汽轮机设备及运行 第二章 汽轮机的工作原理

汽轮机设备及运行宋彦萍哈尔滨工业大学2011年11月内容安排•绪论•汽轮机的工作原理•汽轮机的变工况•汽轮机本体结构•汽轮机凝汽设备及运行•汽轮机的调节系统•汽轮机的运行汽轮机的工作原理•汽轮机级的基本工作原理•蒸汽在喷嘴中的能量转换过程•蒸汽在动叶中的能量转换过程•级的轮周效率和最佳速比•级内损失和级的内效率•长叶片级•多级汽轮机的工作汽轮机级的基本工作原理•级的概念及工作原理•反动度和级的类型汽轮机的级一列固定的喷嘴叶栅/静叶栅和与它相配合的动叶栅构成了汽轮机的基本做功单元汽轮机的级叶栅：由相同叶片按相同的节距和相同的安装角在同一回转面构成汽流流道的组合体叶型：叶片的横截面形状，其周线称为型线冲角：0=0g-01=1g-1级的基本工作原理•冲动作用原理当一运动物体碰到另一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大小或方向，同时给阻碍它的物体一个作用力，称为冲动力若在冲动力作用下，阻碍运动物体的速度改变，则运动物体就做出了机械功，机械功等于运动物体能量的变化值利用冲动力做功的原理冲动作用原理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•反动作用原理当气体从容器中加速流出时，要对容器产生一个与流动方向相反的力，称为反动力利用反动力做功的原理反动作用原理蒸汽进入动叶，一方面通过速度方向的改变产生冲动力Fi蒸汽冲动力和反动力的合力的轮周分力Fu推动动叶旋转做功另一方面蒸汽在动叶中继续膨胀，压力能转换为动能，w2w1，速度增加使汽流产生作用于动叶上与汽流方向相反的反动力Fr蒸汽在动叶通道中不仅改变方向，还要膨胀，动叶通道逐渐收缩反动度*tbmhh**)(1ntmhh反动度m：表示蒸汽在动叶通道内膨胀程度大小的指标***bbbmnbnbthhhhhhhh*tbmhh*th*nhbh---级的滞止理想比焓降---喷嘴的滞止理想比焓降---动叶的理想比焓降级的类型及特点•根据蒸汽在级中的流动方向轴流式：电站汽轮机大多采用辐流式•按照蒸汽在动叶通道内的膨胀程度冲动级：纯冲动级、带反动度冲动级、复速级反动级•纯冲动级：反动度m=0的级蒸汽只在喷嘴中膨胀蒸汽在动叶通道内不膨胀不考虑损失时：动叶进出口压力相等p1=p2动叶进出口相对速度相等w1=w2hb=0，hn*=ht*动叶叶型近似对称弯曲做功能力大，效率较低•带反动度的冲动级：反动度m=0.05~0.2蒸汽的膨胀主要在喷嘴中进行蒸汽在动叶通道仅小部分膨胀p1p2，hnhb反动力较小，利用冲动力做功动叶通道有一定收缩做功能力比反动级大效率较纯冲动级高•复速级：一列喷嘴+两列动叶级比焓降大，排汽余速大，仍有一定做功能力在同一叶轮上的第一列动叶后加装一列动叶两列动叶间加一列固定在汽缸上的导向叶片主要在喷嘴中膨胀效率低，用于单级汽轮机和中、小型多级汽轮机的第一级余速损失2222cch蒸汽在级中的理想比焓降平均分配在喷嘴和动叶通道中p1p2，hn=hb=0.5ht动叶中膨胀大，反动力大冲动力和反动力做功各占一半动叶叶型与喷嘴叶型相同效率高于冲动级，级的理想比焓降较小•反动级几点补充•速度级：一列喷嘴+两/多列动叶片的级•汽轮机的级分为速度级和压力级，速度级可以是双列(复速级)和多列的，而单列冲动级和反动级为压力级•多数汽轮机采用改变第一级喷嘴面积的方法调节进汽量，即喷嘴调节，喷嘴调节汽轮机的第一级为调节级•中、小容量汽轮机的调节级一般采用复速级，大容量汽轮机采用单列冲动级蒸汽在喷嘴中的能量转换过程•蒸汽在喷嘴中流动的热力过程•蒸汽在喷嘴中实现能量转换的基本规律•蒸汽在喷嘴中的流动速度•喷嘴的流量计算•蒸汽在斜切喷嘴的膨胀过程0—喷嘴进口的蒸汽状态1—喷嘴出口的蒸汽状态1t—不考虑损失时，喷嘴出口蒸汽状态蒸汽在喷嘴中的实际膨胀过程（0→1）滞止状态：假想喷嘴入口的汽流被等熵滞止到初速度为零的状态滞止参数：假在滞止状态下的参数20*002chh*0p*0t•蒸汽在喷嘴中流动的热力过程•蒸汽在喷嘴中实现能量转换的基本规律蒸汽流速与压力之间的变化关系(力学条件)vdpcdc0,0dcdp理想气体等熵过程**1100kktppvv111****10000*0221111kkkktnpkkppcvvkkp喷嘴出口蒸汽理想速度过热蒸汽：k=1.3干饱和蒸汽：k=1.135n：喷嘴压力比蒸汽流速与喷嘴截面积之间的变化关系(几何条件)21dAdcMaAc①亚声速Ma1，流过渐缩喷嘴dA0，速度增加dc0②亚声速汽流经过渐缩喷嘴，出口气流速度最大为Ma=1，若继续增大流速，必使dA0，喷嘴截面为渐扩形式③超声速Ma1，流过渐扩喷嘴dA0，速度增加dc0④汽流速度等于当地声速Ma=1，dA=0，为临界状态⑤汽流在喷嘴中由亚声速变为超声速，必采用缩放喷嘴，在最小截面Amin/喉部截面，汽流达到临界状态1**00211kkcrcrkpcvk*0crcrppcrcrakpv**00kkcrcrppvv121kkcrk临界速度临界压比只与蒸汽性质有关喷嘴背压pb：喷嘴后蒸汽压力喷嘴背压比：*0nbppncr亚声速汽流在渐缩喷嘴中膨胀加速到出口，p1=pb，c1tccrncr亚声速汽流在渐缩喷嘴出口达到临界状态，p1=pcr，c1t=ccrncr亚声速汽流在渐缩喷嘴出口达到临界状态，由pcr到pb在出口外完成ncr亚声速汽流在缩放喷嘴喉部达到临界状态，在扩张部分获得超声速临界状态的汽流速度•蒸汽在喷嘴出口的理想速度22010122ttccqwhh1D稳定流动能量方程蒸汽吸收热量蒸汽对外做功绝热流动q=0；喷嘴不动，对外不做功，w=02201*01022ttcchhh喷嘴能量方程2210100**012()22()1.414ttntnchhchchhh喷嘴出口理想速度喷嘴理想比焓降喷嘴滞止理想比焓降无损失•蒸汽在喷嘴出口的实际速度11tcc速度系数喷嘴出口实际速度c1c1t损失ln12~15mm，Bn=55mmBn=80mm小流量调节级和高压级喷嘴高度15mm强度允许时，尽量采用窄喷嘴简单计算：=0.97*111.414tncch喷嘴出口实际速度c1喷嘴损失hn：每千克蒸汽在喷嘴中流动的能量损失22222111*(1)(1)222ttnnccchh由实验确定速度系数通常=0.92~0.98•喷嘴的理想流量Gt1D稳定流动连续方程**1100kktppvv等熵过程*2110minmin*102()1ktkktnntpkcGAAkvv流量保持不变，B→Amax1,0;,,()()ntntncrtttcrGGGGG出口汽流达到声速汽流在最小截面达到临界状态crn临界流量背压不改变临界状态背压与流量的关系为曲线ABC•喷嘴的理想临界流量(Gt)cr*2110minmin*102()1ktkktnntpkcGAAkvv喷嘴理想临界流量喷嘴的理想流量1**21100minmin**0022()()11kkkkkcrcrtcrppkkAAGkkvv过热蒸汽：k=1.3，cr=0.546121kkcrk渐缩喷嘴：蒸汽最低膨胀到临界压力，喉部达声速，流量为临界流量缩放喷嘴：膨胀到低于临界压力，达到超声速，喉部保持声速，流量为临界流量*0min*00.667()tcrpAGv饱和蒸汽：k=1.135，cr=0.577*0min*00.635()tcrpAGv•喷嘴的实际流量Gn损失存在，GnGt111minmin111ttnttnccvGGGAAvvv喷嘴的流量系数由实验确定流量系数喷嘴在过热区工作11,1tnnvv喷嘴在湿蒸汽区工作111tnvv凝结滞后的过冷现象温度低•喷嘴的实际临界流量GcrntcrtnncrGGGG0.97n过热蒸汽：*0min*00.667()tcrpAGv饱和蒸汽：*0min*00.635()tcrpAGv喷嘴实际临界流量*0min*00.647()crtncrpGAGv1.02n*0min*00.648()crtncrpGAGv**00minmin**000.6480.648crppGAAvRT适用于过热蒸汽和饱和蒸汽•膨台门系数crGG通过喷嘴的流量G与临界流量Gcr之比*210min*01*10min*0211121212121kkknnkcrkkkknnkkpkAkvGGpkAkvkk*0min*00.648crpGGART喷嘴流量k=const亚声速:和n有关超声速:=1预先绘制~n曲线，根据n查，计算G计算流量时无需判断喷嘴内流动状态(亚/超声)斜切喷嘴：为使汽流顺利进入动叶通道，喷嘴出口有段斜切部分---abc直喷嘴：出口截面与汽流方向垂直的喷嘴---ab00•蒸汽在斜切喷嘴的膨胀过程•渐缩斜切喷嘴,ncrbcrpp渐缩部分：ab00斜切部分：abc蒸汽仅在ab00膨胀，在最小截面ab达到pb，获得亚声速或声速汽流蒸汽在abc不膨胀，压力不变，起导流作用，以1=1g的方向流出•渐缩斜切喷嘴1nLncrLbcrppp蒸汽在ab00膨胀，在最小截面ab达到临界状态，压力pcr，速度声速蒸汽在abc继续膨胀，压力从pcr降到pb，汽流加速，速度超声速汽流方向偏转，以1=1g+的方向流出，为汽流的偏转角nL：极限压比p1L：极限压力bc侧压力ad侧压力汽流向ad侧偏转渐缩部分：ab00斜切部分：abc•渐缩斜切喷嘴1nnLcrbLcrppp蒸汽在最小截面ab达到临界状态，在abc继续膨胀，但有一定限度当出口截面ac处压力降到p1L，蒸汽在abc中膨胀达到极限继续降低pb，汽流将在abc外膨胀，增加损失，应避免渐缩部分：ab00斜切部分：abcnL：极限压比p1L：极限压力•缩放斜切喷嘴最小截面：a'b'直喷嘴出口截面：ab直喷嘴：ab00斜切部分：abc蒸汽在缩放斜切喷嘴的膨胀特点：ab截面上的设计压力：p1s蒸汽在a'b'处膨胀到pcr，ab截面膨胀到pb蒸汽在abc内压力不变，不膨胀，仅导流1bspp1bspp蒸汽在a'b'处膨胀到pcr，ab截面膨胀到p1s蒸汽在abc内膨胀到pb，汽流加速且偏转1bspp情况较为复杂，在变工况中讨论•汽流偏转角的计算ln，l1分别为Amin和An截面处的高度；tn为喷嘴的节距通过喷嘴最小截面Amin蒸汽流量=通过渐缩喷嘴出口截面An流量1minsinngncrcrcrcrltccAGvv忽略气流扩散现象，lnl1111n111singnttttltccAGvv贝尔公式1111sinsingtgcrcrtccvv1111sinsincrtggtcrcvcv不考虑斜切部分损失，等熵流动111111121kkktcrcrkncrntpvkpv1**00111**00211121111kkcrcrkktkknnkpvkkcckkpvk111111sin2111sin1