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1、第五章 汽轮机工作原理,电厂热力设备及运行,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,一、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程,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：,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0.920.98，现代汽轮机可取0.97。,B=55
2、mm,B=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,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C2,2、汽流作用在动叶上的力,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）,总作用力,三、轮周功率,周向力每秒钟所做的功,冲动作用,反动作用,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：,五、级的轮周效率,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
3、比称为级的轮周效率。余速损失理想能量E0 或,0为本级利用上一级的余速份额，2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）,上图为C1一定的前提下，给出的三种不同的圆周速度。比较得到，只有选定的使2=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”,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,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hn和动叶损失hb（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
4、；(3)尾迹损失。,2、余速损失hc2；客观存在，采取最佳速比，可以降到最小；3、扇形损失h；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hf:与转速三次方成正比；5、部分进汽损失he:鼓风损失；斥汽损失；6、漏汽损失hleak:叶顶漏汽；隔板漏汽；7、湿汽损失hx；,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。,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。,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
5、级汽轮机。,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
6、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,三、汽轮机及其装置的效率,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：,（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
7、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。,2、热耗率q 生产1kWh的电所需从锅炉供应的热量,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,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，
8、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,汽轮机级和级组的流量与参数的关系,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（
9、不适用于末级）,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
10、内效率亦不变；各级内功率与流量成正比。,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
11、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,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
12、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
13、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。,Question?,1 1 2 2 c1 w1 c2 w2 u u,动叶的圆周速度,重热系数：=0.040.08三、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
14、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；,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；4、重热现象；多级汽轮机由于前一级存在损失，使后面各级的热力过程线逐渐向右偏移，因为等压线斜率随温度的增大而增大，等压线呈扩散状，后面各级的理想焓降因而有所增大的现象；,动叶进口相对速度：动叶进口相对速度夹角：动叶出口理想相对速度：动叶出口实际相对速度：动叶损失：,二、蒸汽在动叶栅中的流动过程,动叶进口相对速度：动叶进口相对速度夹角：动叶出口理想相对速度：动叶出口实际相对速度：动叶损失：,二、蒸汽在动叶栅中的流动过程,二、蒸汽在动叶栅中的流动过程动叶出口绝对速度：余速损失及夹角：,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为有效焓降与理想焓降之比,
