汽轮机原理.doc

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1、汽轮机原理绪论我国电力事业发展概况历年人均指标历年主要技术经济指标历年能源和电力弹性系数我国能源供需变化情况我国能源消费结构（%）我国能源生产构成（%）2000年世界一次能源供给的构成2000年全球电力生产的能源构成中国2003年可再生能源开发利用量我国一次能源需求的情景预测（Mtce)我国电力生产的情景预测 (TWh)3 汽轮机的主要技术发展n 采用大容量机组n 提高蒸汽初参数n 采用联合循环系统提高效率n 提高机组的运行水平4 汽轮机制造工业n 美国 通用电气公司、西屋电气公司n 日本 日立制作所、东芝电器会社、三 菱重工株式会社n 瑞士 BBC公司 n 中国 哈尔滨汽轮机厂、上海汽轮机厂

2、、东方汽轮机厂、北京重型电机厂、青岛汽轮厂、武汉汽轮发电机厂、杭州汽轮机厂、南京汽轮发电机厂 第一章 汽轮机级的工作原理 第一节 概述 一 ， 汽 轮 机 的 级 、级内能量转换过程 1，汽轮机的级：静叶栅 动叶栅 是汽轮机作功的最小单元。二 ， 反 动 度 三 ， 冲 动 级 和 反 动 级 n 冲 动 级 有 三 种 不 同 的 形 式 ： 1，纯冲动级： 通常把反动度W等于零的级称为纯冲动级。对于纯冲动级来说， = 、 = 0 、 = ，蒸汽流出动叶的速度C ,具有一定的动能 C未被利用而损失，称这种损失为余速损失，用 表示。 2 ，带反动度的冲动级 为了提高级的效率，通常，冲动级也带有

3、一定的反动度（W = 0.05 0.20 ) ，这种级称为带反动度的冲动级，它具有作功能力大、效率高的特点。 3. 复 速 级 由一组静叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅及一组介于第一、二列动叶栅之间、固定在汽缸上的导向叶栅所组成的级，称为复速级。第一列动叶栅通道流出汽流，其流速还相当大，为了利用这一部分动能，在第一列动叶栅之后装上一列导向叶栅以改变汽流的方向，使之顺利进入第二列动叶栅通道继续作功。复速级也采用一定的反动度。复速级具有作功能力大的特点。 4 . 反 动 级 通常把反动度 W = 0.5的级称为反动级。对于反动级来说，蒸汽在静叶和动叶通道的膨胀程度相同，即是 ， 。反动级是在冲动

4、力和反动力同时作用下作功。反动级的效率比冲动级高，但作功能力小。 第二节 汽轮机级内能量转换过程一 ， 基 本 假 设 和 基 本 方 程 式 流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性、非连续性和不稳定的三元流动的实际流体。为了研究方便，特作如下假设： 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动时与外界没有热交换。 基本方程式：说明：这些基本方程式在能源动力装置基础一

5、书中讲过，不过多重复。 1 . 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 二，蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程 喷嘴的作用是让蒸汽在其通道中流动时得到膨胀加速，将热能转变为动能。喷嘴是固定不动的，蒸汽流过时，不对外作功，W = 0；同时与外界无热交换，q = 0。则根据能量方程式 ，则 对于过热蒸汽，可近似看做理想气体，则上式可写成： （ 一 ） 喷 嘴 出 口 汽 流 速 度 计 算 1，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 p(初速）是已知的条件。按等熵过程膨胀，其过程曲

6、线如图1-7所示。根据式（2-9)，则喷嘴出口汽流理想速度为 或者式（2-10）为 上二式中， -蒸汽流出喷嘴出口的理想速度（m / s )； - 蒸汽按等熵过程膨胀的终态焓（J/kq )。 图1-7中， 称为喷嘴的理想焓降。为了方便，引用滞止参数，如图1-7所示，滞止焓值为： 把相应的滞止参数 分别代入式 (1-17 ) 和（1- 20 )，则 2，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j来考查两者之间的差别（通常取 j= 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

7、 示 ： ( 1- 26 )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： ( 1 - 26 a )( 二 ） 喷 嘴 中 汽 流 的 临 界 状 态 1，临界速度 汽流的音速为 ， 当在式（ 2-12 )中用滞止参数表示有关参数时，代入音速公式，则有 上式中， 为滞止状态下的音速。当 知时， 一定值。 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。若以 代入（2-16)则临界速度为： 2，临界压力 根据 (2-17),临界压力为： 对于等熵膨胀过程来说，有 ，则上式为 上式表明，临界压

8、力只与蒸汽指数k和初压有关。临界压力与初压之比称为临界压力比，用 表示： ( 1 -24 )对于过热蒸汽（k=1.3)则 =0.546;对于饱和蒸汽（k =1.135 )则 =0.577 .（ 三 ） 喷 嘴 截 面 积 的 变 化 规 律 ( 1- 3 10 ) （1）当汽流速度小于音速，即M0，则必须dA/dx1时，若要使汽流能继续加速，即dc/dx0，则必须dA/dx0，也就是说喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐增加，即做成渐扩喷嘴。 （3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1，这时，dA/dx =0。表明横截面A不变化，即A达到最少值。根据上述分析可知，简单的渐缩喷嘴是得不到超音速

9、汽流的。为了达到超音速，除了喷嘴出口蒸汽压力必须小于临界压力外，还必须在喷嘴形状上加以保证，即作成缩放喷嘴。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴喉部达音速，然后在渐扩部分达超音速。 （ 四 ） 喷 嘴 流 量 计 算 1，喷嘴的理想流量 计算 喷嘴的理想流量 可用下式计算: ( 1-3 2 )式中， - 喷嘴出口处截面积， (m) ; - 喷嘴出口处理想汽流速度，(m/s) ; - 喷 嘴 出 口 处 比 容 ， （ m / k q ) 。 若用（2-12a)表示 ，又有 , 则上式为 称 为喷嘴前后压力比。 2，喷嘴流量曲线 对于式(1-33），当喷嘴前的参数 和喷嘴出口截面积 一定时，通过喷嘴的流量

10、 只取决于喷嘴前后压力比。它们的关系如图1-11中ABC曲线所示。当压力比从1逐渐 图1-11缩小时，流量逐渐增加，当喷嘴前后压力比等于临界压力比（ ) ， 达最大值，如B所示。这时的流量称为临界流量，用 表示。当喷嘴前后压力比小于临界压力比时，流量保持最大值不变，如AB所示。其临界流量为： ( 1 - 3 6 )式中，l只与k值有关。对于过热蒸汽（k=1.3),l =0.667；饱和蒸汽（k=1.135) , l =0.635。 3，通过喷嘴的实际流量的计算 通过喷嘴的实际流量为： ( 1- 39 )式中， 称为喷嘴流量系数。对于过热蒸汽，取 = 0.97；对于饱和蒸汽，取 = 1.02。

11、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： (1- 42 ）其中，b称为彭台们系数。对于亚临界流动，b 。这样，汽流从动叶通道中流出的绝对速度的大小和方向可以从图解得到。 、 可用下式求得： 为了方便，通常将动叶进出口速度三角形绘制成一起。 （二）蒸汽作用在动叶片上的力及轮周功 为求取蒸汽在动叶栅作功大小，必先求取蒸汽对动叶栅的作用力。 1，蒸汽对动叶片的作用力 蒸汽在动叶栅通道中要改变方向、或者还要膨胀加速，其对动叶片的作用力可用下式进行计算： 圆周分力 ( 1- 64 ) 或者 ( 1-64 a ) 轴向分力 或者 ( 1

12、- 67 ) 合力 (1 - 68 )以上各式中， -单位时间内流过动叶栅的流量； -动叶通道轴向投影面积。 2，轮周功和轮周功率 蒸汽通过汽轮机的级在动叶片上所作的有效机械功称为轮周功。而单位时间内作出的轮周功称为轮周功率。轮周功率为圆周分力和圆周速度的乘积： 或者， (J / s ) 用G除以上二式，得到每1kq蒸汽所作出的轮周功。轮周功表示作功能力，用 表示： 或者， 结合速度三角形和余弦定理，轮周功还可以用下式表示： ( J / k q ) 3，动叶栅出口汽流相对速度和绝对速度 通过动叶通道的能量方程式可得到动叶栅出口汽流相对理想速度为： 结合图1-17，焓降 称为动叶栅理想焓降， 。

13、 这样， 其中， , 称为动叶栅的滞止焓降。 由于通过动叶栅的流动是有损失的，为了说明问题 引用动叶速度系数y。这样，动叶出口的实际相对速度为4，动叶损失 动叶损失就是蒸汽通过动叶栅的能量损失，由于动叶损失的存在，使动叶出口的焓值由 ，则动叶损失为： 动叶损失 之比成为动叶栅的能量损失系数，即 ( 1- 62 ) 在计算时，y通常取y = 0.850.95。 作业与思考题：1、已知机组某级级前压力 =1.85MPa ，温度 =340 ；级后蒸汽压力为 =1.5MPa 。级的反动度 =0.12 。喷嘴出汽角 =11.1 ，动叶出汽角 =18.3 。若级的速度比 =0.54，喷嘴速度系数 =0.9

14、7 ，进入喷嘴的初速度 =52.3m/s ，试计算动叶出口相对速度 及绝对速度 ，并绘制动叶进出口速度三角形(标出速度、角的符号和数值）。2、已知汽轮机的第三级前压力 =5.13MPa ，温度 =467.5 ；级后蒸汽压力为 =4.37MPa 。进口初速动能 = 1.214 kJ/kg，级的平均直径 =998.5 mm，级的反动度为 = 0.0794 。喷嘴出汽角 =10.78 ，动叶出汽角 =17.9 。喷嘴和动叶的速度系数分别为 =0.97、 =0.935 ，机组转速n = 3000r/m。试绘制动叶进出口速度三角形(标出速度、角的符号和数值）。 3、分析喷嘴截面积的变化规律。4、分析蒸汽

15、在喷嘴斜切部分的流动规律。5、画出渐缩喷嘴的流量曲线图。1-3 汽轮机级的轮周效率和最佳速度比 蒸汽在级内所具有的理想能量不能百分之百地转变为轮周功，存在着损失。为了描述蒸汽在汽轮机级内能量转换的完善程度，通常用各种不同的效率来加以说明。 一，轮周效率与速度比 1，轮周效率：蒸汽在汽轮机级内所作出轮周功 与它在级内所具有的理想能量 之比称为级的轮周效率,即 2，级的理想能量：一般来说，级的理想能量是级的理想焓降、进入本级的动能和本级余速动能被下一级所利用部分的代数和，即 3，级的理想速度：为了研究方便，这里引入一个级的理想速度 ,定义：4，级的轮周效率：或者 式中， 分别为喷嘴损失、动叶损失和

16、余速损失与级的理想能量之比，称其为喷嘴、动叶和余速能量损失系数。 5，速度比：从式（1-80)可以看到，为了提高 级的轮周效率，则要求减少喷嘴损失、动叶损失和余速损失。其中，前二项损失与相应的速度系数j、y有关。如果选定了动静叶栅的叶型， 则系数j、y就确定了。这样，为了提高轮周效率，就得尽量减少余速损失。而余速损失 ，很显然 不可能为零。这里从动叶进出口速度三角形上来分析。为了说明问题，把动叶进出口速度三角形画成图1-22的形式。其中，图b,动叶出口速度 刚好为轴向排汽，其余速损失最少。只要u/ 选用合理，就能达到轴向排汽的目的。而图a、b中的u / 都不可能使 轴向排汽，也就不可能使余速损

17、失最小。这样，使 达到轴向排汽的速度比u / 称为最佳速度比，用 表示。级的速度比通常用字母 表示。它是汽轮机级的一个很重要的特性。速度比的取值直接影响汽轮机的效率和作功能力。对于不同型式的级，其最佳速度比是不相同的。 二 ，轮 周 效 率 与 速 度 比 的 关 系 （1）对于不考虑余速利用的纯冲动级： 其最佳速度比是： 或 一般来说，对于反动度不为零的冲动级， 0.48 0.52； 当考虑余速利用的中间级， 0.585左右。 （2）对于复速级，其最佳速度比为： 通常，复速级的最佳速度比为： =0.20.28之间。（3）对于反动级，其最佳速度比为： 若取 则 =0 .94。 作业与思考题：1

18、、已知汽轮机某级前压力 =5.2MPa ，温度 =470 ；级后蒸汽压力为 =4.4MPa 。进口初速动能 = 1.2 kJ/kg，级的平均直径 =0.999 m， 级的速度比 =0.517，喷嘴出汽角 =10.8 ，动叶出汽角 =17.9 。喷嘴速度系数分别为 =0.97，机组转速n = 3000r/m。若排汽动能全部利用，试求级的有效焓降和轮周效率。2、已知单级汽轮机，级的平均直径 =106.7cm，转速n=3000r/s，喷嘴出汽角 =18 ，级的速度比 =0.42，喷嘴速度系数分别为 =0.96，动叶的速度系数 =0.84 。又知动叶出汽角比进汽角小3 ，级的流量G=7.26kg/s，

19、试求蒸汽作用在动叶片上的切向力 ，轮周功率 和轮周效率 ，并画出级的速度三角形。1-4 汽轮机级通流部分主要尺寸的确定 前提条件：蒸汽流量G，参数 、 、 ；转速 ，初速 ，级的平均直径 ，反动度 。一 ， 叶 栅 型 式 的 选 择 ：1，喷嘴叶栅型式的选择 喷嘴叶栅型式的选择主要决定于需要得到多大的出口速度。即根据喷嘴前后压力比 来确定： n 当需要得到小于或等于音速汽流时 ，即 0.546 ，可选用渐缩喷嘴。 n 当喷嘴前后压力比还不大于0.30.4时 ，即0.3 0.546， 仍然可选用渐缩喷嘴，这时，可利用喷嘴斜切部分继续膨胀加速，以得到超音速汽流。 n 当喷嘴前后压力比小于 0.3

20、时 ，则必须选用缩放喷嘴。 我国常用喷嘴型线见表1-1 （p41 ）。 2，动叶栅型式的选择 动叶栅型式的选择的方法和静叶栅相似。但动叶栅通道中的流动多为亚音速流动。根据动叶栅的各参数，根据速度三角形，计算 ，查 ；再根据压力比 的值和临界压力比相比，是否超临界。 国产汽轮机常用动叶叶型见表1-2(p42)。 二，喷嘴叶栅与动叶栅尺寸的确定： 汽轮机热力设计的任务，除了确定级的效率、功率和蒸汽对叶片的作用力之外，还必须选定动静叶片的型线、有关几何尺寸大小。 （一）渐缩喷嘴（1）当喷嘴前后压力比等于或大于临界压力比时，喷嘴出口汽流速度小于或等于临界速度。与喷嘴出口汽流速度 相垂直的截面 为最小截

21、面，如图 133所示，其面积为： 式中， -级的蒸汽流量，（ kg / s ) ； - 喷嘴出口处的蒸汽比容， -流量系数，对于过热蒸汽， = 0.97 , 对于饱和蒸汽， =1.02 ; -喷嘴出口汽流理想速度 (m / s )。 若整级喷嘴个数 ，每个汽道喉部面积为： 则级的喷嘴出口总面积为： 上式中， 为喷嘴节距， 为安装有喷嘴的弧长。当级为全周进汽时， （ 为级的平均直径）。当级为部分进汽( e 1 ) 时， ( e 为部分进汽度）。当考虑了部分进汽之后，则喷嘴叶高为： 上式中， 由所选用喷嘴型线来确定。而喷嘴型线又由喷嘴前后压力比来确定。 (2)当喷嘴前后压力比为： ，这时，仍然选用

22、渐缩喷嘴, 是利用其斜切部分继续膨胀而得到超音速汽流。这时喷嘴出口汽流角要发生偏转。喷嘴喉部截面积和叶高分别为： 喷嘴出口汽流偏转角由下式确定： ( 1-121 )上式中， -喷嘴喉部截面处的比容； -喷嘴临界速度。（二） 缩 放 喷 嘴 当喷嘴前后压力比小于0.3时，则要采用缩放喷嘴。（三） 动叶栅几何参数的确定 动叶栅几何参数的计算方法和静叶栅相似。但动叶栅通道中的流动多为亚音速流动。动叶栅出口截面积和叶高可按下式计算： 其中， - 动叶栅出口理想比容； - 动叶栅出口相对速度； - 流量系数，对于过热蒸汽， =0.930.95,对于饱和 蒸汽， = 0.940.98 ； e- 部分进汽度

23、。 其中，动叶出汽角由所选定的叶型确定。国产汽轮机常用动叶叶型见表1-2。 三，喷嘴叶栅与动叶栅几个主要参数 的 选 定 （一）喷嘴出汽角 的选择 通常，喷嘴出汽角 =1114； 复速级几何的参数可按上述方法计算，但复速级的喷嘴出汽角比单列级大一些，一般， 。另外，在复速级中，要使通流部分光滑变化。为此，复速级必须适当地采用反动度以满足通流部分光滑变化。复速级各列叶栅的出汽角可以在下列范围内选择 。 （二）部分进汽度的选择：1，一般采用全周进汽（e=1）；小型机采用部分进汽（e1）；2，调节级采用部分进汽（e1），分47组。（三）盖度的选择：通常要求动叶进口高度略大于喷嘴出口高度。（四）冲动级

24、内反动度的合理选用： 纯冲动级具有作功能力大的特点，但其效率较低。当适当地选用反动度之后，就可以达到提高效率的目的。这是因为，采用适当的反动度，可以提高动叶的速度系数y，以减小动叶损失；也可以减小动叶根部轴向间隙中由于吸汽而产生的附加损失 。1，当根部反动度较大时，则平均反动度会更大，会造成叶顶和平衡孔漏汽，因而产生损失；2，当根部反动度太小或者为负时，会造成叶片根部吸汽，或者使级后蒸汽通过平衡孔回到动叶前，造成损失；3，当根部反动度 = 0.030.05 时可以达到以上目的，同时也可以使动叶前后压力差不至太大以至造成大的叶顶漏汽损失。 在进行汽轮机热力设计时，通常是按级的平均直径处的平均反动

25、度进行计算的。但级的反动度沿叶高是变化的，这样，平均反动度为： ( 1- 128 ) 叶根反动度为： ( 1 -129 )式中， 动叶栅的平均直径、叶高。 确 定 某 一 级 的 反 动 度 ， 除 了 合 理 选 用 动 静 叶 栅 之 叶 型 之 外 ， 主 要 是 靠 通 过 一 定 的 动 静 叶 栅 出 口 面 积 比 ( f）来 实 现 的 。 即 一 定 的 反 动 度 对 应 一 定 的 动 静 叶 栅 出 口 面 积 比 （ f） 。 面 积 比 随 着 反 动 度 的 增 加 而 减 小 。 汽 轮 机 中 反 动 度 与 动 静 叶 栅 出 口 面 积 比 的 对 应 范 围 为 ： 1 . 直 叶 片 级