叶轮机械原理-第二章单级蒸汽透平.ppt

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1、第二章 单级蒸汽透平,单级透平（汽轮机）：,单级蒸汽透平与透平级的区别,只有一个透平级的透平（汽轮机）。,从结构上：,透平级:仅是蒸汽透平的一个组成部分（工作单元）；,单级透平:,透平级,整机，它包括:透平级（通流部分），汽缸、转子、进排汽管路、前后轴承箱、汽封装置以及调节、保安系统等。,从流动过程、能量转换的损失、作功上：,级通流部分中的流动情况和能量转换,级的喷管/动叶1/导叶/动叶2/余速损失,轮周功率和轮周效率,级前喷管动叶1导叶动叶2级后,涉及:从汽轮机进口到排汽口的流动情况和能量转换。,考虑:级的喷管/动叶1/导叶/动叶2/余速损失 其它能量损失（如：进排汽节流损失、摩擦损失、鼓风

2、损失、弧端损失、湿汽损失、漏汽损失等）,功率和效率：轮周功率、内功率、有用功率 轮周效率、相对内效率等,单级透平,蒸汽流程：阀前主汽阀调节阀进汽部分 透平级排汽部分汽缸外,单级蒸汽透平的功率：,0.5 kW 3000 kW,单级蒸汽透平的用途：,原动机：,发电：,驱动大型水 泵、给水泵、油泵、引风机、鼓风机等设备；,单级蒸汽透平基本要求：,结构简单、轻巧，成本低，运行方便可靠；,热耗率、汽耗率低，效率高。,实例少,单级蒸汽透平基本特征：,采用双列复速级,双列复速级所能利用的焓降大，作功能力大。,高背压,省略汽轮机凝汽系统，减小机组结构复杂性和运行维修工作量；通流部分出口比容小，容积流量也小，汽

3、轮机的几何尺寸小，制造成本低。,大焓降,双列复速级所利用焓降约为单列级的四倍。,小流量,在一定功率 下，所需流量就小。,部分进汽,高转速,单级蒸汽透平的类型与结构,四种类型（按蒸汽的流动方向）：,轴流式双列复速级,新蒸汽通过主汽阀、引入蒸汽室，再经过调节阀 和喷管汽室进入喷管；,全部喷管位于上汽缸的一个圆弧段，部分进汽度小于0.5；,蒸汽在动叶栅中作功后经排汽管离开透平。,单级蒸汽透平的类型与结构,四种类型（按蒸汽的流动方向）：,轴流式双列复速级,新蒸汽通过主汽阀、引入蒸汽室，再经过调节阀 和喷管汽室进入喷管；,全部喷管位于上汽缸的一个圆弧段，部分进汽度小于0.5；,蒸汽在动叶栅中作功后经排汽

4、管离开透平。,图2.2 轴流式单级汽轮机纵剖面图,回流式透平,流动特征是：蒸汽先向前流动；然后再向后流动；接着又向前流动；最后排出汽缸。,图2.3 回流式透平速度三角形,特点：只有一排动叶栅，发挥三列复速级的作用；,蒸汽双向流过一列动叶栅。动叶是完全对称的。有：,动叶叶高不变（），但进汽速度差别很大（），相应的部分进汽度变化也很大（）。,图2.4 回流式汽轮机纵剖面图,周向旋流式透平（Terry 透平）,特点：,透平动叶汽道是在轮缘上直接铣出来的半圆形 斜槽，汽流通过动叶栅时的流动方向是圆周向（同动叶旋转方向一致）；,这种透平可以利用较大的焓降，且结构简单。,图2.5 周向旋流式汽轮机纵剖面图

5、,辐流式速度级透平,只适用于功率要求很小的场合。,图2.6 辐流式汽轮机纵剖面图,单级透平的损失、功率和效率,单级透平,由于结构和流动而产生能量损失的地方也多，导致能量转换效率低。,包含主汽阀、进排汽部分、透平级等许多零部件。,蒸汽流经的路程和零部件多。,节流损失,原 因：是由于进汽阀门和进汽管道引起的能量损失。,影响因素：与排汽管的直径和结构、排汽速度有关。,计算公式：,进汽节流损失：,图2.7 多级汽轮机示意图和焓-熵图,排汽节流损失,原 因：主要是排汽管道中的摩擦损失。,影响因素：与排汽管的直径和结构、排汽速度有关。,计算公式：,式中：与排汽管结构形式和汽流速度有关的 阻力系数，=0.0

6、50.1（速度高取偏大值）,排汽管中的汽流速度。凝汽汽轮机：m/s；背式汽轮机：m/s。,在汽流速度范围内，排汽管压力损失：,轮周损失,流动损失：喷管能量损失 动叶能量损失 导叶能量损失 动叶能量损失,余速能量损失：,透平结构损失,原因：考虑汽流的不稳定性以及通流部分中（动叶叶顶）漏汽等结构因素产生的损失；,大小：结构损失使双列复速级的轮周效率下降约2.5%，其结构损失系数为：,轮面摩擦损失：,蒸汽分子对环形叶轮产生的摩擦引起的损失。,部分进汽损失：,由于部分进汽引起的能量损失。,在不进汽弧段区域，动叶栅的风扇作用所消耗能量；,高速汽流将动叶中“呆滞”的蒸汽推动起来所消耗的能量。,机械损失：,

7、透平轴承、齿轮箱、调速器、附属油泵等机械设备所消耗的能量。,实线：机械效率与有效功率的关系曲线；虚线：变速齿轮效率与机组功率的关系曲线图2.8 汽轮机机械效率与有效功率的关系曲线,汽轮机组的效率及动力装置的评价指标,汽轮机的轮周效率：,考虑损失：,轮周损失,评价对象：,喷管损失、动叶损失导叶损失、动叶损失余速损失,汽轮机通流部分设计制造的先进性指标,汽轮机的相对内效率：,考虑损失：,轮周损失（喷管/动叶/导叶/动叶/余速）,结构损失、轮面摩擦损失、鼓风损失、弧端损失,评价对象：,透平级内能量转换过程完善程度的指标,汽轮机的内效率：,考虑损失：,评价对象：,汽轮机内能量转换过程完善程度的指标。,

8、汽轮机的有用效率（发电效率）：,考虑损失：,机组的所有内部损失,机械损失发电机损失,评价对象：,汽轮发电机组工作完善程度的指标。,2.2 双列复速级的通流部分和轮周效率,一、叶栅特性数据,双列复速级，有四排叶栅：喷管叶栅/第一列动叶栅/导向叶栅/第二列动叶栅,四排叶栅工作条件相差很大，叶型几何特性和空气 动力特性也有很大不同，不能通用；,为减小双列复速级通流部分中的流动损失，有必要 选用四种特性不同高效率叶栅组成复速级通流部分；,双列复速级的四个叶型总是成套使用，每个叶栅都有各自的几何特性和气动特性。,二、通流部分结构参数,选择双列复速级的叶栅型式（成套选择），确定四列叶栅的高度；,进行双列复

9、速级的热力计算（速度三角形、轮周功率 和轮周效率等的计算）。,两方面的工作：,已知参数：,复速级的进口蒸汽状态参数：,复速级的出口压力：,复速级的转速：,复速级的流量或功率：,初步计算：,首先不考虑叶栅的流动损失，取：,确定或选定透平级的基本参数，包括：等熵滞止焓降、速比、平均直径、圆周速度、反动度 和反动度的分配 汽流出口角 等。,进行双列复速级速度三角形计算。,初步确定四排叶栅的出口面积和叶片高度,喷管面积：,动叶面积：,导叶面积：,动叶面积：,几计何算参面数积,喷管叶高：,动叶叶高：,导叶叶高：,动叶叶高：,选择双列复速级的叶栅型式，初步确定四排叶栅的相对节距，并查出安装角,从叶栅特性图

10、查出并取定相对节距为：,相对节距：,保证：,利用选取的汽流出口角：,查出四排叶栅的安装角：,初步确定四排叶栅的流动损失系数和速度系数,根据叶栅特性曲线和计算数据，查出四排叶栅的能量损失系数：,计算四排叶栅的速度系数：,迭代计算：,利用初步计算得到的四排叶栅的速度系数,进行复速级实际速度三角形计算，并确定相应参数。,重新计算四排叶栅的出口面积（）和叶片高度（）,核算四排叶栅的相对节距（）,三、双列复速级的轮周效率,喷管损失：,动叶损失：,导叶损失：,动叶损失：,余速损失：,轮周效率：,2.3 摩擦损失、鼓风损失和弧端损失,一、叶轮摩擦损失,摩擦损失原因：,蒸汽粘性、汽流速度沿轴向梯度 叶轮表面的

11、摩擦阻力消耗部分轮周功。,叶轮两侧的旋涡区，产生涡流，也消耗一部分轮周功。,摩擦损失位置：,叶轮的两个端面/叶轮前后的两个空间。,摩擦损失：,克服叶轮摩擦阻力和涡流所消耗的轮周功。,摩擦损失功率的计算方法（通常用实验方法来确定）：,斯托道拉（Stodola）整理的经验公式：,摩擦损失功率影响因素：,转速 n 级平均直径 dm 密度,叶轮摩擦损失系数：,二、鼓风损失,原因:鼓风损失是部分进汽透平级所特有的一种损失。,当透平级是部分进汽（）时，喷管叶栅是布置在某一弧段上；从喷管流出的高速蒸汽也仅仅分布在这一弧段上。,动叶布置在叶轮整个圆周上的。,这种情况下，动叶通道不是连续地通过工作汽体。,对应进

12、汽弧段的动叶栅，就有高速汽流进入，汽流膨胀、作功。该进汽部分的动叶栅正常工作。,对应非进汽弧段的动叶栅，没有汽流进入，但该部分叶栅通道内存在着“基本静止的汽体”。这部分的动叶栅就像“风扇叶片”一样起鼓风作用，使“基本静止的汽体”通过动叶通道。,非进汽弧段的动叶起了风扇作用，相应地就消耗了一部分能量，称为鼓风损失。,鼓风损失产生的位置：,非进汽弧段,鼓风损失功率（半经验公式）:,对单列有护罩的透平级（用护罩相当于鼓风区域减小）：,图2.10 采用护罩的部分进汽级的示意图,对双列复速级（有护罩）：,鼓风损失系数：,摩擦鼓风损失：摩擦损失和鼓风损失合称,其中:k3 考虑工质性质系数（过热蒸汽：k3=

13、1.0；饱和蒸汽：k3=1.21.3）A，B 经验系数（A=1.0，B=0.4）平均密度。单列级：双列级：,图2.11 喷管组两端的不稳定汽流,三、弧端损失,原因:弧端损失也是部分进汽透平级所特有的一种损失。,当透平级是部分进汽（）时，动叶栅不是连续工作。当动叶栅转到进汽弧段时，汽流在动叶内膨胀、作功；当动叶栅转到非进汽弧段时，没有汽流进入动叶栅作功。,对应非进汽弧段：动叶通道内充满了“呆滞”的汽体。当动叶栅从非进汽弧段转向进汽弧段时，从喷管出来的高速汽流为了能够进入动叶通道，就必须推动和加速“呆滞”在动叶通道中的汽体，消耗一部分能量。,图2.11 喷管组两端的不稳定汽流,当动叶栅从进汽弧段转

14、向非进汽弧段时，由喷管组最后一个喷管通道出来的蒸汽，受到动叶栅旋转的影响以及汽流的不稳定性，也引起一部分能量损失。,图2.11 喷管组两端的不稳定汽流,这两种能量损失合称为透平级的弧端损失（斥汽损失）。,弧段损失产生的位置：,1）从非进汽弧段向进汽弧段的过渡区域；2）从进汽段向非进汽段的过渡区域。,弧段损失的功率（半经验公式）：,弧段能量损失系数：,双列复速级：,单列级：,0.6,四、级的相对内效率,轮周损失：,喷管损失、动叶损失、导叶损失、动叶损失、余速损失,结构损失：,摩擦损失：,鼓风损失：,弧端损失：,透平级的理想焓降（作功能力）：,1）透平级相对内效率,2）、对相对内效率 的影响,从前

15、面的分析来看：,可以看出：,级相对内效率 轮周效率；,最佳速比 有所降低；,三项损失对相对内效率影响大。,3）双列复速级的试验曲线,图2.13 相对内效率计算曲线与试验曲线,可以看出：,两条曲线是比较接近的；,和 的最佳值 基本相符；,试验本身存在一定的误差。,4）最佳部分进汽度,部分进汽透平级，当喷管出口面积一定情况下，,有：,可以看出：,各项损失之和最小，相对内效率 最大。,双列复速级的各项损失为：,四排叶栅的流动损失系数之和:,(与叶高或部分进汽度有关）,余速损失系数：,(与叶高或部分进汽度无关）,结构损失系数：,(与叶高或部分进汽度有关）,摩擦损失系数：,(与叶高或部分进汽度无关）,鼓

16、风损失系数：,(与叶高或部分进汽度有关）,弧端损失系数：,(与叶高或部分进汽度有关）,显然，总流动损失 仅是部分进汽度 的函数。,令：,得到：,说明：,速比的选取应与最佳部分进汽度相对应；,先估算一个最佳速比；计算出；查图得到；重新计算出值，直到相对应。,图2.14 汽轮机纵剖面图,2.6 汽封装置,汽轮机在工作时：,汽缸/隔板是静止不动的；主轴/转子/动叶是高速旋转的。,汽缸内是蒸汽压力；外界是大气压力。,隔板前、后的蒸汽压力也不相同。,在几何尺寸上：在气动参数上：,存在压差,存在环形间隙,必定产生漏汽,漏汽产生两个方面的问题：,损失了作功的工质，减小了汽轮机发出的功率：,破坏了工作环境：,

17、即保证汽轮机的安全运行：又最大限度地减小漏汽量,只能采用汽封装置,汽封装置是汽轮机的一个重要部件，汽封安装在：,2.15 隔板汽封剖面图,汽封的作用：,减小汽缸/隔板与主轴等之间环形间隙的漏汽量。,具体来讲：前汽封：减小高压、高温汽体向机组外 的泄露；后汽封：减小外界空气漏入汽轮机低压 区域（如：凝汽器）中；隔板汽封：减小隔板与转子主轴之间环形 间隙的漏汽量。叶顶汽封：减小动叶叶顶与汽缸之间环形 间隙的漏汽量。,汽封类型：,曲径式汽封,炭精环汽封,水环式汽封,迷宫式汽封,刷子汽封,蜂窝密封,目前应用最广的一种形式,不再应用,航空已用 汽轮机正在研究阶段,图2.16 曲径式汽封结构图与照片图,炭

18、精环汽封结构图,图2.18 水环式汽封结构图,图2.19 刷式密封结构示意图,图2.20 蜂窝密封图片,图2.21 曲径式汽封结构图,一、曲径式汽封的工作原理,曲径式汽封的结构,在汽轮机主轴上，安装有带槽沟的汽封套筒，它与主轴一起旋转；,汽封套筒+汽封环=曲径式汽封,汽封装置中有许多环形孔口，齿尖处的径向间隙很小，约0.5mm；每两个孔口之间形成一个环形汽室。,在汽缸上则安装有带锯齿的汽封环，它是静止不动的。,曲径式汽封中的流动过程,蒸汽依次通过汽封的环形孔口；每通过一个环形孔口，蒸汽的压力就降低一些；每个孔口前后都存在压差。,蒸汽在从汽封高压端 流向低压端 过程中：,全部孔口两侧压差之和=整

19、个汽封前后的总压差：,图2.9 曲径式汽封压力变化曲线,当蒸汽通过一个环形孔口时：,压力和焓值就降低，汽流获得一定的速度；汽室的空间相对很大，在汽室中形成强烈的旋涡；涡流将汽流动能变成热能回到汽流中；汽室中汽流温度升高，焓值恢复到孔口前的数值。,总体来看：蒸汽通过环形孔口的流动过程，接近一个节流过程；能量转换过程：热能（膨胀）动能（涡流）热能；,环形孔口的漏汽面积基本上是定值：,漏汽面积：,蒸汽流量相同：,蒸汽的压力逐渐降低，汽流密度减小；,根据连续方程：,结论：随着压力逐渐下降，各孔口处汽流速度逐渐增大；孔口的绝热焓降也是逐渐增大，压比则逐渐减小；在总压差 一定下，环形孔口数目越多，每个孔口

20、两侧的压力差越小，相应的漏汽量也越小,当汽封最后一个环形孔口的压差足够大时：,汽封出口汽流速度可以 达到当地音速；汽封的漏汽量就达到与 汽封初压 相对应的最大值，即临界漏汽量。,所有环形孔口都是没有斜切部分的收缩喷管：,最后一个孔口的汽流速度在任何情况下都 不会大于 临界速度；,而任何其它孔口的汽流速度都 永远小于 当地音速。,各环形孔口出口蒸汽状态（和）点的轨迹：,图2.10 芬诺曲线,图中的曲线 b d f；芬诺线：每条芬诺线都对应一个汽封漏汽量，所以芬诺线就是等流量线。,曲径式汽封的变工况特性,如果汽封初压、背压、径向间隙 不变，但环形孔口的数目 减少，,汽封漏汽量增大,如果汽封孔口数目

21、、径向间隙、背压 不变，但汽封初压 升高，,汽封漏汽量增大,曲径式汽封中的实际流动过程,实际上，汽流通过汽封各环形孔口时，其汽流速度逐渐增大。,汽流的动能在各汽室中并不能全部转化为蒸汽热能；大部分动能：转化为蒸汽热能使蒸汽焓值增大；小部分动能：仍以一定的速度作为通过下一个 孔口时的初速度。,即使汽封前后的汽流参数、孔口数目以及径向间隙 都不变，汽封的实际漏汽量也必然增大。,如图所示：1 代表理想情况下的芬诺线；2 代表实际情况下的芬诺线。,二 曲径式汽封的漏汽量,曲径式汽封漏汽量 与以下参数有关：,汽封前、后蒸汽参数：,汽封的几何参数：,汽封片（环形孔口）数：,理想情况下汽封的漏汽量,假定1：

22、将汽封中任意一个环形孔口当作一个理想的喷管（没有斜切部分）,对第 个孔口：,能量方程为：,有：,其中：、第 个孔口前的 汽流速度 和 压力；、第 个孔口后的 汽流速度 和 压力。,理想情况:初速度,环形孔口出口理论汽流速度:,根据连续方程，通过这个环形孔口的漏汽量为:,将喷管中理想等熵流动的过程方程:代入上式，即可以计算出汽封漏汽量。,假定3：孔口中是等温膨胀过程，理想汽体状态方程来描述:,假定2：忽略汽体的可压缩性，将比容看成一个常数。,取:,漏汽量公式:,上式改变为:,将 代入上式，得到:,可以看出:1）随着压力的降低，各环形孔口的压差增大；2）假定没有改变汽流通过汽封的流动规律。,漏汽量

23、公式变为:,适用于汽封中任一个环形孔口,第1个孔口:,第2个孔口:,第 个孔口:,第 个孔口:,公式：,等式两边各式相加，得到:,汽封漏汽量为:,影响因素:汽封初压、比容、背压；漏汽面积；汽封片数。,实际汽封的漏汽量,误差来源：,将环形孔口的流动当成喷管中的流动；,实际汽体简化为不可压流动，并用理想气体状态方程进行推导；,用平均值比容、平均压力代替实际变化值；,其它因素（孔口的流动阻力、孔口面积收缩率、相邻孔口间的相互影响、汽封的几何结构等）。,实际汽封漏汽量：,汽封漏汽的临界流量（临界漏汽量）,当最后一个孔口的流量达到临界流量时：,有：,临界流量为：,将等温过程方程 代入上式：,有：,其它环

24、形孔口，通过的流量并未达到临界流量：,漏汽量：,得：,有：,汽封是否达到临界的判断公式：,临界漏汽量计算公式：,如果：,如果：,漏汽量为：,漏汽量为：,三、曲径式汽封的设计数据,曲径式汽封结构形式与流量系数 的关系,图2.11 几种曲径式汽封的结构,图2.12 几种曲径式汽封的流量系数,径向间隙 的取值范围,径向间隙设计绝对值：0.3 0.5 mm,从安全运行角度考虑：0.25 mm,实际运行一段时间后：0.6 0.8 mm,漏汽量 和汽封片数 的设计原则,要求：汽封总漏汽量不超过汽轮机进汽量的1%。,措施：压力较高的汽封，将汽封分为23个压力段；,将压力较高的漏汽到可以利用的地方；,漏汽信号：从汽封管中冒出的漏汽量极少；,