第二篇汽轮机基础知识

第二篇汽轮机基础知识第一节汽轮机工作原理蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理•冲动作用原理•冲动力：改变其速度的大小和方向则产生一冲动力或汽流改变流动方向对汽道产生一离心力，此力为冲动力，此力的大小取决于单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量及其速度的变化。•反动作用原理•反动力：因汽流膨胀产生一相反力（汽体压力变化），如火箭。•此力的大小取决于汽体压力的变化。作用在动叶片上的里有：冲动力和反动力冲动式汽轮机级的工作原理和级内能量转换过程及特点。•蒸汽在汽轮机级内的能量转换过程，是先将蒸汽的热能在其喷嘴叶栅中转换为蒸汽所具有的动能，然后再将蒸汽的动能在动叶栅中转换为轴所输出的机械功。具有一定温度和压力的蒸汽先在固定不动的喷嘴流道中进行膨胀加速，蒸汽的压力、温度降低，速度增加，将蒸汽所携带的部分热能转变为蒸汽的动能。从喷嘴叶栅喷出的高速汽流，以一定的方向进入装在叶轮上的动叶栅，在动叶流道中继续膨胀，改变汽流速度的方向和大小，对动叶栅产生作用力，推动叶轮旋转作功，通过汽轮机轴对外输出机械功，完成动能到机械功的转换。由上述可知，汽轮机中的能量转换经历了两个阶段：第一阶段是在喷嘴叶栅和动叶栅中将蒸汽所携带的热能转变为蒸汽所具有的动能，第二阶段是在动叶栅中将蒸汽的动能转变为推动叶轮旋转机械功，通过汽轮机轴对外输出。汽轮机分类•1.按照热力特性分•凝汽式汽轮机•蒸汽在汽轮机中膨胀做功后，在高度真空状态下进入凝汽器凝结成水。有些给水泵汽轮机没有回热系统，称为纯凝汽式汽轮机•背压式汽轮机•蒸汽在汽轮机中膨胀做功后，排汽直接用于供热，不设凝汽器。当排汽作为其他中低压汽轮机的工作蒸汽时，称为前置式汽轮机•调节抽汽式汽轮机•从汽轮机某级后抽出一定压力的部分蒸汽对外供热，其余排汽仍进入凝汽器。由于热用户对供热蒸汽压力有一定要求，需要对抽汽供热压力进行自动调节，故称为调节抽汽。根据供热需进入汽轮机的蒸汽膨胀到某一要，有一次调节抽汽和两次调节抽汽之分•抽汽背压式汽轮机具有调节抽汽的背压式汽轮机•中间再热式汽轮机•进入汽轮机的蒸汽膨胀到某一压力后，被送往锅炉的再热器进行再热，再热后返回汽轮机继续膨胀做功•混压式汽轮机•利用其他来源的蒸汽引入汽轮机相应的中间级，与原来的蒸汽一起工作。通常用于工业生产的流程中，用来综合利用蒸汽的热能汽轮机其他分类•1.工作原理•冲动式汽轮机主要由冲动级组成，蒸汽主要在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中只有少量膨胀•反动式汽轮机•主要由反动级组成，蒸汽在喷嘴叶栅和动叶栅中膨胀程度相同。由于反动级不能•做成部分进汽，故调节级常采用单列冲动级或复速级•2.按照主蒸汽压力•低压汽轮机主蒸汽压力0.12～1.5MPa•中压汽轮机主蒸汽压力２～４MPa•高压汽轮机主蒸汽压力６～１０MPa•超高压汽轮机主蒸汽压力１２～１４MPa•亚临界压力汽轮机主蒸汽压力１６～１８MPa•超临界压力汽轮机主蒸汽压力大于２２.１MPa•超超临界压力汽轮机主蒸汽压力大于３２MPa反动式汽轮机和冲动式汽轮机的优缺点比较？•不论冲动式汽轮机还是反动式汽轮机，其静叶片的格道都是收缩形的，既槽道的进口宽度大，出口宽度小，蒸汽经过这种槽道后，压力降低，速度增加。但动叶片的槽道则不一样，冲动式汽轮机的槽道进出口宽度基本差不多，从静野流来的蒸汽只在其中改变方向，没有加速，动叶进出口的速度相等；反动式汽轮机动野形成的槽道和静叶相同，也呈收缩形，只是安装方向相反，蒸汽在槽道中不但改变方向，还增加（）了速度，出口压力也比进口压力低。•反动式汽轮机的级效率比冲动式高，大部分为短叶片，制造简单，但每级的压力降较小，总级数较冲动式汽轮机多得多，一般来讲，小容量汽轮机用冲动式为宜，大容量汽轮机采用反动式可改善经济性。提高电厂热力循环效率的途径•电厂热力循环以朗肯循环为基础，根据上面的分析可知，提高电厂热力循•环效率的途径有：提高循环的平均吸热温度，降低循环的平均放热温度，采用•给水回热、蒸汽再热、热电联产和双工质复合循环等。提高蒸汽初参数提高循环效率•在平均放热温度不变的情况下，提高蒸汽的初温可以提高循环的平均吸热温度，因此可以提高循环效率。提高蒸汽初温，也提高了汽轮机排汽干度，减少汽轮机末级叶片水蚀。提高蒸汽的初压力可以提高蒸汽的饱和温度，从而提高循环的平均吸热温度，提高循环效率。但随着蒸汽初压的提高，汽轮机的排汽干度降低，从而限制了蒸汽初压的提高。•提高热力循环初参数受到金属材料所能承受的最高温度的限制。目前，电厂热力循环蒸汽初温在550到600度以下。降低排汽压力提高循环效率•汽轮机的排汽是湿蒸汽，降低了汽轮机的排汽压力就降低了热力循环的平均放热温度，从而使热力循环的效率提高。但是排汽压力的降低会使汽轮机排汽的干度下降，造成汽轮机最后几级蒸汽中的水滴增加，对汽轮机叶片产•生水蚀，影响机组运行的安全。另外电厂一般以大气环境作为冷源，排汽温度的降低还受到环境温度的限制。排汽压力的降低会增大排汽容积流量，从而要求汽轮机有更大的排汽面积，增加了汽轮机末级叶片的长度和凝汽器的尺寸，提高了造价和制造难度。同时循环水泵容量及其耗电景也会增加。因此，汽轮机排汽压力的选择应综合考虑冷却水温度、末级叶片尺寸、凝汽器和循环水泵的投资费用等因素，在进行技术经济比较后确定。采用中间再热提高循环效率•提高电厂热力循环的蒸汽初压力可以提高循环效率，但是蒸汽初压力的•提高却使排汽干度下降，使得提高受到了限制。为了进一步提高蒸汽的初压•力，可以当蒸汽在汽轮机中膨胀到一定压力时，将蒸汽引入锅炉进行再热，从•而提高汽轮机排汽干度。再热汽轮机组不仅可以减少汽轮机低压段的蒸汽含•水量，也提高了循环效率。采用给水回热提高循环效率•给水回热就是利用汽轮机中间级抽汽加热锅炉给水，从而提高锅炉的给水温度热力循环方式。采用给水回热可以使工质在热力循环内部互相传递热量，减少蒸汽在凝汽器中的冷源损失，使循环的效率得以提高。从理论上讲，给水回热级数越多，给水温度越高，整个热力循环越接近卡诺循环，回热循环效率越高。但随着回热级数的增加，循环效率的提高越来越小，回热级数的增加受到设备投资的限制。在一定的回热级数下，给水温度有一个最佳值。目•前对于大型机组来说，给水回热级数一般为７～８级，给水温度为２４０～２８０度。热电联合循环提高循环效率•利用汽轮机中作过功的蒸汽（抽汽或排汽）为热用户供热，这种既发电又•供热的热力循环方式称为热电联合循环。热电联产中，由于部分或全部蒸汽•供给热用户使用，减少了冷源损失，从而提高了燃料的利用率。双工质复合循环提高循环效率•双工质复合循环是利用不同工质的热力特性组成复合循环，从而提高循环的热经济性。目前使用最多是燃气—蒸汽联合循环。•燃气—蒸汽联合循环•是利用燃气循环平均吸热温度高和汽蒸循环平均放热温度低的特点，用燃气轮机和汽轮机组成联合循环，提高循环效率蒸汽在喷嘴中的热力过程•基本假设和基本方程式•基本假设•为了讨论问题的方便，除把蒸汽当作理想气体处理外，还假设：•1)蒸汽在级内的流动是稳定流动，即蒸汽的所有参数在流动过程中与时间尤关。实际上，绝对的稳定流动是没有的，蒸汽流过一个级时，由于有动叶在喷嘴栅后转过，蒸汽参数总有一些波动。当汽轮机稳定工作时，由于蒸汽参数波动不大，可以相对地认为是稳定流动。•(2)蒸汽在级内的流动是一元流动，即级内蒸汽的任一参数只是沿一个坐标(流程)方向变化，而在垂直截面上没有任何变化。显然，这和实际情况也是不相符的，但当级内通道弯曲变化不激烈，即曲率牛径较大时，可以认为是一元流动。•(3)蒸汽在级内的流动是绝热流动，即蒸汽流动的过程中与外界无热交换。由于蒸汽流经一个级的时间很短暂，可近似认为正确。基本方程式在汽乾机的热力计算中，往往需要应用可压缩流体一元流动方程式，这些基本方程式有：状态及过程方程式，连续性方程式和能量守恒方程式。•状态及过程方程式•理想气体的状态方程式为pv=RT•式中p－绝对压力，Pa；•v－气体比容，m3／kg；•T－热力学温度，K；•R－气体常数，对于蒸汽，R=461.5J／(kg·K)。•当蒸汽进行等熵膨胀时，膨胀过程可用下列方程式表示•pvk=常数•其微分形式为••式中：k为绝热指数。对于过热蒸汽，k=1.3；对于湿蒸汽，k=1.035+0.1x，其中x是膨胀过程初态的蒸汽干度。pv=RT连续性方程式•在稳定流动的情况下，每单位时间流过流管任一截面的蒸汽流量不变，用公式表示为•Gv=cA•式中G---蒸汽流量，kg／s；•A--流管内任一截面积，m3•c---垂直于截面的蒸汽速度，m/s•v---在截面上的蒸汽比容，m3/kg能量守恒方程式•根据能量守恒定律可知，加到汽流中的热量与气体压缩功的总和必等于机械功、摩擦功、内能、位能及动能增值的总和。而在汽轮机中，气体位能的变化以及与外界的热交换常可略去不计，同时蒸汽通过叶栅槽道时若只有能量形式的转换，对外界也不做功，则能量守恒方程可表达为•式中h0、h1---蒸汽进入和流出叶栅的焓值，J/kg；•c0、c1---蒸汽进入和流出叶栅的速度，m/s；•对于在理想条件下的流动，没有流动损失，与外界没有热交换，也就是说在比等熵条件下，在叶栅出口处的流动速度为理想速度c1t，则蒸汽在喷嘴中的膨胀过程•蒸汽的滞止参数理想气体在等比熵过程中的比焓差可表示为下角0与1分别表示喷嘴进出口处的状态蒸汽在喷嘴出口处的动能是由喷嘴进口和出口的蒸汽参数决定的，并和喷嘴进口蒸汽的动能有关。当喷嘴进口蒸汽动能c02／2很小，并可忽略不计时，喷嘴出口的蒸汽流速仅是热力学参数的函数。若喷嘴进口蒸汽的动能不能忽略不计，那么我们可以假定这一动能是由于蒸汽从某一假想状态0*(其参数为p0*，、v0*、h0*等)等比熵膨胀到喷嘴进口状态0(其参数为p0、v0、h0等)时所产生的，在这一假想状态下，蒸汽的初速为零。换言之，参数p0*、v0*是以初速c0从p0v0等比熵滞止到速度为零时的状态，我们称p0*、v0*、h0*等为滞止参数。若用滞止参数表示则式滞止参数在h-s，图上的表示如图所示。喷嘴出口汽流速度•对于稳定的绝热流动过程(等比熵过程)，喷嘴出口蒸汽的理想速度为式中h1t----在理想条件下，喷嘴出口的比焓，J／kg；Δhn----在理想条件下，喷嘴中的理想比焓降，Δhn=h0-h1t，J／kg；Δhn*----喷嘴中的滞止理想比焓降，Δhn*=Δhc0-Δhn，J／kg。喷嘴喷嘴速度系数及动能损失速度系数及动能损失•由于蒸汽在实际流动过程中总是有损失的，所以喷嘴出口蒸汽的实际速度c1总是要小于理想速度clt，速度系数正是反映喷嘴内由于各种损失而使汽流速度减小的一个修正值。••φ为喷嘴速度系数，是一个小于1的数，其值主要与喷嘴高度、叶型、喷嘴槽道形状、汽体的性质、流动状况及喷嘴表面粗糙度等因素有关。•喷嘴的实际汽流速度c1比理想速度c1t要小，所损失的动能又重新转变为热能，在等压下被蒸汽吸收，比熵增加，使喷嘴出口汽流的比焓值升高。因此，蒸汽在喷嘴内的实际膨胀过程不再按等比熵线进行，而是一条熵增曲线。喷嘴中的临界条件•在喷嘴中，当蒸汽作等比熵膨胀到某一状态时，汽流速度就和当地音速相等，即c1t=a，则称这时蒸汽达到临界状态，此时马赫数Ma=c1t／a=1，这一条件称为临界条件。临界条件下的所有参数均称为临界参数，在右下角以“c”表示，如临界速度c1c、临界压力p1c等。•临界速度为喷嘴临界压力比•实践和理论都可以证明，初压为P0的蒸汽，通过喷嘴后，如果不发生紊乱膨胀，其后边的压力P1不可能无限度降低，对于过热蒸汽，P1只能降至0.546P0，对于干饱和蒸汽，P1只能降至0.577P0•蒸汽通过喷嘴后，压力降至最低的那个极限压力，称为临界压力，临界压力和喷嘴前的蒸汽压力之比，称为临界压力比εnc缩放喷嘴和渐所喷嘴•蒸汽在喷嘴中流动的连续流动方程q=Ac/v或A=qv/c•进入喷嘴中的蒸汽量，不论喷嘴截面是否相等，流过喷嘴各截面的流量均相等，----等截面喷嘴•当蒸汽流过喷嘴时，比容和流速都增大，，如果比容和流速增加的速率相等，则喷嘴的面积相等，---