汽轮机工作原理教材.ppt

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1、汽轮机原理,2019/10/22,1,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。,2019/10/22,2,汽轮机发展史,第一台轴流式汽轮机由瑞典

2、工程师拉伐尔(De Laval)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(Charles Parsons) 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

3、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(3)。日本的三大企业：日立、东芝及三菱等。,2019/10/22,3,1.1 预备知识,1. 状态及过程方程式,1.1.1 热力学及

4、流体力学的一些基本公式,理想气体的状态方程,理想气体的定压比热,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/(kgK) R为通用气体常数=8410J/(kmolK)，为气体分子量。 对水蒸汽=18.016，R=461.26J/(kgK)。,理想气体的焓,等熵膨胀过程方程,2019/10/22,4,2. 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

5、=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,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,或,2019/10/22,5,4. 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M

6、,代入上式得,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,2019/10/22,6,1.1.2 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,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。,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,可见，c时A应扩大还是缩小取决于M 1?,当M1(超音速),即ca时，dA与dc符号相同。膨胀(c):面积应渐扩.扩

7、压(pc):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(De laval)喷嘴。 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：压差力学条件；通道形状变化几何条件,2019/10/22,7,1.2 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,2019/10/22,8,1.2.1 级的作功原理与反动度,1.2.1.1 级的作功原理冲动作用

8、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

9、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。,2019/10/22,9,1.2.1.2 级的反动度m,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,m表示了蒸汽在动叶汽道内的膨胀程度。实际上，m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,2019/10/22,10,1.2.2 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m=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

10、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,* m=0,*,*,2019/10/22,11,反动级,按照m=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,* m=0.5,*,*,2019/10/22,12,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00.5之间，一般取m=0.050.20。习惯

11、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。,2019/10/22,13,三种级的比较,2019/10/22,14,1.2.2.2 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(510%)的反动度。1.2

12、.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,2019/10/22,15,1.2.3 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(喷嘴高度n及动叶高度b)平均直径dm(dn及db),2019/10/22,16,1.3 汽轮机的分类及型号,1

13、.3.1 汽轮机的分类按工作原理： 冲动式汽轮机；反动式汽轮机按热力过程： 凝汽式汽轮机；背压式汽轮机；调节抽汽式汽轮机 抽汽背压式汽轮机；多压式汽轮机等按用途： 电站汽轮机；工业汽轮机；船用汽轮机等按新汽压力： 低压汽轮机(1.5MPa) 中压汽轮机(24MPa，我国定型产品为3.43MPa) 高压汽轮机(610MPa，我国定型产品为8.83MPa) 超高压汽轮机(1214MPa，我国定型12.75及13.24MPa) 亚临界压力汽轮机(1618MPa，我国定型16.18及16.67MPa) 超临界压力汽轮机(22.6MPa)按结构特点： 单缸、双缸或多缸汽轮机；单轴、双轴汽轮机等还可按功率

14、大小、汽流方向等进行划分,2019/10/22,17,1.3.2 汽轮机型号, - 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,国产汽轮机型式代号,2019/10/22,18,汽轮机型号示例, N100-8.83(90)/535 凝汽式汽轮机，额定功率100MW，初压8.83MPa，初温535 N300-16.67(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 CC25-8.83/1.27(13)/0.226(2.3)-3 两次调节抽汽式汽轮机，额定功率25MW,初压8.83MP

15、a,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 B25-8.83/0.98 背压式汽轮机，额定功率25MW，初压8.83MPa，背压0.98MPa CB25-8.83/1.47/0.49 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0.49MPa,2019/10/22,19,1.4 蒸汽在级中的能量转换,则,或,喷嘴出口气流速度的计算理想速度c1t,式中 hn=h0-h1t称为喷嘴的理想焓降(J/kg),将汽流等熵地滞止到速度为零的假想状态点0*的状态参数称为滞止参数,在各参数符号上加一上标“*”,对理想气体,1.4

16、.1 蒸汽在喷管中的膨胀过程,研究级的工作过程，实际上就是研究蒸汽在喷嘴叶栅及动叶栅中的流动规律、能量转换以及流动中产生损失的原因等。,n=p1/p0*喷嘴压比，即喷嘴后静压与进口滞止压力之比,2019/10/22,20,实际速度c1,喷嘴出口实际速度c1要比理想速度c1t小。一般用喷嘴的速度系数来考虑这种损失,速度系数,与喷嘴高度、叶型、汽道形状、压比及表面光洁度等因素有关,其中n对的影响最大,喷嘴损失hn,值一般在0.950.98之间，取=0.97,而把其中与叶高有关的损失抽出来另用经验公式计算,2019/10/22,21,1.4.2 蒸汽在动叶栅中的能量转换,(m/s)，n为汽轮机转速(

17、r/min),db为动叶栅平均直径(m),由三角形基本定律可得：,右图为按基元级展开的动静叶栅剖面图。相对速度 应为绝对速度 与圆周速度(牵连速度) 的向量差：,在讨论叶轮的能量转换关系时，只需了解叶片通道进出口的速度变化便可。,w1求得后，便可利用能量平衡方程求出w2。然后由三角形基本定理求出其他参数。另由余弦定理得：,cu与u方向一致时取正值，相反时取负值。,1.4.2.1 动叶栅进出口速度三角形,2019/10/22,22,1.4.2.2 动叶栅出口速度及轮周有效焓降,1. 动叶栅出口速度 动叶栅的进口相对速度w1可根据进口速度由余弦定理求得，类比c1t求解过程，可得出动叶栅出口理想相对

18、速度：,动叶栅的滞止理想焓降,动叶的能量损失为:,求得w2可根据速度三角形求出c2等。,2019/10/22,23,动叶速度系数,和喷嘴叶栅的速度系数一样，动叶栅的速度系数与许多因素有关，如b、1、2、m、w2t、叶型、表面光洁度等，其中b、m和w2t影响最大。为了热力计算方便起见，通常将值中随b变化的有关损失作为叶高损失，并用半经验公式单独计算,而值仅考虑随m及w2t的变化关系。,2019/10/22,24,2. 轮周有效焓降,余速损失hc2,轮周有效焓降hu,2019/10/22,25,1.4.2.3 蒸汽作用在动叶片上的力,叶片对蒸汽的作用力:,蒸汽对该级动叶的周向作用力:,同理可得，蒸

19、汽对该级动叶的轴向作用力:,蒸汽对该级动叶的总作用力:,蒸汽在动叶栅汽道内转向和加速是由于汽流受到下列作用引起的：(1)汽流受到动叶栅汽道壁的作用力；(2)充满于汽道内的汽流还受到汽流两侧压力差(p1-p2)的作用。 如果用Fb表示动叶片作用于汽流上的合力，则汽流对动叶片的作用力Fb与Fb大小相等方向相反。更关心Fu和Fz。 对圆周方向：,2019/10/22,26,1.4.2.4 轮周功率与轮周效率,1kg蒸汽所产生的轮周功Pu1=Pu/qm,单位时间内汽流对动叶所作的有效功称为轮周功率。它等于圆周力Fu和圆周速度u的乘积。即,利用速度三角形和余弦定律可将上式改写为：,第一项可看作喷嘴焓降作

20、功部分,第二项可看作动叶焓降作功部分,单位质量流体对涡轮级所作的功Pu1表示了单位质量工质在级中由热能转化为机械功的量，在数值上等于级的轮周有效焓降hu。,每千克蒸汽在某级作出的轮周功与蒸汽在该级所具有的理想能量之比，称为级的轮周效率。即：,其中，余速动能利用系数，=01。 0表示本级对上级余速动能利用的程度； 1表示下级对本级余速动能利用的程度。,2019/10/22,27,1.5 级的最佳速度比,习惯上把圆周速度u与喷嘴出口速度c1的比值u/c1称为速度比x1。 实践证明，速比x直接影响c2的大小和方向，因而也就直接影响着轮周效率的大小。 通常把对应最大轮周效率时的速比称为最佳速比,以(x

21、1)op表示。不同类型的级的有不同最佳速比。,1.5.1 纯冲动级的轮周效率与最佳速度比,不考虑余速利用时，0=1=0。对纯冲动级m=0, 故 , w2=w2t=w1,令,于是,2019/10/22,28,纯冲动级最佳速比的几何求法,对于纯冲动级，1=2、w1w2。显见，当2=90即轴向排气时，余速损失最小。而此时 c1cos1=2u x1=u/c1=cos1/2，即x1恰好为最佳速比。,2019/10/22,29,纯冲动级轮周效率与速比的关系曲线,2019/10/22,30,1.5.2 反动级的轮周效率与最佳速度比,在反动级中，动、静叶采用同一叶型，它们互为镜内映射叶片。所以反动级的静叶和动

22、叶中的焓降大致相等，即hn=hb。因此，反动级的进、出口速度三角形对称,1=2，2=1及1，c1w2, c2=w1=c0。,显见，欲使c2达到最小即2=90，必然u/c1=cos1 故反动级的最佳速比为：(x1)op= cos1,2019/10/22,31,1.6 级内损失与级效率,1.6.1 级内损失,喷管损失hn，动叶损失hb，余速损失hc2，叶高损失h，扇形损失h，叶轮摩擦损失hf，部分进汽损失he，漏汽损失h和湿汽损失hx。,1. 叶高损失h,工程上为方便计算将其单独分出来。而在计算喷嘴损失时取=0.97，动叶速度系数用图中的曲线查取。 叶高损失实际上是喷嘴和动叶汽道上下端壁附面层内的

23、摩擦和二次流所造成的损失，其大小与叶高有着密切的关系，当叶片高度较大时,二次流对主流的影响较弱，这时叶高损失就较小；反之叶高损失就较大。,当叶高小于1215mm时，叶道根部与顶部的双旋涡将汇合，充满了整个汽道，严重地扰乱了主流，使叶高损失急剧增大。,2019/10/22,32,2. 扇形损失h,平均直径以外的其它截面上的节距、圆周速度和进汽角等偏离最佳值而产生的流动损失等截面直叶片级的轴向间隙中存在的由内径向外径逐渐增加压力梯度产生径向流动损失,3. 叶轮(包括围带)摩擦损失hf,圆柱面上的速度梯度引起的摩擦损失 子午面内的涡流运动引起的损失,扇形损失的大小与径高比有密切的关系(与 2成反比)

24、。越小，扇形损失就越大。一般当较大(如812)而又采用等截面直叶片时存在扇形损失。采用扭叶片虽加工较困难，但却避免了扇形损失。,2019/10/22,33,4. 部分进汽损失he,鼓风损失,鼓风损失发生在与不装喷嘴的弧段对应的动叶通道内。 当旋转着的动叶通过无喷嘴的“死区”弧段时，动叶片就象鼓风机一样，将“死区”中基本处于静止状态的蒸汽从一侧鼓到另一侧,因此需消耗一部分轮周功。 部分进汽度e越小,非工作区弧段越长，此项损失也就越大。,斥汽损失,斥汽损失发生在装有喷嘴的弧段内。当动叶由非工作段进入工作弧段时,喷嘴中射出的高速汽流须推出汽道中的停滞蒸汽，从而消耗了工作蒸汽的一部分动能。由于叶轮高速

25、旋转的作用,在喷嘴组出口端A处产生漏汽引起损失。并且反动度越大，这种漏汽越严重；而在喷嘴组进入端B则产生抽汽，将一部分停滞蒸汽吸入动叶汽道，干扰了主流引起损失。,由于动叶每经过一组喷嘴弧段时就要发生一次斥汽损失。所以在相同部分进汽度下，喷嘴沿圆周分布组数越多，斥汽损失就越大。,2019/10/22,34,5. 漏汽损失h,冲动级,反动级,反动级采用转鼓结构，其漏汽损失比冲动级大。内径汽封的漏汽量比冲动级的隔板漏汽量大，原因是汽封直径较大而汽封齿数却较少由于动叶前后的压差较大，所以叶顶漏汽量也相当可观。,隔板漏汽损失叶顶漏汽损失,减小措施：设置汽封 轮盘上开设平衡孔选取合理的反动度，尽量使叶根处

26、不吸不漏,2019/10/22,35,6. 湿汽损失hx,湿蒸汽凝结成水减少了作功蒸汽量；,湿蒸汽中的水珠还会使叶片顶部进汽边背弧受到冲蚀,高速蒸汽挟带低速水珠需消耗部分动能；,水珠进入动叶时将撞击在动叶进口处的背弧上，从而产生了撞击损失；,水珠进入下级时也要撞击在喷嘴进口处的背弧上，从而扰乱了主流，形成损失；,捕水装置不可避免地抽出了一部分蒸汽造成工质损失。,2019/10/22,36,1.6.2 级的相对内效率和内功率,热力过程线,级的内焓降(或有效焓降)hi: 1kg蒸汽所具有的理想能量中最后转变成轮轴上有效功的那部分焓降。,级效率(相对内效率)si,级的内焓降与级的理想能量之比称为级的

27、相对内效率，简称级效率。,汽轮机的内功率Psi,D,qm级的进汽量,单位分别为:kg/h,kg/s；hi级的内焓降(kJ/kg),2019/10/22,37,1.7 汽轮机相对内效率,内部损失与外部损失：内部损失是指汽轮机中与蒸汽能量形态转换有关的损失,包括级内损失、进排汽机构损失等；外部损失是指那些与蒸汽作功状态无关的损失，包括机械损失和轴封漏汽损失等。,1.7.1 汽轮机进汽机构中的节流损失,一般在设计上要求流过主汽阀、调节阀及蒸汽室的蒸汽速度不大于4060m/s。在此情况下：,连通管压损：,1.7.2 排汽管中的阻力损失,与排汽管的结构形式和汽流速度有关的阻力系数，一般= 0.05 0.

28、1(速度高时取偏大值)； cex排汽管中的汽流速度，,通常对凝汽式汽轮机取=80100m/s，背压式汽轮机可取= 4060m/s。,2019/10/22,38,1.7.3 机械损失,汽轮机运行时，克服径向轴承和推力轴承的摩擦阻力以及带动调速器和主油泵所消耗的功率Pm，称为机械损失。,Pef汽轮机内功率Pi减去机械损失Pm后用以带动发电机转子的功率，称为有效功率或轴端功率。,对同一台汽轮机，在一定转速下，机械损失Pm在不同负荷下近似为一常数，因而汽轮机的机械效率是随着负荷的增大而增大的。 对于不同容量的机组，其调速器、主油泵所耗功率以及轴承摩擦损失并不随容量成正比地增大，所以大容量机组的机械效率

29、比小容量机组的高。,2019/10/22,39,1.7.4 汽轮机相对内效率及内功率,全机有效焓降Hi与理想焓降Ht之比称为汽轮机相对内效率(简称内效率)，即,汽轮机内功率,汽轮机有效功率,发电功率,g发电机效率。一般小功率发电机g=9095%,大功率机组g=9799%,相对电效率。,2019/10/22,40,1.8 轴向推力及其平衡,1.8.1 轴向推力Fz,蒸汽在轴流式汽轮机的通流部分中膨胀作功时，除了对转子作用一个切向力产生转矩对外作功之外，还对转子施加了一个由高压端指向低压端的轴向力，这个力使转子有一个向低压端移动的趋势，通常就称这个力为轴向推力。 作用在冲动式汽轮机转子上的轴向推力

30、是由作用在全部动叶上的轴向力、作用在叶轮面上的轴向力、作用在隔板汽封凸肩以及转子凸肩上的轴向力组成的。 反动式汽轮机的轴向推力，比同容量的冲动式汽轮机大得多，这主要是因为各级动叶上的蒸汽压力差比冲动式汽轮机中大得多。反动式汽轮机的轴向推力由两部分组成： 作用在动叶上的轴向推力； 作用在转鼓锥形面上及转子阶梯上的轴向推力。,2019/10/22,41,1.8.2 轴向推力的平衡方法,在多级汽轮机中，总的轴向推力往往是很大的，在反动式汽轮机中可以达到23MN。在一般情况下，轴向推力总是超过推力轴承能安全承受的推力。因此，必须采取措施平衡掉一部分，以便推力轴承能长期安全的工作。常见的平衡方法有： (

31、1) 采用具有平衡孔的叶轮 (2) 设置平衡活塞 (3) 采用汽缸对置及对称分流布置,2019/10/22,42,1.9 汽轮机功率的调节方式,不论汽轮机的用途如何，它所带的负荷总是在不断变化的。为了使汽轮机的出力与外界经常变动的负荷相适应，必须随时调节汽轮机的功率。从电功率方程式：,可以看出，为了调节出力，可以调节进入汽轮机的蒸汽量D0，也可以调节蒸汽在汽轮机中的作功能力Ht 。实际上，对一个量进行调节时,另一个量也会跟着改变,只是改变的程度不同而已。目前常用的调节方法有：喷嘴调节、节流调节、滑压调节及旁通调节。旁通调节主要用在船舰汽轮机上，核电厂中也不常用滑压调节。 本节将简单介绍的喷嘴调

32、节、节流调节及滑压调节。,2019/10/22,43,1.9.1 喷嘴调节,调节级的结构及工作原理,喷嘴调节的结构示意图如左图所示。采用喷嘴调节的汽轮机的第一级，因其通流面积随负荷而变，也就是说，其喷嘴参与了负荷调节，故称之为调节级。,2019/10/22,44,调节级的结构及工作原理,(1)汽轮机运行时主汽阀处于全开位置，而各调节阀的开启情况则取决于汽轮机负荷的大小。在汽轮机投入运行及升负荷时，各阀依照规定的次序(一般不是位置的排列顺序)开启；减负荷以及停机过程中则依相反的次序关闭。 (2)各调节阀前的压力p0都相同。随着D0的增加，p0虽然有所降低，但降低幅度很小。这是因为汽轮机运行时，主

33、汽阀始终保持最大开度，节流作用很小。 (3)各调节阀后，亦即各阀所控制的喷嘴组之前的蒸汽压力p0I、p0II等是变动的，取决于各阀的开启程度。对于全开阀，阀后压力近似等于p0，部分开启阀所通过的蒸汽相应地受到此阀的节流作用，阀后压力低于p0。 (4)喷嘴之后的蒸汽压力p1对各组喷嘴都相同。因为喷嘴之后的环形空间并不分开而是完全相通的。若某一个调节阀关闭，它所控制的喷嘴组中及阀后充满着基本静止的、压力p1为的蒸汽。调节级之后(调节级汽室)的压力p2对整个级也是相同的，这里的蒸汽室较其他级间大得多。 (5)各个调节阀开启时所能通过的最大流量(在相同的p0之下)通常不相等。这一方面是由于每个阀所控制

34、的喷嘴数不一定相等，另一方面是因为各阀开启过程中级后压力是变化的。 由此可知，调节级的部分进汽度必然小于1，且在任何工况下，只有通过尚未完全开启的调节阀的那部分蒸汽才受到节流作用，所以喷嘴调节汽轮机在部分负荷时其经济性较好。,2019/10/22,45,喷嘴调节的特点,喷嘴调节汽轮机在工况变动时,调节级始终为部分进汽，因此，调节级存在部分进汽损失。尽管如此,由于在任一工况下,只有通过尚未完全开启调节阀的那部分蒸汽才受到节流作用，所以在部分负荷时喷嘴调节汽轮机的效率仍较高。喷嘴调节使机组的高压部分(尤其是调节汽室中)在工况变动时温度变化较大，从而引起较大的热应力。因此这种机组在调节级汽室处的汽缸

35、壁可能产生的热应力常常成为限制这种机组迅速改变负荷的重要因素。,调节级的焓降是随工况变动而变化的。当汽轮机的蒸汽流量减小时，调节级的焓降增大。并且在第一阀单独控制流量时达最大值。因此当第一阀全开而第二阀尚未开启时级前后压比最大，压差最大且部分进汽度最小。所以进行调节级动叶片强度较核时，最危险的工况不是汽轮机的最大负荷工况，而是当第一调节阀刚全开时的工况。,2019/10/22,46,1.9.2 节流调节,节流调节汽轮机采用一个调节阀(大功率汽轮机采用几个同时开启的阀门)，对进入汽轮机的全部蒸汽量进行调节（上图a），随着负荷的增加，调节阀逐渐开启，当汽轮机发出最大功率时调节阀完全开启。显然，这种

36、调节方式在小于最大负荷的情况下，调节阀是部分开启的，这时蒸汽在调节阀中受到了节流作用，压力降低，使汽轮机的理想焓降减小，如上图b中，由Ht减小到Ht。所以在采用节流调节时，不仅蒸汽量D随阀门开度的变化而改变，理想焓降Ht也同时变化。因此，节流调节有时也称质量调节。,2019/10/22,47,节流调节的特点,采用节流调节的凝汽式汽轮机没有调节级，第一级的通流面积在工况变动时不变，同时由于节流过程中的蒸汽温度变化很小，因此，除最后一、二级外，各级的进汽压力基本上正比于流量而变。 节流调节汽轮机的优点为：结构简单、制造成本低、负荷变化时级前温度变化较小(与喷嘴调节相比),对负荷变动的适应性较好。另

37、外，与喷嘴调节相比。节流调节汽轮机在满负荷时有更好的经济性，并且对大功率的汽轮机，若采用节流调节则避免了部分进汽损失。 节流调节的缺点是在部分负荷下工作时，由于节流损失使效率下降较多，经济性较差。因此，节流调节方式的应用受到限制。目前节流调节只用于辅助性的小功率汽轮机以及承担基本负荷的大型凝汽式汽轮机。,2019/10/22,48,1.9.3 滑压调节,汽轮机滑压运行时，在保持锅炉出口蒸汽温度t0为设计值而改变其压力p0的条件下，使蒸汽经过全开或开度不变的调节阀后进入没有调节级的汽轮机，这样，汽轮机的负荷将随锅炉出口压力的升降而增减，以适应外界负荷变化的需要。从控制汽轮机进汽量的观点看，可以说

38、这种汽轮机采用了滑压调节。 相对于滑压调节而言，其余调节方式统称为定压调节。 1. 滑压调节的经济性 设计工况下，滑压调节及节流调节比喷嘴调节有更好的经济性。 单从热效率的角度看，部分负荷时滑压调节的经济性总是比喷嘴调节差些，但总是高于节流调节的经济性。 考虑给水泵耗功后，对于初压在亚临界以上的机组，采用滑压调节在热经济性上是合算的，而对于超高压机组，采用滑压调节是没有经济性方面的好处的(当然，这并不排除滑压调节给机组运行可靠性和对负荷的适应性带来的好处)。 实际运行低负荷时再热汽温的降低使滑压调节的适应范围还可向超高压方向扩大。,2019/10/22,49,2. 滑压调节的方式,纯滑压调节

39、不论是按节流调节还是按喷嘴调节设计的机组，采用纯滑压调节时，所有的调节阀在整个负荷变化范围内都是全开的，完全由锅炉调整其燃烧来适应负荷的变化。相对于其他滑压调节方式而言，可以提高部分负荷下机组的热效率，且热应力小，操作简单、运行稳定。缺点是由于中间容积及锅炉热惯性较大，使调节产生较大的迟滞，对负荷变化不敏感。 节流滑压调节 在稳定负荷时，调节阀只开启85%95% ，负荷缓慢变化时进行滑压调节；当负荷突然上升时进行定压调节，即调节阀开度增加，利用锅炉的热惯性迅速适应负荷变化的需要。待燃烧调整使汽压上升后，调节阀又重新回到原位。当负荷急剧下降时，也可关小调节阀加以调节。这种调节方式克服了纯滑压调节

40、对外界负荷变化不敏感的缺点。但因有节流损失，降低了滑压调节机组的经济性，且操作比较复杂。 复合滑压调节 这是一种喷嘴滑压调节方式。在高负荷区采用定压喷嘴调节，用改变调节级通流面积的方法调节负荷，以保持机组的高效率；在较低负荷区(如在80% 95%与25% 50%额定负荷之间)，除12个调节阀关闭外，其余调节阀均全开进行滑压调节。这时没有部分开启阀，节流损失相对最小，全机相对内效率接近设计值，机组热经济性降低不多。在极低负荷区域，为了保持锅炉燃烧的稳定性，采用较低压力下的定压喷嘴调节方式。 在滑压调节范围内，当负荷急剧增加时，可启闭调节阀进行应急调节。尽管这种调节方式操作较为复杂，但因其使机组在

41、所有变负荷区域内都有较高的热经济性及较小的热应力，而且调节方式灵活、灵敏度高，因此这种方式是目前大容量调峰机组最常用的一种方式。,2019/10/22,50,思考题,汽轮机是一种将蒸汽的热能转变为机械功的旋转式原动机。什么是汽轮机的级，简述能量在级中的转化过程。当Ma为不同时，要想使气流膨胀，通流截面应如何变化？欲扩压又如何？汽轮机通常是如何分类的？说明汽轮机型号CC25-8.83/1.27/0.226-3的含义。反动度是如何定义的？根据级所采用的反动度的大小不同，可将级分为哪几种？各有何特点？动叶速度系数和哪些因素有关？其中哪些因素影响最大？何谓轮周功率？何谓轮周效率？汽轮机级内损失有哪些项？影响因素如何？蒸汽在多级汽轮机中工作时，除存在各种级内损失外，还要产生哪些损失。轴向推力常见的平衡方法有哪些？目前汽轮机功率的调节方式有哪几种？核电站汽轮机为何大都采用节流调节？,2019/10/22,51,