汽轮机设备及系统.ppt

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1、第十章 汽轮机工作原理 第一节 汽轮机的一般概念1.定义：汽轮机-将蒸汽的热能转换成机械能的高速旋转机械。汽轮机设备-汽轮机及其附属设备。汽轮发电机组-汽轮机与发电机的组合。2.主要用途：在火电厂和核电站中，做为带动发电机的原动机；也可直接用来驱动给水泵（称汽动给水泵）。,一、汽轮机的分类：（一）按热力特性分类,背压式汽轮机：排汽压力高于大气压。,调节抽汽式汽轮机：部分蒸汽抽出并经压力调整后对外供热；其余做完功后排凝汽器。,纯凝汽式,有回热抽汽的凝汽式（简称凝汽式）,（二）按工作原理分类,汽轮机,冲动式汽轮机：按冲动作用原理（蒸汽在喷嘴中膨胀，在动叶中不膨胀）工作。,冲动反动联合式汽轮机：冲动

2、级+反动级组合,反动式汽轮机：按反动作用原理（蒸汽在喷嘴和动叶中均膨胀）工作。,（三）按新蒸汽压力分类1.低压汽轮机：小于1.5MPa。2.中压汽轮机：2-4MPa.3.高压汽轮机：6-10MPa.4.超高压汽轮机：12-14MPa.5.亚临界压力汽轮机：16-18MPa.6.超临界压力汽轮机：大于22.15MPa.7.超超临界压力汽轮机：新蒸汽压力大于32MPa.,二、汽轮机的型号1.产品型号：2.汽轮机型号的汉语拼音代号：N凝汽式；B背压式；C一次调节抽汽式；CC二次调节抽汽式；CB抽汽背压式。3.机组型号例子：N100-8.83/535N600-16.7/538/538-1B50-8.8

3、2/0.98CC50-8.82/0.98/0.118CB25-8.82/0.98/0.118,第二节 汽轮机的工作原理1.工质（蒸汽）在汽轮机中的能量转换：2.蒸汽在汽轮机中，能量转换包括2个阶段：第一阶段：第二阶段：3.定义：级-一列喷嘴和一列动叶栅组成了从热能转换成机械能的基本单元。,汽机动画汽机冲动原理.rar,650MW汽轮机,多级汽轮机-由若干个级依次叠置而成的汽轮机。调节级（速度级）-当汽轮机采用喷嘴调节时，第一级的进汽截面积随负荷的变化在相应变化，所以，喷嘴调节汽轮机的第一级为调节级。其任务，通过控制喷嘴的开度，可以改变调节级后压力和进汽量从而改变汽轮机的做功能力。 压力级-除调

4、节级外的其它各级统称为压力级。其任务是把蒸汽的热能转化为动能，再转化为汽轮机的机械能。,反动度（m）：用于衡量蒸汽在动叶栅中膨胀的程度。 根据级的反动度大小，可以把级分为以下三种类型： 1）纯冲动级： m =0的级为纯冲动级。其特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中不进行膨胀而只改变流动方向。2）反动级： m = 0.5的级叫做反动级。其特点：蒸汽的膨胀约有一半在喷嘴叶栅中发生，另一半动叶栅中发生。 3）带有反动度的冲动级： m = 0.050.2 。其特点：在这种级中，蒸汽的膨胀大部分在喷嘴中发生，只有少部分膨胀在动叶栅发生。,分类：根据动能转变成机械能的方式不同，可分为不同的工作原理-冲

5、动式汽轮机、反动式汽轮机。冲动式汽轮机：蒸汽主要在喷嘴中进行膨胀加速，在动叶片中蒸汽不膨胀或膨胀很少，而主要是改变流动方向。现代冲动式汽轮机也具有一定反动度，即蒸汽在动叶中也具有一定膨胀，但仍然属于冲动式。反动式汽轮机：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度基本相同，反动度约为0.5的汽轮机。,一、冲动式汽轮机1.冲动作用原理：由力学可知，当运动物体A碰到静止或运动速度较低的物体B时，A会受到阻碍而改变其速度，同时给阻碍它的B一个作用力，这个作用力称为冲动力。2.冲动式汽轮机的工作原理：蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。高速汽流流经动叶片时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力

6、，推动叶轮旋转作功.,由于蒸汽在动叶栅中不膨胀，所以动叶栅前后压力相等，即p1=p2。,在单级汽轮机中，当喷嘴中比焓降较大时，喷嘴出口的蒸汽速度很高，从而使蒸汽离开动叶栅的速度c2也很大，这将产生很大余速损失，降低了汽轮机的经济性。 为了减小损失，在第一列动叶栅后安装一列导向叶栅，使蒸汽在导向叶栅内改变流动方向后再进入第二列动叶栅中继续作功。这样，从第一列动叶栅流出的汽流所具有的动能又在第二列动叶栅中加以利用，使动能损失减小。如果流出第二列动叶的汽流还具有较大的动能，还可以再装第二列导向叶栅和第三列动叶栅。这种将蒸汽在喷嘴中膨胀产生的动能分几次在动叶栅中利用的级，称为速度级。通常把蒸汽动能在两

7、列动叶栅中加以利用的级称为双列速度级，,双列速度级的做功能力在相同条件下相当于34个冲动级或68个反动级,新蒸汽室,第一级喷嘴,第一级动叶,第二级喷嘴,隔板,二、反动式汽轮机1.反动力：由牛顿第三定律可知，当物体A对物体B施加作用力时，A物体就必然要受到与其作用力大小相等、方向相反的的反作用力,这个反作用力称为反动力。例如:火箭就是利用燃料燃烧时所产生的大量高压气体从尾部高速喷出，对火箭产生的反作用力使其高速飞行的.2.反动式汽轮机工作原理 在反动式汽轮机中，蒸汽不但在喷嘴（静叶栅）中产生膨胀，压力由p0降至p1，速度由c0增至c1，高速汽流对动叶产生一个冲动力；而且在动叶栅中也膨胀，压力由p

8、1降至p2，速度由w1增至w2，汽流必然对动叶产生一个由于加速而引起的反动力，使转子在蒸汽冲动力和反动力的共同作用下旋转作功。,喷嘴（静叶）,动叶,平衡活塞,图7.7为轴流式多级反动式汽轮机示意图。它的动叶片直接装在轮鼓上，在每列叶片之前，装有静叶片。动叶片和静叶片的断面形状基本相同。压力为p0的新蒸汽由环形汽室7进入汽轮机后，在第一级静叶栅中膨胀，压力降低，速度增加。然后进入第一级动叶栅，改变流动方向，产生冲动力。在动叶栅中，蒸汽继续膨胀，压力下降，流速增高。汽流在动叶栅中速度的增高，对动叶栅产生反动力。转子在冲动力和反动力的共同作用下旋转作功。从第一级流出的蒸汽依次进入以后各级重复上述过程

9、，直到经过最后一级动叶栅离开汽轮机。由于蒸汽的比容随着压力的降低而增大，因此，叶片的高度相应增高，使流通面积逐级增大，以保证蒸汽顺利地流过。由于反动式汽轮机每一级前后都存在压力差，因而在整个转子上产生很大的轴向推力，其方向如图所示。为了减小这个轴向推力，反动式汽轮机不能象冲动式汽轮机那样采用叶轮结构，而是在转子前部装设平衡活塞8来抵消轴向推力。活塞前的空间用联通管9和排汽管联通，使活塞上产生一个向左的轴向推力，以达到平衡转子轴向推力的目的。,平衡活塞,平衡活塞作用,新蒸汽经节流齿再进入平衡室内中，压力由p1降到，pX，平衡活塞在左、右两侧压力做用下，产生一个向左的轴向力，抵消轴向推力（向右）。

10、,p1,px,按照蒸汽在汽轮机中的流动方向分类，反动式汽轮机可分为轴流式和辐流式两种。,图7.8为辐流式多级反动式汽轮机示意图。汽轮机有两个轴4和5，叶轮1和2分别安装在这两个转轴上，叶片6和7分别垂直安装在两个叶轮的端面上，组成动叶栅。辐流式反动式汽轮机是利用反动作用原理来工作的，新蒸汽从新蒸汽管3进入汽轮机蒸汽室，然后流经各级动叶栅逐渐膨胀，利用汽流对叶片的反动力推动叶轮旋转作功，从而将蒸汽的热能转变成机械能。辐流式汽轮机的两个转子按相反的方向旋转，可以分别带动两个发电机工作。,三、冲动式与反动式汽轮机的特点比较1.叶型不同：（1）冲动式汽轮机的动、静叶型不同：静叶栅的折角小，动叶栅的折角

11、大；动叶片出、入口侧的横截面较匀称，气流通道从入口到出口其面积基本不变。 （2）反动式汽轮机的动、静叶型相似；动叶片出、入口侧的横截面不对称，叶型入口较肥大，而出口侧较薄，蒸汽流道从入口到出口呈渐缩状。,2. 结构不同：冲动式汽轮机的动叶片装在叶轮上，喷嘴安装在隔板上；由于反动式的动叶前后压差大，为减小轴向推力，不采用叶轮，动叶片直接装在转鼓上，喷嘴安装在持环上。,叶轮,隔板,3.冲动式汽轮机中蒸汽的压力降产生在隔板的喷嘴中，反动式汽轮机中蒸汽的压力降产生在装在汽缸上的静叶片和装在转子上的动叶片中。 4.由于反动式汽轮机每一级前后都存在压力差，轴向推力很大，在转子前部装设平衡活塞来抵消轴向推力

12、 。5.反动式机组的调节级（速度级）采用冲动级。,四、汽轮发电机组的经济指标1.汽耗率（d）：汽轮发电机组每发1KW.h的电所消耗的蒸汽量。2.热耗率：汽轮发电机组每发1KW.h的电所消耗的热量。,汽轮机主要设备第一节 汽轮机本体主要结构,一、汽轮机静子（一）汽缸：是汽轮机的外壳。1.作用：将汽轮机的通流部分与大气隔开，将蒸汽包容在汽缸中膨胀做功，完成其能量转换。2.结构特点：圆筒形或圆锥形；采用水平对分式，即分为上、下汽缸，其垂直结合面用法兰螺栓连接。,3.根据功率不同，汽轮机有单缸、多缸结构。单缸结构：用于功率100MW以下汽轮机。双缸结构（1高、1低压缸）：如功率100MW、125MW汽

13、轮机。三缸结构（高、中、低压缸）：如200MW汽轮机。四缸结构（1高、1中、2低）：如300MW、600MW汽轮机。4.根据蒸汽参数不同，汽轮机有单层缸、多层缸结构。超高压参数以上汽轮机高压缸、中压缸采用双层汽缸低压缸用双层或三层汽缸（排汽室仍用单层结构）。排汽室：汽轮机末级动叶排出的蒸汽导入凝汽器的部分。,4.汽缸的滑销系统：（1）作用：保证汽缸按一定方向膨胀或收缩，并保持汽缸与转子中心一致。（2）组成：横销、纵销、立销、角销。横销：引导汽缸横向滑动，并在轴向起定位作用。纵销：引导轴承座和汽缸沿轴向滑动，并限制轴向中心线横向移动。纵销多安装在轴承箱的底部与台板之间，所有的纵销均安装在汽轮机的

14、纵向中心线上。 立销：引导汽缸沿垂直方向滑动，并与纵销共同保持机组的轴向中心不变。角销：防止轴承座与基础台板脱离。在台板上滑动的轴承箱都设有角销，角销安装在轴承箱底部左、右两侧台板 上，以代替连接轴承座与台板的螺栓，但允许轴承座纵向移动。,300MW哈汽轮机滑销系统图,300MW哈汽轮机滑销系统图,300MW哈汽轮机滑销系统图,汽缸膨胀的死点 ：横销与纵销中心线的交点。,角销,横销,纵销,5.法兰螺栓加热装置作用：减小汽缸、法兰及连接螺栓间的温差，缩短机组启、停时间，在启、停机时，对法兰和螺栓进行补充加热或冷却。,汽机专用双头螺栓,（二）隔板1.作用：固定喷嘴，并将整个汽缸内部空间分隔成若干个

15、汽室。,喷嘴,隔板体,（二）喷嘴（静叶栅）：用一定形状的金属叶片，固定在静子上，围隔成流通通道，使蒸汽在经过这些通道时，发生膨胀加速，将热能转换成动能。,由隔板固定的喷嘴与动叶相间布置。,隔板套,把相邻几级隔板装入隔板套中，再固定在汽缸上。,把隔板固定在汽缸上,反动式汽轮机采用鼓式转子，动叶片直接装在转鼓上。与冲动式汽轮机相比，隔板内径增加，且没有了隔板体。,冲动式,反动式,（三）汽封1.作用：减小动、静部分间隙的漏汽。2.分类：轴封、隔板汽封、通流部分汽封。（1）轴封（轴端汽封）：转子穿出汽缸两端处的汽封。高压轴封：防止蒸汽漏出汽缸；低压轴封：防止空气漏入汽缸。,轴端汽封,转子上的汽封槽,轴

16、封上的汽封体,为了完全阻止漏汽（气），采用轴封系统，将蒸汽相入汽汽封中，阻断泄漏通道。,隔板汽封：隔板内圆与转子之间的汽封。阻止蒸汽绕过喷嘴流到隔板后。通流部分汽封（叶顶、叶根汽封）：阻止动叶顶、叶根处漏汽。,喷嘴,隔板体,3.汽封的形式：梳齿形、J形、枞树形。（见P244图）（四）轴承类型：支持轴承、推力轴承。1.支持轴承工作原理：（1）作用：支撑转子重力+转动引起的附加加力，并确定转子的径向位置，保证动、静部分的径向间隙。,（2）工作原理：汽机动画支持轴承.rar转子静止时，轴颈处在轴瓦底部，轴颈与轴瓦之间自然形成油楔。如果向轴承供油，当轴颈旋转时，油随之转动，油从宽口带向窄口，出油量小于

17、进油量，在油楔内形成油膜，油膜压力升高，并油压足以克服轴的重量时，将轴颈抬起。轴颈被抬起，间隙增大，油压有所降低，轴颈下落一些，经反复调整，轴颈稳定在一定的位置上旋转。,（3）结构组成：轴瓦、轴承体等。,轴颈,轴瓦,轴承体,油封环,轴承,轴承箱外形,瓦块,轴承体,进油孔,进油口,回油口,挡油环,（3）支持轴承的结构型式：圆筒形轴承、椭圆形轴承、三油楔轴承、可倾瓦轴承。这4种轴承的支持能力和稳定性由小以大。,圆筒形轴承,三油楔轴承,圆筒形轴承,可倾瓦支持轴承,轴瓦,进油口,可倾瓦+圆筒组合而成的支持轴承,2.推力轴承（1）作用：推力轴承的作用：承受转子的轴向推力，并确定转子的轴向位置，保证动、静

18、部分的轴向间隙。 （2）推力轴承工作原理：汽机动画推力轴承.rar在推力轴承沿圆周方向盘有可摆动的推力瓦块，工作时瓦块可摆动，与推力盘（推力盘与转轴锻造成一体）之间形成楔形间隙，通入润滑油，形成具有一定压力的油膜，承受转子的轴向推力。,（3）结构组成：轴承座、工作瓦块（与推力盘接触的瓦）、非工作瓦块等。瓦块面上浇铸有一层乌金，其厚度就小于汽轮机动、静部分的最小轴向间隙，以保证事故情况下乌金熔化时，动、静部分不致于相互碰撞。,瓦块,推力轴承,3.轴承的分类：滚动轴承、滑动轴承。（1）滑动轴承定义：滑动轴承-在滑动摩擦下工作的轴承。它是靠平滑的面来支撑转轴，即轴承与轴相互接触的部位是一个面。主要形

19、式：静压滑动轴承、动压滑动轴承、伺服控制轴承；其中，动压滑动轴承有：椭圆瓦、可倾瓦，几油楔等。 应用：高速、高精度或特别重载的情况。,（2）滚动轴承定义：滚动轴承-在滚动摩擦下工作的轴承。它是靠滚动体的转动来支撑转轴的，即轴承与转轴的接触部位是一个点，滚动体越多，接触点越多。主要形式：深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、角接触推力球轴承、滚针推力轴承、球面滚子推力轴承、自调心球轴承、球面滚子轴承、推力球轴承、圆柱滚子推力轴承、圆锥滚子推力轴承、滚轮轴承Y-轴承等。特点： 滚动轴承使用维护方便，工作可靠，起动性能好，在中等速度下承载能力较高。与滑动轴承比较，滚动轴承的

20、径向尺寸较大，减振能力较差，高速时寿命低，声响较大。,二、汽轮机转动部分（一）动叶片1.动叶片组成：叶型、叶根、叶顶。,叶型,2.按叶型形状，可分为直叶片、扭叶片。,扭叶片,直叶片,直叶片：加工方便，制造成本较低，有利于在部分级实现叶型通用等优点。但是气动性能差，主要用于短叶片。 扭叶片：具有良好的气动特性及强度，但制造工艺复杂，主要用于长叶片。,动叶片的叶顶由围带固定成组，叶根固定在叶轮上。,围带,动叶片的叶型,围带,高、中压转子用短叶片，由围带连成叶片组,围带的作用：减小叶片工作的弯应力；增加叶片刚性，调整叶片的自振频率，避开共振；使叶片顶部封闭，避免蒸汽从汽道顶部泄漏减小漏汽损失。,低压

21、转子用长叶片，由拉金连成叶片组,拉金,拉金的作用：增加叶片刚性；调整叶片的自振频率，避开共振；改善振动性能；但增加了蒸汽流动阻力，且会削弱叶片强度，所以在满足叶片振动和刚度要求下，尽量避免采用拉金。,有的低压叶片，不用拉金，呈自由叶片。,一般，自由叶片和仅用拉金固定成组的叶片都将顶部削薄，可起到汽封齿的作用；且一旦发生动、静部分摩擦，可减轻事故程度，保护汽轮机。,3.叶片的振动：（1）定义：自由振动：叶片是根部固定的弹性杆件，当受到一个瞬时外力的冲击后，将在原平衡位置附近做周期性摆动。此振动的频率叫自振频率。强迫振动：当叶片受到一个周期性外力（称为激振力）时，叶片会按外力的频率振动，而与自振频

22、率无关。共振：当叶片的自振频率与激振力频率相等或成整数倍时，叶片将发生共振，其振幅和振动应力急剧增加。,（2）叶片发生共振的危害：因振幅和振动应力急剧增加，可能引起叶片发生疲劳损坏；叶片断裂，其碎片可能将相邻叶片及后面级的叶片打坏；使转子失去平衡，引起机组强烈振动。（3）引起激振力的原因：沿圆周方向汽流不均匀分布因喷嘴出汽边有一定厚度，且叶型上的附面层，使沿圆周方向汽流不均匀分布，蒸汽作用力不均匀，导致高频激振力（2000-4000HZ）；制造加工的误差及结构等原因，使级的圆周上个别地方的汽流速度异常，导致低频激振力。,（二）叶轮1.作用：安装动叶片，并将动叶片上的转矩传递给主轴。,叶轮,转轴

23、,动叶片,2.叶轮的结构组成：轮缘、轮面、轮毂（套装转子才有）。,轮缘,轮面,轮面：将轮缘和轮毂或主轴连成一体。轮面上通常开有平衡孔（奇数、均匀分布）。,轮缘：固定动叶片的叶根。,轮毂：减小叶轮内孔应力的加厚部分。,轮缘上开有安装动叶片的叶根槽,3.型式：等厚度叶轮、锥形叶轮、等强度叶轮。,等厚度叶轮,锥形叶轮,等厚度叶轮：加工方便，轴向尺寸小，但强度较低，常用于叶轮直径小的高压部分。,锥形叶轮：加工方便，强度高，得到广泛应用。,等强度叶轮：强度最高，但加工复杂。,（三）联轴器（又称靠背轮）1.作用：连接汽轮机的各转子及发电机转子，并传递转子上的扭矩。,2.分类：刚性联轴器、半挠性联轴器、挠性

24、联轴器。（1）刚性联轴器：用螺栓将两根轴端部的对轮紧紧地连接在一起。,轴1,对轮1,轴2,对轮2,特点：连接刚性高，传递扭矩大；结构简单、尺寸轴承个数，缩短了机组长度，被广泛应用于功率汽轮机中。但传递振动和轴向位移，对转子找中心要求很高。,（2）半挠性联轴器：两个对轮之间通过一个波形套筒连接。波形套筒在扭转方向是刚性的，在弯曲方向是挠性的。,波形套筒,特点：因波形套筒具有一定的弹性，可吸收部分振动，允许两个转子的中心有少许偏差。广泛应用于汽轮机转子与发电机转子之间的连接。,（四）转子1.定义：转子-由主轴、叶轮或转鼓、动叶片和联轴器等汽轮机旋转部件组成的组合体。2.作用：汇集各级动叶栅所得到的

25、机械能，并传给发电机。3.转子所承受的力：扭矩、离心力引起的应力、温度不均匀引起的热应力、轴系振动所产生的动应力。4.对转子的要求：有很高的强度。,2.转子的结构,（1）轮式转子：可分为套装式、整锻式、组合式、焊接式。套装式轮式转子（如P254的11-30图）。 ：加工特点：叶轮与主轴分别加工制造，装配时将叶轮热套在主轴上，叶轮与主轴的配合是过盈配合。过盈配合：孔的公差带在轴的公差带之下，具有过盈的配合。过盈配合中，由于轴的尺寸比孔的尺寸大，故需采用加压或热胀冷缩等办法进行装配。过盈配合主要用于孔轴间不允许有相对运动的紧固联接，,特点：加工方便，能合理利用材料，易保证质量。但会因材料的高温蠕变和过大的温差使叶轮与主轴间的过盈量消失，发生松动。蠕变：金属在高温和应力同时作用下应力保持不变，其塑性变形随时间的延长而缓慢增长的现象 。过盈量：孔的尺寸减去轴的尺寸所得的代数差为正时称间隙，为负时称过盈。 适用：高、中压汽轮机的低压部分。,整锻转子（如图11-31）,