汽轮机工作原理

2019/12/291汽轮机原理任课教师：张丁旺联系电话：021-5474808413501860320E-mail：[e-mail]2019/12/292第一章汽轮机工作原理概述汽轮机——一种将蒸汽的热能转变为机械功的旋转式原动机•优点——单机功率大，热经济性高，运行平稳可靠，使用寿命长，单位功率造价低，能使用各种廉价燃料等。•缺点——体积庞大、变负荷能力差，必须配套有锅炉、凝汽器、水泵、给水处理等大型设备以及给水回热等复杂的热力系统。因而机动性差，不便用于移动式装备中。•用途：现代火力发电厂和核电厂的主要原动机可作为大型船舶及军舰的推进动力冶金、化工等部门用以驱动各种大型工作机供热式汽轮机还可满足生产和生活用汽、用热的需要，实现高效益的热电联合生产。2019/12/293汽轮机发展史第一台轴流式汽轮机由瑞典工程师拉伐尔(DeLaval)1883年创造冲动式，容量3.7kW，转速26000r/min，轮周速度475m/s。拉伐尔解决了等强度轮盘，挠性轴和缩放喷嘴等较复杂的技术问题。第一台多级反动式汽轮机由英国工程师查尔斯·帕森斯(CharlesParsons)1884年设计1903年至1907年间，出现了热能电能联合生产的汽轮机，即背压式及调节抽汽式汽轮机；1920年左右，出现了给水回热式汽轮机；1925年，生产出第一台中间再热式汽轮机20世纪70年代，美国生产了最大单机功率为1300MW的双轴汽轮机，1980年前苏联制造的1200MW五缸六排汽一次中间再热超临界单轴汽轮机投入运行1955年，上汽厂制造了中国第一台功率为6MW的汽轮机，此后我国分别设计制造出了50MW、100MW、125MW、200MW和300MW等容量的凝汽式汽轮机及不同容量和型式的供热式汽轮机。80年代，我国引进消化技术，自行制造出了300MW及600MW亚临界凝汽式机组。目前我国已具备生产百万级机组的能力。上汽厂、哈汽厂和东方厂——北重、青汽和武——杭汽、南汽等美国的通用电气公司(GE)，西屋电气公司(WH)。瑞士ABB、法国的阿尔斯通——大西洋公司(AA)。俄罗斯的列宁格勒金属工厂(ЛМ3)。日本的三大企业：日立、东芝及三菱等。2019/12/2941.1预备知识1.状态及过程方程式1.1.1热力学及流体力学的一些基本公式理想气体的状态方程pvRT理想气体的定压比热p1kcRk式中k—等熵指数。对于过热蒸汽k=1.3；对干饱和蒸汽k=1.135;对湿蒸汽k=1.035+0.1x，x表示膨胀过程初态蒸汽干度R—气体常数。R=R/=8410/[J/(kg∙K)]R为通用气体常数=8410J/(kmol∙K)，为气体分子量。对水蒸汽=18.016，R=461.26[J/(kg∙K)]。理想气体的焓p11kkhcTRTpvkk等熵膨胀过程方程/kkpvp常数dd0pvkpvdd0pkp2019/12/2952.连续性方程即质量平衡方程:连续性方程的微分形式:表明了稳定流动中通流截面与汽流速度及蒸汽比容之间的变化关系——蒸汽流动变化与作用于流体上的力的关系式⇒对等熵流动，R=0，则式中负号说明在无损失的流动过程中，压力和速度的变化方向相反mAcqv常数112212AcAcvvddd0AcvAcv3.运动方程式微元段上的力:压力p及阻力dR，重力垂直流动方向，在运动方向上的分量为零dd/mAxvddRRmdddddcApRmt或ddvpccdd()d(d)(d)dd2dpcAppAppAARmtdddvpRxcc2019/12/2964.能量方程式对于稳定流动，进入系统的能量必然等于离开系统的能量。若忽略汽流进出系统的势能变化，则系统的能量方程可写为：研究气体的流动经常用到临界概念，因此必须首先给出音速表达式。音速实际上就是压力波的传播速度。根据小压力扰动理论，音速a可以表示为：将等熵过程微分方程式M=1时的气流状态称为临界状态，此时气流速度c称为临界速度ccr，参数都称为临界参数，如pcr，vcr等。5.音速与马赫数M20002chgzq21112gchziwddpadd0pkp代入上式得pakkpvkRT音速标志了工质可压缩性的大小，是流体的一个状态参数对理想气体，k=cp/cv只是温度的函数，故音速也只是温度的函数流体的速度c与当地音速a的比值叫作马赫数M。即Mca220101i22cchhw2019/12/2971.1.2促使流动变化的条件1.力学条件(速度变化与压力变化之关系)将运动方程式代入等熵过程分方程式有dd0pvkpvddvpcc222d1ddddvpcccccMvkpkpvacc由运动方程式知：在气体流动中，如果流速是增加的，则压力必然降低，如果压力升高，则流速必然降低。ddvpcc2.几何条件(截面变化与流速之间的关系)代入连续性方程有22ddddd0(1)AccAcMMAccAc可见，c↑时A应扩大还是缩小取决于M⋛1?①当M1(亚音速),即ca时，dA与dc符号相反。膨胀(c↑):面积应渐缩.扩压(p↑c↓):面积应渐扩。②当M1(超音速),即ca时，dA与dc符号相同。膨胀(c↑):面积应渐扩.扩压(p↑c↓):面积应渐缩。可见，若要使汽流从亚音速变为超音速(膨胀加速)，管道(喷管)的形状应先渐缩—再渐扩[称为缩放喷嘴或拉伐尔(Delaval)喷嘴]。③当M=1，即c=a时，称为临界。dA=0，最小截面。因此，速度的变化需两个条件：①压差—力学条件；②通道形状变化—几何条件2019/12/2981.2汽轮机基本工作原理及级的概念汽轮机是利用蒸汽的热能来作功的旋转机械，因此它的工作原理是基于热能转换为机械能的理论。•级——喷嘴和与其配合的动叶栅所构成的汽轮机基本作功单元。单级汽轮机与多级汽轮机2019/12/2991.2.1级的作功原理与反动度1.2.1.1级的作功原理•冲动作用原理——当一运动物体碰到另一静止的或运动速度比它低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小及方向，同时给阻碍它运动的物体一作用力，这个力称为冲动力，其大小取决于运动物体的质量和它的速度变化。在汽轮机中，从喷嘴流出的高速蒸汽通过动叶汽道时，其流动方向改变，因而对叶片产生一冲击力，推动叶轮运动，作出机械功。这就是冲动作用原理。•反动作用原理——反动力是由原来静止或运动速度较小的物体，在离开或通过另一物体时，聚然获得一个较大的速度而产生的。在汽轮机中，当蒸汽在动叶片构成的汽道内膨胀加速时，汽流必然对动叶作用一个由于加速而产生的反动力，推动叶轮运动，作出机械功。这就是反动作用原理。冲动作用原理的特点是汽流在动叶汽道中不膨胀加速而只改变方向；反动作用原理的特点是汽流在动叶汽道内不仅改变方向，而且还进行膨胀加速。2019/12/29101.2.1.2级的反动度Ωm定义：蒸汽在动叶汽道内膨胀时的理想焓降∆hb与整个级的滞止理想焓降∆ht*之比Ωm表示了蒸汽在动叶汽道内的膨胀程度。实际上，Ωm沿直径是增加的。下标m为平均直径。当级的理想滞止焓降及反动度确定后，便可根据上式来确定喷嘴和动叶的理想焓降，即bbm*tnbΔΔΔΔΔ*hhhhh*nmtΔ(1)Δ*hh*bmtΔΔhh2019/12/29111.2.2级的分类和特点1.2.2.1按反动度分分为纯冲动级，反动级，带反动度的冲动级三种•纯冲动级：按照Ωm=0的条件设计的级叫作纯冲动级。在纯冲动级中，热能到动能的转换在喷嘴中进行，而在动叶中只有动能到(机械能)轮周功的转换。纯冲动级的特点是：*动叶通流截面沿流道不变*Ωm=0**12ppb0h*tn*hh2019/12/2912•反动级按照Ωm=0.5的条件设计的级叫作反动级。在反动级中，蒸汽的热能转变为动能的过程，不仅发生在喷嘴叶栅中，也发生在动叶栅中，而且这种转变在喷嘴和动叶中大约各完成一半。反动级的特点是：*喷嘴通道及动叶通道都为渐缩型动、静叶片型状相同，反向安装*Ωm=0.5**12pp*bnt05*hh.h2019/12/2913•带反动度的冲动级纯冲动级的作功能力大，而反动级的效率高。因此实际中的冲动级将反动度选在00.5之间，一般取Ωm=0.05~0.20。习惯上讲这种级称为冲动级。这种级的特点是：蒸汽的膨胀大部分发生在喷嘴叶栅中，只有小部分在动叶栅中发生，故其动叶通道也稍有收缩。这种级具有纯冲动级及反动级的共同优点现代大型汽轮机中，为了获得尽可能高的效率，更普遍地采用了反动级。2019/12/2914•三种级的比较2019/12/29151.2.2.2按结构分单列级与双列复速级双列复速级简称复速级，由美国工程师寇蒂斯(Curtis)于1900年前后创造。实际上是冲动级的一种延伸。作功能力比单列冲动级的大；常用于单级汽轮机或中小型汽轮机的第一级；以利用蒸汽的速度为主，也称其为速度级；为提高级效率，通常选取(510%)的反动度。1.2.2.3其他分类按级的工作特性将其分为调节级和压力级采用喷嘴调节汽轮机的通流面积随负荷变化而变化的第一级称为调节级中小容量机组的调节级一般采用复速级末级与中间级孤立级调节级及末级的余速动能通常不能被利用2019/12/29161.2.3叶栅几何特性汽轮机叶栅是由许多相同叶片以同样的间距和安装角度排列在某一几何面上而形成的栅型汽流通道。叶片的横截面形状称为叶型,其周线称为型线若叶片型线沿叶高不变，则称为等截面叶片,若叶片型线沿叶高变化,则为变截面叶片。叶片高度ℓ(喷嘴高度ℓn及动叶高度ℓb)平均直径dm(dn及db)2019/12/29171.3汽轮机的分类及型号1.3.1汽轮机的分类•按工作原理：①冲动式汽轮机；②反动式汽轮机•按热力过程：①凝汽式汽轮机；②背压式汽轮机；③调节抽汽式汽轮机④抽汽背压式汽轮机；⑤多压式汽轮机等•按用途：①电站汽轮机；②工业汽轮机；③船用汽轮机等•按新汽压力：①低压汽轮机(1.5MPa)②中压汽轮机(24MPa，我国定型产品为3.43MPa)③高压汽轮机(610MPa，我国定型产品为8.83MPa)④超高压汽轮机(1214MPa，我国定型12.75及13.24MPa)⑤亚临界压力汽轮机(1618MPa，我国定型16.18及16.67MPa)⑥超临界压力汽轮机(22.6MPa)•按结构特点：①单缸、双缸或多缸汽轮机；②单轴、双轴汽轮机等•还可按功率大小、汽流方向等进行划分2019/12/29181.3.2汽轮机型号Δ×××-××-×变型设计序数蒸汽参数(不同型式有不同含义)额定功率(MW)汽轮机型式代号代号型式代号型式N凝汽式CB抽汽背压式B背压式CY船用C一次调节抽汽式Y移动式CC两次调节抽汽式HN核电汽轮机国产汽轮机型式代号2019/12/2919汽轮机型号示例⑴N100-8.83(90)/535凝汽式汽轮机，额定功率100MW，初压8.83MPa，初温535℃⑵N300-16.67(170)/538/538(一次中间再热)凝汽式汽轮机，额定功率300MW,初压16.67MPa,初温538℃，再热汽温538℃⑶CC25-8.83/1.27(13)/0.226(2.3)-3两次调节抽汽式汽轮机，额定功率25MW,初压8.83MPa,高压调节抽汽压力1.27MPa,低压调节抽汽压力0.226MPa,第3次变形设计⑷B25-8.83/0.98背压式汽轮机，额定功率25MW，初压8.83MPa，背压0.98MPa⑸CB25-8.83/1.47/0.49抽汽背压式汽轮机，额定功率25MW，初压8.83MPa，抽汽压力1.47MPa，背压0.49MPa2019/12/29201.4蒸汽在级中的能量转换i0w则22010122cchh或2221010n02()2Δchhchc喷嘴