汽轮机部分第五章汽机工作原理

——第五章汽轮机工作原理自动化工程学院陈立军主要内容•蒸汽在汽轮机级中的流动•多级汽轮机•汽轮机变工况第一节蒸汽在汽轮机级中的流动喷嘴能量方程：1、喷嘴出口汽流理想速度理想过程能量方程理想速度22010122cchh2*10202tnnchch一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程22010122ttcchh*0*p0*t0*h02200*0chh*1*012)(2ntthhhc将初速度设为零的假想状态称为滞止状态点，压力为、温度、焓等。则喷嘴能量方程和出口理想速度为：*22121)1(22ntnhcch*112nthcc2、喷嘴出口实际速度实际气体存在损失，并非等熵过程，出口实际焓值大于理想焓值，故实际速度小于理想速度喷嘴损失：速度系数Φ与喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度和前后压力等很多因素有关，取值范围0.92~0.98，现代汽轮机可取0.97。B=55mmB=80mm高度为有效完成能量转换，喷嘴流出的汽流与旋转平面角度很小，因此导叶都是倾斜的。在出口形成一个三角区ABC，称为斜切部分。二、蒸汽在动叶栅中的流动过程1、动叶栅出口速度三角形动叶的圆周速度60mdnu进口三角形出口三角形动叶进口相对速度w1动叶出口理想绝对速度C2112121cos2uccuw222222cos2uwwuc2、汽流作用在动叶上的力22buzFFF1122(coscos)uFGcc根据动量方程汽流作用在动叶上的周向分力（转动力）轴向分力（轴向推力）1212()()zzzbFGccApp总作用力1122(coscos)uuPFuGucc三、轮周功率周向力每秒钟所做的功222212211()()2uPGccww冲动作用反动作用tww22四、动叶中实际热力过程动叶出口理想相对速度动叶出口实际相对速度动叶损失：22222wwhtb*22bthw0uuNE21unbc220202022tccEuhu五、级的轮周效率2222cch某一级所做的轮周功Nu与所该级应当释放的理想能量E0之比称为级的轮周效率。余速损失理想能量E0或μ0为本级利用上一级的余速份额，μ2为本级被下一级利用的份额。六、最佳速度比余速损失是影响轮周效率的主要因素，c2最小时的余速损失最小。1、纯冲动级（分三种情况）cxu212cos11)(xop上图为C1一定的前提下，给出的三种不同的圆周速度μ。比较得到，只有选定的μ使α2=90°，C2才最小。此时速度比则冲动级最佳速比“轴向排汽，效率最高”2cos12c同样的方法可以得到反动级和复速级的最佳速比反动级复速级1cos1)(xop4cos11)(xop七、汽轮机的级内损失和效率蒸汽热能→机械能的过程中，存在各种各样的能量损失1、喷嘴损失δhn和动叶损失δhb（叶型损失）；属于叶型损失有三种(1)附面层中的摩擦损失；(2)附面层脱离引起的涡流损失；(3)尾迹损失。2、余速损失δhc2；客观存在，采取最佳速比，可以降到最小；3、扇形损失δhθ；偏离平均直径越大，损失越大，采用扭叶片，可以大大减小；4、叶轮摩擦损失δhf:与转速三次方成正比；5、部分进汽损失δhe:鼓风损失；斥汽损失；6、漏汽损失δhleak:叶顶漏汽；隔板漏汽；7、湿汽损失δhx；八、级的相对内效率和内功率考虑了各项损失后，级的实际热力过程曲线如图示。hhhhhhhhhhhhEhctcxeflbntii21*2*0级的内功率级的对内效率扭叶片不考虑扇形损失，全周进汽不考虑部分进汽损失等。iihGP3600/iihDP第二节多级汽轮机从功率方程可知，Pi↑（1）△Ht↑→C1↑→保证，→u↑；（2）G↑→通流面积↑直径↑叶片高度↑；两者均受到材料强度的限制。要增大功率，就要采用多级汽轮机。itiHGPcxu11按压力高低顺序排列的若干级组成。常见的有多级冲动式汽轮机和多级反动式汽轮两种。级数多，每一级焓降较小，但总体较大，增加了单机功率，保证了每一级工作在最佳速比附近。一、多级汽轮机的工作过程二、多级汽轮机的损失：外部损失不直接影响蒸汽状态的损失；内部损失直接影响蒸汽状态的损失；（一）多级汽轮机的外部损失1、机械损失摩擦阻力、带动辅助设备；2、外部漏气损失：压力高于大气压，蒸汽外泄；低于大气压，空气漏入；措施是设有轴封系统。（二）多级汽轮机的内部损失（级内损失之外）1、进汽机构的节流损失（主汽阀→调节汽阀→管道等）3-5%P0；2、排汽管中的压力损失：最末级后压力高于排汽管出口压力，焓降减小；2-6%Pc；合理的排汽管：（扩压、转向）3、中间再热管道的压力损失：连接管道，再热器和阀门；8-12%Pr。（一）相对效率1、汽轮机的相对内效率：内功率与输入能量之比2、汽轮机的相对有效效率：输出能量与输入能量之比机械效率相对有效效率iiittPHPHimtiieteeiempppppppp三、汽轮机及其装置的效率eelgppegimgtiieeeltelelpppppppp3、汽轮发电机组的相对电效率：输出能量（除去铜损、铁损、机械损失）与输入能量（转子能量）之比发电机的效率与容量及冷却方式有关，一般大机组可达97-99%相对电效率汽轮发电机组的电功率：3600:gmitelgmitelHDpHGp或tgmitelaeltmiteaetiaitthhhhQH绝对电效率：：轴端功率绝对有效效率绝对内效率：朗肯循环效率：给水排汽)(000（二）绝对效率（整个热力循环）绝对效率考虑整个热力循环，以Q0为输入能量，汽轮发电机组不同功率为输出的一组效率；循环热效率以汽轮机理想焓降为输出的效率四、汽轮发电机组的经济指标1、汽耗率d生产1kWh的电所消耗的蒸汽量由于参数不同，即使功率相同，但其消耗的蒸汽量却不同，故一般不采用比较经济性，而采用热耗率。gmitelgmitelHpDdHpD360036002、热耗率q生产1kWh的电所需从锅炉供应的热量)]()[(3600)(3600)()(0000000rrrfwaelfweltfwelfwelhhDDhhdqhhHhhdphhDpQq对于中间再热机组：发电厂热效率考虑锅炉效率、管道效率及发电厂各种泵与风机等所消耗的电能（厂用电）Cs—各种设备消耗电能系数，一般为0.80-0.85gmitsaelsselCC五、多级汽轮机的轴向推力1、多级汽轮机的轴向推力;（1）作用在动叶上的轴向推力；（2）作用在叶轮面上的轴向推力；（3）作用在轮毂上和轴的凸肩上的轴向推力。套装转子才有轮毂2、轴向推力的平衡；（1）平衡活塞法；（2）采用平衡孔的叶轮，平衡孔个数为奇数；（3）反向布置法；（4）采用推力轴承。第三节汽轮机变工况设计值设计所依据的参数；设计工况运行参数保持设计参数；变工况偏离设计工况。一、级组的变工况临界速度当气体通过管子或喷嘴时，在一定的上游压力下，流速随着下游压力的减少而增加。但当管内及喷嘴喉部流速达到在此状态下的压力波传播速度（即音速）时，无论下游压力如何再降低而流速仍然不变。1、变工况前后级或级组均未达到临界状态弗留格公式（忽略温度变化）流量与级组前后压力平方差的平方根成正比01022202212011TTPPPPGG22202212011PPPPGG汽轮机级和级组的流量与参数的关系01010010110pTGGpTpGGp对于凝汽轮机，级组较多时，和通常很小，可简化忽略温度凝汽式汽轮机各级级前压力与流量成正比（不适用于末级）202PP20121PP01010010110pTGGpTpGGp最末一级始终处于临界状态，则各级级前压力与流量成正比（末级应考虑温度修正）2、变工况前后级或级组均达到临界状态一般情况下，末级首先达到临界状态。忽略温度3、弗留格尔公式应用形式简单，使用方便，用于分析或计算确定内部工况，判断运行的经济性和安全性。（1）监视通流部分运行是否正常（已知流量检验压力，分析通流面积是否改变，判断损坏或结垢）；（2）推算不同流量下各级前压力，求得各级压差、焓降，从而确定相应的功率、效率及零部件的受力情况。二、变工况时各级的焓降变化规律凝汽式汽轮机各中间级压力比不变，理想焓降不变或变化不大（当温度变化不能忽略时）。各级圆周速度不变，速比不变，级内效率亦不变；各级内功率与流量成正比。012102221001,PPPPPPPP喷嘴调节凝汽式汽轮机当流量（负荷）改变时，焓降的变化主要发生在调节级和末级中，而全机的理想焓降基本保持不变。例如：当流量增加时，调节级的焓降减小，末级的焓降增大；当流量减小时，调节级的焓降增加，末级的焓降减小；背压式汽轮机除调节级外，最后几级的焓降也发生变化，而且流量变化越大，受影响级数越多。汽轮机变工况运行时，效率要降低。而且流量（负荷）变化越大，效率降低越多。（1）喷嘴调节的凝汽式汽轮机，其效率下降主要发生在调节级和最末级；（2）背压式汽轮机，除调节级外，最后几级的效率都降低；采用节流调节的汽轮机没有调节级，所以效率降低主要是由于节流损失增大和最末级效率下降。汽轮机工况变动时，反动度也发生变化。工况变化时，影响级内焓降，则反动度变化。（一）节流调节：损失大，用于小机组或基本负荷机组；（二）喷嘴调节：部分进汽，效率高于节流调节；（三）滑压运行：调节阀全开或者基本全开，通过锅炉调整新蒸汽压力的方法。较小机组（12.75MPa）不适合。三、汽轮机功率调节方式及调节级变工况3600iimgDHPel•节流调节缺点：低负荷节流损失大，理想焓降降低大；优点：无调节级，结构简单，成本低，温度变化小，负荷适应性较好。•喷嘴调节优点：部分负荷下，效率高于节流调节；缺点：部分进汽，额定功率下，效率比节流稍低；各级温度变化大，热应力较大，负荷适应性差。•滑压调节1、提高机组运行的可靠性和机动性；2、提高机组在部分负荷下运行的经济性。四、蒸汽参数变化汽轮机工作的影响1、初压变化（初温、背压不变）（1）初压升高较多，热力过程线左移，后面级蒸汽湿度增加，末级工作条件恶化；流量增加使动叶应力增加，可能超过许用应力；（2）初压降低较多，为保证功率，增加流量，使末几级超过负荷运行；轴向推力增加；2、初温变化（初压、背压不变）（1）初温增加较多，蠕变加快，许用应力大大下降；（2）初温降低较多，减小了各级焓降，反动度增大，转子轴向推力增大；如果为保证功率增加流量，也会使末几级应力增加；3、背压变化（初温、初压不变）（1）背压升高较多时（真空恶化），使排汽温度升高，使排汽室的膨胀量过分增大。若低压轴承座与排汽缸为一体，将使低压转子中心线抬高，引起机组强烈振动。背压升高，轴向推力随末几级的反动度增加而增加；（2）背压降低较多，导致末级焓降增大，如末级处于超音速状态，对经济性不利；如末级处于亚音速状态，则导致末级过负荷，因此应限制流量。α1β1α2β2c1w1c2w2uu动叶的圆周速度60mdnu重热系数：α=0.04～0.08三、多级汽轮机的损失：（一）多级汽轮机的外部损失1、机械损失2、轴封漏气损失：汽缸内压力高于当地大气压时，蒸汽外泄；低于当地大气压时，空气漏入；（二）多级汽轮机的内部损失1、进汽阻力损失：2、排汽阻力损失：最末级后压力高于排气管出口压力，焓降减小；排汽管构造：先扩压后转向；先转向后扩压。3、导汽管和中间再热器的压力损失：连接管道，再热器和阀门；ttHQhq二、多级汽轮机的优点：1、单级焓降小，保证工作在最佳速比；2、降低叶片速度，摩擦损失减小，（摩擦损失与叶片速度三次方成正比）；3、余速利用