汽轮机原理(同济大学)

1、汽 轮 机 原 理汽 轮 机 原 理Steam Turbine Theory 机械学院热能与环境工程研究所绪论 汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式机械，主要用作发电原动机，也用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。一、汽轮机的分类1、按工作原理分冲动式汽轮机反动式汽轮机2、按热力特性分凝汽式汽轮机背压式汽轮机抽汽式汽轮机抽汽背压式汽轮机多压式汽轮机3、按主蒸汽压力分汽轮机类别主蒸汽压力（MPa)低压汽轮机0.121.5中压汽轮机24高压汽轮机610超高压汽轮机1214亚临界压力汽轮机1618超临界压力汽轮机22.1超超临界压力汽轮机32二、汽轮机型号的表示方法汽轮机型号的组成为： XX -

2、XX - XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：N300-16.7/538/538 300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为538C,再热蒸汽温度538C。汽轮机型式代号见下表：代号型式代号型式N凝汽式CB抽汽背压式B背压式CY船用C一次调整抽汽式Y移动式CC两次调整抽汽式HN核电汽轮机第一章 汽轮机级的工作原理 级是汽轮机中最基本的工作单位 级由静叶栅（喷嘴栅）和动叶栅组成 本章着重阐述单级汽轮机的工作原理第一节 蒸汽在级内的流动基本假设（1）蒸汽在级内的流动是稳定流动（2）蒸汽在级内的流动是一元流动（3）蒸汽在级内的流动是绝热流动基本方程式（1）状态方程 pv=RT（2

3、）等熵过程方程pvk=常数（3）连续性方程 Gv=Ac（4）能量守恒方程22211200chch喷嘴中的热力过程 P0,P1分别是喷嘴进出口压力。 理想热力过程从01。 实际热力过程是02。 0*点是0的滞止参数点。hsh1p112h1thnhc00p0P0*0*h0h0*蒸汽滞止和喷嘴出口参数计算kkppppkkhhccpkkTRkkTch1010010202111211kkpppkkhhc1*01*0*01*021112喷嘴出口汽流速度的计算 喷嘴出口的理想速度c1t为：kknnttpppkkhchchhc1*01*0*0*2020101112222喷嘴实际出口速度为：tcc11喷嘴速度系

4、数动能损失为：*2212212112122nttnhccch喷嘴动能损失nh滞止理想比焓降0*h喷嘴的能量损失系数 ：n21n与蒸汽之比喷嘴截面积的变化规律cdcMAdAcAGacMcdcdpdkpdpconstpk12喷嘴中的临界状态*011*0*0*01212ppkpppkkpkccacpkddpankkcrcrcrcrcrcr临界压力比 只取决于蒸汽本身的性质，与喷嘴的结构无关。对于过热蒸汽：对于干饱和蒸汽：cr577. 0546. 0crcr喷嘴中的蒸汽流量 （1）理想情况下，当喷嘴前后的压力比 大于临界压力比时，由连续性方程 有：ntnntcAGt11实际流量：ntnnGGkknkn

5、nkktnttnntpkkApppkkAcAG12*0*01*01*0*011112112 称为喷嘴流量系数，它主要与蒸汽状态及蒸汽在喷嘴中的膨胀程度有关。n （2）当喷嘴前后的压力比小于或等于临界压力比时，通过喷嘴的流量将保持不变，即为临界流量：0011)12(pkkAGkknnct实际临界流量：nctnncGG对于过热蒸汽，对于饱和蒸汽，006473. 0,97. 0, 3 . 1pAGknncn006483. 0,02. 1,135. 1pAGknncn 由以上分析可知，通过喷嘴的最大蒸汽流量（即临界流量），在喷嘴出口面积和蒸汽性质确定后，只与蒸汽的初参数有关；只要初参数已知，则通过喷嘴

6、的临界流量即为定值。5、彭台门系数 当喷嘴进出口压力比处于某个数值时，其相应的流量Gn与同一初状态下的临界流量Gnc之比值称为流量比，也称为彭台门系数，记为。2111211)12()(12crcrnkkkknknncnkkGGnf6、蒸汽在斜切部分的膨胀p0pttct 如图所示， AB为渐缩喷嘴的出口截面，即吼口截面，ABC 即为斜切部分。当喷嘴出口压力p1大于临界压力p1c时，蒸汽在斜切部分不发生膨胀。但当p1dp1 cr1111sinsinnmnnnttnnnldeltzcGA2、 cr n 1d crncrnncrnmnccrnalzldeRTpGA1*0*0sin648. 0)sin(

7、)sin(111111nmnnnttnnnldeltzcGA3、n1dLaatglzAacrnnnnnn22三、长叶片级的设计1、叶片径高比和相对节距的定义bttld810的叶片就成为长叶片，其特点为：（1）圆周速度沿叶高不同，气流冲击背弧或凹弧；（2）叶栅存在最佳相对节距，大于或小于（x1）op造成损失；（3）c1较c0、c2要大得多，受c1u离心力产生径向压力梯度的 影响，p1沿叶高是增加的，径向流动产生损失；综合以上特点，可知长叶片要按二元或三元流进行设计2、二元流设计（简单径向平衡法cr=0）rcdrdpu211 （1）理想等环量流型（cz=constc1ur =const） （2）等

8、1角流型(cos 1=c1u/c1 =constc1urcos 1 =const）3、完全径向平衡法 （1）三元流流型 （2）可控涡流型（反动度沿叶高可按需要进行控制）dtdmcmccRcrcdrdpmmmmmmmusincos122第四节 级内各项损失和级效率一、级内损失 1、喷嘴能量损失、动叶能量损失和余速损失 喷嘴能量损失和动叶能量损失又称为叶栅损失，叶栅损失又可分 （1）叶型边界层的磨擦损失 （2）边界层脱离引起的涡流损失 （3）尾迹损失 （4）流道中有超音速时可能存在激波损失 2、叶高损失ulhlh2 . 13、撞击损失2sin211wh4、扇形损失*27 . 0thdlh5、叶轮摩

9、擦损失32210007. 1udhf6、部分进汽损失（1）鼓风损失（2）斥汽损失*35 . 111. 010014 . 0tuopanbbswhmxAlBhudlehswehhh7、湿汽损失hx8、漏汽损失h二、级效率 级的有效焓降iiirixfelcbnxfelcbntxfelcbntihGWEhhhhhhhhhhhEhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhch02102*220011112第二章 多级汽轮机本章主要讨论多级汽轮机中蒸汽的进、排汽损失，轴向推力以及轴封系统等问题第一节 多级汽轮机的优越性及其特点一、多级汽轮机的优缺点1、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

10、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，这些都是效率增大；2、各级余速动能可以部分的被利用；3、多级汽轮机可以实现回热循环和中间再热循环；4、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。二、重热现象和重热系数1p2p3p4p5phshmactht1ht2ht3ht4ht，2ht，3ht，4hi，1hi，2hi，3hi，4hmaci 在h-s图上，等压线沿着比熵增大的方向是逐渐扩张的，所以，多级汽轮机中上一级损失的一部分可以在以后各级中得到利用的现象。 无损失和有损失时的理想焓降分别为：4,3 ,2,1 ,4,3 ,2,1 ,tttttttttmacthh

11、hhhhhhhh重热系数为：mactmactthhh全机有效比焓降4,3 ,2,1 ,iiiimacihhhhh则全机的相对内效率为：mactmacimacrihh各级平均的相对内效率：jtmaciaverihh, 从以上分析可知，重热现象使全机的相对内效率高于各级平均的相对内效率。但并不是说越大，全机的效率就越高。因为重热现象的存在只不过是使多级汽轮机能回收其损失的一部分而已。三、汽轮机装置的评价指标蒸汽的热能内功率Pi电功率Pel轴功率Paxrimg1、汽轮机的相对内效率mactirihDP06 .32、机械效率rimactaxiaxmhDPPP06 . 33、发电机效率mrimactel

12、axelghDPPP06 . 3则汽轮发电机组的相对和绝对电效率为：elrtfwgmrimactelagmrielrhhh,0.,4、汽耗率机组每生产1KWh电能所消耗的蒸汽量elrmactelhPDd.036005、热耗率机组每生产1 KWh电能所需的热量crrrrfwhhDDhhdq,00第二节 汽轮机进汽、排汽损失和热力过程线一、进汽损失 进汽速度4060m/s，进汽压力损失p0=0.030.05p0。 优化阀的型线，使其带扩压管，把部分蒸汽的动能转化为压力能。二、排气损失 凝汽机组的cex100120m/s，背压机组cex4060m/s。 当进入排汽管的汽流速度较低，即M0.3时，就必

13、须考虑其压缩性，但仍然有：1exexexex三、多级汽轮机的热力过程线（p112116)第三节 多级汽轮机的轴向推力及其平衡 反动式汽轮机的轴向力有100200T，冲动式汽轮机的轴向力有4080T。一、冲动式汽轮机的轴向推力 1、作用在动叶上的轴向推力20212122111 ,sinsinppppppldccGFpbmz2、作用在叶轮轮面上的轴向推力20212020202pppppppppppppprrbbccdd20222,4ppdldFdbmz隔板轴封漏汽量为ddllppzAG01112通过平衡孔的漏汽量为dllppAG202222动叶根部轴向间隙处的漏汽量为dcbdrldrllppApA

14、G203333322如动叶稍有漏气，其流量平衡为(d pdFz,2)dlcbdrldllllAAzAGGG22331123113、作用在轴封凸肩上的轴向推力nidpzzpphdF103,4、转子凸肩上的轴向力222214,4ppddFdz二、轴向推力的平衡 1、设置平衡活塞p121 2、采用具有平衡孔的叶轮p117 3、利用汽轮机分缸的反向平衡p121 4、采用推力轴承第四节 轴封及其系统一、轴封类型 1、高低齿曲径轴封；2、平齿光轴轴封。二、芬诺曲线 等流量曲线zphs0p1p2p3p0h1zpzp0p芬诺曲线三、轴封漏汽量的计算 1、最后一个齿隙的汽流速度低于临界速度02200zpppAG

15、zlll2、最后一个齿隙的汽流速度等于临界速度25. 100,zpAGllcrl第三章 汽轮机在变工况下的工作 汽轮机喷嘴变工况 级变工况 机组变工况 调节级变工况一、渐缩喷嘴的变工况 对于渐缩喷嘴，当其初参数及出口面积不变时，通过喷嘴的流量为：*0*012*0*0648.012pAGGpkkAGncrcrnkknknnncrn时时ACBGGcrG1PcrP1P1=PcP 在流量与出口压力的关系曲线图中，BC段近似于椭圆曲线，则：2221111crcrncrcrncrGG即为彭台门系数，此时通过喷嘴的任意流量G可表示为：*0*0648. 0pAGGnc当蒸汽的参数发生改变时，喷嘴流量为：1、当

16、初压不变时*0*0648. 0pAGn2、喷嘴前后压力同时变化时*0*011*0*011*01*0*0*011*0*0*01*0111ppGGppTTppppGGcrcr流量锥的概念 在实际计算中，大都采用图解法计算流量，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G0m020001000*0*11*0*001mcrcrcrnmcrcrmmmmGGGGGGpppp 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） 渐缩喷嘴流量锥如右图所示。m10abdc相对初压相对背压二、缩放喷嘴的变工况（极限压力p132）2111211111*0

17、*01121*0*0111211212)(12crcrdncrnkkdkdkkncrnkkcrnncrkkdkdnndnAAkkAAkkpAGpkkAG则上式近似于椭圆曲线，21121*011*011111ddnddcrddppppGGppp为椭圆方程，即时，流量与压力的关系1、当初压不变时*0*0648.0pAGcrnd2、初终参数同时改变时*01*0*0*0111111*01*0*0*0111110TTppGGGGppTTppGGcrcrdddd时，在三、汽轮机级的变工况 喷嘴前、后压力发生变化引起流量的变化。反之，当流经喷嘴的流量变化时，喷嘴和动叶前后的压力也要随之变化，从而引起级内各个

18、参数发生变化。本节主要研究级中诸参数随流量变化而变化的基本规律。（一）设计工况和变动工况均为临界工况1、喷嘴在临界状态*01*01*0*0*0*011xTxTppGGcrcr2、动叶在临界状态kkcrcrppRTkkwppGG1*11*11*1*111112*1111111111121111211*11*1*1*111111111ppppTTppAwAwGGkkkkkkbbcrcr若近似认为 ，则有：*11*1TT 111*1*111ppppGGcrcr用喷嘴参数表示则同理有：111*0*01pppp0011*0*011ppGGppGGcrcrcrcr小结： 当级在临界状态下工作时，不论临界状

19、态是发生在喷嘴中还是动叶中，其流量均与级前压力成正比，而与级后压力无关。当c0变化不大（二）设计工况及变工况均为亚临界状态0102220221201101022022202210122120111111TTppppGGTTppppppppGGmcrcrcrcr 当级在亚临界状态下工作时，通过级的流量与级前、后的压力均有关动叶进口的撞击损失11g一、冲角（p50）正冲角时，气流冲击内弧面；负冲角时，气流冲击动叶的背弧面。级负荷变化，是由于流量变化，压力和焓降随之发生变化。于是发生冲击损失。二、撞击损失（p139）焓降增大，导致正冲角；焓降减小，导致负冲角。2sin2111wh级内反动度的变化bn

20、bnAAcwwAcAG111111bnAAcw111cos设计工况下的连续性方程焓降减小时的连续性方程，理论上有从p139b图上可以看出，实际情况是bnAAcwcw11111cos因此，级的反动度要增加。aaamaaamaamxaaaxmmxxxxxxAxxAxxx1coscoscos12cos1cos211111211111焓降减小，速度比增大，级内反动度增大；焓降增大，速度比减小，级内反动度减小；四、汽轮机级组的变工况（一）机组前、后压力与流量的关系 机组可以看作一个当量喷嘴 假设最大初压为p0m，相应的最大临界流量为G0m10022010ppGGppppcrgcrgmmmm级组前压力的相

21、对值级组后压力的相对值相对流量级组临界压力比试验证明： 工况变动时，机组前后的压力与流量的关系可用斯托多拉流量锥表示，即0、2、m组成流量锥； 级数越多，机组的临界压力比就越小； 初参数不同的同一级组具有相同的临界压力比。221222122111221211222121212111100112000220111ppppppppppppppppGGGGGGcrgcrgcrgcrgcrgcrgcrgcrgmmmmcrgcrgm无穷级数的级组中各级均处于亚临界时的流量比为佛留格尔公式，如下01022212212111TTppppGG亚临界变工况的流量与机组前后压力平方差的开方成正比。级组中的末级均到达临界状态：级组中的末级均到达临界状态：例如级组由三级组成,如图示P0P1P2P3P4P5P6G4144411TTppGG对第二级有：22144121224222412211ppppTTppppGG于是有：001221pppp同理有