第4章多級(jí)汽輪機(jī)2h

第4章多級(jí)汽輪機(jī)哈爾濱工程大學(xué)核能科學(xué)與工程教研室第一節(jié)汽輪機(jī)的分級(jí)提高功率的途徑：增加進(jìn)汽量和總理想焓降考慮經(jīng)濟(jì)和安全問(wèn)題，單級(jí)汽輪機(jī)有效利用很大理想焓降是不可能的解決方案：多級(jí)汽輪機(jī)。每級(jí)只利用總焓降中的一部分，都在最佳速度比附近工作，有效利用整機(jī)理想焓降，提高機(jī)組效率。多級(jí)汽輪機(jī)分級(jí)的原因：多級(jí)汽輪機(jī)焓降大單級(jí)最佳特性速比影響級(jí)的輪周效率材料限制級(jí)的圓周速度分級(jí)方法

速度分級(jí):

一列噴嘴中獲得的動(dòng)能，在兩列以上工作葉柵內(nèi)做功的分級(jí)方法稱為速度分級(jí)。

壓力分級(jí):

把蒸汽總焓降分配到若干相串聯(lián)的級(jí)內(nèi)進(jìn)行膨脹做功的分級(jí)方法為壓力分級(jí)。壓力分級(jí)因?yàn)榱己玫慕?jīng)濟(jì)型被大型汽輪機(jī)組廣泛采用。單機(jī)功率大：每一級(jí)都能在最佳速度比附近工作。內(nèi)效率高：可做成多排汽口，提高新蒸汽的參數(shù)，增加總進(jìn)汽量。有沖動(dòng)式和反動(dòng)式兩種。通常用噴嘴調(diào)節(jié)、控制進(jìn)汽量，第一級(jí)稱為調(diào)節(jié)級(jí)，其余級(jí)稱為壓力級(jí)。中小型汽輪機(jī)通常采用雙列級(jí)作為調(diào)節(jié)級(jí)，大功率汽輪機(jī)多用單列級(jí)作為調(diào)節(jié)級(jí)。蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)各級(jí)膨脹作功，壓力和溫度逐級(jí)降低，比容不斷增加。通流部分尺寸是逐級(jí)增大的，特別是在低壓部分，平均直徑增加很快。葉片高度越來(lái)越長(zhǎng)。受材料強(qiáng)度限制，葉片不可能太長(zhǎng)，故大型汽輪機(jī)都采用多排汽口。多級(jí)汽輪機(jī)的特點(diǎn)其熱力過(guò)程曲線如圖。調(diào)節(jié)級(jí)前的蒸汽狀態(tài)點(diǎn)為，排汽壓力用表示。汽輪機(jī)總理想焓降為。由于進(jìn)汽機(jī)構(gòu)的節(jié)流損失和排汽機(jī)構(gòu)的壓力損失，故調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴前的實(shí)際狀態(tài)點(diǎn)為,而汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉出口壓力為?？紤]了這兩項(xiàng)損失之后，則總的理想焓降為。為整機(jī)的有效焓降。多級(jí)汽輪機(jī)前一級(jí)的排汽狀態(tài)點(diǎn)，就是下一級(jí)的進(jìn)汽狀態(tài)點(diǎn)。把各點(diǎn)連接起來(lái)，就是多級(jí)汽輪機(jī)的熱力過(guò)程曲線。整個(gè)熱力過(guò)程曲線由三部分所組成：進(jìn)汽機(jī)構(gòu)的節(jié)流過(guò)程，各級(jí)實(shí)際膨脹過(guò)程,排汽管道的節(jié)流過(guò)程。第二節(jié)多級(jí)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題1、多級(jí)汽輪機(jī)的熱力過(guò)程線

第二節(jié)多級(jí)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題2、余速的利用多級(jí)汽輪機(jī)除最末級(jí)的余速?zèng)]辦法利用，第一級(jí)和中間各級(jí)的余速，都可以不同程度地被下級(jí)利用，從而使除末級(jí)以外，所有級(jí)的輪周效率都有所提高。第n級(jí)在噴嘴入口考慮(n-1)級(jí)的余速動(dòng)能，該級(jí)的可用能量這就增加了該級(jí)的絕熱可用能量，使汽流在級(jí)內(nèi)的做功能量增加3、重?zé)岬睦弥責(zé)岈F(xiàn)象在h—s圖上，在過(guò)熱區(qū)內(nèi)，隨著溫度增加，等壓線是呈擴(kuò)散形；在濕蒸汽區(qū)，等壓線是斜率為常數(shù)的直線。因此，在h—s圖上的兩條等壓線之間的距離（焓降）是隨著熵的增加而增加的。這樣一來(lái)，前一級(jí)的損失造成的熵增，能使后一級(jí)的理想焓降增加。即前一級(jí)的損失，加熱了蒸汽本身，使后一級(jí)的進(jìn)汽溫度升高，即在后一級(jí)得到了利用——這就是多級(jí)汽輪機(jī)的重?zé)岈F(xiàn)象。由于等壓線是呈擴(kuò)散形，所以：以上各式相加得：即有：也就是：稱為重?zé)嵯禂?shù)。則上式寫成整機(jī)理想焓降為：整機(jī)效率與級(jí)效率根據(jù)上述推導(dǎo)，各級(jí)理想焓降之和大于整機(jī)理想焓降。由于這部分熱量的利用，使整機(jī)的內(nèi)效率大于各級(jí)平均內(nèi)效率。設(shè)各級(jí)內(nèi)效率相等，用表示，則各級(jí)有效焓降為：……，相加得而整機(jī)的內(nèi)效率為：由于α>0，所以，即整機(jī)的內(nèi)效率大于各級(jí)平均內(nèi)效率。通常，重?zé)嵯禂?shù)α

=0.03~0.08，其大小與下列因素有關(guān)：1)和級(jí)數(shù)有關(guān)，級(jí)數(shù)多，α大；2)與各級(jí)內(nèi)效率有關(guān)，級(jí)內(nèi)效率低，則α大；3)與蒸汽狀態(tài)有關(guān)，過(guò)熱區(qū)α大，濕汽區(qū)α小。**：決不能誤認(rèn)為α越大越好。因?yàn)棣猎龃?，是以增加損失為代價(jià)的，而重?zé)嶂荒芑厥論p失其中的一小部分。α大會(huì)使整機(jī)的內(nèi)效率降低。第三節(jié)汽輪機(jī)的密封原理及密封系統(tǒng)一、密封原理蒸汽通過(guò)一環(huán)形齒隙時(shí)，通道面積減小，速度增加，壓力從P0降到P1

。蒸汽進(jìn)入兩齒間大空間時(shí)，容積突然增大，速度大為減小。由于渦流和碰撞，蒸汽動(dòng)能被消耗而轉(zhuǎn)變成熱量，使蒸汽焓值又回到原值。蒸汽通過(guò)軸封齒隙為一節(jié)流過(guò)程。蒸汽每通過(guò)軸封一齒隙時(shí)，都重復(fù)這一過(guò)程，壓力不斷降低，直到軸封最后一齒。所以，軸封的作用是將一較大壓差分割成若干較小的壓差，從而降低漏汽速度，減小漏汽量。這就是齒形軸封的工作原理。蒸汽每通過(guò)軸封一齒隙，壓力不斷降低，容積不斷擴(kuò)大，而流量相同。據(jù)連續(xù)性方程，流速越來(lái)越大，在最后一齒達(dá)到最大。曲線對(duì)應(yīng)C/v=常數(shù)，稱芬諾曲線（等流量曲線）。二、減少漏汽的途徑

當(dāng)漏汽通過(guò)軸封時(shí)，依次逐個(gè)通過(guò)這些齒隙和環(huán)形汽室。通過(guò)軸封漏量：為了減少漏汽量，可以通過(guò)：減少齒隙面積Al、汽流速度C和增大比容v

等辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是：

1）比容v由蒸汽流動(dòng)狀態(tài)來(lái)決定，不可任意改變。2）面積，軸封直徑dl是由軸強(qiáng)度確定。為了保證安全，間隙不能太小(一般

=0.3~0.6mm)。太小，可能使大軸與軸封片摩擦，造成軸彎曲，引起機(jī)組振動(dòng)。3）唯一可行的辦法就是減小汽流速度C。汽流速度C取決于軸封齒兩側(cè)的壓力差，所以減小軸封齒兩側(cè)的壓力差是減少軸封漏汽量的主要措施。三.密封系統(tǒng)曲徑式密封結(jié)構(gòu)只能減少泄漏，不可能做到防止泄漏發(fā)生。對(duì)于工作在密封機(jī)艙內(nèi)的艦船主汽輪機(jī)組要求嚴(yán)格限制工質(zhì)蒸汽漏入艙室，以免降低效率及損害艦員的工作環(huán)境。為此汽輪機(jī)組要配置完善的汽封抽汽系統(tǒng)，嚴(yán)格禁止工質(zhì)蒸汽漏入艙室和防止空氣漏入系統(tǒng)內(nèi)。作用：在任何運(yùn)行工況下保證蒸汽不外泄、空氣不內(nèi)漏，同時(shí)回收泄漏蒸汽的熱能（軸封加熱器）和組織汽流冷卻轉(zhuǎn)子的軸端。特點(diǎn)：軸封分成多段多室，與大氣環(huán)境接近的腔室的壓力由抽汽器或風(fēng)機(jī)維持略低于大氣壓力，緊鄰的腔室壓力由壓力調(diào)節(jié)器維持略高于大氣壓力，從而保證蒸汽不外泄、空氣不內(nèi)漏。組成：軸封系統(tǒng)由軸封、供汽母管及均壓箱、軸封調(diào)節(jié)器、軸封加熱器和軸封抽汽器等組成。軸封系統(tǒng)的型式有外供汽式和自密封式兩種，不同制造廠采用不同的軸封系統(tǒng)和軸封汽流組織方式。第四節(jié)多級(jí)汽輪機(jī)的軸向力及平衡方法1、軸向力(1)作用在各級(jí)動(dòng)葉上的軸向推力；(2)作用在輪盤上的軸向推力；(3)作用在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子凸肩上的軸向推力；(4)對(duì)艦船機(jī)組，若汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子傾斜安裝，產(chǎn)生附加軸向推力。2.軸向力的平衡方法1)設(shè)置平衡活塞——加大高壓外軸封的直徑，以產(chǎn)生相反方向的軸向推力。2)采用帶平衡孔的輪盤——在輪盤上開設(shè)平衡孔，用來(lái)平衡作用在輪盤上過(guò)大的壓力差，減少作用在葉輪上的軸向推力。3)反向布置汽輪機(jī)的汽缸——采用多缸反向布置，使汽流在不同的汽缸中作反向流動(dòng),其軸向力方向相反，達(dá)到了平衡的目的。4)推力軸承——推力軸承承擔(dān)一部分軸向推力，以保證汽輪機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，軸向推力方向不變，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。第五節(jié)多級(jí)汽輪機(jī)的損失一、工質(zhì)傳遞過(guò)程所發(fā)生的損失1.汽輪機(jī)進(jìn)氣機(jī)構(gòu)的節(jié)流損失蒸汽通過(guò)截止閥和調(diào)節(jié)閥有節(jié)流損失。2.聯(lián)通管的損失蒸汽從高壓缸到低壓缸經(jīng)過(guò)聯(lián)通管與管壁摩擦造成損失。3.排氣管中的損失蒸汽離開低壓缸最末級(jí)經(jīng)排氣管進(jìn)入冷凝器因摩擦而損失能量。二、端部泄漏損失三、汽輪機(jī)的外部損失汽輪機(jī)把軸上的功率傳遞給螺旋槳，還需要消耗一部分機(jī)械功，用來(lái)克服軸承、齒輪減速器的摩擦損失以及帶動(dòng)不工作級(jí)空轉(zhuǎn)所消耗的功，統(tǒng)稱為汽輪機(jī)的外部損失。1、機(jī)械損失汽輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)要克服推力軸承、支撐軸承的摩擦損失，帶動(dòng)調(diào)速器及主滑油泵或脈沖測(cè)速油泵等的損失為機(jī)械損失。機(jī)械效率一般定義為:——克服軸承等摩擦損失——汽輪機(jī)的內(nèi)功率——汽輪機(jī)的機(jī)械損失系數(shù)2、不工作級(jí)葉輪的空轉(zhuǎn)損失艦船在正車航行時(shí)，由于倒車級(jí)不工作而發(fā)生空轉(zhuǎn)，產(chǎn)生額外的損失，按鼓風(fēng)損失進(jìn)行計(jì)算。這部分損失對(duì)艦船汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工況的效率影響很大，也是艦船效率較低的原因，用空轉(zhuǎn)效率來(lái)表示。

空轉(zhuǎn)效率一般定義為:

——汽輪機(jī)不工作級(jí)空轉(zhuǎn)損失——汽輪機(jī)的內(nèi)功率——汽輪機(jī)的空轉(zhuǎn)損失系數(shù)3、齒輪減速器的機(jī)械損失

該損失包括齒輪嚙合、軸承摩擦、滑油攪動(dòng)所消耗的機(jī)械功。齒輪傳遞效率一般定義為:

——齒輪減速器損失的功率——汽輪機(jī)傳遞給齒輪減速器的功率——齒輪傳動(dòng)能力損失系數(shù)

對(duì)雙級(jí)齒輪傳動(dòng)：

對(duì)單級(jí)齒輪傳動(dòng)：第六節(jié)汽輪機(jī)組效率及動(dòng)力裝置評(píng)價(jià)指標(biāo)一、汽輪機(jī)及其裝置的效率（一）相對(duì)效率1、相對(duì)內(nèi)效率：衡量汽輪機(jī)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換完善程度的重要指標(biāo)。它是整機(jī)有效焓降與理想焓降之比，即汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率是考慮了機(jī)組進(jìn)出口管道的壓力損失和各級(jí)內(nèi)能的損失。2、相對(duì)有效效率：軸輸出有效功率與蒸汽理想功率之比之比3、相對(duì)電效率：發(fā)電機(jī)電功率與發(fā)電機(jī)有效功率之比發(fā)電機(jī)的效率

相對(duì)電效率：將汽輪機(jī)、軸承和發(fā)電機(jī)合在一起看成一個(gè)整體，整個(gè)機(jī)組輸入能量為理想功率，輸出功率為電功率，則整個(gè)機(jī)組的效率稱為相對(duì)電效率（一）絕對(duì)效率絕對(duì)電效率：對(duì)加給每千克蒸汽的熱量最終變成電能的份額稱為絕