汽輪機(jī)原理講義教學(xué)文稿

汽輪機(jī)原理講義我公司目前正在生產(chǎn)或有可能開發(fā)的

各類型汽輪機(jī)概述電站汽輪機(jī)是我公司目前主要生產(chǎn)的汽輪機(jī)。主要有以下類型：傳統(tǒng)的發(fā)電用汽輪機(jī)：凝汽式汽輪機(jī)：以發(fā)電為主，進(jìn)汽參數(shù)越高、功率數(shù)越大，則技術(shù)含量越高，目前國(guó)產(chǎn)最大機(jī)組為超超臨界1000MW汽輪機(jī)；我公司生產(chǎn)最大的為高壓140MW、超高壓150MW汽輪機(jī)；各類供熱式汽輪機(jī)：供熱式汽輪機(jī)是中小型汽輪機(jī)的固有特點(diǎn)，以其抽汽靈活、適應(yīng)性強(qiáng)而獲得了大量的生存空間。在傳統(tǒng)汽輪機(jī)中，目前比較有市場(chǎng)前景，而各大廠家又開發(fā)得比較小的品種主要有：大功率（50MW及以上）背壓式汽輪機(jī)、空冷汽輪機(jī)。目前我公司空冷汽輪機(jī)全系列已基本形成，應(yīng)大為推廣。余熱發(fā)電式汽輪機(jī)余熱利用是國(guó)家能源政鼓勵(lì)的發(fā)展方向，近年來主要在以下幾個(gè)方面發(fā)展：水泥窯余熱利用；鋼鐵廠煉鋼爐余熱利用；化工廠余熱利用。余熱發(fā)電式汽輪機(jī)其中比較有技術(shù)難度的是一種叫做飽和蒸汽發(fā)電汽輪機(jī)。飽和蒸汽發(fā)電可以說是余熱利用的極致：飽和蒸汽的蒸汽品質(zhì)幾乎可以說是最差的，最不具備作用能力。用飽和蒸汽發(fā)電會(huì)遇到以下技術(shù)難題：汽輪機(jī)功率很小，但進(jìn)汽裝置卻可能很大；汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽濕度大，對(duì)汽輪機(jī)葉片抗水蝕性能要求特別高。尾氣透平尾汽透平本來屬于工業(yè)汽輪機(jī)范疇。由于尾氣透平其熱能利用方式及汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)電站汽輪機(jī)都非常相似，因此特別適合我公司進(jìn)行開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造。一般尾氣透平是不用來發(fā)電的，它一般是化工裝置中作為原動(dòng)機(jī)使用的，利用化工生產(chǎn)線產(chǎn)生的尾氣作功，同時(shí)用來拖動(dòng)化工裝置，其余熱利用的效益十分明顯。蒸汽—燃?xì)饴?lián)合循環(huán)用汽輪機(jī)蒸汽—燃?xì)饴?lián)合循環(huán)用汽輪機(jī)，特指用于聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的一種余熱利用汽輪機(jī)。跟一般余熱選用汽輪機(jī)相比，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1.余熱參數(shù)比較高，且比較穩(wěn)定；2.一般為多壓汽輪機(jī)。汽輪機(jī)的工質(zhì)—水與水蒸汽

水與水蒸汽是熱力工程上應(yīng)用極廣的一種工質(zhì)。水變成水蒸汽的過程稱為“汽化”，汽化有兩種形式：蒸發(fā)與沸騰當(dāng)水在有限的密閉容器內(nèi)汽化時(shí)，不僅液體表面有液體分子蒸發(fā)到空間去，而空間的蒸汽分子也會(huì)撞擊到液體表面回到液體中。當(dāng)液面上空的蒸氣分子密度達(dá)到一定程度時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)逸出液面與回到液面的蒸汽分子數(shù)量相等，這種處于兩相動(dòng)平衡的狀態(tài)稱為“飽和狀態(tài)”。水蒸汽的狀態(tài)參數(shù):壓力、溫度、焓、比容。各種狀態(tài)參數(shù)間的相互關(guān)系：焓熵圖（目前有大量電子軟件）汽化潛熱濕飽和蒸汽干飽和蒸汽過熱蒸汽蒸汽的溫度高于其壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度，差值為過熱度。臨界水的壓力越高，水的沸點(diǎn)與比容就越高，另一方面，壓力越高，干蒸汽的比容越小。達(dá)到某一壓力時(shí)，水在沸點(diǎn)的比容等于干蒸汽的比容。在這一點(diǎn)，水與干飽和蒸汽具有相同的狀態(tài)參數(shù)。這個(gè)點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。臨界壓力22.064MPa；臨界溫度374℃；臨界比容0.003106m3/kg;

熱力發(fā)電廠的基本構(gòu)成蒸汽動(dòng)力裝置朗肯循環(huán)及其熱效率工質(zhì)在各設(shè)備中依次發(fā)生狀態(tài)變化而形成一個(gè)循環(huán)，這一循環(huán)可理想化為兩個(gè)等壓過程與兩個(gè)絕熱過程所組成的基本循環(huán)，稱為朗肯循環(huán)。

朗肯循環(huán)的熱效率可表示為：η=蒸汽動(dòng)力裝置的基本構(gòu)成蒸汽動(dòng)力裝置由鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器及給水泵等四大主要設(shè)備構(gòu)成。屬于汽輪機(jī)的主要輔機(jī)有：凝汽器：將做完功的蒸汽凝結(jié)成水，并形成高度真空；回?zé)峒訜崞鳎河脕碇鸺?jí)加熱給水以提高循環(huán)熱效率；給水泵：保證鍋爐等壓燃燒，并為汽輪機(jī)提供規(guī)定壓力；油系統(tǒng)：提供汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)等軸承潤(rùn)滑用油及調(diào)節(jié)系統(tǒng)用油，包括油泵、冷油器、油箱等。汽輪機(jī)級(jí)的工作原理級(jí)的工作過程

汽輪機(jī)級(jí)由靜葉與動(dòng)葉組成。蒸汽在靜葉內(nèi)在前后壓差下加速，將速度由C0增加到出口處的速度C1。加速的過程是壓力下降、比容增加、壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為速度動(dòng)能的過程。高速流動(dòng)的蒸汽由噴嘴出口進(jìn)入動(dòng)葉時(shí)，給予動(dòng)葉以沖動(dòng)力，通常蒸汽在動(dòng)葉通道中繼續(xù)膨脹，表現(xiàn)為壓力下降，并轉(zhuǎn)變方向，當(dāng)蒸汽離開動(dòng)葉通道時(shí)，它給葉片以反動(dòng)力，這兩個(gè)力的合力，推動(dòng)動(dòng)葉片，從而最終完成熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。流體力學(xué)分析法汽輪機(jī)級(jí)的工作原理級(jí)的工作過程

以上分析了蒸汽在級(jí)內(nèi)的流動(dòng)過程。以下從熱力學(xué)的觀點(diǎn)介紹蒸汽在級(jí)內(nèi)的熱力膨脹過程。1余速損失δhc22噴嘴損失δhn3動(dòng)葉損失δhb

以上三項(xiàng)損失之和稱為輪周損失級(jí)的反動(dòng)度

級(jí)的反動(dòng)度Ω是表示蒸汽在動(dòng)葉通道內(nèi)膨脹程度大小的指標(biāo)。級(jí)的反動(dòng)度等于Δhb/Δht級(jí)的類型

純沖動(dòng)級(jí)、反動(dòng)級(jí)、沖動(dòng)級(jí)、復(fù)速級(jí)熱力學(xué)分析法葉柵的氣動(dòng)特性葉柵的幾何參數(shù)與汽流參數(shù)

反動(dòng)式葉柵：噴嘴葉柵反動(dòng)度較大的動(dòng)葉柵。葉柵前后有靜壓差，汽道寬度自進(jìn)口到出口明顯縮小，故汽流通過時(shí)除改變方向外還有加速。沖動(dòng)式葉柵：沖動(dòng)式動(dòng)葉柵和導(dǎo)向葉柵。葉柵前后靜壓力近似相等，汽流通過時(shí)主要改變方向，基本不加速。實(shí)用中采取了一定的反動(dòng)度。表征葉柵的主要幾何參數(shù)：平均直徑、葉片高度、節(jié)距、葉寬、進(jìn)口寬度、出口寬度、弦長(zhǎng)、出口邊厚度等。葉柵的主要汽流參數(shù)：葉型的幾何進(jìn)口角、汽流沖角（正沖角與負(fù)沖角）葉柵的通流能力

汽輪機(jī)級(jí)的幾何參數(shù)確定以后，級(jí)的通流面積就確定了。通流面積等于：葉高*出口寬度*噴嘴數(shù)。當(dāng)通流面積確定后，則汽輪機(jī)級(jí)的通流能力只與級(jí)前的滯止初參數(shù)有關(guān)。葉柵通過最大流量時(shí)前后壓力比稱為臨界壓比，該流量為臨界流量。汽輪機(jī)級(jí)的級(jí)內(nèi)損失級(jí)內(nèi)損失

葉型損失附面層中的摩擦損失附面層脫離引起的渦流損失尾跡損失（由于葉型出口邊總有一定的厚度，兩股汽流之間的空檔必然產(chǎn)生渦流）沖波損失（出現(xiàn)超音速汽流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖波，使附面層增厚甚至脫離，因而增加了葉型損失）

端部損失（葉高損失）端部損失就是汽流通過汽道時(shí)，在汽道上下端面上，由于蒸汽的粘性形成一層很薄的附面層，附面層內(nèi)粘性力損耗汽流的動(dòng)能，形成了端部附面層中的摩擦損失。

扇形損失汽輪機(jī)葉柵成扇形布置（自葉根至葉頂葉柵的相對(duì)節(jié)距成正比增加，故相對(duì)節(jié)距必然會(huì)偏離最佳值，帶來一項(xiàng)額外的流動(dòng)損失）葉輪摩擦損失

1.葉輪兩側(cè)及圍帶表面的粗糙度引起的摩擦損失

2.子午面內(nèi)的渦流動(dòng)力引起的損失部分進(jìn)汽損失鼓風(fēng)損失（發(fā)生在不裝噴嘴的弧段內(nèi)）與斥汽損失（與之相反）

漏汽損失濕汽損失汽輪機(jī)內(nèi)效率

汽輪機(jī)內(nèi)效率

前面分析了汽輪機(jī)級(jí)的各項(xiàng)損失，雖然汽輪機(jī)的各項(xiàng)損失計(jì)算非常復(fù)雜、繁瑣，但由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，繁瑣復(fù)雜的計(jì)算已經(jīng)不是問題。扣除汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)的各項(xiàng)損失，汽輪機(jī)級(jí)的內(nèi)效率就很容易計(jì)算出來了，汽輪機(jī)級(jí)的內(nèi)效率最直觀的反映，就是級(jí)前后蒸汽參數(shù)。

級(jí)的有效焓降與等熵焓降之比稱為級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率，簡(jiǎn)稱級(jí)效率。它表示級(jí)的能量轉(zhuǎn)換的完善程度，是用來衡量級(jí)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)。

提高汽輪機(jī)內(nèi)效率的措施

1.合理選用葉型、反動(dòng)度、速比及葉高；2.務(wù)使汽輪機(jī)通流部分汽道光順、流暢；3.合理設(shè)計(jì)與選用主汽閥、調(diào)節(jié)閥及配汽結(jié)構(gòu)；4.后汽缸排汽能力與排汽型線的設(shè)計(jì)。6MW12MW中壓25MW高壓25MW50MW100MW75-78%77-80%79-82%80-83%82-85%82-86%汽輪機(jī)通流部分設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)通流部分設(shè)計(jì)，就是我廠通稱的“熱力計(jì)算”。應(yīng)該說，汽輪機(jī)熱力計(jì)算是汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的第一步，它的計(jì)算成功與否直接表現(xiàn)在下列方面：1.汽輪機(jī)出力及各項(xiàng)供熱參數(shù)能否滿足用戶需要；2.系統(tǒng)配置是否合理，是否符合基本的科學(xué)精神；3.汽輪機(jī)軸向推力；4.各級(jí)葉型選型是否合理；5.是否最有利于組織生產(chǎn)與盡可能地降低生產(chǎn)成本。汽輪機(jī)通流部分的設(shè)計(jì)一旦完成，應(yīng)該說汽輪機(jī)的主要性能就基本確定下來了。

汽輪機(jī)熱力計(jì)算的基本思路一、計(jì)算原始數(shù)據(jù)

1.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為什么定在3000rpm？2.初參數(shù)3.終參數(shù)二、整機(jī)焓降的確定，估算功率等級(jí)估算汽輪機(jī)的功率等級(jí)，最直接的辦法是按排汽量估算三、整機(jī)級(jí)數(shù)的確定確定汽輪機(jī)的級(jí)數(shù)，對(duì)于我廠汽輪機(jī)來說，多半是參照定型機(jī)組根據(jù)汽輪機(jī)焓降來確定，值得注意的是，調(diào)節(jié)級(jí)的選用問題，究竟是選用單列級(jí)還復(fù)速級(jí)。級(jí)的焓降分配是由級(jí)的通流面積來確定的。級(jí)的反動(dòng)度是由一對(duì)動(dòng)靜葉的面積比確定的（面積比為1.5-1.8,反動(dòng)度分別為0.5-0.05)四、進(jìn)行詳細(xì)的熱力計(jì)算以確定每級(jí)的通流尺寸、各工況下汽輪機(jī)級(jí)后各種熱力參數(shù)、汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)配置情況及轉(zhuǎn)子推力情況。6MW12MW25MW50MW100MW150MW25t/h40t/h75-90t/h130t/h300t/h350t/h汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)平衡圖汽輪機(jī)工況圖空冷汽輪機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)

目前，全國(guó)各地缺電嚴(yán)重，已成為阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大間題。要建造火電站，煤和水是必需的，而大部分富煤地區(qū)卻都缺水，例如我國(guó)三北地區(qū)。把煤送到富水地區(qū)也是不經(jīng)濟(jì)的，增加了運(yùn)力和污染。最經(jīng)濟(jì)的辦法是采用空冷型汽輪機(jī)，建坑口電站。空冷汽輪機(jī)與濕冷型汽輪機(jī)的主要差異表現(xiàn)在低壓端。由于汽輪機(jī)背壓高，排汽壓力變化范圍大，要求級(jí)葉片剛性要足夠大，一方面降低葉片蒸汽彎應(yīng)力；另一方面增強(qiáng)葉片阻尼，采用具有大阻尼的結(jié)構(gòu)形式，如自帶圍帶結(jié)構(gòu)等，降低小容積流量工況的動(dòng)應(yīng)力水平。空冷汽輪機(jī)未級(jí)葉片根部軸向?qū)挾仁峭乳L(zhǎng)度的常規(guī)濕冷葉片的1.6-2.0倍?？绽淦啓C(jī)排汽管與熱井的設(shè)計(jì)空冷汽輪機(jī)真空系統(tǒng)空冷汽輪機(jī)后汽缸結(jié)構(gòu)空冷汽輪機(jī)保證安全運(yùn)行的措施超高壓、一次中間再熱式汽輪機(jī)在同