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1、1,第二章 多级汽轮机,第一节 多级汽轮机的特点和损失第二节 汽轮机及其装置的评价指标第三节 多级汽轮机的轴向推力及其平衡计算第四节 轴封及其系统,2,第一节 多级汽轮机的特点与损失,多级汽轮机的工作过程多级汽轮机的优缺点多级汽轮机各级段的工作特点重热现象和重热系数进汽阻力损失和排汽阻力损失,3,一 多级汽轮机的工作过程 1.多级汽轮机的采用：为了提高汽轮机的功率，就必须增加汽轮机的进汽量G 和蒸汽的理想焓降。从经济和安全两个方面来考虑，只有一个级的汽轮机要能有效地利用很大的理想焓是不可能的。为了有效地利用蒸汽的理想焓降，唯一的办法就是采用多级汽轮机。多级汽轮机的一级只利用总焓降中的一部分。使
2、每一级都能在最佳速度比附近工作，就能有效地利用蒸汽的理想焓降，提高机组效率。和单级汽轮机相比较，多级汽轮机具有单机功率大和内效率高的特点。,4,多级汽轮机有冲动式和反动式两种。国产100MW、125MW、200MW汽轮机都是冲动式多级汽轮机；国产300MW汽轮机则是反动式汽轮机。多级汽轮机通常采用喷嘴调节（控制进汽量），称之为调节级，其余的级称为压力级。中小型汽轮机，通常采用双列级作为调节级，大功率汽轮机多用单列级作为调节级。多级汽轮机的通流部分如图2-1所示。蒸汽进入汽轮机各级膨胀作功，压力和温度逐级降低，比容不断增加。因此，通流部分尺寸是逐级增大的，特别是在低压部分，平均直径增加很快。即叶
3、片的高度越来越长。由于受到材料强度的限制，叶片不可能太长，故大型汽轮机都采用多排汽口。如国产200MW汽轮机，设计为三排汽口和两排汽口；国产300MW汽轮机采用两排汽口。,5,2.多 级 汽 轮 机 的 工 作 过 程：蒸 汽 在 多 级 汽 轮 机 中 膨 胀 作 功 过 程 和 在 级 中 的 膨 胀 作 功 过 程一 样。作功过程是重复的，但参数是变化的。3.多级汽轮机的热力过程曲线：其热力过程曲线如图2-2。调节级前的蒸汽状态点为，排汽压力用 表示。汽轮机总理想焓降为。由于进汽机的节流损失和排汽机构的压力损失，故调节级喷嘴前的实际状态点为,而汽轮机末级动叶出口压力为。考虑了这两项损失之
4、后，则总的理想焓降为。为整机的有效焓降。多级汽轮机前一级的排汽状态点，就是下一级的进汽状态点。把各点连接起来，就是多级汽轮机的热力过程曲线。整个热力过程曲线由三部分所组成：进汽机构的节流过程，各级实际膨胀过程,排汽管道的节流过程。,6,二 多级汽轮机的优缺点多级汽轮机每级的焓降较小，有可能使速度比设计在最佳速度比附近，同时c1小、u也小，即直径小，叶高或部分进汽度相应大，这些都使效率增大；各级余速动能可以部分的被利用；多级汽轮机可以实现回热循环和中间再热循环；由于重热现象，多级汽轮机前面级的损失部分的被后面各级所利用。,7,三 多级汽轮机各级段的工作特点 一般情况下，沿着蒸汽流动的方向总可以将
5、多级汽轮机分为高压段、中压段和低压段三个部分。对于分缸的大型汽轮机则可分为高压缸、中压缸和低压缸。由于各部分所处的条件不同，各级段的工作特点也不一样。高压段低压段中压段,8,重热现象和重热系数1.重热现象：在hs 图上，在过热区内，随着温度增加，等压线是呈扩散形；在湿蒸汽区，等压线是斜率为常数的直线。因此，在hs 图上的两条等压线之间的距离（焓降）是随着熵的增加而增加的。这样一来，前一级的损失造成的熵增，能使后一级的理想焓降增加。即前一级的损失，加热了蒸汽本身，使后一级的进汽温度升高，即在后一级得到了利用这就是多级汽轮机的重热现象。,9,2.重热系数（1）重热系数如右图：整机理想焓降为，,由于
6、等压线是呈扩散形，所以：,以上各式相加得：,即有：,也就是：,上式之比值：,称为重热系数，用表示。则上式写成,10,（2）整机效率与级效率 根据上述推导，表示各级理想焓降之和大于整机理想焓降。由于这部分热量的利用，使整机的内效率大于各级平均内效率。设各级内效率相等，用（）表示，则各级有效焓降为：,，,相加得,11,而整机的内效率为：,由于 0，所以，即整机的内效率大于各级平均内效率。通常，重热系数=0.03 0.08，其大小与下列因素有关：1)和级数有关，级数多，大；2)与各级内效率有关，级内效率低，则大；3)与蒸汽状态有关，过热区大，湿汽区小。*这里，决不能误认为越大越好。因为增大，是以增加
7、损失为代价的，而重热只能回收损失其中的一小部分。大会使整机的内效率降低。,3.重热系数的计算：一般用经验公式计算重热系数 其中，k修正系数，过热区 k=0.2；湿汽区 k=0.12；部分在过热区，部分在湿汽区 k=0.140.18。,12,五 进汽阻力损失和排汽阻力损失 汽轮机必须有进汽机构和排汽管道。进汽机构由主汽阀、调节阀、导汽管和蒸汽室组成。排汽机构是一个扩散形的排汽管所构成。蒸汽通过汽轮机进、排汽机构时，由于摩擦和涡流的存在，会使压力降低，形成损失。进汽机构中的压力损失 由于摩擦和涡流的存在，蒸汽通过汽轮机进汽管道就会有压力降低。这个压力降低不作功，是一种损失。而第一级喷嘴前的压力为，
8、则。从图2-3(b)中可见，由于压力差p存在，使整机理想焓降从 降为。,13,蒸汽在进汽机构中的压力损失和管道长短、阀门型线、蒸汽室形状及汽流速度有关。通常，当阀门全开时，汽流速度为（40 60）m/s，则在进汽机构中由于节流所引起的压力损失为：(2-)对于大型汽轮机（如国产200MW、300MW汽轮机），中压缸和低压缸之间有低压导汽管道相连接，则低压导汽管道的压力损失为：(2-),14,图213 考虑了进、排汽机构的压力损失的热力过程曲线,15,排汽管道的压力损失：乏汽从末级动叶排出，经排汽管到凝汽器或供热管道，蒸汽在其中流动时，因摩擦、涡流等原因，会造成压力损失，即排汽管道的压力损失。若末
9、级动叶出口压力为，凝汽器的压力为，则压力损失为 由于压力损失的存在，从图213(b)可知，使整机理想焓降由 变为。差值为，压力损失主要取决于流速的大小、排汽管道的型线结构等原因。,16,通常用下式来估计排汽管道的压力损失，即式中，阻力系数，一般取=0.050.1；排汽管中的汽流速度，对于凝汽机，取=80120m/s；对于背压机，取=4060m/s。,17,第二节 汽轮机及其装置的评价指标,汽轮机的相对内效率,机械效率,发电机效率,则汽轮发电机组的相对和绝对电效率为：,蒸汽的热能,内功率Pi,电功率Pel,轴功率Pax,18,汽耗率机组每生产1KWh电能所消耗的蒸汽量,热耗率机组每生产1 KWh
10、电能所需的热量,19,第三节 多级汽轮机的轴向推力及平衡,多级汽轮机的轴向推力 轴 向 推 力 的 平 衡 方 法,20,一 多级汽轮机的轴向推力 蒸汽通过汽轮机通流部分膨胀作功时，对叶片的作用力由圆周分力和轴向分力所组成。其中，圆周分力推动叶轮作功，而轴向分力则对转子产生一个轴向推力。在一般情况下，作用在一个冲动级上的轴向推力由 4 部分所组成：作用在动叶片上的轴向力：（265)当反动度不大时，压力反动度（）和焓降反动度相差不大，这样一来，则上式为（266）,21,作用在叶轮面上的轴向力 当 叶轮两侧轮毂相等时，则上式为：（2-6 7）其 中，为叶轮前的压力。（略）作用在轮毂上或者转子凸肩上
11、的轴向力(268)作用在轴封凸肩上的轴向力(2-70)这样，多级汽轮机总的轴向推力为各级轴向推力之和。即,(N)(2-71),22,二 轴向推力的平衡方法 在多级汽机中，总的轴向推力是很大的。特别是反动式汽轮机，其总的 轴向推力可达 200 300 T，冲 动式汽轮机，其总的轴向推力可达 4080T。这样大的轴向推力是推力轴承所不能承受的。因此，必须设法减少总的轴向 推力，使之符合推力轴承的能承载能力。也就是说，对汽轮机总的轴向推力 应加与平衡。常见的轴向推力平衡办法有：1.采用平衡孔平衡轴向推力 在叶轮上开设平衡孔可以减少叶轮两侧的压力差，从而可以减少作用在叶 轮上的轴向力。2.设置平衡活塞
12、 如图2-23 所示，在平衡活塞上装有齿形轴封，当蒸汽由活塞的高压侧向低压侧流动时，压力由 降为。平衡活塞在压力差作用下，就产生了一个向左的作用力。这个力刚好与 方向相反，起到了平衡作用。,23,3.采用多缸反向布置 采用多缸反向布置，使汽流在不同的汽缸中作反向流动,其轴向力方向相反，达到了平衡的目的。图2-24为多缸反向布置的示意图。国产125MW、200MW、300MW 汽轮机都采用多缸反向布置的办法来平衡轴向力。4.推力轴承所承担的轴向推力 汽轮机的运行要求推力轴承承担一部分轴向推力，以保证汽轮机运行工况发生变化时，轴向推力方向不变，达到机组稳定运转的目的。推力轴承所承担的轴向推力为：为
13、了安全起见，核算推力轴承时，其安全系数 应大于1.5 1.7。,24,第四节 轴封及其系统,汽封的结构与种类曲径轴封齿形轴封的工作原理轴 封 漏汽量计算轴封系统,25,一 汽封的结构与种类按其安装位置的不同：通流部分汽封隔板（或静叶环）汽封平衡活塞气封轴端汽封汽封的结构型式：曲径式、碳精式和水封式,26,齿形轴封的工作原理：从左图可见到，蒸汽通过一环形齿隙时，由于通道面积减小，速度增加，压力从 Po降到p1。但是蒸汽进入两齿间的大空间时，容积突然增大，速度大为减小。由于涡流和碰撞，蒸汽动能被消耗而转变成热量，使蒸汽焓值又回到原值，如左下图所示。即蒸汽通过轴封齿隙为一节流过程。其后，蒸汽每通过轴
14、封一齿隙时，都重复这一过程，压,二 曲径轴封,27,力不断降低，直到降低轴封最后一齿后的压力为止。所以，轴封的作用是将一个较大的压差分割成若干个减小的压差，从而达到降低漏汽速度，减小漏汽量的作用。这就是齿形轴封的工作原理。蒸汽每通过轴封一齿隙时，压力不断降低，容积不断扩大，而流量是相同的。根据连续性方程，则流速是越来越大的，并在最后一齿大最大。如左图所示，ab 曲线对应C/v=常数，称为芬诺曲线。,28,轴 封 漏汽量计算：为了计算轴封漏汽量，这里作两个假设：蒸汽在轴封间隙中的流动和在简单的渐缩喷嘴中的流动相似；假定轴封各齿隙的面积都相同。从轴封的工作原理可知，蒸汽在轴封间隙中的流动时，汽流速
15、度是逐级增加的。现在又蒸汽在轴封间隙中的流动和在简单的渐缩喷嘴中的流动相似。所以，蒸汽在轴封间隙中的最大速度是临界速度，这一速度只可能在轴封最后一齿中达到。这样，蒸汽在轴封间隙中的流动可能产生两种情况：蒸汽在轴封各齿隙中的流动均小于临界速度；蒸汽在轴封最后一齿隙中达到临界速度，而在以前各齿中其汽流速度均小于临界速度。,29,蒸汽在轴封最后一齿隙中流速低于临界速度时 若已知轴封前后蒸汽压力为，轴封间隙为，轴封齿数为，高低齿间隙处的直径分别为 二者相差小，用平均半径，则轴的齿隙面积。则通过轴封的漏汽量可用下式计算：从上式可知，当轴封前后蒸汽压力确定后，增加轴封齿数，可减少漏汽量。蒸汽在轴封最后一齿
16、隙中流速达到临界速度时 根据上述公式分析，当蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度，而在此之前的各齿中，汽流速度均小于临界速度的情况下，其漏汽量可用上式计算：,而蒸汽在最后一齿隙中流速达到临界速度,其流量为临界流量，因此应按临界流量公式进行计算，即,根据连续性，两种流量应相等。则轴封最后一齿隙中流速达到临界时，漏汽量为：,30,临界状态判别式 当蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度时，则该齿前后压力比 0.546。则可得到临界状态判别式：即当 时，则说明最后一齿达到临界速度；反之，若，则说明最后一齿未达到临界速度。当判别之后，分别计算其相应的漏汽量。,轴封漏汽量的流量系数 在上述两种情况下的
17、轴封漏汽量计算式中，没有考虑轴封结构的影响。所以，流过轴封的实际漏汽量，应该是在上述两种计算式中所计算漏汽量再乘以一个流量系数。即 不同结构的轴封，其流量系数可从图2-10 中查得。*对于平齿齿封，其流量的计算，则要从图2-11中查取一个修正系数，用此系数乘以用上述方法计算而得到的轴封漏汽量，即,31,图210、图211 流量系数、修正系数,32,减少漏汽的途径：当漏汽通过轴封时，依次逐个通过这些齿隙和环形汽室。通过轴封漏量按续程方程来确定。为了减少漏汽量，可以通过：减少齿隙面积A、汽流速度C 和增大比容V 等办法来实现。但是：比容是蒸汽流动状态来决定，不可任意改变。而面积 分别为轴封直径、间
18、隙）、轴封直径d是由大轴的强度确定。为了保证安全，间隙不能太小(一般=0.3 0.6 mm)。太小，可能使大轴与轴封片摩擦，造成大轴弯曲，引起机组振动。唯一可行的办法就是减小汽流速度C。汽流速度C取决于轴封齿两侧的压力差，所以减小轴封齿两侧的压力差是减少轴封漏汽量的主要措施。,33,三 轴封系统轴封系统实例轴封系统的特点轴封汽的利用低压低温起源的应用防止蒸汽由端轴封漏入大气防止空气漏入真空部分,34,作业与思考题：1、为什么要采用多级汽轮机？2、画出多级汽轮机的热力过程曲线。3、多级汽轮机有哪些损失？各是如何产生的？又如何减少？4、叙述齿型轴封的工作原理。5、解释：汽轮机的相对内效率、内功率、轴端功率、电功率；相对电效率、循环热效率、绝对电效率；汽耗率、热耗率。6、多级汽轮机轴向推力的平衡办法。7、提高汽轮机单机容量的措施有哪些？,
