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1、汽轮机原理 Steam Turbine Theory,第三章 汽轮机的变工况特性,主要内容,概述喷嘴的变工况特性级与级组的变工况特性配汽方式及其对定压运行机组变工况的影响滑压运行的经济性与安全性初终参数变化对汽轮机工作的影响汽轮机的工况图,第一节 概 述,设计工况：指汽轮机在设计参数下运行的工况，也称经济工况。变工况：汽轮机在偏离设计参数的条件下运行的工况（外界负荷变动、蒸汽参数变动和转速变动）研究意义：了解汽轮机在不同工况下的效率变化，以设法使效率变化不多。了解汽轮机在不同工况下受力情况，保证机组安全。,第二节 喷嘴的变工况特性,渐缩喷嘴初压不变时背压与流量的关系渐缩喷嘴前后参数都变化时的流
2、量变化渐缩喷嘴 初压、背压与流量的关系缩放喷嘴的变工况,一、渐缩喷嘴初压不变时背压与流量的关系,其初压及出口面积不变时，通过喷嘴的流量为：,将BC段用椭圆曲线近似,二、渐缩喷嘴前后参数都变化时的流量变化,设计工况和变工况下喷嘴均为临界工况,忽略温度变化：,结论：1、不同工况下喷嘴临界流量正比于滞止初压或初压，反比与喷嘴前滞止热力学温度或热力学温度平方根。2、在电站汽轮机中只有凝汽式汽轮机的最末一、二级和调节级的喷嘴可能超过音速。,设计工况和变工况下喷嘴均为亚临界工况,忽略温度变化,三、渐缩喷嘴 初压、背压与流量的关系,函数 关系曲线（流量网图）,流量网图,流量锥在实际计算中，大都采用图解法计算
3、流量，即使用流量锥或是流量网图。假设最大初压为p0m，相应的最大临界流量为G0m,相对初压相对背压,m、1、0之间关系的三维显示为流量锥，二维表示为流量网图。（oad为等腰直角三角形）,流量锥,四、缩放喷嘴的变工况,1、当初压不变时,2、初终参数同时改变时,第三节、级与级组的变工况特性,级内压力与流量的关系级组压力与流量的关系各级的p0-G曲线压力与流量关系式的应用级的比焓降和反动度变化规律撞击损失,一、级内压力与流量的关系,级内为临界工况级内的喷嘴或动叶栅两者之一的流速达到或超过临界速度。,结论：级处于临界工况时，级的流量与滞止初压或初压成正比，与滞止初温或初温的平方根成反比；不考虑温度变化
4、时，流量只于滞止初压或初压成正比。,级内为亚临界工况级内喷嘴和动叶出口汽流 速度均小于临界速度的工况。,忽略温度变化：,说明：（1）级内未达到临界时，通过级的流量不仅与初参数有关，还与终参数有关；（2）流量偏离设计值越小，误差越小。,二、级组压力与流量的关系,几个概念 级组：一些流量相等，通流面积不随工况而变化（或变化程度相同）的依次串联排列的若干级的组合；亚临界级组：级组各级的汽流速度均小于临界速度的级组；临界工况级组：级组内至少有一列叶栅的出口速度达到或超过临界速度；级组临界压比：临界工况机组中某一级（一般是最末级）的喷嘴或动叶）流速刚达到临界速度时，级组前后压比称为。,工况变化前后级组均
5、为临界工况,结论：级组为临界工况时，级组流量与级前压力成正比，与级前绝对温度的平方根成反比；若不考虑温度变化，则级组流量只与级组前压力成正比。,工况变化前后级组均为亚临界工况,斯托陀拉实验,级数无穷大,不考虑温度变化：,弗留格尔公式 给出了亚临界工况下，级组流量与压力的关系。初压不变时：流量与背压为椭圆关系；背压不变时：流量与初压为双曲线关系。,三、各级的p0-G曲线,凝汽式汽轮机末级p0-G关系,结论：对于凝汽式汽轮机，若所取级数较多时，弗留格尔公式可用下式近似：,四、压力与流量关系的应用,应用条件工况变动前后通流面积不变；级组内各级流量相同；流过级组内各级蒸汽应是均质流；弗留格尔公式适用于
6、具有无穷多级的级组，但一般只要级数多于4-5级就可以得到满意的结果。用于运行分析监视汽轮机通流部分运行是否正常；可以推算不同流量（功率）时各级的压差和比焓降，从而计算出相应的功率、效率及零部件的受力情况，也可以由压力推算出通过各级的流量。,五、级的比焓降和反动度变化规律,变工况前变工况后,一，凝汽式汽轮机 根据前面的讨论可知，当工况变动时，通过级的流量与级前压力成正比，即,所以,上式表明，当工况变动时，凝汽式汽轮机各中间级前后压力比不变。这样，代入式焓降表达式后，级的理想焓降不变。当然，级的速度比和级效率也不变。而级的内功率为：=BG 这就说明：在计算汽轮机各中间级的变动工况时，不需要逐级进行
7、详细计算，只需求得各级前的压力，然后将热力过程曲线平移即可。而调节级和末级的变动工况，则要进行详细计算。,结论：凝汽式汽轮机初压、背压均与流量成正比的非调节级，流量变化时级的理想比焓降基本不变；对凝汽式汽轮机的末级，处，虽p0正比于G，但背压pc不与G成正比，若pc不变，则流量增大，比焓降增大；反之，流量减小，比焓降减小；对凝汽式汽轮机的末级，处，虽p0与G的关系为双曲线关系，流量下降时，比焓降减得稍慢。,二，背压式汽轮机1，如果背压式汽轮机最后一级达临界，则各级前的压力与流量成正比。其焓降、效率、反动度、功率的变化规律和凝汽式汽轮机各中间级一样。2，但是，背压式汽轮机的末级一般不会达临界，其
8、压力与流量的关系应按弗留格尔公式进行计算,推导得：上式表明，当背压不变时，背压式汽轮机各级前压力与流量的关系按双曲线规律变化。离末级越远，越近于直线。,从图上分析：1，对于背压式汽轮机的前几级，当工况偏离设计值不远时，级前压力与流量的关系近于直 线；2，当流量在设计值附近变化时，可认为各中间级焓降不变，或变化很小；3，当流量变化较大时，各级焓降都要变化，并且最后一、二级变化最大。,总结：采用喷嘴调节的凝汽式汽轮机，当流量改变时，比焓降的变化主要发生在调节级和最后一级中；所有中间级在流量变化时，比焓降近乎不变；但在低负荷时，中间级比焓降也会变小。当流量增加时，调节级焓降减小，末级焓降增加，各中间
9、级焓降近乎不变；当流量减小时，调节级焓降增大，末级焓降减小，各中间级焓降近乎不变；背压式汽轮机除调节级比焓降变化外，最后几级的比焓降也发生变化，负荷变化越大，则受影响的级数越多。,级的反动度变化规律,固定转速汽轮机反动度变化主要由级的比焓降变化引起；级的比焓降减小，即速比xa增大时，反动度增大；级的比焓降增大，即速比xa减小时，反动度减小；设计反动度较小的级，比焓降变化时，反动度变化较大；反之，变化较小；反动级的反动度基本不变；凝汽式汽轮机末级（临界工况），流量不变，pc降低，反动度增大；pc 升高，反动度减小。,撞击损失设计工况下，汽流进入动叶栅相对运动方向角与动叶几何进口角应一致；变工况时
10、，当比焓降变化，二者不再一致，使汽流进入动叶的相对运动方向改变，从而使动叶附面层厚度改变，叶型损失增加，这一增加损失称为撞击损失。近似公式：,六、撞击损失,撞击损失的形成图(a)比焓降减小；(b)比焓降增大,第四节 配汽方式及其对定压运行机组变工况的影响,配汽方式概述节流配汽喷嘴配汽调节级压力与流量关系配汽方式对定压运行级组变工况的影响轴向推力的变化规律,一、配汽（调节）方式概述,配汽机构：汽轮机通流部分是按经济功率设计的，设计中，外界负荷不断改变，为保证机组出力与用户所需功率相适应，需利用配汽机构改变机组的出力；配汽方式：根据改变对象（流量或理想比焓降）不同，配汽方式有节流配汽、喷嘴配汽、旁
11、通配汽等。,二、节流配汽(调节),1、节流调节定义：这种调节方式就是用一个（或两个）调节阀对进入汽轮机的全部进汽量D0进行调节。当功率增加时，开大调节阀的开度（L）。在额定工况下，全开（L=1）。当功率减小时，关小调节阀的开度（L），进入汽轮机的全部进汽量都受到节流作用。当机组功率变化时，流量和焓降都要变化。,2、节流调节热力过程线,3、节流调节的效率 蒸汽经节流之后，焓值不变压力降低（降到），节流后的内效率为：式中，通流部分的相对内效率；调节阀的节流效率，为部分开启和全开时理想焓降之比。,三、喷嘴配汽,1、定义：这是一种应用最广泛的调节方式。每一个调节阀控制一组喷嘴组。中小型机组一般有3-7
12、个调节阀，大型机组一般有4个调节阀。在这种调节方式中，机组运行时，只有一组喷嘴的蒸汽受到节流作用，节流损失小。第四调节阀一般是在过负荷时（或者在初参数降低而要求发额定负荷时）才使用。,2、喷嘴调节热力过程线,3、调节级的内效率：根据热力过程曲线，有：热平衡：混合后的焓值：,四、调节级压力与流量关系,简化的调节级的压力与流量关系,1、级后温度的影响2、反动度的影响,3、调节汽门重叠度的影响4、主/调节汽门节流损失的影响,五、配汽方式对定压运行级组变工况的影响,定压运行 通过改变主蒸汽流量来适应外界负荷变化的运行方式。在该方式下，在汽轮机负荷变化范围内，主蒸汽压力和温度参数都保持额定值，不予改变。
13、定压运行调节方式节流调节喷嘴调节节流-喷嘴混合调节,六、轴向推力的变化规律,冲动式汽轮机凝汽式汽轮机（1）节流配汽凝汽式：除了最末一、二级外，各级焓降和反动度近似不变，可导出轴向推力与功率（流量）成正比；但最末一、二级焓降和反动度要变化，但对总推力影响不大。因此，最大轴向推力发生在最大功率时；（2）喷嘴配汽凝汽式：在工况变动时，压力级焓降和反动度近似不变，可导出轴向推力与功率（流量）成正比；而调节级的轴向推力变化复杂，但对总的轴向推力影响不大。因此，最大轴向推力发生在最大功率时。,背压式汽轮机（1）调节级的轴向推力变化同上；（2）压力级的轴向推力不与流量成正比，最大轴向推力发生在中间负荷。反动
14、式汽轮机对于反动式汽轮机，由于设计反动度大，因此变化小。轴向推力只与动叶前后压力差成正比，最大轴向推力发生在最大功率时。,结论：（1）汽轮机轴向推力变工况计算相当复杂，难以计算准确。（2）在实际运行中，常用测量推力轴承工作瓦块温升的方法监视轴向推力的变化。,七、蒸汽量调节方式的比较和选择1、调节方式的选择：（1）承担基本负荷的机组：要求效率高，多采用节流调节和单列级作调 节级的喷嘴调节方式；（2）承担尖峰负荷的机组：要求负荷适应性好，当工况变动时效率 变化不大，常选用双列级作调节级的喷嘴调节方式。（3）背压机：采用喷嘴调节方式。2、调节级焓降大小的选用：调节级焓降大小对机组经济性影响很大：设计
15、工况下，调节级焓降大（），流量减小时焓降变化（）小；设计工况下，调节级焓降小（），流量减小时焓降变化（）大；*承担基本负荷的机组，运行时，负荷变化不大，则调节级焓降应取小些，以求较高的效率；*承担尖峰负荷的机组，运行时，负荷变化大，则调节级焓降应取大些（双 列级），使之在工况变动时，调节级焓降变化不大，效率变化不大。,第五节 滑压运行的经济性与安全性,火电机组的调峰运行方式滑压运行方式机组滑压运行的热经济性滑压运行机组的安全性与灵活性,一、火电机组的调峰运行方式,两班制运行调峰方式少汽（无汽）空负荷运行调峰方式变负荷运行调峰方式,二、滑压运行方式,滑压运行定义汽轮发电机组在额定出力以下，如带额
16、定负荷的1/2或1/3等部分负荷下运行时，保持调节汽门全开或开度不变，根据负荷大小调节进入锅炉的燃料量、给水量、空气量，使锅炉出口汽压和流量随负荷升降而升降，但出口汽温不变，因而汽轮机进汽温度不变，而进汽压力、流量随负荷的升降而增减，以调节汽轮机的功率。也称变压运行、低压运行或减压运行。分类纯滑压运行节流滑压运行复合滑压运行,三、机组滑压运行的热经济性,分析经济性四因素：循环热效率降低高压缸内效率提高给水泵动力消耗减小再热蒸汽温度升高引起热效率提高当第一项小于后三项之和时采用滑压运行经济。结论：主汽压力为临界压力以下的机组不适宜采用滑压运行,四、滑压运行机组的安全性与灵活性,运行安全性与灵活性
17、部分负荷下，蒸汽压力降低，而温度基本不变，因此当负荷变化，尤其在机组启、停时，汽轮机金属温度变化小，可以减小热应力和热变形，提高机组运行的安全性和快速加减负荷的性能，缩短机组启、停时间，延长使用寿命。,喷嘴配汽：A1B1C1A1B2C2A1B3C3滑压运行：A1D1A2D2A3D3,第六节 初终参数变化对汽轮机工作的影响,初终参数变化过大对安全性的影响p0、pr变化过大对安全性影响蒸汽温度t0、tr变化过大对安全性的影响真空恶化和排汽温度过高对安全性的影响初终参数变化对汽轮机功率的影响初压p0改变对汽轮机功率的影响蒸汽温度t0改变对汽轮机功率的影响真空改变对汽轮机功率的影响,工况变动时，除流量
18、变化之外，汽轮机的初终参数也有变动。当初终参数变化超过一定范围后，不仅影响机组的经济性，对机组的安全也会有影响。一、初温、背压不变，初压变化对功率的影响蒸汽初压的变化，将会引起进汽量、理想焓降和内效率的变化。汽轮机 的内功率为：当初压变化不大时，汽轮机的内功率变化为：,（一）当初压变化而调节阀开度不变，进行简化、推导可得：,相对值：,上式表明，当初温、背压不变时，功率变化量（）正比于初压改变量（），而背压越高，初压对功率的影响就越大，即对背压机影响更大。如图所示，在不同背压下，功率增加与初压的关系。,（二）初压（）变化，保持流量（D）不变1，对于喷嘴调节汽轮机来说：初压（）变化，保持流量（D）
19、不变，则必需改变调节阀的开度。若忽略节流损失，则功率要改变，这种功率要改变是焓降变化所引起的，则 或者 2,对于节流调节汽轮机来说，当初压（）变化，流量（D）不变，必需改变调节阀的开度，则第一级前的压力不变。因此，理想焓降不变。初压变化不会引起功率变化，但有节流损失。3，对于中间再热机组，初压（）变化只会对高压缸起作用。而高压缸的功率一般只占总功率的1/41/3，对功率影响不大。,（三）初压（）变化，要求功率（）不变，则流量要变化 所以：或者 上式表明，当上升，理想焓降增加，效率 提高，流量D减少。当忽略效率变化时，上式为：,二、初压、背压不变，初温变化对功率的影响当初温在一定范围内变化时，要
20、影响功率；初焓变化，也会影响蒸汽在锅炉内的吸热量Q。（一）蒸汽总吸热量Q不变这时，功率为 当初温变化时，理想焓降、初焓 和效率 都要变化。对上式进行推导得：,（390）,（二）调节阀的开度不变这种情况下，初温变化对功率的影响为：其中，。（三）流量保持不变 这种情况下，初温变化对功率的影响为：（四）初温变化对机组安全的影响：初温变化对机组安全的影响，主要对主汽阀、调节阀、调节级的影响，引起较大的热应力。,三、初压、初温不变，背压变化对功率的影响 背压变化对汽轮机的影响主要在末级。为了方便，假定在设计工况下，末级级后压力为临界压力（）。工况变化后有两种情况：（1）末级级后压力由临界压力（）上升；（
21、2）末级级后压力由临界压力（）下降。,通常，=320 m/s，k=1.13，=1.012，所以，,（一）背压由临界压力（）上升当背压由临界压力（）上升到 时，（1）级的焓降（）减少；（2）余速损失改变；（3）级效率改变；（4）凝结水温度改变。这四方面都会引起功率变化，最后可得：,（3100）,对于凝汽机组，为常数（370m/s），、u、k、为定值，则由上式可得单位流量的功率增量（）只与压力比（）有关。=f()结合式（395），有 因此，根据不同的()，就可以算出相应的功率增量（）。,（二）背压由临界压力（）下降：当背压由临界压力（）下降时，使汽流在动叶的斜切部分膨胀，反动度增加，发生偏转，变成
22、（+）。对喉部前的流动没有影响。因此，功率变化只是由于 的大小和方向改变所引起的，经过推导可得：对于一定机组，当背压由临界压力（）下降时，所引起单位流量的功率变化为：,（三）通用曲线 从以上分析，当背压变动时，单位蒸汽流量的功率变化均与（）有关。为了方便，将上述两种情况绘成统一的曲线。这条曲线具有通用性，如图366所示：BA线，按背压上升的情况绘制，BD线，按背压下降的情况绘制；C 点对应喷嘴斜切部分刚好用完的极限状态。从C点起，再继续降低背压，功率不再增加。在BA段，功 率呈直线下降；在BC段，功 率增加，到C 点 为止，其后不再增加。,第七节 凝汽式汽轮机的工况图,汽轮机工况图定义 汽轮发
23、电机的功率与汽耗量之间的关系为称汽轮机的汽耗特性，表示这种关系的曲线称为汽轮机的工况图。凝汽式汽轮机的汽耗特性随其调节方式不同而有不同的特点。实际汽轮机的汽耗特性可通过汽轮机的变工况计算或汽轮机的热力试验确定。,节流配汽 喷嘴配汽,节流配汽凝汽式汽轮机工况图 汽耗特性方程：DDnl+d1Pel 结论：初终参数相同的同类型机组并列运行时，应让d1较小的机组多带负荷，才能使总的汽耗量最小。,喷嘴配汽凝汽式汽轮机工况图汽耗特性方程：DDnl+d1Pel，PelPel,e(JK段),蒸汽量调节方式的比较与选择,（1）节流调节在最大工况下具有最高的经济性；（2）喷嘴调节在经济功率经济性比节流调节好，超过
24、经济负荷或在部分负荷下经济性虽降低，但下降程度比较平缓。,采用不同调节方式的汽轮机的特性曲线,喷嘴数目越多，调节级的节流损失越小，经济性越高；调节阀数目的增加，必然使汽轮机的结构复杂，增加了制造成本，总的经济效益相对减小,采用不同数目调节阀的喷嘴调节与节流调节时的汽耗量比较,设计工况下，调节级比焓降越小，汽轮机流量减小时，调节级比焓降变化就越大，效率降低越多；经济工况下调节级的比焓降选得越大，变工况下，比焓降的变化越小，效率就比较稳定。,调节级汽室压力与流量关系曲线图,调节级效率与流量的关系曲线,总结喷嘴调节只有当调节级的比焓降很大时才显示出它的优越性，故担负尖峰负荷的机组宜采用具有双列调节级的喷嘴调节；担负基本负荷的机组，由于负荷比较稳定，为了保证其有较高的效率，常采用节流调节或具有单列调节级的喷嘴调节；背压汽轮机由于背压高，节流损失影响大，应采用喷嘴调节。,结 束！,
