汽轮机设备及运行

汽轮机设备及运行机械与电力工程系绪论电力工业在国民经济中的地位：是国民经济的一项基础产业，也是国民经济发展的先行行业。电力生产的形式：a：火力发电——汽轮发电机组b：水利发电——水轮机c：核能发电——汽轮发电机组d：其他——生物能、风能、潮汐能绪论火电厂基本概念（一）能量转换过程燃料化学能→蒸汽热能→机械能→电能（二）火电厂三大主机锅炉：将燃料的化学能转变为热能汽轮机：将锅炉产生的蒸汽热能转变为转子的旋转机械能发电机：将旋转机械能转变为电能绪论汽轮机的概念：是一种将蒸汽热能转变为机械能的外燃式高速旋转原动机汽轮机特点：单机功率大、效率高、运转平稳、寿命长汽轮机的用途：发电厂的原动机；驱动泵、风机、压气机一、汽轮机装置在电厂中的地位锅炉发电机蒸汽化学能(燃料)热能机械能电能一、汽轮机装置在电厂中的地位二、汽轮机的发展概述世界第一台汽轮机诞生a.1883年，拉瓦尔（瑞典）这是一台单机功率仅为3.7kw的汽轮机。b.多级汽轮机、辐流式汽轮机、背压汽轮机国外汽轮机制造企业a.美国通用电气公司——冲动式b.美国西屋公司——反动式c.法国阿尔斯通-大西洋公司——反动式、冲动式二、汽轮机的发展概述国内汽轮机制造企业a.三大动力设备厂：哈气、上汽、东汽b.工业汽轮机：杭州汽轮机厂c.燃气轮机：南京汽轮机厂二、汽轮机的发展概述发展趋势（1）增大单机功率（2）提高蒸汽参数（3）采用中间再热（4）提高机组的运行水平三、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0.12~1.5中压汽轮机2~4高压汽轮机6~10超高压汽轮机12~14亚临界压力汽轮机16~18超临界压力汽轮机22.1超超临界压力汽轮机32汽轮机型号的表示方法汽轮机型号的组成为：ΔXX-XX-XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：N300-16.7/538/538300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为538ºC,再热蒸汽温度538ºC。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核电汽轮机四、汽轮机有关功率的定义电力行业对汽轮机发电机组功率的定义：（1）额定功率（TRL，铭牌功率）——额定蒸发量（2）最大连续功率（TMCR）——额定蒸发量（3）热耗率验收功率（THC）（4）阀门全开功率（VWO）——锅炉最大连续出力（5）最经济连续功率（ECR）五、现代汽轮机的结构1、转动部分：主轴、叶轮、动叶片、联轴器2、静止部分：汽缸、隔板、静叶、轴承六、本书的内容：内容原理（第一章）结构运行（第五、六章）本体（第二章）辅机凝汽设备（第四章）调节保护（第三章）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概述一、汽轮机通流部分结构1、通流部分：蒸汽流动做功的通道2、通流部分的结构：级：是汽轮机中最基本的工作单元。在结构上它是由静叶（喷嘴）和对应的动叶所组成；一列固定的喷嘴和与它配合的动叶片构成了汽轮机的基本作功单元，称为汽轮机的级。1轴2叶轮3动叶栅4喷嘴二、冲动作用原理和反动作用原理（一）冲动作用原理冲动力的定义：根据力学知识，当一运动物体碰到另一个静止的物体或者运动速度低于它的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小或方向，同时给阻碍它的物体的一个作用力特点：蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机械功，蒸汽在动叶通道中不膨胀，动叶通道不收缩（一）冲动作用原理喷嘴出口处：蒸汽以相对速度w1进入动叶通道，由于受到动叶的阻碍，汽流方向不断改变，最后以相对速度w2流出动叶通道，在流道中蒸汽对动叶产生一个轮周方向的冲动力F1，该力对动叶作功使动叶转动（二）反动作用原理反动力定义：蒸汽在动叶汽道内膨胀时对动叶的作用力。根据动量守恒定律，当气体从容器中加速流出时，要对容器产生—个与流动方向相反的力。基本特点：蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向，而且还要膨胀加速，从结构上看动叶通道是逐渐收缩的。从作用力方面分析原理蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力降低，速度增加一方面通过速度方向的改变，产生冲动力F1蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低，所产生的焓降转化为动能造成动叶出口的相对速度w2大于进口相对速度w1，使汽流产生了作用于动叶上的与汽流方向相反的反动力Fr。在蒸汽的冲动力和反动力合力作用下推动动叶旋转作功。动叶通道是逐渐收缩的基本概念级滞止理想焓降：0点是级前的蒸汽状态点，0*点是汽流被等熵滞止到初速等于零的状态，p1、p2分别为喷嘴出口压力和动叶出口压力，蒸汽在级内从滞止状态0*等熵膨胀到p2时的焓降称为级的滞止理想焓降级理想焓降：蒸汽在级内从0点等熵膨胀到p2时的焓降称为级的理想焓降。th三、反动度和级的类型二、反动度和级的类型汽轮机的反动度蒸汽在动叶通道内膨胀时的理想焓降hb，和在整个级的滞止理想焓降ht*之比，即*tbmhhbnbbnbmhhhhhh***tmbhh**1tmnhh反动度反动度：表示蒸汽在动叶通道内膨胀程度大小的指标。它等于蒸汽在动叶通道中的理想焓降与喷嘴的滞止理想焓降和动叶通道中理想焓降之和的比值级的平直径处（即1/2叶高处）的反动度用Ωm表示，其表达式为：***tbbnbbnbmhhhhhhhh（二）汽轮机级的类型和特点1.按反动度的大小进行分类2.按通流面积是否随负荷而变分类3.按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程分类级的类型及特点汽轮机的级可分为冲动级和反动级两大类冲动级冲动级又分：纯冲动级、带反动度的冲动级速度级1)纯冲动级：反动度为零的级称为纯冲动级工作特点：是蒸汽只在喷嘴中膨胀，在动叶通道中不膨胀结构特点：动叶叶型近似对称弯曲，作功能力大，但效率比带反动度的冲动级低。现代冲动式汽轮机中广泛采用具有一定反动度的冲动级，简称为冲动级工作特点:蒸汽的膨胀主要喷嘴中进行，在动叶通道中仅有小部分膨胀，产生的反动力较小，主要利用冲动力作功结构特点：作功能力比反动级的大，效率又比纯冲动级高。带反动度的冲动级定义：蒸汽在级中的理想焓降平均分配在喷嘴和动叶通道中的级称为反动级工作特点：蒸汽在喷嘴和动叶通道中的膨胀程度相等，作功的力冲动力和反动力各占一半结构特点：动叶叶型与喷嘴叶型完全相同。反动级的效率高于冲动级，但整级的理想焓降较小。反动级调节级喷嘴调节：多数汽轮机采用改变第一级喷嘴面积的方法调节进汽量，称之为喷嘴调节。调节级：中、小容量汽轮机的调节级喷嘴调节汽轮机的第一级称为调节级，一般采用复速级。大容量汽轮机多采用单列冲动级。还把汽轮机的级分为速度级和压力级两种。速度级:为使充分利用余速，在两列动叶之间装设—列导向叶片，排汽经过导向叶片后改变方向，进入第二列动叶继续作功。这种级称为速度级。复速级：同一叶轮上装有两列动叶片的双列速度级，又称为复速级。工作特点：蒸汽主要在喷嘴中膨胀加速：动叶通道和导向叶片通道中基本不膨胀，焓降大、效率较低。用于单级汽轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。复速级第二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一、可压缩流体一元流动的基本方程：连续性方程：微分形式：AcG0dcdcAdA运动方程：cdcRdxdp•能量方程：wchqch22211200•状态方程：RTpv常数kpv二、蒸汽在喷嘴中的膨胀过程蒸汽在喷嘴中的膨胀过程（一）喷嘴中的汽流速度1.喷嘴出口汽流的理想速度：可由能量方程求得20t10t1chh2c20nch2*nh2sh1p112h1t∆hn∆hc00p0P0*0*h0h0*2.临界速度和临界压力比临界状态：汽流速度等于当地音速的状态临界压力比：临界压力与滞止初压之比即*0ppcrcr3.喷嘴出口汽流实际速度：c1=c1t----喷嘴速度系数喷嘴的动能损失:喷嘴的能量损失系数:*21nnhh2*1nnnhh影响速度系数的因素有：喷嘴高度、叶型、汽道形状、表面粗糙度、前后压力等。速度系数与叶高的关系曲线如下图：（二）喷嘴截面积的变化规律当喷嘴内流动为亚音速流动时，M1，汽道的截面积随着汽流加速而逐渐减小，称为渐缩喷嘴当喷嘴内流动为超音速流动时，M1，汽道的截面积随着汽流加速而逐渐增大，称为渐扩喷嘴当喷嘴内汽流速度等于当地音速时，M=1，喷嘴截面积达最小值，称为临界截面积或候部cdcMAdA12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0→1。实际热力过程是0→2。0*点是0的滞止参数点。hsh1p112h1t∆hn∆hc00p0P0*0*h0h0*蒸汽滞止和喷嘴出口参数计算kkppppkkhhccpkkTRkkTch1010010202111211kkpppkkhhc1*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：n21n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：cr577.0546.0crcr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：ntnntcAGt11实际流量：ntnnGGkknknnkktnttnntpkkApppkkAcAG12*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，006473.0,97.0,3.1pAGknncn006483.0,02.1,135.1pAGknncn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，则通过喷嘴的临界流量即为定值。5、彭台门系数β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β。2111211)12()(12crcrnkkkknknncnkkGGnf6、蒸汽在斜切部分的膨胀p0ptαtct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，