大成就的一个方面。另外生产能够在高温和低温下都适用的组件，验证了炼钢技术的进步。这些组件有很大的物理尺寸，而且有能够满足严格的内部缺陷要求的一致的材料性能。高温转子既要求蠕变强度、断裂强度，还要求一定的延展性。利用锻造的铬钼钒钢制造的转子能满足这些要求。铬钼钒合金刚是一种铁素体材料，能够提供可能最好的蠕变性能。对于低温转子，主要的要求是有相对高的伸张强度和高的韧性。由于3.5镍铬钼钒整锻转子锻件避免了套装转子冷缩配合时的复杂性，所以目前的转子采用了这种结构。对于套转低压转子，它的轴和轮盘都采用了镍含量高达3.5%的镍铬钼钒合金钢；对于大型整锻转子，为了获得整锻转子所必需的伸张性能，也首选这种合金钢材料。对于采用一系列实心轮盘组成的装配式低压转子的设计，需要一定的焊接技术。这时对于合金钢材的需求是矛盾的，一方面是对伸张强度的要求，另一方面是可焊接性的要求。因为低压转子可能在不超过周围环境温度很多的温度下运行。这样，提供防止脆性断裂的安全装置是重要的。对于轮盘、叶轮和整锻转子，使用可能最低的脆性转变温度的材料，采用严格的无损检测，以及断裂力学的评估都为低压转子的安全运行提供了必要的（框架）保证。3.5%NiCrMoV钢的FATT值低。在水淬冷和回火条件下，加上对材料成分的仔细控制，3.5%NiCrMoV钢的FATT值很好地低于环境温度，有高的抗拉性能以及随之而来的断裂韧性。3.3.3超速试验所有大型汽轮发电机转子在制造时，都规定要做耐超速20%试验。这样在转子的运行转速范围内，能够保证很好的转子平衡。从而在由电网系统扰动引起的正常超速和超速螺栓试验中经常的10%超速中，能有足够的余度。另外对转子进行超速试验还能验证锻件，因为在超速运行时，转子的离心应力要大于常规运行中的离心应力，由此为衡量防止转子自发快速断裂的裕度提供了定量手段。3.3.4转子平衡在装配好叶片后，需要对转子进行动平衡和静平衡。对于套装转子，在装配前须先对装好叶片的叶轮单独进行平衡。静平衡是指转子重量均匀地置于轴心周围。将转子置于水平放置的刀刃支撑上，滚动转子可进行静平衡检测。动平衡是指针对任一个轴承支撑，沿轴向方向转子不平衡重量的动量之和达到零。动平衡试验是将转子置于弹性支撑面上，转动转子同时测量振动，并且通过添加或减少重量一直到振动可忽略为止。3.3.5临界转速支持在两个轴承之间的静止转子存在一个自振频率，自振频率的大小取决于转子的直径和轴承间距。如果转子转速对应于它的自振频率，残余的不平衡力会被放大并可能达到危险的程度。临界转速可高于运行转速，也可低于运行转速，这和转子结构有关。如果临界转速低于运行转速，我们称之为挠性轴。对于这种轴在启动时需要多加小心，以确保临界转速尽可能快地通过。随着转子长度增加，转子直径下降，临界转速会降低。现代大型机组的趋势是提供刚性转子（临界转速高于运行转速）。因为大型机组的转子长度增加（安装所需的动叶级数需要），随着转子直径的增大，达到了一定的刚性。大型机组的转子利用实心联轴器连接，因此可能由几个单独的转子组成的轴应该作为一个整体来对待。每个转子都支撑在两个轴承上，这些轴承支撑不是简单的支撑。轴承中的油膜有机动性，这会大大影响轴的临界转速。3.3.6联轴器由于锻造转子长度的有限性和在不同温度和应力条件下，需要采用不同的转子材料，故在转子系统中采用了联轴器。大型汽轮发电机的多缸结构也需要采用一个由联轴器连接的轴系。联轴器实质上是传递扭矩的设备，但是它们也可能不得不允许相对的角不对中，传递轴向推力，并且确保轴向定位或允许相对的轴向位移。它们可分为挠性、半挠性和刚性联轴器三种。小型汽轮发电机上(如，最高达到120MW)常采用挠性和半挠性联轴器，而对于大型机组，实际中通常采用刚性联轴器。3.4汽轮机叶片3.4.1冲动级动叶片零部件及结构在冲动级中，这种冲动级由Rateau专家发明，大部分焓降发生在静叶中，级的驱动力来源于通过动叶的蒸汽动量的改变。冲动级设计的优点是紧凑，而且由于动叶中发生的压降小，对动叶的间隙相对不敏感。然而，动叶易于受到喷嘴尾迹扰动的影响，所以必须避免共振并维持低的蒸汽弯曲应力，而且由于动叶中动量改变相对高，故要求动叶强度高而且可能重。因此在实际中，经常把单独制造好的叶片利用叉形叶根安装到轮盘上，叉形叶根与在轮缘上机加工出的轴向凸肩相配合。动叶的外端留有一个或多个凸肩。这些凸肩穿过围带上的孔，同时围带依次装入叶片外机加工出的槽中。当把这些凸肩用铆钉铆好后，就能把围带固定住。围带可用于汽封并且可支撑叶片从而减小振动。每一部分围带将一小部分叶片连在一起并且可和下一部分连在一起或搭接，从而形成了强度非常高的结构。因为在所有冲动级叶片的顶部，反动度增加到一定程度，所以在动叶围带上有与之一体的轴向汽封片。静叶零部件及结构静止喷嘴叶片有两种制造方法。焊接叶片由一整体钢板铣制而成，（和冲有叶型孔槽的内、外围带）共同焊成环形叶栅，（然后再将它焊在隔板体和隔板外缘之间）组成焊接隔板；而铸造叶片，由钢板制成，在浇铸隔板体时铸入叶片，用于温度低于230℃由于冲动级隔板承担的压降大，所以隔板和叶片的强度都需要很高。尽管冲动级隔板在隔板汽封处的直径相对较小，但其隔板汽封仍需要尽可能地好从而可以承担大的压差。在动静部分发生轴向位移时，要确保对径向汽封的影响不是很大。复速级汽轮机的第一个高压级，尽可能增大喷嘴叶栅的压降。它有时包含有两个冲动级。这两个冲动级置于同一个叶轮上，从而可保护汽缸和转子免于较高温度、压力蒸汽的冲击。由于这种级的焓降相当于四个冲动级，所以尽管会牺牲一些效率，但小型的便宜的汽轮机上会采用这种级。它不再用于带基本负荷的大型汽轮机上。这种级的喷嘴，采用缩放型，会产生很高的蒸汽动能，其中一部分用于动叶的第一列叶栅，剩下的经过静止导向叶片改变方向后，用于第二列叶栅。它的动叶和喷嘴叶片都由实心钢板机加工而成，要求强度非常高。3.4.2反动级静叶片和动叶片—零部件及结构尽管称之为“反动级”，实际上反动级的冲动度和反动度相同，导致了动叶片和静叶片的型线相同。这种类型的叶片由CharlesParsons先生设计提出，便于利用标准轧制型线进行经济生产。为了获得好的效率，这种级的速比相对较高，所以每一列叶栅上的焓降小，这也就是说，对于输出相同的轴功，这种级的级数较多。对于反动级，蒸汽以较低的速度进入动叶，并且基本上是以轴向方向进入的。因此作用在动叶上的驱动力基本全部来源于蒸汽通过动叶加速流动时产生的反动力。这样作用在动叶上的力相当平稳，加上静叶的喷嘴尾迹产生非常小的扰动，故反动级的动叶片上可有相当高的弯曲应力，而不存在由于振动而引起的疲劳故障风险。由于反动级静叶片两端的压差小，故反动式汽轮机不需要隔板，但是为了防止过度的漏汽损失，仍需要保持小的叶顶间隙。现代的反动式汽轮机在动静部分间，通常既有轴向汽封，也有径向汽封。这样在转子叶片的外端，有与叶片形成一体的围带，围带与汽缸上装有汽封齿片的汽封体配合形成汽封。静叶内径上的汽封齿片为静叶与转子间的间隙提供了汽封。3.4.3低压级气体动力学与机械限制在早期的机组上，末几级低压动叶片是定截面叶片。这种定截面叶片的应力从叶顶到根部呈二次方的增加，在叶片连接到叶根的部位应力达到最大。这样限制了可能运行于同步转速的叶片长度。现在先进的末级叶片截面随着半径的平方呈指数减小。于是由离心应力引起的张应力在叶片的大部分高度内基本不变，从而使得在3000r/min机组上叶片的高度可达940mm。现代的叶片，叶顶直径通常大约是叶根直径的两倍。因此，叶片中部相邻叶片圆周方向的距离，即叶片的节距是叶根处节距的1.5倍。这样，圆周方向的速度也是叶片底部圆周速度的1.5倍。叶片速度的增加将会改变蒸汽进入动叶的相对速度方向。因此动叶的入口角应设计成与蒸汽汽流的方向相一致，这样动叶的截面形状发生了变化。这使动叶出口角减小，以致动叶压降增加，并在动叶出口获得较大的速度来补偿圆周速度的增加从而使蒸汽离开叶片时产生最小的漩涡。级的根部设计反动度相当低，因为随着叶高的增加，动叶的压降增加，所以通过静叶的压降减少，从而使随着叶高的增加，级的反动度增加。由于离心力产生的径向拉应力和蒸汽汽流变化产生的空气动力学作用导致了高度扭曲叶片的采用，这种叶片在叶根处强度高，反动度低；而叶顶处则强度低，反动度高。叶顶连接件长叶片和大叶弦的采用导致了叶片节距的增加，这样使得提高叶片强度和减弱振动的装置变得复杂。为了承担离心负载，围带或拉金像跨接在叶片节距间的横梁，同时围带和拉筋还必须承担由于叶片的径向弹性伸长和运行中叶片有松动的趋势而引起的巨大周向张力。3.4.4动叶叶根固定大型汽轮机末级叶片在运行时，会产生几百吨的离心应力，因此需要非常有效的叶根固定。目前叶根固定方式包括：菱形叶根，叉形叶根和直或斜的纵树形叶根。纵树形叶根是一种很好的叶根固定方式，因为在这种方式中，叶片可以依次紧密的排列而且在轴与叶根相连的齿上有最佳的离心力。3.4.5汽轮机叶片发展将来，汽轮机叶片有望向满足下面三个目标发展：降低制造成本整体性能改善提高效率，包括排汽面积增大后的新低压叶片。叶片设计的成本可利用计算机辅助设计与制造降至最低。在计算机辅助设计与制造中，考虑性能、振动和应力因素的最佳尺寸可直接输入到数控机床上。为减少应力集中进行仔细详细设计可改善叶片整体性能。减少应力集中可通过控制振动特性避免在运行转速附近共振、减少叶片附件如围带拉筋和防腐蚀保护的使用（或改善性能）来实现。为了改善整体性能，需在强度高厚截面叶片与高效率及高效率一般具有高叶型比（长弦比）的叶片之间寻求平衡。因为在高、中压缸中，大部分现代汽轮机叶片的内效率已达90%-95%，故再提高的程度不大。汽轮机制造者已经形成了高效的标准叶片系列，它们的效率受汽流入射角的变化的影响小，汽流入射角的变化是由于不同的应用情况和不同