汽轮机设备及运行_课件（PPT105页)

《汽轮机设备及运行》课件（4）4汽轮机的工作原理1、汽轮机的级：是由一组安装在喷嘴汽室或隔板上的静叶栅和一组安装在叶轮上的动叶栅所组成，它是汽轮机作功的最小单元。2、级内能量转换过程：具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在静叶栅通道中得到膨胀加速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。通过冲动和反动两种作用实现。2第一节级的一般概念一、汽轮机的级、级内能量转换过程3汽轮机低压转子（含动叶栅）4蒸汽在级中做功的热力过程线53、冲动作用原理(impulse):当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被称为冲动力。这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于蒸汽微团流进、流出动叶通道时其动能的变化量。4、反动作用原理(reaction):当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向，同时还要膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动力，后者会对叶片产生一个反作用力，即反动力。蒸汽通过这种级，两种力同时作功。6蒸汽对于动叶栅的作用力二、反动度为了描述蒸汽通过汽轮机某一级时在动叶通道中的膨胀程度大小，通常用反动度Ω来描述。反动度等于蒸汽在动叶通道中膨胀时的焓降和在整个级的理想焓降之比，即7m蒸汽参数随叶高变化，即比焓降也沿叶高变化，因此级的反动度也随叶高变化。一般取叶片根部截面、叶片平均截面、叶片顶部截面为特征截面，相应的反动度为Ωr、Ωm和Ωt。实际上，级的反动度沿叶高是增大的。对于短叶片，一般给出的反动度为级的平均反动度。三、汽轮机级的类型及特点（一）冲动级和反动级按蒸汽在动叶通道内膨胀程度不同，即反动度的大小不同，轴流式级可分为冲动级和反动级。1、冲动级。Ωm=0的级叫纯冲动级，蒸汽只在喷管叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向。纯冲动级做功能力大，但效率比较低，现代一般采用带少量反动度（Ωm=0.05~0.2）的冲动级。做功能力比反动级大，效率比纯冲动级高。8冲动式汽轮机的结构特点：因为汽流在动叶栅内膨胀量较少，所以动叶栅的截面形状是近似对称的。因为动叶栅前后压力相差较小，没有太大的轴向力作用在转子上，所以冲动式汽轮机可以采用质量轻，结构紧凑的轮盘式转子。同样可以采用较大的径向间隙，从而提高汽轮机运行的灵活性。但是喷嘴叶栅前后存在较大的压力差，为了减少喷嘴叶栅与轴之间间隙的漏汽量，要尽量减小间隙的直径，所以设计为隔板结构，把喷嘴装在隔板的外环上，在隔板的内孔装有汽封片。92、反动级：Ωm≈0.5。蒸汽在喷管和动叶通道中的膨胀程度相等。做功的力基本上冲动力和反动力各占一半。结构特点：动叶叶型与喷管叶型相同。效率比纯冲动级高，但做功能力较小。1011反动级汽轮机特点：喷嘴叶栅和动叶栅可以采用相同的叶型，构成相似的喷嘴叶栅和动叶栅通道，因而可以降低汽轮机的制造成本。因为在动叶片前后存在较大的压力差，为了减小汽流对转子作用的轴向力，反动式汽轮机采用转鼓式结构，没有叶轮。喷嘴叶片直接安装在汽缸内壁，使级的轴向尺寸减小。但粗大的转鼓式转子质量大，启动时热惯性大，增加了暖机时间而影响到汽轮机运行的机动性。为了减少蒸汽漏泄量应尽量减小径向间隙。为了平衡轴向推力，还设置了平衡活塞。反动级因动叶片前后存在压力差，为了避免过大的级内损失，一般不采用部分进汽，而采用全周进汽。12（二）压力级和速度级按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程不同，还把汽轮机和级分为压力级和速度级。1、压力级：蒸汽的动能转换为转子机械能的过程在级内只进行一次的级。叶轮上只装一列动叶栅，故又称单列级。可以是冲动级，也可以是反动级。2、速度级：转换过程进行一次以上的级。可以是双列或多列的。只有一列喷管，后面有两列或更多列动叶片。采用最多的是双列速度级，又称复速级。速度级是冲动式的，可以看作是单列冲动级的延伸。做功能力很大，但效率低。常用于单级汽轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。1314（三）调节级和非调节级按通流面积是否随负荷大小改变，可将汽轮机的级分为调节级(governingstage)和非调节级。1、调节级：通流面积能随负荷改变而改变。如喷管调节汽轮机的第一级。运行时，可通过改变通流面积来控制进气量，达到调节汽轮机负荷的目的。一般中小汽轮机用复速级作为调节级，大型汽轮机常用单列冲动级作为调节级。2、非调节级：通流面积不随负荷改变而改变的级。二者另一个不同点：调节级总是做成部分进汽，而非调节级可以是全周进汽，也可以是部分进汽。15汽轮机的第一级就是调节级，机组靠改变调速汽门的开度，控制汽室的投入和喷嘴的工作，改变部分进汽度，改变进汽量，以调整负荷。用调节阀调节负荷的机组是节流调节机组，其第一级喷嘴是全部投入的，不起调节作用，当然也不是调节级。当然，也有符合调节的。调节级是汽缸中温度最高、压力最高、做功量最大的级，又是部分进汽，所以，对其温度、压力要严格监控，防止超标造成危害。另外，监视调节级压力，也可以了解后面各级蒸汽通道的工作情况。16一、基本假设和基本方程式二、蒸汽在喷嘴中的流动过程三、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程17第二节蒸汽在喷嘴中的能量转换过程一、基本假设和基本方程式流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性、非连续性和不稳定三元流的实际流体。为了研究方便，特作假设：1.蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的：即在流动过程中，通道中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变。2.蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动：即蒸汽在叶栅通道中流动时，其参数只沿流动方向变化，而在与流动方向相垂直的截面上不变化。3.蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动：即蒸汽在叶栅通道中流速很快，流动时与外界没有热交换。1819二、蒸汽在喷嘴中的流动过程（一）汽流参数与喷嘴形状的关系根据连续方程式、动量方程式、等熵过程方程，综合可得：M是马赫数(M=c/a)。可以看到，喷嘴截面积的变化规律，不仅和汽流速度有关，同时还和马赫数M有关。（1）当汽流速度小于音速，即M1时，若要使汽流能继续加速，即dc/dx0，则必须dA/dx0，即渐缩喷嘴。（2）当汽流速度大于音速，即M1时，若要使汽流能继续加速，即dc/dx0，则必须dA/dx0，即渐扩喷嘴。（3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1，dA/dx=0。表明横截面A不变化，达到最小值。20211、临界速度在膨胀过程中，到某一截面会出现汽流速度等于当地音速。当汽流速度等于当地音速时，则称此时的流动状态为临界状态。这时的参数为临界参数，用等表示。临界速度的表达式为：crcrcrcvp、、crcrcrvkpvpkkakc*0*0*01212（二）喷嘴中气流的临界状态临界速度只取决于蒸汽的初始参数，与过程无关。222，临界压力临界压力表达式为：对于等熵膨胀过程来说，有，则上式为上式表明，临界压力只与等熵指数κ和初压有关。临界压力与初压之比称为临界压力比，用表示：对于过热蒸汽（κ=1.3)则=0.546;对于饱和蒸汽（κ=1.135)则=0.577；湿蒸汽κ=1.035+0.1x，所以随干度x变化.**002()1crcrvppv1*0*0()crcrvpvp*102()1crppcr1*02()1crcrppcrcrcr231，喷嘴出口的汽流理想速度在进行喷嘴流动计算时，喷嘴前的参数是已知条件。按等熵过程膨胀，其过程曲线如右图所示。喷嘴出口汽流理想速度表达式为或者为蒸汽在喷嘴出口处的速度由喷嘴进口和出口的蒸汽参数决定，并和喷嘴进口的蒸汽速度有关。22*101002()22ttnnchhchch1*2001110*000221111tnpppccp（二）喷嘴出口汽流速度计算242，喷嘴出口的汽流实际速度实际流动是有损失的，汽流实际速度小于汽流理想速度。通常用喷嘴速度系数来考查两者之间的差别(通常取=0.97)。这样，喷嘴出口的汽流实际速度为3，喷嘴损失蒸汽在喷嘴通道中流动时，动能的损失称为喷嘴损失，用表示：喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数，用表示：11tcc22222*111111(1)(1)222nttnhCCChnh2*(1)nnnhhn2526271，喷嘴的理想流量Gt计算喷嘴的理想流量Gt可用下式计算:式中，----喷嘴出口处截面积;----喷嘴出口处理想汽流速度;----喷嘴出口处比容。还可以写成当喷嘴前参数和出口面积一定时，理想流量只与压比，或者喷嘴背压有关。1111ttnntttcGAAcvnAtv1tc121*0*02()1tnnnpGAv(三)喷嘴流量计算282，喷嘴流量曲线临界流量为：式中，只与κ值有关。对于过热蒸汽（κ=1.3),=0.667；饱和蒸汽（κ=1.135),=0.635。1**001**002()1tnncrppGAAvv293，通过喷嘴的实际流量的计算通过喷嘴的实际流量为：式中，称为喷嘴流量系数。对于过热蒸汽，取μn=0.97；对于饱和蒸汽，取μn=1.02。考虑了流量系数之后，通过喷嘴的实际流量为：对于过热蒸汽：对于饱和蒸汽：另外还可以用单一的计算公式表示：其中，称为彭台门系数。对于亚临界流动，1,对于临界和超临界流动，=1。11111111tttnntnttcvvcGAAGGvvvv11vvtn*0*00.647npGAv*0*00.648npGAv*0*00.648npGAv302121**001111**0022112211nnnnnncrnnApGGAp31（四）蒸汽在喷嘴斜切部分的流动为了使喷嘴中流出的汽流顺利进入动叶通道，在喷嘴出口处必须有一段斜切部分,如下图所示。这样，实际喷嘴由两部分所组成：一部分是渐缩部分ABEF，AB为最小截面处。另一部分为斜切部分ABC。这种喷管叫斜切喷管。斜切部分在某些流动状态下，对汽流速度的大小和方向都将产生一定的影响。321、当喷嘴出口压力（背压）大于或等于临界压力时，AB截面上的流速小于或等于音速，喉部压力等于背压（），汽流通过喷嘴，只在渐缩部分膨胀加速，而在斜切部分ABC处不膨胀加速。斜切部分只起导向作用。从喷嘴流出的汽流与动叶运动方向成一角度(称为喷嘴出汽角）。2、当喷嘴出口压力（背压）小于临界压力时，汽流在AB截面上达临界状态，汽流在斜切部分要继续膨胀加速，蒸汽压力由临界压力下降为，汽流速度由临界速度膨胀到大于音速，并且汽流方向要发生扰动和偏转。bpp1111pcrp①渐缩斜切喷管中的膨胀特点33(1)斜切部分：导向(2)斜切部分：膨胀加速，汽流发生偏转1crpp1crpp蒸汽在渐缩喷管斜切部分的流动小结②缩放喷管如右图，A1B1是喉部截面，AB是出口截面。AB界面上所能达到的最低压力就是设计压力，，所以喷管背压只有在低于时，气流在斜切部分才发生膨胀并偏转。34cacrppcap1pcap③气流偏转角的近似计算一般在2°~4°为宜。以上讨论的内容，对动叶栅的斜切部分也适用。3511111sinsincrcrttcc1(1)111(1)21()11sin1nn1静叶（喷嘴）原理小结•喷嘴出口速度及速度系数•喷嘴临界状态•喷嘴流量及流量系数•喷嘴斜切部分的蒸汽流动3638（一）动叶进出口速度三角形汽流在喷嘴中膨胀加速后进入动叶通道时，其方向和大小都要发生变化，其结果是将蒸汽的动能转变为机械功。为了计算蒸汽作功大小，必须确定动叶栅进出口汽流速度的变化。动叶栅进出口速度三角形就是表示动叶栅进出口处汽流绝对速度