2×300MW汽机专业培训第二篇汽轮机(第一章).doc

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1、第二篇 汽轮机 绪 论一、汽轮机在国民经济中的地位汽轮机又称“蒸汽透平”，是以水蒸气为工质，将蒸汽热能转换成转子旋转的机械能的动力机械，它具有单机功率大、效率高、转速高、运转平稳、单位功率制造成本低和使用寿命长等优点，在现代工业中得到广泛的应用。汽轮机的主要用途是在热力发电厂中作原动机。在以煤、石油和天然气为燃料的火力发电厂、核电站和地热电厂中，都采用以汽轮机为原动机的汽轮发电机组，其发电量约占总发电量的80%左右。另外，汽轮机的排汽或中间抽汽还可以用来满足生产和生活的供热需要，这种既供热、又供电的汽轮机称为热电合供汽轮机，这种汽轮机在热能的综合利用方面具有较高的经济性。由于汽轮机能够变速运行

2、，故还可以用它直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。在生产过程中有余能、余热的各种工厂企业中，可以利用各种类型的工业汽轮机，使不同品位的热能得到合理有效的利用，从而提高企业的节能和经济效益。电力工业是现代化国家的基础工业，为适应电力工业的发展，汽轮机的单机容量不断增大，目前世界上运行的最大双轴汽轮机为瑞士ABB公司制造的1300MW机组，最大单轴汽轮机组为前苏联制造的1200MW机组。在我国，目前的主力机组为300MW的汽轮机组，国产亚临界600MW汽轮机组和引进超临界600MW汽轮机组也已投入运行，在最近几年，我国建成投产的主力机组，仍将为单机容量300600MW的机组。生产电能的工厂

3、称为发电厂(如火力发电厂、水电厂、核电站等)。火力发电厂简称为火电厂，它是利用化石燃料(煤、石油、天然气)中蕴藏的化学能，在锅炉内通过燃烧转换为蒸汽的热能，然后在汽轮机内将蒸汽的热能转换成机械能带动发电机发电的工厂。在世界范围内火电厂中，燃煤电厂所占比例最大，如英国和德国高达70%，美国和前苏联几乎占50%，我国超过70%。二、汽轮机的发展简史1883年瑞典工程师拉伐尔（Laval）首先发明、制造了世界上第一台单级冲动式汽轮机，功率是3.7KW，转速高达26000r/min，相应的圆周速度为475m/s。在这台单级汽轮机中，拉伐尔解决了等强度叶轮、挠性转子和缩放喷嘴等较复杂的汽轮机技术，为汽轮

4、机的发展作出了贡献。18841894年，英国工程师柏生氏（CAParsons）相继创造出了轴流式多级反动式汽轮机、辐流式汽轮机和背压式汽轮机。1900年前后，美国工程师寇蒂斯（Curtis）创造出了复速级单级汽轮机。与此同时，法国工程师拉托（Rateau）和瑞士工程师崔利（Zoelly）分别在拉伐尔单级汽轮机的基础上制造出了多级汽轮机。在前后十几年的时间里，已形成了汽轮机的两种基本类型多级冲动式汽轮机和多级反动式汽轮机。19031907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以满足其他工业部门对蒸汽的需要。1920年左右，随着蒸汽动力装置循环的改进，出现了给水回热式汽

5、轮机。这种汽轮机的应用提高了装置的循环效率，也提高了汽轮机本身的相对内效率，特别是创造了提高单机功率的条件。所以，此后给水回热式汽轮机几乎完全代替了原来的纯凝汽式汽轮机，一直使用到现在。1925年，出现了第一台中间再热式汽轮机。这种汽轮机的优点是减少了末级的蒸汽湿度，能提高汽轮机的相对内效率和循环效率。1921年瑞典的容斯特罗姆兄弟创造了具有两个反向转子的辐流式汽轮机，这种汽轮机的缺点是不能制造成大功率机组。1930年德国西门子公司将辐流式高压级与普通的任何一种轴流式低压级结合起来，制造成一种能适应较高蒸汽参数的汽轮机。至此，今天所能见到的电站汽轮机主要类型已经基本齐备。汽轮机制造技术的发展已

6、有一百余年的历史。近几十年汽轮机的发展尤为迅速，其发展的主要特点是:1、单机功率增大。世界工业发达国家的汽轮机生产在60年代已达到500600MW机组等级水平。1972年瑞士BBC公司制造的1300MW双轴全速汽轮机(24MPa/538/538，n=3600r/min)在美国投入运行，1976年西德KWU公司制造的单轴半速(n=1500r/mn)1300MW饱和蒸汽参数汽轮机投入运行，1982年世界最大1200MW单轴全速汽轮机(24MPa/540/540)在前苏联投入运行。增大单机功率不仅能迅速发展电力生产，而且具有下列优点:）单位功率投资成本低。如前苏联800MW机组的单位功率成本比500

7、MW机组降低17%，而1200MW机组的单位功率成本又比800MW机组降低15%20%。）单机功率越大，机组的热经济性越好。如法国的600MW机组的热耗率比125MW机组的热耗率降低了276.3KJ/kwh，即每年可节约标准煤4万吨。）加快电站建设速度，降低电站建设投资和运行费用。、蒸汽初参数提高。增大单机功率后适宜采用较高的蒸汽参数，当今世界上300MW及以上容量的机组均采用亚临界(1618MPa)或超临界压力(2326MPa)的机组，甚至采用超超临界压力(32MPa)的机组。蒸汽初温度多采用535565，即尽量控制在珠光体钢所允许的565以下，力求不用或少用奥氏体钢。、普遍采用一次中间再热

8、。采用中间再热后可降低低压缸末级排汽湿度，减轻末级叶片水蚀程度，为提高蒸汽初压创造了条件，从而提高机组内效率、热效率和运行可靠性。、采用燃气一蒸汽联合循环，以提高电厂效率。、机组的运行水平提高。为了提高机组的运行、维护和检修水平，现代大机组增设和改善了保护、报警和状态监测系统，有的还配置了智能化故障诊断系统。、发展核电站用的汽轮机。发展核电，是解决能源不足问题的主要途径。单机功率的增大必然导致汽轮机的热力系统、自动调节系统、保护系统及监测和控制系统进一步复杂，计算机技术的应用，提高了大功率机组运行的自动化水平，目前300MW以上的机组，一般均采用机、炉、电协调控制运行方式。新中国建立时，我国没

9、有汽轮机制造业。建国后相继建成了上海、哈尔滨和东方三大汽轮机厂，它们主要生产大功率的电站汽轮机，并于1955年由上海汽轮机厂制造了国产第一台中压6000KW冲动式汽轮机。此后，我国汽轮机制造工业得到迅速发展，已经陆续生产中压12MW、25MW，高压50MW、100MW，超高压中间再热125MW、200MW，以及亚临界参数300MW、600MW的汽轮机。此外还建立了北京重型电机厂、武汉汽轮机厂和青岛汽轮机厂，以及生产工业汽轮机和燃气轮机为主的杭州汽轮机厂和南京汽轮发电机厂。从而使我国的汽轮机制造业形成了独具特色的一套完整的生产体系。三、汽轮发电机组的容量 （一）、国际电工委员会（IEC）1985

10、年版对汽轮发电机组功率（或出力）等术语的一般定义。1、发电机功率。发电机接线端（输出端）处的功率。若采用非同轴励磁时，还需扣掉外部励磁的功率。2、净电功率。发电机功率减去厂用电功率。3、经济功率（ECR）。机组在此功率下，汽轮机热耗率或汽耗率为最小值。4、保证最大连续功率（T-MCR）。在规定的端部条件（合同中规定的各端部条件下，典型包括有主蒸汽和热再热蒸汽参数、冷再热蒸汽压力、最终给水温度、排汽压力、转速、抽汽要求等）及运行寿命期内，机组在发电机输出端连续输出的功率。通常在该功率下考核机组所保证的热耗率。在此功率下，调节汽阀不一定要全开。5、调节汽阀全开工况的功率（VWO工况的功率）。在规定

11、的主蒸汽参数条件下，汽轮机调节汽阀全开，机组所能输出的功率。6、最大过负荷能力。在规定的过负荷条件下，如末级给水加热器停运或提高主蒸汽压力，汽轮机调节汽阀全开时，机组所能输出的最大功率。（二）、国际上对大容量汽轮发电机组功率等术语的一般定义。1、额定功率（铭牌功率，铭牌出力）。通常是指汽轮机在额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况下，额定排汽压力、额定补水率时，能在发电机接线端输出的保证功率。汽轮机的保证进汽量与额定工况相对应。2、机组的保证最大连续功率（T-MCR）。是指汽轮机在通过铭牌功率所保证的进汽量、额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况下，排汽压力为.Kpa（a）、补水率为，机组能保证达到的功率。它一般

12、比额定功率大。3、汽轮机的设计流量（计算最大进汽量）。在所保证的进汽量基础上增加一定的裕量，即（1.031.05）保证进汽量，且调节汽阀全开。近代由于制造水平的提高，裕量取前者，即3%。4、调节汽阀全开（VWO）时计算功率。机组在调节汽阀全开时，通过计算最大进汽量和额定主蒸汽、再热蒸汽参数下，并在额定排汽压力为4.9 Kpa、补水率为0%条件下计算所能达到的功率。（三）、美国设计的大容量汽轮发电机组各项功率的术语和定义。1、汽轮发电机组额定功率。即在额定的主蒸汽和再热蒸汽参数工况下、额定排汽压力、额定补水率时汽轮发电机组的保证功率（出力）。2、进汽量。在额定工况下汽轮发电机组发出保证功率所需的

13、主蒸汽量。3、保证最大功率。即汽轮机在额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况以及额定的排汽压力与补水条件下，通过对应于额定功率时进汽量的机组功率。4、最大计算功率（或VWO功率）。即汽轮发电机组在额定的进汽参数和额定背压与补水率条件下，调节汽阀全开时，通过最大计算进汽量时的计算功率（非保证值）。一般比最大保证功率高出4.5%，等于1.045最大保证功率。5、超压5%的连续运行功率。除核电机组外，汽轮发电机组能安全地在调节汽阀全开和所有回热加热器投运下，超压5%连续运行的功率。这种运行方式下汽轮机通流能力比额定主蒸汽压力下的通流能力增加5%。美国设计的机组以VWO工况为运行基础推荐可超压5%连续运行，采用

14、VWO+5%OP工况的计算功率或最末级高压加热器停运时以适应日间峰值负荷之需要。日本或其他欧洲国家所设计的大容量机组以VWO工况下的功率为汽轮机最大功率，而以超压5%为最大负荷能力，即每天可超压5%运行的时间需加以规定，也就是超压5%仅作为机组短时间过负荷的能力。（四）机、炉、电容量匹配1、发电机容量：一般发电机的功率应与VWO工况的功率相匹配，即等于VWO工况功率/功率因数（MVA）。若采用美国机组，则发电机的功率应与汽轮机VWO+5%OP工况的功率相匹配。在我国，考虑汽轮机和发电机功率匹配时，除了功率因数外，还应合理确定发电机的效率。2、锅炉最大连续蒸发量（B-MCR）：应与汽轮机的设计流

15、量（即计算最大进汽量）相匹配，不必再加裕量。若汽轮机按VWO工况计算最大功率，B-MCR蒸发量等于汽轮机VWO工况的最大进汽量；若采用美国设计的机组，则B-MCR蒸发量可等于汽轮机VWO+5%OP工况最大进汽量。日本生产的机组通常在铭牌功率或T-MCR工况下运行，其锅炉最大连续蒸发量比汽轮机VWO工况时的进汽量约大03.3%。 （五）东方汽轮机厂N30016.7/537/5378型汽轮机各项功率的定义：1、 铭牌功率（TRL）汽轮发电机组能在下列条件下安全连续运行，发电机输出铭牌功率300MW （扣除非同轴励磁、润滑及密封油泵等所消耗的功率），此工况称为铭牌工况（TRL），此工况下的进汽量称为

16、铭牌进汽量，此工况为出力保证值的验收工况。1） 额定主蒸汽参数、再热蒸汽参数及所规定的汽水品质；2） 汽轮机低压缸排汽压力为11.8kPa（a）；3） 补给水率为3；4） 额定给水温度275.5；5） 全部回热系统正常运行，但不带厂用辅助蒸汽；6） 两台汽动给水泵投运；7） 发电机效率不低于98.8，额定功率因数0.85（滞相），额定氢压。2最大连续功率（T-MCR）汽轮机进汽量等于铭牌工况（TRL）进汽量，在下列条件下安全连续运行，此工况下发电机输出的功率（扣除非同轴励磁、润滑及密封油泵等所消耗的功率）称为最大连续出力（TMCR）：1） 额定主蒸汽、再热蒸汽参数及所规定的汽水品质；2） 汽轮

17、机低压缸排汽压力为额定值（4.9KPa(a)），汽轮机进汽量为铭牌进汽量；3） 补给水率为0；4） 额定给水温度275.8；5） 全部回热系统正常运行，但不带厂用辅助蒸汽；6） 两台汽动给水泵投运；7） 发电机效率不低于98.8，额定功率因数0.85（滞相），额定氢压。8） 最大连续功率313MW。3、阀门全开工况（VWO）汽轮发电机组能在调节阀全开， 其它条件同T-MCR时，汽轮机进汽量不小于1.05倍铭牌进汽量，此工况称为阀门全开（VWO）工况。此时汽轮机进汽量为1025t/h。4、热耗率验收工况（THA）当机组功率（当采用非同轴励磁、润滑及密封油泵等时扣除所消耗的功率）为300MW时，除

18、进汽量以外其它条件同T-MCR时称为机组的热耗率验收（THA）工况，此工况为热耗率保证值的验收工况，在此工况下发出铭牌功率时的热耗率值为保证热耗率。保证热耗率值，不大于7857kJkW.h。（六）东方汽轮机厂N30016.7/537/5378型汽轮机主要技术规范和经济指标：N30016.7/537/5378型（合缸）汽轮机是东方汽轮机厂引进和吸收国内外先进技术设计制造的最新第八代亚临界300MW优化机型之一，为一次中间再热两缸两排汽凝汽式汽轮机，与相应容量的锅炉和汽轮机发电机配套，构成大型火力发电机组，在电网中以基本负荷为主，也可承担部份调峰任务。该机型采用引进高压抗燃油数字电液控制系统，简称

19、DEH，从美国Bailey集团的ETSI公司引进，它可以和其他上位机取得联络实现机电炉的协调控制。控制系统具备如下基本功能：汽轮机自动启动功能汽轮机自同期功能转子应力监控功能阀门管理功能转速调节功能负荷控制功能超速保护功能阀门活动试验功能CCS接口功能汽轮机本体左、右定义为：从汽轮机朝发电机方向看去，左手侧为左、右手侧为右。前后定义为：靠近汽机为前，靠近发电机为后。1主要技术规范和经济指标型号：N300-16.7/537/5378型（合缸）型式：亚临界中间再热两缸两排汽凝汽式汽轮机额定功率：300MW（ECR工况）最大功率：333MW（VWO工况）额定蒸汽参数新蒸汽：（高中主汽阀前）16.7M

20、Pa/537再热蒸汽：（中压联合汽阀前）3.181MPa/537背压：5.80KPa（设计冷却水温22）额定新汽流量：899.6t/h最大新汽流量：1025t/h配汽方式：全电调（阀门管理）转向：从汽机向发电机方向看为顺时针方向转速：3000 r/min轴系临界转速（计算值）QFSN300220B型电机第一阶：（发电机转子一阶） 1370r/min第二阶：（低压转子一阶） 1688r/min第三阶：（高中压转子一阶） 1750r/min第四阶：（发电机转子二阶） 3517r/min第五阶：（低压转子二阶） 3654r/min第六阶： 4000r/min*电机临界转速值以电机厂提供的数据为准。通

21、流级数总共27级，其中：高压缸：1调节级+8压力级中压缸：6压力级低压缸：2*6压力级给水回热系统：3高加+1除氧+4低加（除氧器采用滑压运行）给水泵拖动方式有两种配置第一种：1*100%BMCR的小汽轮机带动；1*50%BMCR电动调速给水泵作为备用。第二种：2*50%BMCR的小汽轮机带动；1*50%BMCR电动调速给水泵作为备用（我公司采用第二种）。汽封系统：自密封系统（SSR）末级动叶片高度：851mm末级动叶片环形排汽面积：2*6.69m2汽轮机本体外形尺寸（长*宽*高）：18055mm*7464mm*6634mm(高度指从连通管吊环最高点到运行平台距离)主机重量：630t（包括高、

22、中压阀门及其支吊架，高、中压主汽管和主汽管支吊架及基架等）最大吊装重量125t（安装时，低压外缸下半组合）62.5t（检修时，低压转子包括起吊工具）最大起吊高度 9.68m（吊装低压外缸时）运行平台高度：12.6m汽轮机与凝汽器连接方式：弹性汽轮机布置方式；左手布置（从电气侧（A列柱）向锅炉侧（B列柱）看去，汽轮机机头位于左手侧）2技术经济指标及保证条件符合下列条件时可发额定功率：新蒸汽压力：16.70.49MPa 新蒸汽和再热蒸汽温度：5375冷却水温不超过33，冷却水流量不小于额定值加热器按规定投入汽轮机在额定工况下，计算热耗为：7891KJ/KW.h(1884.7kcal/kw.h)保证

23、热耗以各工程热力特性书提供的数据为准。达到这一保证的必要条件是：新蒸汽和再热蒸汽参数为额定值：背压不高于额定值；按规定的回热系统运行；主给水流量等于主蒸汽流量；发电机效率不低于98.8%;发电机功率因数0.85.如果机组投运后未及时进行热力鉴定试验，应按IEC 9532国际电工委员会参考资料进行老化折扣；汽轮机效率老化折扣如下：312个月，每月0.07%;1324个月，每月0.042%.热力鉴定试验的方法、测试仪表精度、测试数据的误差修正、实测热耗的计算方法应符合GB11787电站汽轮机热力性能验收试验规程的规定，经过误差修正的热耗试验值相对于保证热耗的允许偏差为+1%。第一章汽轮机工作原理第

24、一节 汽轮机的基本工作原理和类型汽轮机是一种以具有一定温度和压力的水蒸汽为工质，将热能转变为机械能的回转式原动机。它在工作时先把蒸汽的热能转变为动能，然后再将蒸汽的动能转变为机械能。一、冲动作用原理和反动作用原理冲动作用原理：当运行物体碰到另一个静止的或速度较低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度和方向，同时给阻碍它运行的物体一个作用力，通常称这种作用力为冲动力，如右图所示。蒸汽在喷嘴1上发生膨胀，压力降低，速度增加，蒸汽的热能转换为动能，高速汽流冲击台面上的木块3，这时蒸汽的速度发生改变，就会有一个冲动力作用于木块，使其向前运动，这种作功的原理，称为冲动作用原理。反动作用原理：由牛顿第三定律可

25、知，一物体对另一物体施加一作用力时，这个物体上必然要受到与其作用力大小相等、方向相反的作用力。例如火箭就是利用燃料燃烧时产生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，这个反作用力就是反动力。可见，反动力的产生与冲动力产生的原因不同，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，骤然获得的一个较大的速度增加而产生的。在反动式汽轮机中蒸汽在喷嘴中产生膨胀压力降低速度增加，汽流进入动叶后，一方面由于速度方向的改变而产生冲动力，另一方面蒸汽同时在动叶中继续膨胀，压力降低，汽流加速产生一个反动力，动叶则在这两种力的合力作用下将蒸汽动能转换成旋转的机械能，这种利用反

26、动力作功的原理，称为反动作用原理。在汽轮机中蒸汽的动能到机械能的转变都是通过上述两种不同作用原理来实现的。通常我们将利用冲动原理作功的汽轮机称为冲动式汽轮机，将利用反动原理作功的汽轮机称为反动式汽轮机。二、汽轮机的基本工作原理最简单的汽轮机如右图所示，它由喷嘴、动叶片、叶轮和轴等基本部件组成。从图可见，当有一定压力和温度的蒸汽通过喷嘴膨胀加速时，蒸汽的压力温度降低，速度增加，使热能转变为动能。然后，有较高速度的蒸汽由喷嘴流出，进入动叶通道，在弯曲的动叶通道内，改变汽流方向，给动叶片以冲动力，如右图所示，产生了动叶旋转动力矩，带动主轴旋转，输出机械功，即在动叶中蒸汽推动叶片旋转做功，完成动能到机

27、械能的转换。由上述可知，汽轮机在工作时，首先在喷嘴叶栅中蒸汽的热能转变为动能，然后在动叶栅中蒸汽的动能转变为机械能，喷嘴叶栅和与它相配合的动叶片完成了能量转换的全过程，于是便构成了汽轮机的基本工作单元级。三、汽轮机的分类汽轮机的类型很多，在实际运用当中，常按下列方法对汽轮机进行分类。、按工作原理分类）冲动式汽轮机：按冲动作功原理工作的汽轮机称为冲动式汽轮机。它在工作时，蒸汽的膨胀主要在喷嘴中进行，少部分在动叶片中膨胀。）反动式汽轮机：按反动作功原理工作的汽轮机称为反动式汽轮机。它在工作时，蒸汽的膨胀在喷嘴及动叶片中各进行大约一半。）冲动反动联合式汽轮机：由冲动级和反动级组合而成的汽轮机称为冲动

28、反动联合式汽轮机。、按热力过程分类）凝汽式汽轮机：进入汽轮机作功的蒸汽，除少量的漏气外，全部或大部分排入凝汽器的汽轮机。蒸汽全部排入凝汽器的汽轮机又称纯凝汽式汽轮机；采用回热加热系统，除部分抽气外，大部分蒸汽排入凝汽器的汽轮机，称为凝汽式汽轮机）背压式汽轮机：蒸汽在汽轮机作功后，以高于大气压的压力排出，供工业或采暖使用。这种汽轮机称为背压式汽轮机。若排汽供给中低压汽轮机使用时，又称为前置式汽轮机。）调整抽汽式汽轮机：将部分作过功的蒸汽在一种或两种压力下抽出，供工业或采暖用汽，其余蒸汽仍排至凝汽器，这类汽轮机叫调整抽汽式汽轮机。调整抽汽式汽轮机和背压式汽轮机统称为供热式汽轮机。）中间再热式汽轮机

29、：将在汽轮机高压缸部分作过功的蒸汽，引至锅炉再热器再次加热到一定温度，然后再重新返回汽轮机的中低压缸部分继续做功，这类汽轮机叫中间再热式汽轮机。再热次数可以是一次，两次或多次，但一般采用一次中间再热。、按蒸汽初参数分类）低压汽轮机：新蒸汽压力为1.1761.47MPa;）中压汽轮机：新蒸汽压力为1.963.92 MPa;）高压汽轮机：新蒸汽压力为5.889.8 MPa;）超高压汽轮机：新蒸汽压力为11.7613.72 MPa;）亚临界压力汽轮机：新蒸汽压力为15.6817.64 MPa;）超临界压力汽轮机：新蒸汽压力大于22.06 MPa。、按蒸汽流动方向分类）轴流式汽轮机：蒸汽流动整体方向大

30、致与轴平行；）辐流式汽轮机：蒸汽流动整体方向大致与轴垂直；）周流式汽轮机：蒸汽大致沿叶轮轮周方向流动。此外，还有一些分类方法，例如按汽缸的数目分为单缸、双缸和多缸汽轮机，按汽轮机的转轴数目分为单轴、双轴汽轮机等。四、汽轮机的型号表示汽轮机基本特征的符号叫汽轮机的型号。我国目前采用汉语拼音和数字来表示汽轮机的型号，其表示方法由三段组成：第一段第二段第三段第一段表示汽轮机型式（见表）及额定功率（MW），第二段表示蒸汽参数（见表），第三段表示改型序号。 汽轮机型号表示其型式的代号汽轮机型式我国汽轮机新型号中型式代号第一个拼音字母凝汽式N一次调整抽汽式C二次调整抽汽式CC背压式B调整抽汽背压式CB 我

31、国汽轮机新型号中蒸汽参数的表示方法汽轮机型式蒸汽参数表示方法凝汽式进汽压力进汽温度中间再热式进汽压力进汽温度中间再热温度一次调整抽汽式进汽压力调整抽汽压力二次调整抽汽式进汽压力高压调整抽汽压力低压调整抽汽压力背压式进汽压力排汽压力下面举例说明我厂机组型号：“DN300-16.7/537/5378型”表示东方汽轮机厂设计制造的凝汽式汽轮机，额定功率为300MW，主蒸汽压力为16.7MPa，主、再蒸汽温度为537，属于东汽厂第八代产品。 第二节汽轮机级的工作原理一、级的反动度与级的类型在汽轮机中，一列喷嘴和其后的动叶栅，组成了将热能转换为机械能的汽轮机的基本作功单元，通常称这个做功单元为汽轮机的级

32、。由一个级构成的汽轮机称为单级汽轮机，由若干个级构成的汽轮机称为多级汽轮机。蒸汽流经级做功时，有的级中蒸汽仅在喷嘴中膨胀，有的级中蒸汽不仅在喷嘴中膨胀，而且在动叶中膨胀，在实际应用中，常依据蒸汽在动叶中是否发生膨胀及膨胀程度的大小，来区分级的类型。右图表示没有损失时，蒸汽在喷嘴和动叶中都发生膨胀的理想热力过程，蒸汽在喷嘴中的理想焓降为，在动叶中的理想焓降为，级的理想焓降为。 =+ 假想汽流被等熵地滞止到初速为零的状态时，蒸汽在级内等熵膨胀所具有的焓降称为级的滞止理想焓降，即。蒸汽在动叶中的理想焓降与级的理想滞止焓降之比称为级的反动度，以表示， 按照反动度的不同，汽轮机的级可分为：1) 纯冲动级

33、。当级的反动度=0时，称为纯冲动级。级内能量转换特点是，蒸汽只在喷嘴中发生膨胀，在动叶中不发生膨胀，只改变速度和方向。动叶的进出口截面接近相等。）反动级。级的反动度=0.5左右时，称为反动级，级内能量转换特点是，蒸汽在喷嘴、动叶中的膨胀程度接近相等,。反动级的结构特点是，喷嘴与动叶的形状相似，流道均为收缩型。这种级多用于反动式汽轮机及冲动式汽轮机的最末几级。）带有反动度的冲动级，级的反动度=0.15左右，简称冲动级。级内能量转换特点是，蒸汽在动叶中有一定的膨胀，但小于在喷嘴中的膨胀量，蒸汽对动叶的作用力以冲动力为主，因此有，。喷嘴和动叶的结构介于纯冲动级和反动级之间。这种级在冲动式汽轮机中应用

34、较广，一般在高压端的级反动度较小，低压端的级反动度较大。二、蒸汽在喷嘴中的流动1. 蒸汽在喷嘴中的膨胀过程（1）滞止状态与滞止参数在汽轮机的多数级（除调节级和末级）中，喷嘴入口的初速度是不可忽略的（）,为了便于分析计算，引入滞止状态与滞止参数的概念。所谓滞止状态就是假想汽流被等熵滞止到初速度等于零的状态。滞止状态点计为“0”点，此状态下的参数被称为滞止参数。与喷嘴入口实际状态参数P0、t0、h0相应的滞止参数为,由已知的P0、t0、h0便可求得滞止状态焓，即 在图上，从初状态点“0”向上等熵截取数值，即得到“0*”点，进而由0*查出数值，见右图。（2）蒸汽在喷嘴中的膨胀过程蒸汽流经喷嘴时，压力

35、逐渐降低，流速逐渐升高，将蒸汽的热能逐渐转化成动能。蒸汽在喷嘴中膨胀的热力过程如右图所示。0点是喷嘴前蒸汽状态点，0*点是滞止状态点。蒸汽初压力p0,初焓h0，以c0的初速度进入喷嘴膨胀至P1压力。如果不考虑损失，膨胀沿等熵线0-1t进行，喷嘴出口理想状态点为1t点，对应比焓值为h1t,喷嘴的滞止理想比焓降为。若考虑损失，膨胀沿0-1线进行。1点在h-s图上的准确位置，取决与喷嘴损失的大小。2. 蒸汽在喷嘴中的流动速度） 喷嘴出口的理想速度在已知喷嘴入口参数和出口压力时，对喷嘴进行计算。因喷嘴是不动的，因而蒸汽流经喷嘴时不对外作功，又因蒸汽在喷嘴中没有损失的流动为等熵过程，则喷嘴进出口处的能量

36、方程为 由此知喷嘴出口的理想速度为动量方程的形式为 计算时，蒸汽的比焓值在h-s图上查取，为喷嘴压力比，即。随着蒸汽在喷嘴中膨胀，蒸汽的流速不断增加，但压力、温度等参数逐渐降低。因此，会出现蒸汽流速与当地音速相等的临界状态，处于临界状态时的喷嘴压力比为临界压力比。 由上式可以看出，的大小仅与蒸汽性质有关。由于水蒸气不是理想气体，其绝热指数k不是常数，而由试验确定。对过热蒸汽，k1.3，则0.546；对于饱和蒸汽，k1.135，则0.577；对湿蒸汽(为蒸汽干度)，则由上式计算。2 喷嘴出口实际速度蒸汽在喷嘴中流动产生摩擦、涡流等损失，喷嘴出口的实际汽流速度c1要比理想速度clt小，损失的这部分

37、动能转换成了热能，并重新被蒸汽所吸收，所以出口比焓值提高。一般用喷嘴的速度系数来考虑这个损失。这样喷嘴出口的实际速度为： 喷嘴中流动的能量损失(简称喷嘴损失)，可以表示为hn c1t2c 12（）由此推出 式中 分别为喷嘴损失及喷嘴能量损失系数。值的大小一般由试验来确定，在喷嘴宽度Bn一定的条件下，随的增高而增加，当小于1012mm时，值急剧下降。故设计时，要求不小于1012mm为宜；在满足强度要求条件下，尽量选择窄喷嘴，以减小损失。的大小除与喷嘴高度和宽度密切相关外，还与汽道形状、喷嘴表面粗糙度，流动速度等诸多因素有关。值一般在0.950.98左右，为了计算方便，可取0.97，把与有关的损失

38、另用经验公式计算。喷嘴的流量当不考虑流动损失时，由连续性方程式可导出喷嘴理想流量的计算式如下： 式中c1t喷嘴出口处的理想速度，m/sv1t喷嘴出口处理想比容，m3kgA1喷嘴出口处的截面积，m2实际流动中，由于存在流动损失，不仅使喷嘴出口的汽流实际速度降低，也使通过喷嘴的实际流量Gn1小于理想流量Gnlt，喷嘴实际流量的计算式如下： 式中c1喷嘴出口处的实际速度，m/sv1喷嘴出口处实际比容，m3kgA1喷嘴出口处的截面积，m2通常用流量系数n来表示实际流量比理想流量减小的程度，它等于通过喷嘴的实际流量与理想流量之比，即n=Gn1/Gnlt= 由上式可以看出，n值不仅与有关，还与流动损失时的

39、比体积变化有关，即与蒸汽状态有关。一般情况下，蒸汽在过热区膨胀时，流动损失转换成热能加热了蒸汽，使v1v1t，即1，而1，故流量系数n1，且过热区流动损失引起的比体积变化较小，所以n基本不变。而在湿蒸汽区膨胀时，由于蒸汽流过喷嘴时间极短，一部分蒸汽来不及凝结，使大部分蒸汽未吸收这部分汽化潜热而出现过饱和现象，其实际比体积v1反而小于理想比体积v1t，即1，因而可能出现n1的情况。由于影响流量系数的关系较复杂，很难用理论计算准确确定，故流量系数往往采用经验公式求得。即Gn1=0.648An 可见，实际流量的大小仍取决于滞止参数。3 蒸汽在渐缩斜切喷嘴中的膨胀下图由于汽轮机结构方面的要求，喷嘴的出

40、口部分都做成斜切形，这种喷嘴称为斜切喷嘴，见下图。图中，1g为喷嘴出口结构角，即喷嘴出口的中心线与动叶运动方向间的夹角。为喷嘴出口射汽角，即喷嘴出口汽流速度方向与动叶运动方向间的夹角。为汽流偏转角，tn为叶片节距。1）渐缩斜切喷嘴的膨胀特点当喷嘴压力比大于临界压力比时，其膨胀过程只在渐缩部分发生，斜切部分只起导流作用；当喷嘴的压力比小于临界压力比时（）,最小截面ab上的汽流保持临界压力，流速为临界流速。由于,故在斜切部分蒸汽将继续膨胀，流速增加，达到超音速，同时汽流发生偏转。2）汽流偏转原因渐缩斜切喷嘴只相当于一个不完整的缩放喷嘴，蒸汽在斜切部分膨胀时，最小截面上的压力为,而出口截面上的压力为

41、。a点之和因无喷嘴壁面，其压力由骤降至，之后保持压力流动，而bc侧汽流压力从逐渐降至，两侧压力分布见图（b）。由于两侧压力分布不均，汽流偏转。膨胀程度越大，偏转角越大。3) 汽流偏转角计算若将蒸汽在斜切部分的流动看成一元流动，且忽略汽流的偏转现象，则汽流偏转角可用下式计算 4) 斜切部分的膨胀极限由上述分析可知，对于渐缩斜切喷嘴，只要，蒸汽就将在斜切部分膨胀，汽流发生偏转；若进一步降低，蒸汽在斜切部分也进一步膨胀，速度进一步增加，偏转角也进一步增大。但蒸汽在斜切部分的膨胀不是无限度的，当喷嘴斜切部分利用完毕时，再降低将在喷嘴外发生膨胀，造成能量损失。渐缩斜切喷嘴所能膨胀到的最低压力为极限压力,

42、对应的压力比为极限压力比。因此，只有当时，采用渐缩斜切喷嘴才合理。极限压力比可由下式求得由上式可知，极限压力比与喷嘴出口角有关。越小，就越小，一般1020。斜切喷嘴中能够膨胀到低于临界压力，获得超音速汽流，因而扩大了它的应用范围。特别是它具有制造工艺比缩放喷嘴简单，和在变工况时它比缩放喷嘴工作稳定的优点，因此在实际应用中尽可能用渐缩斜切喷嘴代替缩放喷嘴，只有在特殊情况下（）时，才不得已采用缩放喷嘴。三蒸汽在动叶中的流动动叶片可看作为旋转的喷嘴，因为动叶在运动之中，所以讨论时应采用相对运动速度。1级的热力过程蒸汽在级中的理想膨胀过程为等熵过程。由于蒸汽在级中的流动是具有损失的，故其实际膨胀过程并

43、不是等熵的，而是有熵增的实际过程（）。不同的级，其热力过程也不同，上图给出了一个一般级的热力过程。图中0、分别为级的入口状态点、级的入口滞止状态点和动叶入口滞止状态点；2、1t、2t分别为级的出口理想状态点、喷嘴出口理想状态点和动叶出口理想状态点；1、2分别为喷嘴出口和动叶出口的实际状态点；、分别为级的理想比焓降和理想滞止比焓降；分别为喷嘴和动叶的理想比焓降；分别为喷嘴和动叶损失。2动叶进出口速度三角形从喷嘴出来的高速汽流，进入动叶，推动叶轮旋转，所以动叶栅有一个切向速度，即圆周速度u。可用下式计算 式中 db动叶的平均直径，mm n汽轮机的转速，r/min。由于动叶栅是以圆周速度在转动，所以

44、动叶栅进口蒸汽速度不是喷嘴出口速度，而是相对动叶栅速度w1。由力学可知，进入动叶栅的相对速度w1应为绝对速度c1与圆周速度u的向量差，即：式中 喷嘴出口绝对速度，m/s圆周速度，m/s。如下图所示， 、和之间关系的三角形叫速度三角形。运用速度三角形，可在已知喷嘴出口速度大小和方向（c1和a1）、圆周速度的大小和方向（叶轮旋转方向），利用上图的入口三角形，求出入口相对速速的大小和方向，即在动叶出口速度三角形中，已知u，用能量方程式求出w2的值 再根据反动度的大小，选出汽角。一般不大时，。反动度越大， 越小，故也越小。当时，。 利用动叶出口速度三角形图，可求出出口绝对速度的大小和方向，即根据公式分

45、析，当分母为正值时，取锐角，而为负值时，取钝角。称为本级的余速损失。为动叶速度系数。为了蒸汽流动顺利、无撞击，一般是动叶结构角与汽流角相等，即同时为了充分利用余速、设计时尽量要使a2为90。考虑使用的方便，通常将动叶进出口速度三角形绘在一起。3 蒸汽在动叶中的流动损失与喷嘴类似，动叶中实际流动过程也存在损失，使得,出口实际比焓值增加。引入动叶速度系数,来反映流动损失的大小，值越小，说明损失越大。动叶速度系数，一般由试验确定，通常取0.850.95，它与叶型、叶高、反动度及叶片表面粗造程度有关，叶高及反动度对其影响尤其大。通常随着叶高的增加，速度系数增大，流动损失减小；在动叶片出口理想相对速度一定时，通常随着反动度的增加，速度系数增大，流动损失减小。四 、级的轮轴功率与轮周效率1 蒸汽作用在动叶片上的力在动叶片施加给汽流的力和流道进出口压差（）共同作用下，汽流在动叶弯曲流道内转向并加速。根据牛顿第三定律，汽流对动叶片的