多级汽轮机剖析

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1、1,多级汽轮机,机械与电力工程系,2,第一节 多级汽轮机的特点与损失,多级汽轮机的工作过程 多级汽轮机的优缺点 多级汽轮机各级段的工作特点 重热现象和重热系数 进汽阻力损失和排汽阻力损失,3,一 多级汽轮机的工作过程 1.多级汽轮机的采用： 为了提高汽轮机的功率 ，就必须增加汽轮机的进汽量G 和蒸汽的理想焓降。从经济和安全两个方面来考虑，只有一个级的汽轮机要能有效地利用很大的理想焓是不可能的。为了有效地利用蒸汽的理想焓降，唯一的办法就是采用多级汽轮机。多级汽轮机的一级只利用总焓降中的一部分。使每一级都能在最佳速度比附近工作，就能有效地利用蒸汽的理想焓降，提高机组效率。 和单级汽轮机相比较，多级

2、汽轮机具有单机功率大和内效率高的特点。,4,多级汽轮机有冲动式和反动式两种。国产100MW、125MW、200MW汽轮机都是冲动式多级汽轮机；国产300MW汽轮机则是反动式汽轮机。多级汽轮机通常采用喷嘴调节（控制进汽量），称之为调节级，其余的级称为压力级。中小型汽轮机，通常采用双列级作为调节级，大功率汽轮机多用单列级作为调节级。多级汽轮机的通流部分如图2-1所示。蒸汽进入汽轮机各级膨胀作功，压力和温度逐级降低，比容不断增加。因此，通流部分尺寸是逐级增大的，特别是在低压部分，平均直径增加很快。即叶片的高度越来越长。由于受到材料强度的限制，叶片不可能太长，故大型汽轮机都采用多排汽口。如国产200M

3、W汽轮机，设计为三排汽口和两排汽口；国产300MW汽轮机采用两排汽口。,5,2.多 级 汽 轮 机 的 工 作 过 程 ： 蒸 汽 在 多 级 汽 轮 机 中 膨 胀 作 功 过 程 和 在 级 中 的 膨 胀 作 功 过 程一 样。作功过程是重复的，但参数是变化的。 3.多级汽轮机的热力过程曲线：其热力 过程曲线如图2-2。调节级前的蒸汽状态点为 ，排汽压力用 表示。汽轮机总理 想焓降为 。由于进汽机的节流损失和排汽 机构的压力损失，故调节级喷嘴前的实际状态 点为 , 而汽轮机末级动叶出口压力为 。考 虑了这两项损失之后，则总的理想焓降为 。 为整机的有效焓降。 多级汽轮机前一级的排 汽状态

4、点，就是下一级的进汽状态点。把各 点连接起来，就是多级汽轮机的热力过程曲 线。整个热力过程曲线由三部分所组成：进 汽机构的节流过程，各级实际膨胀过程, 排 汽管道的节流过程。,6,二 多级汽轮机的优缺点 多级汽轮机每级的焓降较小，有可能使速度比设计在最佳速度比附近，同时c1小、u也小，即直径小，叶高或部分进汽度相应大，这些都使效率增大； 各级余速动能可以部分的被利用； 多级汽轮机可以实现回热循环和中间再热循环； 由于重热现象，多级汽轮机前面级的损失部分的被后面各级所利用。,7,三 多级汽轮机各级段的工作特点 一般情况下，沿着蒸汽流动的方向总可以将多级汽轮机分为高压段、中压段和低压段三个部分。对

5、于分缸的大型汽轮机则可分为高压缸、中压缸和低压缸。由于各部分所处的条件不同，各级段的工作特点也不一样。 高压段 低压段 中压段,8,重热现象和重热系数 1.重热现象： 在hs 图上，在过热区内，随着温度增加，等压线是呈扩散形；在湿蒸汽区，等压线是斜率为常数的直线。因此，在hs 图上的两条等压线之间的距离（焓降）是随着熵的增加而增加的。这样一来，前一级的损失造成的熵增，能使后一级的理想焓降增加。即前一级的损失，加热了蒸汽本身，使后一级的进汽温度升高，即在后一级得到了利用这就是多级汽轮机的重热现象。,9,2.重热系数 （1）重热系数 如右图：整机理想焓降为 ，,由于等压线是呈扩散形，所以：,以上各

6、式相加得：,即有：,也就是：,上式之比值：,称为重热系数，用表示。则上式写成,10,（2）整机效率与级效率 根据上述推导， 表示各级理想焓降之和大于整机理想焓降。由于这部分热量的利用，使整机的内效率大于各级平均内效率。设各级内效率相等，用（ ）表示，则各级有效焓降为：,，,相加得,11,而整机的内效率为：,由于 0，所以 ，即整机的内效率大于各级平均内效率。 通常，重热系数 = 0.03 0.08 ，其大小与下列因素有关： 1) 和级数有关，级数多，大； 2) 与各级内效率有关，级内效率低，则大； 3) 与蒸汽状态有关，过热区大，湿汽区小。 * 这里，决不能误认为越大越好。因为增大，是以增加损

7、失为代价的，而重热只能回收损失其中的一小部分。大会使整机的内效率降低。,3.重热系数的计算： 一般用经验公式计算重热系数 其中，k修正系数，过热区 k = 0.2；湿汽区 k = 0.12；部分在过热区，部分在湿汽区 k = 0.140.18。,12,一、进汽阻力损失和排汽阻力损失 汽轮机必须有进汽机构和排汽管道。进汽机构由主汽阀、调节阀、导汽管和蒸汽室组成。排汽机构是一个扩散形的排汽管所构成。蒸汽通过汽轮机进、排汽机构时，由于摩擦和涡流的存在，会使压力降低，形成损失。 进汽机构中的压力损失 由于摩擦和涡流的存在，蒸汽通过汽轮机进汽管道就会有压力降低。这个压力降低不作功，是一种损失。而第一级喷

8、嘴前的压力为 ，则 。 从图2-3 (b) 中可见，由于压力差p存在，使整机理想焓降从 降为 。,第二节 多级汽轮机损失及其装置的评价指标,13,蒸汽在进汽机构中的压力损失和管道长短、阀门型线、蒸汽室形状及汽流速度有关。通常，当阀门全开时，汽流速度为（40 60）m / s ，则在进汽机构中由于节流所引起的压力损失为： (2- ) 对于大型汽轮机（如国产200MW 、300MW汽轮机），中压缸和低压缸之间有低压导汽管道相连接，则低压导汽管道的压力损失为： (2 - ),14,图213 考虑了进、排汽机构的压力损失的热力过程曲线,15,排汽管道的压力损失：乏汽从末级动叶排出，经排汽管到凝汽器或供

9、热管道，蒸汽在其中流动时，因摩擦、涡流等原因，会造成压力损失，即排汽管道的压力损失。若末级动叶出口压力为 ，凝汽器的压力为 ，则压力损失为 由于压力损失的存在，从图213(b)可知，使整机理想焓降由 变为 。差值为 ，压力损失主要取决于流速的大小、排汽管道的型线结构等原因。,16,通常用下式来估计排汽管道的压力损失，即 式中， 阻力系数，一般取 =0.050.1； 排汽管中的汽流速度，对于凝汽机，取 =80120m/s；对于背压机，取 =4060m/s。,17,二、 汽轮机装置的评价指标,汽轮机的相对内效率,机械效率,发电机效率,则汽轮发电机组的相对和绝对电效率为：,蒸汽的热能,内功率Pi,电

10、功率Pel,轴功率Pax,18,汽耗率机组每生产1KWh电能所消耗的蒸汽量,热耗率机组每生产1 KWh电能所需的热量,19,第三节 多级汽轮机的轴向推力及平衡,多级汽轮机的轴向推力 轴 向 推 力 的 平 衡 方 法,20,一 多级汽轮机的轴向推力 蒸汽通过汽轮机通流部分膨胀作功时，对叶片的作用力由圆周分力和轴向分力所组成。其中，圆周分力推动叶轮作功，而轴向分力则对转子产生一个轴向推力。 在一般情况下，作用在一个冲动级上的轴向推力由 4 部分所组成： 作用在动叶片上的轴向力 ： （265 ) 当反动度不大时，压力反动度（ ）和焓降反动度相差不大，这样一来， 则上式为 （266）,21,作用在叶

11、轮面上的轴向力 当 叶轮两侧轮毂相等时，则上式为： （2-6 7 ） 其 中 ， 为叶轮前的压力。（略） 作用在轮毂上或者转子凸肩上的轴向力 (268 ) 作用在轴封凸肩上的轴向力 (2-70 ) 这样，多级汽轮机总的轴向推力为各级轴向推力之和。即 , ( N ) (2-71 ),22,二 轴向推力的平衡方法 在多级汽机中 ，总的轴向推力是很大的。特别是反动式汽轮机，其总的 轴向推力可达 200 300 T ，冲 动式汽轮机 ， 其总的轴向推力可达 4080T。 这样大的轴向推力是推力轴承所不能承受的 。 因此 ，必须设法减少总的轴向 推力 ，使之符合推力轴承的能承载能力。也就是说 ，对汽轮机

12、总的轴向推力 应加与平衡 。 常见的轴向推力平衡办法有 ： 1.采用平衡孔平衡轴向推力 在叶轮上开设平衡孔可以减少叶轮两侧的压力差，从而可以减少作用在叶 轮上的轴向力。 2.设置平衡活塞 如图2 - 23 所示，在平衡活塞上装有齿形轴封， 当蒸汽由活塞的高压侧向低压侧流动时，压力由 降为 。平衡活塞在压力差作用下，就产生了 一个向左的作用力 。 这个力刚好与 方向相反， 起到了平衡作用。,23,3.采用多缸反向布置 采用多缸反向布置，使汽流在不同的汽缸中作反向流动, 其轴向力方向相反，达到了平衡的目的。图2-24为多缸反向布置的示意图。国产125MW、200MW、300MW 汽轮机都采用多缸反

13、向布置的办法来平衡轴向力。 4.推力轴承所承担的轴向推力 汽轮机的运行要求推力轴承承担一部分轴向推力，以保证汽轮机运行工况发生变化时，轴向推力方向不变，达到机组稳定运转的目的。推力轴承所承担的轴向推力为： 为了安全起见，核算推力轴承 时，其安全系数 应大于1.5 1.7。,24,第四节 轴封及其系统,汽封的结构与种类 曲径轴封 齿形轴封的工作原理 轴 封 漏汽量计算 轴封系统,25,一 汽封的结构与种类 按其安装位置的不同： 通流部分汽封 隔板（或静叶环）汽封 平衡活塞气封 轴端汽封 汽封的结构型式：曲径式、碳精式和水封式,26,齿形轴封的工作原理： 从左图可见到，蒸汽通过一环形齿隙时，由于通

14、道面积减小，速度增加，压力从 Po降到p1 。但是蒸汽进入两齿间的大空间时，容积突然增大，速度大为减小。由于涡流和碰撞，蒸汽动能被消耗而转变成热量，使蒸汽焓值又回到原值，如左下图所示。即蒸汽通过轴封齿隙为一节流过程。其后，蒸汽每通过轴封一齿隙时，都重复这一过程，压,二 曲径轴封,27,力不断降低，直到降低轴封最后一齿后的压力为止。所以，轴封的作用是将一个较大的压差分割成若干个减小的压差，从而达到降低漏汽速度，减小漏汽量的作用。这就是齿形轴封的工作原理。 蒸汽每通过轴封一齿隙时，压力不断降低，容积不断扩大，而流量是相同的。根据连续性方程，则流速是越来越大的，并在最后一齿大最大。如左图所示，ab

15、曲线对应C/v=常数，称为芬诺曲线。,28,轴 封 漏汽量计算： 为了计算轴封漏汽量，这里作两个假设： 蒸汽在轴封间隙中的流动和在简单的渐缩喷嘴中的流动相似； 假定轴封各齿隙的面积都相同。 从轴封的工作原理可知，蒸汽在轴封间隙中的流动时，汽流速度是逐级增加的。现在又蒸汽在轴封间隙中的流动和在简单的渐缩喷嘴中的流动相似。所以，蒸汽在轴封间隙中的最大速度是临界速度，这一速度只可能在轴封最后一齿中达到。这样，蒸汽在轴封间隙中的流动可能产生两种情况： 蒸汽在轴封各齿隙中的流动均小于临界速度； 蒸汽在轴封最后一齿隙中达到临界速度，而在以前各齿中其汽流速度均小于临界速度。,29,蒸汽在轴封最后一齿隙中流速低于临界速度时 若已知轴封前后蒸汽压力为 ，轴封间隙为 ，轴封齿数为 ，高低齿间隙处的直径分别为 二者相差小， 用平均半径 ，则轴的齿隙面积 。则通过轴封的漏汽量可用下式计算： 从上式可知，当轴封前后蒸汽压力确定后，增加轴封齿数，可减少漏汽量。 蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度时 根据上述公式分析，当蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度，而在此之前的各齿中，汽流速度均小于临界速度的情况下，其漏汽量可用上式计算：,而蒸汽在最后一齿隙中流速达到临界速度,其流量为临界流量，因此应按临界流量公式进行