《汽輪機(jī)原理》講稿第02章陳

第二章多級(jí)汽輪機(jī)第一節(jié)多級(jí)汽輪機(jī)的工作過(guò)程

為了提高汽輪機(jī)熱效率和單機(jī)功率，必須提高初參數(shù)和降低終參數(shù)，這就要求增加汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)焓降。級(jí)內(nèi)焓降的增大使噴管出口速度c1增大，為了保持汽輪機(jī)級(jí)在最佳速度比范圍內(nèi)工作，就要相應(yīng)地增加級(jí)的圓周速度u和級(jí)的直徑，但增大圓周速度和級(jí)的直徑受到葉輪和葉片材料強(qiáng)度條件的限制，所以焓降不能無(wú)限制地增加。

噴嘴出口速度c1不可能太大，故汽輪機(jī)整機(jī)焓降只能采用多級(jí)來(lái)分別承擔(dān)，每一級(jí)只利用總焓降的一小部分。由此保證整機(jī)有較大的做功能力和每一級(jí)都處在最佳速度比附近工作。1多級(jí)汽輪機(jī)的特點(diǎn)1、循環(huán)熱效率提高可以提高初參數(shù)和降低終參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)回?zé)嵫h(huán)和再熱循環(huán)。2、相對(duì)內(nèi)效率提高A、每一級(jí)都在最佳速度比附近工作B、每級(jí)的平均直徑和噴嘴出口高度合理，減少葉高損失C、重?zé)岈F(xiàn)象的存在，前面級(jí)的損失可以部分被后面各級(jí)利用D、余速動(dòng)能可以被下一級(jí)利用。2

多級(jí)汽輪機(jī)通常采用噴嘴調(diào)節(jié)(控制進(jìn)汽量)，稱(chēng)之為調(diào)節(jié)級(jí)，其余的級(jí)稱(chēng)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)。多級(jí)汽輪機(jī)的通流部分如圖2-1所示。

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。因此，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。即葉片的高度越來(lái)越長(zhǎng)。沖動(dòng)式汽輪機(jī)如下圖所示。3反動(dòng)式汽輪機(jī)如圖所示4高壓缸特點(diǎn)：

級(jí)的葉高較小，端部損失較大，若采用部分進(jìn)汽以增加葉高，則有部分進(jìn)汽損失。通流面積較小，動(dòng)靜間隙相對(duì)較大，漏氣損失較大，故效率較低。低壓缸特點(diǎn)：

級(jí)的葉高較大，扇形損失較大，必須采用扭曲葉片。處于濕蒸汽區(qū)，濕汽損失增加，故效率也較低。中壓缸特點(diǎn)：效率最高52，多級(jí)汽輪機(jī)的工作過(guò)程

：蒸汽在多級(jí)汽輪機(jī)中膨脹作功過(guò)程和在級(jí)中的膨脹作功過(guò)程一樣。作功過(guò)程是重復(fù)的，但參數(shù)是變化的。3，多級(jí)汽輪機(jī)的熱力過(guò)程曲線(xiàn)：其熱力過(guò)程曲線(xiàn)如圖2---2。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，故調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴前的實(shí)際狀態(tài)點(diǎn)為,由于排汽機(jī)構(gòu)的壓力損失，故汽輪機(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。而整機(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(xiàn)。整個(gè)熱力過(guò)程曲線(xiàn)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。

6第二節(jié)多級(jí)汽輪機(jī)的重?zé)岈F(xiàn)象一，重?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(xiàn)是呈擴(kuò)散形；在濕蒸汽區(qū)，等壓線(xiàn)是斜率為常數(shù)的直線(xiàn)。因此，在h—s圖上的兩條等壓線(xiàn)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。原因是前一級(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。7二，重?zé)嵯禂?shù)1，重?zé)嵯禂?shù)如右圖：整機(jī)理想焓降為，由于等壓線(xiàn)是呈擴(kuò)散形，所以：以上各式相加得：即有：也就是：上式之比值：稱(chēng)為重?zé)嵯禂?shù)，用α表示。則上式寫(xiě)成82，整機(jī)效率與級(jí)效率根據(jù)上述推導(dǎo)，表示各級(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9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。**這里，決不能誤認(rèn)為α越大越好。因?yàn)棣猎龃螅且栽黾訐p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。三，重?zé)嵯禂?shù)的計(jì)算：一般用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算重?zé)嵯禂?shù)

其中，k——修正系數(shù)，過(guò)熱區(qū)k=0.2；濕汽區(qū)k=0.12；部分在過(guò)熱區(qū)，部分在濕汽區(qū)k=0.14~0.18。10第二節(jié)軸封及其系統(tǒng)

汽輪機(jī)除了各級(jí)級(jí)內(nèi)損失之外，還有進(jìn)、排汽管道的節(jié)流損失，汽缸前后端的漏汽損失，機(jī)械損失。一，前后端的漏汽損失和漏汽量計(jì)算1，漏汽原因：由于結(jié)構(gòu)的要求，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸必須從汽缸內(nèi)向外伸出并支持在軸承座上。這樣，轉(zhuǎn)軸和汽缸之間必須留有一定的間隙。汽缸的高壓端，缸內(nèi)蒸汽壓力大于大氣壓力，蒸汽必然要從間隙向外泄漏。這樣就減少了作功蒸汽量，降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。在機(jī)組的排汽端，缸內(nèi)為真空運(yùn)行，蒸汽壓力低于大氣壓力，外界的空氣將通過(guò)間隙流入汽缸內(nèi)，破壞真空，也會(huì)降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。1112啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)，軸封供汽進(jìn)入X腔室，控制密封壓力在0.11~0.12MPa，從X腔室兵分兩路，一路流向汽缸內(nèi)部，一路流向Y腔室，Y腔室連通軸封冷卻器，并通過(guò)軸封抽風(fēng)機(jī)抽吸，控制Y腔室壓力在0.097MPa,從而避免軸封供汽漏向外界。外界空氣漏入Y腔室后與從X腔室來(lái)的密封蒸汽混合，一同流向軸封冷卻器。13高負(fù)荷時(shí)，中壓缸排汽達(dá)到密封壓力，中壓排汽端成為自密封，蒸汽從中壓缸X腔室排出流入軸封母管，再由母管流向低壓缸兩端的X腔室。中壓缸X腔室來(lái)的蒸汽進(jìn)入低壓缸軸封前先進(jìn)行噴水減溫。這種利用高中壓缸軸封漏氣作為低壓缸軸封用汽的方法稱(chēng)自密封系統(tǒng)。142，減少漏汽的措施：

為了提高汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，防止或減小這種漏進(jìn)、漏出現(xiàn)象的存在，因此，在汽輪機(jī)的兩端漏氣（汽）處裝設(shè)汽封，以減少漏氣（汽）量。裝在汽輪機(jī)高壓端的汽封稱(chēng)為前軸封，作用是為了減少高溫高壓蒸汽從汽缸內(nèi)向外泄漏；裝在汽輪機(jī)低壓端的汽封稱(chēng)為后軸封，它的作用是為了防止外界空氣漏向汽缸，保證汽缸內(nèi)的真空度。對(duì)于多缸的大型汽輪機(jī)，每個(gè)缸的兩端都有軸封，其作用要根據(jù)具體情況而定。（一）齒形軸封的工作原理

1，齒形軸封的結(jié)構(gòu)：

現(xiàn)代汽輪機(jī)中常見(jiàn)的軸封是齒形軸封，它是由許多固定在汽缸上的金屬片組成。其高低齒與軸或者軸套上的凸肩相錯(cuò)對(duì)應(yīng)，使兩者之間保持一較小的間隙，以形成許多汽封齒隙。而兩齒之間形成一個(gè)環(huán)形汽室，如圖所示。

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2，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)軸封漏量按連續(xù)方程來(lái)確定。為了減少漏汽量，可以通過(guò)：減少齒隙面積A、汽流速度C和增大比容V等辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是：(1),比容是蒸汽流動(dòng)狀態(tài)來(lái)決定，不可任意改變。(2),而面積分別為軸封直徑、間隙）、軸封直徑d是由大軸的強(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，造成大軸彎曲，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。

16齒形軸封的工作原理：從左圖可見(jiàn)到，蒸汽通過(guò)一環(huán)形齒隙時(shí)，由于通道面積減小，速度增加，壓力從p0降到p1

。但是蒸汽進(jìn)入兩齒間的大空間時(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，如左下圖所示。即蒸汽通過(guò)軸封齒隙為一節(jié)流過(guò)程。其后，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，直到降低軸封最后一齒后的壓力為止。所以，軸封的作用是將一個(gè)較大的壓差分割成若干個(gè)減小的壓差，從而達(dá)到降低漏汽速度，減小漏汽量的作用。這就是齒形軸封的工作原理。蒸汽每通過(guò)軸封一齒隙時(shí)，壓力不斷降低，容積不斷擴(kuò)大，而流量是相同的。根據(jù)連續(xù)性方程，則流速是越來(lái)越大的，并在最后一齒最大。如左圖所示，ab曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)Cρ=常數(shù)，稱(chēng)為芬諾曲線(xiàn)。17（二）軸封漏汽量計(jì)算：

為了計(jì)算軸封漏汽量，這里作兩個(gè)假設(shè)：1，蒸汽在軸封間隙中的流動(dòng)和在簡(jiǎn)單的漸縮噴嘴中的流動(dòng)相似；2，假定軸封各齒隙的面積都相同。從軸封的工作原理可知，蒸汽在軸封間隙中的流動(dòng)時(shí)，汽流速度是逐級(jí)增加的。現(xiàn)在假設(shè)蒸汽在軸封間隙中的流動(dòng)和在簡(jiǎn)單的漸縮噴嘴中的流動(dòng)相似。所以，蒸汽在軸封間隙中的

最大速度

是

臨界速度

，這一速度只可能在軸封

最后一齒中達(dá)到

。這樣，蒸汽在軸封間隙中的流動(dòng)可能產(chǎn)生

兩種情況

：1，蒸汽在軸封各齒隙中的流動(dòng)

均小于臨界速度；2，蒸汽在軸封

最后一齒隙

中

達(dá)到臨界速度

，而在以前各齒中其汽流速度均小于臨界速度。181，蒸汽在軸封最后一齒隙中流速低于臨界速度時(shí)

若已知軸封前后蒸汽壓力為，軸封間隙為，軸封齒數(shù)為z，高低齒間隙處的直徑分別為[二者相差小，用平均半徑]，則軸的齒隙面積。則通過(guò)軸封的漏汽量可用下式計(jì)算：

從上式可知，當(dāng)軸封前后蒸汽壓力確定后，增加軸封齒數(shù)，可減少漏汽量。2，蒸汽在軸封最后一齒隙中流速達(dá)到臨界速度時(shí)

根據(jù)上述公式分析，當(dāng)蒸汽在軸封最后一齒隙中流速達(dá)到臨界速度，而在此之前的各齒中，汽流速度均小于臨界速度的情況下，其漏汽量可用上式計(jì)算：

而蒸汽在最后一齒隙中流速達(dá)到臨界速度,其流量為臨界流量，因此應(yīng)按臨界流量公式進(jìn)行計(jì)算，即

根據(jù)連續(xù)性，兩種流量應(yīng)相等。則軸封最后一齒隙中流速達(dá)到臨界時(shí)，漏汽量為：193，臨界狀態(tài)判別式

當(dāng)蒸汽在軸封最后一齒隙中流速達(dá)到臨界速度時(shí)，則該齒前后壓力比0.546。則可得到臨界狀態(tài)判別式：

即當(dāng)時(shí)，則說(shuō)明最后一齒達(dá)到臨界速度；反之，若，則說(shuō)明最后一齒未達(dá)到臨界速度。當(dāng)判別之后，分別計(jì)算其相應(yīng)的漏汽量。4，軸封漏汽量的流量系數(shù)

在上述兩種情況下的軸封漏汽量計(jì)算式中，沒(méi)有考慮軸封結(jié)構(gòu)的影響。所以，流過(guò)軸封的實(shí)際漏汽量，應(yīng)該是在上述兩種計(jì)算式中所計(jì)算漏汽量再乘以一個(gè)流量系數(shù)。即

不同結(jié)構(gòu)的軸封，其流量系數(shù)可從圖2---12中查得。

*對(duì)于平齒齒封，其流量的計(jì)算，則要從圖2---13中查取一個(gè)修正系數(shù)，用此系數(shù)乘以用上述方法計(jì)算而得到的軸封漏汽量，即

20圖2—12、圖2—13流量系數(shù)、修正系數(shù)21二，汽輪機(jī)進(jìn)、排汽機(jī)構(gòu)的壓力損失

汽輪機(jī)必須有進(jìn)汽機(jī)構(gòu)和排汽管道。進(jìn)汽機(jī)構(gòu)由主汽閥、調(diào)節(jié)閥、導(dǎo)汽管和蒸汽室組成。排汽機(jī)構(gòu)是一個(gè)擴(kuò)散形的排汽管所構(gòu)成。蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)進(jìn)、排汽機(jī)構(gòu)時(shí)，由于摩擦和渦流的存在，會(huì)使壓力降低，形成損失。

1，進(jìn)汽機(jī)構(gòu)中的壓力損失

由于摩擦和渦流的存在，蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)進(jìn)汽管道就會(huì)有壓力降低。這個(gè)壓力降低不作功，是一種損失。而第一級(jí)噴嘴前的壓力為p0，則。從圖可見(jiàn)，由于壓力差p存在，使整機(jī)理想焓降從降為。蒸汽在進(jìn)汽機(jī)構(gòu)中的壓力損失和管道長(zhǎng)短、閥門(mén)型線(xiàn)、蒸汽室形狀及汽流速度有關(guān)。通常，當(dāng)閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，汽流速度為（40~60）m/s，則在進(jìn)汽機(jī)構(gòu)中由于節(jié)流所引起的壓力損失為：

對(duì)于大型汽輪機(jī)（如國(guó)產(chǎn)200MW、300MW汽輪機(jī)），中壓缸和低壓缸之間有低壓導(dǎo)汽管道相連接，則低壓導(dǎo)汽管道的壓力損失為：

22考慮了進(jìn)、排汽機(jī)構(gòu)的壓力損失的熱力過(guò)程曲線(xiàn)232、排汽管道的壓力損失：乏汽從末級(jí)動(dòng)葉排出，經(jīng)排汽管到凝汽器或供熱管道，蒸汽在其中流動(dòng)時(shí)，因摩擦、渦流等原因，會(huì)造成壓力損失，即排汽管道的壓力損失。若末級(jí)動(dòng)葉出口壓力為，凝汽器的壓力為，則壓力損失為。由于壓力損失的存在，從圖可知，使整機(jī)理想焓降由變?yōu)?。差值為，壓力損失主要取決于流速的大小、排汽管道的型線(xiàn)結(jié)構(gòu)等原因。通常用下式來(lái)估計(jì)排汽管道的壓力損失，即式中，——阻力系數(shù)，一般取=0.05~0.1；——排汽管中的汽流速度，對(duì)于凝汽機(jī)，取=80~120m/s；對(duì)于背壓機(jī)，取=40~60m/s。24第五節(jié)汽輪機(jī)裝置的效率

火力發(fā)電廠(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，要經(jīng)過(guò)一系列的能量轉(zhuǎn)換之后，最后才能將礦物燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在這些轉(zhuǎn)換過(guò)程中，要用各種效率來(lái)描述整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的完善程度。

一，汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率

汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率是衡量汽輪機(jī)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換完善程度的重要指標(biāo)。它是整機(jī)的有效焓降與理想焓降之比，即

25二，汽輪機(jī)的內(nèi)功率

汽輪機(jī)的內(nèi)功率等于汽輪機(jī)的進(jìn)汽量與有效焓降之乘積。

對(duì)于無(wú)回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)

的汽輪機(jī)，它的內(nèi)功率為：

(kw)或者，=(kw)對(duì)于有回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)

的汽輪機(jī)，它的內(nèi)功率為：

其中，D、G為汽輪機(jī)各級(jí)蒸汽量，為相應(yīng)的有效焓降。

26三，汽輪機(jī)的軸端功率、電功率

對(duì)于無(wú)回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)的汽輪機(jī)，它的

軸端功率為：

汽輪機(jī)以軸端功率來(lái)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，還要考慮發(fā)電機(jī)的機(jī)械損失和電氣損失。用表示

發(fā)電機(jī)的效率，則在發(fā)電機(jī)的出線(xiàn)端所獲得的

電功率為：

其中，，稱(chēng)為相對(duì)電效率。它表示每kg蒸汽所具有的理想焓降中最后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆蓊~，是衡量汽輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

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四，循環(huán)熱效率和絕對(duì)電效率

由于汽輪發(fā)電機(jī)組熱力循環(huán)中存在著

冷源損失

，所以，為了使得1kg蒸汽獲得

理想焓降為的熱量，就需要加給比它比多許多的熱量。若忽略

水泵耗功，并且使裝置按

朗肯循環(huán)

工作，則裝置的

循環(huán)熱效率為：

其中，--------蒸汽的初焓，-------凝結(jié)水焓，即在背壓pc下的飽和水焓。這里，為每1kg蒸汽在鍋爐中所獲得的熱量。對(duì)于有回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)來(lái)說(shuō)，則hc應(yīng)為末級(jí)高壓加熱器出口的

給水焓值。這樣，整個(gè)熱力循環(huán)中加給1kg蒸汽的熱量最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆蓊~稱(chēng)為

絕對(duì)電效率，用表示：

28五，汽耗率d熱耗率q

除了用效率表示汽輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性外，還經(jīng)常用

汽耗率d熱耗率q

來(lái)表示其經(jīng)濟(jì)性。

生產(chǎn)1kw.h的電能所需要的蒸汽量稱(chēng)為汽耗率，用d表示，即

對(duì)于同功率的汽輪機(jī)組，雖然功率相同，但因蒸汽的初終參數(shù)不同，而使得汽耗量不一樣。所以，汽耗率d并不宜用來(lái)比較不同類(lèi)型機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，而是采用反映機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的另一指標(biāo)——熱耗率，即

發(fā)出1kw.h電能所需要熱量

，用q表示：

29第三節(jié)多級(jí)汽輪機(jī)的軸向推力及平衡一，多級(jí)汽輪機(jī)的軸向推力

蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)通流部分膨脹作功時(shí)，對(duì)葉片的作用力由圓周分力和軸向分力所組成。其中，圓周分力推動(dòng)葉輪作功，而軸向分力則對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)軸向推力。在一般情況下，作用在一個(gè)沖動(dòng)級(jí)上的軸向推力由3部分所組成：

1、作用在動(dòng)葉片上的軸向力：

當(dāng)反動(dòng)度不大時(shí)，壓力反動(dòng)度（）和焓降反動(dòng)度相差不大，這樣一來(lái)，則上式為

302、作用在葉輪面上的軸向力

當(dāng)葉輪兩側(cè)輪轂相等時(shí)，則上式為：

其中，為隔板和輪盤(pán)間的蒸汽壓力。

3、作用在軸封凸肩上的軸向力

這樣，多級(jí)汽輪機(jī)總的軸向推力為各級(jí)軸向推力之和。即