2 汽轮机级的工作原理20121020

1汽轮机原理PrincipleofSteamTurbine重庆大学本科课程2012.10授课教师：陈艳容2级——由一列喷嘴叶栅（静叶栅）和其后的一列动叶栅构成的汽轮机基本做功单元。2.1概述一、汽轮机的级1.什么是级?级的结构简图34级=喷嘴叶栅+动叶栅2.1概述一、汽轮机的级2.级的结构编号和下标：0,1,2；n-nozzle喷嘴，b-blade动叶。截面：0-0特征截面或计算截面：喷嘴前：0-0；喷嘴后（动叶前）：1-1；动叶后：2-2。5通流部分：汽轮机本体中作功汽流的通道称为汽轮机的通流部分，包括主汽门、调节汽门、进汽导管、进汽室、各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。1—轴2—叶轮3—动叶片4—喷嘴几个基本概念喷嘴：由固定不动的静叶栅构成的蒸汽通道。转子：汽轮机的转动部分。动叶装在转轴上，与叶轮及转轴等构成汽轮机的转动部分。62.1概述一、汽轮机的级3.级内工作过程（1）功能：推动叶轮和轴转动，以带动发电机发电。（2）蒸汽的流动路线：进入喷嘴→离开喷嘴→进入动叶→离开动叶。72.1概述一、汽轮机的级3.级内工作过程（3）能量转换：在喷嘴中将热能转换为动能，在动叶中将动能转换为机械能。两次能量转换：Ⅰ喷嘴：蒸汽在喷嘴通道内膨胀，把蒸汽部分热能转换为出口蒸汽动能Ⅱ动叶：冲动力和反动力联合做功，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。82.1概述一、汽轮机的级3.级内工作过程（4）工质性质的变化：蒸汽通过喷嘴和动叶后，其压力、速度的变化趋势如图右图所示。（冲动式汽轮机）w2w1特征截面或计算截面：喷嘴前：0-0；喷嘴后（动叶前）：1-1；动叶后：2-2。00221192.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线反应级的做功过程和工质的变化特性的h-s曲线。（1）四个状态：1）滞止状态（0*状态）。2）喷嘴进口状态（0状态）。3）喷嘴出口状态（动叶进口状态，1状态）。4）动叶出口状态（2状态）。10滞止状态：假设喷嘴进口初速滞止为零的状态；滞止参数：滞止状态下的汽流热力参数，用上标“0”或“*”来表示；*0*0*0hvp、、举例：20021chc滞止焓值：喷嘴前汽流速度c0所具有的动能：0000*021chhchh2.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线112.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线•理想过程：无不可逆损失的等熵过程；•实际过程：存在着不可逆摩擦损失，动能损失转变为热能。12（2）三类参数：1）焓降——物理意义：做功能力级的滞止理想比焓降级的理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降喷嘴的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线0thth*nhnh2）熵增过程——物理意义：不可逆过程3）损失a.喷嘴损失b.动叶损失在实际研究中常认为bh'bh=bh*0*,0tp2pnhbh13（2）三类参数：1）焓降——物理意义：做功能力级的滞止理想比焓降级的理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降喷嘴的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线0thth*nhnh2）熵增过程——物理意义：不可逆过程3）损失a.喷嘴损失b.动叶损失在实际研究中常认为bh'bh=bh00,tp2pnhbh'bh14（2）三类参数：1）焓降——物理意义：做功能力级的滞止理想比焓降级的理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降喷嘴的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线0thth*nhnh2）熵增过程——物理意义：不可逆过程3）损失a.喷嘴损失b.动叶损失在实际研究中常认为bh'bh=bh1p*0*,0tp*nh'bhnhbh15（2）三类参数：1）焓降——物理意义：做功能力级的滞止理想比焓降级的理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降喷嘴的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线0thth*nhnh2）熵增过程——物理意义：不可逆过程3）损失a.喷嘴损失b.动叶损失在实际研究中常认为bh'bh=bh00,tp1pnhbh16（2）三类参数：1）焓降——物理意义：做功能力级的滞止理想比焓降级的理想比焓降喷嘴的滞止理想比焓降喷嘴的理想比焓降动叶的理想比焓降2.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线0thth*nhnh2）熵增过程——物理意义：不可逆过程3）损失a.喷嘴损失b.动叶损失在实际研究中常认为bh'bh=bh11,tp2pnhbh172.1概述一、汽轮机的级4.热力过程线2）熵增过程——物理意义：不可逆过程3）损失a.喷嘴损失b.动叶损失在实际研究中常认为bh'bh=11,tp2pnhbh'bh18余速损失2.1概述一、级的工作过程4.热力过程线2）熵增过程——物理意义：不可逆过程3）损失a.喷嘴损失b.动叶损失c.余速损失喷嘴中的能量损失210t1t2动叶中的能量损失19动叶理想比焓降：0202cch01nthhh11nthhh01nnhhhh12bthhh滞止比焓差：喷嘴理想比焓降：喷嘴损失：喷嘴实际比焓降：喷嘴及动叶的热力过程线22bthhh12bbhhhh动叶损失：动叶实际比焓降：2222cch余速损失：2.1概述2002ttnbhhhhh00ttchhh级的理想比焓降：级滞止理想比焓降：汽轮机的级的热力过程线喷嘴滞止理想比焓降：2unbchhhh20utnbchhhhh00nnchhh轮周损失：轮周有效比焓降：2.1概述210nh0011pnhbh2bhth0th02uh2ch2p00h0chhsh-s图中汽轮机级的热力过程2.1概述22⑴冲动力（Fi）：从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，给动叶施加的力。⑵反动力（Fr）：蒸汽在动叶通道内膨胀加速，离开动叶通道时，给动叶一个与汽流运动方向相反的作用力。⑶级的受力：冲动力和反动力的合力F作用在动叶栅上，其在轮周方向上的分力Fu使动叶栅旋转而产生机械功。1、汽轮机级的受力分析ABCDEFiFrw1w2u蒸汽在动叶流道内膨胀时对动叶的作用力喷嘴动叶P0,h0c0α1uc1c2汽轮机的级动叶通道FFu二、级的反动度2.1概述232.1概述（1）反动度的定义二、级的反动度2.反动度蒸汽在动叶通道内膨胀时的理想焓降hb，和在整个级的滞止理想焓降ht*之比，即bnbbnbmhhhhhh***tmbhh**1tmnhh——喷嘴的滞止理想焓降242.1概述（1）反动度的定义二、级的反动度2.反动度bnbtbhhhhh**rmttmr定义式：（2）特征截面1）由于环行叶栅的使用，沿着叶高的方向流动特性不同。2）叶根截面（root），平均截面（middle），顶部截面（top），3）252.1概述三、级的分类1.分类依据：反动度——直接影响叶片形状的设计、运行的安全性和经济性。冲动级——靠冲动力做功的级，反动度小的级。级的分类反动级——靠反动力做功的级，反动度大的级。262.1概述三、级的分类2.冲动级（1）纯冲动级1）Ω=0，蒸汽只在喷嘴中膨胀，而在动叶中不膨胀，只改变流动方向。2）结构特点：动叶为等截面通道3）流动特点：p1=p2，△hb=0,△ht*=△hn*，w1=w24）效率较低，很少使用。272.1概述三、级的分类2.冲动级（2）带反动度的冲动级1）Ω∈(0,0.5)，一般而言Ω∈[0.05,0.20]2）结构特点：a.动叶栅截面形状近似对称；b.喷嘴前后压差大，为了减少泄漏常用隔板结构和隔板汽封；c.动叶栅前后压差小，轴向受力不大，采用叶轮式。282.1概述三、级的分类3.反动级1）Ω=0.52）p1p2，△hb=0.5△ht*=△hn*。3）效率比冲动级高，但是工作能力较小。4）结构特点：a.喷嘴叶栅和动叶叶栅可采用相同的叶型；b.动叶前后压差大，常用转鼓式结构，不用叶轮式；c.热惯性大，还需设置平衡活塞以平衡轴向推力；d.采用全周进汽。292.1概述4、压力及流速变化曲线三、级的分类302.1概述三、级的分类4、热力过程线311、调节级和非调节级：按级的通流面积是否随负荷大小而变来划分。⑴调节级：通流面积随负荷变化而改变的级（如喷嘴调节的第一级）。可通过改变其通流面积来控制进汽量中小汽轮机用复速级作调节级；大型汽轮机常用单列冲动级作调节级；总是做成部分进汽。⑵非调节级：通流面积不随负荷变化而改变的级。不通过改变进汽面积控制其进汽量可以是全周进汽，也可以是部分进汽2.1概述四、级的其他分类方法32⒉压力级和速度级：按蒸汽动能转变为转子机械能的过程来划分⑴压力级：蒸汽动能转换为机械能只在一列动叶栅中完成特点：这种级在叶轮上只装一列动叶栅，故又称为单列级；压力级可以是冲动级，也可以是反动级。⑵速度级(复速级)：动能转换为机械能在一级多列动叶栅中完成•特点：有两列动叶栅的速度级称为双列级或复速级复速级由一列喷嘴、一列导向叶栅核两列动叶栅组成复速级都是冲动式的，带有一定的反动度（提高效率）做功能力大（较单列级而言），通常在一级内要求承担很大焓降时采用；2.1概述四、级的其他分类方法332.1概述四、级的其他分类方法2．单列级和速度级343、级的类型和特点小结反动度结构特点做功能力（焓降）效率纯冲动级Ωm=0隔板叶轮型较高较低反动级Ωm=0.5转鼓型最低最高冲动级Ωm=0.05～0.3隔板叶轮型较低较高复速级Ωm=0.05～0.1隔板叶轮型最高最低2.1概述352.2汽轮机级内能量转换过程一、级内模型的简化和基本方程式1．模型常用简化假设实际过程简化过程粘性流体理想流体三元流动一元流动可压缩性有时假设为不可压缩流体不绝热绝热不稳定过程稳定过程1.流动是稳定的2.流动是绝热的3.流动是一元的4.工质是理想气体一元稳定等比熵流动的模型361）连续方程式2）能量方程式3）状态及过程方程式4）动量方程式5）气动方程式.constvcAAcGWchch22211200RTpv.constpvk0cdcdpacMakvppka2.2蒸汽在级内的流动过程一、级内模型的简化和基本方程式2.基本方程0dcdcAdA37二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程dxdcAG0dcdcAdA)cdcd(cdccdcdAdA10cdcdpdpcdc1)1()1(2cdpdcdcdcccdcdpdcdcAdAddpaacMa)1(2MacdcAdA1．汽流参数与喷嘴形状的关系以下导数项为对流动方向求导即，略去dx.（1）基本方程连续性方程：则有：由动量方程38d.Ma=1时（喷嘴内汽流速度等于当地音速）：喷嘴截面积达最小值，称为临界截面或喉部c.Ma1时（超音速流动）：汽道的截面积随着汽流加速而逐渐增大，即需要采用渐扩喷嘴。（2）流动过程分析1）依据式b.Ma1时（亚音速流动）：汽道的截面积随着汽流加速而逐渐减小，即需要采用渐缩喷嘴。二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程1．汽流参数与喷嘴形状的关系0cdc0AdA0AdA0AdA)Ma(cdcAdA12END3a.截面变化=f(速度的变化，马赫数)。在喷嘴中要进行膨胀加速，所以39二、蒸汽在喷嘴中的流动过程2.2蒸汽在级内的流动过程(3)蒸汽在喷嘴中流动时各项参数沿汽道的变化规律汽流速度、压力、截面积、音速沿流动反向的变化规律40crcrcrvkpvpkkc*0*012（4）喷嘴中汽流的临界状态1*0)12(kkcrkppcrcrcrcvp、、2.2蒸汽在级内的流动过程临界参数:1.临界速度